超聲檢測(cè)探頭水膜耦合器的研究

引言

超聲無損檢測(cè)是五種常規(guī)的無損檢測(cè)方法之一，與其他常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)相比，它具有被測(cè)對(duì)象范圍廣,檢測(cè)深度大,缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高，成本低，使用方便，速度快,對(duì)人體無害以及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)。因此，超聲無損檢測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無損檢測(cè)技術(shù)。超聲檢測(cè)儀器性能直接影響超聲檢測(cè)的可靠性,其發(fā)展與電子技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展是息息相關(guān)的，而計(jì)算機(jī)的介入，一方面提高了設(shè)備的抗干擾能力，另一方面利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷信號(hào)的定量、自動(dòng)讀數(shù)、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)補(bǔ)償和報(bào)警。

因此，提高超聲檢測(cè)自動(dòng)化水平，盡量減小人為因素的影響，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程的程序化、自動(dòng)化和智能化是超聲檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1超聲檢測(cè)耦合分類

自動(dòng)化超聲檢測(cè)方法按耦合方式分為直接接觸法、局部液浸法和全液浸法。

1.1直接接觸法

在自動(dòng)化超聲檢測(cè)中，直接接觸法的應(yīng)用不多見。這主要是由于探頭與被檢測(cè)對(duì)象作相對(duì)運(yùn)動(dòng)掃查時(shí)，它們之間的聲耦合不容易達(dá)到均勻穩(wěn)定，從而影響檢測(cè)靈敏度的穩(wěn)定性。不過，如果試件表面光潔度較高，或者要求的檢測(cè)速度不是很快，當(dāng)采用合適的耦合劑以及利用如壓縮彈簧或壓板等機(jī)構(gòu)時(shí),還是有可能對(duì)某些規(guī)則材料實(shí)現(xiàn)直接接觸法的半自動(dòng)化超聲檢測(cè)。

1.2局部液浸法

局部液浸法是自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用最多的耦合方式,它又可以分為噴水柱法、溢水法和通過式局部水浸法。

1.2.1噴水柱法

探頭裝設(shè)在噴嘴內(nèi)，進(jìn)入噴嘴的水以均勻水柱形式噴射到被檢材料表面來實(shí)現(xiàn)聲耦合。這種方法已經(jīng)較多地應(yīng)用到中厚鋼板的多通道自動(dòng)化超聲穿透法在線或離線檢測(cè)，以及航空工業(yè)中用于飛機(jī)垂尾、水平尾翼、機(jī)翼等復(fù)合材料構(gòu)件的自動(dòng)化超聲檢測(cè)。

1.2.2溢水法

在被檢材料下部裝設(shè)溢水箱，探頭裝置在水箱內(nèi)，從下往上發(fā)射超聲波束進(jìn)入被檢材料，被檢材料在進(jìn)給移動(dòng)過程中與溢水面接觸，構(gòu)成聲耦合條件。這種方法常見于大直徑棒材或管材的自動(dòng)化超聲反射法檢測(cè)，可以采用線聚焦甚至相控陣陣列探頭。

1.2.3通過式局部水浸法

被檢材料通過水密封裝置穿過水箱，探頭裝置在水箱上部，從上往下發(fā)射超聲波束進(jìn)入被檢材料，也可以裝置在水箱下部，從下往上發(fā)射超聲波束進(jìn)入被檢材料。這種方法常見于小直徑管材或棒材的自動(dòng)化超聲反射法檢測(cè)。

1.3全液浸法

多用在半自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，被檢材料全部浸沒在水中，因此需要容積較大的水槽，探頭置于水槽上部，從上往下發(fā)射超聲波束進(jìn)入被檢材料。這種方法常見于盤形或餅形鍛件的超聲反射法半自動(dòng)檢測(cè)。

2水膜耦合器的原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)超聲探頭和被檢鋼板之間有一層空氣時(shí)，即使是很薄的一層空氣層，超聲波幾乎被全反射，所以需要填充耦合劑。耦合器由橡膠圈、噴水管道、注水裝置、支撐結(jié)構(gòu)、壓力檢測(cè)裝置、過濾器、控制裝置組成。當(dāng)把探頭加入耦合器時(shí),應(yīng)能滿足探頭和耦合器組成密閉結(jié)構(gòu)，由注水泵所注入的水壓滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的水壓。在水注入耦合器之前應(yīng)加裝水泡處理裝置，所使用的水必須是純凈的，否則水氣泡和雜質(zhì)會(huì)使超聲波衰減，使檢測(cè)靈敏度降低。超聲檢測(cè)示意圖如圖1所示。

2.1水壓力系統(tǒng)

水壓力系統(tǒng)主要由注水泵、壓力傳感器、數(shù)字調(diào)節(jié)儀、計(jì)算機(jī)和配套管路組成,可以連續(xù)自調(diào)節(jié)并能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。水壓系統(tǒng)工作時(shí),壓力傳感器把管路里水壓力信號(hào)變成電信號(hào)傳輸給數(shù)字調(diào)節(jié)儀，調(diào)節(jié)儀把傳送過來的信號(hào)和設(shè)定值比較,經(jīng)過設(shè)定的算法,通過泵的模擬量輸入端口控制泵的轉(zhuǎn)速,達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)水壓的目的。同時(shí),壓力傳感器通過直流信號(hào)隔離變送器送到計(jì)算機(jī)接口,供計(jì)算機(jī)采集記錄水壓值。當(dāng)水壓超過安全值時(shí),通過安全溢流閥自動(dòng)溢流。

2.2平穩(wěn)水壓

注水泵施加的水壓呈脈沖型,當(dāng)滲流達(dá)到穩(wěn)定時(shí),水壓以固定的周期和振幅波動(dòng)。為了獲得盡可能平穩(wěn)的壓力，模仿水電工程中調(diào)壓井的功能引入阻尼器。阻尼器由蓄能罐構(gòu)成,罐內(nèi)置一個(gè)彈性充氣囊,水壓升高時(shí)氣囊被壓縮,水壓衰減時(shí)氣囊膨脹,可以吸收和釋放能量,能夠有效地控制水壓的振幅。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn),阻尼器盡量靠近且正對(duì)著泵的輸出口放置,氣囊壓力調(diào)整為約80%的工作水壓時(shí)效果最好,能夠把水壓振動(dòng)幅度成功地控制在工作水壓以內(nèi)。

2.3最小流量保證

為保證泵的工作精度和穩(wěn)定性,泵有最低輸出流量的限制。在某水壓下,當(dāng)試件的滲流量小于該最低流量時(shí),管路里的水壓會(huì)持續(xù)升高，調(diào)節(jié)失效。因此,在通向耦合器的壓力水管上增加一個(gè)出口,接一段易裝卸的銅管，銅管里填充適量的硅藻土和反濾層,水從硅藻土中緩慢滲流而過,使得總流量大于泵的最低輸出量,讓系統(tǒng)回到有效調(diào)節(jié)的工作范圍內(nèi),對(duì)管路中水的流態(tài)也無不利影響。

3水膜耦合器超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)加工好的水膜耦合器，將探頭加入耦合器，進(jìn)行檢測(cè)，用CTS-2020數(shù)字超聲探傷儀和通用型直探頭2.5Z20N來對(duì)實(shí)際鋼管進(jìn)行檢測(cè)。所測(cè)的波形圖如圖2所示，測(cè)得的鋼管壁厚結(jié)果如表1所列。

4結(jié)語

本文所探討的耦合器，在直接接觸法原理上，結(jié)合噴水耦合法，在跟蹤探頭和被檢測(cè)鋼板之間產(chǎn)生大約1mm左右的水膜作為耦合劑，對(duì)鋼板厚度進(jìn)行檢測(cè)。由此設(shè)計(jì)的一種新型水膜耦合器，結(jié)合了直接法和水浸法的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)將探頭加入耦合器后，進(jìn)行超聲探傷的連續(xù)檢測(cè)。在注水時(shí)能密閉嚴(yán)密，不會(huì)影響到探頭的使用，耦合性能、檢測(cè)性能良好，人為因素小，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)超聲檢測(cè)打下了基礎(chǔ)。

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