一种专用夹具组装的用于极端环境的超声导波测量机构的制作方法

本实用新型涉及一种超声导波测量机构，具体涉及一种专用夹具组装的用于极端环境的超声导波测量机构，属于超声无损检测领域。

背景技术：

高温、低温、腐蚀管道、套管、长输油管线等广泛应用于核电、超超临界发电、石油化工等领域，一旦破裂将对现场工人以及附近的设备造成致命的伤害。部分设备可以定期停车维修，而有些设备长期无法停下来维修。对这些高危设备中的“重症”部件进行在线长期监测或者不拆保温时的多点测量是保证其安全的重要手段。

工业应用中超声导波技术是一种检测范围广、速度快的无损检测手段。但是，将超声导波技术应用于极端环境下进行在线监测的“卡脖子”难题是，如何确保激发和接收导波的超声探头在极端环境中稳定工作。因为常用的压电超声探头在高、低温环境下压电晶片会产生退极化现象，使探头丧失正常工作的能力，而腐蚀性环境会腐蚀探头，从而影响其使用性能。

为了解决极端环境下常规探头无法长期正常工作的难题，导波杆技术应运而生，将极端环境中工作的结构或部件的损伤信号引伸至“舒适”的环境中，从而确保探头长期正常工作。国内外已有多种导波杆的设计，CN202903149U公布了一种圆柱形导波杆，US9527111B2提出了一种渐变式导波结构，CN200680050234.0和US2016/0109414 Al公布了一种带状导波杆等。然而这些导波杆的工程应用并不常见，因此如何将这些设计充分利用于工业实际是一个亟待解决的难题。为了解决这一难题，专利201810350599.X公布了一种极端环境下壁厚减薄测量的超声探头，该产品将探头和导波杆集成在一起，能够对极端环境下的结构或部件进行探伤，但是该探头不能将常规探头充分利用起来。

为了拓宽常规商用探头的使用环境，降低无损检测的设备成本，本文提供一种专用夹具组装的极端环境中超声导波测量机构，该机构通过一种专用夹具将极端环境中使用的导波杆与常规商用探头装配起来，达到对极端环境中结构无损检测的目的。该测量机构结构简单，安装拆卸方便，需要时将探头安装在导波杆上进行检测，不需要时拆下，具有更强的工业实用性，便于推广应用。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种专用夹具组装的极端环境中超声导波测量机构，该结构通过一种专用夹具，将常规商用超声探头与导波杆进行安装配合，确保超声探头与导波杆之间具有良好的配合效果，满足对极端环境中工作的被测试件测量的需求。

本实用新型是通过下述技术方案实现的：

一种专用夹具组装的用于极端环境的超声导波测量机构，其特征在于，所述的测量机构包括紧固螺栓1，超声探头2，筒状夹头3,导波杆5，第一连接夹板4和第二连接夹板6；所述紧固螺栓1是一种螺栓结构，其螺栓杆上设有外螺纹18，所述筒状夹头3是一个空腔的圆柱体，其内腔设有内螺纹8，外螺纹18和内螺纹8形成螺纹配合；所述筒状夹头3的内腔中安装有超声探头2，筒状夹头3的内腔底部中心设有导波杆通孔11，导波杆上端面16穿过导波杆通孔11插入筒状夹头3的内腔，通过旋入筒状夹头3内的紧固螺栓1，将超声探头2压紧在导波杆上端面16上；筒状夹头3的侧表面开有用于引出超声探头2连接线的侧槽9；第一连接夹板4上开设有4个通孔15，第二连接夹板6上开设有4个螺纹孔12，4根螺钉7通过第一连接夹板4上的通孔15拧入第二连接夹板6上的螺纹孔12，并于筒状夹头3底部外侧夹紧导波杆5。

所述筒状夹头3是一桶状结构，顶端敞开，底端封闭。

筒状夹头3与超声探头2之间为间隙配合。

第一连接夹板4和第二连接夹板6的内表面与当导波杆5是横截面相契合。

第一连接夹板4和第二连接夹板6的内表面形状取决于导波杆5的形状，外表面取决于加工和使用的方便性。当导波杆5是横截面为矩形的板状结构时，第一连接夹板4和第二连接夹板6可以为立方体形状的板状结构。第一连接夹板夹持面14和第二连接夹板夹持面13都为平面；当导波杆5是横截面为圆形的柱状结构时，第一连接夹板4和第二连接夹板6可以为立方体形状的板状结构。第一连接夹板夹持面14和第二连接夹板夹持面13都为曲面；当导波杆5是横截面为圆形的圆锥状结构时(通常上端面不为零)，第一连接夹板4和第二连接夹板6可以为立方体形状的板状结构。第一连接夹板夹持面14和第二连接夹板夹持面13为两端曲率不同的曲面；

所述的导波杆5与导波杆通孔11是间隙配合。

所述的筒状夹头3与第二连接夹板6可以通过3D打印技术加工成一体，也可以采用焊接技术将第二连接夹板6的端面17焊接在筒状夹头底面10上。

有益效果

本实用新型的优点在于：

1.该测量机构可以将常规探头拓展到极端环境下使用。

2.该测量机构能够将常规超声探头稳定地夹持在导波杆上，保证二之间的配合效果。

3.该测量机构结构简单，安装拆卸方便，价格低廉。

附图说明

图1为一本实用新型的安装示意图。其中：1紧固螺栓，2超声探头，3筒状夹头，4第一连接夹板，5导波杆，6第二连接夹板，7螺钉；

图2为筒状夹头3和第二连接夹板6的装配示意图。其中：3筒状夹头，6第二连接夹板，8内螺纹，9：侧槽，10筒状夹头底面，11导波杆通孔，12螺纹孔，13第二连接夹板夹持面；

图3为第一连接夹板4的第二连接夹板6的安装示意图。其中：3筒状夹头，4第一连接夹板，6第二连接夹板，7螺钉，12螺纹孔，13第二连接夹板夹持面，14第一连接夹板夹持面，15通孔；

图4为导波杆5的结构示意图。其中：5导波杆，16导波杆上端面；

图5为第一连接夹板4的结构示意图。其中：4第一连接夹板，14第一连接夹板夹持面，15通孔；

图6为第二连接夹板6的结构示意图。其中：6第二连接夹板，12螺纹孔，13第二连接夹板夹持面，17端面；

图7为导波杆5的安装示意图。其中：3筒状夹头，4第一连接夹板，5导波杆，6第二连接夹板，7螺钉，12螺纹孔，15通孔；

图8为筒状夹头3的结构示意图。其中：3筒状夹头，8内螺纹，9侧槽，10筒状夹头底面，11导波杆通孔；

图9为紧固螺栓1的结构示意图。其中：1紧固螺栓，18外螺纹；

图10为紧固螺栓1和筒状夹头3安装示意图。其中：1紧固螺栓，3筒状夹头，8内螺纹，18外螺纹；

图11为本实用新型的半剖图；其中：1紧固螺栓，2超声探头，3筒状夹头，4第一连接夹板，5导波杆，6第二连接夹板，7螺钉；

图12为本实用新型的实施案例工作原理图。其中：5导波杆，19被测试件，20高温箱，21低温箱；

图13为超声探头一周后采集的时域信号图。其中：22杆底回波，23板底一次回波，24板底二次回波，25板底三次回波，26板底四次回波。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

图1是一种专用夹具组装的极端环境中超声导波测量机构的安装示意图。其中的筒状夹头3和第二连接夹板6的装配如图2所示。筒状夹头3与第二连接夹板6可以通过3D打印技术加工成一体，也可以采用焊接技术将第二连接夹板6的端面17焊接在筒状夹头底面10上，因此第二连接夹板6与筒状夹头3形成一个整体。

第一连接夹板4按照如图3所示的方式，与第二连接夹板6固定。具体的固定方式为，第二连接夹板6上开设有4个螺纹孔12，第一连接夹板4上开设有4个通孔15，4根螺钉7通过第一连接夹板4上的通孔15拧入第二连接夹板6上的螺纹孔12。

图1中导波杆5可以为矩形截面的板状结构，也可以是圆棒，也可以是上下两个底面不相等且不为零的圆锥体。本案例选择矩形截面的板状结构进行阐述，如图4所示。当导波杆5为矩形截面的板状结构时，第一连接夹板夹持面14和第二连接夹板夹持面13可以设计成如图5和图6中所示的长方体形状。

当导波杆上端面16穿过导波杆通孔11插入筒状夹头3内腔，由第一连接夹板夹持面14和第二连接夹板夹持面13夹紧(如图7所示)。

筒状夹头3的形状像桶(如图8)，顶部敞开，底部封闭。其内部侧表面上设有内螺纹8和穿透的侧槽9，筒状夹头底面10上开有导波杆通孔11。侧槽9是用于超声探头2的导线伸出筒状夹头3，便于导线与信号采集设备连接。为了将探头固定在筒状夹头3内，设计了紧固螺栓1。紧固螺栓1可以设计成十字头的螺栓、可以设计成一字头的螺栓，也可以设计成光头的螺栓，如图9所示。紧固螺栓1的螺纹9与筒状夹头3上的内螺纹8配合，如图10所示。

当导波杆5穿过导波杆通孔11插入筒状夹头3内腔，超声探头2从筒状夹头3的顶部放入筒状夹头3内腔，转动紧固螺栓1，调节超声探头2与导波杆上端面16的松紧程度，使二者紧密贴合，确保超声探头2的信号借助导波杆5传递给被测试件。

当超声探头2选好后，根据探头的直径设计导波杆5的宽度和筒状夹头3的内径，超声探头2的直径可等于导波杆5的宽和筒状夹头3的内径。筒状夹头3的外径取决于所选择材料的强度和加工的方便性。

导波杆通孔11的形状与尺寸取决于导波杆横截面的形状和尺寸，二者形成间隙配合。

一种专用夹具组装的极端环境中超声导波测量机构的选材，取决于使用环境。如果夹具使用环境具有腐蚀性，需要选择耐腐蚀的材料。

实施案例：

利用3D打印技术制造一个高温和低温环境中导波检测用导波杆与超声探头安装配合的专用夹具，材料选用聚四氟乙烯。专用夹具所夹持的导波杆5为矩形截面导波杆，其长度为400mm，宽度为20mm，厚度为1mm，材料为316L不锈钢，超声探头2为奥林巴斯横波直探头，被测试件选用一块316L不锈钢平板，长300mm，宽300mm，厚10mm。

将被测试件放入高温箱中，导波杆5的下端固定在被测试件上，导波杆上端面16穿过高温箱内部的保温层，引伸至室温环境中。按照上述专用夹具的具体实施方式将超声探头2夹持在导波杆上端面16，这时超声探头2与高温被测试件隔离，启动高温箱加热被测试件至350℃，保载1个星期。

图13为超声探头一周后采集到的时域信号。根据该图可以判断，接收到的回波信号波包纯净、信噪比高、无失真，这说明本实用新型提供的一种专用夹具组装的极端环境中超声导波测量机构能够将超声探头2紧固的夹持在导波杆上端面16上，超声探头2和导波杆5之间耦合效果好。并且比较了探头初期安装时的采集信号图与一周后采集到的信号图，二者没有变化，说明本实用新型提供的的一种专用夹具组装的极端环境中超声导波测量机构具有很好地稳定性。将被测试件放入低温箱中使用该夹具的测试效果相似。