基于超声检测仪水浸探头喷水耦合装置的设计方法

摘要

本发明公开了一种基于超声检测仪水浸探头喷水耦合装置的设计方法。本发明包括如下步骤：步骤(1)测量超声探头的基本参数，包括探头前端、中端、后端直径与长度、发射超声波的频率；步骤(2)根据超声探头的基本参数，确定入水导管、固定盖、混水腔壳、导流环、混水腔盖、超声探头、过渡管道、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的参数；步骤(3)确定入水导管、固定盖、混水腔壳、导流环、混水腔盖、超声探头、过渡管道、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的连接以及配合方式，使用solidworks软件建立喷头的三维模型并且导出设计图纸。本层流结构稳定、喷头简单、超声波探头稳固，且经济性与环保性。

说明书

技术领域

本发明属于超声波探伤技术领域，尤其是涉及一种基于超声检测仪水浸探头喷水耦合装置的设计方法。

背景技术

现代工业生产对金属等工件的质量提出了较高的要求，这也促进了工件探伤技术的发展。超声波探伤由于具备简单、高效、探伤周期短、成本低廉等优点，一直成为工件探伤的主流方式。而在其基础上衍生的水浸湿探头检测又是方兴未艾的一种技术。这种技术通过水为耦合介质，将超声波探伤仪发射的声波导入检测工件，极大程度减少了超声波能量的损耗，但是对喷水探头的设计提出了较高的要求。

目前，现有的超声波喷水耦合探头大多为单一的结构，工作时只能装配一种超声波探头，使用有限频率的声波检测金属。这样的探头控制不够灵活，也很难满足日益增加的金属探伤要求，并不能达到节能环保的要求。在目前已经问世的超声波探头中，如发明200920278316.1的“用于超声测厚和探伤检测的快门式喷水探头装置”具有自动打开快门，实现良好的喷水耦合测厚任务，但是不具备探伤功能，也无法根据检测材料的不同对喷头外形作出调整；再如发明03219895.7的“横波喷水探头”能够有效提高检测精度，但是结构设计得较为复杂，不利于装拆和定期检查。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于超声检测仪水浸探头喷水耦合装置的设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

步骤(1).测量超声探头的基本参数，包括探头前端、中端、后端直径与长度、发射超声波的频率；

1-1.通过游标卡尺测量获得超声探头的前端直径                                               、前端长度、中端直径、中端长度、后端直径、超声波发射面直径；通过查询得到超声探头的超声波发射频率M；

步骤(2).根据超声探头的基本参数，确定入水导管、固定盖、混水腔壳、导流环、混水腔盖、超声探头、过渡管道、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的参数；

2-1. 第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的内径均为，且与超声探头前端的超声波发射面直径相等，即= ；

第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的长度分别为计算如下：

由超声探头数据测得：发射频率为M、晶片直径为、水中焦距值为;设声束在声透镜、耦合介质、工件中都按直线传播，为有机玻璃声速；为耦合介质的声速，其中耦合介质为水，则水中焦距值计算如下：

晶片曲率半径计算如下：

设工件中声波速度为，检测工件的探测深度为，则第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的总长度近似公式如下：

2-2.根据截面不变的原则，过渡管道内壁直径计算如下：

2-3.入水导管出水端设置有环形凸起，出水端贯穿固定盖上圆形通孔后，与混水腔壳上的圆形通孔螺纹连接，设入水导管的数目为N(按使用方便的原则可取N值为任意正整数)，则入水导管内径计算如下：

入水导管外径；

2-4.混水腔壳和固定盖均设置有N个圆形通孔、一个轴心通孔；其中固定盖上的轴心通孔设置有橡皮防水圈，且固定盖上轴心通孔直径=，混水腔壳上的轴心通孔直径=；超声探头前端穿过混水腔壳上的轴心通孔，后端穿过固定盖上的轴心通孔，中端卡在固定盖和混水腔壳之间；混水腔壳和固定盖的N个圆心通孔都沿周向平均分布，且直径大小相同，其中混水腔壳上的圆心通孔设置有内螺纹，与入水导管前端螺纹连接。

2-5. 混水腔盖轴心设置有轴心通孔，轴心通孔设置有内螺纹，与过渡管道螺纹连接；混水腔盖外边缘设置有外螺纹，且与混水腔壳螺纹连接；

2-6.导流环外径，内径；导流环内径中间径向均匀分布有四个凸起，对称凸起之间的距离；

步骤(3).确定入水导管、固定盖、混水腔壳、导流环、混水腔盖、超声探头、过渡管道、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的连接以及配合方式，使用solidworks软件建立喷头的三维模型并且导出设计图纸。

3-1.入水导管穿过固定盖上的圆心通孔混水腔壳螺纹连接；超声探头前端穿过混水腔壳上的轴心通孔，后端穿过固定盖上的轴心通孔，中端卡在固定盖和混水腔壳之间；混水腔壳的前端与过渡管道后端螺纹连接；过渡管道中端设置有导流环，过渡管道前端与第一管道的一端螺纹连接，第一管道的另一端与第二管道的一端螺纹连接，第二管道的另一端与第三管道的一端螺纹连接，第三管道的另一端与第四管道的一端螺纹连接，第四管道的另一端出水。

3-2. 喷头的三维模型建立和导出如下：

将设计好的的参数输入到使用SolidWorks软件，自动生成喷头的三维模型，然后将三维模型转换为二维零件图及装配图后导出；

所述的设计好的的参数包括超声探头的前端直径，前端长度，中端直径，中端长度，后端直径，超声波发射面直径，超声波发射频率M，过渡管道内壁直径，入水导管内径，入水导管外径，第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的内径，混水腔壳轴心通孔直径，固定盖圆形通孔直径，导流环外径、内径，导流环对称凸起之间的距离，第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的长度，水中焦距值为，有机玻璃声速，耦合介质的声速，工件中声波速度，晶片曲率半径，探测深度为，第一管道、第二管道、第三管道、第四管道总长度，入水导管的数目N。

本发明有益效果如下：

本发明利用N个入水导管的均匀进水，在混水腔中将水均匀混合后通过出水口喷出，形成较为稳定的层流结构，便于超声波在流体中传播并且探伤，并且有效减少了气泡的产生。同时，本发明考虑到经济性与环保性，采用流体力学与机械知识，结合三维建模与流体仿真软件，利用入水导管将固定盖和混水腔紧密联接，用以夹紧超声波探头，既减少了喷头的复杂程度，又牢固固定了超声波探头，并且能够根据探头尺寸不同灵活调节夹紧配件的位置，获得了一举两得的收益。

附图说明

图1是喷水耦合装置侧视图。

图2是导流环俯视图。

图中：入水导管1、固定盖2、混水腔壳3、导流板4、混水腔盖5、超声探头6、过渡管道7、第一管道8、第二管道9、第三管道10、第四管道11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种基于超声检测仪水浸探头的喷水耦合装置的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤(1).测量超声探头6的基本参数，包括探头前端、中端、后端直径与长度、发射超声波的频率；

1-1.通过游标卡尺测量获得超声探头6的前端直径、前端长度、中端直径、中端长度、后端直径、超声波发射面直径；通过查询得到超声探头的超声波发射频率M；

步骤(2).如图1所示，根据超声探头的基本参数，确定入水导管1、固定盖2、混水腔壳3、导流板4、混水腔盖5、超声探头6、过渡管道7、第一管道8、第二管道9、第三管道10、第四管道11的参数；

2-1. 第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的内径均为，且与超声探头前端的超声波发射面直径相等，即= ；

第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的长度分别为计算如下：

由超声探头数据测得：发射频率为M、晶片直径为、水中焦距值为;设声束在声透镜、耦合介质、工件中都按直线传播，为有机玻璃声速；为耦合介质的声速，其中耦合介质为水，则水中焦距值计算如下：

晶片曲率半径计算如下：

设工件中声波速度为，检测工件的探测深度为，则第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的总长度近似公式如下：

2-2.根据截面不变的原则，过渡管道内壁直径计算如下：

2-3.入水导管出水端设置有环形凸起，出水端贯穿固定盖上圆形通孔后，与混水腔壳上的圆形通孔螺纹连接，入水导管上的环形凸起卡在固定盖外侧，设入水导管的数目为N(按使用方便的原则可取N值为任意正整数)，则入水导管内径计算如下：

入水导管外径；

2-4.混水腔壳和固定盖均设置有N个圆形通孔、一个轴心通孔；其中固定盖上的轴心通孔设置有橡皮防水圈，固定盖上的轴心通孔直径=，混水腔壳上的轴心通孔直径=；超声探头前端穿过混水腔壳上的轴心通孔，后端穿过固定盖上的轴心通孔，中端卡在固定盖和混水腔壳之间；混水腔壳和固定盖的N个圆心通孔都沿周向平均分布，且直径大小相同，其中混水腔壳上的圆心通孔设置有内螺纹，与入水导管前端螺纹连接。

2-5. 混水腔盖轴心设置有轴心通孔，轴心通孔设置有内螺纹，与过渡管道螺纹连接；混水腔盖外边缘设置有外螺纹，且与混水腔壳螺纹连接；

2-6. 如图2所示，导流环外径，内径；导流环内径中间径向均匀分布有四个凸起，对称凸起之间的距离；导流环安装在过渡管道后端，其作用是加固超声探头，并且不影响水流通过。

步骤(3).确定入水导管、固定盖、混水腔壳、导流环、混水腔盖、超声探头、过渡管道、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的连接以及配合方式，使用solidworks软件建立喷头的三维模型并且导出设计图纸。

3-1. 入水导管1的入水端接橡皮水管，出水端设置有环形凸起，出水端贯穿固定盖2上圆形通孔后，与混水腔壳3上的圆形通孔螺纹连接，环形凸起卡在固定盖2外侧；导流环4的内侧设置有四个凸起，且其外侧安装在过渡管道7的一端，且过渡管道7的该端与混水腔壳盖5的一端螺纹连接；混水腔壳盖5的另一端与混水腔壳3螺纹连接；超声探头6的前端先后穿过混水腔壳3的轴心通孔和导流环4，导流环4内侧的凸起将超声探头6的前端固定，超声探头6的后端穿过固定盖2的轴心通孔，中端卡在固定盖2和混水腔壳3之间；且入水导管1出水端、混水腔壳3内壁、导流环4、混水腔壳盖5内壁、超声探头6外壁组合成环形混水腔；第一管道8的一端与过渡管道7的另一端螺纹连接，第一管道8的另一端与第二管道9的一端螺纹连接，第二管道9的另一端与第三管道10的一端螺纹连接，第三管道10的另一端与第四管道11的一端螺纹连接，第四管道11的另一端出水。

所述的入水导管1有N根，固定盖2、混水腔壳盖5开有与入水导管1数量相等的圆形通孔，且固定盖、混水腔壳盖的中心均开有轴心通孔。

所述的混水腔壳3和固定盖2的轴心通孔直径小于超声探头6中端的直径，因此，超声探头6的中端卡在固定盖2和混水腔壳3之间。

3-2. 喷头的三维模型建立和导出如下：

将设计好的的参数输入到使用SolidWorks软件，自动生成喷头的三维模型，然后将三维模型转换为二维零件图及装配图后导出；

所述的设计好的的参数包括超声探头的前端直径，前端长度，中端直径，中端长度，后端直径，超声波发射面直径，超声波发射频率M，过渡管道内壁直径，入水导管内径，入水导管外径，第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的内径，混水腔壳轴心通孔直径，固定盖圆形通孔直径，导流环外径、内径，导流环对称凸起之间的距离，第一管道、第二管道、第三管道、第四管道的长度，水中焦距值为，有机玻璃声速，耦合介质的声速，工件中声波速度，晶片曲率半径，探测深度为，第一管道、第二管道、第三管道、第四管道总长度，入水导管的数目N。

本发明设计完成后工作过程如下：

将多根入水导管1的入水端均接通水源，使每根入水导管1均匀入水；超声探头6的中端卡在固定盖2和混水腔壳3之间。水流在环形混水腔中混合之后通过导流板4与超声探头6前端之间的空隙流出，经过过渡管道7、第一管道8、第二管道9、第三管道10、第四管道11之后以层流的状态从第四管道11的另一端喷射到检测工件的表面。