超声聚焦和TR测厚技术的研究

　　0　引　言

　　在工业流程生产过程中,大型基础工程使役过程和大型设备运行过程中,需要对流程产品的质量,基础工程和大型运转设备进行定期和不定期的检测。例如,钢材构件,钢板质量的快速检测,铁路钢轨的超声波在线缺陷检测,燃气管道腐蚀残余壁厚的超声波检测等。

　　使用普通的超声波直探头对钢板质量进行分级列线和边缘快速(扫查)检测,钢板表面的粗糙度会磨损超声波探头的保护膜。使用超声波探头在线对钢轨的轨头、轨腰、轨底进行缺陷检测,需要水作耦合剂,而冬季水会在轨道上结冰,从而影响火车运行。实施燃气管道内爬壁的超声波腐蚀残余壁厚的快速检测,管壁的凹凸形状会严重磨损探头,从而影响其检测精度。

　　为此研究了一种超声波TR(分别发射和接收)和聚焦式轮式探头,将超声波检测系统和轮式探头装配在可以自行控制移动的检测车上,针对性地解决以上领域的检测问题。本文同时研究了超声波检测信号的处理方式及外围电路设计。

　　1　轮式探头的设计原理

　　1.1　超声聚焦直探头

　　依据聚焦探头声透镜曲率半径R满足如下计算关系

　　式中:f为声透镜焦距;C1为声透镜中的纵波声速;C2为液体中的纵波声速。

　　设计的超声波聚焦探头的焦距为55~60 mm,晶片尺寸为Φ16 mm,频率为2.5 MHz。

　　1.2　超声TR探头

　　超声TR探头可以弥补超声直探头探测近表面盲区大,分辨力低的缺点。它相当于两个直探头的组合,中间用隔声层隔开,既可作单发单收,又可作双发双收。若同时发射超声波束,其菱形交叉覆盖区为双探头的探伤区,声束交点F的探伤灵敏度最高。选择不同压电晶片的倾角,就可以改变F点至探测面的深度和菱形覆盖区的大小。倾角越小,F点距探测面越深,探伤菱形覆盖区越窄小,测量钢板厚度的灵敏度越高。

　　依据TR探头设计原理

　　式中:δ为工件中有效探测区域中心到探头表面的距离;u为压电晶片中心到隔声层的距离;α为收、发压电晶片与被测工件表面的夹角;C1、C3为延迟块和被测工件材料中的声速。

　　设计的超声波TR探头双晶尺寸为Φ20 mm,频率为2.5 MHz,夹角α为3°,隔声层采用1 mm厚的电工绝缘材料,有机玻璃线聚焦声透镜的焦距取55~60 mm。探头全貌如图1所示。

　　1.3　轮式探头的结构

　　设计的轮式探头各项指标及结构为:轮皮外缘直径为Φ120 mm,轮皮接触外缘宽度为45 mm。轮皮的设计采用声压往复透射率关系