多功能高精度的超声扫查成像装置的制作方法

本实用新型涉及超声波无损检测技术领域，特别涉及一种多功能高精度的超声扫查成像装置。

背景技术：

无损检测技术，因其无破坏性、检测速度快、容易实现在役检测等优点，在军事、航天等领域内受到了广泛的使用；近年来，随着无损检测技术的发展，其使用范围和检测精度都得到了提高，进而可以测量不同尺寸零件的厚度，并可以对材料的重要参数进行测量和计算。

超声波无损检测技术，是无损检测技术里备受关注的检测方法，以其检测原理简单、检测方法安全、检测设备便捷等优势，成为无损检测技术中的首选方式；近年来随着科技的发展，超声无损检测技术更多的应用于不同材料的缺陷等重要参数的检测中，可以设计出适应不同检测方法的超声无损检测设备是当下研究热点之一。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种多功能高精度的超声扫查成像装置，解决了现有技术存在的上述问题，其具有较高的测量精度、较为完善的超声波无损检测测量方法和体系，是一款综合性能较强的多功能超声波无损检测设备；既有C扫查的灵活性，又可以灵活准确地测量材料表面和内部损伤的多功能超声检测设备，大大提高了超声无损检测设备的综合性能，对超声波无损检测技术的发展具有重要意义。本实用新型可以实现单探头超声C扫查、双探头发射接收C扫查、瑞利波检测C扫查、导波C扫查、多种超声C扫查成像等功能，相对于A扫和B扫，C扫可以获得更多的材料信息，可以实现对截面信息的捕获；利用成像技术实现多种材料的弹性模量、残余应力以及微观缺陷分布等参数的定量表征，并对测试结果给出直观图像显示及定量分析结论，能够获得传统超声成像方法难以获得的详细信息。当要求对材料表面的缺陷进行检测时，瑞利波检测C扫可以满足要求；而当需要对材料内部缺陷进行检测时，需要使用导波C扫进行检测。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

多功能高精度的超声扫查成像装置，包括隔震台1、高精度XYZ轴位移平台2、耦合剂槽3和超声波精密检测部分4，所述隔震台1用于保护支撑；所述高精度XYZ轴位移平台2固连到隔震台1上；所述耦合剂槽3位于隔震台1上、超声波精密检测部分4的下方，用于盛放水、甘油等耦合剂，为超声波实验提供实验环境；所述超声波精密检测部分4通过上台面401与高精度XYZ轴位移平台2的Z轴位移平台连接，从而控制超声波精密检测部分4的竖直高度。

所述的超声波精密检测部分4包括：上台面401、Z轴连接板402、三角连接板403、总承接板404、线轨上连接板405、线轨406、线轨下连接板407、辅助连接块408、和对称式扫查装置409；其中对称式扫查装置409包括移动扫查装置409a和固定扫查装置409b；所述Z轴连接板402通过上台面401螺栓固定于高精度XYZ轴位移平台2的Z轴位移平台上；所述总承接板404通过两块三角连接板403与Z轴连接板402螺栓固连；所述线轨406通过线轨上连接板405与总承接板404螺栓固连；所述辅助连接块408与总承接板404螺栓固连；所述移动扫查装置409a通过线轨下连接板407与线轨406螺栓固连；所述固定扫查装置409b与辅助连接块408螺栓固连。

所述的移动扫查装置409a、固定扫查装置409b的结构相同，具体包括：连接架40901、支撑底座40902、偏心轴承A40903、小齿轮40904、偏心轴承B40905、同心轴承40906、1/4弧形导轨40907、超声波探头40908、激光器40909、夹具40910和盘式电机40911；所述连接架40901与支撑底座40902通过螺栓进行固连；所述偏心轴承A40903、偏心轴承B40905与支撑底座40902通过螺栓固连，其V型轴承外圈与1/4弧形导轨40907最大直径圆弧所在V型凸台面线相切接触，对1/4弧形导轨40907的旋转轨迹进行约束；所述小齿轮40904与盘式电机40911固连，并且与1/4弧形导轨40907外齿进行啮合，当盘式电机40911转动时，小齿轮40904可以同时与之转动，从而控制1/4弧形导轨40907的旋转角度，进而对超声波探头40908、激光器40909的入射/接收角进行控制；所述1/4弧形导轨40907外齿处与小齿轮40904啮合，1/4弧形导轨40907V行凸台与偏心轴承A40903、偏心轴承B40905的V型面和同心轴承40906V型面过盈配合，从而被夹持约束到对称式扫查装置409上；所述超声波探头40908、激光器40909通过锁紧螺栓固连于夹具40910上；所述夹具40910与1/4弧形导轨40907通过螺栓固连；所述盘式电机40911与支撑底座40902通过螺栓固连，其转过的最小角度为0.2度。

所述的移动扫查装置409a和固定扫查装置409b中的激光器40909起到辅助定位的作用；由于激光器40909和超声波探头40908圆柱中心线相交于圆心，所以超声波探头40908发射/接收信号的位置与激光器40909的聚焦点是同一位置；当对称式扫查装置409的双弧形导轨40907同心时，对称的双超声波探头40908和双激光器40909发射/接收位置是“四点同位”，是本装置正常使用的必要条件，因此移动扫查装置409A和固定扫查装置409B中的激光器40909可以检验发射/接收超声波探头40908是否满足发射/接收信号的基本条件。

所述的移动扫查装置409a中的1/4弧形导轨40907做圆周运动，并且移动扫查装置409a通过下连接板407与线轨406螺栓固连，当线轨406沿着Y轴移动时，移动扫查装置409a也随之进行运动。

所述的固定扫查装置409b中的1/4弧形导轨40907做圆周运动，并且固定扫查装置409b与辅助连接块408通过螺栓固连。

所述的移动扫查装置409a、固定扫查装置409b中的超声波探头40908、激光器40909，四条轴线共面，且该平面与1/4弧形导轨的旋转平面平行，其中移动扫查装置409a和固定扫查装置409b中的各自的超声波探头40908既可做发射装置，又可做接收装置，可以根据实验情况合理分配使用。

所述的超声波探头40908、激光器40909安装于夹具40910两圆柱孔内，其两圆柱孔中心线相交于一点，此点与1/4弧形导轨40907圆心重合；因为1/4弧形导轨40907在旋转时绕着固定点圆心运动，所以超声波探头40908和激光器40909发射/接收的位置不受1/4弧形导轨40907角度的变化而受到影响，因此1/4弧形导轨40907可以按照试验所需角度进行调整，保证了检测的稳定性和准确性。

本实用新型的有效果益在于：结构紧凑，结合了目前超声无损检测方法中的多种前沿检测方法，大大节省了检测时间，提高了检测精度和准确性，是一款综合性能较强的超声检测试验台；通过使用盘式电机和1/4弧形导轨，保证了实验角度的可靠性和稳定性，为产生多种超声检测的波形提供了可靠的机械结构；通过将试件和超声波探头浸入耦合剂槽，为实验过程提供了稳定的耦合环境，将耦合剂带来的实验误差减小到最小；另外本试验台操作简单功能齐全，可以实现单探头超声C扫查、双探头发射接收C扫查、瑞利波检测C扫查、导波C扫查多种超声C扫查成像等功能，利用成像技术实现多种材料的弹性模量、残余应力以及缺陷分布等参数的定量表征，并对测试结果给出直观图像显示及定量分析结论，能够获得传统超声成像方法难以获得的详细信息，对超声无损检测领域具有重要意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的超声波精密检测部分三维等轴侧视图；

图3为本实用新型的扫查装置正面三维等轴侧视图；

图4为本实用新型的扫查装置背面三维等轴侧视图；

图5为本实用新型的扫查装置中的偏心轴承三维示意图；

图6为本实用新型的扫查装置中的同心轴承三维示意图；

图7为本实用新型的扫查装置中的1/4弧形导轨示意图；

图8为本实用新型的单侧夹具装配体三维示意图；

图9为本实用新型的单探头C扫三维示意图；

图10为本实用新型的双探头发射接收C扫查三位示意图；

图11为本实用新型的瑞利波检测C扫查和导波C扫查三维示意图。

图中：1、隔震台；2、高精度XYZ轴位移平台；3、耦合剂槽；4、超声波精密检测部分；401、上台面；402、Z轴连接板；403、三角连接板；404、总承接板；405、线轨上连接板；406、线轨；407、线轨下连接板；408、辅助连接块；409、对称式扫查装置；409a、移动扫查装置；409b、固定扫查装置；40901、连接架；40902、支撑底座；40903、偏心轴承A；40904、小齿轮；40905、偏心轴承B；40906、同心轴承；40907、1/4弧形导轨；40908、超声波探头；40909、激光器；40910、夹具；40911、盘式电机。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图11所示，本实用新型的多功能高精度的超声扫查成像装置，可以实现单探头超声C扫查、双探头发射接收C扫查、瑞利波检测C扫查、导波C扫查多种超声C扫查成像等功能，利用成像技术实现多种材料的弹性模量、残余应力以及微观缺陷分布等参数的定量表征，并对测试结果给出直观图像显示及定量分析结论。本实用新型结构紧凑，功能齐全，在功能上是传统超声扫描显微镜C扫成像装置的扩展装置，能够获得传统超声成像方法难以获得的详细信息。包括隔震台1、高精度XYZ轴位移平台2,耦合剂槽3和超声波精密检测部分4，所述隔震台1起到保护支撑作用；所述高精度XYZ轴位移平台2固连到隔震台1上；所述耦合剂槽3位于隔震台1上、超声波精密检测部分4的下方，用于盛放水、甘油等耦合剂，为超声波实验提供实验环境，所述超声波精密检测部分4通过上台面401用螺钉与高精度XYZ轴位移平台2的Z轴位移平台连接，从而控制超声波精密检测部分4的竖直高度。

所述的Y轴移动平台，使用光栅尺及编码器与直流伺服电机形成双闭环反馈，使本实用新型的Y自由度方向，工作台的可实现微米级的行走精度，同时保证扫查位置的准确性。

参见图2、图3和图4所示，所述的超声波精密检测部分4是：上台面401、Z轴连接板402、三角连接板403、总承接板404、线轨连接板405、线轨406、线轨下连接板407、辅助连接块408、和对称式扫查装置409；其中对称式扫查装置409包括移动扫查装置409a和固定扫查装置409b；所述Z轴连接板402通过上台面401螺栓固定于高精度XYZ轴位移平台2的Z轴位移平台上；所述总承接板404通过两块三角连接板403与Z轴连接板402螺栓固连；所述线轨406通过线轨连接板405与总承接板404螺栓固连；所述辅助连接块408与总承接板404螺栓固连；所述移动扫查装409a通过下连接板407与线轨406螺栓固连；所述固定扫查装置409b与辅助连接块408用螺栓固连。

参见图2所示，对称式扫查装置409包括移动扫查装置409a和固定扫查装置409b，其中移动扫查装置409a和固定扫查装置409b是由相同的零件组成，拥有相同的机械结构，因此移动扫查装置409a或固定扫查装置409b包括：连接架40901、支撑底座40902、偏心轴承A 40903、小齿轮40904、偏心轴承B 40905、同心轴承40906、1/4弧形导轨40907、超声波探头40908、激光器40909、夹具40910和盘式电机40911；所述连接架40901与支撑底座40902通过螺栓进行固连。

参见图3至图7所示，所述连接架40901与支撑底座40902通过螺栓进行固连；所述偏心轴承A 40903、偏心轴承B40905与支撑底座40902通过螺栓固连，其V型轴承外圈与1/4弧形导轨40907最大直径圆弧所在V型凸台面线相切接触，对1/4弧形导轨40907的旋转轨迹进行约束；所述小齿轮40904与盘式电机40911固连，并且与1/4弧形导轨40907外齿进行啮合，当盘式电机40911转动时，小齿轮40904可以同时与之转动，从而控制1/4弧形导轨40907的旋转角度，进而对超声波探头40908、激光器40909的入射/接收角进行控制；所述1/4弧形导轨40907外齿处与小齿轮40904啮合，1/4弧形导轨40907的V行凸台与偏心轴承A 40903、偏心轴承B40905的V型面和同心轴承409的03V型面过盈配合；所述超声波探头40908、激光器40909通过锁紧螺栓固连于夹具40910上；所述夹具40910与1/4弧形导轨40907通过螺栓固连；所述盘式电机40911与支撑底座40902通过螺栓固连，其转过的最小角度为0.2度。

参见图5所示，所述偏心轴承A 40903、偏心轴承B40905上下轴线不在同一条直线上，当安装1/4弧形导轨40907时，起到便于安装、锁紧1/4弧形导轨40907的作用。

参见图6所示，同心轴承40906只有一条轴线，对1/4弧形导轨40907起到约束轨迹和支撑的作用。

参见图7所示，1/4弧形导轨40907按照截面尺寸可以分为上下两层，如图7所示的位置，下层是尺寸较大的内、外圆带有V型凸台的部分，此部分的内圆V型凸台与同心轴承40906的V型轴承外圈配合；此部分的外圆V型凸台与偏心轴承A、B得 V型轴承外圈配合。

所述的移动扫查装置409a中的1/4弧形导轨40907可以做圆周运动，并且移动扫查装置409a通过下连接板407与线轨406螺栓固连，当线轨406沿着Y轴移动时，移动扫查装置409a也随之进行运动。

所述的固定扫查装置409b中的1/4弧形导轨40907可以做圆周运动，并且固定扫查装置409b与辅助连接块408通过螺栓固连；

所述的移动扫查装置409a中的超声波探头40908、激光器40909，与固定扫查装置409b中的超声波探头40908、激光器40909四条轴线共面，且该平面与弧形导轨的旋转平面平行，其中移动扫查装置409a和固定扫查装置409b中的各自的超声波探头40908即可做发射装置，又可以做接受装置，可以根据实验情况合理分配使用。

所述的超声波探头40908和激光器40909安装于夹具40910两圆柱孔内，其两圆柱孔中心线相交于圆心，此圆心与1/4弧形导轨40907圆心重合；因为1/4弧形导轨40907在旋转时绕着固定点——圆心运动，所以超声波探头40908和激光器40909发射/接收的位置不受1/4弧形导轨40907角度的变化而受到影响，因此1/4弧形导轨40907可以按照试验所需角度进行调整，保证了检测的稳定性和准确性。

所述的移动扫查装置409a和固定扫查装置409b中的激光器40909起到辅助定位的作用；由于激光器40909和超声波探头40908圆柱中心线相交于圆心，所以超声波探头40908发射/接收信号的位置与激光器40909的聚焦点是同一位置；当对称式扫查装置409的双1/4弧形导轨40907同心时，对称的双超声波探头40908和双激光器40909发射/接收位置是“四点同位”，是本装置正常使用的必要条件，因此移动扫查装置409a和固定扫查装置409b中的激光器40909可以检验发射/接收超声波探头40908是否满足发射/接收信号的基本条件。

参见图8所示，单侧夹具装配体包括：超声波探头40908、激光器40909和夹具40910。夹具40910中与超声波探头40908、激光器4090配合的圆柱通孔，其圆柱通孔轴线相交于一点，此点为1/4弧形导轨40907的圆心，此设计结果原因如下：（1）保证1/4弧形导轨40907旋转的角度就是夹具装配体的旋转角度，从而控制超声波检测过程中的发射/接收角度；（2）通过设计超声波探头40908和激光器40909聚焦为同一点，可以通过标定双侧激光器40909聚焦点位置来判断双侧超声波探头40908的位置；因为超声波肉眼不可见，通过肉眼可见的明显现象，从而确保信息采集的基本条件；当双侧激光器40909聚焦到同一点时，即可判断双侧超声波探头40908发射-接收信号的位置也聚焦到相同一点，可以实现发射/接收的信息采集。

参见图1至图11所示，本实用新型的工作过程如下：

由于本实验装置综合性能比较强，因此较为详细的介绍该装置的具体使用过程，以下分别从单探头C扫查、双探头发射接收C扫查、瑞利波扫查和导波扫查进行介绍，并且以上功能皆为超声波无损检测的前沿技术手段；由于该装置功能强大，并且具有对称式超声检测部分，为了更加清楚的描述该装置的使用操作，有必要对该装置的初始位置进行描述；由于超声波检测过程中需要耦合剂，因此本装置的所有检测环境都是以水为检测介质；

该装置的初始位置：如图10 所示，即为该装置的初始位置；此时该装置中的高精度XYZ轴位移平台2中的X、Y、Z轴无位移运动，此时的对称式扫查装置409中的双侧1/4弧形导轨40907必须处于同心位置，双侧夹具装配体（如图8所示）的旋转角度可任意（由于每一个夹具装配体的超声波探头40908和激光器40909的轴线都指向1/4弧形导轨40907的圆心，因此夹具装配体的旋转角不影响双侧激光器40909的聚焦），并且满足双侧的激光器40909聚焦的点为同一点；只有这种情况下才可以确定发射-接收探头即双侧超声波探头40908的采集点为同一点，二者采集信息的公共区域为最大，可以减少采集过程中由于公共区域小、实验现象不明显而带来的误差；当线轨406向Y轴移动时，即进行瑞利波扫查和导波扫查时，保证发射-接收探头采集信号是一条直线，满足信号采集的基本条件，才可开始正常使用该装置；

参见图9所示，该三维示意图为单侧C扫查示意图，检测的是水平板面的截面信息；由于C扫查检测的是与超声波探头垂直的截面信息，因此超声波探头必须垂直于被测表面；这里以移动扫查装置409a中的超声波探头为例，为了避免干涉，需要通过控制线轨406的Y向位移，将移动扫查装置409a移动到合适的位置，再通过盘式电机40911旋转角度使得移动扫查装置409a中的超声波探头40908垂直于水平面，从而进行检测；由于本装置中的高精度XYZ轴位移平台2可以提供该状态下的任意位置的移动，因此可以按照实验需求检测任意位置的截面信息，并且能够对截面信息进行采集处理；如果使用固定扫查装置409b中的超声波探头40908进行扫查，操作同理；

参见图10所示，双探头发射接收C扫查实现的是对竖直板面截面信息的扫查，在此种情况下，为了保证超声波探头垂直于被测试件的表面，我们需要使用L型的超声波探头；首先仍要满足初始位置的基本条件，使得双侧的激光器40909聚焦到同一点，然后使线轨406沿着Y轴移动适当距离，接着双侧的盘式电机40911开始旋转，使得双侧的超声波探头40908的检测部分垂直于被测表面，再通过高精度XYZ轴位移平台2对该状态下的称式扫查装置409，在被测件表面进行运动，从而检测被测试件不同位置的截面信息；

参见图11所示，该图为瑞利波和导波检查的示意图，其中a）部分是瑞利波检查示意图：此时在初始位置的基础之上，线轨406需要将移动扫查装置409a移动沿Y轴移动到操作者设计的位置，通过双侧盘式电机40911旋转双侧的夹具装配体（如图8所示）到相同的角度（此时双侧超声波探头旋转角度关于铅垂线对称），当发射-接收超声波探头40908的角度达到瑞利角时，可以在被测零件表面形成瑞利波，检测的距离通过制线轨406的位移来实现，当高精度XYZ轴位移平台2进行X、Y方向的运动时，可以实现对被测件任意位置表面残余应力等信息的检测；

参见图11中的b）部分所示，当装置由初始状态变成导波检测状态时，其工作原理与瑞利波相同，不同的是盘式电机40911旋转的角度不一样，导致超声波对被测件产生的波形不同，因此导波扫查与瑞利波扫查的本质区别是超声波探头40908的检测角度不同；当双侧的盘式电机40911将夹具装配体中的发着发射-接收超声波探头40908的角度旋转到导波角度时（此时双侧超声波探头旋转角度关于铅垂线对称），可以对被测件任意位置的内部残余应力等信息进行检测。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。