专利名称：空气耦合超声检测换能器声场特性测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于空气耦合超声检测换能器声场特性测量的装置，包括扫查机构、超声收发及信号采集系统、运动控制系统、声轴对准机构、微孔遮声器。
背景技术：
空气耦合超声换能器及空耦超声检测技术由于其非接触的特点可以避免很多由于液体耦合所带来的麻烦。传统的超声检测方法需要专门的耦合剂(如水等)或采用完全水浸法来减少超声波在传输介质中的损耗，这些耦合条件限制了它在很多场合的应用， 如被测对象不允许水浸入或不允许接触，如多孔渗水材料、食品、药品等的检测，空气耦合式超声波无损检测技术较好地弥补了这方面的不足，它具有非接触、非侵入、完全无损的特点。其非接触的优势使得空气耦合式超声检测方法成为解决速无损检测技术的主要发展方向之一。但是由于换能器压电晶片材料声阻抗与空气声阻抗严重不匹配使得空耦换能器的效率低、频带窄、脉冲余振长，从而导致空气耦合超声波检测系统无法达到一般超声检测系统的灵敏度、信噪比和分辨率。加之空气耦合超声检测气固界面的耦合过程中空气和待检固体材料之间存在巨大的声阻抗差异，所以相比其他液体耦合介质其信号幅值要低很多。由于这两个耦合层面上的声阻抗失配使得该技术一直没有进入实际应用。但是近几年随着微小加工技术的发展以及高分子材料技术的进步，高效率、高灵敏度的空气耦合式超声波换能器的制作取得了较大突破，加上低噪声、高增益放大器的研制及与超声波信号特性相适应的数字信号处理技术的发展，空气耦合式超声波无损检测技术有了长足的进步。空耦换能器声场特性直接影响检测的灵敏度和缺陷检测的横向和纵向分辨力。检测的效果和声场的性质密切相关，所以超声换能器的声场特性是衡量换能器的性能的最重要因素。目前空气耦合条件下的声场特性的研究还不够深入，国内外尚没有空耦声场特性测量的相关标准，在已有的空气中超声声场测量方面，主要是光学法和微小接收器法，光衍射方法可以测量40KHz-2MHz频率范围的空耦换能器声场分布，但该方法测量过程复杂，设备昂贵；微小接收器法中所使用的微小空气声场接收器制作困难，灵敏度较低。

发明内容
本发明的目的是提供一种空气耦合超声换能器声场特性校准装置，解决空气耦合超声换能器的声场特性校准问题，实现自动化测量换能器声场的焦距、焦区长度、焦区宽度以及声束扩散角特性。声场特性校准装置工作原理是空耦换能器声场测量需要在无气流扰动情况下进行，因为声波通过空气传播，气流会影响空耦声场的分布，本装置包含一个封闭透明测量仓，尽量减少气流的影响。在进行测量前，首先将接收换能器安装在固定支架上，其轴向为Z轴方向。并通过声轴对准机构将被测空耦换能器的声束轴调整到与Z轴重合。测量时，超声脉冲收发仪向换能器发射电脉冲信号，换能器在电脉冲信号的激励下会辐射出超声脉冲声场，脉冲声场在传播途径中被带有微孔遮声器的声接收器接收，超声脉冲收发仪对接收到的电脉冲信号进行初步调理后将其传送到数据采集卡中，数据采集卡对电脉冲信号进行模数变换后由计算机计算出脉冲回波信号的峰值，将此电压峰值作为声信号的声压幅值，并近似将这个声压幅值当作换能器辐射声场中接收换能器孔径中心所在点处的声场声压幅值。由计算机通过运动控制系统带动超声换能器相对于接收孔径进行空间扫描运动，就可以测得空耦超声换能器的空间声场声压分布。本发明的目的是这样实现的本发明的测量装置包括扫查机构、超声收发及信号采集系统、运动控制系统、声轴对准机构、微孔遮声器。在对超声换能器声场特性进行测量时需要对换能器的声场进行一维和二维的自动扫查。通过对换能器声轴方向的一维扫查得到换能器的声轴线声压分布，从而得到焦距和焦区长度这两个特性参数；通过对垂直于换能器辐射面及声轴的二维扫查得到换能器不同轴向位置的声束横截面声压分布，通过对垂直于换能器辐射面但平行且包含声轴的二维扫查得到换能器声轴轴向剖面声场声压分布，进而可以得到两个方向上的焦区宽度，最后通过计算程序得出各参数。测量装置性能参数测量范围Z轴 600mm，X 轴 300mm，Y 轴 300mm ；A 和 B 轴转角士90° ；最大扫描速度为lOmm/s ；最小采样间隔为0.05mm;数据采集卡采样率为IOOM ；
四

图1本发明空气耦合超声检测换能器声场特性测量装置的原理2本发明微孔遮声器结构示意3本发明声轴对准机构示意4五轴运动扫查机构运动示意图
五具体实施例方式下面对本发明的具体实施方式
进行详细说明如图1、图2、图3、图4所示，此声场特性测量装置主要包括包括超声收发及信号采集系统、扫查机构、运动控制系统、声轴对准机构、微孔遮声器。整个测量装置由扫查机构支撑。图2中1为空气耦合超声换能器外壳，2为空气背衬，3为压电晶片，4为表面保护层，5为接收器的遮声器，5为遮声器透声孔径。图3中1为被测空气耦合超声换能器，2为A轴姿态调节电机，3为连接导杆，4为 B轴姿态调节电机，通过调节声轴对准机构的A B轴位置姿态将被测空耦换能器的声束轴调整到与Z轴重合。图4中的五维运动扫查机构是由X、Y、Z三个平动扫查轴和Α、Β两个转动扫查轴以及X、Y、Z三个方向的导轨组成，X、Y方向为水平运动方向，Z方向为垂直运动方向，A转动方向为绕Z轴转动方向，B转动方向为绕Y轴转动方向。五维运动扫查机构共有三个对应 X、Y、Z方向的Al、Α2、A3平动滑块和两个对应A、B转动方向的Α4、Α5转动轴以及L0、Li、 L2、L3、L4、L5六组连杆，其中连杆LO是基础连杆，连杆L5是终端连杆，上面装夹换能器。 Χ、Υ、Ζ三个平动扫查轴都配有运动导轨，其中为了保证扫查机构的精度和刚度，X方向的导轨是一对平行导轨。运动控制系统方案PC+多轴运动控制卡+驱动单元。上下位机双CPU的主从型开放式多轴伺服运动控制系统，五自由度精密位置伺服系统由多轴运动控制卡、驱动器、伺服电机以及位置编码器组成。工控机与多轴运动控制卡通过PCI总线相联，实现上下位机的运动控制。上位机主要完成人机界面、运动路径规划和控制决策，下位机主要完成插补运算、速度处理和伺服运动控制。伺服电机内外环反馈，可实现速度和位置的双重反馈控制， 提高检测精度。在对空气耦合超声换能器声场声压分布进行测量时，是由数据采集卡对透过微孔遮声器传到接收器的脉冲信号进行采样，计算出信号的峰值，并将此峰值作为声压幅值。
权利要求
1.一种空气耦合超声检测换能器声场特性自动化测量装置，其特征在于扫查机构、 超声收发及信号采集系统、运动控制系统、声轴对准机构、微孔遮声器和密闭舱构成，密闭舱位于扫查架的内部，处于扫查架运动机构的下方；微孔遮声器安装在被测换能器发射端面；空气耦合超声换能器架通过螺纹固定在声轴对准机构；声轴对准机构通过导杆固定在扫查架的竖直运动轴上；数据采集器与被测超声换能器之间用信号线连接；运动控制器与步进电机之间用信号线和电源线连接；步进电机通过螺纹固定在扫查架上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述扫查架具有四根支撑杆，两根X方向导轨，一根Y方向导轨，一根Z方向导轨，两个转动副A和B ；其中，所述四根支撑杆通过螺纹连接四个地角螺母，可实现四根支撑杆高度的调整；所述两根X方向导轨通过螺纹固定在四根支撑杆上，并跟与其连接的支撑杆呈90度夹角；所述Y方向导轨通过螺纹固定在X 方向导轨的滑块上；所述Z方向导轨通过螺纹固定在Y方向导轨的滑块上；所述两个转动副分别安装在Z轴滑块终端，在转动平面分别在TL平面和TL平面。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述密闭舱的内表面粘贴吸声材料，并具有大测量范围，达到X方向600毫米，Y方向300毫米，Z方向300毫米，A和B转动轴范围为 士90°。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述空气耦合超声换能器架包括超声换能器的信号导管和信号导管固定机构，所述信号导管固定机构通过螺纹固定在Z方向导轨的滑块上，所述信号导管由两个顶丝固定在所述信号导管固定机构上，所述信号导管的一端连接有被测超声换能器，另一端连接有数据处理器和超声信号激发接收电路。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述微孔遮声器由换能器外壳、支架和遮声片组成，所述遮声片的透声孔径在1. 5mm-3mm之间，并且所述遮声片的表面是光滑的。
全文摘要
本发明涉及一种适用于空气耦合超声检测换能器声场特性测量的装置，解决空气耦合超声换能器的声场特性校准问题，实现自动化测量换能器声场的焦距、焦区长度、焦区宽度以及声束扩散角特性。本发明的声场测量的装置包括扫查机构、超声收发及信号采集系统、运动控制系统、声轴对准机构、微孔遮声器。测量系统的超声收发模式是一发一收的方式，并在封闭透明仓内进行，测量时将接收换能器安装在固定支架上，并通过声轴对准机构将被测空耦换能器的声束轴调整到与Z轴重合。空气耦合超声换能器发射的脉冲声场被附加了微孔遮声器的接收换能器接收，通过数据采集卡由计算机计算出脉冲回波信号的峰值，将此电压峰值作为声信号的声压幅值。由计算机通过运动控制系统带动超声换能器相对于接收孔径进行空间扫描运动，就可以测得空耦超声换能器的空间声场声压分布。
文档编号G01H17/00GK102279045SQ20111011225
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者周世圆, 孔涛, 徐春广, 潘勤学, 肖定国, 赵新玉, 郝娟 申请人:北京理工大学