專利名稱：一種水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置及其測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼管無(wú)損探傷技術(shù)領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種水浸聚焦 探頭性能測(cè)試裝置及其測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)各鋼管廠生產(chǎn)各類鋼管數(shù)百余萬(wàn)噸，其中有80%以上鋼管如油 井管、高壓鍋爐管需經(jīng)過(guò)超聲波探傷。作為鋼管廠生產(chǎn)線用于無(wú)縫鋼管超聲波探 傷的機(jī)組的探傷機(jī)組主要采用探頭旋轉(zhuǎn)、鋼管直線輸送的方式。其中在超聲波探 傷中，超聲波的發(fā)射和接收是通過(guò)探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。超聲波探頭又稱超聲波換能器， 它是實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種器件，它主要是利用材料的壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行 換能。
為實(shí)現(xiàn)超聲強(qiáng)衰減材料、多層結(jié)構(gòu)件、重要焊接結(jié)構(gòu)件中缺陷高靈敏度的超 聲檢測(cè)和評(píng)價(jià)，并對(duì)自然缺陷形狀、性質(zhì)和大小進(jìn)行分析和判別，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的 精確定性、定量和定位，通常使用水浸超聲掃查成像系統(tǒng)。
所述水浸超聲掃査成像系統(tǒng)通常包括5個(gè)部分超聲波發(fā)射和接收系統(tǒng)，包括 超聲探傷儀(USIP12)和水浸聚焦探頭；數(shù)據(jù)采集和圖像處理系統(tǒng)，包括工控機(jī)和 數(shù)據(jù)采集卡；五軸水浸超聲掃査系統(tǒng)裝置，包括精密三維掃描工作臺(tái)、水平轉(zhuǎn)臺(tái)、 探頭擺動(dòng)架、專用夾具、水槽、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡和驅(qū)動(dòng)電源；軟件系統(tǒng)，由文件 管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)和圖像處理等控制窗口組成。
為應(yīng)選用適用于管材探傷的、性能穩(wěn)定的單通道或多通道超聲波探傷儀。探 傷儀應(yīng)滿足以下技術(shù)要求-
a) 至少具有5 10MHz的工作頻率；
b) 帶有記錄或聲光報(bào)警裝置；
c) 自動(dòng)探傷時(shí)，單通道的重復(fù)頻率應(yīng)不低于2KHz，能與自動(dòng)掃查系統(tǒng)相匹配。
d) 探傷儀的其他技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合JB/T10061的規(guī)定。為此，通常采用使用頻率為5MHz 15MHz的線聚焦或點(diǎn)聚焦水浸探頭。及單晶 片和多晶片探頭。另外，儀器和探頭的組合靈敏度，當(dāng)調(diào)節(jié)人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷反射波 高達(dá)到螢光屏滿刻度的80%時(shí)，剩余靈敏度應(yīng)不低于10dB。
為應(yīng)選用適用于管材探傷的、性能穩(wěn)定的單通道或多通道超聲波探傷儀。通 常采用使用頻率為5MHz 15MHz的線聚焦或點(diǎn)聚焦水浸探頭。及單晶片和多晶片探 頭。
水浸聚焦超聲波探頭是實(shí)現(xiàn)鋼管超聲波探傷的關(guān)鍵部件，探頭性能的好壞直 接關(guān)系到探傷結(jié)果的準(zhǔn)確程度。由于鋼管超聲波探傷時(shí)，探頭是在1200轉(zhuǎn)/分鐘 旋轉(zhuǎn)的情況下工作，因此探頭又是一種極易損壞的部件，鋼管生產(chǎn)企業(yè)每年需外 購(gòu)大量超聲波探頭，來(lái)維持探傷機(jī)組的正常工作，而以往企業(yè)對(duì)外購(gòu)的探頭缺乏 驗(yàn)收手段，往往只看廠家提供的質(zhì)保書上探頭各項(xiàng)性能指標(biāo)。
然而在實(shí)際的操作過(guò)程中存在很多問(wèn)題例如，探頭在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，各 項(xiàng)性能差異較大，與廠方提供的探頭質(zhì)保書上的性能指標(biāo)存在較大差異；其次， 缺乏對(duì)探頭制造方的監(jiān)督，無(wú)法保證其供應(yīng)探頭在使用時(shí)100%的性能合格。 一旦 不合格探頭安裝在探傷機(jī)組上，則拆裝時(shí)間長(zhǎng)，不僅浪費(fèi)大量的時(shí)間，且影響探 傷產(chǎn)能。
另一方面，性能差異的探頭，在使用中可能造成探傷質(zhì)量事故，由于大量鋼 管產(chǎn)品主要是油井管、鍋爐管等高端產(chǎn)品，這無(wú)疑加大了探傷的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。為確 保探頭性能滿足探傷機(jī)組探傷需求，對(duì)外購(gòu)的超聲波探頭進(jìn)行性能測(cè)試很有必要。
現(xiàn)有技術(shù)對(duì)超聲波探頭性能的測(cè)試，主要有探頭制造廠或研究院進(jìn)行，要對(duì) 超聲波探頭的性能進(jìn)行測(cè)試，需借助實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備(聲場(chǎng)測(cè)試儀器和裝置)來(lái) 實(shí)現(xiàn)，測(cè)試過(guò)程對(duì)硬件要求很高，這種測(cè)試設(shè)備及方法對(duì)于探頭使用方鋼鐵生產(chǎn) 性企業(yè)來(lái)說(shuō)，很難做到。

發(fā)明內(nèi)容
為解決所述問(wèn)題，提供一種無(wú)須在探頭制造廠或研究院進(jìn)行及借助實(shí)驗(yàn)室專 用設(shè)備(聲場(chǎng)測(cè)試儀器和裝置)來(lái)在使用方鋼鐵生產(chǎn)性企業(yè)既可進(jìn)行的超聲波探 頭的性能測(cè)試，本發(fā)明的目的在于提供一種新穎的探頭性能測(cè)試裝置。
解決所述問(wèn)題，提供一種無(wú)須在探頭制造廠或研究院進(jìn)行及借助實(shí)驗(yàn)室專用 設(shè)備(聲場(chǎng)測(cè)試儀器和裝置)來(lái)在使用方鋼鐵生產(chǎn)性企業(yè)既可進(jìn)行的超聲波探頭 的性能測(cè)試，本發(fā)明的目的還在于提供一種水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法。根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，所述測(cè)試裝置包括置于水箱中的 測(cè)試裝置框架本體及超聲波探傷儀，其特征在于，所述測(cè)試裝置還包括-
可移動(dòng)設(shè)置于所述測(cè)試裝置框架本體上、設(shè)有探頭安裝座、用于固定探頭的 探頭夾持裝置，
可移動(dòng)設(shè)置于所述測(cè)試裝置框架本體上、可使探頭作X軸、Y軸、Z軸三維移
動(dòng)的三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，
分別安裝在其X軸、Y軸、Z軸向上、對(duì)應(yīng)于探頭作X軸、Y軸、Z軸三維移 動(dòng)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量確定超聲波探頭的位置和位置變化量的游標(biāo)卡尺，
設(shè)置于測(cè)試裝置框架本體上、與上述探頭固定座對(duì)應(yīng)設(shè)置的基準(zhǔn)反射座，
設(shè)置于基準(zhǔn)反射座上的一個(gè)鋼球，所述鋼球作為信號(hào)反射體，用于通過(guò)反射信 號(hào)的變化測(cè)試探頭性能的差異。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，優(yōu)選的是，所述測(cè)試裝置的所述 探頭夾持裝置沿X軸、Y軸平移和Z軸升降傳動(dòng)使用渦輪、渦桿。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，優(yōu)選的是，所述測(cè)試裝置設(shè)置有 用于探頭升降調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、帶角度標(biāo)識(shí)的探頭角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及帶刻度的探頭 垂直度調(diào)節(jié)裝置。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，優(yōu)選的是，所述設(shè)置于基準(zhǔn)反射 座上的鋼球直徑3mm士0. lram。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，采用水箱，用水浸法對(duì)探頭性能 進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)試的性能結(jié)果與鋼管水浸法探傷要求最相近。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，設(shè)有探頭安裝座、用于固定探頭 的探頭夾持裝置，在三維導(dǎo)向調(diào)整裝置的調(diào)節(jié)下，可使探頭作X軸、Y軸、Z軸三 維移動(dòng)的三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，分別安裝在其X軸、Y軸、Z軸向上、對(duì)應(yīng)于探頭作 X軸、Y軸、Z軸三維移動(dòng)，以便于作多種超聲波探頭性能的測(cè)試。同時(shí)，分別安 裝在其X軸、Y軸、Z軸向上、對(duì)應(yīng)于探頭作X軸、Y軸、Z軸三維移動(dòng)的游標(biāo)卡 尺用于實(shí)時(shí)測(cè)量確定超聲波探頭的位置和位置變化量。本發(fā)明在基準(zhǔn)反射座上設(shè) 置一個(gè)鋼球作為信號(hào)反射體，用于通過(guò)反射信號(hào)的變化測(cè)試探頭性能的差異。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，結(jié)合了水浸聚焦超聲波探頭的技 術(shù)特性和鋼管探傷機(jī)組使用要求，可就以下制造廠提供的超聲波探頭性能指標(biāo)如-焦距、聲束寬度、焦點(diǎn)直徑、聲束偏斜角、靈敏度余量、多晶片探頭靈敏度偏差 和探頭機(jī)械尺寸等指標(biāo)等進(jìn)行測(cè)試。所述水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置簡(jiǎn)便易行。本發(fā)明又提供一種水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，所述測(cè)試方法使用所述的水 浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，高頻電纜線連接探頭與探傷儀，其特征在于，
首先，在置于水箱中的所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置框架本體的基準(zhǔn)反 射座上放置一個(gè)鋼球，
在對(duì)應(yīng)于所述基準(zhǔn)反射座上方所設(shè)置的探頭固定座上安裝、固定待測(cè)試探頭，
進(jìn)行探頭X軸調(diào)節(jié)和探頭Y軸調(diào)節(jié)，將探頭對(duì)準(zhǔn)探頭基準(zhǔn)反射體，
通過(guò)超聲波探傷儀給待測(cè)探頭一激勵(lì)信號(hào)，使待測(cè)探頭發(fā)出一束超聲波信號(hào)， 打在基準(zhǔn)反射體的鋼球上，
作為信號(hào)反射體，通過(guò)反射信號(hào)的變化，測(cè)試探頭性能的差異， 調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量確定超聲波探頭的位置和位置變化量，
移動(dòng)探頭z軸(升降)調(diào)節(jié)滑塊，使探頭在鋼球上的反射回波信號(hào)達(dá)到最高，
超聲波信號(hào)經(jīng)鋼球反射，有效反射波被探頭接收，經(jīng)儀器處理，以波高形式 顯示在超聲波探傷儀的顯示屏上，
分別記錄(14) X軸刻度尺(1) Y軸刻度尺(7) Z軸刻度尺上刻度數(shù)值，通 過(guò)觀察波高的變化確定探頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，用于聚焦探頭焦距的測(cè)試為
調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置和探頭升降裝置，將探頭超聲波回波信號(hào)調(diào)至最高的 位置，記錄下此時(shí)探頭Z軸高度刻度卡尺上數(shù)值Z,，
然后沿Z軸向下移動(dòng)探頭，直到探頭恰好碰到鋼球，然后讀取高度刻度卡尺 上數(shù)值Z2，
取上述二位置間的刻度差，該差值Z, —Z2即為超聲波聚焦探頭的焦距。 焦距指聚焦探頭聲束實(shí)測(cè)焦點(diǎn)到探頭表面的距離。如圖3所示 f為焦距，d為焦點(diǎn)直徑。Cl一聲透鏡的聲速，C2—耦合水的聲速。 制造廠對(duì)聚焦探頭焦距的確定一般是根據(jù)探頭的曲率半徑，通過(guò)計(jì)算得到的 理論焦距，它與實(shí)際測(cè)量出的探頭焦距有較大差異，例如某探頭的曲率半徑R =20mm，則探頭焦距計(jì)算f二Cl/ (CI-C2)R = 2. 26R-2. 26X20 = 45. 2咖，制 造廠根據(jù)用戶對(duì)焦距的不同要求，通過(guò)改變探頭曲率半徑來(lái)確定焦距)。
在水浸聚焦探傷中，探頭是通過(guò)水耦合到工件上的。聲波在進(jìn)入工件之前， 在水中要走一段距離。又由于聚焦聲束中的各個(gè)聲線(對(duì)焦點(diǎn)而言)是會(huì)聚的， 因此各聲線對(duì)工件的入射表面的入射角是不同的。聚焦聲束經(jīng)過(guò)工件表面時(shí)，總 有折射發(fā)生，原來(lái)是聚焦的聲束，斜穿過(guò)工件表面后也應(yīng)該是會(huì)聚的。由于聚焦探頭斜入射的聲場(chǎng)比垂直入射時(shí)復(fù)雜，所以準(zhǔn)確把握焦點(diǎn)位置對(duì)于精確檢驗(yàn)工件
內(nèi)部的缺陷，特別是微小缺陷至關(guān)重要。
如果采用相同的耦合介子進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)果相近，不同點(diǎn)在于本發(fā)明測(cè)試
精度的結(jié)果與操作人員調(diào)試精度有關(guān)，而實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備測(cè)試精度是靠設(shè)備本身
精度確定，測(cè)試結(jié)果可以通過(guò)自動(dòng)成像測(cè)得。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，用于探頭聲束寬度的測(cè)試為-調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，使得探頭沿X軸方向移動(dòng)，將探頭反射回波信號(hào)調(diào)
至最高，
調(diào) 節(jié)衰減器使回波信號(hào)達(dá)到示波器顯示80%的高度，
然后使探頭沿X軸正方向移動(dòng)，使反射回波信號(hào)降低到示波器顯示40%的高 度，記錄下X軸刻度卡尺上數(shù)值Xl
接著，再使探頭沿X軸反方向移動(dòng)，使反射回波信號(hào)由低到高再降低到示波器 顯示40%的高度，記錄下X軸刻度卡尺上數(shù)值X2，
取此時(shí)二個(gè)位置刻度數(shù)值差X, —X2，即為探頭有效聲束寬度。
本發(fā)明所測(cè)試的參數(shù)是探頭的實(shí)際數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)相同， 而探頭生產(chǎn)廠一般是根據(jù)探頭晶片尺寸的80%估算探頭的有效聲束寬度，與實(shí)際 誤差較大。
使探頭有效聲束寬度加大，可改善靈敏度均勻性，提高探傷效率及定量精度， 改善耦合條件，提高了正檢率。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，用于探頭焦點(diǎn)直徑的測(cè)試為 調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，使得探頭沿Y軸方向移動(dòng)，將反射回波信號(hào)調(diào)至最
高，
然后使得探頭在該反射回波信號(hào)最高處附近作正反二方向的移動(dòng)，當(dāng)所述二 方向移動(dòng)至回波信號(hào)均比最高處低-6dB處時(shí)，取該二位置間距為焦點(diǎn)直徑。本發(fā) 明的該測(cè)試方法與探頭的有效聲束寬度測(cè)試相同。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，用于聲束偏斜角的測(cè)試為
調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向裝置和探頭升降裝置，將探頭超聲波回波信號(hào)調(diào)至最高的位置， 定位焦點(diǎn)01垂直于探頭上的實(shí)際位置02，測(cè)得該點(diǎn)到探頭幾何中心點(diǎn)03的距離 a，通過(guò)計(jì)算tanP- a/f得出聲束偏斜角e (f為探頭有效焦距)。如圖4所示
當(dāng)探頭主聲束的水平偏斜角在標(biāo)準(zhǔn)要求值內(nèi)時(shí)，缺陷波反射波會(huì)沿原路返回 被探頭接收，檢測(cè)出鋼管裂紋。但如果探頭主聲束的水平偏斜角較大，未能按規(guī)定檢測(cè)更換，仍在機(jī)使用，缺陷波就不會(huì)按原路返回，而是以一個(gè)偏斜的角度反 射回來(lái)，其結(jié)果勢(shì)必使鋼管裂紋缺陷不能正常檢出。因此，準(zhǔn)確測(cè)定探頭主聲束 的水平偏斜角，是保證微機(jī)控制超聲波探傷機(jī)良好性能的基礎(chǔ)。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，用于靈敏度余量(o )的測(cè)試為 調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向裝置和探頭升降裝置，將探頭對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)反射體，將超聲波回波 信號(hào)調(diào)至最高的位置，調(diào)節(jié)衰減器將定位于超聲波探傷儀滿屏的60%高度，此時(shí) 儀器衰減器上的dB值，即為探頭的靈敏度余量(連續(xù)增益關(guān)閉)。
靈敏度余量是指儀器與探頭組合后，在一定的探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)微小缺陷的能 力。具體指從一個(gè)規(guī)定的測(cè)距孔徑的人工試塊上獲得規(guī)定波高時(shí)儀器所保留的dB
數(shù)。保留的dB數(shù)高，說(shuō)明靈敏度余量高。
聚焦探頭的靈敏度余量標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定， 一般用戶根據(jù)實(shí)際情況對(duì)探頭制造
廣的要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的探頭靈敏度余量是指非聚焦探頭，如直探頭、斜探頭，
它們的測(cè)試可直接在標(biāo)準(zhǔn)試塊上測(cè)得。
本發(fā)明的靈敏度余量測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)探頭的靈敏度余量測(cè)試方法相似。 根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，用于多晶片探頭靈敏度余量偏差
(A)的測(cè)試與單晶片探頭靈敏度余量相同，但對(duì)于組合多晶片探頭而言，每組各 個(gè)探頭間的靈敏度余量差值必須《4dB。
所述多晶片探頭的靈敏度偏差，是用戶根據(jù)實(shí)際情況對(duì)探頭制造廠的一般要求。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置及方法，采用水箱，用水浸法對(duì)探 頭性能進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)試的性能結(jié)果與鋼管水浸法探傷要求最相近。本發(fā)明的水 浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置及方法，簡(jiǎn)便易行，無(wú)須借助實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備(聲場(chǎng)測(cè) 試儀器和裝置)，可測(cè)得焦距、聲束寬度、焦點(diǎn)直徑、聲束偏斜角、靈敏度余量、 多晶片探頭靈敏度偏差和探頭機(jī)械尺寸等指標(biāo)等。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明


圖1所示為本發(fā)明的水浸聚焦超聲波探頭性能測(cè)試裝置立體示意圖。
圖2所示為本發(fā)明的水浸聚焦超聲波探頭性能測(cè)試裝置剖視示意圖。 圖3所示為本發(fā)明的水浸聚焦超聲波探頭的焦距測(cè)試示意圖。圖4所示為本發(fā)明的水浸聚焦超聲波探頭聲束偏斜角的測(cè)試示意圖。
圖5所示為本發(fā)明的水浸聚焦超聲波探頭焦距測(cè)試說(shuō)明圖。
圖6A，圖6B，圖6C分別顯示本發(fā)明的水浸聚焦超聲波探頭主聲束入射示意圖。
圖中，l為測(cè)試裝置框架本體，2為基準(zhǔn)反射座，3為探頭固定座，4為探頭 夾持裝置，5為帶角度標(biāo)識(shí)的探頭角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，6為帶刻度的探頭垂直度調(diào)節(jié)裝 置，7為Z軸游標(biāo)卡尺，8為探頭Z軸(升降)調(diào)節(jié)滑塊，9為移動(dòng)設(shè)置于所述測(cè) 試裝置框架本體上、可對(duì)探頭作X軸、Y軸、Z軸三維移動(dòng)作導(dǎo)向調(diào)整的三維導(dǎo)向 調(diào)整裝置，IO為探頭Y軸調(diào)節(jié)裝置，ll為水箱，12為渦桿，13為探頭X軸調(diào)節(jié) 裝置，14為X軸游標(biāo)卡尺，15為鋼球，16為線纜，17為探傷儀，18為Y軸游標(biāo) 卡尺，19為探頭。T為始波，F(xiàn)為基準(zhǔn)反射波。
具體實(shí)施例方式
以下，舉具體實(shí)施例，具體說(shuō)明本發(fā)明。 實(shí)施例1
制得本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，所述測(cè)試裝置包括置于水箱中的 測(cè)試裝置框架本體及超聲波探傷儀，所述測(cè)試裝置還包括可移動(dòng)設(shè)置于所述測(cè) 試裝置框架本體上、設(shè)有探頭安裝座、用于固定探頭的探頭夾持裝置，可移動(dòng)設(shè) 置于所述測(cè)試裝置框架本體上、可使探頭作X軸、Y軸、Z軸三維移動(dòng)的三維導(dǎo)向 調(diào)整裝置。分別安裝在其X軸、Y軸、Z軸向上、對(duì)應(yīng)于探頭作X軸、Y軸、Z軸 三維移動(dòng)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量確定超聲波探頭的位置和位置變化量的游標(biāo)卡尺，設(shè)置 于測(cè)試裝置框架本體上、與上述探頭固定座對(duì)應(yīng)設(shè)置的基準(zhǔn)反射座，及設(shè)置于基 準(zhǔn)反射座上的一個(gè)鋼球，所述鋼球作為信號(hào)反射體，用于通過(guò)反射信號(hào)的變化測(cè)試 探頭性能的差異。
在本實(shí)施例中，所述測(cè)試裝置的所述探頭夾持裝置沿X軸、Y軸平移和Z軸 升降傳動(dòng)使用渦輪、渦桿。所述測(cè)試裝置設(shè)置有用于探頭升降調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和 帶角度標(biāo)識(shí)的探頭角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。所述設(shè)置于基準(zhǔn)反射座上的鋼球直徑3mm。
Z軸調(diào)節(jié)為探頭上、下移動(dòng)，探頭垂直度調(diào)節(jié)是指探頭在X軸位置固定不變， 探頭主聲束在X、 Y方向可改變?nèi)肷浣嵌取?br> 在探頭信號(hào)測(cè)試時(shí)，當(dāng)儀器的衰減器讀數(shù)(dB數(shù))不變的情況下，探頭主聲束垂直入射到基準(zhǔn)反射面時(shí)，反射波信號(hào)波幅最高如圖6B所示，當(dāng)探頭主聲束偏 斜入射到基準(zhǔn)反射面時(shí)，反射信號(hào)波較低如圖6A所示。
調(diào)節(jié)帶刻度的探頭垂直度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖1， 2中的5，目的是為了使探頭主聲 束與基準(zhǔn)反射體相互垂直，如圖6C所示。
帶角度標(biāo)識(shí)的探頭角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5是調(diào)節(jié)探頭在X方向的聲束垂直度，6是 調(diào)節(jié)探頭在Y方向的聲束垂直度。調(diào)試方法、原理相同。
首先，高頻電纜線連接探頭與探傷儀。在置于水箱中的所述的水浸聚焦探頭 性能測(cè)試裝置框架本體的基準(zhǔn)反射座上放置所述鋼球。在對(duì)應(yīng)于所述基準(zhǔn)反射座 上方所設(shè)置的探頭固定座上安裝、固定待測(cè)試探頭，進(jìn)行探頭X軸調(diào)節(jié)和探頭Y 軸調(diào)節(jié)，將探頭對(duì)準(zhǔn)探頭周定座。
然后，通過(guò)超聲波探傷儀給待測(cè)探頭一激勵(lì)信號(hào)，使待測(cè)探頭發(fā)出一束超聲 波信號(hào)，打在鋼球上，作為信號(hào)反射體,通過(guò)反射信號(hào)的變化，測(cè)試探頭性能的差 異，調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量確定超聲波探頭的位置和位置變化量。
此時(shí)，移動(dòng)探頭Z軸(升降)調(diào)節(jié)滑塊，使探頭在鋼球上的反射回波信號(hào)達(dá) 到最高。超聲波信號(hào)經(jīng)鋼球反射，有效反射波被探頭接收，經(jīng)儀器處理，以波高 形式顯示在超聲波探傷儀的顯示屏上，
分別記錄(14) X軸刻度尺(1) Y軸刻度尺(7) Z軸刻度尺上刻度數(shù)值，通 過(guò)觀察波高的變化確定探頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
實(shí)施例2
聚焦探頭焦距的測(cè)試
聚焦探頭焦距測(cè)試時(shí)，儀器抑制置0，補(bǔ)償關(guān)閉，增益旋紐置于調(diào)整量的80 %以上，衰減器留有一定可調(diào)節(jié)量一般為30 40dB。然后轉(zhuǎn)動(dòng)附圖中(13)探頭 X軸調(diào)節(jié)器，使探頭隨三維導(dǎo)向裝置一起沿X軸(下方有基準(zhǔn)反射座)的方向移 動(dòng)。將探頭移到基準(zhǔn)反射座(3)上方，找到反射回波信號(hào)的最高點(diǎn)，調(diào)節(jié)衰減器 使回波信號(hào)達(dá)到示波器顯示80%的高度。
轉(zhuǎn)動(dòng)在X方向上帶角度指示的探頭角度調(diào)節(jié)器(5)，觀察探頭聲束是否垂直 入射，如果此時(shí)探頭聲束已經(jīng)垂直入射，那么當(dāng)調(diào)節(jié)探頭角度調(diào)節(jié)器(5)時(shí)，反 射信號(hào)會(huì)從80%高度下降，如果探頭未達(dá)到垂直入射程度，調(diào)節(jié)探頭角度調(diào)節(jié)器 (5)反射信號(hào)會(huì)逐漸升高至信號(hào)最高為止。
在此基礎(chǔ)上再調(diào)節(jié)Y軸方向上的帶刻度的探頭垂直度調(diào)節(jié)器(6)，觀察探頭在Y軸方向上的聲束垂直入射情況，調(diào)整步驟與上述X方向調(diào)整相同。
最后調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置的探頭Z方向升降裝置(8)觀察反射波高是否最
高。當(dāng)焦點(diǎn)入在基準(zhǔn)反射座鋼球上時(shí)，反射波信號(hào)最高，如果確定此時(shí)反射波為
最高，記錄下Z軸刻度尺(7)的數(shù)值(72mm) Z10
然后沿Z軸向下移動(dòng)探頭，直到探頭恰好碰到鋼球，然后讀取高度刻度卡尺
上數(shù)值Z2 (31ram)。 ，
取上述二位置間的刻度差，該差值Z, —Z2 (72 — 31=41mm)即該聚焦探頭的
焦距等于41mm。
實(shí)施例3
探頭聲束寬度的測(cè)試
探頭聲束寬度測(cè)試時(shí)，儀器抑制置0，補(bǔ)償關(guān)閉，增益旋紐置于調(diào)整量的80 %以上，衰減器留有一定可調(diào)節(jié)量如40dB。
然后轉(zhuǎn)動(dòng)附圖中(13)探頭X軸調(diào)節(jié)器，使探頭隨三維導(dǎo)向裝置一起沿X軸 方向移動(dòng)，將探頭移到基準(zhǔn)反射座(3)上方，找到反射回波信號(hào)的最高點(diǎn)，調(diào)節(jié) 衰減器使回波信號(hào)達(dá)到示波器顯示80%的高度。
轉(zhuǎn)動(dòng)在X方向上帶角度指示的探頭角度調(diào)節(jié)器(5)，觀察探頭聲束是否是垂 直入射，如果此時(shí)探頭聲束已經(jīng)垂直入射，調(diào)節(jié)(5)反射信號(hào)會(huì)從80%高度下 降，如果探頭未達(dá)到垂直入射程度，調(diào)節(jié)探頭角度調(diào)節(jié)器(5)反射信號(hào)會(huì)逐漸升 高至信號(hào)最高為止。在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)Y軸方向上的帶刻度的探頭垂直度調(diào)節(jié)器 (6)，觀察探頭在Y軸方向上的聲束垂直入射情況，調(diào)試步驟與X方向相同。
當(dāng)確定反射波高為最高情況下，再次調(diào)節(jié)衰減器將反射波高調(diào)至示波器顯示 80%的高度，然后使探頭沿X軸正方向移動(dòng),使反射回波信號(hào)降低到示波器顯示 40%的高度。記錄下X軸刻度卡尺上數(shù)值X,(例如142. lmm)。
接著，再使探頭沿X軸反方向移動(dòng)，使反射回波信號(hào)由40%高度再回升到80 %高度后又降低到示波器顯示40%的高度，記錄下此時(shí)X軸刻度卡尺上數(shù)值X2 (例如132. l咖)。取此時(shí)二個(gè)位置刻度數(shù)值差X！ —X2， (142. Iran—132. lmm = 10mm)，此時(shí)該探頭有效聲束寬度為10mm。
實(shí)施例4
探頭焦點(diǎn)直徑的測(cè)試焦點(diǎn)直徑的測(cè)試方法與聲束寬度測(cè)試方法相同。
在測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)反射信號(hào)達(dá)到示波器顯示80%高度時(shí)，儀器衰減器dB數(shù) 是一個(gè)固定值，所變化的是波高，-6dB是指波高從80X高度降至40X高度時(shí)，數(shù) 值上正好等于-6dB，因此半波高度法又稱為6dB法。
實(shí)施例5
聲束偏斜角的測(cè)試
調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向裝置和探頭升降裝置，將探頭超聲波回波信號(hào)調(diào)至最高的位置， 定位焦點(diǎn)垂直于探頭上的實(shí)際位置，測(cè)得該點(diǎn)到探頭幾何中心點(diǎn)的距離a，通過(guò) 計(jì)算tan e = a/f得出聲束偏斜角e (f為探頭有效焦距)。
艮P:在上述焦距測(cè)試時(shí)，用直尺測(cè)量探頭恰好碰到鋼球時(shí)的點(diǎn)到探頭幾何中 心點(diǎn)的距離a，如圖5所示探頭在制造時(shí)在探頭幾何中心點(diǎn)刻有標(biāo)記。
在本實(shí)施例中，在上述探頭焦距測(cè)試中測(cè)得焦距f為41mm，測(cè)量探頭碰到 鋼球時(shí)的點(diǎn)到探頭幾何中心點(diǎn)的距離a等于lmm，通過(guò)計(jì)算tan P = a/f ，可以得 出聲束偏斜角e=tan-1(1/41) =1.4° ，此時(shí)該聚焦探頭的聲束偏斜角為1. 4° 。 一般情況下要求聲束偏斜角P《2° 。
實(shí)施例6
敏度余量(o)的測(cè)試 測(cè)試方法與焦距測(cè)試方法相同。
將探頭對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)反射體，將超聲波回波信號(hào)調(diào)至最高的位置。然后調(diào)節(jié)衰減 器將反射波高調(diào)至探傷儀示波屏80%高度，此時(shí)儀器衰減器上的dB值，即為水浸
聚焦探頭靈敏度余量。
在本實(shí)施例中，在上述測(cè)試中儀器衰減器上的dB值為42dB，表示該測(cè)試探 頭的靈敏度余量就是42dB。
實(shí)施例7
多晶片探頭靈敏度余量偏差(△)的測(cè)試
多晶片組合探頭是指在一個(gè)探頭上裝有兩個(gè)以上相同的晶片的探頭。 對(duì)于多晶片組合探頭靈敏度余量偏差(A)的測(cè)試，測(cè)試方法與單晶片測(cè)試相同。在本實(shí)施例中為一個(gè)四晶片的組合探頭，通過(guò)分別測(cè)試，測(cè)試結(jié)果1#晶片
衰減器讀數(shù)42dB， 2弁晶片衰減器讀數(shù)40dB， 3井晶片衰減器讀數(shù)41dB， 4#晶片 衰減器讀數(shù)42dB， S卩，該四晶片組合探頭的靈敏度余量偏差(A)即為2dB。對(duì)于 多晶片組合探頭而言要求各個(gè)探頭間的靈敏度余量偏差必須《4 dB。
根據(jù)本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置及方法，采用水箱，用水浸法對(duì)探 頭性能進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)試的性能結(jié)果與鋼管水浸法探傷要求最相近。本發(fā)明的水 浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置及方法，簡(jiǎn)便易行，無(wú)須借助實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備(聲場(chǎng)測(cè) 試儀器和裝置)，可測(cè)得焦距、聲束寬度、焦點(diǎn)直徑、聲束偏斜角、靈敏度余量、 多晶片探頭靈敏度偏差和探頭機(jī)械尺寸等指標(biāo)等。
本發(fā)明技術(shù)可為相關(guān)企業(yè)提供重要參考和借鑒，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和推廣前景。
權(quán)利要求
1.一種水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，所述測(cè)試裝置包括置于水箱中的測(cè)試裝置框架本體及超聲波探傷儀，其特征在于，所述測(cè)試裝置還包括可移動(dòng)設(shè)置于所述測(cè)試裝置框架本體上、設(shè)有探頭安裝座、用于固定探頭的探頭夾持裝置，可移動(dòng)設(shè)置于所述測(cè)試裝置框架本體上、可使探頭作X軸、Y軸、Z軸三維移動(dòng)的三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，分別安裝在其X軸、Y軸、Z軸向上、對(duì)應(yīng)于探頭作X軸、Y軸、Z軸三維移動(dòng)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量確定超聲波探頭的位置和位置變化量的游標(biāo)卡尺，設(shè)置于測(cè)試裝置框架本體上、與上述探頭固定座對(duì)應(yīng)設(shè)置的基準(zhǔn)反射座，設(shè)置于基準(zhǔn)反射座上的一個(gè)鋼球，所述鋼球作為信號(hào)反射體，用于通過(guò)反射信號(hào)的變化測(cè)試探頭性能的差異。
2. 如權(quán)利要求1所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，其特征在于，所述測(cè) 試裝置的所述探頭夾持裝置沿X軸、Y軸平移和Z軸升降傳動(dòng)使用渦輪、渦桿。
3. 如權(quán)利要求1所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，其特征在于，所述測(cè) 試裝置設(shè)置有用于探頭升降調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、帶角度標(biāo)識(shí)的探頭角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及 帶刻度的探頭垂直度調(diào)節(jié)裝置。
4. 如權(quán)利要求1所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置，其特征在于，所述設(shè) 置于基準(zhǔn)反射座上的鋼球直徑3mm士0. lmm。
5. —種水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，所述測(cè)試方法使用所述的水浸聚焦探頭 性能測(cè)試裝置，高頻電纜線連接探頭與探傷儀，其特征在于，首先，在置于水箱中的所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置框架本體的基準(zhǔn)反射座上放置一個(gè)鋼球，在對(duì)應(yīng)于所述基準(zhǔn)反射座上方所設(shè)置的探頭固定座上安裝、固定待測(cè)試探頭， 進(jìn)行探頭X軸調(diào)節(jié)和探頭Y軸調(diào)節(jié)，將探頭對(duì)準(zhǔn)探頭固定座， 通過(guò)超聲波探傷儀給待測(cè)探頭一激勵(lì)信號(hào)，使待測(cè)探頭發(fā)出一束超聲波信號(hào)，打在鋼球上，作為信號(hào)反射體，通過(guò)反射信號(hào)的變化，測(cè)試探頭性能的差異， 調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量確定超聲波探頭的位置和位置變化量，移動(dòng)探頭Z軸升降調(diào)節(jié)滑塊，使探頭在鋼球上的反射回波信號(hào)達(dá)到最高， 超聲波信號(hào)經(jīng)鋼球反射，有效反射波被探頭接收，經(jīng)儀器處理，以波高形式顯示在超聲波探傷儀的顯示屏上，分別記錄(14) X軸刻度尺(1) Y軸刻度尺(7) Z軸刻度尺上刻度數(shù)值，通過(guò)觀察波高的變化確定探頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
6. 如權(quán)利要求5所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，其特征在于，用于聚 焦探頭焦距的測(cè)試為 '調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置和探頭升降裝置，將探頭超聲波回波信號(hào)調(diào)至最高的位置，記錄下此時(shí)探頭Z軸高度刻度卡尺上數(shù)值Z,，然后沿Z軸向下移動(dòng)探頭，直到探頭恰好碰到鋼球，然后讀取高度刻度卡尺 上數(shù)值Z2，取上述二位置間的刻度差，該差值Z^ —Z2即為超聲波聚焦探頭的焦距。
7. 如權(quán)利要求5所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，其特征在于，用于探 頭聲束寬度的測(cè)試為調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，使得探頭沿X軸方向移動(dòng)，將探頭反射回波信號(hào)調(diào) 至最高，調(diào)節(jié)衰減器使回波信號(hào)達(dá)到示波器顯示80%的高度，然后使探頭沿X軸正方向移動(dòng)，使反射回波信號(hào)降低到示波器顯示40%的高 度，記錄下X軸刻度卡尺上數(shù)值Xl,接著，再使探頭沿X軸反方向移動(dòng),使反射回波信號(hào)由低到高再降低到示波器 顯示40%的高度，記錄下X軸刻度卡尺上數(shù)值X2，取此時(shí)二個(gè)位置刻度數(shù)值差XI —X2，即為探頭有效聲束寬度。
8. 如權(quán)利要求5所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，其特征在于，用于探 頭焦點(diǎn)直徑的測(cè)試為調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，使得探頭沿Y軸方向移動(dòng)，將反射回波信號(hào)調(diào)至最高，然后使得探頭在該反射回波信號(hào)最高處附近作正反二方向的移動(dòng)，當(dāng)所述二 方向移動(dòng)至回波信號(hào)均比最高處低-6dB處時(shí)，取該二位置間距為焦點(diǎn)直徑。
9. 如權(quán)利要求5所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，其特征在于，用于聲 束偏斜角的測(cè)試為調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向裝置和探頭升降裝置，將探頭超聲波回波信號(hào)調(diào)至最高的位置，定位焦點(diǎn)垂直于探頭上的實(shí)際位置，測(cè)得該點(diǎn)到探頭幾何中心點(diǎn)的距離a，通過(guò) 計(jì)算tane:a/f得出聲束偏斜角P ， f為探頭有效焦距。
10. 如權(quán)利要求5所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，其特征在于，用于靈 敏度余量(o)的測(cè)試為調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向裝置和探頭升降裝置，將探頭對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)反射體，將超聲波回波 信號(hào)調(diào)至最高的位置，調(diào)節(jié)衰減器將定位于超聲波探傷儀滿屏的60%高度，此時(shí) 儀器衰減器上的dB值，即為探頭的靈敏度余量。
11. 如權(quán)利要求5所述的水浸聚焦探頭性能測(cè)試方法，其特征在于，用于多 晶片探頭靈敏度余量偏差(A)的測(cè)試對(duì)于組合多晶探頭而言，每組各個(gè)探頭間的 差值必須《4 dB。
全文摘要
一種水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置及方法，在置于水箱中的所述性能測(cè)試裝置的基準(zhǔn)反射座上放置一鋼球，在其對(duì)應(yīng)上方設(shè)置、對(duì)準(zhǔn)待測(cè)試探頭，通過(guò)超聲波探傷儀使待測(cè)探頭對(duì)鋼球發(fā)出超聲波信號(hào)，通過(guò)反射信號(hào)的變化測(cè)試探頭性能的差異。調(diào)節(jié)三維導(dǎo)向調(diào)整裝置，實(shí)時(shí)測(cè)定探頭的位置及其變化量，使探頭在鋼球上的反射回波信號(hào)達(dá)到最高。有效反射波被探頭接收，以波高形式顯示在超聲波探傷儀的顯示屏上，分別記錄X軸、Y軸及Z軸刻度尺上的刻度數(shù)值，通過(guò)觀察波高的變化確定探頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)。本發(fā)明的水浸聚焦探頭性能測(cè)試裝置及方法簡(jiǎn)便易行，無(wú)須借助實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備，可測(cè)得焦距、聲束寬度、焦點(diǎn)直徑、聲束偏斜角、靈敏度余量、多晶片探頭靈敏度偏差等指標(biāo)等。
文檔編號(hào)G01N29/22GK101539542SQ200810034928
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
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