一种基于点聚焦探头的钢球超声探伤方法与装置与流程

本发明涉及超声检测技术与钢球无损探伤技术领域，尤其涉及一种基于点聚焦探头的钢球超声探伤方法与装置。

背景技术：

作为机械工业核心基础的零部件，轴承被广泛应用于国民经济的各行各业中，而球轴承在所有种类轴承中应用最为广泛。钢球作为球轴承的关键零件，它的质量对球轴承的精度、传动性能和使用寿命有着重要影响。当钢球处于高速重载条件下工作时，它表面或者内部如果存在微小的气孔或裂纹等质量问题极易致使缺陷长大、延伸，最终导致轴承失效，严重者将会造成重大安全事故，危害生命健康以及财产安全。

目前国内绝大数企业仍然采用的是人工检测法进行钢球质量缺陷检测。这种检测方法不仅需要投入大量的劳动力，效率极低，而且检测质量受工人的情绪、责任心以及技术水平等影响很大，很容易造成误检和漏检，影响企业的产品质量和生产效益，此外，工人长时间在强光源的条件下工作极容易对眼睛造成伤害。虽然国内外的许多专家学者已经成功应用机器视觉法、光电检测法以及涡流检测法对钢球进行缺陷检测，但是这些技术只能检测出钢球表面及近表面的缺陷，对于钢球存在的气孔、夹杂等内部缺陷无能为力。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过一种基于点聚焦探头的钢球超声探伤方法与装置，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于点聚焦探头的钢球超声探伤方法，其包括如下步骤：

s101、根据点聚焦探头在待检测钢球球体内的实际焦距及折射定律，结合待检测钢球的直径规格，选择点聚焦探头的型号、水层厚度以及点聚焦探头声源轴线与待检测钢球球心的偏心距；

s102、超声仪产生高频脉冲信号，激励点聚焦探头产生超声波，超声波经耦合介质水进入待检测钢球内进行缺陷检测；

s103、待检测钢球在点聚焦探头的有效检测区域范围内进行球面全展开，点聚焦探头接收超声回波信号，根据所述超声回波信号判断所述待检测钢球是否存在缺陷。

特别地，所述步骤s101包括：调节点聚焦探头的位置，使其声源轴线与待检测钢球的球心共线，实现对待检测钢球的内部缺陷检测。

特别地，所述步骤s101包括：根据点聚焦探头发射的超声波在待检测钢球内实际焦距，选择点聚焦探头的型号和水层厚度，将点聚焦探头的实际聚焦区域调节至钢球底部，其中，所述点聚焦探头的型号包括晶片直径和焦距。

特别地，所述步骤s101包括：根据点聚焦探头发射的超声波在交质界面的折射定律及斯奈尔定律，调节点聚焦探头的位置，使其声源轴线偏离待检测钢球的球心达到设定距离，使进入待检测钢球内的超声波转换为横波，实现对待检测钢球的表面缺陷检测。

特别地，用于待检测钢球表面缺陷检测的点聚焦探头与用于待检测钢球内部缺陷检测的点聚焦探头的型号相同，但与待检测钢球的设置的相对位置不同。

特别地，所述步骤s103具体包括：待检测钢球在点聚焦探头的有效检测区域范围内进行球面全展开，点聚焦探头接收超声回波信号并将其转换为电压信号输出给超声仪，超声仪对收到的电压信号进行包括放大、滤波、a/d转换在内的数据处理，提取出信号特征用波形图形的方式呈现在显示器上，根据所述波形图形判断所述待检测钢球是否存在缺陷。

本发明还公开了一种实现上述钢球超声探伤方法的钢球超声探伤装置，该装置包括：钢球展开机构、第一点聚焦探头、第二点聚焦探头、探头调节支架、水箱、超声仪以及显示器；所述钢球展开机构用于将待检测钢球的表面在第一点聚焦探头、第二点聚焦探头的有效检测区域范围内进行全展开；所述探头调节支架用于安装第一点聚焦探头、第二点聚焦探头，调节第一点聚焦探头、第二点聚焦探头与待检测钢球球心的相对位置；所述第一点聚焦探头、第二点聚焦探头与超声仪电连接，设置在所述水箱内；所述水箱内盛放耦合介质水；所述超声仪与显示器电连接，用于产生高频脉冲信号，激励第一点聚焦探头、第二点聚焦探头发射超声波，超声波通过耦合介质水进入待检测钢球进行缺陷检测，第一点聚焦探头、第二点聚焦探头接收超声回波信号并将其转换为电压信号输出给超声仪，超声仪对收到的电压信号进行包括放大、滤波、a/d转换在内的数据处理，提取出信号特征用波形图形的方式呈现在显示器上，根据所述波形图形判断所述待检测钢球是否存在缺陷。

本发明提出的基于点聚焦探头的钢球超声探伤方法与装置不仅可以检测钢球的表面缺陷，也能够检测钢球的内部缺陷，弥补现有技术对钢球的探伤盲点。本发明中通过分析点聚焦探头在钢球内实际焦距，选择点聚焦探头的参数与水层厚度，有效提高了超声波对钢球内部缺陷的灵敏度，并改善缺陷回波的信噪比。本发明能够对不同直径规格的钢球进行缺陷检测，通用性和互换性强。本发明提供的基于点聚焦探头的钢球超声探伤装置结构简单，操作方便，使用安全，通用性强，成本低，检测精度高，易于实现钢球的自动化探伤，对保证钢球质量，提高轴承可靠性等具有重要意义，适宜推广应用，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的基于点聚焦探头的钢球超声探伤装置结构示意图；

图2为本发明提供的点聚焦探头检测钢球内部缺陷的原理示意图；

图3为本发明提供的点聚焦探头发射的超声波在钢球内传播路径及聚焦情况的示意图；

图4a为本发明提供的钢球平底孔缺陷示意图；图4b至图4f为本发明提供的不同深度的钢球平底孔缺陷的回波信号示意图；

图5为本发明提供的超声折射定律的原理示意图；

图6a1至图6a8为本发明提供的钢球各类表面缺陷的回波信号示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1所示，图1为本发明提供的基于点聚焦探头的钢球超声探伤装置结构示意图。

本实施例中基于点聚焦探头的钢球超声探伤装置具体包括：钢球展开机构2、第一点聚焦探头3、第二点聚焦探头3’、探头调节支架4、水箱5、超声仪6以及显示器7。所述钢球展开机构2用于将待检测钢球1的表面在第一点聚焦探头3、第二点聚焦探头3’的有效检测区域范围内进行全展开。所述探头调节支架4用于安装第一点聚焦探头3、第二点聚焦探头3’，调节第一点聚焦探头3、第二点聚焦探头3’与待检测钢球1球心的相对位置。所述第一点聚焦探头3、第二点聚焦探头3’与超声仪6电连接，设置在所述水箱5内。所述水箱5内盛放耦合介质水8。所述超声仪6与显示器7电连接，用于产生高频脉冲信号，激励第一点聚焦探头3、第二点聚焦探头3’发射超声波，超声波通过耦合介质水8进入待检测钢球1进行缺陷检测，第一点聚焦探头3、第二点聚焦探头3’接收超声回波信号并将其转换为电压信号输出给超声仪6，超声仪6对收到的电压信号进行包括放大、滤波、a/d转换在内的数据处理，提取出信号特征用波形图形的方式呈现在显示器7上，根据所述波形图形判断所述待检测钢球1是否存在缺陷。

基于上述实施钢球超声探伤的装置，本实施例公开了一种基于点聚焦探头的钢球超声探伤方法，该方法包括如下步骤：

s101、根据点聚焦探头(3，3’)在待检测钢球1球体内的实际焦距及折射定律，结合待检测钢球1的直径规格，选择点聚焦探头(3，3’)的型号、水层厚度以及点聚焦探头(3，3’)声源轴线与待检测钢球1球心的偏心距。

s102、超声仪6产生高频脉冲信号，激励点聚焦探头(3，3’)产生超声波，超声波经耦合介质水8进入待检测钢球1内进行缺陷检测。

s103、待检测钢球1在点聚焦探头(3，3’)的有效检测区域范围内进行球面全展开，点聚焦探头(3，3’)接收超声回波信号，根据所述超声回波信号判断所述待检测钢球1是否存在缺陷。在本实施例中点聚焦探头(3，3’)接收超声回波信号并将其转换为电压信号输出给超声仪6，超声仪6对收到的电压信号进行包括放大、滤波、a/d转换在内的数据处理，提取出信号特征用波形图形的方式呈现在显示器7上，根据所述波形图形判断所述待检测钢球1是否存在缺陷。

具体的，在检测所示待检测钢球1内部缺陷时，调节第一点聚焦探头3的位置，使其声源轴线与待检测钢球1的球心共线，实现对待检测钢球1的内部缺陷检测。如图2所示，图2为本发明提供的点聚焦探头检测钢球内部缺陷的原理示意图。结合声源轴线上的声压分布公式：

p＝2p0sin[π/2*b(1-x/f)]/(1-x/f)

其中，p0指声源的初始声压；f指焦距；x指测量点至声源轴线的距离；b指与焦点尖锐度有关的参数。可以得知：调节第一点聚焦探头3的位置，使其声源轴线与待检测钢球1的球心共线，当待检测钢球1的内部缺陷9处于第一点聚焦探头3的声源轴线上时，可在待检测钢球1的底波信号前找到表征缺陷9的回波信号。本领域的技术人员容易理解：在第一点聚焦探头3的聚焦区范围内，检测灵敏度和信噪比均明显高于非聚焦探头，但在聚焦区范围外，检测灵敏度下降很快，检测效果甚至可能不如非聚焦探头。因此，分析第一点聚焦探头3在待检测钢球1内的实际焦距，找出实际聚焦区域是十分必要的。

根据第一点聚焦探头3发射的超声波在待检测钢球1内实际焦距，选择第一点聚焦探头3的型号和水层厚度，将第一点聚焦探头3的实际聚焦区域调节至钢球底部，从而提高超声波对钢球内部缺陷的灵敏度，并改善缺陷回波的信噪比。其中，所述第一点聚焦探头3的型号包括晶片直径和焦距。如图3所示，图3为本发明提供的点聚焦探头发射的超声波在钢球内传播路径及聚焦情况的示意图，图中f’为第一点聚焦探头3在钢球内的实际焦点，f为第一点聚焦探头3的焦点，a表示水层厚度，b表示实际焦点f’距钢球表面的距离，c表示实际焦点f’与焦点f之间的距离，d表示焦点f距钢球球心的距离，f表示焦距，f’表示实际焦距，r为钢球的曲率半径，d表示第一点聚焦探头3晶片的直径大小。

结合超声的折射定律分析可以得到实际焦距的表达公式：

f'＝f+dk/[(dc工/rc耦)sin²γ-k]，式中

d＝f-a-r，sinγ＝d/2f。

此可以根据上述实际焦距f’的表达公式选择合理的第一点聚焦探头型号3(晶片直径和焦距)和水层厚度，将实际聚焦区域调节至待检测钢球1底部的位置，从而提高超声波对钢球内部缺陷的灵敏度，并改善缺陷信号的信噪比。

在无损检测领域，平底孔一般为金属内部缺陷的人工标准缺陷模式。图4a为钢球平底孔缺陷示意图，图中d表示钢球直径，d表示平底孔缺陷的直径，h表示平底孔缺陷的深度；图4b至图4f为不同深度的钢球平底孔缺陷的回波信号示意图；图4b至图4f所示波形图是在图1所示的实施装置上，用本发明提供的上述检测方法检测直径φ54mm钢球中不同深度的直径φ0.5mm的平底孔缺陷所得到的信号波形图，图中波形图的圆圈圈定部分为缺陷位置的波形，检测过程中第一点聚焦探头3选用的型号是：晶片直径10mm、焦距59.4mm，水层厚度为19.5mm。分析图中检测信号可知：在待检测钢球1的底波信号前找到了平底孔缺陷的回波信号，且缺陷信号与底波信号之间的声程差与平底孔的深度值基本一致。由此能够推断：当第一点聚焦探头3的声源轴线与待检测钢球1球心共线时，通过选择合理的探头参数(晶片直径和焦距)和水层厚度，将实际聚焦区域调节至待检测钢球1底部的位置，若待检测钢球1的内部缺陷位于探头的声源轴线上，可在待检测钢球1的底波信号前找到信噪比较好的缺陷回波信号。

根据第二点聚焦探头3’发射的超声波在交质界面的折射定律及斯奈尔定律，调节第二点聚焦探头3’的位置，使其声源轴线偏离待检测钢球1的球心达到设定距离，使进入待检测钢球1内的超声波转换为横波，实现对待检测钢球1的表面缺陷检测。如图5所示，图5为本发明提供的超声折射定律的原理示意图，图中α表示超声波入射角，αs’表示横波反射角，αl’表示纵波反射角，βs表示横波折射角，βl表示纵波折射角。根据超声波在液固交界面(即交质界面)的折射定律和斯奈尔定律，调节第二点聚焦探头3’的声源轴线与待检测钢球1球心之间的偏心距，使第二点聚焦探头3’发射的纵波在交界面转换成横波进入待检测钢球1内，从而实现对待检测钢球1的表面缺陷检测。

如图6a1至图6a8所示，图6a1至图6a8为本发明提供的钢球各类表面缺陷的回波信号示意图，图中圆圈圈定的部分均为钢球缺陷所在位置的波形图；其中，图6a1为无凹坑缺陷的波形图，图6a2为存在凹坑缺陷的回波信号波形图；图6a3为无群点缺陷的波形图，图6a4为存在群点缺陷的回波信号波形图；图6a5为无划伤缺陷的波形图，图6a6为存在划伤缺陷的回波信号波形图；图6a7为无点子缺陷的波形图，图6a8为存在点子缺陷的回波信号波形图。图6a1至图6a8所示波形图是在图1所示的实施装置上，用本发明提供的上述检测方法检测直径φ54mm钢球中常见表面缺陷所得到的信号波形图，检测过程中第二点聚焦探头3’与第一点聚焦探头3的探头型号及水层厚度一致，第二点聚焦探头3’的声源轴线与待检测钢球1球心的偏心距为3mm。分析检测所得信号可知：针对钢球加工过程中出现的凹坑、群点、划伤、点子等缺陷，本发明提供的检测方法均能够较好的检出。

本发明提供的基于点聚焦探头(3，3’)的钢球超声探伤方法，其原理是基于超声波在固体内传播时遇到缺陷后会发生反射，反射波经探头接收再转换成电信号，经接收电路放大、滤波和a/d转换等处理后在计算机数据处理系统上显示出能够表征缺陷的回波信号。本发明中检测待检测钢球1内部缺陷的原理是：第一点聚焦探头3声源轴线上的声压是最强的，当待检测钢球1内部缺陷处于声源轴线上时，不仅能够得到信噪比较好的缺陷回波，也增加了对内部缺陷的灵敏度。本发明中检测待检测钢球1表面缺陷的原理是：通过改变第二点聚焦探头3’发射的超声波的入射角度，使其进入待检测钢球1内部后转换成横波，横波对待检测钢球1表面的缺陷更加灵敏。

本发明的技术方案不仅可以检测待检测钢球1的表面缺陷，也能够检测待检测钢球1的内部缺陷，弥补现有技术对钢球的探伤盲点。本发明中通过分析点聚焦探头(3，3’)在待检测钢球1内实际焦距，选择点聚焦探头(3，3’)的参数与水层厚度，有效提高了超声波对钢球内部缺陷的灵敏度，并改善缺陷回波的信噪比。本发明能够对不同直径规格的钢球进行缺陷检测，通用性和互换性强。本发明提供的基于点聚焦探头的钢球超声探伤装置结构简单，操作方便，使用安全，通用性强，成本低，检测精度高，易于实现钢球的自动化探伤，对保证钢球质量，提高轴承可靠性等具有重要意义，适宜推广应用，具有广阔的市场应用前景。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。