專(zhuān)利名稱：超聲波探頭組件及使用該組件的軋輥超聲波檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波探頭組件，特別涉及一種多通道的超聲波探頭組件。本發(fā)明還涉及一種超聲波無(wú)損檢測(cè)裝置，特別涉及一種用超聲波對(duì)在役軋輥進(jìn)行 自動(dòng)檢測(cè)的裝置。
背景技術(shù)：
軋輥是軋鋼廠自動(dòng)化軋鋼生產(chǎn)線的重要部件，在鋼材軋制的過(guò)程中，需要定期將 其更換并對(duì)其進(jìn)行磨削處理后反復(fù)投入使用，衡量軋輥的主要質(zhì)量指標(biāo)之一就是軋輥的軋 制層不允許存在裂紋或夾渣等缺陷，否則有可能導(dǎo)致重大的質(zhì)量事故?，F(xiàn)有技術(shù)中使用渦 流自動(dòng)探傷裝置對(duì)軋輥的軋制層進(jìn)行探測(cè)，然而，使用渦流自動(dòng)探測(cè)裝置僅能探測(cè)軋輥表 面的缺陷，而不能對(duì)其內(nèi)部缺陷進(jìn)行全面的檢測(cè)。此外，現(xiàn)有技術(shù)中還使用軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波檢測(cè)裝置，但目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的軋輥 自動(dòng)超聲波檢測(cè)裝置，該裝置主要在國(guó)外的一些鋼鐵企業(yè)中使用或被引進(jìn)至國(guó)內(nèi)使用，并 且國(guó)外的軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波檢測(cè)裝置也沒(méi)有超過(guò)四個(gè)通道的，其原因是由于國(guó)外裝置探頭結(jié) 構(gòu)存在一定的局限性以至于難以做到更多的通道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供具有多通道超聲波傳感器的、非接觸式的超聲波探頭組件。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種超聲波探頭組件，包括步進(jìn) 進(jìn)電機(jī)、滑軌和安裝在所述滑軌上的超聲波探頭組；所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑軌可伸縮地運(yùn)動(dòng)， 以調(diào)整所述超聲波探頭組的位置；其特征在于所述探頭組被設(shè)計(jì)成nXn的傳感器陣列； 所述陣列按行被劃分為η組，每組具有η個(gè)超聲波傳感器，其中η為大于或等于3的自然數(shù)； 在探測(cè)時(shí)，所述每個(gè)超聲波傳感器與被測(cè)物體的表面是非接觸的。此外，本發(fā)明的目的是提供一種不僅能探測(cè)軋輥表面的缺陷，而且能檢測(cè)軋輥內(nèi) 部的缺陷的、提高檢測(cè)效率與降低勞動(dòng)強(qiáng)度的多通道軋輥超聲波檢測(cè)裝置。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種軋輥超聲波檢測(cè)裝置，包括 探頭控制箱、下位機(jī)和上位機(jī)，其特征在于還包括如權(quán)利要求1或2所述的超聲波探頭組 件；所述探頭控制箱與下位機(jī)雙向通訊，其根據(jù)所述下位機(jī)的指示控制所述探頭組件的機(jī) 械運(yùn)動(dòng)與定位，并控制所述探頭組件中的各超聲波傳感器依次發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，同時(shí) 接收所述各超聲波傳感器的各個(gè)通道的回波信號(hào)，并按時(shí)間序列將所述回波信號(hào)送往所述 下位機(jī)；所述下位機(jī)將其接收到的所述回波信號(hào)進(jìn)行檢波和采樣處理后轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)送 至所述上位機(jī)中顯示。軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波檢測(cè)裝置能對(duì)軋輥進(jìn)行修磨時(shí)的表面和內(nèi)部的全面檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)軋 輥表面工作層以及內(nèi)部的缺陷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，以避免重大的經(jīng)濟(jì)損失。該軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波 檢測(cè)裝置在功能上超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)裝置，打破了軋輥超聲自動(dòng)探傷裝置主要依賴進(jìn)口的局 面，能為國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)提供高性價(jià)比的超聲自動(dòng)探傷裝置。


圖1是軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖。圖2是探頭部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是探頭控制箱的外部結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是探頭控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是下位機(jī)機(jī)箱的外部結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是下位機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖1示出了本發(fā)明中的軋輥超聲波檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖。如圖1所示，本發(fā)明中的 軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波檢測(cè)裝置包括探頭部、探頭控制箱、下位機(jī)和工控機(jī)，其中工控機(jī)上設(shè)置有
顯不器。圖2示出了探頭部的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，本發(fā)明中的探頭部包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 2、步進(jìn)電機(jī)3、絲杠4、滑軌6、超聲波探頭組8。優(yōu)選地，所述探頭部還包括機(jī)架1，優(yōu)選地， 所述機(jī)架1大體上呈現(xiàn)L形，所述L形的機(jī)架1具有一個(gè)較長(zhǎng)的側(cè)壁和一個(gè)較短的側(cè)壁。所 述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2、步進(jìn)電機(jī)3、絲杠4、滑軌6、超聲波探頭組8被安裝在機(jī)架1上，優(yōu)選 地，被依次地安裝于所述L形的所述較長(zhǎng)的側(cè)壁上。所述步進(jìn)電機(jī)3在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2 的控制下驅(qū)動(dòng)絲杠4動(dòng)作，從而使安裝在絲杠4上的滑軌6向機(jī)架1的外部延伸出去或者 從機(jī)架1的外部收縮回來(lái)，優(yōu)選在，所述機(jī)架的一端還設(shè)置有滑軌座7，其用于對(duì)滑軌6的運(yùn) 動(dòng)進(jìn)行定位或?qū)?。所述超聲波探頭組8設(shè)置于滑軌6末端，以致能夠隨滑軌6的運(yùn)動(dòng)而 運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，在所述機(jī)架1上還設(shè)置有拖鏈5、輸出輸入插座10和信號(hào)線纜11。如圖2所示，為了能夠?qū)堓伇砻?、次表面、?nèi)部以及不同方向的缺陷進(jìn)行檢測(cè)， 所述超聲波探頭組8設(shè)置有9個(gè)超聲波傳感器9。如果將所述9個(gè)超聲波傳感器9沿軋輥 軸向一字排列，則會(huì)增加探傷的端頭盲區(qū)，因此，所述9個(gè)超聲腔波傳感器9被設(shè)計(jì)成3X3 的傳感器陣列，所述傳感器陣列從上到下按第一行被分為第一組、第二組和第三組，每組都 具有3個(gè)所述的超聲波傳感器。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)所述第二組被定位后，其余第一、第二組通過(guò)旋 轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)與軋輥之間的間隙定位，以滿足不同輥徑的軋輥探傷。優(yōu)選地，由于避免探頭(即 所述超聲波傳感器)與軋輥在接觸時(shí)可能損壞軋輥表面、同時(shí)在二者發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)可能 會(huì)使探頭產(chǎn)生振動(dòng)，因此，在探傷時(shí)，探頭和軋輥表面采用機(jī)械非接觸式。優(yōu)選地，為了能夠?qū)Σ煌睆降能堓佭M(jìn)行探傷，所述超聲波傳感器9(即探頭)設(shè) 置在行程為700mm的具有自動(dòng)升縮結(jié)構(gòu)的滑軌6上，其采用步進(jìn)電機(jī)3和滾珠絲桿4驅(qū)動(dòng) 以便于對(duì)升縮速度、定位精度和安全保護(hù)的自動(dòng)控制。所述步進(jìn)電機(jī)3的控制信號(hào)來(lái)自所述探頭控制箱內(nèi)的探頭控制板；同時(shí)，也將下 述每組探頭的各種位置信息提供給探頭控制板，這是對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的基本依據(jù)。所述探 頭(即超聲傳感器)采用了雙晶片，發(fā)射晶片的發(fā)射信號(hào)來(lái)自探頭控制箱內(nèi)的多通道超聲 發(fā)射板。由于極限缺陷的回波信號(hào)為微伏級(jí)，為了避免干擾提高信噪比，接收晶片的信號(hào)輸 出采用了差動(dòng)式設(shè)計(jì)。
圖3示出了探頭控制箱的外部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步，圖4示出了探頭控制箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 如圖3-4所示，探頭控制箱包括探頭控制電路板5、母板3、超聲發(fā)射電路板2和超聲回波接 收放大電路板4，優(yōu)選地，探頭控制電路板5、母板3、超聲發(fā)射電路板2和超聲回波接收放 大電路板4被置于探頭控制箱機(jī)箱1內(nèi)，在所述機(jī)箱1上還設(shè)置有液晶顯示模塊6。所述 探頭控制箱用于(1)與下位機(jī)通訊，接收命令、傳遞信息；(2)控制探頭的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與定位； (3)接收多種傳感器的信息以確保探頭的安全；(4)使9個(gè)探頭(即超聲波傳感器)依次發(fā) 射超聲波脈沖信號(hào)；(5)對(duì)9個(gè)探頭(即超聲波傳感器)接收的各個(gè)通道的回波信號(hào)進(jìn)行 放大處理；(6)按照工控機(jī)自動(dòng)檢測(cè)軟件界面設(shè)置的參數(shù)調(diào)節(jié)各通道的增益；(7)按時(shí)間序 列，將經(jīng)過(guò)所述放大處理后的各通道的回波信號(hào)，以差分信號(hào)的形式送往下位機(jī)。所述探頭 控制箱與下位機(jī)之間的通訊采用RS-422的形式，以便抗干擾；多通道超聲波傳感器的發(fā)射 時(shí)序來(lái)自所述下位機(jī)內(nèi)的CPLD ；經(jīng)所述放大處理后的各通道的回波信號(hào)也按時(shí)間順序送 往下位機(jī)。圖5示出了下位機(jī)機(jī)箱的外部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步，圖6示出了下位機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖 5-6所示，所述下位機(jī)包括母板3、超聲檢波濾波電路板6、ARM嵌入式系統(tǒng)4、數(shù)據(jù)采集卡和 CPLD系統(tǒng)2，優(yōu)選地，上述部件設(shè)置于下位機(jī)機(jī)箱1內(nèi)；在所述下位機(jī)機(jī)箱1內(nèi)還設(shè)置有開(kāi) 關(guān)電源5和7 ；優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集卡是PC104數(shù)據(jù)采集卡；優(yōu)選地，所述母板3上還設(shè)置 有備用電路板插槽8。所述下位機(jī)用于(1)將來(lái)自所述探頭控制箱的射頻超聲回波信號(hào)進(jìn) 行檢波；(2)與上位機(jī)(即工控機(jī))通訊，接收命令、傳遞數(shù)據(jù)與信息；(3)對(duì)超聲回波信號(hào) 進(jìn)行高速采樣與處理；(4)根據(jù)上位機(jī)的命令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)定的各種控制邏輯；(5)獲取軋輥 的過(guò)零信號(hào)和軋輥的軸向坐標(biāo)。所述下位機(jī)將來(lái)自所述探頭控制箱的射頻超聲回波信號(hào)饋 至所述超聲檢波濾波電路板6進(jìn)行檢波、濾波，使之變?yōu)槌曇曨l信號(hào)，其幅值控制在0-5V 之間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求。ARM嵌入式系統(tǒng)選用了成品ARM9工控開(kāi)發(fā)板，僅所 述ARM工控開(kāi)發(fā)板通過(guò)RS-232串口與上位機(jī)(即工控機(jī))建立通訊關(guān)系；上位機(jī)所設(shè)置的 各種參數(shù)、發(fā)出的命令也都傳送給該ARM工控開(kāi)發(fā)板，ARM系統(tǒng)對(duì)這些命令、參數(shù)進(jìn)行識(shí)別 并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。所述數(shù)據(jù)采集卡主要是完成高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，把采集到的數(shù)據(jù)按照工作 模式和通信協(xié)議傳給所述ARM工控開(kāi)發(fā)板，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理后再傳送給上位機(jī)；優(yōu)選地，所 述數(shù)據(jù)采集卡的工作時(shí)序由所述CPLD系統(tǒng)提供。所述軋輥的過(guò)零信號(hào)為所述CPLD系統(tǒng)的 一個(gè)外部輸入信號(hào)，所述軋輥的軸向坐標(biāo)由“激光測(cè)距儀”產(chǎn)生并通過(guò)RS-232接口饋至ARM 工控板所述上位機(jī)(即工控機(jī)和顯示器)用于人機(jī)對(duì)話和顯示最終的檢測(cè)結(jié)果。在工控 機(jī)上運(yùn)行的探傷軟件名曰“軋輥無(wú)損自動(dòng)檢測(cè)軟件”，該軟件具有“參數(shù)設(shè)置”、“系統(tǒng)校準(zhǔn)”、 “軋輥檢測(cè)”、“數(shù)據(jù)管理”、“用戶管理”等功能。超聲波檢測(cè)的通道數(shù)、各通道的增益、開(kāi)門(mén)時(shí) 間、抑制值等都可以通過(guò)工控機(jī)的所述軟件的相關(guān)界面進(jìn)行設(shè)置。探傷結(jié)果以A式和/或 C式顯示的模式在所述顯示器上顯示。本發(fā)明中軋輥超聲波檢測(cè)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)為⑴工作頻率2MHz-5MHz ；⑵ 具有9個(gè)超聲通道；(3)總增益達(dá)到120dB (4)最小步進(jìn)0. IdB ； (5)具有A式和C式顯示； (6)探傷靈敏度表面缺陷，可檢測(cè)高速鋼0. Imm深、2. Omm長(zhǎng)的裂紋的表面缺陷、高鉻合金 0. 2mm深、2. Omm長(zhǎng)的裂紋的表面缺陷；可檢測(cè)在0. 5 20mm深度范圍內(nèi)φ2平底孔的內(nèi)部缺陷。
權(quán)利要求
一種超聲波探頭組件，包括步進(jìn)電機(jī)、滑軌和安裝在所述滑軌上的超聲波探頭組；所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑軌可伸縮地運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整所述超聲波探頭組的位置；其特征在于所述探頭組被設(shè)計(jì)成n×n的傳感器陣列；所述陣列按行被劃分為n組，每組具有n個(gè)超聲波傳感器，其中n為大于或等于3的自然數(shù)；在探測(cè)時(shí)，所述每個(gè)超聲波傳感器與被測(cè)物體的表面是非接觸的。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭組件，其特征在于探測(cè)時(shí)，先將位于所述陣列的中 部的至少一組所述超聲波傳感器定位，然后再通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式將其余的各組所述超聲波傳 感器定位，以便對(duì)具有彎曲表面的所述被測(cè)物體進(jìn)行探測(cè)。
3.一種軋輥超聲波檢測(cè)裝置，包括探頭控制箱、下位機(jī)和上位機(jī)，其特征在于還包括 如權(quán)利要求1或2所述的超聲波探頭組件；所述探頭控制箱與下位機(jī)雙向通訊，其根據(jù)所述下位機(jī)的指示控制所述探頭組件的機(jī) 械運(yùn)動(dòng)與定位，并控制所述探頭組件中的各超聲波傳感器依次發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，同時(shí) 接收所述各超聲波傳感器的各個(gè)通道的回波信號(hào)，并按時(shí)間序列將所述回波信號(hào)送往所述 下位機(jī)；所述下位機(jī)將其接收到的所述回波信號(hào)進(jìn)行檢波和采樣處理后轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)送至 所述上位機(jī)中顯示。
4.如權(quán)利要求3所述的軋輥超聲波檢測(cè)裝置，其特征在于所述上位機(jī)能夠?qū)Τ暡?檢測(cè)的通道數(shù)，以及各通道的增益、開(kāi)門(mén)時(shí)間、抑制值中的一項(xiàng)或多項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。
5.如權(quán)利要求4所述的軋輥超聲波檢測(cè)裝置，其特征在于所述上位機(jī)還具有系統(tǒng)校 準(zhǔn)和/或用戶管理功能。
6.如權(quán)利要求4所述的軋輥超聲波檢測(cè)裝置，其特征在于所述下位機(jī)通過(guò)一專(zhuān)門(mén)的 可編程控制器向數(shù)據(jù)采集卡提供時(shí)序以進(jìn)行所述采樣，并將采樣得到的數(shù)據(jù)按照工作模式 和通信協(xié)議傳給所述下位機(jī)中的嵌入式系統(tǒng)處理模塊，所述嵌入式系統(tǒng)處理模塊將其接收 到的所述數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理后再傳送給所述上位機(jī)。
7.如權(quán)利要求6所述的軋輥超聲波檢測(cè)裝置，其特征在于所述下位機(jī)還用于獲取軋 輥的過(guò)零信號(hào)和/或軋輥的軸向坐標(biāo)。
8.如權(quán)利要求7所述的軋輥超聲波檢測(cè)裝置，其特征在于所述過(guò)零信號(hào)是所述可編 程控制器的一個(gè)外部輸入信號(hào)。
9.如權(quán)利要求7所述的軋輥超聲波檢測(cè)裝置，其特征在于所述軋輥的軸向坐標(biāo)由激 光測(cè)距的方式產(chǎn)生。
10.如權(quán)利要求4所述的軋輥超聲波檢測(cè)裝置，其特征在于所述探頭控制箱與下位機(jī) 之間的通訊，和回波信號(hào)的傳輸采用差分方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軋輥超聲波檢測(cè)裝置，包括探頭控制箱、下位機(jī)和上位機(jī)，其特征在于還包括超聲波探頭組件；所述探頭控制箱與下位機(jī)雙向通訊，其根據(jù)所述下位機(jī)的指示控制所述探頭組件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與定位，并控制所述探頭組件中的各超聲波傳感器依次發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，同時(shí)接收所述各超聲波傳感器的各個(gè)通道的回波信號(hào)，并按時(shí)間序列將所述回波信號(hào)送往所述下位機(jī)；所述下位機(jī)將其接收到的所述回波信號(hào)進(jìn)行檢波和采樣處理后轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)送至所述上位機(jī)中顯示。所述裝置能對(duì)軋輥進(jìn)行修磨時(shí)的表面和內(nèi)部的全面檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)軋輥表面工作層以及芯部材料結(jié)合層的缺陷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，以避免重大的經(jīng)濟(jì)損失。
文檔編號(hào)G01N29/04GK101949896SQ20101024999
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者黎潤(rùn)民 申請(qǐng)人:昆山華得寶檢測(cè)技術(shù)設(shè)備有限公司