专利名称：超声波探头组件及使用该组件的轧辊超声波检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波探头组件，特别涉及一种多通道的超声波探头组件。本发明还涉及一种超声波无损检测装置，特别涉及一种用超声波对在役轧辊进行 自动检测的装置。
背景技术：
轧辊是轧钢厂自动化轧钢生产线的重要部件，在钢材轧制的过程中，需要定期将 其更换并对其进行磨削处理后反复投入使用，衡量轧辊的主要质量指标之一就是轧辊的轧 制层不允许存在裂纹或夹渣等缺陷，否则有可能导致重大的质量事故。现有技术中使用涡 流自动探伤装置对轧辊的轧制层进行探测，然而，使用涡流自动探测装置仅能探测轧辊表 面的缺陷，而不能对其内部缺陷进行全面的检测。此外，现有技术中还使用轧辊自动超声波检测装置，但目前国内尚无成熟的轧辊 自动超声波检测装置，该装置主要在国外的一些钢铁企业中使用或被引进至国内使用，并 且国外的轧辊自动超声波检测装置也没有超过四个通道的，其原因是由于国外装置探头结 构存在一定的局限性以至于难以做到更多的通道。

发明内容
本发明的目的是提供具有多通道超声波传感器的、非接触式的超声波探头组件。为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案一种超声波探头组件，包括步进 进电机、滑轨和安装在所述滑轨上的超声波探头组；所述步进电机驱动滑轨可伸缩地运动， 以调整所述超声波探头组的位置；其特征在于所述探头组被设计成nXn的传感器阵列； 所述阵列按行被划分为η组，每组具有η个超声波传感器，其中η为大于或等于3的自然数； 在探测时，所述每个超声波传感器与被测物体的表面是非接触的。此外，本发明的目的是提供一种不仅能探测轧辊表面的缺陷，而且能检测轧辊内 部的缺陷的、提高检测效率与降低劳动强度的多通道轧辊超声波检测装置。为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案一种轧辊超声波检测装置，包括 探头控制箱、下位机和上位机，其特征在于还包括如权利要求1或2所述的超声波探头组 件；所述探头控制箱与下位机双向通讯，其根据所述下位机的指示控制所述探头组件的机 械运动与定位，并控制所述探头组件中的各超声波传感器依次发射超声波脉冲信号，同时 接收所述各超声波传感器的各个通道的回波信号，并按时间序列将所述回波信号送往所述 下位机；所述下位机将其接收到的所述回波信号进行检波和采样处理后转变为视频信号送 至所述上位机中显示。轧辊自动超声波检测装置能对轧辊进行修磨时的表面和内部的全面检测，发现轧 辊表面工作层以及内部的缺陷，及时发现隐患，以避免重大的经济损失。该轧辊自动超声波 检测装置在功能上超过了国外同类装置，打破了轧辊超声自动探伤装置主要依赖进口的局 面，能为国内冶金行业提供高性价比的超声自动探伤装置。


图1是轧辊自动超声波检测装置系统框图。图2是探头部结构示意图。图3是探头控制箱的外部结构示意图。图4是探头控制箱内部结构示意图。图5是下位机机箱的外部结构示意图。图6是下位机内部结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。图1示出了本发明中的轧辊超声波检测装置系统框图。如图1所示，本发明中的 轧辊自动超声波检测装置包括探头部、探头控制箱、下位机和工控机，其中工控机上设置有
显不器。图2示出了探头部的结构。如图2所示，本发明中的探头部包括步进电机驱动器 2、步进电机3、丝杠4、滑轨6、超声波探头组8。优选地，所述探头部还包括机架1，优选地， 所述机架1大体上呈现L形，所述L形的机架1具有一个较长的侧壁和一个较短的侧壁。所 述步进电机驱动器2、步进电机3、丝杠4、滑轨6、超声波探头组8被安装在机架1上，优选 地，被依次地安装于所述L形的所述较长的侧壁上。所述步进电机3在步进电机驱动器2 的控制下驱动丝杠4动作，从而使安装在丝杠4上的滑轨6向机架1的外部延伸出去或者 从机架1的外部收缩回来，优选在，所述机架的一端还设置有滑轨座7，其用于对滑轨6的运 动进行定位或导向。所述超声波探头组8设置于滑轨6末端，以致能够随滑轨6的运动而 运动。优选地，在所述机架1上还设置有拖链5、输出输入插座10和信号线缆11。如图2所示，为了能够对轧辊表面、次表面、内部以及不同方向的缺陷进行检测， 所述超声波探头组8设置有9个超声波传感器9。如果将所述9个超声波传感器9沿轧辊 轴向一字排列，则会增加探伤的端头盲区，因此，所述9个超声腔波传感器9被设计成3X3 的传感器阵列，所述传感器阵列从上到下按第一行被分为第一组、第二组和第三组，每组都 具有3个所述的超声波传感器。运行时，当所述第二组被定位后，其余第一、第二组通过旋 转来实现与轧辊之间的间隙定位，以满足不同辊径的轧辊探伤。优选地，由于避免探头(即 所述超声波传感器)与轧辊在接触时可能损坏轧辊表面、同时在二者发生相对移动时可能 会使探头产生振动，因此，在探伤时，探头和轧辊表面采用机械非接触式。优选地，为了能够对不同直径的轧辊进行探伤，所述超声波传感器9(即探头)设 置在行程为700mm的具有自动升缩结构的滑轨6上，其采用步进电机3和滚珠丝杆4驱动 以便于对升缩速度、定位精度和安全保护的自动控制。所述步进电机3的控制信号来自所述探头控制箱内的探头控制板；同时，也将下 述每组探头的各种位置信息提供给探头控制板，这是对步进电机控制的基本依据。所述探 头(即超声传感器)采用了双晶片，发射晶片的发射信号来自探头控制箱内的多通道超声 发射板。由于极限缺陷的回波信号为微伏级，为了避免干扰提高信噪比，接收晶片的信号输 出采用了差动式设计。
图3示出了探头控制箱的外部结构，进一步，图4示出了探头控制箱的内部结构。 如图3-4所示，探头控制箱包括探头控制电路板5、母板3、超声发射电路板2和超声回波接 收放大电路板4，优选地，探头控制电路板5、母板3、超声发射电路板2和超声回波接收放 大电路板4被置于探头控制箱机箱1内，在所述机箱1上还设置有液晶显示模块6。所述 探头控制箱用于(1)与下位机通讯，接收命令、传递信息；(2)控制探头的机械运动与定位； (3)接收多种传感器的信息以确保探头的安全；(4)使9个探头(即超声波传感器)依次发 射超声波脉冲信号；(5)对9个探头(即超声波传感器)接收的各个通道的回波信号进行 放大处理；(6)按照工控机自动检测软件界面设置的参数调节各通道的增益；(7)按时间序 列，将经过所述放大处理后的各通道的回波信号，以差分信号的形式送往下位机。所述探头 控制箱与下位机之间的通讯采用RS-422的形式，以便抗干扰；多通道超声波传感器的发射 时序来自所述下位机内的CPLD ；经所述放大处理后的各通道的回波信号也按时间顺序送 往下位机。图5示出了下位机机箱的外部结构，进一步，图6示出了下位机的内部结构。如图 5-6所示，所述下位机包括母板3、超声检波滤波电路板6、ARM嵌入式系统4、数据采集卡和 CPLD系统2，优选地，上述部件设置于下位机机箱1内；在所述下位机机箱1内还设置有开 关电源5和7 ；优选地，所述数据采集卡是PC104数据采集卡；优选地，所述母板3上还设置 有备用电路板插槽8。所述下位机用于(1)将来自所述探头控制箱的射频超声回波信号进 行检波；(2)与上位机(即工控机)通讯，接收命令、传递数据与信息；(3)对超声回波信号 进行高速采样与处理；(4)根据上位机的命令实现系统规定的各种控制逻辑；(5)获取轧辊 的过零信号和轧辊的轴向坐标。所述下位机将来自所述探头控制箱的射频超声回波信号馈 至所述超声检波滤波电路板6进行检波、滤波，使之变为超声视频信号，其幅值控制在0-5V 之间，以满足A/D转换器的输入要求。ARM嵌入式系统选用了成品ARM9工控开发板，仅所 述ARM工控开发板通过RS-232串口与上位机(即工控机)建立通讯关系；上位机所设置的 各种参数、发出的命令也都传送给该ARM工控开发板，ARM系统对这些命令、参数进行识别 并执行相应的动作。所述数据采集卡主要是完成高速模数转换，把采集到的数据按照工作 模式和通信协议传给所述ARM工控开发板，经数字信号处理后再传送给上位机；优选地，所 述数据采集卡的工作时序由所述CPLD系统提供。所述轧辊的过零信号为所述CPLD系统的 一个外部输入信号，所述轧辊的轴向坐标由“激光测距仪”产生并通过RS-232接口馈至ARM 工控板所述上位机(即工控机和显示器)用于人机对话和显示最终的检测结果。在工控 机上运行的探伤软件名曰“轧辊无损自动检测软件”，该软件具有“参数设置”、“系统校准”、 “轧辊检测”、“数据管理”、“用户管理”等功能。超声波检测的通道数、各通道的增益、开门时 间、抑制值等都可以通过工控机的所述软件的相关界面进行设置。探伤结果以A式和/或 C式显示的模式在所述显示器上显示。本发明中轧辊超声波检测装置的主要技术指标为⑴工作频率2MHz-5MHz ；⑵ 具有9个超声通道；(3)总增益达到120dB (4)最小步进0. IdB ； (5)具有A式和C式显示； (6)探伤灵敏度表面缺陷，可检测高速钢0. Imm深、2. Omm长的裂纹的表面缺陷、高铬合金 0. 2mm深、2. Omm长的裂纹的表面缺陷；可检测在0. 5 20mm深度范围内φ2平底孔的内部缺陷。
权利要求
一种超声波探头组件，包括步进电机、滑轨和安装在所述滑轨上的超声波探头组；所述步进电机驱动滑轨可伸缩地运动，以调整所述超声波探头组的位置；其特征在于所述探头组被设计成n×n的传感器阵列；所述阵列按行被划分为n组，每组具有n个超声波传感器，其中n为大于或等于3的自然数；在探测时，所述每个超声波传感器与被测物体的表面是非接触的。
2.如权利要求1所述的超声波探头组件，其特征在于探测时，先将位于所述阵列的中 部的至少一组所述超声波传感器定位，然后再通过旋转的方式将其余的各组所述超声波传 感器定位，以便对具有弯曲表面的所述被测物体进行探测。
3.一种轧辊超声波检测装置，包括探头控制箱、下位机和上位机，其特征在于还包括 如权利要求1或2所述的超声波探头组件；所述探头控制箱与下位机双向通讯，其根据所述下位机的指示控制所述探头组件的机 械运动与定位，并控制所述探头组件中的各超声波传感器依次发射超声波脉冲信号，同时 接收所述各超声波传感器的各个通道的回波信号，并按时间序列将所述回波信号送往所述 下位机；所述下位机将其接收到的所述回波信号进行检波和采样处理后转变为视频信号送至 所述上位机中显示。
4.如权利要求3所述的轧辊超声波检测装置，其特征在于所述上位机能够对超声波 检测的通道数，以及各通道的增益、开门时间、抑制值中的一项或多项进行设置。
5.如权利要求4所述的轧辊超声波检测装置，其特征在于所述上位机还具有系统校 准和/或用户管理功能。
6.如权利要求4所述的轧辊超声波检测装置，其特征在于所述下位机通过一专门的 可编程控制器向数据采集卡提供时序以进行所述采样，并将采样得到的数据按照工作模式 和通信协议传给所述下位机中的嵌入式系统处理模块，所述嵌入式系统处理模块将其接收 到的所述数据经数字信号处理后再传送给所述上位机。
7.如权利要求6所述的轧辊超声波检测装置，其特征在于所述下位机还用于获取轧 辊的过零信号和/或轧辊的轴向坐标。
8.如权利要求7所述的轧辊超声波检测装置，其特征在于所述过零信号是所述可编 程控制器的一个外部输入信号。
9.如权利要求7所述的轧辊超声波检测装置，其特征在于所述轧辊的轴向坐标由激 光测距的方式产生。
10.如权利要求4所述的轧辊超声波检测装置，其特征在于所述探头控制箱与下位机 之间的通讯，和回波信号的传输采用差分方式。
全文摘要
本发明涉及一种轧辊超声波检测装置，包括探头控制箱、下位机和上位机，其特征在于还包括超声波探头组件；所述探头控制箱与下位机双向通讯，其根据所述下位机的指示控制所述探头组件的机械运动与定位，并控制所述探头组件中的各超声波传感器依次发射超声波脉冲信号，同时接收所述各超声波传感器的各个通道的回波信号，并按时间序列将所述回波信号送往所述下位机；所述下位机将其接收到的所述回波信号进行检波和采样处理后转变为视频信号送至所述上位机中显示。所述装置能对轧辊进行修磨时的表面和内部的全面检测，发现轧辊表面工作层以及芯部材料结合层的缺陷，及时发现隐患，以避免重大的经济损失。
文档编号G01N29/04GK101949896SQ20101024999
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者黎润民 申请人:昆山华得宝检测技术设备有限公司