CN205581057U - 一种斜入射非线性超声检测定位装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种斜入射非线性超声检测定位装置。本实用新型包括信号发生器、功率放大器、发射换能器、第一楔块、第二楔块、接收换能器、示波器、三维精密运动控制系统，信号发生器通过功率放大器与发射换能器连接，发射换能器发出的超声波通过第一楔块传递到被测金属块，并在金属块中与裂纹相互作用形成带有特征信号的检测信号，接收换能器通过第二楔块接受该检测信号，并将该检测信号传递至示波器进行显示和储存。本实用新型用楔块连接金属块与换能器，通过使用不同倾斜角的楔块可以改变超声波入射到金属块的角度，因此可以避免裂纹开口正对检测声波传播方向的情况，提高裂纹检出概率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种斜入射非线性超声检测定位装置。
背景技术
完整的金属在应力作用下，某些薄弱部位发生局部破断而形成裂纹。裂纹通常在金属使用中是会扩展的，它不仅直接破坏了金属的连续性，而且裂纹的尾端必然会引起应力集中，促使金属构件在较低的应力条件下发生裂纹扩展，最终发生断裂和失效事故。因此，有必要研究一种能够准确检测金属材料早期塑性变形和疲劳裂纹的技术，超声无损检测技术与其它无损检测技术相比，具有缺陷定位准确、检测灵敏度高、对人体无害等诸多优点。但传统线性超声检测技术由于原理上的局限性只能停留在定性分析阶段，无法实现对微裂纹的定量评价和精确定位。近年来，力学、声学和材料学领域的一些研究发现，结构内部疲劳损伤引起的力学性能的改变通过非线性超声能够得到很好的反应，即使非常小的裂纹，也会导致结构出现明显的非线性。有限幅度法是目前使用最多的非线性声学方法之一，固体介质的材料非线性主要来源于材料内部的微观缺陷，单一频率超声波在材料中传播时，会与这些微小缺陷相互作用产生非线性特性，从而产生高次谐波。通过对高次谐波的观察研究，就可以对被检材料的内部进行有效的早期疲劳损伤无损检测和评估。
发明内容
本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种斜入射非线性超声检测定位装置。
本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：
本实用新型包括信号发生器、功率放大器、发射换能器、第一楔块、第二楔块、接收换能器、示波器、三维精密运动控制系统，信号发生器通过功率放大器与发射换能器连接，发射换能器发出的超声波通过第一楔块传递到被测金属块，并在金属块中与裂纹相互作用形成带有特征信号的检测信号，接收换能器通过第二楔块接受该检测信号，并将该检测信号传递至示波器进行显示和储存。
所述发射换能器和接收换能器相隔一定距离分别安装在传感器夹具上，传感器夹具设置在三维精密运动控制系统中，使得传感器夹具能在三维方向上运动。
进一步说，所述的传感器夹具包括第一螺栓、转动头、第二螺栓和直杠，第一螺栓用于固定换能器，第二螺栓用于调整转动头的角度，从而间接调整换能器的角度，转动头设置在直杠的下端，直杠的上端与分度头连接。
本实用新型的有益效果：用楔块连接金属块与换能器，通过使用不同倾斜角的楔块可以改变超声波入射到金属块的角度，因此可以避免裂纹开口正对检测声波传播方向的情况，提高裂纹检出概率，同时发射和接收换能器在金属块的同一侧检测时更加方便。
附图说明
图1为检测原理图。
图2为检测装置示意图。
图3为传感器夹具示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
结合附图对本实用新型进一步说明。
如图1和图2所示，本实用新型提出了一种斜入射非线性超声检测定位装置。通过改变超声换能器的位置和角度可以避开声波传播方向正对裂纹开口的情况，能够提高裂纹检出率。并且可以根据发射换能器与接收换能器之间的角度和距离推算出裂纹在金属块中的位置。该装置包括信号发生器1、功率放大器2、发射换能器3、左楔块4、右楔块6、接收换能器7、示波器8、三维精密运动控制系统9。
信号发生器通过功率放大器与发射换能器连接，发射换能器发出的超声波通过第一楔块传递到被测金属块，并在金属块中与裂纹相互作用形成带有特征信号的检测信号，接收换能器通过第二楔块接受该检测信号，并将该检测信号传递至示波器进行显示和储存。
本实施例中的三维精密运动控制系统主要由工作台10、运动电机11、丝杆12、导轨13组成。工作台10中央放置有被测金属块5，运动电机11带动丝杆12转动，从而控制两换能器之间的横向距离，导轨13用于调节两换能器之间的纵向距离。传感器夹具如图3所示，传感器夹具包括第一螺栓16、转动头17、第二螺栓18和直杠19，第一螺栓用于固定换能器，第二螺栓用于调整转动头的角度，从而间接调整换能器的角度，转动头设置在直杠的下端，直杠的上端与分度头14连接。
本实用新型的基本原理：斜入射的超声波带动金属块内的闭合裂纹周期性张开和闭合，使得声波发生畸变产生高次谐波。但因为超声波在它的传播方向上能量最强，所以只有当闭合裂纹位于声波传播路径中时，超声波与裂纹的相互作用最大会产生最明显的高次谐波。同时与裂纹相互作用带有高次谐波的检测信号大部分会被裂纹面反射，因此当接收换能器位于反射声波传播方向时接收到的检测信号性噪比最高，高次谐波幅值也最大。此时通过计算两个换能器的距离、角度便能推算出闭合裂纹在金属块中的位置。
本实用新型的使用过程：由信号发生器产生一列高频率的正弦波，经过功率放大器放大后激励发射换能器产生大振幅超声波，超声波通过楔块传递到金属块并在金属块中与裂纹相互作用产生高次谐波，由接收换能器接收检测信号并通过示波器显示和储存。通过三维精密运动控制系统使得发射换能器在金属块表面缓慢移动直到接收换能器接收到的检测信号中高次谐波幅值最大。然后再由三维精密运动控制系统让接收换能器在金属块表面缓慢移动直到寻找到检测信号中高次谐波幅值最大的位置。此时根据两个换能器的距离、入射角度推算出闭合裂纹在铝块中的位置。
实施例：以长500mm、宽250mm、高300mm，中间存在人工制造的闭合裂纹的铝块作为检测对象，按照图1、图2搭建检测系统。系统包括信号发生器、功率放大器、超声换能器一、超声换能器二、楔块一、楔块二、三维精密运动控制系统。发射超声换能器的中心频率为1.39MHz，由于频率为f的超声波与缺陷相互作会产生频率为nf（n=1,2,3…）的高次谐波。所以选择中心频率及带宽要较大的接收超声换能器。由信号发生器产生1.4MHz频率、5V电压的正弦波，通过功率放大器放大20dB后激励换能器产生大振幅超声波。再由另一个换能器接收与闭合裂纹相互作用产生了高次谐波的检测信号，并用示波器储存和显示。用三维精密控制系统移动发射换能器使检测信号中的高次谐波幅值最大，然后再移动接收换能器寻找检测信号中高次谐波最大的位置。根据两个换能器的距离、入射角度推算出闭合裂纹在铝块中的位置。
Claims (2)
1.一种斜入射非线性超声检测定位装置，包括信号发生器、功率放大器、发射换能器、第一楔块、第二楔块、接收换能器、示波器、三维精密运动控制系统，其特征在于：
信号发生器通过功率放大器与发射换能器连接，发射换能器发出的超声波通过第一楔块传递到被测金属块，并在金属块中与裂纹相互作用形成带有特征信号的检测信号，接收换能器通过第二楔块接受该检测信号，并将该检测信号传递至示波器进行显示和储存；
所述发射换能器和接收换能器相隔一定距离分别安装在传感器夹具上，传感器夹具设置在三维精密运动控制系统中，使得传感器夹具能在三维方向上运动。
2.根据权利要求1所述的一种斜入射非线性超声检测定位装置，其特征在于：所述的传感器夹具包括第一螺栓、转动头、第二螺栓和直杠，第一螺栓用于固定换能器，第二螺栓用于调整转动头的角度，从而间接调整换能器的角度，转动头设置在直杠的下端，直杠的上端与分度头连接。
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