專利名稱：管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭及其固定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭及其固定裝置，用于使用中的管道缺陷的定位檢測(cè)，該技術(shù)屬于無損檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，管道無損檢測(cè)的常規(guī)方法主要有超聲、射線、磁粉、滲透和渦流技術(shù)。但是這些常規(guī)的無損超聲檢測(cè)技術(shù)都有其無法克服的缺點(diǎn)，例如必須逐點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)速度慢，并且必須剝離外包層等。這些缺點(diǎn)使這些常規(guī)檢測(cè)幾乎不可能用于當(dāng)前工業(yè)中廣泛使用的上萬公里管道檢測(cè)。而超聲導(dǎo)波技術(shù)可以在很大程度上克服這些缺點(diǎn)，它實(shí)質(zhì)上是一種線檢測(cè)，可以大大提高檢測(cè)效率；而且不僅可以檢測(cè)管道兩表面缺陷，還可以檢測(cè)兩表面缺陷。國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者致力于研究導(dǎo)波的激勵(lì)與接收，其中有板波、柱面導(dǎo)波的激勵(lì)和接收、在管線中激勵(lì)與接收柱面蘭姆波、在平板中產(chǎn)生窄帶、單模的蘭姆波等。
最常用激勵(lì)和接收板波的探頭是基于一致性原理的楔形壓電陶瓷探頭。一致性原理示意圖如圖1所示。發(fā)射探頭在耦合介質(zhì)中產(chǎn)生波長(zhǎng)為λc的標(biāo)稱平面波，則在板中欲激勵(lì)波的波長(zhǎng)為λp＝λc/sinθ。這里λc＝c/f，λp＝cp/f。c和cp分別為耦合介質(zhì)的縱波速度和蘭姆波的相速度，f為激發(fā)頻率。因此可以通過改變?nèi)肷浣莵懋a(chǎn)生具有不同頻率的蘭姆波。如要接收這一蘭姆波，接收探頭類似于發(fā)射探頭，相對(duì)于板也要位于同一角度。
柱面導(dǎo)波的激勵(lì)與接收方法主要有電磁聲、脈沖激光式以及壓電式等探頭。EMATS(電磁聲探頭)已由許多研究者用于在管線中激勵(lì)和接收柱面蘭姆波。EMATS的主要優(yōu)點(diǎn)是它的非接觸性，無需耦合劑，這在高溫管道系統(tǒng)中的檢測(cè)是非常重要的。同時(shí)EMATS在管道中既可以方便地產(chǎn)生縱向超聲導(dǎo)波，又可以產(chǎn)生周向超聲導(dǎo)波。但是，EMATS有其本質(zhì)上的缺點(diǎn)1、EMATS需要強(qiáng)磁場(chǎng)來激勵(lì)。這使得實(shí)驗(yàn)裝置龐大笨重。盡管隨著大功率的稀土族永久磁鐵的出現(xiàn)這一問題已有所減小。
2、EMATS與管道表面的間隙要求精確控制。此間隙稍有變大，其探測(cè)靈敏度急劇下降，甚至導(dǎo)致沒有接收信號(hào)。
3、EMATS的輸出通常比壓電陶瓷探頭的輸出要小好多。
4、在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，通常是將EMATS與一個(gè)運(yùn)動(dòng)電機(jī)(稱為爬機(jī))相連接。在工作過程中，該爬機(jī)既要沿管線運(yùn)動(dòng)，又要繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中探頭與管壁距離必須保持不變，否則會(huì)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)丟失。而實(shí)際管道中的不規(guī)則部位，如凹凸處以及連接部位又是難免的。這給檢測(cè)帶來很大不便。
美國(guó)一位學(xué)者利用脈沖激光矩陣法激勵(lì)柱面蘭姆波，研究了蘭姆波的激勵(lì)和接收效率、模式的能量分布以及波的速度散射問題，給出了探測(cè)管道缺陷的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
由于激光超聲的非接觸性，這一技術(shù)理應(yīng)得到很好的研究，但由于這類裝置的龐大、昂貴以及技術(shù)復(fù)雜，至今還沒有得到廣泛應(yīng)用。
壓電式探頭以其方便、價(jià)廉、靈敏度較高、技術(shù)完善等特點(diǎn)被廣泛使用。無論是體波、表面波，還是板波，利用壓電陶瓷探頭來激勵(lì)和接收這些波是最常見的方法。但是，目前國(guó)內(nèi)還沒有專用的壓電探頭用于管道的超聲導(dǎo)波檢測(cè)，只能把壓電晶片粘貼在管道上，如圖2所示。這樣不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且這種方法的可移植性和可重復(fù)性差。對(duì)于不同的管道，只能重新粘貼壓電晶片，因此會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力。
技術(shù)方案本發(fā)明的目的是研制一種壓電探頭來代替粘貼在管道上的壓電陶瓷，并且設(shè)計(jì)制造一種用于在管道表面固定探頭，使其可以方便安裝和拆卸的機(jī)械裝置，進(jìn)而對(duì)管道缺陷進(jìn)行方便有效的檢測(cè)和定位。
本發(fā)明的技術(shù)方案參見圖3-圖6。技術(shù)設(shè)計(jì)中管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭，包括有壓電元件及其配裝殼體，其特征在于，所述的壓電元件是由可伸縮材料制成的壓電陶瓷7，及在其上下表面鍍上的導(dǎo)電電極6構(gòu)成；所述的探頭18是由配裝在殼體內(nèi)的壓電陶瓷元件5，置于壓電陶瓷之上背襯層12、及置于壓電陶瓷之下的保護(hù)層13構(gòu)成，殼體上設(shè)置有壓電陶瓷元件的電極引線11的連接部件9。
這種管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭中的壓電元件，采用的是長(zhǎng)方體狀的可伸縮材料制成的壓電陶瓷，壓電陶瓷下表面的電極經(jīng)過一側(cè)端部延伸到上表面，表面所鍍的電極的引線是從長(zhǎng)方體六個(gè)面中唯一的自由面(參見圖6中19所示)引線，該引線與外殼10上設(shè)置的同軸電纜連接；并采用環(huán)氧樹脂與鎢粉按公知技術(shù)混合并在常溫下固化制成置于壓電陶瓷之上的背襯層12。
本設(shè)計(jì)中專用于管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的固定裝置，其特征在于，它主要由兩個(gè)在直徑方向帶有可連接的伸出部位的、環(huán)形殼體狀的探頭固定環(huán)14構(gòu)成，其中的一個(gè)探頭固定環(huán)在圓周方向上設(shè)置有槽15、以放置管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭18，并且在每個(gè)放置檢測(cè)專用探頭槽的后部、加工出螺紋孔來配置對(duì)檢測(cè)專用探頭施加壓力的常規(guī)壓緊部件16，兩個(gè)探頭固定環(huán)之間采用常規(guī)連接件17連接。并且根據(jù)所選用的探頭固定環(huán)直徑的大小，在圓周方向均勻布置至少兩個(gè)以上的管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭18，形成一個(gè)分離的壓電環(huán)。
下面將結(jié)合附圖對(duì)具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1現(xiàn)有技術(shù)中蘭姆波激發(fā)和接收示意圖1、發(fā)射探頭，2、接受探頭，3、鋼板；圖2現(xiàn)有技術(shù)中管道上粘貼壓電陶瓷的示意圖4、實(shí)驗(yàn)管道，5、壓電元件；圖3本發(fā)明的壓電元件示意圖6、電極，7、壓電陶瓷；圖4本發(fā)明的管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭結(jié)構(gòu)示意圖8、后蓋，9、同軸電纜接頭，10、外殼，11、壓電陶瓷引線12、背襯層，13、保護(hù)層；圖5本發(fā)明的探頭固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖14、換能器固定環(huán)，15、換能器槽，16、頂絲，17、連接裝置；圖6在管道上固定探頭的結(jié)構(gòu)示意圖18、超聲導(dǎo)波探頭，19、超聲導(dǎo)波探頭唯一自由面示意具體實(shí)施方案參照?qǐng)D3-圖5進(jìn)行設(shè)計(jì)、裝配和調(diào)試。實(shí)施過程中具體考慮如下1、管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的設(shè)計(jì)。
對(duì)于單個(gè)探頭的研制，主要考慮到采用柱面超聲導(dǎo)波的L(0，2)模態(tài)(一種縱向?qū)Р?來對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，由于L(0，2)模態(tài)是軸對(duì)稱的，而且其主要的應(yīng)變分量是沿軸向的。因此，為了激勵(lì)和接收L(0，2)模態(tài)波，采用一種長(zhǎng)度伸縮型的壓電陶瓷來激勵(lì)和接收L(0，2)波，如圖3所示。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的布置，確定探頭的外型尺寸后，在上下表面鍍以電極，并使下表面的電極經(jīng)過一側(cè)端部延伸到上表面以便引線連接。又由于在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)每個(gè)探頭施加壓力，探頭的引線不能從頂部，只能從壓電陶瓷長(zhǎng)方體六個(gè)面中唯一的自由面(圖6中19所示)引線，為了使用方便與美觀，采用同軸電纜連接引線，在壓電陶瓷長(zhǎng)方體的自由面設(shè)置接線座固定引線，接線座在探頭內(nèi)部采用螺母固定。
壓電陶瓷的強(qiáng)度不高，較大的擠壓或磨損可能會(huì)導(dǎo)致斷裂，因此在壓電陶瓷與管道的接觸面必須采用保護(hù)層，保護(hù)層的要求比較高，既要能夠保護(hù)壓電陶瓷不受破壞，而且還要能夠最大限度的透射聲波，使超聲導(dǎo)波在其中的損失要盡可能的小，為了達(dá)到這兩個(gè)要求，本發(fā)明采用100微米到200微米的鐵片或銅片制作保護(hù)層。
壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)要向前后兩個(gè)方向同時(shí)輻射聲波，但是向后輻射的聲波對(duì)探頭的性能會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響，因此要用吸聲層來吸收這部分聲波。吸聲層是采用環(huán)氧樹脂與鎢粉按公知技術(shù)混合，并在常溫進(jìn)行固化制成的背襯層12，可以較好地吸收向后輻射的聲波。由于每個(gè)探頭需要承受較大的壓力，因此在探頭后部還需要有強(qiáng)度較大的硬質(zhì)材料來承受這些壓力(圖4中8所示)。探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2、專用于管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭固定裝置的設(shè)計(jì)，
通常若將壓電陶瓷沿管道軸向方向粘在管道外表面，由于壓電元件沿管道軸線方向伸縮，理論上不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模式。但是由于激勵(lì)源的非對(duì)稱性，則將產(chǎn)生兩種模態(tài)即L(0，m)和F(n，m)。如果在圓周方向均勻布置一系列壓電陶瓷，形成一個(gè)分離的壓電環(huán)，則可能抵消非對(duì)稱的模式F(n，m)。因此需設(shè)置一定數(shù)量的探頭，把它們均勻地固定在管道周圍。
考慮到研制探頭系統(tǒng)主要是用于管道等柱狀設(shè)備的缺陷檢測(cè)，而且探頭系統(tǒng)在檢測(cè)過程中應(yīng)易于安裝和拆卸。本發(fā)明中探頭的固定裝置做成環(huán)狀，并且在圓周方向上均勻地銑出一定數(shù)量的槽以放置單個(gè)探頭，每個(gè)探頭槽的后部加工出螺紋孔，利用頂絲對(duì)單個(gè)探頭施加壓力，從而使每個(gè)探頭都能夠牢固地耦合在管道上；為了便于探頭系統(tǒng)可以方便地安裝個(gè)拆卸，把探頭固定環(huán)沿直徑方向分為兩部分，兩部分之間采用銷連接，如圖5所示。
如圖6所示，本實(shí)施例中設(shè)置了24個(gè)管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭18，在探頭固定裝置的環(huán)周圍均勻分布24個(gè)矩形槽15放置探頭，固定裝置上沿環(huán)周圍均勻分布的24個(gè)頂絲16所產(chǎn)生的壓力，把24個(gè)探頭18緊密地干耦合(中間不加耦合劑)在被檢測(cè)管道4上；固定裝置從中間分為兩部分，兩部分之間通過銷和銷孔16連接，使用時(shí)在24個(gè)探頭上施加激勵(lì)電壓可以在管道中產(chǎn)生沿軸向傳播的超聲導(dǎo)波。
權(quán)利要求1.一種管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭，包括有壓電元件及其配裝殼體，本實(shí)用新型的特征在于，所述的壓電元件是由可伸縮材料制成的壓電陶瓷(7)，及在其上下表面鍍上的導(dǎo)電電極(6)構(gòu)成；所述的探頭18是由配裝在殼體內(nèi)的壓電壓電元件(5)，置于壓電陶瓷之上的背襯層(12)、及置于壓電陶瓷之下的保護(hù)層(13)構(gòu)成，殼體上設(shè)置有壓電陶瓷元件的電極引線(11)的連接部件(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭，其特征在于，所述的壓電元件中采用的是長(zhǎng)方體狀的可伸縮材料制成的壓電陶瓷，壓電陶瓷下表面的電極經(jīng)過一側(cè)端部延伸到上表面，表面所鍍的電極的引線是從長(zhǎng)方體六個(gè)面中唯一的自由面(19)引線，該引線與外殼(10)上設(shè)置的同軸電纜(9)連接；采用環(huán)氧樹脂與鎢粉按公知技術(shù)混合并在常溫下固化制成置于壓電陶瓷之上背襯層(12)。
3.一種專用于管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的固定裝置，其特征在于，它主要由兩個(gè)在直徑方向帶有可連接的伸出部位的、環(huán)形殼體狀的探頭固定環(huán)(14)構(gòu)成，探頭固定環(huán)在圓周方向上設(shè)置有槽(15)，以放置管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭(18)，并且在每個(gè)放置檢測(cè)專用探頭槽的后部、加工出螺紋孔來配置對(duì)檢測(cè)專用探頭施加壓力的常規(guī)壓緊部件(16)，兩個(gè)探頭固定環(huán)之間采用常規(guī)連接件(17)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種專用于管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的固定裝置，其特征在于，根據(jù)所選用的探頭固定環(huán)直徑的大小，在圓周方向均勻布置至少兩個(gè)以上的管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭，形成一個(gè)分離的壓電環(huán)。
專利摘要管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭及其固定裝置，用于使用中的管道缺陷的定位檢測(cè)。特征在于探頭的固定裝置做成環(huán)狀，根據(jù)探頭固定環(huán)直徑尺寸，在其圓周方向上均勻地銑出若干個(gè)槽以放置對(duì)應(yīng)數(shù)量的單個(gè)探頭，每個(gè)探頭槽的后部加工出螺紋孔，用頂絲對(duì)單個(gè)探頭施加壓力，從而使每個(gè)探頭都能夠牢固地耦合在管道上；共有兩個(gè)探頭固定環(huán)，兩部分之間用銷連接；使用時(shí)在探頭上施加激勵(lì)電壓，可在管道中產(chǎn)生沿軸向傳播的超聲導(dǎo)波用于檢測(cè)管道缺陷。探頭是由壓電陶瓷、及鍍?cè)谄渖系膶?dǎo)電電極構(gòu)成的壓電元件，置于壓電陶瓷之上的背襯層、及置于壓電陶瓷之下的保護(hù)層構(gòu)成。本實(shí)用新型不僅可對(duì)管道缺陷進(jìn)行有效的定位檢測(cè)，并且可以方便安裝和拆卸。
文檔編號(hào)G01N29/04GK2624208SQ0324679
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者何存富, 吳斌, 于海群 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)