專利名稱：超聲波輪式探頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲波檢測裝置，尤其涉及一種用于機動探傷車 的超聲波輪式探頭。
背景技術：
超聲波探傷設備廣泛運用于多個技術領域，超聲波探傷的原理
是超聲波在被檢測材料中傳播時，由于材料內(nèi)部損傷導致的材料聲學 特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播會產(chǎn)生一定的影響，通過對超 聲波受影響程度和狀況的探測，了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化。
在鐵路系統(tǒng)對鐵軌進行檢測的過程中，也可以利用超聲波對鐵路 鋼軌進行檢測，探測鐵軌中的損傷(如裂紋)情況以便在鋼軌斷裂之 前采取措施防患于未然。
在現(xiàn)有的鐵軌探傷設備中，通常包括探頭，在本申請中提及的探 頭即超聲波換能器，探頭可以將電脈沖轉(zhuǎn)化為超聲波，也可將超聲波 轉(zhuǎn)化成電脈沖。探頭的發(fā)射角度不同，而從各組探頭發(fā)射出的超聲波 經(jīng)過介質(zhì)傳入鐵軌后發(fā)生折射的角度也不同，通常，用折射角的角度 來區(qū)別各組探頭，經(jīng)常采用的是0度探頭、45度探頭、70度探頭。 其中折射角是指超聲波在鐵軌中傳播方向與鐵軌垂直方向的夾角。兩 個70度探頭用于檢測鋼軌的頭部，45度探頭用于檢測鋼軌的腰部(如 鋼軌連接部的螺孔處)，0度探頭則用于檢測鋼軌的底部。
有一種機動超聲探傷車，該車具有兩個探測輪，每個探測輪中包 括兩組不同折射角度的探頭， 一組探測車輪前方的鐵軌狀況，其包括 一個45度探頭和一個70度探頭，兩個探頭指向車輪前方。另一組包 括一個45度探頭和一個70度探頭，兩個探頭指向車輪后方，用于探 測車輪后方的鐵軌狀況。
這種機動探測車的探頭分別安裝在兩個探測輪中，并且探測輪中 可以注有液體，以利于超聲波傳導，超聲波透過探測輪中的液體后，
再傳導入鋼軌來探測鋼軌中的損傷。
超聲波進入鋼軌后，由于輪中液體和鋼軌屬于兩種不同的介質(zhì)， 超聲波從液體進入鋼軌后會發(fā)生折射，折射角是指折射波束與垂直方 向的夾角。
根據(jù)聲學的折射原理，鋼軌里的超聲波束的角度是 (3= arcsin(Vsteel / Vfluid*sin(a))
其中，a為入射角，j3為折射角，Vfluid是超聲波在液體(即耦合 介質(zhì))中的傳播速度；Vs^是超聲波在鋼軌中的傳播速度；入射角是 入射波束與垂直方向的夾角。
根據(jù)上述計算公式，可以通過以預定角度折射超聲波來探測鐵軌 預定部位的損傷情況。
可以看出，這種機動探測車不僅集成化程度較低、車輛整體機械
尺寸較大，更重要的是，由于超聲波在液體中的傳播速度Vfluid受溫度
的影響很明顯，因此超聲波波束在鐵軌中的折射角會隨溫度的變化而 有較大變化，從而難以準確地對鐵軌的預定部位進行探測。

實用新型內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術的缺陷，本實用新型的目的是提供了一種能夠 克服液體中聲速變化導致漏檢(例如，傷在鋼軌中，但是探頭沒有找 到)的超聲波輪式探頭。
本實用新型提供的用于探傷車的超聲波輪式探頭包括多個超聲 波換能器、支架、耦合介質(zhì)和耦合介質(zhì)容器，其中，支架通過支架軸 與所述探傷車連接，所述支架與階梯塊連接，所述階梯塊具有多個與 水平方向成預定角度的斜面，在每個斜面上安裝多個超聲波換能器， 超聲波換能器和支架位于耦合介質(zhì)容器內(nèi)部，所述耦合介質(zhì)容器為輪 狀，在所述耦合介質(zhì)容器中充有耦合介質(zhì)，超聲波換能器和支架浸在 耦合介質(zhì)中。
其中，所述階梯塊具有五個不同角度的斜面，所述斜面中包括兩 個使超聲波在鐵軌中折射角為65-70度的斜面、兩個使超聲波在鐵軌
中折射角為37-45度的斜面，以及一個使超聲波在鐵軌中折射角為0 度的斜面，在五個斜面上安裝有多個超聲波換能器。其中使超聲波在 鐵軌中折射角為65-70度的斜面上安裝有三個超聲波換能器，所述三 個超聲波換能器分別用于檢查鋼軌頭部的內(nèi)側(cè)、中部和外側(cè)。
安裝有多個超聲波換能器是將超聲波壓電片貼在斜面上，再在壓 電片上覆蓋背襯材料。
可選擇地，安裝有多個超聲波換能器是將超聲波換能器的外殼與 斜面螺接，所述外殼和斜面上具有螺紋。
所述支架軸分為兩段，支架兩邊分別與支架軸的一段連接。所述 支架為拱形，所述階梯塊安裝在拱形支架的底面。
對比現(xiàn)有技術，將多個探頭集中安裝在一個輪胎內(nèi)可以使信號及 圖像更易于被操作員理解和判斷，減少誤判。本實用新型中使用塑料 階梯塊作為超聲波換能器的支撐體的超聲探頭，利用超聲波二次折 射，克服了液體聲速隨溫度變化的而《I起鋼軌中超聲波折射角度變化 的缺點，使超聲波探傷更加穩(wěn)定可靠。


圖1是超聲探傷車上安裝輪式探頭的機械架子的示意圖； 圖2是本實用新型實施方式的超聲波輪式探頭的原理示意圖； 圖3是本實用新型的實施方式中階梯塊、支架與輪軸的結(jié)構(gòu)及連 接示意圖。
具體實施方式
本實用新型提供超聲波輪式探頭適用于機動探傷車。機動探傷 車和輪式探頭相關的部件包括機械架子底座1、導軌車輪2、超聲波 探頭包括多個超聲波換能器3、支架4、耦合介質(zhì)5，耦合介質(zhì)容器6 和階梯狀塑料塊7。如圖1所示，本實用新型的超聲波探頭是探傷車， 可以看到，在底座1下方安裝有兩個導軌車輪2，導軌車輪2可以沿 鐵軌滾動，從而使機動探傷車在鐵軌上運動。在兩個導軌車輪2中間，
安裝有一個輪狀容器6，主要的超聲波發(fā)射、檢測元件就安裝在該輪 狀容器6中，該輪狀容器6中充有耦合介質(zhì)5。輪狀容器6與鐵軌表 面接觸，并且也可以在鐵軌上滾動。在前輪的連接有一個刷子，用于 在輪狀容器6和鐵軌之間提供水線，以有利于超聲波傳導進鐵軌。刷 子同時有清理軌面的作用。
其中，超聲波換能器3可以根據(jù)實際應用采用任何適合的換能器， 這里將圖中在鋼軌中產(chǎn)生70度折射角的超聲波束的超聲波換能器稱 為70度探頭，在鋼軌中產(chǎn)生45度折射角波束的超聲波換能器稱為45 度探頭，在鋼軌中產(chǎn)生垂直向下波束的超聲波換能器稱為0度探頭。 如圖所示，折射角是在鐵軌中折射的波束與垂直方向的夾角。由于70 度探頭產(chǎn)生的波束集中在鐵軌上部，因此，70度探頭主要用來檢測鋼 軌頭部的損傷。同理45度探頭主要用來檢測鋼軌腰部的損傷，O度探
因為鋼軌頭部的損傷4艮多是以15度 25度傾斜，當70度的超聲 波束能夠垂直入射到所述損傷上時，對于以上述角度傾斜的損傷反射 信號較強，易于檢測到，另外，超聲波換能器3的折射角度也可以設 置在65-70度之間。45度的探頭在鋼軌產(chǎn)生的45度波束主要用來檢 測鋼軌腰部的損傷，例如鋼軌連接處螺孔的裂紋。也可以采用折射角 略^:小一些的波束角度，例如，超聲波換能器3的折射波束角度范圍 可以設置在37-45度之間。同樣地，O度探頭在鋼軌中產(chǎn)生豎直向下 的超聲波束，主要用來檢測鋼軌中的水平裂紋因為水平裂紋和豎直向 下的超聲波束垂直。當超聲波束和螺孔裂紋垂直時上述水平裂紋的反 射信號最強，最易于檢測到。
耦合介質(zhì)5又稱耦合劑，通常是液體，在超聲檢測技術中，為了 使超聲波傳導更加容易，需要在發(fā)射端和探測目標之間填充耦合介 質(zhì)?？梢圆捎枚喾N適合的液體作為耦合介質(zhì)5,優(yōu)選地，在本實施方 式中，采用水作為耦合介質(zhì)。
耦合介質(zhì)5填充在耦合介質(zhì)容器6中，耦合介質(zhì)容器6通過軸8 與車體連接，所述耦合介質(zhì)容器6優(yōu)選為輪狀，以便在鐵軌上滾動。
例如在本實施方式中，該容器6為一個塑料輪胎，該塑料輪胎通過軸 與車體連接，并可以隨小車的運動在鐵軌上滾動。塑剩-l侖胎中充滿耦 合介質(zhì)5，其他部件3， 4， 7都浸在耦合介質(zhì)5中。超聲波:探傷車上 還具有注水口，注水口與車體2連接，用于向輪胎和鐵軌之間注水以 便形成水線，從而有利于超聲波的耦合。優(yōu)選地，塑料輪胎的壁足夠 薄，使之對超聲波導入鐵軌的影響盡可能小。
圖2是本實用新型的實施方式的超聲波^:頭的原理示意圖。在本
實施方式中，階梯型塑料塊7安裝在拱形的金屬支架4下面(金屬支架 4在圖2中沒有顯示，請參看圖3)，在該塑料塊7上安裝超聲波換能 器3。塑料塊7的安裝表面加工成不同角度的階梯，將超聲波換能器 3的壓電片直接粘貼在塑料塊的階梯上，再在壓電片上覆蓋背襯材料。 也可以選擇通用的可旋轉(zhuǎn)的超聲波換能器3,這種換能器換能器的外 殼上具有螺紋，所述斜面上相應地也具有螺紋，安裝多個超聲波換能 器是將超聲波換能器的外殼與斜面螺接。優(yōu)選地，在本實施例中使超 聲波在鐵軌中折射角為65-70度的斜面上安裝有三個超聲波換能器， 所述三個超聲波換能器分別用于檢查鋼軌頭部的內(nèi)側(cè)、中部和外側(cè)。 然后，將整個階梯塑料塊7、支架4、超聲波換能器3組件放置在介 質(zhì)容器6，即輪胎中。輪胎中充有水，水作為超聲波的耦合介質(zhì)，所 述組件浸泡在水中。當超聲波換能器3產(chǎn)生振動發(fā)出超聲波后，超聲 波首先直接導入塑料階梯塊，然后從塑料階梯塊7傳入水中，最后， 超聲波從水中導入鋼軌。
根據(jù)聲學原理，在超聲波束進入鋼軌之前將有兩次折射，第一次 折射是從塑料塊進入耦合介質(zhì)發(fā)生的折射，折射角為
p = arcsin( Vfluid/Vplastic* sin(a)) (1)
第二次折射是從耦合介質(zhì)進入鋼軌發(fā)生的折射，折射角為
H = arcsin(Vsteel/Vfluid*sin(|3)) (2) 把公式(l)代入公式(2)就得到，
p = arcsin(Vsteel/ Vplastic*sin(a)) (3)
其中公式(3)里的p是超聲波在鋼軌里的折射角，它只由鋼軌中的超聲波速度Vsteel、塑料中超聲波的速度Vp^ic及塑料階梯與垂直方向
的角度(X決定，而與輪胎里液體的因素無關，由于Vsted和V一ic受
溫度的影響很小，因此可以認為最終鋼軌中超聲波的折射角不受溫度 的影響。
本實施方式中階梯的材料可以采用塑料，但也可以采用其他超聲 波傳聲性能好的材料，比如有機玻璃等。
圖3是本實用新型的實施方式中階梯塊、支架與輪軸的連接示意 圖。該示意圖包括連接結(jié)構(gòu)中A-A剖面的剖視圖，如圖所示，部件包 括金屬支架4、塑料階梯塊7和支架軸8。其中，如圖所示，金屬支 架4為彎曲的"屋頂"形的拱形支架，支架4與支架軸8連接，所述 支架軸8分為兩段，兩段軸中間可以使超聲波通過。支架4中部的兩 邊分別通過螺絲與支架軸8的其中一段連接。從A-A剖面圖上可以看 出，金屬支架4在軸線上具有U型槽。有預定角度階梯面的塑料塊7 用螺絲安裝在拱形金屬支架4下面。屋頂形金屬支架4的中部兩側(cè)用 螺絲安裝到軸8上。塑料塊7芯部是中空的，可以直接在階梯的斜面 上固定超聲波換能器3或在斜面上粘貼超聲波壓電片，然后填充背襯 材料。
盡管本實用新型是結(jié)合上述的優(yōu)選實施方式進行描述的，但其實 現(xiàn)并不局限于上述的實施方式，應該認識到，在不脫離本實用新型精 神實質(zhì)和范圍的情況下，本領域技術人員可以對本實用新型做出不同 的變化和修改。
權利要求1、一種用于機動探傷車的超聲波輪式探頭，其特征在于，包括多個超聲波換能器、支架、耦合介質(zhì)和耦合介質(zhì)容器，其中，支架通過支架軸與所述機動探傷車連接，所述支架與階梯塊連接，所述階梯塊具有多個與水平方向成預定角度的斜面，在每個斜面上安裝超聲波換能器，超聲波換能器和支架位于耦合介質(zhì)容器內(nèi)部，所述耦合介質(zhì)容器為輪狀，在所述耦合介質(zhì)容器中充有耦合介質(zhì)，超聲波換能器和支架浸在耦合介質(zhì)中。
2、 根據(jù)權利要求1所述的超聲波輪式探頭，其特征在于，所述階梯 塊具有五個不同角度的斜面，所述斜面中包括兩個使超聲波在鐵軌中折 射角為65-70度的斜面、兩個使超聲波在鐵軌中折射角為37-45度的斜面， 以及一個使超聲波在鐵軌中折射角為0度的斜面，在五個斜面上安裝有 多個超聲波換能器。
3、 根據(jù)權利要求2所述的超聲波輪式探頭，其特征在于，其中使超 聲波在鐵軌中折射角為65-70度的斜面上安裝有三個超聲波換能器，所述 三個超聲波換能器分別用于檢查鋼軌頭部的內(nèi)側(cè)、中部和外側(cè)。
4、 根據(jù)權利要求1-3中任何一項所述的超聲波輪式探頭，其特征在 于，安裝有多個超聲波換能器是將超聲波壓電片貼在斜面上，再在壓電 片上覆蓋背襯材料。
5、 根據(jù)權利要求1-3中任何一項所述的超聲波輪式探頭，其特征在 于，安裝有多個超聲波換能器是將超聲波換能器的外殼與斜面螺接，所 述外殼和斜面上具有螺紋。
6、根據(jù)權利要求l所述的超聲波輪式探頭，其特征在于，所述支架 軸分為兩段，支架兩邊分別與支架軸的一段連接。
7、 根據(jù)權利要求6所述的超聲波輪式探頭，其特征在于，所述支架 為拱形，所述階梯塊安裝在拱形支架的底面。
專利摘要本實用新型公開了一種用于機動探傷車的超聲波輪式探頭，其中，支架通過支架軸與所述探傷車連接，所述支架與階梯塊連接，所述階梯塊具有多個與水平方向成預定角度的斜面，在每個斜面上安裝一個或多個超聲波換能器，超聲波換能器和支架位于耦合介質(zhì)容器內(nèi)部，在所述耦合介質(zhì)容器中充有耦合介質(zhì)，超聲波換能器和支架浸在耦合介質(zhì)中。本實用新型中使用塑料階梯塊作為超聲波換能器的支撐體的超聲探頭，利用超聲波二次折射，克服了液體聲速隨溫度變化而引起鋼軌中超聲波折射角度變化的缺點，使超聲波探傷更加穩(wěn)定可靠。
文檔編號G01N29/24GK201066348SQ200720169219
公開日2008年5月28日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權日2007年6月7日
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