专利名称：小径管超声c/a扫描成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于小径管工业超声C/A扫描成像设备。
背景技术：
小径管在电站锅炉、化工容器和换热器等众多设备中有着广泛的应用，常常承受着高温高压的工作环境，这就对小径管的质量提出了很高的要求。传统方法是利用涡流仪进行探伤，由于涡流作用机理的局限性，管子端头总存在200 mm左右的检测盲区。在检测小径管时，常规的超声检测技术主要采用的标准是GB5777《无缝钢管超声波探伤方法》，但检测时会遇到困难①只能检测小径管的纵向或横向缺陷，但不能有效地检出分层缺陷。②小径管的纵向或横向缺陷需用不同的换能器从不同的方位入射检测。③缺陷信号需要有检验的检测人员根据检验经验进行判断。物体的超声图像可提供大量直观的信息，显示被测试物体(声目标)中缺陷的位置、大小和性质，直接反映物体的声学和力学性质，从而克服超声人工检测结果的不一致性，减少人为因素的影响。因此我们研制了用于电站锅炉小径管的超声波扫描成像装置及相关技术，对缺陷进行定量描绘，提高小径管检测的可靠性。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种小径管超声C/A扫描成像系统，其具有高灵敏度、窄脉冲的聚焦换能器。解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案如下一种小径管超声C/A扫描成像装置，包括换能器、扫查机械装置、控制盒、超声发射接收系统、数据采集卡和内嵌应用软件的PC机，其特征在于所述的换能器I为球形点聚焦换能器，呈圆柱形，组成结构为阻尼块101前面是压电晶片103，两者之间以粘接层102粘接，压电晶片103前面是声透镜104，换能器的组成结构如图3所示。如此的换能器声束细、灵敏度高、始脉冲宽度窄。在上述基础上，本实用新型还做了进一步的改进所述的扫查机械装置包括一内腔盛有水的机架6，其两个相对的壁上，对应地设有小径管试样的旋转支承头，其中一个旋转支承头设有旋转电机5带动，在所述的旋转支承头的上方，设有由步进电机4驱动的滚珠螺母丝杠3，丝杠外套有导杆2，导杆2的作用是给滚珠螺母导向并不让其跟随丝杠旋转，滚珠螺母上固定有所述的换能器。所述的内腔盛有水的机架6内的水可将小径管试样全浸没，所述的换能器与小径管试样之间留有间隙。有益效果采用了水浸(全浸没方式)自动扫描超声成像，换能器不与工件直接接触，超声波的发射和接收都很稳定；换能器发射的超声束相对与小径管的取向可自由改变，容易实现多方位检测；可以缩小盲区，对小径管的检测尤为有利。超声发射接收系统收集材料中超声波携带的全部信息(声全息)，也就是全部记录时域和空域的检测信号，彻底分析小径管内部的缺陷状况，通过图像重构显示各种特征参量图形，从而全面评定小径管整体质量。利用单板机控制扫查系统，实现独立的自动扫查系统。设计扫描成像软件，包括信号采集，信号处理，数据存储，特征提取及图像显示。高灵敏度提高小缺陷的检出率和系统的抗干扰能力，宽带窄脉冲可扩大提取信号的频带范围，聚焦提高检测的分辨力。
图1是扫查机械装置组成结构示意图；图2是球形点聚焦换能器晶片示意图图3是换能器的组成结构图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本实用新型的小径管超声C/A扫描成像装置实施例，包括换能器、扫查机械装置、控制盒、超声发射接收系统、数据采集卡和内嵌应用软件的PC机，换能器为球形点聚焦换能器1，呈圆柱形，组成结构为阻尼块101前面是压电晶片103，两者之间以粘接层102粘接，压电晶片103前面是声透镜104。扫查机械装置包括一内腔盛有水的机架6，机架6内的水可将小径管试样全浸没，机架6两个相对的壁上，对应地设有小径管试样的旋转支承头，其中一个旋转支承头设有旋转电机5带动，在旋转支承头的上方，设有由步进电机4驱动的滚珠螺母丝杠3，丝杠外套有导杆2，滚珠螺母上固定有换能器I，机架6内的水可将小径管试样全浸没，换能器I与小径管试样之间留有间隙。球形点聚焦换能器制作(I)压电晶片换能器的灵敏度和带宽取决于压电晶片。对于压电材料，压电应力常数e值大，表示施加较小的电压就能产生较大的振动，也就是发射性能好。机电耦合系数Kt反映压电晶片作厚度振动时的机电耦合效应，Kt越大，表示在厚度方向上的声电转换效率越高。本实用新型中，选取了发射性能好、压电常数大的压电陶瓷来保证检测灵敏度。换能器设计的一个基本问题是在带宽(脉冲响应的宽度)和接收灵敏度之间进行权衡。最短脉冲响应相当于最大可能的带宽。根据Mason等效电路，通过计算可得，当声脉冲沿晶片振动方向为均匀分布的情况下，应变而产生的电压由两个脉冲组成，故可获得最大的带宽，但此时声功率的一半在背向波上，损失约3dB。可见大的带宽是通过牺牲声功率来实现的。换能器的频率决定于晶片的厚度，为了制作合适频率的换能器，必须调整晶片的厚度。一般是把低频的厚晶片手工研磨至合适的厚度，然后再在晶片的两面的两面镀上银层作电极。对于曲率半径为R的球面晶片，制作比较麻烦，可以有两种方案。①先取较厚的晶片，把一面放在半径为R的凸球面上研磨，再把另一面放在半径为R的凹球面上研磨。因为陶瓷较硬，所以使用的研磨粉是很细的碳化硅，其目数一般在200 400目。研磨时，要注意用力均匀，这样磨出的晶片厚度才能一致，从而确保发出的超声波起始相位相同。②利用金属材料作为声透镜来聚焦，把圆片形晶片直接粘贴在金属声透镜的平面侧，从而避免研磨脆硬的陶瓷。本实用新型中，小径管曲率半径小、壁薄，超声检测时杂波多，采用后一种方案，设计了声束细、灵敏度高、始脉冲宽度窄的球聚焦超声换能器。换能器为圆柱形，阻尼块前面是压电晶片，压电晶片前面是声透镜。如图2。选用的声透镜材料为铝，探头的中心频率为2. 5MHz。(2)背衬声阻抗背衬吸收块的声阻抗对换能器的带宽及脉冲宽度有着至关重要的作用。从发射状态的等效电路可知，假设粘接层厚度为零(忽略粘接层的影响)，当压电晶片的声阻抗和背衬声阻抗相等时，压电晶片的背向辐射全部传播到背衬，也就是说，背衬把晶片的背向辐射全部吸收，此时换能器的发射脉冲最窄。由于在实际应用中，压电晶片声阻抗的典型值为(30 36)X 106 Pa· s/m，而典型的背衬声阻抗(钨粉和环氧树脂)不超过24X106 Pa · s/m,因此只能是使声阻抗较接近晶片的声阻抗。计算和试验都表明，背衬声阻抗越接近晶片的声阻抗，换能器的带宽越宽，脉冲越窄，而灵敏度和中心频率也下降得越多。背衬制作时，一般是把钨粉和环氧树脂按一定的比例配好后，在不凝固的情况下，浇注到有外壳的晶片背面。浇注时，一个重要问题是在背衬和晶片的接触层千万不能有气泡，否则会大大降低其吸声效果，可边浇注边加热，使气泡串出。浇注完成后，要把这种半成品探头放在烘箱里，恒温80°烘烤三至四个小时。(3)粘接层厚度换能器一般都采用环氧树脂粘接，由于环氧树脂的声阻抗很低，与晶片、保护膜及背衬的声阻抗相差很大，因此，它的厚度对换能器的性能有很大影响。从粘接层对换能器频谱和脉冲波形的影响两方面衡量，当粘接层厚度达到波长的1/400左右时，其影响大致可忽略。扫查装置为悬臂结构的水浸扫查，由机架6支承，高精度步进电机4驱动滚珠丝杠3相对于导杆2做直线运动，带动换能器进行轴向扫查，而旋转电机5则带动换能器在小径管的圆周方向进行扫查。小径管转动的同时，水平步进移动超声换能器1，使之完成在柱面上的二维扫描。使用的超声换能器为短脉冲聚焦换能器1，既用来发射超声脉冲，又作为回波信号的接收换能器，它和待测物体之间用水耦合。同步信号由编码器发出，控制脉冲声信号电源的工作，这样，就保证了信号源在柱面等间隔的位置上发出脉冲超声波。超声检测装置中的数据采集板，根据预置条件，把换能器接收的回波信号转化为数字量，并将需要回波信号数据送入计算机内存中。计算机对数据进行必要的实时处理，得到缺陷的声时和信号幅值等参数，并把结果以图像的形式显示出来。利用该系统可以准确、快速地提取小径管中夹杂、裂纹、密集气孔等缺陷，对检测结果进行实时成像，通过适当的判定条件，实现缺陷的判断和识别。本实用新型在小径管缺陷特征的研究，小径管专用超声换能器的研制，全波列信号的采集和处理等方面做了新的探索。
权利要求1.ー种小径管超声C/A扫描成像装置，包括换能器、扫查机械装置、控制盒、超声发射接收系统、数据采集卡和内嵌应用软件的PC机，其特征在于所述的换能器(I)为球形点聚焦换能器，呈圆柱形，组成结构为阻尼块(101)前面是压电晶片(103)，两者之间以粘接层(102)粘接，压电晶片(103)前面是声透镜(104)。
2.根据权利要求1所述的小径管超声C/A扫描成像装置，其特征在于所述的扫查机械装置包括一内腔盛有水的机架(6)，其两个相对的壁上，对应地设有小径管试样的旋转支承头，其中一个旋转支承头设有旋转电机(5)带动，在所述的旋转支承头的上方，设有由步进电机(4)驱动的滚珠螺母丝杠(3)，所述的丝杠外套有导杆(2)，滚珠螺母上固定有所述的换能器。
3.根据权利要求2所述的小径管超声C/A扫描成像装置，其特征在于所述的内腔盛有水的机架内的水可将小径管试样全浸没，所述的换能器与小径管试样之间留有间隙。
专利摘要本实用新型涉及一套可以用于实际工程的小径管超声成像装置，一种小径管超声C/A扫描成像装置，包括换能器、扫查机械装置、控制盒、超声发射接收系统、数据采集卡和内嵌应用软件的PC机，换能器(1)为球形点聚焦换能器，呈圆柱形，组成结构为阻尼块(101)前面是压电晶片(103)，两者之间以粘接层(102)粘接，压电晶片(103)前面是声透镜(104)。本新型采用高分辨率水浸自动C扫描技术，小径管专用球形点聚焦超声换能器，可以准确、快速地提取小径管中分层、夹杂、裂纹、密集气孔等缺陷，对检测结果进行实时成像，通过适当的判定条件，实现缺陷的判断和识别。对缺陷进行定量描绘，提高小径管检测的可靠性。
文档编号G01N29/06GK202870041SQ20112048130
公开日2013年4月10日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者钟飞, 张春雷, 马庆增 申请人:广东电网公司电力科学研究院