專利名稱：空氣耦合超聲檢測換能器聲場特性測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于空氣耦合超聲檢測換能器聲場特性測量的裝置，包括掃查機(jī)構(gòu)、超聲收發(fā)及信號采集系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、微孔遮聲器。
背景技術(shù)：
空氣耦合超聲換能器及空耦超聲檢測技術(shù)由于其非接觸的特點可以避免很多由于液體耦合所帶來的麻煩。傳統(tǒng)的超聲檢測方法需要專門的耦合劑(如水等)或采用完全水浸法來減少超聲波在傳輸介質(zhì)中的損耗，這些耦合條件限制了它在很多場合的應(yīng)用， 如被測對象不允許水浸入或不允許接觸，如多孔滲水材料、食品、藥品等的檢測，空氣耦合式超聲波無損檢測技術(shù)較好地彌補(bǔ)了這方面的不足，它具有非接觸、非侵入、完全無損的特點。其非接觸的優(yōu)勢使得空氣耦合式超聲檢測方法成為解決速無損檢測技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。但是由于換能器壓電晶片材料聲阻抗與空氣聲阻抗嚴(yán)重不匹配使得空耦換能器的效率低、頻帶窄、脈沖余振長，從而導(dǎo)致空氣耦合超聲波檢測系統(tǒng)無法達(dá)到一般超聲檢測系統(tǒng)的靈敏度、信噪比和分辨率。加之空氣耦合超聲檢測氣固界面的耦合過程中空氣和待檢固體材料之間存在巨大的聲阻抗差異，所以相比其他液體耦合介質(zhì)其信號幅值要低很多。由于這兩個耦合層面上的聲阻抗失配使得該技術(shù)一直沒有進(jìn)入實際應(yīng)用。但是近幾年隨著微小加工技術(shù)的發(fā)展以及高分子材料技術(shù)的進(jìn)步，高效率、高靈敏度的空氣耦合式超聲波換能器的制作取得了較大突破，加上低噪聲、高增益放大器的研制及與超聲波信號特性相適應(yīng)的數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，空氣耦合式超聲波無損檢測技術(shù)有了長足的進(jìn)步?？振顡Q能器聲場特性直接影響檢測的靈敏度和缺陷檢測的橫向和縱向分辨力。檢測的效果和聲場的性質(zhì)密切相關(guān)，所以超聲換能器的聲場特性是衡量換能器的性能的最重要因素。目前空氣耦合條件下的聲場特性的研究還不夠深入，國內(nèi)外尚沒有空耦聲場特性測量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在已有的空氣中超聲聲場測量方面，主要是光學(xué)法和微小接收器法，光衍射方法可以測量40KHz-2MHz頻率范圍的空耦換能器聲場分布，但該方法測量過程復(fù)雜，設(shè)備昂貴；微小接收器法中所使用的微小空氣聲場接收器制作困難，靈敏度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種空氣耦合超聲換能器聲場特性校準(zhǔn)裝置，解決空氣耦合超聲換能器的聲場特性校準(zhǔn)問題，實現(xiàn)自動化測量換能器聲場的焦距、焦區(qū)長度、焦區(qū)寬度以及聲束擴(kuò)散角特性。聲場特性校準(zhǔn)裝置工作原理是空耦換能器聲場測量需要在無氣流擾動情況下進(jìn)行，因為聲波通過空氣傳播，氣流會影響空耦聲場的分布，本裝置包含一個封閉透明測量倉，盡量減少氣流的影響。在進(jìn)行測量前，首先將接收換能器安裝在固定支架上，其軸向為Z軸方向。并通過聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將被測空耦換能器的聲束軸調(diào)整到與Z軸重合。測量時，超聲脈沖收發(fā)儀向換能器發(fā)射電脈沖信號，換能器在電脈沖信號的激勵下會輻射出超聲脈沖聲場，脈沖聲場在傳播途徑中被帶有微孔遮聲器的聲接收器接收，超聲脈沖收發(fā)儀對接收到的電脈沖信號進(jìn)行初步調(diào)理后將其傳送到數(shù)據(jù)采集卡中，數(shù)據(jù)采集卡對電脈沖信號進(jìn)行模數(shù)變換后由計算機(jī)計算出脈沖回波信號的峰值，將此電壓峰值作為聲信號的聲壓幅值，并近似將這個聲壓幅值當(dāng)作換能器輻射聲場中接收換能器孔徑中心所在點處的聲場聲壓幅值。由計算機(jī)通過運(yùn)動控制系統(tǒng)帶動超聲換能器相對于接收孔徑進(jìn)行空間掃描運(yùn)動，就可以測得空耦超聲換能器的空間聲場聲壓分布。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的測量裝置包括掃查機(jī)構(gòu)、超聲收發(fā)及信號采集系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、微孔遮聲器。在對超聲換能器聲場特性進(jìn)行測量時需要對換能器的聲場進(jìn)行一維和二維的自動掃查。通過對換能器聲軸方向的一維掃查得到換能器的聲軸線聲壓分布，從而得到焦距和焦區(qū)長度這兩個特性參數(shù)；通過對垂直于換能器輻射面及聲軸的二維掃查得到換能器不同軸向位置的聲束橫截面聲壓分布，通過對垂直于換能器輻射面但平行且包含聲軸的二維掃查得到換能器聲軸軸向剖面聲場聲壓分布，進(jìn)而可以得到兩個方向上的焦區(qū)寬度，最后通過計算程序得出各參數(shù)。測量裝置性能參數(shù)測量范圍Z軸 600mm，X 軸 300mm，Y 軸 300mm ；A 和 B 軸轉(zhuǎn)角士90° ；最大掃描速度為lOmm/s ；最小采樣間隔為0.05mm;數(shù)據(jù)采集卡采樣率為IOOM ；
四

圖1本發(fā)明空氣耦合超聲檢測換能器聲場特性測量裝置的原理2本發(fā)明微孔遮聲器結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)示意4五軸運(yùn)動掃查機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖
五具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明如圖1、圖2、圖3、圖4所示，此聲場特性測量裝置主要包括包括超聲收發(fā)及信號采集系統(tǒng)、掃查機(jī)構(gòu)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、微孔遮聲器。整個測量裝置由掃查機(jī)構(gòu)支撐。圖2中1為空氣耦合超聲換能器外殼，2為空氣背襯，3為壓電晶片，4為表面保護(hù)層，5為接收器的遮聲器，5為遮聲器透聲孔徑。圖3中1為被測空氣耦合超聲換能器，2為A軸姿態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)，3為連接導(dǎo)桿，4為 B軸姿態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)，通過調(diào)節(jié)聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的A B軸位置姿態(tài)將被測空耦換能器的聲束軸調(diào)整到與Z軸重合。圖4中的五維運(yùn)動掃查機(jī)構(gòu)是由X、Y、Z三個平動掃查軸和Α、Β兩個轉(zhuǎn)動掃查軸以及X、Y、Z三個方向的導(dǎo)軌組成，X、Y方向為水平運(yùn)動方向，Z方向為垂直運(yùn)動方向，A轉(zhuǎn)動方向為繞Z軸轉(zhuǎn)動方向，B轉(zhuǎn)動方向為繞Y軸轉(zhuǎn)動方向。五維運(yùn)動掃查機(jī)構(gòu)共有三個對應(yīng) X、Y、Z方向的Al、Α2、A3平動滑塊和兩個對應(yīng)A、B轉(zhuǎn)動方向的Α4、Α5轉(zhuǎn)動軸以及L0、Li、 L2、L3、L4、L5六組連桿，其中連桿LO是基礎(chǔ)連桿，連桿L5是終端連桿，上面裝夾換能器。 Χ、Υ、Ζ三個平動掃查軸都配有運(yùn)動導(dǎo)軌，其中為了保證掃查機(jī)構(gòu)的精度和剛度，X方向的導(dǎo)軌是一對平行導(dǎo)軌。運(yùn)動控制系統(tǒng)方案PC+多軸運(yùn)動控制卡+驅(qū)動單元。上下位機(jī)雙CPU的主從型開放式多軸伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，五自由度精密位置伺服系統(tǒng)由多軸運(yùn)動控制卡、驅(qū)動器、伺服電機(jī)以及位置編碼器組成。工控機(jī)與多軸運(yùn)動控制卡通過PCI總線相聯(lián)，實現(xiàn)上下位機(jī)的運(yùn)動控制。上位機(jī)主要完成人機(jī)界面、運(yùn)動路徑規(guī)劃和控制決策，下位機(jī)主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、速度處理和伺服運(yùn)動控制。伺服電機(jī)內(nèi)外環(huán)反饋，可實現(xiàn)速度和位置的雙重反饋控制， 提高檢測精度。在對空氣耦合超聲換能器聲場聲壓分布進(jìn)行測量時，是由數(shù)據(jù)采集卡對透過微孔遮聲器傳到接收器的脈沖信號進(jìn)行采樣，計算出信號的峰值，并將此峰值作為聲壓幅值。
權(quán)利要求
1.一種空氣耦合超聲檢測換能器聲場特性自動化測量裝置，其特征在于掃查機(jī)構(gòu)、 超聲收發(fā)及信號采集系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、微孔遮聲器和密閉艙構(gòu)成，密閉艙位于掃查架的內(nèi)部，處于掃查架運(yùn)動機(jī)構(gòu)的下方；微孔遮聲器安裝在被測換能器發(fā)射端面；空氣耦合超聲換能器架通過螺紋固定在聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)桿固定在掃查架的豎直運(yùn)動軸上；數(shù)據(jù)采集器與被測超聲換能器之間用信號線連接；運(yùn)動控制器與步進(jìn)電機(jī)之間用信號線和電源線連接；步進(jìn)電機(jī)通過螺紋固定在掃查架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述掃查架具有四根支撐桿，兩根X方向?qū)к?，一根Y方向?qū)к墸桓鵝方向?qū)к?，兩個轉(zhuǎn)動副A和B ；其中，所述四根支撐桿通過螺紋連接四個地角螺母，可實現(xiàn)四根支撐桿高度的調(diào)整；所述兩根X方向?qū)к壨ㄟ^螺紋固定在四根支撐桿上，并跟與其連接的支撐桿呈90度夾角；所述Y方向?qū)к壨ㄟ^螺紋固定在X 方向?qū)к壍幕瑝K上；所述Z方向?qū)к壨ㄟ^螺紋固定在Y方向?qū)к壍幕瑝K上；所述兩個轉(zhuǎn)動副分別安裝在Z軸滑塊終端，在轉(zhuǎn)動平面分別在TL平面和TL平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述密閉艙的內(nèi)表面粘貼吸聲材料，并具有大測量范圍，達(dá)到X方向600毫米，Y方向300毫米，Z方向300毫米，A和B轉(zhuǎn)動軸范圍為 士90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述空氣耦合超聲換能器架包括超聲換能器的信號導(dǎo)管和信號導(dǎo)管固定機(jī)構(gòu)，所述信號導(dǎo)管固定機(jī)構(gòu)通過螺紋固定在Z方向?qū)к壍幕瑝K上，所述信號導(dǎo)管由兩個頂絲固定在所述信號導(dǎo)管固定機(jī)構(gòu)上，所述信號導(dǎo)管的一端連接有被測超聲換能器，另一端連接有數(shù)據(jù)處理器和超聲信號激發(fā)接收電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述微孔遮聲器由換能器外殼、支架和遮聲片組成，所述遮聲片的透聲孔徑在1. 5mm-3mm之間，并且所述遮聲片的表面是光滑的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于空氣耦合超聲檢測換能器聲場特性測量的裝置，解決空氣耦合超聲換能器的聲場特性校準(zhǔn)問題，實現(xiàn)自動化測量換能器聲場的焦距、焦區(qū)長度、焦區(qū)寬度以及聲束擴(kuò)散角特性。本發(fā)明的聲場測量的裝置包括掃查機(jī)構(gòu)、超聲收發(fā)及信號采集系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、微孔遮聲器。測量系統(tǒng)的超聲收發(fā)模式是一發(fā)一收的方式，并在封閉透明倉內(nèi)進(jìn)行，測量時將接收換能器安裝在固定支架上，并通過聲軸對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將被測空耦換能器的聲束軸調(diào)整到與Z軸重合?？諝怦詈铣晸Q能器發(fā)射的脈沖聲場被附加了微孔遮聲器的接收換能器接收，通過數(shù)據(jù)采集卡由計算機(jī)計算出脈沖回波信號的峰值，將此電壓峰值作為聲信號的聲壓幅值。由計算機(jī)通過運(yùn)動控制系統(tǒng)帶動超聲換能器相對于接收孔徑進(jìn)行空間掃描運(yùn)動，就可以測得空耦超聲換能器的空間聲場聲壓分布。
文檔編號G01H17/00GK102279045SQ20111011225
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者周世圓, 孔濤, 徐春廣, 潘勤學(xué), 肖定國, 趙新玉, 郝娟 申請人:北京理工大學(xué)