一种检测复合材料结构内腔R区的超声扫查器及扫查方法

摘要

本发明属于复合材料无损检测技术，涉及一种检测复合材料结构内腔R区的超声扫查器及扫查方法。超声扫查器包括R区超声探头、超声探头安装座、后导向板、前导向板、盖板、连接螺钉、连接柱、连接器、软管、连接螺栓和操作杆；超声扫查方法是将R区超声探头安装在超声探头安装座中，使R区超声探头前端与被检测R区表面接触；将软管与外部供水回路连接；将R区超声探头与外部超声检测仪器连接，通过操作杆带动R区超声探头沿复合材料结构内腔长度方向作扫查运动，实现对复合材料结构内腔R区检测。本发明极大地改善了复合材料结构封闭内腔R区超声接触扫查的稳定性和检测可达性、显著提高了检测结果的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料等结构的无损检测技术，涉及一种检测复合材料整体结构 内腔R区的超声扫查器及扫查方法。

背景技术

复合材料等整体结构是航空、航天、民航、电子、兵器、船舶、电力等领域设 计采用的一种重要工程结构，通常设计有内腔或内孔结构特征。由于这类结构通常 多属承力结构，因此工程上要求必须进行100%无损检测。而由于这类整体结构内腔 的封闭性和不可达性，通常难以对其实现无损检测。

目前技术上主要是采用超声方法实现复合材料等整体结构内腔R区的无损检 测，通过超声探头中的声学换能传感器发射/接收声波信号，根据接收到的回波信号 变化规律，进行缺陷判别；目前主要有两种超声检测方法：一种是在复合材料整体 结构的开敞的外侧对内腔R区部位检测；另一种是从复合材料整体结构内腔开口端 对内腔R区部位检测。相应的超声探头有两种结构形式：一种是手持式超声探头， 主要用于从复合材料整体结构开敞的外侧对R区的检测，但这种超声探头的入射角 固定和几何前沿大，盲区大，耦合不稳定，易漏检且检测效果不好；另一种是采用 带有连接杆的超声探头，利用悬浮式的连接杆将超声探头从开口端伸到复合材料整 体结构封闭内腔，通过旋转机械连杆改变超声探头的角度，实现对整体结构内腔R 区部位的扫查和检测，难以保证超声探头在扫查过程中与R区获得可靠地的入射角 度和方向，从而影响检测效果和检测结果可靠性。因此，目前用于复合材料整体结 构内腔R检测的超声探头，其突出的不足主要包括：

（1）目前用于复合材料等整体结构内腔R区的超声探头，其突出的不足是：（a） 表面检测盲区大，通常在0.8-1mm以上；（b）来自超声探头的声波信号质量不高， 信号规律不清晰，影响缺陷判别和定性分析；（c）分辨率低。本发明专利采用宽带 窄脉冲超声探头，使超声探头的超声输出信号达到严格单周特性，信号质量和信噪 比显著提高，信号规律更清晰，缺陷判别与定性分析更准确，检测盲区可以达到复 合材料单个铺层厚度。

（2）对于复合材料等整体结构封闭内腔R区部位，目前主要采用超声扫查检 测方法，一种方法是将超声探头通过刚性机械连杆伸到被检测复合材料等整体结构 封闭内腔R区部位，通过操作机械连杆，实现超声探头对被检测复合材料整体结构 封闭内腔r区的扫查检测，其突出的不足是：（a）由于复合材料等整体结构内腔R 区结构的复杂性和表面曲率的变化，很难通过外部刚性连接杆实现对超声探头的控 制，难以保证其与被检测内腔R区表面之间形成稳定的声学耦合，从而导致超声探 头发射/接收信号的严重不稳定，影响检测结果的可靠性；（b）扫查过程中通过外部 刚性连接杆，难以保证探头的姿态和位置随被检测封闭内腔R区进行稳定的形面跟 踪，从而影响超声检测结果可靠性；另一种方法是从复合材料整体结构开敞外侧对 内腔R区部位检测，其突出的不足是，由于内腔R区几何外形原因，超声探头不能 有效地接收到来自内腔R区回波信号，从而造成内腔R区漏检。

（3）对于内部空间较大和规则的短行程复合材料结构内腔R区，目前也有通 过专用检测装置设计，将超声探头安装在扫查机构上，通过控制扫查结构实现超声 探头的角度的变化，尽量使扫查过程中超声探头的声波入射方向与复合材料结构内 腔R区的径向一致，以获取有效地超声检测信号，实现对整体结构内腔R区的超声 检测，其突出的不足是：需要专门的喷水系统才能实现稳定的声波耦合，技术成本 昂贵，对于大多数整体结构，因可达性、场地、环境条件等原因，难以实现对复合 材料工程结构封闭内腔R区进行自动扫查检测，而且这种方法通常超声探头处于悬 臂安装状态，扫查过程中超声探头的颤动会显著影响检测信号的稳定和质量，从而 容易造成漏检和误判。

发明内容

本发明针对复合材料等整体结构端头开口的封闭内腔R区部位的无损检测，发 明了一种检测复合材料结构内腔R区的超声扫查器及超声扫查方法，以实现复合材 料结构内腔R区部位高分辨率超声检测，提高复合材料结构内腔R区部位检测可靠 性，避免漏检。

本发明的技术解决方案是，超声扫查器包括R区超声探头、超声探头安装座、 后导向板、前导向板、盖板、连接螺钉、连接柱、连接器、软管、连接螺栓和操作 杆，

R区超声探头上端为一圆柱体形状，在该柱体外侧有周向螺纹，且此螺纹与超 声探头安装座中心孔圆周内螺纹匹配，R区超声探头下端为锥形耦合腔，锥形耦合 腔内部充满液体，由锥形耦合腔外侧的软膜对耦合腔内的液体密封；

超声探头安装座由一圆柱体加工而成，在该圆柱体中心轴线方向加工有一带内 螺纹的轴向中心孔，该轴向中心孔的内螺纹与R区超声探头上端外侧周向螺纹匹配， 轴向中心孔上端两侧棱边倒角，在超声探头安装座的前后两侧加工有对称的弧形耳 边，每个弧形耳边两端加工有对称的两个螺纹孔，螺纹孔与连接螺栓匹配，在弧形 耳边的中心部位加工有螺纹孔；

后导向板和前导向板为对称结构，后导向板由一矩形非金属板加工而成，后导 向板的下端左右两直角位置切成两斜边，两个斜边分别与被检测R区两个相切的边 一致，在后导向板上加工有一个与超声探头安装座上的弧形耳边位置相对应的弧形 导向槽，弧形导向槽的弧度与超声探头安装座中弧形耳边的弧度一致，且保持间隙 配合，在弧形导向槽的两侧上方分别加工有两通孔，前导向板的结构与后导向板相 同，后导向板和前导向板用连接柱固定；

盖板由一矩形薄板加工而成，在此矩形薄板靠近四角且对应后导向板和前导向 板上端面位置加工有四个盲孔，通过连接螺钉将盖板与后导向板和前导向板连接在 一起，在盖板的中心位置加工有一两端为圆形的导向槽，导向槽的宽度与R区超声 探头外径为间隙配合，导向槽的长度与R区超声探头在后导向板和前导向板中弧形 导向槽中的调节范围一致；

连接器为一空心圆柱体，连接器的一端外侧加工有一圆形连接座，在圆形连接 座两侧加工有2个通孔，通孔的直径与连接螺栓为间隙配合，在靠近圆形连接座一 端的连接器外侧加工有周向外螺纹，外螺纹与操作杆中的连接套内螺纹匹配，连接 器的另一端加工成凸台形状，通过凸台与操作杆中的端部连接头实现咬合连接；

软管的一端与连接柱相连，另一端与外部供水耦合回路连接；

操作杆包括连接套、端部连接头、连接杆、和操作手柄，连接套左右两端加工 为两个不同直径的内圆，端部连接头的一端置于连接套一的端内圆中，端部连接头 由一圆管加工成两个不同直径外圆，端部连接头与连接套连接的一端头加工成凹形 长槽，此凹形长槽与连接器中右端凸台匹配形成交合连接，通过连接套与连接器中 的外螺纹将连接器与连接头锁紧连接在一起；端部连接头另一端的外圆与连接杆一 端的内圆为间隙配合，在连接套另一端的内圆加工成螺纹，此螺纹与连接器的外螺 纹匹配；连接杆的另一端与操作手柄紧配合。

所述的后导向板和前导向板下端左右两直角位置所切成的两斜边随被检测R区 相切的角度而变化，后导向板和前导向板下端左右两直角位置所切成的两斜边的角 度与被检测R区相切的两边的角度一致。

所述的操作杆的长度由若干长度为500-1000mm的连接杆构成，延长杆连接栓 由一圆管加工成三个不同外圆直径，延长杆连接栓左端外圆直径与前一个连接杆内 径为紧配合，延长杆连接栓右端加工成凹形接头，此凹形接头与延长杆连接头中左 端凸形接头匹配形成交合连接；延长杆连接头右端与后一个连接杆的一端相接，该 连接杆的另一端与操作手柄紧配合。

所述的连接杆的内径与端部连接头右端为紧配合，或通过在连接杆端头周向螺 纹孔将连接杆与端部连接头锁紧。

将R区超声探头安装在超声探头安装座中，旋转R区超声探头，使R区超声探 头前端与被检测复合材料整体结构封闭内腔结构中的R区表面接触；将R区超声探 头与外部超声检测仪器连接；将软管与外部供水回路连接，通过移动操作杆，带动 R区超声探头沿内腔长度方向作扫查运动，R区超声探头在后导向板和前导向板及超 声探头安装座的共同作用下，按照设定的入射角度对R区进行扫查，扫查过程中，在 R区超声探头和超声探头安装座以及后导向板与前导向板自身重力和操作杆作用 下，通过后导向板与前导向板作用下，R区超声探头始终随着封闭内腔R区进行自 适应贴合，通过R区超声探头向被检测结构封闭内腔R区垂直发射/接收超声波，然 后根据与R区超声探头相连接的超声仪器或者设备上的信号或者图像显示进行缺陷 的判别。

本发明具有的优点和有益效果是，

本发明提出了一种检测复合材料结构封闭内腔R区的超声扫查器，扫查过程中 超声探头在前后导向板作用下能够始终与复合材料整体结构内腔R区相切的两边保 持稳定的接触定位，实现扫查检测过程中超声探头沿复合材料整体结构内腔R区径 向发射/接收超声信号的稳定性和可靠性，从而显著提高了复合材料整体结构封闭内 腔R区超声检测信号的稳定性和可靠性，避免了漏检和误判；

利用发明中的水膜耦合回路，扫查过程中，在R区超声探头-零件表面之间形 成稳定的软膜柔性接触耦合，改善了扫查过程中声波耦合效果和检测信号稳定性， 从而显著提高了复合材料整体结构封闭内腔R区超声检测的可靠性，避免了漏检和 误判；

本发明提出的检测复合材料整体结构封闭内腔R区的超声探头，可以对超声探 头的角度进行调节和配备不同的导向板，实现复合材料整体结构不同内腔R区的超 声检测，从而显著提高了对不同复合材料整体结构内腔R区检测的可检性；

本发明提出的检测复合材料整体结构内腔R区的超声探头，通过配备不同的长 度操作杆，实现不同长度或深度的复合材料整体结构内腔R的超声检测，从而显著 提高了对不同复合材料整体结构内腔R区检测的可达性和可检性。

附图说明

图1是本发明超声扫查器的三视图与扫查检测方法示意图。

图2是本发明超声扫查器的剖视图及扫查检测方法示意图。

图3是本发明超声扫查器中的超声探头安装座的三视图。

图4是本发明超声扫查器中的连接器三视图。

图5是本发明超声扫查器中的操作杆剖面图。

图6是本发明图5中超声扫查器中的操作杆中的①的放大剖面图。

图7是本发明图5中超声扫查器中的操作杆中的②的放大剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

1.检测复合材料整体结构内腔R区的超声扫查器

本发明的检测复合材料结构内腔R区的超声扫查器包括R区超声探头1、超声 探头安装座2、后导向板3、前导向板4、盖板5、连接螺钉6、连接柱7、连接器8、 软管9、连接螺栓10和操作杆11，如图1所示，通过沿着移动操作杆11带动R区 超声探头1，实现对复合材料整体结构12封闭内腔R区12A进行超声扫查检测，如 图1所示，在扫查过程中，超声探头中的后导向边3和前导向边4始终与被检测复 合材料整体结构12封闭内腔R区相切的两条边贴合，使R区超声探头在扫查过程中， 保持稳定的接触耦合，如图2所示。

R区超声探头1采用北京航空制造工程研究所的发明专利《一种用于检测复合 材料R区的超声探头》（专利申请号201210054308.5），R区超声探头1上端为一圆 柱体形状，在该柱体外侧有周向螺纹，且此螺纹与超声探头安装座2中心孔圆周内 螺纹匹配，R区超声探头1下端为锥形耦合腔，锥形耦合腔内部充满液体，由锥形 耦合腔外侧的软膜对耦合腔内的液体密封，为检测过程中R区超声探头1发射/接收 超声波提供耦合通道，R区超声探头1通过其上端外螺纹安装在超声探头安装座2 中，通过旋转R区超声探头1，实现R区超声探头1沿其自身轴线方向调节，保证R 区超声探头1前端与被检测复合材料整体结构封闭内腔结构12中的R区表面接触， 实现超声波的发射/接收，如图1和图2所示；

超声探头安装座2由一圆柱体加工而成，在该圆柱体中心轴线方向加工有一带 内螺纹的轴向中心孔2A，该轴向中心孔的内螺纹与R区超声探头1上端外侧周向螺 纹匹配，轴向中心孔2A上端两侧棱边倒角，超声探头安装座2的前后两侧加工有对 称的弧形耳边2B，每个弧形耳边2B两端加工有对称的两个螺纹孔2C，如图3所示， 螺纹孔2C与连接螺栓10匹配，用于固定连接器8，在弧形耳边2B的中心部位加工 有螺纹孔2D，利用螺纹孔2D通过外接螺帽，用于锁紧超声探头安装座2在后导向 板3和前导向板4中位置，固定R区超声探头1在R区周向的姿态位置，获取最佳 声波入射和检测效果，如图2所示。

后导向板3和前导向板4为一对对称结构，后导向板3由一矩形非金属板加工 而成，后导向板3的下端左右两直角位置切成两斜边3A和3B，两个斜边分别与被 检测R区两个相切的边夹角一致，如图2所示，在后导向板3上加工有一个与超声 探头安装座2的弧形耳边2B位置相对的弧形导向槽3C，弧形导向槽3C的弧度与超 声探头安装座2中弧形耳边2B的弧度一致，且保持间隙配合，在弧形导向槽3C的 两侧上方分别加工有两通孔，前导向板4的结构与后导向板3相同，后导向板3和 前导向板4下端左右两直角位置所切成的两斜边随被检测R区相切的角度而变化， 后导向板3和前导向板4下端左右两直角位置所切成的两斜边的角度与被检测R区 相切的两边的角度一致，后导向板3和前导向板4用连接柱7固定，在后导向板3 和前导向板4上端面靠近左右两侧的位置分别加工有两个螺纹孔，此螺纹孔位置及 大小与盖板5中靠近四个角的四个盲孔的位置一致，用于固定盖板5；

盖板5由一矩形薄板加工而成，在此矩形薄板靠近四角且对应后导向板3和前 导向板4上端面位置加工有四个盲孔，通过连接螺钉6将盖板5与后导向板3和前 导向板4连接在一起，在盖板5的中心位置加工有一两端为圆形的导向槽5A，如图 1所示，导向槽5A的宽度与R区超声探头1外径为间隙配合，导向槽5A的长度与R 区超声探头1在后导向板3和前导向板4中弧形导向槽3C中的调节范围一致，如图 1和图2所示，通过连接螺钉6将盖板5与后导向板3和前导向板4安装在一起；

连接柱7由一对防锈圆管加工而成，圆管的两端头加工有螺纹，连接柱7两端 螺纹之间的非螺纹区的长度与超声探头安装座2的前后宽度一致，如图1和图2所 示，连接柱7的一端通过螺帽与后导向板3锁紧，连接柱7的另一端通过带有压簧 软管连接头相连，通过压簧软管连接头的内螺纹锁紧前导向板4；

连接器8为一空心圆柱体，如图4所示，连接器8一端外侧加工有一圆形连接 座8A，在圆形连接座8A两侧加工有2个通孔8C，通孔8C的直径与连接螺栓10为 间隙配合，在靠近圆形连接座8A一端的连接器8外侧加工有周向外螺纹8B，外螺 纹8B与操作杆11中的连接套11A内螺纹匹配，连接器8的另一端加工成凸台8D 形状，通过凸台8D与操作杆11中的端部连接头11B实现咬合连接，如图5所示。

软管9的一端与连接柱7相连，另一端与外部供水耦合回路连接，提供扫查检 测过程中的超声耦合用水；

连接螺栓10选用防锈材料加工而成，通过连接螺栓10将连接器8和前导向板 4连接在一起；

操作杆11包括连接套11A、端部连接头11B、连接杆11C、延长杆连接栓11D、 延长杆连接头11E和操作手柄11F组成，如图5和图6所示，连接套11A左右两端 加工为两个不同直径的内圆，端部连接头11B的一端置于连接套11A的一端内圆中， 端部连接头11B由一圆管加工成两个不同直径外圆，端部连接头11B与连接套11A 连接的一端头加工成凹形长槽，此凹形长槽与连接器8中右端凸台8D匹配形成交合 连接，通过连接套11A与连接器8中的外螺纹8B将连接器8与连接头11B锁紧连接 在一起；端部连接头11B另一端的外圆与连接杆11C一端的内圆为间隙配合，在连 接套11A另一端的内圆加工成螺纹，此螺纹与连接器8的外螺纹8B匹配；连接杆 11C的另一端与操作手柄11F紧配合；

操作杆11的长度由若干长度为500-1000mm的连接杆11C构成，延长杆连接 栓11D由一圆管加工成三个不同外圆直径，延长杆连接栓11D左端外圆直径与前一 个连接杆11C内径为紧配合，延长杆连接栓11D右端加工成凹形接头，此凹形接头 与延长杆连接头11E中左端凸形接头匹配形成交合连接；延长杆连接头11E右端与 后一个连接杆11C的一端相接，该连接杆11C的另一端与操作手柄11F紧配合；

连接杆11C的内径与端部连接头11B右端为紧配合，或通过在连接杆11C端头 周向螺纹孔将连接杆11C与端部连接头11B锁紧；

延长杆连接头11E由一圆管加工成左右两个不同外圆直径，延长杆连接头11E 左端外圆直径与连接套11A右端内圆直径为间隙配合，延长杆连接头11E右端外圆 直径与连接杆11C为紧配合，延长杆连接头11E左端加工成凸形接头，此凸形接头 与延长杆连接栓11D右端凹形接头匹配形成交合连接，如图7所示；

操作手柄11F由一轻质材料圆棒加工而成，操作手柄11F左端与连接杆11C紧 配合，操作手柄11F外周滚花，操作手柄11F内部加工成内圆减重，如图5所示。

本发明的一种检测复合材料结构内腔R区的超声扫查器，通过选配与被检测复 合材料结构内腔R区相切的两边形状一致的后导向边3与前导向边4，实现不同R 区的超声扫描检测；

本发明的一种检测复合材料结构内腔R区的超声扫查器，通过选配不同长度的 操作杆11，实现不同长度的复合材料结构内腔R区的超声扫查检测。

2.封闭内腔R区超声扫查检测实现方法

本发明的检测复合材料整体结构内腔R区的超声扫查器进行超声扫查检测的方 法是，将R区超声探头1安装在超声探头安装座2中，旋转R区超声探头1，使R 区超声探头1前端与被检测复合材料整体结构封闭内腔结构12中的R区表面接触， 实现超声波的发射/接收，如图1和图2所示；将R区超声探头1与外部超声检测仪 器连接,超声仪器可选用北京航空制造工程研究所生产的FCC和MUT系列的仪器； 将软管9与外部供水回路连接，为扫查过程中在R区形成水膜提供耦合用水；通过 移动操作杆11，带动R区超声探头1沿内腔长度方向作扫查运动，R区超声探头1 在后导向边3和前导向边及超声探头安装座2的共同作用下，按照设定的入射角度 对R区进行扫查，扫查过程中，在R区超声探头1和超声探头安装座2以及后导向 边3与前导向边4自身重力和操作杆4作用下，通过后导向边3与前导向边4作用 下，会始终随着复合材料结构封闭内腔R区进行自适应贴合，通过R区超声探头1 向被检测复合材料结构封闭内腔R区垂直发射/接收超声波，然后根据与R区超声探 头相连接的超声仪器或者设备上的信号或者图像显示进行缺陷的判别，从而实现对 复合材料整体结构封闭内腔R区的超声扫查与检测。

实施例

采用本发明中的检测复合材料结构封闭内腔R区超声探头，选用北京航空制造 工程研究所生产的FCC和MUT系列超声仪器中的FCC-B-1、FCC-D-1和MUT-1三种型 号的超声仪器分别与本专利发明中的超声扫查器匹配使用，采用本发明中的复合材 料结构封闭内腔R区超声扫查检测方法，分别对长度在1000-2800mm之间的飞机复 合材料整体结构系列封闭内腔R区进行了系列实际超声扫查检测，扫查过程中，超 声探头始终与被检测复合材料整体结构内腔R区表面保持良好的接触耦合，检测信 号显示非常稳定，检测信号规律和缺陷判别特征非常清晰，工作稳定可靠，检测效 果好，明显提高了复合材料整体结构封闭内腔R区的可检性和可达性以及检测结果 的稳定性。