可顯示操作者施加壓力大小的超聲探頭的研制

王　勇，權(quán)福寶，藍(lán)　錦，潘萬苗，陳　威

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 安徽電力建設(shè)第二工程有限公司， 合肥 230000; 2.中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

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可顯示操作者施加壓力大小的超聲探頭的研制

王勇1，權(quán)福寶2，藍(lán)錦1，潘萬苗1，陳威1

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 安徽電力建設(shè)第二工程有限公司， 合肥 230000; 2.中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

手動(dòng)超聲檢測(cè)掃查時(shí)，回波信號(hào)與操作者對(duì)探頭施加壓力的大小有密切關(guān)系。為消除回波信號(hào)差異引起的缺陷評(píng)定分歧，在常規(guī)超聲探頭的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子秤的原理，通過添加壓電傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、信號(hào)燈等結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造了一種新型的可顯示操作者施加壓力大小的超聲探頭，可有效提高評(píng)定結(jié)果的一致性和可靠性。

超聲檢測(cè)；探頭；壓電傳感器；數(shù)模轉(zhuǎn)換器

在手動(dòng)超聲檢測(cè)工作中，回波信號(hào)的形態(tài)與操作者對(duì)探頭施加的壓力有著密切的關(guān)系。 肖峰等[1]對(duì)此已做了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)操作者的按壓習(xí)慣不同會(huì)導(dǎo)致回波波峰有較大差異；此類差異會(huì)給缺陷的評(píng)定帶來分歧，降低評(píng)定結(jié)果的一致性和可靠性。

針對(duì)以上問題，筆者研制了一種可顯示操作者對(duì)探頭施加壓力的大小的超聲探頭，以便規(guī)范和統(tǒng)一按壓壓力，使不同操作者盡量得到相同的評(píng)定結(jié)果，從而提高評(píng)定結(jié)果的可靠性;并且,能在見證方見證時(shí)，取得各方一致認(rèn)可的評(píng)定結(jié)果。

1　設(shè)計(jì)思路

優(yōu)化改進(jìn)試驗(yàn)儀器設(shè)備時(shí)，應(yīng)圍繞著簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低廉[2-3]等幾個(gè)理念進(jìn)行。所以,對(duì)超聲探頭的優(yōu)化，應(yīng)在原有的超聲探頭上進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦黾雍透难b，盡量不明顯增大原有探頭的體積和重量，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而應(yīng)用廣泛。設(shè)計(jì)原理是結(jié)合生活中常用的電子秤的原理，通過增加按壓傳感結(jié)構(gòu)和數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化按壓信號(hào)并將其顯示出來。

設(shè)計(jì)的探頭包括兩部分：常規(guī)超聲探頭部分和傳力轉(zhuǎn)換部分。常規(guī)超聲探頭部分，就是平時(shí)常見的各類超聲探頭本身的結(jié)構(gòu)。以常用的雙晶斜探頭為例[4]，它包含壓電晶片、阻尼塊，吸聲材料和斜楔等部分。常規(guī)超聲探頭部分，負(fù)責(zé)正常的收發(fā)超聲波信號(hào)功能。傳力轉(zhuǎn)換部分是需要添加的結(jié)構(gòu)，位于常規(guī)探頭結(jié)構(gòu)的上方,包含微型電池、壓電傳感器和電路板。其中,電路板上附有測(cè)量電路及數(shù)模轉(zhuǎn)換器；探頭結(jié)構(gòu)和傳力轉(zhuǎn)換部分由吸聲材料層隔開。傳力轉(zhuǎn)換部分可由壓電傳感器將探頭上方外殼接收到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)經(jīng)過測(cè)量電路放大后再進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(芯片),顯示成相應(yīng)大小的壓力信號(hào)(壓力單位可以是帕斯卡或牛頓)。顯示壓力大小的信號(hào)，可以由超聲波儀器讀出，直接顯示在示波器屏幕上。同時(shí)，也可再經(jīng)過一個(gè)簡(jiǎn)單的微型電路，根據(jù)安裝在探頭外殼上的信號(hào)燈是否發(fā)光來進(jìn)行判定:當(dāng)所施加壓力在約定的合理范圍值以內(nèi)時(shí)，信號(hào)燈發(fā)光；偏離合理范圍時(shí)，信號(hào)燈不發(fā)光。

2　功能的具體實(shí)現(xiàn)

筆者以常用的改裝后的斜探頭(見圖1)為例，進(jìn)行具體的功能說明：下部為常規(guī)的超聲探頭結(jié)構(gòu)，包含斜楔、壓電晶片、阻尼塊等，負(fù)責(zé)超聲波信號(hào)的收發(fā)功能；吸聲材料填充物，填充在斜楔上部的空隙中，起吸收雜波、穩(wěn)定信號(hào)的作用。

圖1　改裝后的超聲波斜探頭示意

常規(guī)超聲探頭上方，由吸聲材料隔層將探頭內(nèi)部空間隔離成相對(duì)獨(dú)立的上下兩部分。吸聲材料隔層上部的空間里裝有微型電池、電路板和壓電傳感器:電路板附有測(cè)量、處理電信號(hào)的電路和將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為力學(xué)數(shù)據(jù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(芯片)；壓電傳感器感應(yīng)壓力的一側(cè)鑲嵌在上部外殼的開孔中。在上部外殼的前側(cè)面裝有信號(hào)燈和電池開關(guān)，信號(hào)燈和電路板連接。

進(jìn)行超聲波檢測(cè)前，要先用探頭在標(biāo)準(zhǔn)試塊上進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。首先，將探頭與超聲波儀器連接，打開電池開關(guān)，操作者用手指按壓壓電傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)操作；壓電傳感器檢測(cè)到壓力信號(hào)后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)被輸入電路板，經(jīng)過測(cè)量電路的放大處理傳入數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過處理后輸出為顯示壓力大小的信號(hào)，并顯示在顯示屏上；記錄下操作者在完成校準(zhǔn)損傷過程中的平均按壓值大小a;再召集委托方和檢測(cè)方約定一個(gè)合理的壓力浮動(dòng)范圍b%。

接下來，在芯片中燒錄入程序：當(dāng)按壓值在(a±b%)內(nèi)時(shí)，輸出信號(hào)使信號(hào)燈發(fā)光；當(dāng)按壓值偏離(a±b%)時(shí)，輸出信號(hào)使信號(hào)燈不發(fā)光。

需要說明的是,目前尚沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測(cè)時(shí)按壓的壓力大??；若將來頒布了相關(guān)規(guī)定，在錄入程序時(shí)，可對(duì)a和b%進(jìn)行相應(yīng)的更改替換。

3　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)時(shí)，將探頭與超聲檢測(cè)儀器連接好，打開電池開關(guān)；操作者可憑以往經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)用力按壓探頭操作即可，不必刻意保持壓力恒定，在檢測(cè)掃查的過程中發(fā)現(xiàn)可疑的波峰時(shí)，找到波峰最高處，再用手指按壓壓電傳感器，調(diào)整按壓壓力使得壓力值落入預(yù)定的范圍值內(nèi)(即使信號(hào)燈發(fā)光)，進(jìn)一步進(jìn)行仔細(xì)判定，以便能有效降低評(píng)定分歧。同時(shí)信號(hào)燈是否發(fā)光也是旁觀者可見的，有利于見證方從旁見證。

校準(zhǔn)好超聲探頭后，即便是在不支持直接讀取壓力數(shù)據(jù)大小的超聲檢測(cè)儀器上，也可只憑觀察信號(hào)燈的發(fā)光情況來判斷按壓大小是否合適，則有效擴(kuò)大了此探頭的使用范圍。

其他類型的超聲探頭在設(shè)計(jì)改裝時(shí)，其下部的常規(guī)探頭結(jié)構(gòu)不變，在上部增加相應(yīng)的傳力轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)即可。

4　結(jié)語

結(jié)合電子秤原理，對(duì)超聲探頭進(jìn)行較為簡(jiǎn)單地加裝和改造，研制出一種新型的可顯示操作者施加壓力大小的超聲探頭，能有效降低缺陷評(píng)定的分歧，提高超聲檢測(cè)的可靠性。該改裝方法簡(jiǎn)單易行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便捷，且改造成本不高，值得進(jìn)一步試驗(yàn)和推廣。

[1]肖峰, 俞衛(wèi)權(quán), 桂興亮. 超聲檢測(cè)時(shí)探頭壓力對(duì)缺陷尺寸評(píng)定的影響[J]. 無損檢測(cè), 2015, 37(6): 74-76.

[2]王勇, 藍(lán)錦, 劉志權(quán). 一種手搖式伽馬探傷機(jī)的附加傳動(dòng)裝置[J]. 無損檢測(cè), 2015, 37(9): 78-79.

[3]王勇, 吳凱, 陳海英,等. 一種辨別暗袋曝光的方法[J]. 無損檢測(cè),2015,37(11):82-83.

[4]鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè) [M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008:101-102.

Development of an Ultrasonic Probe Capable of Displaying Pressure from the Operator

WANG Yong1, QUAN Fu-bao2, LAN Jin1, PAN Wan-miao1, CHEN Wei1

(1. Anhui No.2 Electric Power Engineering & Construction Corporation Ltd., China Energy Engineering Group Co., Ltd.,Hefei 230000, China; 2.China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

In manual ultrasonic testing, there is a close relationship between return signals and the press habits of operator. In order to reduce assessment differences caused by different return signals, a new type ultrasonic probe which can show pressures from the operator has been developed. On the basis of frequently-used type and combined with the principle of electric scale, the new type probe was refitted by adding several electronic components such as piezoelectric sensor, digital to analog converter and signal lamp. Both consistency and reliability of defects assessment have been improved effectively.

Ultrasonic testing; Probe; Piezoelectric sensor; Digital to analog converter

2015-12-15

王勇(1988-)，男，碩士，工程師,主要從事承壓設(shè)備無損檢測(cè)及相關(guān)設(shè)備器材的優(yōu)化改進(jìn)工作。

王勇,E-mail: yvb12345@163.com。

10.11973/wsjc201606014

TG115.28

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1000-6656(2016)06-0058-02