一種適用于超聲波測(cè)厚領(lǐng)域的弧面聚聲波導(dǎo)裝置，在保證超聲波不發(fā)生頻散及保真的情況下，其與換能器圓面接觸面為寬面，能最大限度地接收換能器的能量，并在傳導(dǎo)過程中，通過弧面聚焦方式，把接收的能量全部傳導(dǎo)到一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的矩形窄面上，不但使接收的超聲波能量沒有散失，而且整個(gè)超聲波傳導(dǎo)行程中最多只經(jīng)過一次反射，有效地減少了能量衰減，也減少了使超聲波發(fā)生頻散或失真的誘發(fā)因素，還適合與管道等彎曲測(cè)量面連接。本發(fā)明專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在接收能量不損失的情況下，把超聲波從寬面?zhèn)鲗?dǎo)到窄面，再?gòu)恼鎮(zhèn)骰氐綄捗妫鉀Q了超聲測(cè)厚領(lǐng)域的一個(gè)實(shí)用問題。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種用于超聲無損檢測(cè)中的弧面聚聲波導(dǎo)裝置，特別適用于高溫管道和外表面為曲面的管道厚度檢測(cè)。
技術(shù)介紹
使用超聲波測(cè)厚是一種公開透明的實(shí)用技術(shù)，常規(guī)做法是把超聲波換能器做成的超聲波探頭直接作用于被測(cè)物體表面，超聲探頭內(nèi)包含發(fā)射聲波換能器和接收聲波換能器，由發(fā)射聲波換能器發(fā)出的超聲波在被測(cè)物體表面和內(nèi)表面均有反射波存在，通過用于接收的所述換能器依次接收外表面和內(nèi)表面反射波，根據(jù)二個(gè)回波的時(shí)間差乘以超聲波的聲速，來計(jì)算被測(cè)物體的厚度。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在石油煉化企業(yè)，存在許多高溫作業(yè)的惡劣環(huán)境，高溫管道外表有保溫層，每次測(cè)量時(shí)需拆除保溫層，另外人到達(dá)高溫環(huán)境內(nèi)還存在安全隱患，所以把超聲探頭永久固定到管道外表面，變成在線定點(diǎn)測(cè)厚，這樣不用測(cè)量人員再到現(xiàn)場(chǎng)去，測(cè)量信號(hào)采用無線或有線的方式，隨時(shí)把測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)。但管道外表的溫度最高達(dá)約攝氏600度，超聲探頭不能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間處在高溫的環(huán)境，所以超聲波導(dǎo)成為了一個(gè)選項(xiàng)，把超聲波通過波導(dǎo)傳輸?shù)奖粶y(cè)物體上，使超聲探頭所處的位置溫度處于其適合的溫度范圍。超聲波有橫波和縱波二種振動(dòng)模式。縱波振動(dòng)方向與超聲波傳播方向相同，縱波穿透能力較弱；橫波振動(dòng)方向與超聲波傳波方向垂直，只沿一個(gè)方向振動(dòng)的橫波叫偏振波，橫波穿透能力較強(qiáng)。根據(jù)超聲波不同的振動(dòng)模式選擇使用適合的波導(dǎo)裝置，目的是使超聲波的振動(dòng)頻率和振動(dòng)模式不發(fā)生改變，使聲波檢測(cè)裝置能檢測(cè)并有效識(shí)讀到很好的反射回波。聲波只能沿直線方向傳播，遇到阻礙后在阻礙平面會(huì)發(fā)生反射和折射，反射和折射均會(huì)造成能量損失。選擇波導(dǎo)，需從“使振動(dòng)模式不發(fā)生改變、減少能量損失及不發(fā)生頻散”幾個(gè)因素來考慮。對(duì)于圓柱狀波導(dǎo)桿、細(xì)絲狀波導(dǎo)絲、或由若干絲狀組成的波導(dǎo)束，適合縱波；對(duì)于矩形截面波導(dǎo)桿或矩形截面細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶，則適合橫波。用上述波導(dǎo)裝置傳導(dǎo)超聲波都是已有的技術(shù)。其中專利號(hào)為CN 101976562 A的超聲無損檢測(cè)專利描述了一種偏振橫波超聲波在寬厚比大于I的矩形細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶中的傳輸?shù)那樾危瑘D1是能體現(xiàn)該專利的實(shí)例之一，以圖1為例，其傳輸特點(diǎn)為:超聲波為橫波偏振波，其為單一的振動(dòng)方向，振動(dòng)方向與超聲波傳波方向垂直，并平行于矩形細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶的二個(gè)寬度為15mm的平面。一束超聲波從截面為圓形的發(fā)射換能器發(fā)出，沿1Χ15(_)的矩形截面進(jìn)入細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶，超聲波只能按直線方向傳播，在遇到波導(dǎo)帶側(cè)壁后反射向另一側(cè)壁，超聲波在波導(dǎo)帶的二個(gè)側(cè)壁之間來回反射中前行，直至傳出波導(dǎo)帶進(jìn)入被測(cè)樣件。超聲波在遇到樣件底面后反射，反射波進(jìn)入接收波導(dǎo)帶，同樣沿波導(dǎo)帶傳輸?shù)接糜诮邮盏乃鰮Q能器接收。細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶允許小角度的彎曲變形是其主要特點(diǎn)，波導(dǎo)帶的厚度小和即使在波導(dǎo)帶彎曲的情況下二側(cè)壁也是平行的特點(diǎn)，可以保證超聲波從入射面到出射面之間所走過的行程盡量短，且聲波的傳波方向和行程保持一致，能減小能量損失和頻散。超聲波的偏振方向與波導(dǎo)帶的二個(gè)側(cè)面平行，保證超聲波在二個(gè)側(cè)壁之間反射時(shí)，其正弦振蕩的波形不散，從而保證其頻率不變，盡量減少頻散現(xiàn)象，使接收端能接到高保真的反射信號(hào)。根據(jù)上述
技術(shù)介紹
，存在的問題是:I)、在石化企業(yè)，多數(shù)被測(cè)物為圓形管道，上述已知的波導(dǎo)裝置中，圓柱狀或矩形波導(dǎo)桿，如圖2所示，其與管道圓形外壁接觸為線接觸，即使壓緊變形的情況下，接觸面也基本為1_，只能通過使用耦合劑來擴(kuò)大接觸面，而耦合劑只是瞬間使用，在測(cè)厚探頭與管道長(zhǎng)時(shí)間不間斷接觸的情況下，耦合劑也不可行，所以只能通過減小接觸面，通過如圖1所示的1X15 (mm)的接觸面，采用強(qiáng)力壓緊方式，使波導(dǎo)面與被測(cè)管道之間沒有空氣，使超聲波能在沒有耦合劑的情況下能很好的通過界面進(jìn)入被測(cè)管道，不至于引入空氣參與。2)、采用細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶方式，有諸多不利因素。第一，超聲換能器發(fā)聲界面均為圓形，其發(fā)射面直徑固定不變。細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶的最優(yōu)外形尺寸是厚度小于I倍的波長(zhǎng)(λ)，寬度大于5倍的波長(zhǎng)，以超聲波橫波在金屬中的傳輸速度為C = 3200m/S，振動(dòng)頻率以F = 2.5MHz計(jì)算，則波長(zhǎng)λ = C/F = 1.28mm，厚度越小越有助于聲波保真不發(fā)生頻散。以圖1中厚度為1mm、寬度為15mm的細(xì)長(zhǎng)的矩形截面計(jì)算，對(duì)發(fā)射能量的利用率僅為十分之一。第二，細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶允許出現(xiàn)彎曲是其一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且在實(shí)際應(yīng)用中也不可能保證鋼性直線，所以超聲波必然在細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶的二個(gè)側(cè)面間來回反射中前行，每次反射都伴隨著折射，每次反射和折射都有能量衰減，反射次數(shù)越多能量衰減越多。第三，超聲波在細(xì)長(zhǎng)波導(dǎo)帶中來回反射前行，不能保證在超聲波射入被測(cè)物體內(nèi)時(shí)的入射角，盡管角度很小，但也會(huì)給接收反射波的波導(dǎo)帶接收位置及角度造成影響，使固定的接收角不是最佳。本專利技術(shù)是針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足提出，弧面聚聲波導(dǎo)裝置能充分利用換能器能量，能保證入射角，聲波在波導(dǎo)中最多經(jīng)過I次反射和折射，減少能量衰減，還能減少弓I起波形頻散或扭曲的誘發(fā)因素。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于設(shè)計(jì)一種新型的適用于超聲波測(cè)厚領(lǐng)域的弧面聚聲波導(dǎo)裝置，解決上述問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下:—種適用于超聲波測(cè)厚領(lǐng)域的弧面聚聲波導(dǎo)裝置，包括發(fā)射波導(dǎo)和接收波導(dǎo)；所述發(fā)射波導(dǎo)和所述接收波導(dǎo)組成成對(duì)波導(dǎo)，所述發(fā)射波導(dǎo)和所述接收波導(dǎo)之間的跨度a>0 ；所述發(fā)射波導(dǎo)和所述接收波導(dǎo)均包括上下連接的矩形部分和弧面部分；所述矩形部分的上表面為A截面，所述矩形部分與所述弧面部分之間的連接面為B截面，所述弧面部分的下表面為C截面；所述A截面和所述B截面均為矩形截面；所述C截面為矩形截面；所述矩形部分為所述A截面和所述B截面之間的截面形狀為矩形的規(guī)則條塊，其間平行于所述A截面和所述B截面的所有截面形狀及尺寸均與所述A截面和所述B截面相同；所述弧面部分還包括H面、G面、M面和N面；所述H面、所述G面、所述M面和所述N面的上端均連接到所述B截面，所述H面、所述G面、所述M面和所述N面的下端連接到所述C截面；所述G面是平面，所述G面垂直于所述A截面和所述B截面；所述M面和所述N面也垂直于所述A面和所述B面；所述H面是個(gè)弧面，其從所述B截面開始向所述G面彎曲，直到所述C截面；所述H面向所述G面彎曲過程中，其中每一個(gè)與所述B截面平行的拋面中其在所述G面上的線段與所述H面上的線段平行；所述H面的彎曲弧度保證從A截面所有垂直向下射到所述H面上的超聲波均一次性反射到所述C截面上。所述H面為兩個(gè)，分別位于所述G面的兩側(cè)，所述G面為虛擬平面。兩個(gè)所述H面在所述G面的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置。所述M面和/或所述N面上沿寬向往兩側(cè)設(shè)置各種形狀的擴(kuò)展部分。所述H面從所述B截面開始向所述G面彎曲，到所述C截面時(shí)彎曲到距所述G面的距離為小于2.5 λ。所述H面從所述B截面開始向所述G面彎曲，到所述C截面時(shí)彎曲到距所述G面的距離為0.5 λ -1 λ 0所述A截面的大小與所述換能器的圓面大小適配。所述H面的彎曲弧度經(jīng)過聲線追蹤得到。聲波從所述發(fā)射波導(dǎo)的所述C截面以一定的角度射出，能從對(duì)稱角度進(jìn)入所述接收波導(dǎo)的所述C截面，并且均能按與原入射路線相同形式的路線返回，直到進(jìn)入用于接收的所述換能器。所述A截面和所述B截面間的距離根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度及現(xiàn)場(chǎng)高溫環(huán)境允許程度調(diào)整，使從被測(cè)物熱源傳到A截面的熱量適合所述換能器長(zhǎng)期有效工作本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種適用于超聲波測(cè)厚領(lǐng)域的弧面聚聲波導(dǎo)裝置，其特征在于：包括發(fā)射波導(dǎo)和接收波導(dǎo)；所述發(fā)射波導(dǎo)和所述接收波導(dǎo)組成成對(duì)波導(dǎo)，所述發(fā)射波導(dǎo)和所述接收波導(dǎo)之間的跨度a>0；所述發(fā)射波導(dǎo)和所述接收波導(dǎo)均包括上下連接的矩形部分和弧面部分；所述矩形部分的上表面為A截面，所述矩形部分與所述弧面部分之間的連接面為B截面，所述弧面部分的下表面為C截面；所述A截面和所述B截面均為矩形截面；所述C截面為矩形截面；所述矩形部分為所述A截面和所述B截面之間的截面形狀為矩形的規(guī)則條塊，其間平行于所述A截面和所述B截面的所有截面形狀及尺寸均與所述A截面和所述B截面相同；所述弧面部分還包括H面、G面、M面和N面；所述H面、所述G面、所述M面和所述N面的上端均連接到所述B截面，所述H面、所述G面、所述M面和所述N面的下端連接到所述C截面；所述G面是平面，所述G面垂直于所述A截面和所述B截面；所述M面和所述N面也垂直于所述A面和所述B面；所述H面是個(gè)弧面，其從所述B截面開始向所述G面彎曲，直到所述C截面；所述H面向所述G面彎曲過程中，其中每一個(gè)與所述B截面平行的拋面中其在所述G面上的線段與所述H面上的線段平行；所述H面的彎曲弧度保證從A截面所有垂直向下射到所述H面上的超聲波均一次性反射到所述C截面上。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李欣波，周光森，楊陽，楊富淋，鄭麗群，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：遼寧;21
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