钢轨超声波探轮式探头及超声波换能器的制作方法

本发明涉及一种超声波检测装置，特别是一种钢轨超声波探轮式探头。

背景技术：

利用超声波对钢轨进行无损探伤检测是确保机车安全运行的重要举措。公告号为CN20181765Y的中国专利公开的一种用于手推式超声波探伤车的轮式探头，包括超声波换能器、支架、耦合介质、轮状耦合介质容器及固定到车体上的支架轴，所述的支架具有中间为平面、平面两侧分别依次连接的第一倾斜面和第二倾斜面，其端面上垂直开设有安装超声波换能器的螺孔和透射超声波的圆形或方形窗口，支架中间平面上安装的超声波换能器产生的超声波在钢轨中的折射角度为0度(折射角是在钢轨中折射的波束与垂直方向的夹角)，其在钢轨中产生垂直向下的波束，主要用于检测钢轨的水平裂纹；支架中间平面两侧的第一倾斜面的端面上分别相对倾斜安装的超声波换能器产生的超声波束在钢轨中的折射角度为37～45度，主要用于检测钢轨的腰部；紧挨第一倾斜面的第二倾斜面的端面上相对倾斜安装的超声波换能器产生的超声波束在钢轨中的折射角度为65～75度，主要用于检测钢轨的头部。由于支架第二倾斜面的端面上相对倾斜安装的三对超声波换能器产生的超声波束在钢轨中的折射角度是相同的，且三对超声波换能器产生的超声波束的传播方向和钢轨的行进方向时平行的，分别对应于钢轨的内、中、外，而钢轨头部的两侧则是弧形的，故即使把安装在支架第二倾斜面的端面外侧和内侧上的超声波换能器分别向外侧和内侧移动，其产生的超声波束也不能有效地进入到弧形钢轨头部的两侧，因此该超声波换能器在检测钢轨的头部时存在部分盲区，特别就是钢轨头部的两侧。

基于上述技术问题,本申请人的公告号为CN203643404U的中国专利公开了一种钢轨超声波探轮式探头，包括超声波换能器、支架、耦合介质、轮状耦合介质容器及固定到车体上的支架轴，如图1和图2所示，所述的支架具有中间为平面24、平面24两侧分别依次连接的第一倾斜面25和第二倾斜面106，其端面上垂直开设有安装超声波换能器的螺孔和透射超声波的圆形或方形窗口，平面24和第一倾斜面25上安装有超声波换能器6，所述支架的第二倾斜面106向下拉长，其向下拉长部分的端面上分别相对倾斜的安装一个超声波换能器64，第二倾斜面106上半部分的端面上自该端面中心线两旁分别由高至低向两边外侧倾斜的安装一个超声波换能器63，第二倾斜面106上半部分端面中心线的两旁与安装的超声波换能器63之间，分别设有一块自该端面中心线两旁由高至低向两边外侧倾斜的阶梯块7。该超声波换能器产生的超声波束在钢轨中的折射角度为70度，并产生反射的二次波，扩大了检测范围，减小了检测盲区。

但是实际产品的生产过程中，因为增加了阶梯块7，所以增加了加工探头支架的工序，且阶梯块7的加工工艺比较复杂，造成探头支架的成本比较高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种即能扩大检测范围、减小检测盲区，并且成本较低的钢轨超声波探轮式探头。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种钢轨超声波探轮式探头，包括支架、第一超声波换能器、第二超声波换能器、耦合介质、轮状耦合介质容器及固定到车体上的支架轴，支架、第一超声波换能器、第二超声波换能器、耦合介质均安装在轮状耦合介质容器内，超声波换能器安装在支架上，支架轴连接在支架的两边；

所述支架为对称结构，中间为平面，平面的两侧分别依次连接第一倾斜面、第二倾斜面，所述第二倾斜面的起始端与第一倾斜面的结束端重合，第一倾斜面上安装至少一个第一或第二超声波换能器，第二倾斜面上均装有至少一个第一或第二超声波换能器；

第一超声波换能器包括位于底部的保护层、围绕保护层设置的外壳、压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆，所述压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆设置于外壳的内部，位于保护层的上方，其中压电晶体铺在保护层上，背衬材料铺在压电晶体上，压电晶体和保护层之间铺设第一层电缆，背衬材料和压电晶体之间铺设第二层电缆，该两个电缆层上分别焊接有电线，电线穿过保护层引到外壳外面，压电晶片和保护层是平行的，保护层的上表面与下表面平行；

第二超声波换能器包括位于底部的保护层、围绕保护层设置的外壳、压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆，所述压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆设置于外壳的内部，位于保护层的上方，其中压电晶体铺在保护层上，背衬材料铺在压电晶体上，压电晶体和保护层之间铺设第一层电缆，背衬材料和压电晶体之间铺设第二层电缆，该两个电缆层上分别焊接有电线，电线穿过保护层引到外壳外面，所述第二超声波换能器的保护层呈阶梯状。

优化的，第一倾斜面相对于平面向下倾斜的角度小于第二倾斜面相对于平面向下倾斜的角度，

本发明还公开了另一种钢轨超声波探轮式探头，包括支架、第一超声波换能器、第二超声波换能器、耦合介质、轮状耦合介质容器及固定到车体上的支架轴，支架、第一超声波换能器、第二超声波换能器、耦合介质均安装在轮状耦合介质容器内，超声波换能器安装在支架上，支架轴连接在支架的两边；

第一超声波换能器包括位于底部的保护层、围绕保护层设置的外壳、压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆，所述压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆设置于外壳的内部，位于保护层的上方，其中压电晶体铺在保护层上，背衬材料铺在压电晶体上，压电晶体和保护层之间铺设第一层电缆，背衬材料和压电晶体之间铺设第二层电缆，该两个电缆层上分别焊接有电线，电线穿过保护层引到外壳外面，压电晶片和保护层是平行的，保护层的上表面与下表面平行；

所述支架为对称结构，中间为平面，平面的两侧分别依次连接第一倾斜面、第二倾斜面，所述第二倾斜面的起始端与第一倾斜面的结束端重合，所述支架还包括第三倾斜面，一支撑墙连接于第二倾斜面的末端，第三倾斜面设置于支撑墙的顶端，第一倾斜面、第二倾斜面上、第三倾斜面上均装有至少一个第一或第二超声波换能器；

第二超声波换能器包括位于底部的保护层、围绕保护层设置的外壳、压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆，所述压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆设置于外壳的内部，位于保护层的上方，其中压电晶体铺在保护层上，背衬材料铺在压电晶体上，压电晶体和保护层之间铺设第一层电缆，背衬材料和压电晶体之间铺设第二层电缆，该两个电缆层上分别焊接有电线，电线穿过保护层引到外壳外面，所述第二超声波换能器的保护层呈阶梯状。

优化的，第一倾斜面相对于平面向下倾斜的角度小于第二倾斜面相对于平面向下倾斜的角度。

优化的，第三倾斜面的起始端高于第二倾斜面的结束端，所述支撑墙连接于第二倾斜面末端并向上立起。

优化的，所述第二倾斜面相对于平面向下倾斜的角度等于第三倾斜面相对于平面向下倾斜的角度。

优化的，所述第二倾斜面相对于平面向下倾斜的角度大于第三倾斜面相对于平面向下倾斜的角度。

优化的，所述第二倾斜面相对于平面向下倾斜的角度小于第三倾斜面相对于平面向下倾斜的角度。

本发明还公开一种上述钢轨超声波探轮式探头中使用的超声波换能器，包括位于底部的保护层、围绕保护层设置的外壳、压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆，所述压电晶体、背衬材料、第一层电缆、第二层电缆设置于外壳的内部，位于保护层的上方，其中压电晶体铺在保护层上，背衬材料铺在压电晶体上，压电晶体和保护层之间铺设第一层电缆，背衬材料和压电晶体之间铺设第二层电缆，该两个电缆层上分别焊接有电线，电线穿过保护层引到外壳外面，所述保护层呈阶梯状。

本发明相比现有技术具有以下优点：扩大检测范围、减小检测盲区，并且加工成本较低，如果配上改进的探头支架，还能够解决信号干扰问题，从而保证了钢轨探伤检测的准确性。

附图说明

图1是现有钢轨超声波探轮式探头支架的结构示意图；

图2是现有钢轨超声波探轮式探头支架上安装了超声波换能器的结构示意图；

图3是钢轨超声波探轮式探头的示意图；

图4是本发明实施例一中的钢轨超声波探轮式探头支架结构示意图；

图5是本发明实施例一中第一超声波换能器的结构示意图；

图6是本发明实施例一中第二超声波换能器的结构示意图；

图7是本发明实施例二中的钢轨超声波探轮式探头支架结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图3及图4所示，本实施例钢轨超声波探轮式探头，包括支架100、第一超声波换能器200、第二超声波换能器200’、耦合介质(图未示)、轮状耦合介质容器300及固定到车体上的支架轴400。

支架100、第一超声波换能器200、第二超声波换能器200’、耦合介质均安装在轮状耦合介质容器300内，超声波换能器200安装在支架100上，上述的支架轴400为两段，分别连接在支架100的两边。

所述支架100为对称结构，中间为平面102，平面102的两侧分别依次连接第一倾斜面104、第二倾斜面106。所述第二倾斜面106的起始端与第一倾斜面104的结束端重合，第一倾斜面104相对于平面102向下倾斜的角度小于第二倾斜面106相对于平面102向下倾斜的角度。

所述第一倾斜面的倾斜角度能使安装在该斜面上的超声波换能器在钢轨中产生37度～45度的超声波。所述第二倾斜面106的倾斜角度能使安装在该斜面上的超声波换能器在钢轨中产生65度～75度的超声波。

第一倾斜面104上安装至少一个第一或第二超声波换能器200，第二倾斜面106上均装有至少一个第一或第二超声波换能器200’。

请参阅图5，第一超声波换能器200包括位于底部的保护层202、围绕保护层202设置的外壳204、压电晶体206、背衬材料208、第一层电缆209、第二层电缆210。

所述压电晶体206、背衬材料208、第一层电缆209、第二层电缆210设置于外壳204的内部，位于保护层202的上方，其中压电晶体206铺在保护层202上，背衬材料208铺在压电晶体206上，压电晶体206和保护层202之间铺设第一层电缆209，背衬材料208和压电晶体206之间铺设第二层电缆210。该两个电缆层上分别焊接有电线，电线穿过保护层202引到外壳204外面。压电晶片206和保护层202是平行的，保护层202的上表面与下表面平行。

请参阅图6，第二超声波换能器200’包括位于底部的保护层202’、围绕保护层202’设置的外壳204’、压电晶体206’、背衬材料208’、第一层电缆209’、第二层电缆210’。

所述压电晶体206’、背衬材料208’、第一层电缆209’、第二层电缆210’设置于外壳204’的内部，位于保护层202’的上方，其中压电晶体206’铺在保护层202’上，背衬材料208’铺在压电晶体206’上，压电晶体206’和保护层202’之间铺设第一层电缆209’，背衬材料208’和压电晶体206’之间铺设第二层电缆210’，该两个电缆层上分别焊接有电线，电线穿过保护层202’引到外壳204’外面。

所述保护层202’呈阶梯状，从而压电晶体206’的放置角度相对于保护层202’的底面是倾斜的，而保护层202’的底面是安装在支架100上第二倾斜面106的，因此，压电晶体206’的放置角度相对于第二倾斜面106的表面是倾斜的。采用了该结构的超声波换能器200’后，无须在第二倾斜面106上半部分端面中心线的两旁与安装的超声波换能器之间设有阶梯块，只需要在第二倾斜面106的上半部分安装该结构的超声波换能器即可。能够达到与安装阶梯块一样的扩大检测范围、减小检测盲区的目的外，加工成本大大降低，

实施例二

该实施例与实施例一的区别在于支架的结构不同，请同时参阅图7所示，支架100’为对称结构，中间为平面102’，平面102’的两侧分别依次连接第一倾斜面104’、第二倾斜面106’，以及第三倾斜面108’。所述第二倾斜面106’的起始端与第一倾斜面104’的结束端重合，第一倾斜面104’相对于平面102’向下倾斜的角度小于第二倾斜面106’相对于平面102’向下倾斜的角度。所述第三倾斜面108’的起始端与第二倾斜面106’的结束端不重合，且第三倾斜面108’的起始端高于第二倾斜面106’的结束端，从而第二倾斜面106’与第三倾斜面108’之间具有一向上立起的支撑墙268’，所述第二倾斜面106’相对于平面102’向下倾斜的角度接近或者等于第三倾斜面108’相对于平面102’向下倾斜的角度。具体的，第二倾斜面106’相对于平面102’向下倾斜的角度可以大于、小于或者等于第三倾斜面108’相对于平面102’向下倾斜的角度。

所述第一倾斜面104’的倾斜角度能使安装在该斜面上的超声波换能器在钢轨中产生37度～45度的超声波。所述第二倾斜面106’和第三倾斜面108’的倾斜角度能使安装在该斜面上的超声波换能器在钢轨中产生65度～75度的超声波。

该种结构的支架解决了第二倾斜面106’上安装的两个或者多个第二超声波换能器200’产生二次波信号相互干扰从而造成检测结果不准确的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。