用于探头评估的全自动多参数测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及一种用于探头评估的全自动多参数测量系统，还涉及一种用于探头评估的全自动多参数测量方法。

背景技术：

在超声波检测的使用中，探头的性能可能会出现变化，为了确保系统中使用的探头性能参数始终符合产品的检测要求，厂家需要定期对超声波探头的性能进行评估。

比较常见的探头包括接触式探头和水浸式探头：

接触式探头评估要求系统将接触式探头压在试块工装上的特定试块表面，并实时供给耦合剂，在探头评估过程中要求系统能够控制探头在表面进行移动并进行探头的旋转操作；在每个试块内部设有特定反射体，在评估过程中实时对反射体的回波进行采集并成像，最终得出探头评估参数。

水浸式探头评估要求在水槽内摆放特定尺寸的球靶，探头评估过程要求系统可将探头指向球靶并在一定区域内移动，并在移动过程中实时获取球靶的反射回波，最终得到探头的参数。

目前国内探头的生产厂家及大量使用探头的厂家都是人工手动校准探头，缺乏探头性能评估方面的专用设备，人工手动校准会由于耦合和人为等因素对校准产生偏差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于探头评估的全自动多参数测量系统，还提供了一种用于探头评估的全自动多参数测量方法，只需要通过简单的鼠标点击即可完成探头评估，结构简单紧凑，灵活性好，检测准确度高，能够按照探头性能评估标准的要求完成探头性能评估，既能够评估接触式探头又能够评估水浸式探头。

本发明的技术方案是：

一种用于探头评估的全自动多参数测量系统，包括：

全自动多参数测量装置，用于形成系统的机械部分，承载试块并夹持探头，使探头与试块紧密贴合，完成探头评估中的机械动作；

电气控制装置，输入端和输出端分别连接计算机和所述全自动多参数测量装置中的各个电机的控制端，用于接收计算机发出的指令，控制所述全自动多参数测量装置完成指定的动作；

超声信号采集装置，用于连接待评估探头，接收来自探头的探测信息，生成超声数据，其数据输出端连接计算机；

计算机，用于接收外部输入的检测指令，依据检测指令和/或设定程序向所述电气控制装置发出指令，接收来自所述超声信号采集装置的超声数据并进行分析处理，记录和显示检测数据和结果。

本发明评估过程探头的位置信息和接收到的超声信息都通过所述计算机记录保存，从而避免了人为因素对评估结果的影响。

所述计算机中预存有各个试块、球靶和石英块的坐标信息，所述计算机包括操作界面和数据处理软件，所述操作界面上至少包括检测起点获取、检测参数设置、检测结果输出和检测图形输出，所述检测图形输出包括回波分析、频域分析、聚焦点分析和声场测绘，所述数据处理软件将所述超声信号采集装置的超声数据进行分析处理并输出检测数据和结果。

本发明还涉及一种用于探头评估的全自动多参数测量方法，采用本发明任一所述用于探头评估的全自动多参数测量系统，并按照以下步骤进行探头评估：

1）将待评估的探头安装在多参数测量装置上，所述计算机中预存有各试块和球靶的坐标，通过鼠标选取试块或球靶；

2）所述计算机通过数据处理软件发出指令使电气控制装置控制x、y、z三个方向的直线运动使探头移动到测量位置，所述计算机控制超声信号采集装置采集探头检测信号并生成相应的超声数据，检测结果通过所述计算机的显示屏幕进行显示；

3）在所述计算机的操作界面中，通过鼠标选取需要的检测图形并完成相关检测参数的设置；

4）所述计算机通过数据处理软件自动控制各轴运动完成检测并输出检测数据和结果；

5）将检测数据和结果与标准评估参数对比，对探头进行评价和/或校准。

本发明的有益效果为：

本发明通过计算机预存各种探头评价模式的控制程序和标准检测结果，只需要进行简单的鼠标点击操作即可启动相关控制程序，完成相应模式下探头探测和评估全过程，结构简单紧凑，灵活性好，检测准确度高，能够按照探头性能评估标准的要求完成探头性能评估，既能够评估接触式探头又能够评估水浸式探头；本发明将探头安装结构、接触式探头试块装置和水浸式探头试块装置安装在同一个基本框架中，通过x、y、z三个方向的直线动作将探头移动到相应的试块或球靶位置；接触式探头安装结构通过五个自由度调节，使探头与试块表面极致贴合，尽量消除间隙，减小耦合对评估结果造成的影响；水浸式探头连接头采用两个自由度调节，保证水浸探头与石英块或球靶的垂直性，只要探头的防水等级允许都可以通过水浸系统详细测绘探头的声场分布；本发明评估过程探头的位置信息和接收到的超声信息都是计算机记录保存，从而避免了人为因素对评估结果的影响。

附图说明

图1是本发明实施方式全自动多参数测量装置示意图；

图2是图1所示接触式探头试块装置示意图；

图3是图1所示z轴移动机构示意图；

图4是图3所示接触式探头安装结构示意图；

图5是本发明实施方式系统框图；

图6是本发明操作界面示意图；

图7是本发明另一个操作界面示意图；

图8是本发明另一个操作界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-图8所示，本发明涉及一种用于探头评估的全自动多参数测量系统，包括：

全自动多参数测量装置，用于形成系统的机械部分，承载试块并夹持探头，使探头与试块紧密贴合，完成探头评估中的机械动作；

电气控制装置，输入端和输出端分别连接计算机和所述全自动多参数测量装置中的各个电机的控制端，用于接收计算机发出的指令，控制所述全自动多参数测量装置完成指定的动作；

超声信号采集装置，用于连接待评估探头的信号输出，接收来自探头的探测信息，生成超声数据，其数据输出端连接计算机；

计算机，用于接收外部输入的检测指令，依据检测指令和/或设定程序向所述电气控制装置发出指令，接收来自所述超声信号采集装置的超声数据并进行分析处理，记录和显示检测数据和结果。

优选地，所述全自动多参数测量装置包括：

基本框架5，用于形成整个装置的主体和支撑部分；

x轴移动机构1，安装在所述基本框架5上，设有能够沿x轴方向直线运动的x轴移动件，用于探头在x轴方向上的调节；

y轴移动机构2，安装在所述x轴移动件上，设有能够沿y轴方向直线运动的y轴移动件，用于探头在y轴方向上的调节；

z轴移动机构3，安装在所述y轴移动件上，设有能够沿z轴方向直线运动的z轴移动件，用于探头在z轴方向上的调节，z轴移动件上设有探头安装结构，用于安装探头；

接触式探头试块装置6，设置在所述基本框架5上，用于接触式探头对相关试块的标准探测，固定安装有若干接触式探头评估用的接触式探头标定试块；

水浸式探头试块装置4，设置在所述基本框架5上，用于水浸式探头对相关试块的标准探测，固定安装有若干水浸式探头评估用的水浸式探头标定试块，所述水浸式探头标定试块包括球靶和石英块。

所述接触式探头试块装置6和所述水浸式探头试块装置4位于所述x轴模块1、所述y轴移动机构2和所述z轴移动机构3的下方，通过x、y、z三个方向的直线运动，能够使探头移动到所述接触式探头试块装置6和所述水浸式探头试块装置4的任何位置，选择不同的试块或球靶完成相关参数的评估。

优选地，所述接触式探头试块装置6包括接触式探头试块框架67和试块安装板61，所述接触式探头试块框架67以固定或可拆卸的方式连接在所述基本框架5上，所述试块安装板61安装在所述接触式探头试块框架67的上部，所述接触式探头标定试块62设置在所述试块安装板61，各所述标定试块62的上表面与所述试块安装板61的上表面处于同一平面，这样保证在检测时，探头的平面移动不会遇到任何阻碍。

当所述接触式探头试块框架67以可拆卸的方式连接在所述基本框架5上时，所述基本框架5上设有一个或多个安装定位销52，所述定位销52为下大上小的圆台形，所述接触式探头试块框架67上设有与所述定位销相配合的定位孔68，所述定位孔68为圆柱形孔或上小下大的圆台形孔，形成稳定可靠的楔形连接定位，所述接触式探头试块框架67优选方形框架。

优选地，所述标定试块62至少包括en接触式460-170-50标定试块、半球形试块、横孔半球形试块、斜面切槽试块和多个半圆试块，多个所述半圆试块同轴排列，所述半圆试块的侧面设有emat探头安装板64，所述emat探头安装板64上对应各所述半圆试块的位置设有emat探头安装孔64，所述emat探头安装板64与所述试块安装板61转动连接，所述emat探头安装板64的转轴的轴线与所述半圆试块的轴线重合。

优选地，所述接触式探头试块装置6还包括耦合液收集装置，所述耦合液收集装置位于所述试块安装板61的下方，所述耦合液收集装置设有排液孔65，所述排液孔65设有用于连接耦合液管道的接头66。

优选地，所述水浸式探头试块装置4包括水槽43，所述水槽43以固定或可拆卸的方式连接在所述基本框架5上，当所述水槽43以可拆卸的方式连接在所述基本框架5上时，优选采用与所述接触式探头试块框架相同的连接方式，所述水槽43的内壁上设有照明灯42，用于为操作人员观察水槽内探头的情况提供足够的光线，所述球靶和石英块设置在所述水槽43的底部，可以直接设置在水槽底部，也可以通过安装座设置在水槽底部。

优选地，所述水槽设有水循环系统，用于保证水质的清洁，所述水循环系统的进水管连通所述水槽的上部，出水管41连通所述水槽的底部，优选在所述水槽的侧壁上部设置两个孔，一个用于连接所述进水管，另一个用于连接所述出水管，即使孔与水管的连接做不到密封也不会漏水，所述出水管穿过设置在侧壁上的孔延伸到所述水槽的底部，所述进水管与所述出水管之间设有水泵和过滤装置。

优选地，所述z轴移动件以上下直线运动的方式连接在所述y轴移动件上，所述z轴移动件包括接触式探头z轴移动件38和水浸式探头z轴移动件31，所述接触式探头z轴移动件38和所述水浸式探头z轴移动件31的底部分别设有接触式探头安装结构和水浸式探头安装结构：

所述接触式探头z轴移动件38通过连接板36连接在所述y轴移动机构2上，所述连接板36的一端以可拆卸的方式连接在所述y轴移动机构2上，另一端设有接触式探头z轴移动件安装架37，所述接触式探头z轴移动件38竖直安装在所述接触式探头z轴移动件安装架37内，并能够上下直线移动，直线移动方式可以为旋进或推进，所述接触式探头z轴移动件安装架37的侧壁上设有锁紧旋钮35，用于固定所述接触式探头z轴移动件38。

可选地，所述锁紧旋钮35的前端为球头，所述接触式探头z轴移动件38上设有与所述球头相配合的凹槽，所述凹槽的数量至少为两个，分别对应检测位置和空闲位置，当然也可以选用现有技术的任意锁紧装置。

优选地，所述接触式探头安装结构包括竖直空心轴34，所述竖直空心轴34内设有正反转电机和减速机构，所述正反转电机的转动角度优选正反方向各90°，所述竖直空心轴34底端转动连接有横梁341，所述横梁341的下侧两端分别设有弹性伸缩轴342，所述弹性伸缩轴342可以通过在普通轴上设置弹簧或减震块实现，两个所述弹性伸缩轴342之间设有转动连接的探头外框343，所述探头外框343能够在两个所述弹性伸缩轴342之间自由转动，转动角度可以限制也可以不限制，所述探头外框343内设有转动连接的探头内框348，所述探头内框348的转轴与所述探头外框343的转轴互相垂直，从而实现另一个方向的转动调节，在探头靠近并接触到试块的过程中，通过竖直空心轴的上下移动、横梁的转动、弹性伸缩轴的伸缩、探头外框的转动和探头内框的转动，共五个自由度的自动调节，实现探头与试块表面极致贴合，尽量消除间隙，减小耦合对评估结果造成的影响。

所述探头内框348内设有两个用于夹持探头的夹片347，所述夹片347的两端分别通过设置在内框壁上的导轨345滑动连接在所述探头内框348内，至少在一侧所述导轨345处设有刻度条344，所述刻度条344上的刻度以中心位置为0刻度，并向两侧对称设置，通过刻度条344可以判断探头所处的位置（确定是否处于中央位置），所述夹片347的外侧设有用于调节夹片位置使所述夹片夹紧探头的内六角调节螺钉346，通过将所述内六角调节螺钉346旋进或旋出，可以使所述夹片347夹紧或松开探头。

所述夹片347的内侧相互平行，能够夹持方形探头，所述探头夹片347的内侧设有圆弧状的凹槽，方便夹持圆柱形的探头，所述竖直空心轴34上还设有旋转零点传感器349，用于确定转动的起始参考位置及转动角度。

所述水浸式探头z轴移动件31的侧壁上设有齿条，所述y轴溜板箱22上设有与所述齿条相配合的齿轮以及驱动齿轮转动的正反转电机和蜗轮蜗杆减速机构，通过电机的正反转实现所述水浸式探头z轴移动件31的上下移动。

所述水浸式探头安装结构包括相互垂直的a轴32和b轴33，所述a轴32和所述b轴33内部设有正反转电机和减速机构，所述a轴32横向设置且固定连接在所述水浸式探头z轴移动件31的下端，所述b轴33的中部连接在所述a轴32的电机的输出端，所述b轴33的电机的输出端设有水浸式探头连接头，通过两个电机的旋转实现绕横轴和纵轴的两个转动自由度，从而调整水浸探头与石英块或球靶的垂直性，所述a轴32和所述b轴33采用防水设计。

所述a轴和所述b轴的连接方式并不唯一，只要能够实现沿横向的中心线和纵向的中心线的两个转动自由度即可，例如所述水浸式探头z轴移动件的下端设置电机，所述a轴的中部连接所述水浸式探头z轴移动件的电机的输出端，所述a轴内设置电机，所述a轴的电机的输出端连接所述b轴，所述b轴的一端设有水浸式探头连接头。

所述水浸式探头连接头还设有多种不同的水浸式探头转接头，通过设置转接头，能够对现有的多种型式的水浸式探头进行检测。

上述接触式探头z轴移动件38和所述水浸式探头z轴移动件31的上下直线移动方式只是在本发明中的优选方案，其他例如丝杠螺母等直线运动机构都可以作为选择方案。

优选地，所述x轴移动机构1设有x轴导轨11，所述x轴移动件包括x轴溜板箱12，所述x轴导轨11分为左右两组，分别设置在所述基本框架5的左右两侧且相互平行，每组的导轨数量为一个或多个，至少在一侧的x轴导轨11上设有x轴溜板箱12。

优选地，所述y轴移动机构2设有y轴导轨21，所述y轴移动件包括y轴溜板箱22，所述y轴导轨22与所述x轴溜板箱12固定连接，所述y轴导轨21的两端分别与相应侧的x轴导轨11滑动配合。

所述接触式探头z轴移动件38和所述水浸式探头z轴移动件31连接在所述y轴溜板箱22上。

当所述x轴溜板箱12沿所述x轴导轨11直线移动时，带动所述y轴导轨21沿x轴直线移动，当所述y轴溜板箱22沿所述y轴导轨直线移动时，带动所述z轴移动件沿y轴直线移动，所述z轴移动件的上下直线移动实现z轴方向的直线移动。

各所述溜板箱设有驱动电机和减速机构，所述减速机构优选蜗轮蜗杆减速机构，所述x轴导轨11和所述y轴导轨21采用不锈钢直线导轨，所述x轴导轨11和所述y轴导轨12上设有极限位置弹性挡块54，在移动过程中起到限位和保护的作用，所述x轴移动机构1、所述y轴移动机构2和所述z轴移动机构3均设有锁紧装置。

优选地，所述基本框架5和所述接触式探头试块基本框架67采用铝合金框架，所述基本框架5的底部设有调平垫脚51。

优选地，本发明还包括手动控制器53以及一个或多个急停开关，所述手动控制器53设有手动旋钮控制所述x轴移动机构1、所述y轴移动机构2和所述z轴移动机构3的直线移动，便于近距离观察探头，所述急停开关用于在紧急状况下关闭整个装置。

优选地，所述电气控制装置采用线性放大驱动方式并配有过载保护电路，极大的减小了电磁噪声对超声信号的影响，还可以保护驱动在电流过大时的线路安全；各连接电缆采用双层防屏蔽电缆，能有效提高系统的抗干扰能力，提高检测信噪比；各电机设有过流、短路瞬态电压冲击和电机过热保护。

优选地，所述计算机中预存有各个试块、球靶和石英块的坐标信息，预设与各试块对应的各种探测模式和评价标准或评价程序，各探头的位置信息通过所述电气控制装置反馈到所述计算机，所述计算机包括操作界面和数据处理软件，所述操作界面上至少包括检测起点获取、检测参数设置、检测结果输出和检测图形输出，所述检测图形输出包括回波分析、频域分析、聚焦点分析和声场测绘，所述数据处理软件将所述超声信号采集装置的超声数据进行分析处理并输出检测数据和结果。

用户只要选定试块或球靶等校准用的物品，所述数据处理软件自动控制各轴运动，使选定试块或球靶在探头的主声束轴线上，对于斜探头，所述数据处理软件也会根据斜探头的角度，控制各轴的运动，使选定的横通孔、直半球孔或斜半球孔在斜探头的主声束轴线上，极大的减轻了操作人员的工作难度，所述数据处理软件操作简单、安全、易上手，评估过程中只用几个简单的鼠标点击就能完成，只需要简单的电脑知识就能操作整个系统，且不会出现安全问题，区别于现在普通的探头评估技术，很大程度上的降低了对操作人员的技术技能需求。

本发明还涉及一种用于探头评估的全自动多参数测量方法，采用本发明任一所述用于探头评估的全自动多参数测量系统，并按照以下步骤进行探头评估：

1）将待评估的探头安装在多参数测量装置上，所述计算机中预存有各试块和球靶的坐标，通过鼠标选取试块或球靶；

2）所述计算机通过数据处理软件发出指令使电气控制装置控制x、y、z三个方向的直线运动使探头移动到测量位置，所述计算机控制超声装置采集探头检测信号并生成相应的超声数据，检测结果通过所述计算机的显示屏幕进行显示；

3）在所述计算机的操作界面中，通过鼠标选取需要的检测图形并完成相关检测参数的设置；

4）所述计算机通过数据处理软件自动控制各轴运动完成检测并输出检测数据和结果；

5）将检测数据和结果与标准评估参数对比，对探头进行校准或更换。

水浸式探头各参数的自动评估操作方法如下：

1）频域评估：所述数据处理软件控制x、y和z轴运动使探头自动运动到石英块前方，并找到与石英块垂直的ab轴位置，通过探头接收到的反射回波，进行水浸探头的频域评估；

2）焦距评估：保持ab轴位置不变，软件控制x、y和z轴运动移动探头到探头频率对应的球靶前方，在x轴方向上进行一维线性扫查运动，结合探头接收到的反射回波实时变化，评估水浸探头焦距（近场长度）；

3）声场分布图：探头重新回到球靶前方，做xy和xz两个垂直平面的探头声束方向上的二维线性扫查运动，所述数据处理软件将电机反馈的位置信息和探头接收到的超声信息合成一张声场分布图；

4）探头偏向角：所述数据处理软件控制x、y和z轴使探头自动运动到水浸探头的焦距（近场长度）位置，两个比焦距的峰值波幅低-6db位置上，分别做三个yz平面上的二维线性扫查，测绘三个位置的声场分布情况，并计算探头的偏向角。

接触式探头各参数的自动评估操作方法如下：

1）回波分析评估：选择匹配的半圆柱试块作为回波分析评估试块，选定后，所述数据处理软件控制x、y和z轴运动使探头自动移动到选定的评估试块位置，在探头接收到的反射回波中寻找评估试块的超声信号，识别后所述数据处理软件控制微调x、y轴，找到评估试块的最大回波信号，对接触式探头进行回波分析评估。

2）声束发散角、侧波瓣和倾斜角评估：选择匹配深度的横通孔评估探头的声束发散角和侧波瓣，选定后，各轴自动移动到选定的评估横通孔位置，在探头接收到的反射回波中寻找横通孔的超声信号，识别后软件控制微调x轴，找到横通孔的最大回波信号，在垂直横通孔的x方向上做一维线性扫查，完成后探头自动旋转90°，再做另一一维线性扫查，对探头的声束发散角、侧波瓣和倾斜角进行评估。

3）声束发散角和侧波瓣评估：选择匹配深度的半球孔评估探头的声束发散角和侧波瓣，选定后，各轴自动移动到选定的评估半球孔位置，在探头接收到的反射回波中寻找半球孔的超声信号，识别后软件控制微调xy轴，找到半球孔的最大回波信号，在x、y两个方向上分别做一维线性扫查，对探头的声束发散角和侧波瓣进行评估。

4）焦点位置和聚焦长度评估：所述数据处理软件控制探头由浅到深依次到达每个横通孔（直半球孔或斜半球孔）上方，在探头接收到的反射回波中寻找横通孔（直半球孔或斜半球孔）的超声信号，识别后所述数据处理软件控制微调x（或x、y）轴，找到横通孔（直半球孔或斜半球孔）的最大回波信号，软件通过每个横通孔（直半球孔或斜半球孔）的深度和横通孔（直半球孔或斜半球孔）的最大回波信号合成单晶直探头的距离-振幅曲线，评估单晶直探头的焦点位置和聚焦长度。

5）焦区宽度评估：选择匹配深度的横通孔评估探头的焦区宽度，选定后，各轴自动移动到选定的评估横通孔位置，在探头接收到的反射回波中寻找横通孔的超声信号，识别后软件控制微调x轴，找到横通孔的最大回波信号，在与横通孔垂直的x方向做一维线性扫查，评估单晶直探头的焦区宽度。

6）焦区宽度评估：选择匹配深度的半球孔评估探头的焦区宽度，选定后，各轴自动移动到选定的评估半球孔位置，在探头接收到的反射回波中寻找半球孔的超声信号，识别后所述数据处理软件控制微调x、y轴，找到半球孔的最大回波信号，在x、y两个方向上分别做一维线性扫查，评估单晶直探头的焦区宽度。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。