可顯示操作者施加壓力大小的超聲探頭的研制

王　勇，權福寶，藍　錦，潘萬苗，陳　威

(1.中國能源建設集團 安徽電力建設第二工程有限公司， 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，權福寶2，藍錦1，潘萬苗1，陳威1

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

手動超聲檢測掃查時，回波信號與操作者對探頭施加壓力的大小有密切關系。為消除回波信號差異引起的缺陷評定分歧，在常規超聲探頭的基礎上，結合電子秤的原理，通過添加壓電傳感器、數模轉換器、信號燈等結構，設計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，可有效提高評定結果的一致性和可靠性。

超聲檢測；探頭；壓電傳感器；數模轉換器

在手動超聲檢測工作中，回波信號的形態與操作者對探頭施加的壓力有著密切的關系。 肖峰等[1]對此已做了詳細的研究，發現操作者的按壓習慣不同會導致回波波峰有較大差異；此類差異會給缺陷的評定帶來分歧，降低評定結果的一致性和可靠性。

針對以上問題，筆者研制了一種可顯示操作者對探頭施加壓力的大小的超聲探頭，以便規范和統一按壓壓力，使不同操作者盡量得到相同的評定結果，從而提高評定結果的可靠性;并且,能在見證方見證時，取得各方一致認可的評定結果。

1　設計思路

優化改進試驗儀器設備時，應圍繞著簡單、實用、成本低廉[2-3]等幾個理念進行。所以,對超聲探頭的優化，應在原有的超聲探頭上進行適當地增加和改裝，盡量不明顯增大原有探頭的體積和重量，力求結構簡單而應用廣泛。設計原理是結合生活中常用的電子秤的原理，通過增加按壓傳感結構和數模轉換結構，轉化按壓信號并將其顯示出來。

設計的探頭包括兩部分：常規超聲探頭部分和傳力轉換部分。常規超聲探頭部分，就是平時常見的各類超聲探頭本身的結構。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。常規超聲探頭部分，負責正常的收發超聲波信號功能。傳力轉換部分是需要添加的結構，位于常規探頭結構的上方,包含微型電池、壓電傳感器和電路板。其中,電路板上附有測量電路及數模轉換器；探頭結構和傳力轉換部分由吸聲材料層隔開。傳力轉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轉變為電信號，電信號經過測量電路放大后再進入數模轉換電路(芯片),顯示成相應大小的壓力信號(壓力單位可以是帕斯卡或牛頓)。顯示壓力大小的信號，可以由超聲波儀器讀出，直接顯示在示波器屏幕上。同時，也可再經過一個簡單的微型電路，根據安裝在探頭外殼上的信號燈是否發光來進行判定:當所施加壓力在約定的合理范圍值以內時，信號燈發光；偏離合理范圍時，信號燈不發光。

2　功能的具體實現

筆者以常用的改裝后的斜探頭(見圖1)為例，進行具體的功能說明：下部為常規的超聲探頭結構，包含斜楔、壓電晶片、阻尼塊等，負責超聲波信號的收發功能；吸聲材料填充物，填充在斜楔上部的空隙中，起吸收雜波、穩定信號的作用。

圖1　改裝后的超聲波斜探頭示意

常規超聲探頭上方，由吸聲材料隔層將探頭內部空間隔離成相對獨立的上下兩部分。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:電路板附有測量、處理電信號的電路和將電信號轉換為力學數據的數模轉換器(芯片)；壓電傳感器感應壓力的一側鑲嵌在上部外殼的開孔中。在上部外殼的前側面裝有信號燈和電池開關，信號燈和電路板連接。

進行超聲波檢測前，要先用探頭在標準試塊上進行測量校準。首先，將探頭與超聲波儀器連接，打開電池開關，操作者用手指按壓壓電傳感器進行校準操作；壓電傳感器檢測到壓力信號后轉化為電信號，電信號被輸入電路板，經過測量電路的放大處理傳入數模轉換器，經過處理后輸出為顯示壓力大小的信號，并顯示在顯示屏上；記錄下操作者在完成校準損傷過程中的平均按壓值大小a;再召集委托方和檢測方約定一個合理的壓力浮動范圍b%。

接下來，在芯片中燒錄入程序：當按壓值在(a±b%)內時，輸出信號使信號燈發光；當按壓值偏離(a±b%)時，輸出信號使信號燈不發光。

需要說明的是,目前尚沒有相關標準規定檢測時按壓的壓力大小；若將來頒布了相關規定，在錄入程序時，可對a和b%進行相應的更改替換。

3　現場實際檢測

現場實際檢測時，將探頭與超聲檢測儀器連接好，打開電池開關；操作者可憑以往經驗適當用力按壓探頭操作即可，不必刻意保持壓力恒定，在檢測掃查的過程中發現可疑的波峰時，找到波峰最高處，再用手指按壓壓電傳感器，調整按壓壓力使得壓力值落入預定的范圍值內(即使信號燈發光)，進一步進行仔細判定，以便能有效降低評定分歧。同時信號燈是否發光也是旁觀者可見的，有利于見證方從旁見證。

校準好超聲探頭后，即便是在不支持直接讀取壓力數據大小的超聲檢測儀器上，也可只憑觀察信號燈的發光情況來判斷按壓大小是否合適，則有效擴大了此探頭的使用范圍。

其他類型的超聲探頭在設計改裝時，其下部的常規探頭結構不變，在上部增加相應的傳力轉換結構即可。

4　結語

結合電子秤原理，對超聲探頭進行較為簡單地加裝和改造，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，能有效降低缺陷評定的分歧，提高超聲檢測的可靠性。該改裝方法簡單易行，結構簡單，操作便捷，且改造成本不高，值得進一步試驗和推廣。

[1]肖峰, 俞衛權, 桂興亮. 超聲檢測時探頭壓力對缺陷尺寸評定的影響[J]. 無損檢測, 2015, 37(6): 74-76.

[2]王勇, 藍錦, 劉志權. 一種手搖式伽馬探傷機的附加傳動裝置[J]. 無損檢測, 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,2015,37(11):82-83.

[4]鄭暉，林樹青.超聲檢測 [M].北京：中國勞動社會保障出版社，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,主要從事承壓設備無損檢測及相關設備器材的優化改進工作。

王勇,E-mail: yvb12345@163.com。

10.11973/wsjc201606014

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0058-02