用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置及调整方法技术领域
本发明涉及一种超声无损检测装置，属于无损检测相关设备领域。
背景技术
无损检测是指以不损及其将来使用和使用可靠性的方式，对材料或制件或此两者
进行宏观缺陷检测，集合特性测量，化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就
材料或制件对特定应用的实用性进行评价。
水浸法超声无损检测技术是将探头与试块浸没于水中，采用脉冲反射法接收检测
对象的上表面反射波、缺陷反射波和底面反射波以检测缺陷位置、尺寸、类型，该方法是非
接触式的超声波无损检测技术。水浸超声检测探头与检测对象通过水进行耦合，可在检测
对象上自由移动且保持均一、良好的耦合性能，常用于超声波自动扫描成像。由于检测声束
由水入射至检测对象的折射角是入射角的四倍（以钢为例），因此，要求检测声束正好垂直
入射至检测面以达到较好的声束透射率及缺陷定位、定量效果，探头方向的调整精度一般
要求在0.5°范围内。目前，一般采用手动方式调整探头方向，这种方法耗时耗力；特别是对
于大型检测工件或检测设备，探头方向的手动调整非常困难且容易形成较大的误差，进而
导致检测效果变差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置及调
整方法，该装置可自动调整探头角度使检测声束垂直入射至检测对象的声束入射面（检测
面）。
本发明提供了一种用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置，其特征在
于，所述检测探头方向自动调整装置包括超声检测探头、探头方向调整支架、FPGA运动控制
模块、上位机；所述探头调整支架上安装所述超声检测探头；所述上位机通过串口与所述
FPGA运动控制模块连接通信，所述FPGA运动控制模块通过控制信号线与所述探头调整支架
中的步进电机连接。
所述超声检测探头为水浸超声无损检测中使用的超声波发射和接收换能器，超声
检测探头安装在检测探头方向调整支架上。
所述探头方向调整支架包括两个转动模块和探头夹持模块，所述一级转动模块通
过L型结构件与检测设备相连、所述二级转动模块与所述一级转动模块相连、所述探头夹持
模块与二级转动模块相连。
所述一级转动模块和二级转动模块的结构相同，均由步进电机、齿轮减速器、U形
框架、转矩输出轴组成；步进电机与齿轮减速器通过轴承、法兰、转矩输出轴安装在U形框架
上。
所述两级转动模块中的两个转矩输出轴安装在同一平面上且相互垂直。
本发明还提供了一种检测探头方向自动调整方法，所述探头方向调整算法包括：
通过上位机产生控制信号控制探头按初始路径运动；
上位机控制检测探头在初始路径上以一定位置间距采集检测对象上表面（声束入射
面）的反射波信号，并搜索和记录反射波幅度最大时检测探头的位置；
探头移动至本次搜索到的最大反射波幅度位置；以此为起点，减小位置间隔并再次按
上述方法进行较之前述更小范围且更为细致的搜索，记录搜索到的表面反射波的最大幅值
及检测探头位置；
重复上述搜索过程，直到本次搜索与前一次搜索所记录的检测探头位置差值小于设定
的阈值，停止搜索，此时检测探头方向调整完成。
为保证精度，调整过程至少需进行两次反射波最大幅度的搜索。
上述设定阈值决定搜索定位精度和搜索时间，阈值越小、精度越高、时间越长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要的附图作简单地
介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术
人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图制成所述装置的其他附图，都
属于本发明保护的范围。
图1 是本发明用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置结构框图。
图2 是本发明用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整方法（算法）流程图。
图3是本发明用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整方法（算法）搜索轨迹在
检测面的投影图。
图4 是本发明用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置中探头调整支架
结构图。
图5是本发明用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置中探头调整支架一
级传动模块结构图。
图6是本发明用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置中探头调整支架二
级传动模块结构图。
图7是本发明用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置中探头调整支架探
头夹持部分结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、准
确地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本
发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
图1 是本发明用于超声水浸检测的超声探头方向自动调节装置结构框图，图中主
要显示了本发明四大组成部分，包括：上位机、FPGA运动控制模块、探头方向调整支架、超声
检测探头。此外，为清楚描述整个检测系统的运作过程，结构框图中还增加了超声发射接收
部（虚线框内），该部分是激励和接收超声探头的必备部分，也是超声检测仪的一般组成部
分，但不属于本发明所述的发明成果。结构框图显示，上位机是整个结构的控制中枢，上位
机根据超声检测探头接收的超声反射波幅度和探头方向调整算法，通过串口输出控制信号
至FPGA运动控制模块，FPGA运动控制模块接收到来自上位机的串口控制信号后执行相应运
动控制程序输出运动控制信号控制探头方向调整支架中的电机转动，进而驱动超声检测探
头在一球面做二维运动。
探头方向调整算法的编程思路是：探头发射检测声束垂直入射至检测对象表面
时，检测探头可接收到最高幅度的表面反射波；因此，控制探头在二维球面上转动并搜索最
高幅度反射波信号及其位置，该位置及与之对应的探头方向即是使检测声束垂直入射至检
测面所要求的探头方向。图2为探头方向调整算法流程图，程序流程图：(1) 上位机控制
FPGA运动控制模块输出电机控制信号控制超声检测探头按初始路径运动；(2) 超声检测探
头在初始运动路径上等间隔ds采集检测对象上表面（检测声束入射面）的超声反射波信号；
(3) 记录检测对象上表面反射波幅度达到最大时的探头位置；(4) 超声检测探头移动至本
次搜索到的最大反射波幅度位置；(5) 减小搜索间隔并保持搜索点数不变以便进行较小范
围且更为细致搜索，再次按(2)~(4)步骤搜索反射波达到最大幅值时的探头位置； (6) 经
至少两次搜索后，比较相邻两次搜索得到的最大反射波幅度位置并求其差值，当该差值小
于某一设定阈值ds’时，停止搜索；否则，重复上述搜索过程。图3显示搜索路径在检测面的
投影图，图中A点为探头初始位置，红色轨迹为初始路径，设在此路径上每隔dSA采集检测信
号并记录反射波幅度和位置；经第一次搜索后发现反射波最大幅度位置为B，则将超声检测
探头调整至B点并以此为起点再次搜索（搜索路径为蓝色轨迹），dSB为第二次搜索间隔（<
dSA）。
图4为检测探头调整支架结构图，L形连接件（1），U形框架1（2），减速器1（3），步进
电机1（4），转矩输出轴1（5），U形框架2（6），步进电机2（7），减速器2（8），转矩输出轴2（9），U
形框架3（10），探头连接管（11），检测探头（12）。连接件（1）的作用是连接探头方向自动调整
装置和水浸检测设备。探头方向自动调整装置可分为三个模块：一级转动模块、二级转动模
块、探头夹持模块。
图5为一级转动模块结构图，减速器1（3），步进电机1（4），转矩输出轴1（5）通过轴
承、法兰盘、螺栓安装在U形框架1（2）上；减速器1（3）与步进电机1（4）相连以输出能够驱动
二级转动模块的转矩；减速器1（3）中 1模20齿内径5mm的齿轮轴与步进电机1（4）的轴相连、
减速器1（3）中 1模60齿内径10mm的齿轮与转矩输出轴1（5）相连，通过减速器1（3）使得转矩
输出轴1（5）输出输入输出转矩比1:3的转矩，以带动二级转动模块转动。
图6为二级传模块分结构图，U形框架2（6）通过轴承法兰固定在转矩输出轴1（5）
上；减速器2（8），步进电机2（7），转矩输出轴2（9）通过轴承、法兰盘、螺栓安装在U形框架2
（6）上；减速器2（8）安装在步进电机2（9）的轴上以输出能够驱动探头夹持部分的转矩；减速
器2（8）与减速器1（3）的结构相同，通过减速器2（8）使得转矩输出轴2（9）输出输入输出转矩
比1:3的转矩，以带动探头夹持模块。
两级转动模块中的两个减速器的转矩输出轴1（5）和转矩输出轴2（9）在同一平面
上且相互垂直，以保证检测探头端部在一球面上做二维运动。
图7为探头夹持模块， U形框架3（10）通过轴承、法兰、螺栓安装在传动轴2（9）上，
探头连接管（11）安装在U形框架3（10）上，探头连接管（11）下端为螺纹口安装检测探头
（12），探头连接管（11）的另一端为仅探头信号线可穿过的防水封闭端。
综上，探头调整支架的工作过程是，上位机通过串口通信控制FPGA运动控制模块
输出U形框架1（2）和U形框架2（6）上步进电机1（4）和步进电机2（7）的转动控制信号，两步进
电机输出的转矩分别经减速器1（3）和减速器2（8）放大转矩后通过转矩输出轴1（5）和转矩
输出轴2（9）分别驱动U形框架2（6）和U形框架3（10）转动，进而带动通过探头连接管（11）连
接的检测探头（12）的声束入射端在球形表面上做二维运动。