一种空气耦合超声波自动化检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种空气耦合超声波自动化检测系统，包含计算机模块、工控主机和扫描系统；计算机模块向工控主机收发控制指令；工控主机控制扫描系统运行；该系统还包含适配系统；工控主机通过适配系统来匹配扫描系统中不同的探头；本发明的空气耦合超声波自动化检测系统，不需要水作为耦合剂，可以无接触并且快速方便地检测声高损耗材料，对碳纤维以及玻纤维复合材料等的检测尤其有效；系统所有的控制指令都由上位机软件发出，操作方便，实现自动化控制；系统模块化，方便拆装与维护，而且适配系统精确匹配不同的探头，使探头可以根据需要进行更换，提高了系统的通用性。
【专利说明】一种空气耦合超声波自动化检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声波检测系统，特别是一种具有通用性集成系统及设备的空气耦合超声波自动化检测系统。
【背景技术】
[0002]传统的超声波检测需要耦合剂，即在超声波换能器与被测物之间喷水或者是涂敷粘稠的耦合剂以达到声阻抗匹配；特别是在自动化的检测中，水耦超声是主流的超声检测方法；但是有很多超声检测情形是不能用水的，比如固体火箭的发射燃料块就不能用水耦超声来检测；空气耦合超声只需要在换能器与被测件之间有空气就行，所以空气耦合超声在不能用水的一些场合可以替代水耦超声。
[0003]传统的超声波检测因为有耦合剂，没有办法做到非接触测量，而空气耦合超声可以做到真正的非接触测量。
[0004]传统的水偶超声相比空耦频率比较高，常用的频率在IMHz到1MHz之间，对于某些材料特别是航空航天用途广泛的复合材料声损耗特别大，超声波很难穿透；空气耦合超声的常用频率比水耦超声低一个数量级，很容易穿透象碳纤维之类的复合材料。
[0005]空气耦合超声除了是非接触测量外，不像水耦超声那样对不同形状的被测工件需要不同形状的锲块来传递声能，只需要相对简单的机械夹持工具，所以空气耦合超声可以用于工件的快速扫查。
[0006]传统的超声波检测方法产生板波导波效果不明显，产生导波时也不好随意移动导换能器，空气耦合超声检测方法在板波导波等的激励方面比传统的水偶超声效果好，换能器移动扫查也比水耦超声方便。
[0007]由于超声波存在空气中的快速衰减和界面处的强烈反射等特性，空耦检测技术无法达到一般超声检测系统的灵敏度、信噪比和分辨率；现有的空耦技术方案主要着重于空气耦合超声换能器，即空耦探头的研发，以期提高空耦探头的发射和接收效率；而在测试系统的搭建上，现有技术方案侧重在实验室将一系列不同厂商生产的通用的商业电子仪器比如发射装置、信号放大装置以及机械扫查装置等等和空耦换能器组合起来作为一个空气耦合超声检测系统；而这些实验室组合式的空耦检测系统有着很多不足；如现有的组合式的空气耦合超声检测系统的各种商业仪器不是专门为空气耦合超声制作，相互之间很难匹配优化，严重影响输出信号性噪比；稳定性差，一般只适合在实验室使用，用作科研目的；空气耦合超声还需要高能量的超声发射电源，如果没有专门为空气耦合超声检测系统设计的高能超声电源，空气耦合检测系统发射的超声波对被检工件的穿透能力就会大打折扣。
[0008]例如一件中国发明专利申请《轮胎超声波无损检测装置及其检测方法》，申请号为201010543401.3，申请日为2010年11月15日，公开了一种用于轮胎空气耦合超声波无损检测装置及其检测方法；例如一件中国发明专利申请《一种树脂在纤维层内浸润程度的快速无损检测方法》，申请号为201210232211.9，申请日为2012年7月5日，公开了一种树脂在预浸料中浸润程度的空气耦合检测方法；例如一件中国发明专利申请《瓶装液体中异物的检测方法及系统》，申请号为201310493153.X，申请日为2013年10月18日，公开了一种用于检测瓶装液体中异物的涉及超声成像自动检测【技术领域】的方法及系统本；例如一件中国发明专利申请《一种树木年轮的空气耦合式超声波检测方法及装置》，申请号为201410353275.3，申请日为2014年7月23日，公开了一种树木年轮的空气耦合式超声波检测方法及装置；以上公开的所有有关空气耦合的专利内容都注重于空气耦合超声这种方法在某一个特定事例的应用，没有涉及到空气耦合超声仪器整个系统本身的集成设计制造；这些空气耦合超声方法的实施依赖于空气耦合超声换能器的性能以及第三方的电子仪器系统特别是第三方仪器系统中的高能超声发射模块和高灵敏度接收模块；软件自动化程度不高，往往需要用第三方软件来处理数据；而且，由于不同的探头具有特定的阻抗特性，因此，装置缺乏通用性，其用途仅限于检测某种特定材料比如轮胎或者树木年轮等，不便于根据需要更换探头用于检测其他物体；因此，其使用成本较为昂贵，通用性差，不适合商业化的应用。
【发明内容】
[0009]针对上述存在的技术问题，本发明的目的是:提出了一种具有通用性集成系统及设备的空气耦合超声波自动化检测系统。
[0010]本发明的技术解决方案是这样实现的:一种空气耦合超声波自动化检测系统，包含计算机模块、工控主机和扫描系统；所述计算机模块向工控主机收发控制指令；所述工控主机控制扫描系统运行；还包含适配系统；所述工控主机通过适配系统来匹配扫描系统中不同的探头。
[0011]优选的，所述扫描系统包含发射探头组件、接收探头组件和自动扫描架；所述自动扫描架包含第一调节座、第二调节座、滑动座和微调滑动台；所述第一调节座滑动设置在第二调节座上，滑动座滑动设置在第一调节座上，微调滑动台设置在滑动座上；所述发射探头组件和接收探头组件均滑动设置在微调滑动台上。
[0012]优选的，所述工控主机包括发射模块、信号处理模块和控制模块；所述适配系统包含阻抗匹配模块和前置放大器；所述控制模块控制自动扫描架运行，发射模块通过阻抗匹配模块控制发射探头组件工作，接收探头组件通过前置放大器将接收到的信号放大反馈至信号处理模块。
[0013]优选的，所述微调滑动台竖向设置；所述发射探头组件包含上连接臂和第一发射探头，接收探头组件包含下连接臂和第一接收探头；所述第一发射探头通过上连接臂滑动设置在微调滑动台上，第一接收探头通过下连接臂滑动设置在微调滑动台上。
[0014]优选的，所述第一发射探头包含上下两个环体，下环体固定在上连接臂上，探头部分设置在上环体上，上环体通过三个均布的弹簧螺丝连接在下环体上。
[0015]优选的，所述下环体的下侧设置有两个激光头；两个激光头的照射区域在工件上的投影分别为两条相互垂直的直线，两条直线的交点为第一发射探头在工件上的检测点。
[0016]优选的，所述微调滑动台横向设置；所述发射探头组件和接收探头组件之间设置有吸声材料；所述发射探头组件包含发射连接座、发射转动座和第二发射探头，接收探头组件包含接收连接座、接收转动座和第二接收探头；所述发射连接座和接收连接座滑动设置在微调滑动台上；所述发射转动座和接收转动座分别转动设置在发射连接座和接收连接座上；所述第二发射探头和第二接收探头分别设置在发射转动座和接收转动座上。
[0017]由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
本发明的空气耦合超声波自动化检测系统，不需要水作为耦合剂，可以无接触并且快速方便地检测声高损耗材料；系统所有的控制指令都由上位机软件发出，操作方便，实现自动化控制；系统模块化，方便拆装与维护，而且适配系统精确匹配不同的探头，使探头可以根据需要进行更换，提高了系统的通用性；系统超声发射能量高，信号接收灵敏度和信噪比高，大大降低了对空气耦合超声换能器的技术要求；可以用于多种复合材料，特别是碳纤复合材料和玻纤复合材料、铝合金材料、锂电池、复合涂层、半导体晶片、飞机刹车片、高铁刹车片、汽车刹车片、蜂窝材料、铁路、橡胶、塑料以及木材等的探伤检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
附图1为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的方框图；
附图2为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的扫描系统的示意图；
附图3为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的扫描系统的局部放大图；
附图4为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的扫描系统的另一种实施方式的局部示意图；
附图5为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第一种应用实例的工件图；
附图6为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第一种应用实例的扫描图；
附图7为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第二种应用实例的工件图；
附图8为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第二种应用实例的扫描图；
附图9为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第三种应用实例的工件的一种状态图；
附图10为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第三种应用实例的工件的另一种状态图；
附图11为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第三种应用实例的扫描图； 附图12为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第四种应用实例的工件图； 附图13为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第四种应用实例的扫描图； 附图14为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第五种应用实例的工件图； 附图15为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第五种应用实例的扫描图； 附图16为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第六种应用实例的工件图； 附图17为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第六种应用实例的扫描图； 附图18为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第七种应用实例的工件的正面视图；
附图19为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第七种应用实例的工件的反面视图；
附图20为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的第七种应用实例的扫描图。【具体实施方式】
[0019]下面结合附图来说明本发明。
[0020]如图1所示，本发明所述的一种空气耦合超声波自动化检测系统，包含计算机模块、工控主机、适配系统和扫描系统；所述工控主机包括发射模块、信号处理模块和控制模块；所述适配系统包含阻抗匹配模块和前置放大器；所述扫描系统包含发射探头组件、接收探头组件和自动扫描架；所述控制模块控制自动扫描架运行，发射模块通过阻抗匹配模块控制发射探头组件工作，接收探头组件通过前置放大器将接收到的信号放大反馈至信号处理模块。
[0021]所述计算机模块主要包括数据采集卡和上位机软件，数据采集卡实现A/D采样，上位机软件的主要功能包括:设置和发送整套系统的控制指令，绘制图像，数据处理等；其中，控制指令包括:电机控制指令、发射电源控制指令、信号处理参数、采集卡控制指令；图像处理包括:单点波形图扫描和二维平面投影图扫描；数据处理包括:数据存储与读取、缺陷尺寸测定、质量判定和计算缺陷面积。
[0022]所述工控主机通过发射模块控制发射探头组件的电源，进而控制高能超声的发射；所述工控主机通过信号处理模块接收接收探头组件反馈的信号，并进行后级滤波和放大处理；所述工控主机通过控制模块对电机进行闭环控制；其中，发射电源采用耐压1200V电流38A的高频MOS作为开关管，可以输出频率在50KHz到3MHz，电压达1600Vpp，电流达20A的脉冲串，最高输出占空比达百分之1，带载能力大于30欧姆，在功率和频率上能够有效的提高超声波的穿透能力；另外发射电源具有多重保护功能，包括过压保护、过流保护、过温保护；接收的信号采用多级放大和滤波处理，其中后端模拟信号处理模块(AFE)电路由多级低噪声、线性可控增益放大与连续时间滤波器的有效搭配组成，增益的可调范围0db-80db，增益分辨率0.4db，滤波器的带宽范围在20KHz至5M Hz内连续可调；经过AFE电路调理，超声信号能被AD采集卡采集到上位机做数字分析处理，得到所需的无损检测信息。
[0023]所述适配系统用于精确匹配不同的探头，以提高系统的通用性；适配系统包含发射端的阻抗匹配模块和接收端的前置放大器，这两个模块均具有相应可调节的参数；由于每个探头均具有特定的阻抗特性，包括电阻、电容、电感，可调节的阻抗匹配模块可以将不同阻抗特性的探头调节至本系统适用的状态；前置放大器是一个可拆卸和更换的模块，不同频率段的探头使用不同的前置放大器，以实现精确匹配；采用超低噪声，高速的运放放大器，在100K至IM的带宽内可以实现最大60db的增益，可有效放大50uV至10uV的超低超声回波信号。
[0024]所述自动扫描架包含第一调节座1、第二调节座2、滑动座3和微调滑动台4 ;所述第一调节座I和第二调节座2均设置有步进电机10 ;所述第一调节座I通过由步进电机10控制的丝杆传动机构滑动设置在第二调节座2上，滑动座3通过由步进电机10控制的丝杆传动机构滑动设置在第一调节座I上，第一调节座I与第二调节座2相垂直；所述微调滑动台4沿竖直方向固定在滑动座3上；所述发射探头组件包含上连接臂51和第一发射探头52，接收探头组件包含下连接臂61和第一接收探头62 ;所述第一发射探头52通过上连接臂51滑动设置在微调滑动台4上，第一接收探头62通过下连接臂61滑动设置在微调滑动台4上，上连接臂51和下连接臂61在微调滑动台4上通过齿轮齿条结构进行微调；所述第一发射探头52包含上下两个环体，下环体固定在上连接臂51上，探头部分设置在上环体上，上环体通过三个均布的弹簧螺丝53连接在下环体上，探头部分通过三个弹簧螺丝53调节方向实现第一发射探头52和第一接收探头62的精确同轴；所述下环体的下侧设置有两个激光头7 ;两个激光头7的照射区域在工件上的投影分别为两条相互垂直的直线，两条直线的交点为第一发射探头52在工件上的检测点，两个激光头7用来指示检查的位置，实现了同轴双侧透射的扫描方法。
[0025]工作时，由计算机模块中的上位机软件控制工控主机中的发射电源发出高频脉冲；经过阻抗匹配模块调试过的第一发射探头52在高频脉冲激励下发出超声波；超声波穿透被测工件后由第一接收探头62接收到，并转化为回波信号；由于回波信号极弱，须经过前置放大器后才能进行远距离传输；回波信号到达工控主机后经过多级放大和滤波处理；处理后的回波信号经计算机模块中的数据采集卡A/D采样后，由上位机软件处理得到实时的数据；同时，上位机软件发出电机控制指令，经工控主机处理后控制自动扫描架运转，实现工件上每个点的精确扫描，并将实时的位置数据反馈给上位机软件；上位机软件将实时的位置数据和回波数据处理成实时的图像。
[0026]图4为本发明的空气耦合超声波自动化检测系统的扫描系统的另一种实施方式，所述微调滑动台4还可以沿横向固定；所述发射探头组件和接收探头组件之间设置有吸声材料11 ;所述发射探头组件包含发射连接座81、发射转动座82和第二发射探头83，接收探头组件包含接收连接座91、接收转动座92和第二接收探头93 ;所述发射连接座81和接收连接座91滑动设置在微调滑动台4上；所述发射转动座82和接收转动座92分别转动设置在发射连接座81和接收连接座91上；所述第二发射探头83和第二接收探头93分别设置在发射转动座82和接收转动座92上，第二发射探头83和第二接收探头93的方向可以根据需要转动调节，实现了双探头斜入射的扫描方法；该实施方式的工作过程与上述第一种实施方式的过程相同。
[0027]由于设置在微调滑动台4上的发射探头组件和接收探头组件可以更换，因此，除了上述两种实施示例所实现的同轴双侧透射和双探头斜入射之外，还可以实现导波和单探头反射等多种扫描方式。
[0028]下面给出本发明的一些应用实例。
[0029]如图5-6所示，本发明所述空气耦合超声波自动化检测系对厚度为3mm的碳纤维复合板扫描的第一种应用实例；采用频率为300KHz，直径30mm，焦距为40mm的点聚焦换能器；检测方式采用同轴双侧透射式；图5为该碳纤维复合板受几十次铁锤重击后的可见光照片，从照片中几乎看不出有任何损伤；图6对应的是本发明所述空气耦合超声波自动化检测系统对该复合材料的探伤扫查，可以明显看出该复合板内部已经受到了严重损伤；原图和照片都是彩色的，为了表述方便，可见光照片和本发明空气耦合超声C扫描结果全部以黑白图显示；以下应用实例采用同本例同样的黑白图原则。
[0030]如图7-8所示，本发明所述空气耦合超声波自动化检测系对厚度为3_的铝合金板上一系列平底孔扫描的第二种应用实例；采用频率为300KHz，直径30mm，焦距为40mm的点聚焦换能器；图7为该铝合金板的可见光照片；图8对应的是本发明所述空气耦合超声波自动化检测系统对该铝合金板的探伤扫查，可以明显看出该发明装置可以扫查出刻在铝合金板上一系列人工平底孔。
[0031]如图9-11所示，本发明所述空气耦合超声波自动化检测系对厚度6mm的ABS板打孔覆盖铜皮后扫描的第三种应用实例；采用频率为450KHz，直径30mm，焦距为40mm的点聚焦换能器；图9为该ABS板打人工盲孔的可见光图；图10为该ABS板覆盖铜皮后的可见光图；图11对应的是本发明所述空气耦合超声波自动化检测系统对该ABS板覆盖铜皮后的C扫描图，可以明显看出该发明装置可以扫查出刻在ABS板上的最小的直径为Imm的人工盲孔。
[0032]如图12-13所示，本发明所述空气耦合超声波自动化检测系对厚度为25mm的蜂窝板扫描的第四种应用实例；采用频率为87KHz，直径30mm，焦距为IlOmm的点聚焦换能器；检测方式采用同轴双侧透射式；可以明显看出该发明装置可以扫查出该蜂窝板内的缺陷区域。
[0033]如图14-15所示，本发明所述空气耦合超声波自动化检测系对厚度为14mm钢铁复合板扫描的第五种应用实例，其中复合板中钢铁厚度为3mm，其余材料厚度为Ilmm ;采用频率为87KHz，直径为30mm，焦距为IlOmm的点聚焦换能器；检测方式采用同轴双侧透射式；可以明显看出该发明装置可以扫查出该钢铁复合板内的缺陷区域。
[0034]如图16-17所示，本发明所述空气耦合超声波自动化检测系对厚度为1mm装甲复合板扫描的第六种应用实例；采用频率为200KHz，直径为30mm，焦距为40mm的点聚焦换能器；检测方式采用同轴双侧透射式；该扫查区域已知被子弹打过，肉眼从外表很难判断内部损伤情况，由于声能的高损耗，传统的压电超声也不能判断内部损伤情况，从图中可以明显看出该发明装置可以扫查出该装甲复合板内的缺陷区域。
[0035]如图18-20所示，本发明所述空气耦合超声波自动化检测系统对厚度为0.1mm的硅晶片粘合在塑料孔上的复合体扫描的第七种应用实例；采用频率为400KHZ，直径为30mm，焦距为40mm的点聚焦探头；扫描步长为0.5mm ;检测方式采用同轴双侧透射式；从图中可以明显看出该发明装置可以判断出只有左上角的硅晶片在塑料孔板上粘合完好，其它三张晶片都有不同层度的粘合脱落。
[0036]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种空气耦合超声波自动化检测系统，包含计算机模块、工控主机和扫描系统；所述计算机模块向工控主机收发控制指令；所述工控主机控制扫描系统运行；其特征在于:还包含适配系统；所述工控主机通过适配系统来匹配扫描系统中不同的探头。
2.根据权利要求1所述的空气耦合超声波自动化检测系统，其特征在于:所述扫描系统包含发射探头组件、接收探头组件和自动扫描架；所述自动扫描架包含第一调节座(1)、第二调节座(2)、滑动座(3)和微调滑动台(4);所述第一调节座(1)滑动设置在第二调节座(2)上，滑动座(3)滑动设置在第一调节座(1)上，微调滑动台(4)设置在滑动座(3)上；所述发射探头组件和接收探头组件均滑动设置在微调滑动台(4)上。
3.根据权利要求2所述的空气耦合超声波自动化检测系统，其特征在于:所述工控主机包括发射模块、信号处理模块和控制模块；所述适配系统包含阻抗匹配模块和前置放大器；所述控制模块控制自动扫描架运行，发射模块通过阻抗匹配模块控制发射探头组件工作，接收探头组件通过前置放大器将接收到的信号放大反馈至信号处理模块。
4.根据权利要求2或3所述的空气耦合超声波自动化检测系统，其特征在于:所述微调滑动台(4)竖向设置；所述发射探头组件包含上连接臂(51)和第一发射探头(52)，接收探头组件包含下连接臂(61)和第一接收探头(62);所述第一发射探头(52)通过上连接臂(51)滑动设置在微调滑动台(4)上，第一接收探头(62)通过下连接臂(61)滑动设置在微调滑动台(4)上。
5.根据权利要求4所述的空气耦合超声波自动化检测系统，其特征在于:所述第一发射探头(52)包含上下两个环体，下环体固定在上连接臂(51)上，探头部分设置在上环体上，上环体通过三个均布的弹簧螺丝(53 )连接在下环体上。
6.根据权利要求5所述的空气耦合超声波自动化检测系统，其特征在于:所述下环体的下侧设置有两个激光头(7);两个激光头(7)的照射区域在工件上的投影分别为两条相互垂直的直线，两条直线的交点为第一发射探头(52)在工件上的检测点。
7.根据权利要求2或3所述的空气耦合超声波自动化检测系统，其特征在于:所述微调滑动台(4)横向设置；所述发射探头组件和接收探头组件之间设置有吸声材料(11);所述发射探头组件包含发射连接座(81 )、发射转动座(82)和第二发射探头(83)，接收探头组件包含接收连接座(91)、接收转动座(92)和第二接收探头(93);所述发射连接座(81)和接收连接座(91)滑动设置在微调滑动台(4)上；所述发射转动座(82)和接收转动座(92)分别转动设置在发射连接座(81)和接收连接座(91)上；所述第二发射探头(83)和第二接收探头(93)分别设置在发射转动座(82)和接收转动座(92)上。
【文档编号】G01N29/04GK104502455SQ201410851993
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】沈宇平, 金怡胜, 谢明明, 朱绪祥, 周新宗, 杨龙 申请人:苏州博昇科技有限公司