一种用于超声自动检测系统的三维校准试块的制作方法

本发明涉及超声无损检测技术领域，具体涉及一种用于超声自动检测系统的三维校准试块。

背景技术：

自动化超声检测系统在航空、航天、电子、船舶、高铁、能源、车辆与交通运输等现代工业产品的质量检测与控制中已得到广泛应用，是现代机电产品质量保障的工业基础。

自动化超声检测系统不仅可以快速检测复杂构件内部或表面的多种宏观和微观缺陷，获得缺陷的大小、位置、形状和性质以及构件材料的特性。

然而自动化超声检测系统的性能决定了对材料缺陷的正确检测和识别，不仅仅是对自动扫查机械系统与超声检测系统的技术指标的简单综合，尤其是对三维复杂曲面构件内部缺陷的准确和正确检出有重要影响，同样对检测结果的准确性、可重复性和可比性有重要影响。目前有以下几种用于超声无损检测的校准试块，其功能、特点和作用如下：

如IIW试块(荷兰试块)，用于仪器探头系统性能测试校准和检测校准；专利(金宇飞,马芳,翟莲娜.一种用于超声检测的改进型试块及其应用[P].上海：CN104897783A,2015-09-09.)以及论文(金宇飞.2号试块及其改进型的应用[J].无损检测,2015,12:59-63.)，二者对国家标准GB/T19799.2-2012(或国际标准工SO7963:2006)《无损检测超声检测2号校准试块》进行改进，得到的试块既满足灵敏度设定和校准，又满足直探头和斜探头的时基线设定和校准，以及斜探头入射点和折射角的测定的。专利(陈二松.一种多方位检测用超声波试块[P].河北：CN204008571U,2014-12-10.)设计了一种多方位检测用超声波试块，用以实现对超声场横向纵向声压检测，从而确定超声场的结构特征并得出具体的声场衰减值，对缺陷进行定量校正，增加超声检测的准确性。专利(杨坚,杜好阳,隋忠学,赵勇,姜斌.铸钢件缺陷超声波检测试块:吉林,CN203881718U[P].2014-10-15)是针对晶粒粗大的铸钢件阀门常见裂纹、输送、夹渣、气孔等缺陷超声波检验而制备的试块，其材料的声学特性与被检工件的声学特性接近，同时含有模拟缺陷，可以用于检测方法的研究，评价和验证仪器探头系统的检测能力和检测工艺、缺陷的评定。

但是以上各个试块提供的是一种静态的、较单一的校准方式，不能用来模拟三维立体缺陷，满足不了超声无损检测自动化、图像化和三维缺陷量化检测的需要，因此，需要一种多用途的、多功能的综合技术指标的三维校准试块，以满足整个超声无损检测系统性能校准与评估需要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种用于超声自动检测系统的三维校准试块，由平板和凸起壳体组成，通过凸起壳体上设置缺陷，该试块实现对三维立体缺陷的模拟，在平板上设置有多种类型的沉孔和开口槽，作为一种多功能的校准对比试块，满足整个超声无损检测系统性能校准与评估的需要，解决超声自动检测系统综合技术指标的校准问题。

本发明的技术方案为：

用于超声自动检测系统的三维校准试块包括一块平板以及凸起壳体，凸起壳体所在的平板位置处开有与凸起壳体敞口大小一致的通孔；平板与凸起壳体表面分布有缺陷，所述缺陷包括沉孔和开口槽；平板的上表面和下表面均设置有缺陷，上、下表面的缺陷互相错开；平板的侧面设置有沉孔；凸起壳体的内表面和外表面均设置有缺陷，内表面和外表面缺陷互相错开。

较佳地，所述凸起壳体为球冠状壳体，壳体等分为A、B、C和D四个部分，所述A的外表面与所述B的内表面均设置有沉孔；所述C的外表面和所述D的内表面均设置有开口槽，开口槽等间隔分布。

较佳地，所述壳体上的沉孔按组设置，沿同一条经线方向的沉孔为一组，每组有9个不同直径的沉孔，组数为12，内表面6组，外表面6组；相邻两组孔夹角为30°，同一组沉孔的深度相同且直径互不相同，壳体上的不同组沉孔的深度互不相同。

所述壳体上的开口槽按组设置，沿同一条经线方向的开口槽为一组，每组6个不同宽度的开口槽，每个开口槽对应25°的圆心角，同一纬度相邻两个开口槽间隔对应5°的圆心角，所述圆心角为开口槽对应纬度所在圆的圆心角，同一组开口槽的深度相同且宽度互不相同；不同组开口槽的深度互不相同。

进一步地，所述沉孔最小孔径为0.2mm，最大孔径为2.5mm；所述开口槽最小槽宽为0.15mm，最大槽宽为2.5mm。

所述凸起壳体数目为1或2，凸起壳体数目为2时，两个凸起壳体分别位于平板的上、下表面上。

其中，所述平板上的开口槽包括圆环槽、菱形槽和矩形槽中的一种、两种或三种。

较佳地，平板的四个角上有安装孔。凸起壳体通过螺纹或紧密配合与平板实现定位连接。凸起壳体为半球壳或高度为半球壳一半的球冠状壳体。凸起壳体的顶部设置有排水孔。

有益效果：

本发明提供了一种用于超声自动检测系统的三维校准试块，该试块由平板和凸起壳体组成，在凸起壳体上设置缺陷，来模拟复杂三维工件内部或表面的缺陷，满足超声无损检测中三维缺陷量化检测的需要。

本发明的试块在平板上设置有多种类型的沉孔和开口槽，来模拟平板类工件内部或表面的缺陷，试块可以一次性、方便的解决系统的分辨率、灵敏度检测问题和检测结果的参照问题，满足超声反射和透射检测模式和方式的需要，也可以用于射线检测、电磁和电涡流检测等其它无损检测方法的校准或校验。

本发明的凸起结构是通过螺纹与平板定位链接，方便拆卸，试块结构设计合理、轻巧便于携带、利于保存且可重复利用。

附图说明

图1为用于超声自动检测系统的三维校准试块有两个半球时，试块的主视图，其中1-平板，2-上半球，3-下半球；

图2为三维校准试块有两个半球时试块的俯视图；

图3为三维校准试块有两个半球时试块的仰视图；

图4为三维校准试块有两个半球时试块的右视图；

图5为三维校准试块有两个半球时试块的左视图；

图6为三维校准试块圆形槽示意图；

图7为三维校准试块菱形槽示意图

图8为三维校准试块矩形槽示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于超声自动检测系统的三维校准试块，其材质为常用的45#钢、20#钢、铝合金、钛合金、陶瓷和玻璃等透声材料，最好是与批量制造零件材料相同的材料。

如图1所示，本发明的试块包括一块平板以及凸起壳体，凸起壳体所在的平板位置处开有与凸起壳体敞口大小一致的通孔；平板与凸起壳体表面分布有缺陷，所述缺陷包括沉孔和开口槽，如图2、图3所示，平板上表面或下表面的沉孔均为七组，深度相同的沉孔为一组，同一组沉孔直径互不相同，即平板上沉孔的特点为：直径相同则深度不同，直径相同则为不同组，直径不同的同组沉孔深度相同。

平板的上表面和下表面均设置有缺陷，上、下表面的缺陷互相错开；平板的侧面设置有深度一致的沉孔；凸起壳体的内表面和外表面均设置有缺陷，内表面和外表面缺陷互相错开。

当凸起壳体为球冠状壳体时，壳体等分为A、B、C和D四个部分，所述A的外表面与所述B的内表面均设置有沉孔；所述C的外表面和所述D的内表面均设置有开口槽，开口槽等间隔分布。其中，球冠状壳体上的沉孔按组设置，沿同一条经线方向的沉孔为一组，组数为12，内外表面各6组，相邻两组孔夹角为30°；壳体上同组中的沉孔深度相同且直径互不相同；不同组的沉孔的深度互不相同；所述壳体上的开口槽按组设置，沿同一条经线方向的开口槽为一组，每组6个不同宽度的开口槽，每个开口槽对应25°的圆心角，同一纬度相邻两个开口槽间隔对应5°的圆心角，所述圆心角为开口槽对应纬度所在圆的圆心角，与壳体上的沉孔类似，壳体上同组中的开口槽深度相同且宽度互不相同；不同组的开口槽的深度互不相同。

其中，平板上的开口槽包括圆环槽、菱形槽和矩形槽中的一种、两种或三种。

较佳地，平板的四个角上有安装孔。进一步地，凸起壳体通过螺纹或紧密配合与平板实现定位连接。

较佳地，对于本试块的具体实施例为：如图1所示，试块包括两个凸起壳体，凸起壳体为球冠状壳体，分布在平板1的上、下表面上，分别为上半球2与下半球3。如图2和图3所示，在平板1的上、下平面上均设置有七组沉孔，每组沉孔包含有直径为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1mm、2mm、2.5mm的沉孔，每组平底沉孔深度相同，该七组沉孔的深度依次为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm。

如图2和图3所示，在平板1的上、下表面上均设置有宽度为0.15mm，0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.8mm、1mm、2mm、2.5mm的圆环槽、菱形槽和矩形槽；如图6-图8所示，画斜线部分对应开口槽，同一宽度的开口槽分为4份，对应深度分别为2mm、4mm、6mm、8mm，即平板上的每一个开口槽具有4个深度。

如图1所示，在主视方向的平板侧面上，有平行于平板上平面的五组沉孔，距平板上表面距离相同的沉孔为一组，各组沉孔距平板上表面距离依次为2mm、4mm、5mm、4mm、2mm，呈中心对称分布，所述沉孔的深度相同，沉孔最小直径为0.2mm，最大孔径为2.5mm，在后视方向的平板侧面上，设置有与主视方向的平板侧面相同的沉孔。从平板的上平面检测试块，用以校验自动超声扫查系统对检测对象内部不同深度、不同大小的气孔类缺陷及长横孔、短横孔的扫查能力。

如图2和图3所示，下半球3一半为A，另一半为B，A的外表面上有6组沉孔，B的内表面有6组沉孔；每组分布在1/4圆周上，孔径由小到大或由大到小排列，每个沉孔的轴线都是径向的，每组沉孔的轴线位于同一球的径向剖平面内，间隔30°分布；上半球2一半为C，另一半为D，C的外表面上有开口槽，沿同一条经线方向的开口槽为一组；D的内表面上有开口槽，外表面有6组，内表面有6组；所述开口槽每组有6个且宽度不同，每个开口槽对应25°的圆心角，同一纬度相邻两个开口槽间隔对应5°的圆心角，所述圆心角为开口槽对应纬度所在圆的圆心角；每组开口槽的槽宽由小到大或由大到小排列。

在两个半球的顶部设置有排水孔，在水耦合的超声检测系统中用来排除存留在半球壳内水，避免信号不稳定的情况。

当超声扫查系统夹持着探头按照预定的轨迹扫过设置在平板1上、下表面上各种的沉孔、圆环槽、菱形槽、矩形槽，以及分布在半球2和3上的沉孔和开口槽的过程中，可以实现整个系统分辨率和灵敏度的检测以及其检测结果可用于被检测对象的缺陷及其尺寸的检测对照和校准。

本发明中的用于超声自动检测系统的三维校准试块，当半球数目为1时，A、B、C或D分别对应一个1/4半球；一半沉孔位于1/4半球的外表面，一半沉孔位于1/4半球的内表面；一半开口槽位于1/4半球的外表面，一半开口槽位于1/4半球的内表面。

所述壳体上的沉孔，其目的是用来：

1)校验超声自动扫查系统对检测对象内部和表面不同深度、不同大小孔洞类缺陷的扫查和分辨能力。

2)检测系统对曲面复杂构件同一深度方向上不同直径的平底孔当量缺陷的识别能力。

3)检测系统对曲面复杂构件同一直径的平底孔当量缺陷在不同深度方向上的识别能力。

4)校验超声自动扫查系统对空间缺陷尺寸和形状的检测精度、空间缺陷间相互位置和距离的检测精度，因为，半球内外表面上设置的平底孔的尺寸和形状以及孔的三维空间位置和相互间距离都是确知的。

5)校验超声自动扫查系统的空间速度，因为，半球内外表面上设置的平底孔的三维空间位置和相互间距离都是确知的。

所述壳体上的开口槽，其目的是用来：

1)校验超声自动扫查系统对曲面复杂构件内部和表面裂纹和槽类缺陷的检测分辨能力和测量能力。

2)检测系统对曲面复杂构件同一深度方向上不同宽度的裂纹和槽类缺陷的识别能力。

3)检测系统对曲面复杂构件同一宽度的裂纹和槽类缺陷在不同深度方向上的识别能力。

4)校验超声自动扫查系统对空间缺陷尺寸和形状的检测精度、空间缺陷间相互位置和距离的检测精度，因为，半球内外表面上设置的每个槽的尺寸和形状以及槽的三维空间位置和相互间距离都是确知的。

5)校验超声自动扫查系统的空间速度，因为，半球内外表面上设置的每个槽的三维空间位置和相互间距离都是确知的。

所述平板上的沉孔，其目的是用来：

1)校验超声自动扫查系统的横向分辨力，即对两个相邻反射体提供可分离指示时两者的最小距离。

2)校验超声自动扫查系统对检测对象内部同一大小、不同深度缺陷的扫查和分辨能力。

3)校验超声自动扫查系统对检测对象内部同一深度、不同大小缺陷的扫查和分辨能力。

4)校验超声自动扫查系统对平面构件内部和表面缺陷的检测分辨能力及量化能力。

所述圆环槽、菱形槽和矩形槽，其目的是用来：

1)检测超声自动检测系统对检测对象表面和内部的缺陷形状、缺陷角度、尖角、相邻缺陷等的分辨能力。

2)校验超声自动扫查系统对检测对象内部不同深度、不同大小空隙类缺陷的扫查和分辨能力。

3)校验超声自动扫查系统对平面构件内部和表面裂纹和槽类缺陷的检测分辨能力和测量能力。

4)校验超声自动扫查系统对平板内分布的缺陷尺寸和形状的检测精度、平板内缺陷间相互位置和距离的检测精度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。