一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置，主要由測力傳感器、單片機、顯示裝置組成，每個超聲換能器晶片上都放置有測力傳感器，測力傳感器通過單片機連接對應的顯示裝置；當換能器晶片陣列布置在待測試樣上時，每個晶片上的測力傳感器能夠感應到該晶片與待測試樣間的接觸壓力，再將該接觸壓力分別顯示在各個晶片對應的顯示裝置上，并通過各個顯示裝置判斷出對應換能器晶片的接觸狀態(tài)。本裝置能夠快速直觀的反映超聲陣列中各換能器晶片與被測試樣間的耦合狀態(tài)，適用于多通道、接觸式的超聲檢測，尤其適用于巖土工程中的20-100KHz頻段的多通道大型超聲陣列檢測。
【專利說明】一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置，適用于多通道、接觸式的超聲檢測，尤其適用于巖土工程中的20-100 KHz頻段的多通道大型超聲陣列檢測。
【背景技術】
[0002]超聲檢測是工業(yè)上無損檢測的方法之一，超聲波進入物體遇到缺陷時，一部分聲波會產(chǎn)生反射，接收器可對反射波進行分析，就能異常精確地測出缺陷來，并且能顯示內部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。接觸式超聲檢測是常用的超聲檢測方式，它需要在換能器和待測試樣之間有某種形式的耦合，待測試樣的振動通過耦合材料傳遞到換能器，換能器感應到振動信號并將其轉化為電信號，經(jīng)模數(shù)轉換后即可獲得經(jīng)被測試樣傳播的應力波信號。通常采用耦合劑或采用水浸法來實現(xiàn)換能器和待測試樣間的耦合，并且換能器和待測試樣間的耦合一致，是進行高精度超聲檢測的必要條件。
[0003]隨著超聲檢測技術的發(fā)展，目前出現(xiàn)了大量的多通道的超聲檢測設備，如TOFD超聲探傷儀、相控陣超聲檢測儀等，這些儀器普遍采用一發(fā)多收、乃至多發(fā)多收的超聲換能器進行信號采集，特別適合航空、航天、巖土、兵器和核工業(yè)等行業(yè)中普遍大量存在的異型復雜構件的無損檢測。其中，超聲相控陣列換能器的設計基于惠更斯原理，換能器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，每個晶片稱為一個單元，按一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個單元，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個新的波陣面；同樣，在反射波的接收過程中，按一定規(guī)則和時序控制接收單元的接收并進行信號合成，再將合成結果以適當形式顯示。這樣一來，就要求各超聲換能器晶片均能和待測試樣間的耦合一致，若其中一個超聲換能器晶片的耦合情況不佳，會對檢測結果的精度造成一定影響。
[0004]針對如何確保換能器和待測試樣間的耦合一致的問題，在醫(yī)學和工業(yè)無損檢測中，因采用的超聲波頻率通常高于500 KHz，其壓電晶元小、探頭尺寸小、易于手持，可通過探頭位置調整保證耦合的一致性，如人體B超和焊縫的超聲相控陣檢測等。但是，在巖土工程領域中，要求的探測深度大，采用的超聲波頻率低，采用的低頻相控陣探頭的孔徑大，陣列內的各換能器晶片與被測試樣表面間的耦合狀況存在顯著差異，僅靠人工操作無法得知哪幾個晶片與被測試樣耦合不一致，進而采取相應的調整措施。
[0005]綜上，可靠的多通道超聲測試要求分布式探頭與被測試樣間的耦合保持一致，這是開展高精度的低頻超聲相控陣檢測的前提條件。在巖土工程檢測中，若試圖運用多通道超聲檢測技術來提高巖土工程超聲檢測的效率，就需要開發(fā)出檢測低頻相控陣探頭陣列內各換能器晶片和待測試樣間耦合狀況的設備。

【發(fā)明內容】

[0006]針對巖土工程領域多通道超聲檢測需要實現(xiàn)換能器與待測試樣間的耦合一致的問題，本發(fā)明提供一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置，通過顯示各超聲換能器晶片與待測試樣間的接觸壓力實時反映二者的耦合狀況，以提高巖土工程超聲檢測的效率和精度。
[0007]利用多通道超聲檢測技術進行巖土工程超聲檢測時，在接觸面的平整度、耦合材料、換能器性能等條件相同或相近時，各換能器晶片與被測試樣間的耦合狀況取決于二者間的接觸壓力。依據(jù)上述原理，本發(fā)明低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置，包括測力傳感器、單片機以及顯示裝置，通過對接觸壓力的監(jiān)測，能夠快速得知相控陣超聲探頭的各換能器晶片的耦合狀況。
[0008]其中:各測力傳感器分別布置在相控陣探頭各超聲換能器晶片的后端，用于感應對應的超聲換能器晶片與被測試樣間的接觸壓力。
[0009]各測力傳感器均內設測量電路。一般來說，傳感器由敏感元件和轉化元件組成，但轉化元件輸出的電量常常難以直接進行顯示、記錄、處理和控制，這時就需要將其進一步變化成可直接利用的電信號，而傳感器中完成這一功能的部分稱為測量電路，也是傳感器組成的一部分，用于將測力傳感器感應到的接觸壓力的電信號轉化為數(shù)字信號。
[0010]各測力傳感器均電連接單片機，用于將轉化的接觸壓力的數(shù)字信號輸入單片機。即每一個超聲換能器晶片與被測試樣間的接觸壓力的數(shù)字信號，自分別對應的測力傳感器的測量電路輸入單片機。
[0011]單片機分別電連接各顯示裝置，且各顯示裝置與各測力傳感器一一對應連接，用于顯示對應的超聲換能器晶片與被測試樣間接觸壓力的大小。
[0012]綜上所述，超聲換能器晶片、測力傳感器和顯示裝置三者之間一一對應，為方便查看，可在三者上標記對應的編號，而各測力傳感器本身就位于對應的超聲換能器晶片的后端，故各測力傳感器采用了與超聲換能器晶片相同且位置一一對應陣列布置形式。優(yōu)選的，根據(jù)相控陣探頭各超聲換能器陣列布置方式，顯示裝置也可采用與超聲換能器晶片相同的陣列布置形式，且各顯示裝置與其連接的超聲換能器晶片在陣列中的位置相同，從而更加直觀的判斷相控陣探頭各超聲換能器晶片與被測試樣間的耦合狀況。
[0013]相控陣探頭有三種主要陣列類型:一是探頭由一組沿著一個軸并排的晶片組成的線形(線陣列)，二是探頭是由一組沿著兩個軸排列的晶片組成面形(二維矩形陣列)，三是環(huán)形、圓形以及扇形等圓形陣列。其中，線形或矩形陣列編程容易，費用明顯低于其他類型陣列，故優(yōu)選的，超聲換能器晶片的陣列布置形式為一維線陣列或二維矩形陣列。
[0014]進一步，顯示裝置采用指示燈、壓力表中的至少一種，單片機內可以預設根據(jù)接觸壓力判斷耦合狀況的程序，通過燈光的強弱或色彩，或者/和壓力表讀數(shù)的大小來表征接觸壓力的大小，以快速判定低頻相控陣探頭與被測試樣間的耦合狀況。
[0015]綜上，運用多通道超聲檢測技術時，當換能器陣列布置在待測試樣上時，每個換能器晶片上的受力傳感器都能夠感應到各自對應的晶片與被測試樣間的接觸壓力，該接觸壓力顯示在各個換能器晶片對應的顯示裝置上，通過各個顯示裝置指示可判斷出對應換能器晶片與被測試樣間的接觸狀態(tài)。實現(xiàn)了快速準確直觀的反映與各顯示裝置位置對應的超聲換能器與被測試樣間的耦合狀況，為快速實現(xiàn)低頻超聲換能器陣列與被測試樣間的耦合一致提供保證，滿足了開展高精度的低頻超聲相控陣檢測的前提，適用于多通道、接觸式的超聲檢測，尤其適用于巖土工程中的20-100 KHz頻段的多通道大型超聲相控陣檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]圖1為本發(fā)明測力傳感器布置示意圖；
圖2為實施例中本發(fā)明的電原理框圖；
圖3a為實施例中一維相控陣超聲換能器晶片的陣列布置；
圖3b為與圖3a對應的一維陣列耦合狀態(tài)指示燈布置；
圖4a為實施例中二維相控陣超聲換能器晶片的陣列布置；
圖4b為與圖4a對應的二維陣列耦合狀態(tài)指示燈布置；
圖5為實施例中單片機的控制流程圖。
[0017]圖中:A、被測試樣，H、超聲換能器晶片，C、測力傳感器，D、顯示裝置，P、接觸壓力。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0019]如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括測力傳感器C、單片機以及顯示裝置D ;各測力傳感器C分別布置在相控陣探頭中各超聲換能器晶片H后端，用于感應對應的超聲換能器晶片H與被測試樣A間的接觸壓力P ;各測力傳感器C均內設測量電路，用于將感應的接觸壓力P的電信號轉化為數(shù)字信號；各測力傳感器C均電連接單片機，用于將轉化的接觸壓力P的數(shù)字信號輸入單片機；單片機分別電連接各顯示裝置D，且各顯示裝置D與各測力傳感器C一一對應連接，用于顯示 對應的超聲換能器晶片H與被測試樣A間接觸壓力P的大小。
[0020]本發(fā)明中超聲換能器晶片H、測力傳感器C和顯示裝置D三者之間一一對應，通過測力傳感器C測試相控陣探頭的各超聲換能器晶片H與被測試樣A間的接觸壓力P，并通過單片機判斷二者間接觸壓力P的大小；再通過與超聲換能器晶片H陣列一一對應的顯示裝置D快速直觀的反映探頭中的各超聲換能器晶片H的耦合狀態(tài)。在巖土工程中應用多通道超聲檢測技術時，可先利用本發(fā)明進行超聲換能器陣列耦合檢測，再進行后續(xù)操作。
[0021]在實施耦合檢測時，首先，根據(jù)被測試樣A的材質和檢測目標，選擇相控陣探頭中超聲換能器晶片H的數(shù)量以及布置方式。根據(jù)需要，若超聲換能器晶片H的陣列布置形式選為一維線陣列，則見圖38,?-?表示超聲探頭中的各換能器晶片，且下標η表示換能器晶片排列的個數(shù)。若超聲換能器晶片H的陣列布置形式選為二維矩形陣列，則見圖4a，Hn-Hmn均表示超聲探頭中的各換能器，且下標m表示換能器晶片行數(shù)，η表示換能器晶片的列數(shù)。
[0022]然后，在各超聲換能器晶片H后端分別布置一測力傳感器C，各測力傳感器C與各超聲換能器晶片H之間在連接上一一對應，測力傳感器C能夠感應被測試樣A與對應的超聲換能器晶片H間的接觸壓力P，見圖1。各測力傳感器C均電連接單片機，單片機再分別電連接各顯示裝置D，見圖2。如此一來，各顯示裝置D通過測力傳感器C與各超聲換能器晶片H在連接上也一一對應，每個顯示裝置D能夠反映與之對應的超聲換能器晶片H與被測試樣A間的接觸壓力P。
[0023]其次，為方便區(qū)別和查看，超聲換能器晶片H上有各自的編號，在各顯示裝置D上標記與對應晶片相應的標號。實際操作時，也可以根據(jù)相控陣探頭中超聲換能器晶片H布置方式，按相同且一一對應關系，將耦合顯示裝置D按照晶片的編號陣列布置在待測試樣上。見圖3b中，D1-Dn表示與圖3a中的超聲換能器陣列對應布置的顯示裝置D ;見圖4b中，D11-Dnm表示與圖4a中的超聲換能器陣列對應布置的顯示裝置D。由此可知，顯示裝置D陣列與超聲換能器晶片H陣列相同，且有連接關系的一組顯示裝置D和晶片在陣列中的位置也相同，便于簡單直觀的判斷各晶片的耦合狀況。
[0024]檢測裝置的連接和布置按上述準備完畢后，在超聲換能器晶片H陣列布置形式選為如圖3a所示的一維線陣列的情況下，如圖2和圖5所示，測力傳感器Ci (?=1~η)將感應到的接觸壓力Pi轉換為電信號分別輸入各自內設的測量電路，通過該測量電路進行模數(shù)轉換，將接觸壓力Pi的電信號轉化為數(shù)字信號，再分別輸入單片機。測力傳感器Ci感應到的接觸壓力Pi有所差異，但可測得一個PmilTPmax的合理范圍，并記入單片機。單片機與檢測儀器可共用一臺計算機，但單片機與檢測儀器相互獨立，只負責判斷耦合狀態(tài)。
[0025]如圖5所示，顯示裝置D可以采用壓力表或/和狀態(tài)指示燈，布置成如圖3b所示的一維陣列，將每個超聲換能器晶片Hi (i=fn)的耦合狀態(tài)同時顯示出來。若使用壓力表，可直觀讀出與壓力表i對應的超聲換能器晶片Hi與被測試樣A間的接觸壓力Pp若使用狀態(tài)指示燈，在單片機內預設的程序中，設定接觸壓力P的值在PmilTPmax為合理，當接觸壓力P不足、合理、過大時，狀態(tài)指示燈分別顯示為“藍色”、“綠色”和“紅色”，通過狀態(tài)指示燈陣列即可快速直觀的顯示各換能器晶片與被測試樣A間的耦合狀況。如有某一個或多個狀態(tài)指示燈顯示為“紅色”或“藍色”，則表明陣列內該超聲換能器晶片Hi與被測試樣A間耦合不一致，需進行探頭調整；當各晶片對應的狀態(tài)指示燈均為“綠色”，則表明陣列內各超聲換能器晶片Hi與被測試樣A間耦合良好，即可人為操作檢測儀器進行檢測工作。
[0026]至此，實現(xiàn)了通過各顯示裝置D快速準確直觀的反映與之位置對應的超聲換能器晶片H與被測試樣A間的耦合狀況，并依據(jù)耦合情況實時調整探頭，完成開展高精度的低頻超聲相控陣檢測的基礎工作。
【權利要求】
1.一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置，其特征在于，包括測力傳感器(C)、單片機以及顯示裝置(D);各測力傳感器(C)分別布置在相控陣探頭中各超聲換能器晶片(H)后端，各測力傳感器(C)均內設測量電路，各測力傳感器(C)均電連接單片機，單片機分別電連接各顯示裝置(D)，且各顯示裝置(D)與各測力傳感器(C) 一一對應連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置，其特征在于，所述的顯示裝置(D)采用與超聲換能器晶片(H)相同的陣列布置形式，且每個顯示裝置(D)與其對應的超聲換能器晶片(H)在陣列中的位置相同。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置，其特征在于，所述的超聲換能器晶片(H)的陣列布置形式為一維線陣列或二維矩形陣列。
4.根據(jù)權利要求1至3任一項權利要求所述的一種低頻超聲換能器陣列耦合檢測裝置，其特征在于，所述的顯示裝置(D)采用指示燈、壓力表中的至少一種。
【文檔編號】G01N29/04GK103743817SQ201410012029
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權日:2014年1月10日
【發(fā)明者】宋雷, 楊維好, 孫錫樂, 丁亞雷 申請人:中國礦業(yè)大學