基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統的制作方法
【專利摘要】一種基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，包括耦合劑添加組件⑵、添加控制組件⑶、探頭組件⑷和探頭夾持組件⑸，所述耦合劑添加組件⑵將耦合劑添加至探頭組件⑷處進行耦合，所述添加控制組件⑶用于控制、反饋和調節耦合劑添加組件⑵，所述探頭夾持組件⑸用于夾持和控制探頭組件⑷。其優點在于：本發明是一種適用于變曲率構件檢測裝置多姿態運行環境下的超聲相控陣檢測耦合系統，可作為超聲相控陣自動檢測的耦合系統模塊使用，也可以作為獨立的自動耦合手工檢測系統使用，使用方便，不僅對水輪機轉輪葉片能使用，類似結構特征構件也可方便運用。
【專利說明】基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及變曲率構件超聲相控陣檢測【技術領域】，特別涉及一種基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統。
【背景技術】
[0002]超聲檢測法是指超聲波探頭發出的超聲波通過聲耦合介質傳入受檢構件，最后通過觀察顯示在超聲檢測儀上的有關超聲波在受檢構件中發生的傳播變化信號來反應受檢構件連續性、完整性和其他特性的一種無損檢測方法。在工業檢測中，超聲檢測法因其檢測范圍大、靈敏度高、速度快等優點而得到廣泛應用。
[0003]超聲接觸式檢測是指超聲波探頭與受檢構件接觸并通過聲耦合介質傳入受檢構件中的一種超聲檢測法，在工業檢測中應用尤其廣泛。在超聲接觸式檢測中，受檢工件表面粗糙度、平整度對檢測聲耦合影響大，這種情況下聲波的良好耦合尤為重要。
[0004]超聲波相控陣是指按照一定的規則和時序激發一組探頭晶片，通過調整激發晶片的序列、數量、時間來控制波束的形狀、軸線偏轉角度及聚焦位置等參數的超聲波電子掃查方式，高速、高效、適合復雜結構構件以及實時成像等優點使其廣泛應用于檢測當中。
[0005]變曲率構件是工業檢測中常見的檢測對象，構件具有受檢面曲率在任意方向均為無規律不斷變化的特點，水輪機轉輪葉片作為變曲率構件的典型代表，其表面曲率在與焊縫成任意夾角方向均為無規律不斷變化，針對此類構件超聲相控陣檢測裝置需多姿態運行。
[0006]在超聲接觸式檢測中，較常規探頭，超聲相控陣探頭因其晶片數量多而與受檢構件接觸面積大，若要實現耦合劑的自動添加則需要進一步增加探頭與工件接觸面積，現有的超聲相控陣接觸式自動耦合檢測探頭多在平面上使用，若在規則曲面上使用，需要將探頭表面曲率加工到與受檢構件一致，但當受檢構件表面曲率在不斷變化時探頭表面曲率也需要變化，因此現有技術無法適用于變曲率構件超聲相控陣接觸式自動耦合檢測；現有耦合劑添加裝置大多依靠耦合劑自身重量在簡易裝置的輔助下完成手動添加，無法適用于多姿態運行環境下的自動添加。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是針對上述現有超聲相控陣接觸式檢測耦合系統無法適應變曲率構件多姿態運行的不足，設計一種基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統。
[0008]本發明基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，包括耦合劑添加組件2、添加控制組件3、探頭組件4和探頭夾持組件5，所述耦合劑添加組件2將耦合劑添加至探頭組件4處進行耦合，所述添加控制組件3用于控制、反饋和調節耦合劑添加組件2，所述探頭夾持組件5用于夾持和控制探頭組件4。
[0009]所述耦合劑添加組件2，包括帶有箱體蓋24的箱體21，箱體21通過軟管26與三通管29相連，繼而三通管29和探頭組件4相連通；
所述箱體21內設帶有耦合劑室蓋23的耦合劑室212、微型水泵室213和控制板室214，耦合劑室212的輸出孔242通過導管25和微型水泵室213的輸入孔243相連通，箱體21側壁上設有液位計215 ；
所述耦合劑室212內盛裝有耦合劑并設有軟管231和配重球232，軟管231 —端和箱體蓋24上的輸出孔242相連通，軟管231另一端和配重球232相連，所述配重球232上開設有兩個以上與軟管231相連通、不同方向的孔；
所述微型水泵室213內設微型水泵22。
[0010]所述添加控制組件3包括上位機、控制板31、電源及控制線32、微型流量計33，控制板31安裝在箱體21的控制板室214內；電源及控制線32從箱體21的控制線孔217引入箱體21內，對微型水泵22供電并對控制板31供電和輸送上位機命令；微型流量計33設置在箱體21與軟管26的連接處，上位機對控制板31發送耦合劑流量指令，控制板31通過微型流量計33測量的耦合劑輸出流量來調節微型水泵的泵速，實現耦合劑流量的控制反饋調節。
[0011]所述探頭組件4包括相控陣探頭41、有機玻璃塊42、軟套43，相控陣探頭41通過螺栓與有機玻璃塊42相連，有機玻璃塊42上開有兩個耦合劑輸入孔421，耦合劑輸入孔421與三通管29的兩出口相連；
有機玻璃塊42與工件接觸一面兩側開槽422，有機玻璃塊42上兩側還有夾持孔423，有機玻璃塊42前端有聲能吸收塊424 ；
軟套43為回字型，套在有機玻璃塊42兩側槽422上并與有機玻璃塊42相粘接，軟套43上開有四個以上與有機玻璃塊42的出口孔相連通的內側孔431，軟套43兩側開槽432。
[0012]所述探頭夾持組件5，包括探頭夾51、扭簧安裝件54和探頭夾手柄56，所述探頭夾51通過楔塊固定螺母52與探頭組件4的夾持孔423相連，探頭夾51與扭簧安裝件54之間通過探頭夾固定軸53同軸旋轉連接，扭簧安裝件54與探頭夾手柄56之間轉軸連接，所述轉軸上設置有扭簧55。
[0013]所述箱體蓋24上還開設有添加孔233，孔口設有第一止回閥27。
[0014]所述三通管29與軟管26相連通處設有第二止回閥28。
[0015]所述箱體21下表面裝配有三個萬向球211，適應箱體在曲面上貼合推行。
[0016]所述箱體蓋24上有手柄241。
[0017]耦合劑輸入孔421的孔徑不小于1.5mm。
[0018]軟套內側孔431的截面面積不小于Imm2。
[0019]楔塊固定螺母52末端段沒有螺紋，楔塊固定螺母52通過有螺紋的前端段擰在探頭夾51上，沒有螺紋的末端段伸入楔塊兩側夾持孔423內。
[0020]所述探頭夾手柄56為流線型手柄狀，其一側為平面，另一側為曲面，探頭夾手柄56上有螺栓固定孔，用于手握或者安裝在自動爬行裝置上。
[0021]本發明基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統的優點是:本發明是一種適用于變曲率構件檢測裝置多姿態運行環境下的超聲相控陣檢測耦合系統，可作為超聲相控陣自動檢測的耦合系統模塊使用，也可以作為獨立的自動耦合手工檢測系統使用，使用方便，不僅對水輪機轉輪葉片能使用，類似結構特征構件也可方便運用。【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的原理圖。
[0023]圖2為本發明的整體結構示意圖。
[0024]圖3為本發明的仰視結構示意圖。
[0025]圖4為耦合劑添加組件的結構示意圖。
[0026]圖5為探頭組件和探頭夾持組件的結構示意圖。
[0027]圖中標記的含義如下:1為耦合劑；
2為耦合劑添加組件，21為箱體，211為萬向球，212為耦合劑室，213為微型水泵室，214為控制板室，215為液位計，216為耦合劑輸出孔，217為控制線孔，218為固定孔，219為安裝孔；
22為微型水泵，23為耦合劑室蓋，231為軟管，232為配重球，233為添加孔，234為固定
孔；
24為箱體蓋,241為手柄,242為輸出孔,243為輸入孔；
25為導管,26為軟管,27為第一止回閥,28為第二止回閥,29為三通管；
3為添加控制組件，31為控制板，32為電源及控制線，33為微型流量計；
4為探頭組件，41為相控陣探頭，42為有機玻璃塊，421為耦合劑輸入孔，422為槽，423為夾持孔，424為聲能吸收塊；43為軟套，431為內側孔，432為槽；
5為探頭夾持組件5，51為探頭夾，52為楔塊固定螺母，53為探頭夾固定軸，54為扭簧安裝件，55為扭簧，56為探頭夾手柄。
【具體實施方式】
[0028]如圖1-5所示，一種基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統主要由耦合劑1、耦合劑添加組件2、添加控制組件3、探頭組件4、探頭夾持組件5組成，所述耦合劑I通過所述耦合劑添加組件2添加到所述探頭組件4處進行耦合，所述添加控制組件3對所述耦合劑添加組件2進行控制、反饋、調節，所述探頭組件4通過探頭夾持組件5進行夾持。
[0029]本發明實施例中使用的耦合劑I是將粘稠狀的甘油與純凈水以適當比例混合，既保證耦合劑的粘稠度，在探頭處不快速流動，又保證耦合劑流動性，使耦合劑能進行自動添加。
[0030]耦合劑添加組件2包括箱體21、微型水泵22、耦合劑室蓋23、箱體蓋24、導管25、軟管26、第一止回閥27、第二止回閥28、三通29，所述箱體21下裝配有三個萬向球211，適應箱體在曲面上貼合推行。
[0031]箱體21分為三個區室，分別為耦合劑室212盛裝耦合劑、微型水泵室213安放微型水泵、控制板室214安放控制板，耦合劑容器212外附有液位計215，箱體水平放置時可通過液位計觀察耦合劑室內的耦合劑量。箱體上有耦合劑輸出孔216、控制線孔217、固定孔218、安裝孔219。
[0032]耦合劑室蓋23上有軟管231、重球232、添加孔233、固定孔234，添加孔外連接第一止回閥27，第一止回閥向耦合劑室內部導通，可以往耦合劑室內添加耦合劑，當耦合劑室內耦合劑減小壓力下降時空氣也可流入。用螺栓通過固定孔將耦合劑室蓋安裝在耦合劑室上方使其密封，軟管一端通過耦合劑室蓋通向箱體外，另一側連接重球，重球上至少有兩個孔分布在不同方向從重球外連接到重球內軟管孔上，耦合劑通過重球再通過軟管輸出，重球在重力作用下始終保持在耦合劑室的最低位置，以適應裝置多姿態運行，同時重球上至少兩個孔，即使有孔與耦合劑室內部表面吸合在一起，依然有其他小孔可通過耦合劑。
[0033]箱體蓋24上有手柄241、耦合劑室輸出孔242、耦合劑水泵輸入孔243以及若干固定孔，通過固定孔可用螺栓將箱體蓋和箱體固定，可通過手柄將箱體在受檢面上推著行走，也可將整個裝置提起，使用方便，通過導管25可將耦合劑從耦合劑室輸出孔242輸到耦合劑水泵輸入孔243。所述微型水泵22安放在箱體上的微型水泵室213內，微型水泵輸入一側同I禹合劑水泵輸入孔243相連,輸出一側通過箱體上的I禹合劑輸出孔216輸出。
[0034]添加控制組件3包括上位機、控制板31、電源及控制線32、微型流量計33，控制板安裝在箱體的控制板室，電源及控制線從箱體的控制線孔217引入箱體內，對微型水泵供電并對控制板供電和輸送上位機命令，上位機對控制板發送耦合劑流量指令，控制板通過安放在耦合劑輸出孔216附近的微型流量計測量的耦合劑輸出流量來調節微型水泵的泵速，實現耦合劑流量的控制反饋調節。
[0035]耦合劑從微型水泵輸出后通過軟管26、第二止回閥28，再通過三通29分別從兩根軟管輸到探頭組件有機玻璃塊上的孔內，第二止回閥向探頭組件一側導通，當微型水泵停止工作時，可以防止耦合劑回流，微型水泵下一次工作時便不需要再重新將微型水泵和軟管重新填充滿稱合劑。
[0036]探頭組件4包括相控陣探頭41、有機玻璃塊42、軟套43，相控陣探頭同通過螺栓同有機玻璃塊固定在一起，有機玻璃塊上有兩個耦合劑輸入孔421，每個孔徑不小于1.5mm,耦合劑則通過軟管從此處輸入到有機玻璃塊內部，有機玻璃塊與工件接觸一面兩側開槽422，減小探頭組件同受檢構件硬接觸面積，同時有機玻璃塊上兩側還有夾持孔423，前端有聲能吸收塊424，軟套由較軟的材料做成，軟套成“回”字型，套在有機玻璃塊兩側槽上并粘接好，軟套內側開孔431，同有機玻璃塊的耦合劑出口孔相連，并由兩個孔分散為至少4個孔將耦合劑添加到探頭組件和工件接觸面上，每個孔截面面積不小于Imm2，軟套兩側開槽432，使軟套和受檢面接觸的地方更加柔軟，耦合劑在添加到軟套與受檢構件接觸的地方受到擠壓迅速鋪展開，對探頭組件行程良好耦合，此結構減小了探頭組件與工件硬接觸面積，小面積接觸使探頭組件可在曲面上檢測，同時軟套會跟著受檢面曲率變化而相應的變化，起到了良好的耦合效果，可用于變曲率構件檢測。
[0037]探頭夾持組件5包括探頭夾51、楔塊固定螺母52、探頭夾固定軸53、扭簧安裝件43、扭簧55、探頭夾手柄56，楔塊固定螺母前端一段沒有螺紋，楔塊固定螺母通過有螺紋一段擰在探頭夾上，沒有螺紋的一段伸入楔塊兩側夾持孔423上，探頭組件可同探頭夾相互旋轉，探頭夾固定軸53穿過探頭夾，并用螺栓將探頭夾固定軸與扭簧安裝件固定，探頭夾可饒探頭夾固定軸旋轉，探頭夾手柄與扭簧安裝件通過螺栓固定，扭簧套在螺栓上安放在探頭夾手柄與扭簧安裝件之間，使兩者能相互旋轉且有彈力，探頭夾手柄外形為流線型手柄狀，其一側為平面，另一側為曲面，探頭夾手柄上有螺栓固定孔，可以人工握住使用，也可安裝自動爬行裝置使用，探頭夾手柄固定后探頭組件在扭簧作用下產生一個壓向受檢構件的扭力使探頭組件與受檢構件貼合，兩個旋轉自由度使探頭組件能適應曲面變化。[0038]探頭夾手柄也可同箱體上固定孔218固定配合使用，使用者推著箱體蓋上的手柄即可進行檢測，使用方便。
[0039]以水輪機轉輪葉片上進行檢測為例，具體講述本發明的超聲相控陣檢測耦合系統的使用過程。
[0040]葉片正壓側為凹面，背壓側為凸面，靠近入水邊和出水邊曲率較小，而在中間也變會隨著焊縫的彎曲變化而曲率變大，葉片在與焊縫成任意角度方向曲率均為無規律變化，整個葉片呈現變曲率結構特征，檢測過程中探頭會呈現多姿態檢測。
[0041]整套系統連接好后，先將耦合劑從第一止回閥處加入耦合劑室，由于第一止回閥向耦合劑室內部單向導通，因此耦合劑可以加入其中但不會逆向流出，測試系統時，根據探頭姿態和移動速度來計算耦合劑最大需求量，通過上位機向控制板輸出耦合劑最大需求量控制命令，控制板根據上位機流量命令驅動微型水泵運行，由于重球通過軟管、導管與微型水泵入水端連接，因此在重球上的孔口形成負壓，耦合劑從重球中吸入，從微型水泵輸出端輸出，通過微型流量計時記錄流速并反饋給控制板，控制板通過改變微型水泵泵速，使其接近預期流速。耦合劑通過微型流量計、軟管、第二止回閥、三通后分別從有機玻璃塊上的兩個輸入孔流入有機玻璃塊，再流入軟套，最后在流出軟套。當測試結束后停下微型水泵，第二止回閥會阻止軟管內的耦合劑回流，下次使用時便不必先將整個軟管充滿。
[0042]本系統有三種使用方法。
[0043]方法一，自動檢測:配合自動爬行裝置，探頭夾持手柄平面一面通過螺栓固定孔與自動爬行裝置固定，耦合劑添加組件也可通過固定孔安裝在自動爬行裝置上，將軟套貼在葉片上，手握探頭夾手柄沿著葉片表面運動，扭簧扭力使有機玻璃楔塊、軟套同葉片接觸的一面良好貼合，耦合劑進行自動添加，便可進行耦合檢測，由于有機玻璃塊同葉片硬接觸面積較小，在凹面曲率較小處檢測時耦合良好，當到凹面曲率較大時，軟套跟著葉片表面變形，依然可以良好耦合，起到變曲率構件表面良好檢測的效果。若想減輕自動爬行裝置重量，可加長微型流量計和第二止回閥之間的軟管從而使耦合劑添加組件不跟著裝置行走。
[0044]方法二，手工檢測，耦合劑添加組件跟著行走:將探頭夾手柄上平面一面與耦合劑箱體上安裝孔219配合固定，此時則可手握箱體蓋上的手柄使三個萬向球和有機玻璃塊、軟套與葉片表面貼合，自動添加耦合劑，手握箱體上手柄推著運動即可進行檢測，使用方便。當葉片表面姿態發生變化時，在重球重力作用下，重球是在在耦合劑室的最低點，適應多姿態檢測，重球上有多個孔，若某個孔與耦合劑室的某個面貼合而無法通過耦合劑，其他孔可以順利通過耦合劑。
[0045]方法三，手工檢測，耦合劑添加組件不跟著運行:由于耦合劑添加組件不跟著探頭行走，因此需要將微型流量計與第二止回閥之間的軟管加長，若耦合劑需求量較大，可將導管取下，直接從外接容器用軟管從耦合劑水泵輸入孔處與微型水泵輸入端連接。
【權利要求】
1.一種基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，其特征在于:包括耦合劑添加組件⑵、添加控制組件⑶、探頭組件⑷和探頭夾持組件(5)，所述耦合劑添加組件⑵將耦合劑添加至探頭組件⑷處進行耦合，所述添加控制組件⑶用于控制、反饋和調節耦合劑添加組件⑵，所述探頭夾持組件(5)用于夾持和控制探頭組件⑷。
2.如權利要求1所述的基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，其特征在于:所述耦合劑添加組件⑵，包括帶有箱體蓋(24)的箱體(21)，箱體(21)通過軟管(26)與三通管(29)相連，繼而三通管(29)和探頭組件⑷相連通； 所述箱體(21)內設帶有耦合劑室蓋(23)的耦合劑室(212)、微型水泵室(213)和控制板室(214)，耦合劑室(212)的輸出孔(242)通過導管(25)和微型水泵室(213)的輸入孔(243)相連通，箱體(21)側壁上設有液位計(215)； 所述耦合劑室(212)內盛裝有耦合劑并設有軟管(231)和配重球(232)，軟管(231) —端和箱體蓋(24)上的輸出孔(242)相連通，軟管(231)另一端和配重球(232)相連，所述配重球(232)上開設有兩個以上與軟管(231)相連通、不同方向的孔； 所述微型水泵室(213)內設微型水泵(22)。
3.如權利要求2所述的基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，其特征在于:所述添加控制組件⑶，包括上位機、控制板(31)、電源及控制線(32)、微型流量計(33)，控制板(31)安裝在箱體(21)的控制板室(214)內；電源及控制線(32)從箱體(21)的控制線孔(217)引入箱體(21)內，對微型水泵(22)供電并對控制板(31)供電和輸送上位機命令；微型流量計(33)設置在箱體(21)與軟管(26)的連接處，上位機對控制板(31)發送耦合劑流量指令，控`制板(31)通過微型流量計(33)測量的耦合劑輸出流量來調節微型水泵的泵速，實現耦合劑流量的控制反饋調節。
4.如權利要求2所述的基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，其特征在于:所述探頭組件⑷包括相控陣探頭(41)、有機玻璃塊(42)、軟套(43)，相控陣探頭(41)通過螺栓與有機玻璃塊(42)相連，有機玻璃塊(42)上開有兩個耦合劑輸入孔(421)，耦合劑輸入孔(421)與三通管(29)的兩出口相連； 有機玻璃塊(42)與工件接觸一面兩側開槽(422)，有機玻璃塊(42)上兩側還有夾持孔(423)，有機玻璃塊(42)前端有聲能吸收塊(424)； 軟套(43)為回字型，套在有機玻璃塊(42)兩側槽(422)上并與有機玻璃塊(42)相粘接，軟套(43)上開有四個以上與有機玻璃塊(42)的出口孔相連通的內側孔(431)，軟套43兩側開槽(432)。
5.如權利要求4所述的基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，其特征在于:所述探頭夾持組件(5)，包括探頭夾(51)、扭簧安裝件(54)和探頭夾手柄(56)，所述探頭夾(51)通過楔塊固定螺母(52)與探頭組件⑷的夾持孔(423)相連，探頭夾(51)與扭簧安裝件(54)之間通過探頭夾固定軸(53)同軸旋轉連接，扭簧安裝件(54)與探頭夾手柄(56)之間轉軸連接，所述轉軸上設置有扭簧(55)。
6.如權利要求2所述的基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，其特征在于:所述箱體(21)下表面裝配有三個萬向球(211)。
7.如權利要求4所述的基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，其特征在于:耦合劑輸入孔(421)的孔徑不小于1.5mm，軟套內側孔(431)的截面面積不小于1mm2。
8.如權利要求5所述的基于超聲相控陣技術的變曲率構件接觸式檢測用耦合系統，其特征在于:所述探頭夾手柄(56)為流線型手柄狀，其一側為平面，另一側為曲面，探頭夾手柄(56)上有螺栓固定孔，用于手握或者安裝在自動爬行裝置上。
【文檔編號】G01N29/28GK103675109SQ201310697179
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】李曉紅, 梁龍雙, 丁輝, 張俊 申請人:武漢大學