超声检测探头水膜耦合器的研究

引言

超声无损检测是五种常规的无损检测方法之一，与其他常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广,检测深度大,缺陷定位准确，检测灵敏度高，成本低，使用方便，速度快,对人体无害以及便于现场使用等特点。因此，超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性,其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的，而计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。

因此，提高超声检测自动化水平，尽量减小人为因素的影响，实现检测过程的程序化、自动化和智能化是超声检测的发展趋势。

1超声检测耦合分类

自动化超声检测方法按耦合方式分为直接接触法、局部液浸法和全液浸法。

1.1直接接触法

在自动化超声检测中，直接接触法的应用不多见。这主要是由于探头与被检测对象作相对运动扫查时，它们之间的声耦合不容易达到均匀稳定，从而影响检测灵敏度的稳定性。不过，如果试件表面光洁度较高，或者要求的检测速度不是很快，当采用合适的耦合剂以及利用如压缩弹簧或压板等机构时,还是有可能对某些规则材料实现直接接触法的半自动化超声检测。

1.2局部液浸法

局部液浸法是自动化超声检测系统应用最多的耦合方式,它又可以分为喷水柱法、溢水法和通过式局部水浸法。

1.2.1喷水柱法

探头装设在喷嘴内，进入喷嘴的水以均匀水柱形式喷射到被检材料表面来实现声耦合。这种方法已经较多地应用到中厚钢板的多通道自动化超声穿透法在线或离线检测，以及航空工业中用于飞机垂尾、水平尾翼、机翼等复合材料构件的自动化超声检测。

1.2.2溢水法

在被检材料下部装设溢水箱，探头装置在水箱内，从下往上发射超声波束进入被检材料，被检材料在进给移动过程中与溢水面接触，构成声耦合条件。这种方法常见于大直径棒材或管材的自动化超声反射法检测，可以采用线聚焦甚至相控阵阵列探头。

1.2.3通过式局部水浸法

被检材料通过水密封装置穿过水箱，探头装置在水箱上部，从上往下发射超声波束进入被检材料，也可以装置在水箱下部，从下往上发射超声波束进入被检材料。这种方法常见于小直径管材或棒材的自动化超声反射法检测。

1.3全液浸法

多用在半自动检测系统，被检材料全部浸没在水中，因此需要容积较大的水槽，探头置于水槽上部，从上往下发射超声波束进入被检材料。这种方法常见于盘形或饼形锻件的超声反射法半自动检测。

2水膜耦合器的原理和结构设计

当超声探头和被检钢板之间有一层空气时，即使是很薄的一层空气层，超声波几乎被全反射，所以需要填充耦合剂。耦合器由橡胶圈、喷水管道、注水装置、支撑结构、压力检测装置、过滤器、控制装置组成。当把探头加入耦合器时,应能满足探头和耦合器组成密闭结构，由注水泵所注入的水压满足结构设计所需要的水压。在水注入耦合器之前应加装水泡处理装置，所使用的水必须是纯净的，否则水气泡和杂质会使超声波衰减，使检测灵敏度降低。超声检测示意图如图1所示。

2.1水压力系统

水压力系统主要由注水泵、压力传感器、数字调节仪、计算机和配套管路组成,可以连续自调节并能够长时间保持稳定。水压系统工作时,压力传感器把管路里水压力信号变成电信号传输给数字调节仪，调节仪把传送过来的信号和设定值比较,经过设定的算法,通过泵的模拟量输入端口控制泵的转速,达到自动调节水压的目的。同时,压力传感器通过直流信号隔离变送器送到计算机接口,供计算机采集记录水压值。当水压超过安全值时,通过安全溢流阀自动溢流。

2.2平稳水压

注水泵施加的水压呈脉冲型,当渗流达到稳定时,水压以固定的周期和振幅波动。为了获得尽可能平稳的压力，模仿水电工程中调压井的功能引入阻尼器。阻尼器由蓄能罐构成,罐内置一个弹性充气囊,水压升高时气囊被压缩,水压衰减时气囊膨胀,可以吸收和释放能量,能够有效地控制水压的振幅。经过比较发现,阻尼器尽量靠近且正对着泵的输出口放置,气囊压力调整为约80%的工作水压时效果最好,能够把水压振动幅度成功地控制在工作水压以内。

2.3最小流量保证

为保证泵的工作精度和稳定性,泵有最低输出流量的限制。在某水压下,当试件的渗流量小于该最低流量时,管路里的水压会持续升高，调节失效。因此,在通向耦合器的压力水管上增加一个出口,接一段易装卸的铜管，铜管里填充适量的硅藻土和反滤层,水从硅藻土中缓慢渗流而过,使得总流量大于泵的最低输出量,让系统回到有效调节的工作范围内,对管路中水的流态也无不利影响。

3水膜耦合器超声检测实验

设计加工好的水膜耦合器，将探头加入耦合器，进行检测，用CTS-2020数字超声探伤仪和通用型直探头2.5Z20N来对实际钢管进行检测。所测的波形图如图2所示，测得的钢管壁厚结果如表1所列。

4结语

本文所探讨的耦合器，在直接接触法原理上，结合喷水耦合法，在跟踪探头和被检测钢板之间产生大约1mm左右的水膜作为耦合剂，对钢板厚度进行检测。由此设计的一种新型水膜耦合器，结合了直接法和水浸法的优点，可实现将探头加入耦合器后，进行超声探伤的连续检测。在注水时能密闭严密，不会影响到探头的使用，耦合性能、检测性能良好，人为因素小，为实现自动超声检测打下了基础。

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