本發(fā)明涉及一種動(dòng)車(chē)組空心車(chē)軸探傷裝置，特別涉及一種可用于空心車(chē)軸內(nèi)部及外表面縱向裂紋檢測(cè)的鋸齒形柱狀超聲相控陣換能器。

背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的空心車(chē)軸外表面縱向裂紋的檢測(cè)中，采用的是含單個(gè)壓電晶片的切向換能器探頭，即超聲的入射方向位于垂直于軸向的截面內(nèi)，入射線不經(jīng)過(guò)軸心。該換能器安裝于一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)換能器以自發(fā)自收的形式完成整個(gè)周向的掃描探傷。由于轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的存在，使設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，此外該形式的掃描效率低、分辨率低。公開(kāi)號(hào)為CN200985790Y的專(zhuān)利中提出了一種柱形相控陣井周掃描超聲換能器，壓電晶片陣元呈環(huán)形分布在柱形基體四周，通過(guò)采用動(dòng)態(tài)聚焦和偏轉(zhuǎn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)沿周向聚焦掃描，無(wú)需機(jī)械旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。由于呈環(huán)形分布的各壓電晶片的表面法線均經(jīng)過(guò)基體軸線，因此其偏轉(zhuǎn)角度是有限的，大偏轉(zhuǎn)角度的聚焦效果和檢測(cè)性能均下降，而對(duì)于空心車(chē)軸的縱向裂紋，需要較大的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)獲得較強(qiáng)的缺陷回波，以獲取可靠的探傷效果。同時(shí)該分布形式使各壓電晶片在空心車(chē)軸中產(chǎn)生的聲束以縱波為主，而縱波波長(zhǎng)大于橫波，因此對(duì)裂紋探傷的分辨率相對(duì)較低。因此急需一種換能器能提供較大的聲束聚焦偏轉(zhuǎn)角度，并實(shí)現(xiàn)以橫波聲束對(duì)縱向裂紋等進(jìn)行探傷，從而提高探傷分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可用于空心車(chē)軸內(nèi)部缺陷及外表面縱向裂紋檢測(cè)的鋸齒形柱狀超聲相控陣換能器，可在空心車(chē)軸中以橫波聲束進(jìn)行聚焦。本發(fā)明通過(guò)改變換能器陣元組，可在無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的情況下完成整個(gè)周向的掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)空心車(chē)軸內(nèi)部缺陷和外表面縱向裂紋的準(zhǔn)確探傷。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：該鋸齒形柱狀超聲相控陣換能器，包含換能器基體和換能器陣元，其特征在于，換能器基體為柱狀，柱狀基體的外輪廓呈鋸齒形；在柱狀基體每一個(gè)齒形的同一側(cè)均布置壓電晶片，構(gòu)成多個(gè)呈環(huán)形均勻分布的換能器陣元，各陣元之間互不影響。各陣元之間相互絕緣。優(yōu)選的，所述柱狀基體相鄰齒形的相鄰面所成角度大于90°且小于180°。優(yōu)選的，所述壓電晶片形狀尺寸一致，為長(zhǎng)條狀。優(yōu)選的，所述換能器基體采用空心圓柱狀。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果：本發(fā)明采用特定的換能器陣元傾斜角度，可實(shí)現(xiàn)大偏轉(zhuǎn)角度的動(dòng)態(tài)聚焦。同時(shí)各陣元發(fā)射的超聲波斜入射到介質(zhì)中，可在空心車(chē)軸中以橫波聲束進(jìn)行聚焦，提高探傷分辨率。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖3是本發(fā)明在空心車(chē)軸中工作的示意圖。圖4是本發(fā)明的陣元發(fā)射和接收超聲波過(guò)程示意圖。圖5是本發(fā)明的探傷過(guò)程原理圖。圖中：1-換能器基體；2-壓電晶片；3-耦合層；4-空心車(chē)軸；5-縱向裂紋。具體實(shí)施方式下面參照附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的鋸齒形柱狀超聲相控陣換能器包含換能器基體1和換能器陣元，其換能器基體為柱狀，柱狀基體的外輪廓呈鋸齒形；在柱狀基體每一個(gè)齒形的同一側(cè)均布置壓電晶片2，構(gòu)成多個(gè)呈環(huán)形均勻分布的換能器陣元，多個(gè)換能器陣元組成一個(gè)陣列，陣列中的各壓電晶片可分別獨(dú)立控制其發(fā)射與接收過(guò)程。本優(yōu)選實(shí)施例中，壓電晶片2尺寸大小一致，為長(zhǎng)條狀。換能器基體1為緩沖絕緣介質(zhì)，即各陣元之間相互絕緣，使各陣元間實(shí)現(xiàn)電路上的隔離，每個(gè)換能器陣元可獨(dú)立發(fā)射和接收超聲波，互不干擾。換能器柱狀基體相鄰齒形的相鄰面所成角度大于90°且小于180°，保證壓電晶片產(chǎn)生將的超聲波不被相鄰齒形所阻擋。鋸齒形柱狀超聲相控陣換能器采用多個(gè)具有特定傾角且環(huán)狀分布的換能器陣元組成鋸齒形柱狀超聲相控陣換能器，可在空心車(chē)軸軸孔中完成整個(gè)周向的掃描。本發(fā)明可以提供大偏轉(zhuǎn)角度的橫波聲束聚焦，能更加準(zhǔn)確地檢測(cè)空心車(chē)軸外表面縱向裂紋，提高探傷分辨率。本發(fā)明通過(guò)依次更換換能器陣元組進(jìn)行周向掃描探傷，不需要旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，能高效完成空心車(chē)軸的探傷。在下文中，將鋸齒形柱狀超聲相控陣換能器簡(jiǎn)稱(chēng)為換能器。通過(guò)控制電路可以產(chǎn)生基于一定延遲法則的激勵(lì)信號(hào)，控制聲束的聚焦位置和聲束強(qiáng)度，各通道的激勵(lì)信號(hào)分別作用于換能器中選定的各陣元上，完成每一次的發(fā)射和接收。以下就圖3、圖4、圖5對(duì)換能器的探傷過(guò)程作進(jìn)一步描述。首先闡述換能器發(fā)射超聲波的過(guò)程。在計(jì)算機(jī)中計(jì)算延遲法則，選定待發(fā)射超聲波的探頭，調(diào)整即將發(fā)射的超聲波參數(shù)，將以上數(shù)據(jù)傳輸給下位機(jī)，下位機(jī)進(jìn)行粗延時(shí)，再通過(guò)發(fā)射細(xì)延遲模塊獲得最終的信號(hào)延遲，由上位機(jī)控制高壓源產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)延脈沖信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換后作用于選定的壓電晶片2，從而產(chǎn)生多束超聲波，各束超聲波依次通過(guò)耦合層3和空心車(chē)軸4，最后以較大的偏轉(zhuǎn)角聚焦在空心車(chē)軸外表面縱向裂紋5上。通過(guò)改變不同陣元的時(shí)延，由給定陣元產(chǎn)生的聲束可在空心車(chē)軸近外表面處產(chǎn)生不同偏轉(zhuǎn)角的聚焦。依次改變選定的換能器壓電晶片2，可使換能器完成整個(gè)空心車(chē)軸近外表面周向360°的掃查。接下來(lái)描述換能器接收超聲波的過(guò)程。換能器壓電晶片2發(fā)射的超聲波被空心車(chē)軸外表面縱向裂紋5發(fā)射，發(fā)射波經(jīng)過(guò)空心車(chē)軸4和油膜耦合層3，到達(dá)壓電晶片2，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅隔離后由下位機(jī)控制進(jìn)行程控放大，再經(jīng)過(guò)前置濾波處理，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行接收信號(hào)的時(shí)延處理并緩存，再由下位機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波。經(jīng)前述處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的疊加成像并顯示使用者根據(jù)顯示的成像圖，判斷是否存在缺陷，以及缺陷所處的位置，從而完成整個(gè)空心車(chē)軸外表面縱向裂紋的探傷過(guò)程。通過(guò)改變聚焦深度，該換能器也能對(duì)空心車(chē)軸內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。