一种用于测量超声波探头声束扩散角的装置的制作方法

1.本实用新型涉及超声波探头声场特性测量装置技术领域，特别是一种用于测量超声波探头声束扩散角的装置。


背景技术：

2.由压电陶瓷向介质发射的超声波有近场和远场区，理论上在近场区内超声波不扩散，在1.64倍近场以外声束开始扩散。超声波在液体中测量声场特性已成熟且广泛应用。固体材料，如钢中测试声场特性就比较困难，例如测量超声波探头的扩散角，只能借助于试块的人工孔，移动探头与孔的相对位置，根据其反射信号强度变化来判断声束特征，斜探头由于横波声束是纵波经折射而产生，折射的横波的横截面在折射方向被压缩，主声束轴与折射波上下部不同，即上下扩散角不同，如附图1所示，图中α为入射角，β为折射角，θ
上
为上扩散角，θ
下
为下扩散角。传统测量扩散角的方法主要有以下几种：一是计算法，即利用扩散角公式进行计算。二是利用横通孔试块测量主声束，再把探头前后移动，使反射波降低一定幅度(如－6db)，根据探头的位移量计算扩散角。三是利用一块半圆试块在圆弧面上放置接收探头，接收圆心位置探头的声束，再滑动圆弧面上的接收探头位置，使发射波降低一定幅度(如－3db)，根据接收探头的位置利用量角器量出扩散角。
3.传统测量扩散角的方法存在以下缺陷：1)利用扩散角近似公式计算，需用探头频率和压电陶瓷片面积，一般探头生产厂商只提供标称频率，与实测频率有较大差异，探伤单位一般很少具备用频谱仪、阻抗仪测量频率的条件，压电陶瓷片面积也有公差，利用公式计算存在较大误差。2)利用试块不同深度的横通孔测试，测量位移量时，其探头位移量与声束横截面有角度，取得的多个位移量通过极其复杂的计算且得不到较为精确的结果。3)利用一块半圆试块测量的方法，在圆弧面上用探头或用压电陶瓷切割的栅条型探头组接收声波信号的最大值的位置和信号降低－3db时的位置，用量角器测量扩散角，如附图2、3所示，这个方法得不到扩散角值而是与测量点的夹角θ，不是真正有意义的扩散角。可见，上述三种方法对于小尺寸压电陶瓷这种大扩散角探头，无能为力或测量计算误差大，而探伤中有很多地方就是利用大扩散角探头，如tofd探伤仪使用的tofd探头等，因此亟需开发可快速、精确测量超声波探头扩散角的装置。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种用于测量超声波探头声束扩散角的装置，可较精确的计算出主声束中心轴和声束边缘扩散线所形成的上、下扩散角，测量操作简单，测量效率高，测量精度高，适用范围广。
5.本实用新型采用如下技术方案：
6.一种用于测量超声波探头声束扩散角的装置，包括两个不同半径的半圆试块、信号接收探头及角度测量装置，信号接收探头沿半圆试块的圆弧面滑动设置，半圆试块轴向平面中间形成被测探头放置位，角度测量装置用于测量信号接收探头的相对偏转角度。
7.进一步地，所述角度测量装置包括固定尺、转动尺及锁紧钮，转动尺铰接于固定尺上，铰接轴中心线与半圆试块的圆心同轴线，锁紧钮用于将转动尺相对固定尺锁紧固定，固定尺与半圆试块固定连接，转动尺与信号接收探头连接并随信号接收探头沿半圆试块圆弧面滑动相对固定尺转动。
8.进一步地，所述两个不同半径的半圆试块连接为一整体部件；转动尺上固定连接有分别与两半圆试块的圆弧面相配合的两信号接收探头，或转动尺上导向滑动设置有一信号接收探头，该信号接收探头可移动至与两半圆试块的圆弧面相配合位置。
9.进一步地，所述信号接收探头包括接收探头本体及滑块总成，滑块总成包括外壳及转动安装于外壳上的微型轴承，外壳内形成有耦合油盒及探头安装槽；耦合油盒与微型轴承对应设置，用于润滑微型轴承及半圆试块的圆弧面，使微型轴承与半圆试块圆弧面润滑接触；接收探头本体通过弹簧活动安装于探头安装槽内，并与半圆试块圆弧面声耦合，接收被测量探头的信号；外壳外部设置有用于连接超声波探伤仪的探头连接器，探头连接器与接收探头本体电连接。
10.进一步地，所述耦合油盒内置有吸油海绵，吸油海绵与微型轴承接触设置。
11.进一步地，所述接收探头本体采用线接触式聚焦接收探头。
12.进一步地，所述角度测量装置采用具有清零功能的数显角度尺。
13.进一步地，所述半圆试块采用与探伤材料相同材质，以使测量的扩散角与实际探伤时超声波探头的声束扩散角一致。
14.进一步地，所述用于测量超声波探头声束扩散角的装置还包括试块固定支架，用于固定半圆试块，半圆试块通过连接于其两侧的连接块支撑设置于试块固定支架上。
15.进一步地，所述用于测量超声波探头声束扩散角的装置配置有测量数表，以通过查表快速得出扩散角。
16.由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
17.第一，利用两个不同半径的半圆试块可测得四个角度值，利用四个角度值和小半圆试块半径、大半圆试块半径构成的三角关系，可较精确的计算出主声束中心轴和声束边缘扩散线所形成的上、下扩散角，相比现有技术的测量方法更为精确，特别是小尺寸压电陶片具有大扩散角的情况下尤为突出，为超声波探伤行业提供一种快速、精确、有效的探头声束扩散角和折射角测量方法，填补了行业空白。
18.第二，本实用新型采用与探伤材料同质的半圆试块，使测得的扩散角与实际探伤的探头的声束扩散角一致；半圆试块通过连接块支撑设置于试块固定支架上，使得角度测量装置有更大的滑动弧长和测量旋转角度；通过设置耦合油盒，使微型轴承与半圆试块圆弧面润滑接触，可确保信号接收探头与半圆试块圆弧面的声传播；信号接收探头采用线接触式聚焦接收探头，角度测量装置采用数显角度尺，可保证测量精度，通用于不同频率探头的扩散角测量。
19.第三，本实用新型测量操作简单，并配置测量数表，可根据测得的角度值通过查表快速得到上、下扩散角值，免去了复杂的计算过程，可提高测量效率。
20.第四，本实用新型的测量装置适用范围广，除测量斜探头扩散角、折射角外，还可测量直探头的扩散角、声束中心偏移量，测量tofd探头的扩散角和折射角，测量小角度探头
的扩散角和折射角等；在现有装置的基础上，根据实际情况增加结构件后还可测量相控阵探头单元的近似球面波的声束中心偏差、声束副瓣和栅瓣的参数。
附图说明
21.图1是本实用新型具体实施方式的整体结构示意图；
22.图2是现有技术利用一块半圆试块测量直探头声束扩散角的原理示意图；
23.图3是现有技术利用一块半圆试块测量斜探头声束扩散角的原理示意图；
24.图4是本实用新型实施例1的用于测量超声波探头声束扩散角的装置的整体结构示意图；
25.图5是本实用新型实施例1的信号接收探头的剖视结构示意图；
26.图6是本实用新型利用两不同半径的半圆试块测量直探头声束扩散角的原理示意图；
27.图7是本实用新型利用两不同半径的半圆试块测量斜探头声束扩散角的原理示意图；
28.图8是本实用新型实施例2的用于测量超声波探头声束扩散角的装置的整体结构示意图。
29.图中：1.大半圆试块，2.小半圆试块，3.信号接收探头，31.接收探头本体，311.探头外壳，312.压电陶瓷片，313.压电陶瓷保护块，314.吸声块，32.外壳，33.微型轴承，34.耦合油盒，341.吸油海绵，35.探头安装槽，36.弹簧，37.探头连接器，38.引线，4.角度测量装置，41.固定尺，42.转动尺，421.零刻度线视窗，43.锁紧钮，5.试块固定支架，6.连接块。
具体实施方式
30.以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。
31.实施例1
32.参照图4至图7，本实用新型的一种用于测量超声波探头声束扩散角的装置，包括不同半径的半圆试块(大半圆试块1和小半圆试块2)、信号接收探头3、角度测量装置4、试块固定支架5及测量数表。信号接收探头3沿两半圆试块的圆弧面滑动设置，两半圆试块轴向平面中间形成被测探头放置位，角度测量装置4用于测量信号接收探头3的相对偏转角度。试块固定支架5用于固定半圆试块。
33.角度测量装置4采用具有清零功能的数显角度尺，包括固定尺41、转动尺42及锁紧钮43，转动尺42铰接于固定尺41上，铰接轴中心线与半圆试块的圆心同轴线，锁紧钮43用于将转动尺42相对固定尺41锁紧固定，固定尺41与半圆试块固定连接，转动尺42与信号接收探头3连接并随信号接收探头3沿半圆试块圆弧面滑动相对固定尺41转动。转动尺42上开设有零刻度线视窗421。
34.信号接收探头3包括接收探头本体31及滑块总成。滑块总成包括外壳32及转动安装于外壳32上的微型轴承33，外壳32内形成有耦合油盒34及探头安装槽35。耦合油盒34与微型轴承33对应设置，耦合油盒34内置有吸油海绵341，吸油海绵341与微型轴承33接触设置，用于润滑微型轴承33及半圆试块的圆弧面，使微型轴承33与半圆试块圆弧面润滑接触。接收探头本体31通过弹簧36活动安装于探头安装槽35内，并与半圆试块圆弧面声耦合，接
收被测量探头的信号。外壳32外部设置有用于连接超声波探伤仪的探头连接器37，探头连接器37通过引线38与接收探头本体31电连接。所述接收探头本体31采用线接触式聚焦接收探头，包括探头外壳311、压电陶瓷片312、压电陶瓷保护块313、吸声块314及电匹配器。
35.大半圆试块1、小半圆试块2圆心轴线对齐连接为一呈阶梯状的整体部件，该整体部件通过连接于大半圆试块1两侧的连接块6支撑设置于试块固定支架5上。转动尺42上固定连接有分别与大、小半圆试块的圆弧面相配合的两信号接收探头3。两半圆试块采用与探伤材料相同材质，以使测量的扩散角与实际探伤时超声波探头的声束扩散角一致。
36.测量数表用于通过查表快速得出扩散角，测量数表的数据按照计算公式通过计算机编程计算获得。测量数表经覆膜处理防水防油，极大方便了用户测量和使用，为探伤人员使用探头特性参数、提高探伤精度提供很大帮助。
37.参照图7，使用本实用新型的用于测量超声波探头声束扩散角的装置测量斜探头的声束扩散角，包括以下步骤：
38.1)用小半圆试块测量：
39.被测探头固定，把斜探头放置并耦合在小半圆试块2轴向平面中间的被测探头放置位上，前后移动探头使超声波探伤仪反射信号最强，把被测探头固定在小半圆试块2的该位置上；
40.折射角β角测量，滑动与信号接收探头3连接一体的转动尺42进行零角度校正，通过零刻度线视窗421把转动尺42的零刻度线转到与小半圆试块2的os刻度线对齐，此时如果数显角度尺角度示数不为0，则按下清零键将角度示数清零；然后沿小半圆试块2圆弧面顺时针拨动信号接收探头3，转动尺42随之转动，当信号接收探头3接收信号最强时，此时数显角度尺显示的角度为折射角β(此时把a型超声波探伤仪信号波调到100％波高，即满幅度)，记录数据；
41.当测量好折射角β后，按下清零键将角度示数清零，然后继续拨动信号接收探头3，转动尺42随之转动，当信号接收探头3接收信号下降－6db时(根据探伤需要，也有测－3db扩散角的)，此时信号接收探头3在图中a点，数显角度尺显示的角度为∠aoc1的角度值，记录数据；
42.用同样的方法逆时针拨动信号接收探头3，测得∠boc1的角度值；
43.2)用大半圆试块测量：
44.将被测探头移到大半圆试块1上，采用与小半圆试块2同样的方法，测得角∠aoc2、∠boc2的角度值；
45.3)根据小半圆试块2、大半圆试块1的半径r和r，和上述测得的角度值∠aoc1、∠boc1、∠aoc2、∠boc2，通过三角关系公式可计算出上扩散角θ
上
和下扩散角θ
下
。通过测量数表，根据∠aoc1、∠aoc2值直接查表得到上扩散角θ
上
数值，根据∠boc1、∠boc2值直接查表得到下扩展角θ
下
数值。
46.三角关系公式为：
47.[0048][0049]
参照图6，使用本实用新型的用于测量超声波探头声束扩散角的装置测量直探头的声束扩散角，与斜探头扩散角测量方法的区别是直探头测零度偏角，斜探头先测折射角β，其他方法完全一样。
[0050]
实施例2
[0051]
本实施例与实施例1的区别在于：转动尺42上导向滑动设置有一信号接收探头3，该信号接收探头3可移动至与两半圆试块的圆弧面相配合位置。测量时，通过沿转动尺42导向滑动信号接收探头3位置，使信号接收探头3分别与大半圆试块1和小半圆试块2滑动接触配合。
[0052]
实施例3
[0053]
参照图8，本实施例与实施例1的区别在于：两个不同半径的半圆试块分别配置信号接收探头3及角度测量装置4。两半圆试块分别通过连接于其两侧的连接块6支撑设置于试块固定支架5上。转动尺42采用透明材质，便于零位线对齐。
[0054]
上述仅为本实用新型的三个具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。