專利名稱：用于細長構(gòu)件超聲波無損檢測的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于橫截面基本不變的細長構(gòu)件無損檢測的、含有多元超聲波換能器和反射鏡的一種裝置。
法國專利FR-A-2670898公開了一種用于橫截面基本不變的細長構(gòu)件(如熱交換管、型材或軌條)的超聲無損檢測的裝置。
這樣一種檢測裝置含有一個超聲波換能器，換能器有一個其表面形狀與被檢測細長構(gòu)件表面形狀相應的活性表面，當換能器沿被檢測構(gòu)件縱向移動時，這個活性表面對著細長構(gòu)件的表面。多個電元件按相鄰位置固定在換能器的活性表面上，電激勵裝置與壓電元件相連，并以產(chǎn)生發(fā)射和接收的相干超聲波束的方式和以在被檢測細長構(gòu)件表面產(chǎn)生周向掃描的方式驅(qū)動。換能器的一組并列壓電元件按相對的幅度和相對的相位被激勵，在被檢測構(gòu)件的方向產(chǎn)生一個相干超聲波束。這個超聲波束經(jīng)由被檢測構(gòu)件折回到這些壓電元件上。到達所接收的壓電元件組的這種超聲波信號由這個組的每一個壓電元件轉(zhuǎn)換為一個獨立的電信號。每一個這樣的信號都有一個相對放大和相對相位移動。然后由收集和分析裝置對所得信號進行相加和分析，可以檢測出并確定這個細長構(gòu)件上的缺陷及位置。相同組的壓電元件，相鄰的互相搭接或不搭接的不同組的壓電元件，或者不同并分開的壓電元件，都可實現(xiàn)一方面進行發(fā)射，而另一方面進行接收。為使這種裝置有高度的靈敏度，換能器的活性表面是向被檢測構(gòu)件彎曲的一種凹面，壓電元件沿換能器活性表面軸向的曲母線排列。因此，源于壓電元件的超聲波束聚焦在被檢測構(gòu)件的軸向。
依靠這種裝置，可以高靈敏度地進行檢測，可以檢測出細長構(gòu)件，如管、型材、整個表面上的小缺陷。而且，簡單地沿被檢測構(gòu)件的縱向移動這種換能器就可進行檢測，而不必繞細長構(gòu)件縱軸轉(zhuǎn)動換能器。依次給換能器各組并列的壓電元件通電，可完全由電控制實現(xiàn)對構(gòu)件的周向掃描。也可完全由電子裝置實現(xiàn)在一個給定的深度對細長構(gòu)件進行掃描。然而，必須沿換能器活性表面的曲母線安排壓電元件，以便在被檢測構(gòu)件的縱向聚焦。
因此，這類裝置的優(yōu)點是不含轉(zhuǎn)動件，不含用于轉(zhuǎn)動換能器的電動機。然而，在這種現(xiàn)有的裝置中，攜帶壓電元件的換能器的活性表面必須與被檢測構(gòu)件的橫截面形狀相匹配。因此，必須設計和裝備適用于每一種被檢測產(chǎn)品或物品的多元換能器。
生產(chǎn)適用于檢測大量不同形狀構(gòu)件的裝置，將導致高的設計，開發(fā)和制造成本。
也已知含有一種換能器和一種反射鏡的超聲波檢測裝置，這種反射鏡用于使來自換能器的超聲波束指向被檢測表面。
在檢測細長構(gòu)件表面時，可由轉(zhuǎn)動換能器或只轉(zhuǎn)動反射鏡實現(xiàn)這種構(gòu)件表面的周向掃描。在這兩種情況中，都必須有使這個裝置的一個零件轉(zhuǎn)動的機械機構(gòu)。因此，與使用電子掃描相關(guān)的實施精確性和速率優(yōu)越性不再存在。
而且，兼有一個超聲波換能器和一個反射鏡的現(xiàn)有無損檢測裝置設計不適用于檢測不同尺寸的構(gòu)件，例如，不適用于有不同直徑和不同厚度的管子。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于橫截面基本不變的細長構(gòu)件超聲波無損檢測的、含有一個多元超聲波換能器和一個反射這種超聲波的反射鏡的一種裝置；這個換能器包含一個支架，支架上有至少一個活性表面，且該活性面延伸對著至少細長構(gòu)件的一部分，多個壓電元件至少沿該活性面的一個方向并列地排列在該活性面上，還包含換能器的電激勵裝置用于發(fā)射超聲波，這個裝置與壓電元件相連，并按產(chǎn)生相干波束和至少在細長構(gòu)件表面的一個方向產(chǎn)生電子掃描的方式驅(qū)動，以及用于收集和分析換能器電壓的裝置；反射鏡有一個其方位對著換能器用于反射超聲波的反射表面，用于把源于每個壓電元件的超聲波發(fā)送到細長構(gòu)件表面的連續(xù)區(qū)域，并把細長構(gòu)件表面反射的超聲波送回到壓電元件；這種檢測裝置可以簡單地而又無大的花費地用于具有不同橫截面和尺寸的、軸對稱或非軸對稱的細長構(gòu)件的檢測。
為此，換能器支架與反射鏡應按可以調(diào)節(jié)二者之間沿共軸方向的距離的方式相連。
為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參照用于從外部和從內(nèi)部檢測管子的，以及用于檢測不同形狀橫截面構(gòu)件的本發(fā)明裝置的幾個實施例的附圖，這些實施例只是非限定性實例。


圖1是用于從外側(cè)檢測管子的本發(fā)明的一個裝置的軸向剖面簡圖。
圖2是用于從內(nèi)側(cè)檢測管子的本發(fā)明的一個裝置的軸向剖面簡圖。
圖3A、3B、3C、3D和3E是用于從外側(cè)檢測管子的并包含有直面活性表面的本發(fā)明裝置五種替換形式的剖面圖。
圖3F是使用具有不同入射角的兩個波束可從外側(cè)檢測一個管子的本發(fā)明裝置第六種替換形式的軸向剖面圖。
圖4A、4B、4C、4D、4E、4F是用于從外側(cè)檢測管子并包括具有直或曲母線的軸對稱活性表面的換能器的本發(fā)明裝置六種形式的剖面圖。
圖5A和5B是本發(fā)明的一種換能器兩種形式的橫截面圖，如沿圖3A的5-5線的視圖。
圖6A、6B、6C、6D、6E是用于從內(nèi)側(cè)檢測管子的并包括具有直面活性表面的換能器的本發(fā)明裝置五種形式的軸向剖面圖。
圖6F是使用兩種不同入射角的波束可從內(nèi)側(cè)檢測管子的本發(fā)明裝置第六種形式的軸向剖面圖。
圖7A和7B是本發(fā)明一種換能器兩種形式的橫截面，如沿圖6A的7-7線的視圖。
圖8A、8B、8C、8D、8E、8F是用于從內(nèi)側(cè)檢測管子的并包含具有直或曲母線的軸對稱活性表面的換能器的本發(fā)明裝置的剖面圖。
圖9是可用于檢測軌條的本發(fā)明裝置的換能器沿圖10的線9-9剖切的一個剖面圖。
圖10是檢測軌條的這種裝置沿圖9的方向10剖切的換能器與反射鏡的剖面圖。
圖11是可用于檢測曲板的本發(fā)明一個裝置的透視圖。
圖1是一個總的標號為1的用于從外側(cè)檢測管子2的探頭，例如，檢測外徑約為20mm的蒸汽發(fā)生器管，或外徑約為10mm的燃料棒外殼。
檢測探頭1包含一個可以是管形的本體3，本體3內(nèi)固定有兩個環(huán)形導向件4a和4b，導向件的內(nèi)徑稍大于被檢測管的外徑，或制成可變形的以使其內(nèi)徑適應被檢測管外徑的小量變化而提供無間隙的導向。因此，可以用這種探頭檢測直徑不完全恒定的管或略有不同直徑的管。
處于探頭1的管形本體3內(nèi)的是一個其上固定有若干壓電元件6的環(huán)形換能器托架5和一個能把源于壓電元件6的超聲波束反射到管2的外表面，以及從管2反射到壓電元件6的反射鏡7。
固定在探頭本體3上的是一個通過一組電線9與換能器支架5的壓電元件6相連的電子組件10，以便依次給壓電元件供電并依次補償來自壓電元件6的測量電流。電子組件10與用于電子器件的使用和測量顯示的裝置(圖中未示出)相連。
如箭頭8或8’所示，通過電動機或手動方式，本發(fā)明的檢測探頭1可以沿管的軸向移動，或管2相對于探頭1沿其軸向移動，這樣，可以沿其整個長度進行檢測。
圖2示出用于從內(nèi)側(cè)檢測一個管12的本發(fā)明裝置的一個檢測探頭11。
探頭11包含有一個可由其上嚙合有兩個導向盤14a和14b的剛性桿或柔性纜索構(gòu)成的探頭本體13，導向盤的外徑略小于管12的內(nèi)徑。導向盤是可變形的，因此探頭可以無任何間隙地定位，而允許管的內(nèi)徑的小量變化，或管與管之間內(nèi)徑的小量變化。
在導向盤14a和14b之間，探頭本體13上還嚙合有一個其上攜帶有若干壓電元件16的換能器支架15，和一個其反射表面形狀相對于本體13軸線呈軸對稱的反射鏡17，在檢測操作時，這個軸線與管12軸線吻合。
換能器15的壓電元件16通過一組電線19連接到一個電子組件20上，電子組件20固定到探頭本體13上，或安排固定在管12的外側(cè)。
電子組件20連接到或結(jié)合到控制站的處理器件上，控制站包括用于換能器15進行測量的記錄和顯示裝置。
圖3A示出本發(fā)明檢測探頭的換能器5和反射鏡7，這個探頭與圖1所示檢測探頭相同，可從外側(cè)檢測管子2。
由圖3A和5A、5B可見，換能器支架5是一個橫截面基本為方形的環(huán)，它有一個面向反射鏡7a的反射表面7’a的環(huán)形表面，壓電元件6按并列位置關(guān)系固定在這個環(huán)形表面上。
壓電元件6有兩條側(cè)邊，這兩條側(cè)邊之間構(gòu)成一個約等于360°/n的角度，其中n是在支架5環(huán)形面周向并列安排的壓電元件6的數(shù)量，小型壓電元件6的側(cè)邊沿支架5的徑向排列。
為在用電子裝置對管子掃描時實現(xiàn)極高的分辨率，可以在支架5的這個環(huán)形表面按并列位置關(guān)系安排幾十個甚至數(shù)百個壓電元件，以便完全圍住管2的外表面。
如圖5B所示，也可以不僅在周向而且也在徑向把壓電元件6’按并列位置關(guān)系安排在換能器支架的活性表面上。這種安排可以在垂直于壓電元件的(徑向和周向)切割線的兩個方向?qū)崿F(xiàn)可變的聚焦和折射。特別是，可以經(jīng)由電子控制裝置改變超聲波束在軸向和徑向面的入射角。
壓電元件6(或6’)連接到供電電線上和通過換能器支架5的測量信號收集導線上。
反射鏡7a是環(huán)形形狀，有一個截頭圓錐形的反射表面7’a，反射表面7’a的軸線即為反射鏡的軸線。
換能器5和反射鏡7a固定在同一個主體上，并應相互保持牢靠，反射鏡7a的軸線與環(huán)形換能器支架5的軸線吻合。
反射表面7’a轉(zhuǎn)向?qū)χ鴶y帶壓電元件6的換能器平面型環(huán)形表面。
也可以這樣安裝換能器5和反射鏡7a即可以調(diào)節(jié)換能器5和反射鏡7a的反射表面7’a之間的軸向距離。
因此，可以調(diào)節(jié)超聲波束在壓電元件與管2的外表面之間的行進距離，這樣，對于相同的設備，只要在換能器和反射鏡之間進行簡單的軸向移動，便可適用于不同的管徑和/或不同的管厚。
在電激勵壓電元件6時，如圖5A和5B箭頭22所示，順序向在換能器5的周向連續(xù)或非連續(xù)的各組壓電元件6供電，每個連續(xù)的壓電元件6發(fā)射超聲波束，如21a，向著反射鏡7a的反射表面7’a。
可以以繞管沿一個或幾個螺旋管運行(例如二個、三個或四個螺旋管)的方式引起壓電元件的激勵以及管和檢測裝置之間的相對移動。
為了在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了缺陷的區(qū)域進行更詳細的分析，可以經(jīng)改進掃描條件在這個管的一個區(qū)域造成幾個連續(xù)通道。
每一個超聲波束，如像21a，都由反射鏡7a的反射表面7’a反射到被檢測管2的外表面。
在反射離開這個反射表面7’a以后，超聲波束由管2的壁反射回到壓電元件上。
由壓電元件供給的測量電壓經(jīng)過收集和分析，檢測出管2的壁中可能存在的缺陷。
連續(xù)給換能器5的壓電元件供電，可以在與反射鏡7a垂直成一直線的區(qū)域，和沿著一個或幾個螺旋管，對管2周向掃描。
在管的軸向移動探頭，可以對管2的整個外表面掃描。
在探頭和被檢測管2的外表面之間保持有耦合劑，改變換能器5和反射鏡7a之間的距離，可以改變超聲波束21a在耦合劑中行進的距離。
因此，使用在整個活性表面都安排壓電元件的一種換能器，可通過周向電子掃描檢測一個管，同時這也明顯簡化換能器的制造。經(jīng)使用其反射表面呈軸對稱面形狀的，例如錐形面，反射鏡實現(xiàn)這種結(jié)果。
反射鏡7a的反射表面7’a的母線在檢測時與換能器軸線，即相當于管的軸線，構(gòu)成一個角αa。
角αa這樣選擇波束21a法向入射，就是說，波束徑向入射到管2的外表面。角αa一般等于45°。
改變反射表面母線與軸線之間的角度，也可以得到一種以不同于管2的徑向的方向入射到管2的外表面的超聲波束。
在圖3B中，反射鏡7b的反射面7’b的母線與該反射鏡和探頭的軸線構(gòu)成一個角αb，假定在測量過程中該探頭按反射鏡在探頭前面的方向進行軸向移動，則這樣的角αb使超聲波束在其法向的前面入射到管2的外表面上。
與此相反，在圖3c中，反射鏡7c的截頭圓錐形反射面7’c的母線與換能器軸向構(gòu)成一個角αc，這樣的角αc使超聲波束21c在管的徑向的后面入射到管的外表面上。
因此，可以調(diào)節(jié)超聲波束軸線在管壁上的入射角，以便對特殊類型的缺陷進行最佳的搜索。
在圖3A、3B和3C的實施例中，由于所示的反射鏡的反射表面形狀，超聲波束是不在管2的軸向聚焦的平行波束。
圖3D所示探頭的反射鏡7d的反射表面7’d是一種環(huán)凹形曲面，其凹曲面向著管2的外表面。
因此，這種超聲波束21d在反射鏡的反射表面7d與管2外表面之間收斂，使這種波束在軸向聚焦。
在圖3E中，反射鏡7e的反射表面7’e是相對于探頭軸線軸對稱的，其表面是凸形的，對著管2的外表面。
因此，這種超聲波束21e在反射表面7’e和管2外表面之間發(fā)散，這就對管2壁有放大焦點或波束散焦效應。
因此，本發(fā)明的這種裝置可以極容易地調(diào)節(jié)超聲波束在軸向的入射角，以及在軸向的聚焦或散焦。
圖3F示出換能器的環(huán)形支架5，它的一個平面上固定若干壓電元件6。
反射鏡7f的反射表面7’f呈現(xiàn)兩個相連的截頭圓錐形形狀(或可能呈喇叭口形)，它們的母線與探頭軸向構(gòu)成不同的角度。這樣，從源于換能器5的入射波束21f得到兩個反射波束21’f和21”f。波束21’f指向探頭的后面，而波束21”f指向前面。因此，當探頭在管2的軸向移動時，實現(xiàn)了由入射角不同的兩股波束進行雙重掃描，這樣，可以同時搜索不同類型的缺陷。
圖3A-3F所示的一組探頭有相同的超聲波換能器5，它的用于固定壓電元件的活性表面是平面，超聲波束能按照其相對于管的表面的入射角變化，經(jīng)改變與換能器有關(guān)的反射鏡，可簡單地聚焦或散焦。通過換能器的平面型活性表面，并由具有可改變形狀的軸對稱表面，如錐形或喇叭形的反射鏡反射超聲波束，實現(xiàn)對管的圓柱形外表面進行掃描。從技術(shù)上講，生產(chǎn)具有軸對稱表面(例如錐形或喇叭形)的反射鏡比生產(chǎn)用于固定壓電元件的軸對稱換能器活性表面簡單。
然而，在某些情況下，精確檢測細長構(gòu)件中的缺陷要求使用具有母線為直線或喇叭形的截頭圓錐形活性表面的換能器。這時，在本發(fā)明一種安排中，綜合使用這種換能器和一個反射鏡比沒有反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)的安排優(yōu)越，因為它可由換能器和反射鏡兩者調(diào)節(jié)入射角和/或超聲波束的聚焦，因而增加了選擇數(shù)量。
圖4A、4B、4C、4D、4E和4F所示的本發(fā)明的裝置具有截頭圓錐形或喇叭形表面的換能器，用于從外側(cè)檢測管子或?qū)嵭陌簟?br> 圖4a所示裝置包含一個換能器45a和一個環(huán)形反射鏡47a，換能器45a的環(huán)形支架有一個用于安裝壓電元件46的截頭圓錐形活性表面，反射鏡47a的截頭圓錐形反射表面對著換能器45a的活性表面。換能器活性表面和反射鏡的反射表面的直母線相對于裝置的橫向平面以不同的方向傾斜，這個橫向平面垂直于與被檢測管或?qū)嵭陌?2的軸線40重合的換能器和環(huán)形反射鏡的共用軸線。反射鏡的反射表面的這種入射角可以使超聲波束41a大致從法向照射到管和棒42的外表面上。
在圖4b中，換能器45b也有一個截頭圓錐形活性表面，反射鏡47b有一個截頭圓錐形反射表面。這兩個截頭圓錐形表面的母線相對于一個橫向平面以同樣的方向傾斜。反射鏡的反射表面的這種入射角應使超聲波束41b大致從法向照射到管和棒42的外表面上。
在圖4c中，換能器45c類似于換能器45a，有一個截頭圓錐形活性表面；反射鏡47c有一個凹形反射表面。超聲波束由反射鏡47c反射并聚焦到管或棒42的表面上。
在圖4D中，換能器45d有一個截頭圓錐形活性表面，反射鏡有一個凹形反射表面。換能器45d活性表面的直母線按與換能器45c活性表面母線按相反的方向傾斜。超聲波束41d由反射鏡47d反射和聚焦在管或棒42的表面上。
在圖4E和4F中，換能器45e和45f都有用于固定壓電元件46e和46f的環(huán)凹形曲面活性表面。反射鏡47e和47f呈環(huán)形，都有截頭圓錐形反射表面。換能器45e的環(huán)凹形曲表面對著管和棒42，并使反射的超聲波束通過反射鏡47e幾乎以法向聚焦在管和棒42的表面上。換能器45f的環(huán)凹形曲表面轉(zhuǎn)向離開管和棒42的表面，并通過反射鏡47f使反射的超聲波束41f幾乎呈法向聚焦。因此，可以用適當形狀的換能器或反射鏡調(diào)節(jié)入射超聲波束的聚焦和傾角。
此外，如前所述，通過調(diào)節(jié)換能器活性表面和反射鏡反射表面之間的距離，可以調(diào)節(jié)超聲波束在耦合劑內(nèi)的行進距離。在檢測其周圍僅有很小空間可用的構(gòu)件，以及檢測不可能在被檢測構(gòu)件和換能器之間建立足夠的耦合劑的高度，例如水的高度的構(gòu)件時，這種調(diào)節(jié)距離的可能性是特別有利的。
例如，在檢測核反應堆燃料棒或操縱桿組件時，桿之間的空間很小，不允許所用的超聲波換能器直接進入。在這種情況，本發(fā)明的具有一個反射超聲波束的反射鏡的裝置能夠在足夠的水的高度進行檢測。
圖6A和7A示出本發(fā)明裝置的一種超聲波檢測探頭，它包含一個環(huán)形支架超聲波換能器15，在環(huán)形支架的平面型活性表面上按并列位置固定著呈小板狀壓電材料形式的壓電元件。
用于從內(nèi)側(cè)超聲檢測一個管12或一個內(nèi)孔的探頭換能器15與從外側(cè)檢測一個管所用的換能器基本相同，換能器15的支架尺寸與被檢測管尺寸相適應，特別是，環(huán)形換能器支架15的外徑小于被檢測管12的內(nèi)徑。
由圖7B可見，壓電元件16’不僅可沿換能器活性表面的周向，而且也可沿其徑向并列固定。換能器上這種敏感元件的雙向切割(R，θ)可以改變聚焦，并在垂直于壓電元件切割線的兩個方向折射超聲波束。經(jīng)過電子控制裝置可以改變在發(fā)射或在接收時的入射角及調(diào)節(jié)超聲波束在軸向面和徑向面的聚焦。
超聲波換能器15通過沿探頭軸向安裝的換能器與反射鏡共用的一個支架連接到反射鏡17a上。
反射鏡17a有一個面向固定有壓電元件16的換能器托架15的活性表面的截頭圓錐形反射表面17’a。
反射鏡17a的截頭圓錐形反射表面17’a的頂角應是這樣，使換能器電元件16在軸向發(fā)射的超聲波束23a接管12的徑向反射，也就是按管內(nèi)壁的法向反射。
圖6B示出一個包括反射鏡17b的探頭，反射鏡的截頭圓錐形反射表面的頂角是這樣的，使照射到反射鏡17b的反射表面17’b的超聲波束23b在軸向指向探頭的前方。
與之相反，圖6C示出一種超聲波探頭的反射鏡17c有一個截頭圓錐形反射表面17’c，它的頂角使超聲波束反射指向探頭的后方。
圖6D示出一個檢測探頭，它的反射鏡17d有一個環(huán)凹形曲面的反射表面17’d，其凹面指向管12的內(nèi)表面，這就使超聲波束23c在軸向平面聚焦。
圖6E示出其反射鏡17e具有凸形軸對稱反射表面17’e的一種檢測探頭，其凸形面這樣對著管12的內(nèi)表面使超聲波束23e在反射面與管12內(nèi)表面之間發(fā)散，實現(xiàn)超聲波束在軸向平面聚焦。
圖6F示出一種包含換能器15和反射鏡17f的超聲波檢測探頭，換能器15具有一個固定壓電元件16的平面型活性表面，反射鏡17f的反射表面17’f為具有不同頂角的兩個相連的截頭圓錐形形式(或可能是環(huán)形體的兩部分)。在這種情況下，入射到反射鏡的反射表面的超聲波束23f分裂為兩個波束23’f和23”f，每一個都相對于管12的內(nèi)表面有一個特定入射角。因此，可以實現(xiàn)用兩種不同的超聲波束同時掃描進行檢測，例如，這就可以同時搜索兩種不同類型的缺陷。
正如與用于從外側(cè)檢測管子和棒的換能器一樣，在用于從內(nèi)側(cè)檢測管子的裝置中，換能器的活性表面可以是平面，或呈截頭圓錐形，或喇叭形。
在圖8A中，換能器55a有一個截頭圓錐形活性表面，反射鏡57a有一個截頭圓錐形反射表面。壓電元件56產(chǎn)生的超聲波形成波束51a，大致在管52內(nèi)表面的法線方向反射到內(nèi)表面。換能器55a的活性表面和反射鏡57a兩者都是凸形。
在圖8B所示的檢測裝置中，換能器55B的活性表面是凹入的截頭圓錐形，而反射鏡57b是凸形的截頭圓錐形。
圖8C的檢測裝置包括一個其活性表面是截頭圓錐形的換能器，和一個有環(huán)凹形曲面反射表面的反射鏡57c，反射表面反射超聲波束51c并把它聚焦到管52的內(nèi)表面上。
在圖8D中，換能器55d有一個凹形截頭圓錐形活性表面，反射鏡57d有一個環(huán)凹形曲面反射表面，反射超聲波束51d并把它聚焦到管52的內(nèi)表面上。
在圖8E中，換能器55e有一個在其上固定壓電元件56e的環(huán)凹形曲面活性表面，反射鏡有一個截頭圓錐形反射表面。超聲波束51e由換能器活性表面聚焦，由反射鏡反射到管52的內(nèi)表面上。
在圖8F中，換能器55f也有一個環(huán)凹形曲面活性表面，反射鏡也有一個截頭圓錐形反射表面。換能器55f的環(huán)凹形曲面活性表面向著管52的軸50，反射鏡57f的反射表面向著管52的內(nèi)表面。
圖9和10示出可以檢測軌條24，特別是檢測軌頭29區(qū)域的本發(fā)明的一個檢測探頭30。
檢測探頭30包含一個超聲波換能器25，它的支架橫截面由平行于軌頭29區(qū)域的軌條外形輪廓的兩個輪廓斷面確定，如圖9所示。在其檢測位置，換能器25坐落在軌條上部，并保持一定間隙，可使探頭方便地沿軌條移動。
換能器支架25有一個按并列位置固定壓電元件26的平面表面。
通過一個支架(圖中未示出)，換能器25與其橫截面形狀與換能器支架25形狀基本一致的反射鏡27牢靠固定。
由圖10可見，反射鏡27有一個其母線相對于探頭軸線傾斜的反射表面27’，在檢測時，探頭軸線平行于軌條的縱軸。
反射表面27’傾斜對著被檢測軌條的表面，因此，源于壓電元件26的超聲波束28指向軌條的表面。
因此，使用用于固定壓電元件的整體平面型活性表面的一種換能器，可以檢測諸如軌條一類復雜輪廓構(gòu)件。
圖11示出一種可以對曲板32進行超聲波檢測的一種檢測探頭31。
探頭31包括一個換能器33和一個緊固在這個換能器33的支架上的反射鏡34。
換能器33的支架大致呈平行六面體形，有一個用于固定壓電元件35的縱向平面型活性表面，壓電元件以小棒或小板型式并列固定。
反射鏡34有一個對著固定有壓電元件35的換能器33活性表面的曲反射表面34’，這種反射表面34’按照板32的曲率彎曲成形，并傾斜對著板32的上表面。
反射鏡34的反射表面34’的形狀，使換能器33的任何壓電元件35與板32表面之間的超聲波束通道恒定。
圖11示出源于在換能器長度方向分開的三個壓電元件35的三個超聲波束的三個通道36a、36b、36c，這三個通道的長度相同。
因此，超聲波束傳送條件和檢測條件是相同的，與被檢測板的區(qū)域無關(guān)，也與在換能器的縱向，即板的橫向，對板掃描時所用的壓電元件無關(guān)。
被檢測板可以按箭頭37所示方向，即相當于板的縱向移動。當然，在箭頭37的相反方向移動換能器33和反射鏡34也是等效的。
在上面所有情況中，壓電元件都是在換能器活性表面的一個方向或兩個方向并列固定。例如，壓電元件可以相互偏離換能器軸線一個角度，按鄰接方式安排，并在徑向切割成連續(xù)的扇形部分。這種雙向切割可以在徑向和軸向折射和聚焦超聲波束。
按鄰接方式安排、用于發(fā)射和接收超聲波束的壓電元件，可以按不同的方式使用，這取決于它們在外表面上的排列，以及被檢測構(gòu)件表面反射超聲波束的反射通道。
相同的壓電元件可用作發(fā)射體和接收體，或者，不同組的鄰接壓電元件，按其發(fā)射組和接收組是互重疊，可用作發(fā)射體和接收體。發(fā)射組和接收組可包括共用元件或完全分開。
在發(fā)射組元件和接收組元件不同的情況，例如經(jīng)采用超聲波衍射回波，可以實現(xiàn)靠近構(gòu)件表面的區(qū)域的更可靠檢測。
經(jīng)使用固定有小板或小棒形式的壓電元件的平面型或曲型活性表面的換能器，本發(fā)明可以檢測任何形狀斷面的或曲形構(gòu)件。
在許多情況中，只有把超聲波束反射到被檢測構(gòu)件的反射鏡必須按照被檢測構(gòu)件表面的形狀進行設計和制造。
如前所述，制造具有相應形狀反射表面的反射鏡比制造用于固定壓電元件的換能器活性表面簡單得多。
然而，也可以結(jié)合曲面反射鏡使用有曲面活性表面的換能器，例如截頭圓錐形或喇叭形活性表面，這時活性表面是軸對稱形狀。
因此，本發(fā)明的裝置可以檢測橫截面基本不變的任何形狀的構(gòu)件，并可以很低的成本適用于各種用途之中。
這種檢測裝置的換能器可以簡單地生產(chǎn)；用于連接到換能器活性表面的壓電元件可以是完全的標準形狀，這就可以用比較便宜的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進行批量生產(chǎn)。
而且，因為形狀簡單，且可以調(diào)節(jié)超聲波束在耦合劑內(nèi)的行進距離，所以很容易縮小本發(fā)明檢測裝置的換能器。與按現(xiàn)有技術(shù)的檢測裝置的換能器相比，可以減少所用的壓電元件數(shù)量，這就可以簡化與換能器有關(guān)的電子裝置和測量數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。
本發(fā)明不限于已經(jīng)說明的這些實施例。
因此，可以設計從內(nèi)側(cè)或外側(cè)對無論橫截面為任何形狀的實心和空心構(gòu)件進行超聲波檢測的裝置。
本發(fā)明可用于核反應堆大量構(gòu)件或元件的檢測，例如，從外部檢測管形構(gòu)件，如像控制桿，蒸汽發(fā)生器管，或燃油棒殼，在制造完畢時從內(nèi)側(cè)檢測管形構(gòu)件，如直的、彎的或螺線形、蒸汽發(fā)生器管，燃油裝置導向套筒，容器或增壓氣噴嘴，或其他容器頭滲透轉(zhuǎn)接器，或核反應堆的容器頭滲透。
除核反應堆領(lǐng)域之外，本發(fā)明還可應用于任何橫截面輪廓材料的檢測，例如，在制造時或制造后對鐵路軌條型材的檢測。
本發(fā)明也可應用于平板或彎曲成型板材的檢測。
權(quán)利要求
1.一種用于橫截面基本不變的細長構(gòu)件(2，12，24，32)超聲波無損檢測的裝置，包括一個多元超聲波換能器(5，15，25，33)和一個反射超聲波的反射鏡(7，17，27，34)；這個換能器包含一個支架，支架上具有一個活性表面，該活性表面延伸與細長構(gòu)件的至少一部分相對，多個壓電元件(6，16，26，35)至少沿活性表面的一個方向并列固定在該活性表面上，還包括用于超聲波的換能器(5，15，25，33)的電激勵裝置(10，20)，所述的激勵裝置與壓電元件(6，16，26，35)相連，并按產(chǎn)生相干超聲波束和至少在細長構(gòu)件(2，12，24，32)表面的一個方向產(chǎn)生電子掃描的方式驅(qū)動，以及收集和分析換能器(5，15，25，33)電壓的裝置；反射鏡(7，17，27，34)有一個其方位對著換能器表面用于反射超聲波的反射表面，用于把源于每個壓電元件(6，16，26，35)的超聲波束發(fā)送到細長構(gòu)件表面的連續(xù)區(qū)域，并把細長構(gòu)件表面(2，12，24，32，42，52)反射的超聲波束送回到壓電元件(6，16，26，46，56)，其特征在于，所述的換能器(5，15，25，33)支架與反射鏡(7，17，27，34)這樣相連，使有可能調(diào)節(jié)換能器與反射鏡在其公共軸向之間的距離。
2.按照權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述的換能器(5，15，25，35)支架的活性表面是一個平面型表面。
3.按照權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述的換能器(45a，45b，45c，45d，55a，55b，55c，55d，55e，55f)支架的活性表面是軸對稱的曲形表面。
4.按照權(quán)利要求3所述的檢測裝置，其特征在于，所述的換能器(45a，45b，45c，45d，55a，55b，55c，55d)的活性表面是具有直母線的截頭圓錐形表面。
5.按照權(quán)利要求3所述的檢測裝置，其特征在于，所述的換能器(45e，45f，55e，55f)的活性表面是一種喇叭形的表面。
6.按照權(quán)利要求1-5的任一條所述的檢測裝置，其特征在于，所述的反射鏡(7a，7b，7c，7d，47a…，47f，57a，…57f)的反射表面和換能器(5，15，25，45a，…45f，55a，…55f)的活性表面是軸對稱的。
7.按照權(quán)利要求6所述的檢測裝置，其特征在于，所述的反射鏡(7a，7b，7c，7d，47a，47b，47c，47d，57a，57b，57c，57d)的反射表面是截頭圓錐形。
8.按照權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的反射鏡(7d，7e，17d，17e，47d，47c，57c，57d)的反射表面是環(huán)凹形曲面或凸喇叭形曲面。
9.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，反射鏡(7f，17f)的反射表面至少在軸向有兩個不同的連續(xù)部分；這樣，把超聲波束按具有不同的方向的兩種波束(21’f，21”f，23’f，23”f)進行反射。
10.按照權(quán)利要求1-9任何一項所述的裝置，其特征在于，所述的換能器支架和反射鏡都呈環(huán)形。
11.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的反射鏡(34)有一個按被檢測構(gòu)件表面形狀規(guī)定的反射表面(34’)，這就使換能器(33)任何壓電元件(35)和被檢測構(gòu)件(32)之間超聲波速通道保持恒定的長度。
12.按照權(quán)利要求1-11任何一項所述的裝置，其特征在于，所述的壓電元件(6，16，26，35，6’，16’，46’，56)在換能器的活性表面上的兩個方向并列安排。
13.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述的換能器活性表面呈軸對稱形狀，所述的壓電元件(6，16’)在換能器活性表面的周向和徑向并列排列。
14.按照權(quán)利要求1-13任何一項所述的裝置，其特征在于，源于一組壓電元件的并由細長構(gòu)件反射的超聲波束返回到構(gòu)成超聲波發(fā)射器和接收器的這組壓電元件上。
15.按照權(quán)利要求1-13任何一項所述的裝置，其特征在于，源于換能器活性表面上第一組鄰接壓電元件，并由細長構(gòu)件表面反射的超聲波被反射到不同于第一組壓電元件的換能器活性表面的第二組鄰接的壓電元件上。
16.按照權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述的第一組和第二組壓電元件包括公共的壓電元件。
17.按照權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述的第一組和第二組鄰接的壓電元件不包括公共的壓電元件。
18.按照權(quán)利要求1-17任何一項所述的檢測裝置的用途，用于從管的外側(cè)檢測管(2，42)。
19.按照權(quán)利要求1-17任何一項所述的檢測裝置的用途，用于從管的內(nèi)側(cè)檢測管(12，52)。
20.按照權(quán)利要求1-17任何一項所述的檢測裝置的用途，用于檢測型材。
21.按照權(quán)利要求20所述的用途，其特征在于，所述的型材是軌條(24)。
22.按照權(quán)利要求1-17任何一項所述的檢測裝置的用途，用于檢測金屬板(32)。
23.按照權(quán)利要求22所述的用途，其特征在于，所述的金屬板(32)是曲板。
24.按照權(quán)利要求18和19任一條所述的用途，其特征在于，在檢測裝置和被檢測管(2，42，12，52)之間沿管的軸向有一個相對運動，檢測裝置換能器電激勵裝置這樣被驅(qū)動，以便沿著以管的軸線為其軸線的一個或幾個螺線對管進行掃描。
全文摘要
換能器(5)支架含有一個活性表面,在這個活性表面上至少有一個方向并列排列多個壓電元件(6)。一個具有反射超聲波的反射表面(7’)的反射鏡(7)對著換能器(5)的活性表面。反射表面(7’)這樣取向,它把源于每個壓電元件(6)的超聲波束反射到細長構(gòu)件(2)表面的連續(xù)區(qū)域,并把細長構(gòu)件(2)反射的超聲波送回到壓電元件(6)。換能器(5)與反射鏡(7)這樣連接,使可以在軸向調(diào)節(jié)換能器和反射鏡之間的距離。本發(fā)明特別適用于從外側(cè)或內(nèi)側(cè)檢測管子,更適用于檢測核反應堆的、蒸汽發(fā)生器管或燃油組件的套管。
文檔編號G01N29/26GK1199464SQ9619748
公開日1998年11月18日 申請日期1996年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月8日
發(fā)明者奧利維耶·布拉特, 克里斯多夫·德漢, 紀堯姆·皮埃爾 申請人:法瑪通公司