[发明专利]一种低频超声换能器阵列耦合检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，适用于多通道、接触式的超声检测，尤其适用于岩土工程中的20-100 KHz频段的多通道大型超声阵列检测。

背景技术

超声检测是工业上无损检测的方法之一，超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来，并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。接触式超声检测是常用的超声检测方式，它需要在换能器和待测试样之间有某种形式的耦合，待测试样的振动通过耦合材料传递到换能器，换能器感应到振动信号并将其转化为电信号，经模数转换后即可获得经被测试样传播的应力波信号。通常采用耦合剂或采用水浸法来实现换能器和待测试样间的耦合，并且换能器和待测试样间的耦合一致，是进行高精度超声检测的必要条件。

随着超声检测技术的发展，目前出现了大量的多通道的超声检测设备，如TOFD超声探伤仪、相控阵超声检测仪等，这些仪器普遍采用一发多收、乃至多发多收的超声换能器进行信号采集，特别适合航空、航天、岩土、兵器和核工业等行业中普遍大量存在的异型复杂构件的无损检测。其中，超声相控阵列换能器的设计基于惠更斯原理，换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面；同样，在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示。这样一来，就要求各超声换能器晶片均能和待测试样间的耦合一致，若其中一个超声换能器晶片的耦合情况不佳，会对检测结果的精度造成一定影响。

针对如何确保换能器和待测试样间的耦合一致的问题，在医学和工业无损检测中，因采用的超声波频率通常高于500 KHz，其压电晶元小、探头尺寸小、易于手持，可通过探头位置调整保证耦合的一致性，如人体B超和焊缝的超声相控阵检测等。但是，在岩土工程领域中，要求的探测深度大，采用的超声波频率低，采用的低频相控阵探头的孔径大，阵列内的各换能器晶片与被测试样表面间的耦合状况存在显著差异，仅靠人工操作无法得知哪几个晶片与被测试样耦合不一致，进而采取相应的调整措施。

综上，可靠的多通道超声测试要求分布式探头与被测试样间的耦合保持一致，这是开展高精度的低频超声相控阵检测的前提条件。在岩土工程检测中，若试图运用多通道超声检测技术来提高岩土工程超声检测的效率，就需要开发出检测低频相控阵探头阵列内各换能器晶片和待测试样间耦合状况的设备。

发明内容

针对岩土工程领域多通道超声检测需要实现换能器与待测试样间的耦合一致的问题，本发明提供一种低频超声换能器阵列耦合检测装置，通过显示各超声换能器晶片与待测试样间的接触压力实时反映二者的耦合状况，以提高岩土工程超声检测的效率和精度。

利用多通道超声检测技术进行岩土工程超声检测时，在接触面的平整度、耦合材料、换能器性能等条件相同或相近时，各换能器晶片与被测试样间的耦合状况取决于二者间的接触压力。依据上述原理，本发明低频超声换能器阵列耦合检测装置，包括测力传感器、单片机以及显示装置，通过对接触压力的监测，能够快速得知相控阵超声探头的各换能器晶片的耦合状况。

其中：各测力传感器分别布置在相控阵探头各超声换能器晶片的后端，用于感应对应的超声换能器晶片与被测试样间的接触压力。

各测力传感器均内设测量电路。一般来说，传感器由敏感元件和转化元件组成，但转化元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制，这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路，也是传感器组成的一部分，用于将测力传感器感应到的接触压力的电信号转化为数字信号。

各测力传感器均电连接单片机，用于将转化的接触压力的数字信号输入单片机。即每一个超声换能器晶片与被测试样间的接触压力的数字信号，自分别对应的测力传感器的测量电路输入单片机。

单片机分别电连接各显示装置，且各显示装置与各测力传感器一一对应连接，用于显示对应的超声换能器晶片与被测试样间接触压力的大小。