專利名稱：超聲波檢查方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及零部件的檢査，尤其是零部件的超聲波檢査。
背景技術(shù)：
具有復(fù)雜形狀表面的零部件通常遍及于產(chǎn)業(yè)和政府操作中。很多時(shí)間，這些 表面的精確形狀在需要進(jìn)行檢査之前都是未知的。例如，在商用核反應(yīng)堆工業(yè)中， 就有許多復(fù)雜曲線的零部件和焊接。目前，從外部表面來(lái)進(jìn)行管道焊接的超聲波 檢測(cè)的高效高質(zhì)量的方法和流程僅僅只適用于一般較為平整和平滑的幾何形狀。 然而，現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)歷表明到目前為此，這些流程都顯示出這些焊接的相當(dāng)奪得部 分既不是平整的也不是平滑的。 一般來(lái)說(shuō)，超聲波檢查所遇到的現(xiàn)場(chǎng)條件包括在 焊接頂部條件中的變化以及在諸如直徑焊接收縮之類的其它表面不規(guī)則的范圍內(nèi) 的變化。
工業(yè)零部件的相位陣列超聲波測(cè)試已經(jīng)在過(guò)去的二十年內(nèi)得到了廣泛的應(yīng) 用。相位陣列超聲波測(cè)試是一種超聲波測(cè)試方法，在該方法中，換能器是由一個(gè) 小的單個(gè)元件的陣列所組成，其中各個(gè)元件都具有它們各自的脈沖發(fā)生器和接收
器通道。各個(gè)元件都很小，從而確保了較寬的波束擴(kuò)散。在發(fā)射的過(guò)程中，各個(gè) 元件都以精確確定的時(shí)間來(lái)產(chǎn)生脈沖的發(fā)生，使得各個(gè)元件所發(fā)出的超聲波在相 同的時(shí)間內(nèi)到達(dá)零部件體積中的聚焦點(diǎn)。在接收方面，來(lái)自各個(gè)元件的信號(hào)延遲 精確的時(shí)間，使得從零部件體積中的聚焦點(diǎn)反射的信號(hào)都是同相的。隨后，將延 遲接收到的信號(hào)累加在一起，當(dāng)形成聚焦點(diǎn)的反射時(shí)就產(chǎn)生最大幅值的信號(hào)。由 于適用于發(fā)射和接收的這些時(shí)間延遲是電子應(yīng)用的，所以它們可以快速變化。這
就允許相位陣列波束具有可編程和快速改變的特性，例如，可以高于每秒20,000 次的速率來(lái)改變，使用這些技術(shù)，超聲波束的聚焦點(diǎn)可以角度變化進(jìn)行電子掃描， 可以通過(guò)一定深度的范圍進(jìn)行掃描，可以沿著并行于探頭進(jìn)行線性掃描，或者可 以任何其它所需圖案進(jìn)行掃描，這種多功能性引起了相位陣列超聲波在工業(yè)測(cè)試
中得到廣泛的應(yīng)用。
具有各種不同曲線、波形或者不規(guī)則表面的零部件一直是超聲波測(cè)試的挑戰(zhàn)。 如果表面具有已知的規(guī)則幾何形狀(例如，圓柱形)，在某種情況下，超聲波探 頭可以設(shè)計(jì)和制造成便于零部件的檢査。使用相位陣列超聲波，有可能(在許多 情況下)通過(guò)調(diào)整在發(fā)射和接收所使用的延遲時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)已知的表面幾何形狀。 聚焦法則計(jì)算器可以在商業(yè)上大大便于將相位陣列超聲波波束設(shè)計(jì)成具有簡(jiǎn)單的 有規(guī)則的表面幾何形狀。然而，當(dāng)表面輪廓在檢查之前沿著表面以一種未知的方 式變化時(shí)，這就沒(méi)有方法可以有效的進(jìn)行超聲波檢查。例如，當(dāng)管道己經(jīng)焊接好 并且焊接接地是平滑的收口但不是平整的時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。時(shí)常將水管道 用在換能器和將超聲波導(dǎo)入和導(dǎo)出的部分之間，從而能夠很容易地進(jìn)行自動(dòng)掃描 并獲得可靠的耦合。
圖1和圖2圖示說(shuō)明了表面不規(guī)則對(duì)超聲波脈沖的影響。圖1顯示了在平整 表面上的超聲波波束是如何快速聚焦在所希望的區(qū)域內(nèi)的。圖2顯示了由于曲線 表面使得超聲波波束如何發(fā)散的。很顯然，如果要保持超聲波檢測(cè)的真實(shí)性，就 必須適應(yīng)表面輪廓的變化。
美國(guó)專利公報(bào)No.US2005/0150300、題為"使用輪廓表數(shù)據(jù)進(jìn)行超聲波檢查的 設(shè)備禾口方法(Device and Method for Ultrsonic Inspection Using Profilometry Data)"
披露了一種在滑板結(jié)構(gòu)上使用幾個(gè)超聲波探頭且在換能器和零部件表面之間采用 水耦合的方法。該結(jié)構(gòu)提供一種確定表面輪廓的能力，以便于通過(guò)補(bǔ)償由不平整 表面所引起的反射器位置上的誤差來(lái)校正零部件的檢査。然而，它不能包括校正 在超聲波波束寬度方向上由于不平整表面輪廓所引起的超聲波波束的能力。于是， 它的應(yīng)用僅僅限制于波束所進(jìn)入表面的波束寬度方向上被認(rèn)為是平整的表面。這 種限制是非常有限的，正如圖2所示，因?yàn)榧词?.5英寸半徑的曲線也會(huì)使典型的 超聲波波束產(chǎn)生嚴(yán)重的波束失真。
已經(jīng)研發(fā)出柔性相位陣列探頭，它能夠適用于復(fù)雜幾何形狀零部件的表面進(jìn) 行超聲波檢查。這在題為"適用于具有復(fù)雜幾何形狀的零部件的接觸檢查的柔性 相位陣歹U換能器(A Flexible Phased Array Transducer for Contact Examination of Components with Complex Geometry)"(關(guān)于非破壞性檢測(cè)的第16屆世界大會(huì)上 提出的，蒙特利爾，加拿大，8/30-9/3， 2004)的文獻(xiàn)中進(jìn)行討論。在該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工
作中，已經(jīng)研發(fā)了一種柔性壓電式探頭，它可以將測(cè)試設(shè)備貼近各個(gè)單獨(dú)的元件。 單獨(dú)的元件被壓緊，使之適應(yīng)于不平整的表面輪廓。通過(guò)測(cè)量各個(gè)單獨(dú)元件與位 置傳感器的垂直位置，就可以計(jì)算出相位陣列延遲，從而可以彌補(bǔ)和消除由于不 規(guī)則表面所產(chǎn)生的波束失真。然而，保持探頭元件和耦合超聲波導(dǎo)入部分的部分 表面之間的密切接觸將會(huì)成為問(wèn)題。為了確保在元件和部分之間良好的超聲波耦 合，就需要使用耦合液體或者膠體來(lái)填充不大于千分之一英寸厚的間隙。在許多 特殊的情況下，表面條件不可能這樣做。
C.Holmes， B.Drinkwater和P.Wilcox署名的文章(Insight, Vol.46， No.ll, 677-680 (2004))討論了單片(單個(gè)元件)超聲波換能器的使用。超聲波波束特 性可以設(shè)置但不可改變。 一個(gè)探頭可以水的路徑來(lái)工作以測(cè)量表面輪廓，并且另 一個(gè)用于內(nèi)部檢查的不同探頭與零部件的表面相接觸。由于在該文章中所討論的 超聲波探頭不是柔性的，因此只能在平坦的表面上工作。探頭的平坦表面必須是 在探頭的整個(gè)面積上與零部件的平坦表面相接觸，并且在探頭和零部件表面之間 采用液體耦合劑來(lái)實(shí)現(xiàn)不大于千分之一英寸厚的耦合，從而便于適當(dāng)?shù)夭僮?。?此，該設(shè)備只能對(duì)包括平坦表面部分的零部件進(jìn)行工作。在從一個(gè)平坦區(qū)域到另 一個(gè)平坦區(qū)域的過(guò)渡區(qū)間，內(nèi)部檢査探頭就不能工作。這種方法只能適合于具有 較大曲率半徑的曲線表面，這些曲線表面在探頭的區(qū)域中基本上是平坦的。對(duì)于
典型的換能器來(lái)說(shuō)，為了使用這種方法，曲率半徑必須大于幾英尺。這種方法所 提供的校正只限制于從用于表面輪廓變化的超聲波數(shù)據(jù)中來(lái)校正內(nèi)部反射的位 置。由于從各個(gè)探頭到反射器的波束角度和距離都是已知的，并且通過(guò)知道探頭 對(duì)表面和表面輪廓的精確位置，就能夠采用該文章所討論的方法來(lái)計(jì)算反射器在 全局座標(biāo)系統(tǒng)中的位置。然而，這種方法只能適用于現(xiàn)有的不平整表面零部件中 相對(duì)較小的一部分。這種方法并不能根本解決由于在探頭區(qū)域中的不平坦表面所 引起的波束失真的問(wèn)題。這就強(qiáng)調(diào)了這種方法只能應(yīng)用于在探頭區(qū)域中表面部分 是平坦的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)在現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種適用于超聲波檢查具有紋波或 不平整表面的零部件的方法。多元件陣列超聲波換能器可采用實(shí)質(zhì)流體層來(lái)工作，
比如諸如至少幾個(gè)超聲波波長(zhǎng)的厚度的水且設(shè)置在陣列換能器和零部件表面之 間。該流體層可以通過(guò)將零部件浸漬在液體中或者通過(guò)在探頭和零部件表面之間 使用附著的耦合劑柱來(lái)保持。掃描零部件，使用機(jī)械式劃針、激光或者超聲波技 術(shù)來(lái)測(cè)量?jī)删S的表面輪廓。 一旦獲得了零部件表面的精確表面輪廓之后，就計(jì)算 數(shù)據(jù)處理參數(shù)以便處理從零部件內(nèi)部反射的超聲波信號(hào)。
具有本發(fā)明新穎性特征的各項(xiàng)性能將在附屬于本發(fā)明并構(gòu)成本發(fā)明部分內(nèi)容 的權(quán)利要求中特別指出。為了更好地理解本發(fā)明，以及通過(guò)它的使用所帶來(lái)的操 作優(yōu)點(diǎn)，參考構(gòu)成本發(fā)明部分內(nèi)容的附圖和描述材料來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的較佳實(shí) 施例。


在附圖中，構(gòu)成了本發(fā)明的部分內(nèi)容，并且在附圖中所顯示的標(biāo)號(hào)都設(shè)計(jì)成 在全文都是相同的或者指定相同部分，附圖包括
圖1圖示說(shuō)明了通過(guò)平整表面引入到零部件中的超聲波脈沖的效應(yīng)； 圖2圖示說(shuō)明了通過(guò)不平整表面引入到零部件中的超聲波脈沖的效應(yīng)； 圖3圖示說(shuō)明了超聲波波束在兩個(gè)不同材料界面上的折射和反射；以及 圖4是多元件陣列探頭射線軌跡的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的檢查方法采用至少三種不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，各種方法都存 在著一些相同的地方。
第一個(gè)相同的地方是較佳地使用了多元件的陣列超聲波探頭。 另一個(gè)相同的地方是采用實(shí)質(zhì)液體路徑將探頭與被檢査的零部件相分離的， 該液體可以是水，也可以是膠體，但是較佳的是水，因?yàn)樗鼘?duì)于工作是最方便的。 目前超聲波換能器檢査一般所采用的方法都是換能器與被測(cè)零部件采用液體或者 膠體來(lái)耦合，其中液體或膠體的厚度為小于幾千分之一英寸，這就意味著換能器 是基本上幾乎接觸著被測(cè)零部件。于是，對(duì)于本發(fā)明而言，旨在使實(shí)質(zhì)液體路徑 在換能器和零部件之間至少有幾個(gè)超聲波波長(zhǎng)的程度，從而在換能器和零部件之 間有著一個(gè)空間，這就允許在零部件上的相當(dāng)小的曲率半徑的不平整表面不會(huì)導(dǎo)
致在換能器和零部件之間的接觸。這一水的路徑一般是在3mm至25mm的范圍之 間。
另一個(gè)相同的地方是掃描零部件，從而獲得被測(cè)零部件的兩維表面輪廓。然 而，所使用的掃描方式可以是不同的并且將在下文中作進(jìn)一步討論。
另一個(gè)相同的地方是基于被測(cè)零部件的表面輪廓，利用超聲波探頭位置的函 數(shù)來(lái)計(jì)算信號(hào)處理參數(shù)，從而校正由于反射超聲波脈沖所引起的超聲波波束的失 真。
在較佳實(shí)施例中，被測(cè)零部件通過(guò)每次只發(fā)射多元件陣列探頭中的各個(gè)單個(gè) UT探頭并且記錄所接收到的在陣列中的各個(gè)元件反射超聲波波形來(lái)進(jìn)行掃描，使 得完整數(shù)據(jù)集可以適用于每一個(gè)發(fā)射和接收的獨(dú)立組合的各個(gè)探頭位置來(lái)記錄。 對(duì)超聲波波形的可控陣列進(jìn)行處理，以便于測(cè)量零部件的表面輪廓?；谒鶞y(cè)量 到的表面輪廓，利用校正不平整表面的探頭位置函數(shù)來(lái)計(jì)算信號(hào)處理參數(shù)，并且 消除在零部件內(nèi)部反射器的反射信號(hào)中所產(chǎn)生波束失真。處理數(shù)據(jù)的收集陣列， 利用在先前步驟中所計(jì)算的編碼探頭位置函數(shù)來(lái)改變信號(hào)處理參數(shù)，以便于基于 來(lái)自零部件內(nèi)部的反射信號(hào)來(lái)分析(檢查)部件的內(nèi)部。
在較佳的實(shí)施例中，較為熟悉的合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT)可以用于形成立 體點(diǎn)聚焦所需的兩維孔徑，從而提高靈敏度和改善精確度。SAFT技術(shù)較為容易應(yīng) 用于矩陣發(fā)射/聚焦方案，因?yàn)閬?lái)自各個(gè)元件的所有波形都被存儲(chǔ)了。隨后，使來(lái) 自多個(gè)探頭位置的波形聚焦在一個(gè)聚焦點(diǎn)從而獲得SAFT效益就是一件十分容易 的事情。
在另一實(shí)施例中，掃描被測(cè)零部件，從而使用機(jī)械式劃針、基于激光的技術(shù)、 超聲波技術(shù)或者類似技術(shù)中的任意一種技術(shù)以編碼探頭位置作為函數(shù)來(lái)測(cè)量?jī)删S 的表面輪廓?；谒鶞y(cè)量到的表面輪廓，以探頭位置作為函數(shù)來(lái)計(jì)算信號(hào)處理參 數(shù)。這些信號(hào)處理參數(shù)用于校正不平整的表面，從而消除在反射信號(hào)中所產(chǎn)生的 波束失真效應(yīng)。隨后，將所計(jì)算的信號(hào)處理參數(shù)下載到連接著兩維超聲波陣列換 能器的商用相位陣列儀器中。之后，使用下載到相位陣列儀器中的信號(hào)處理參數(shù) 采用多元件陣列超聲波探頭來(lái)掃描零部件。這就可以通過(guò)電子選擇基于超聲波陣 列探頭位置的信號(hào)處理參數(shù)并且使用這些探頭來(lái)接收、處理和記錄從零部件內(nèi)部 的反射器所反射回來(lái)的脈沖。
在另一實(shí)施例中，被測(cè)零部件可采用上述方法進(jìn)行掃描，以便于測(cè)量表面輪 廓。在掃描零部件測(cè)量表面輪廓的同時(shí)，具有各個(gè)單個(gè)陣列元件的多元件超聲波 探頭每次之發(fā)射一個(gè)。記錄從陣列中的各個(gè)元件所接收到的超聲波波形，從而記 錄發(fā)射元件和接收元件的每一個(gè)唯一組合在各個(gè)探頭位置上的完整數(shù)據(jù)集?；?上述指示的測(cè)量表面輪廓來(lái)計(jì)算信號(hào)處理參數(shù)。隨后，使用最新計(jì)算的信號(hào)處理 參數(shù)來(lái)處理從各個(gè)元件的單獨(dú)反射中所接收到的數(shù)據(jù)收集陣列，從而校正表面的 不規(guī)則和消除重零部件中的內(nèi)部反射器反射信號(hào)中所發(fā)生的波束失真效應(yīng)。
各個(gè)實(shí)施例都可以在單個(gè)陣列探頭具有反射器和接收器的作用或者兩個(gè)多元 件陣列探頭可以用于其中一個(gè)探頭作為反射器使用和第二個(gè)探頭作為接收器使用 的條件下來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用雙探頭作為分離的反射器和接收器減小了來(lái)自液體和零部 件表面之間界面反射的幅值，這會(huì)使系統(tǒng)對(duì)來(lái)自零部件內(nèi)部的近表面反射"失盲"。 使用雙探頭的信號(hào)處理參數(shù)的操作和計(jì)算與使用一個(gè)單獨(dú)組合反射器/接收器探頭 時(shí)相同，除了害需要考慮兩個(gè)探頭的相對(duì)位置。在這種情況下，通過(guò)在分離接收 器探頭接收到來(lái)自零部件內(nèi)部的反射超聲波的同時(shí)以脈沖/回聲模式(在這個(gè)探頭 中的相同元件上發(fā)射和接收)來(lái)操作反射器探頭就可以獲得表面輪廓信息。兩個(gè) 探頭是在橫向上分離的。反射器(第一)探頭將超聲波脈沖發(fā)射到耦合液體和零 部件的內(nèi)部并且接收來(lái)自零部件表面的超聲波反射，以便于映射零部件的表面輪 廓。接收器(第二)探頭接收來(lái)自零部件內(nèi)部的超聲波反射。
使用本發(fā)明采集和處理數(shù)據(jù)的方法，就有可能處理這些數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)建等效 于具有在感興趣區(qū)域內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)上聚焦的超聲波波束的圖像。也有可能處理來(lái)自 不同數(shù)量元件的數(shù)據(jù)，以便于適用于零部件的不同區(qū)域，從而有效地改變孔徑。 例如，有效孔徑可以隨著聚焦距離的增加而增加，從而保持使用檢測(cè)區(qū)域的恒定 的聚焦寬度，因?yàn)榫劢箤挾扔上率浇o出
聚焦寬度~=(焦距)(超聲波波長(zhǎng))/ (有效探頭寬度)
這主要意味著本發(fā)明的方法可以以下所討論的方式來(lái)完成。
零部件的表面輪廓可以使用陣列探頭超聲波來(lái)精確測(cè)量。這是通過(guò)在零部件 部分進(jìn)行掃描，在以角度電子掃描波束的同時(shí)，收集超聲波表面反射數(shù)據(jù)，并隨 后，當(dāng)認(rèn)為數(shù)據(jù)已經(jīng)創(chuàng)建了部分表面的精確輪廓時(shí)，使用已知的波束角度和探頭 位置來(lái)組合已經(jīng)收集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)超聲波波束垂直于表面時(shí)，就能獲得來(lái)自表面
上一點(diǎn)的最大反射。當(dāng)組合各個(gè)波束角度和探頭位置的數(shù)據(jù)時(shí)，來(lái)自表面給定一 點(diǎn)上的最高幅值的反射就被用于測(cè)量從探頭到表面該點(diǎn)的距離。知道了適用于最 大反射的探頭位置和波束角度，就能夠確定表面該點(diǎn)的位置。通過(guò)進(jìn)行柵格點(diǎn)的 測(cè)量來(lái)定義表面就能夠獲得整個(gè)表面的輪廓。對(duì)于陣列發(fā)射收集數(shù)據(jù)而言，可以 進(jìn)行等效于上述相位陣列處理的信號(hào)處理，從而提供相同的獲得表面輪廓的功能。 為了使得整個(gè)表面輪廓化，可以在掃描部分的同時(shí)超聲波波束是以角度來(lái)掃 描的。在適當(dāng)采集時(shí)，所獲得的信號(hào)就給出各個(gè)探頭位置各個(gè)波束角度峰值信號(hào) 到達(dá)的幅值和時(shí)間的信息。相對(duì)于探頭的，反射源的空間位置可以利用下式從該 信息中計(jì)算出來(lái)
<formula>formula see original document page 11</formula>式中roF是反射飛行的測(cè)量，F(xiàn),是在液體中聲的速度，^是聚焦波束的角度。 在記錄反射時(shí)，這些相對(duì)位置數(shù)值都附加到已知的探頭位置上，從而提供精確的 反射器的x、 y位置并存儲(chǔ)于陣列中。通過(guò)以x位置位函數(shù)來(lái)處理該陣列就可以發(fā) 現(xiàn)對(duì)各個(gè)x位置都具有最大幅值的反射的y位置，從而可以發(fā)現(xiàn)這一部分的輪廓。 通過(guò)沿著零部件的長(zhǎng)度方向增加，采用多個(gè)掃描線來(lái)重復(fù)這一處理，零部件的整 個(gè)表面輪廓就能夠產(chǎn)生。
為了精確地計(jì)算用于處理來(lái)自零部件內(nèi)部的數(shù)據(jù)所需的時(shí)間延遲數(shù)值，就必 須確定從換能器元件到零部件感興趣的點(diǎn)超聲波飛行所需的路徑。從源元件通過(guò) 在零部件表面上的液體/固體界面所傳輸?shù)贸暡ǖ牟ㄔ诮缑嫔闲纬裳苌洹D3圖 示說(shuō)明了這種衍射。入射的超聲波的波以角度^撞擊表面。該波在界面上衍射， 并且以Snell定律所給出的角度^進(jìn)入到部件中
<formula>formula see original document page 11</formula>
式中^是在第一種材料(液體)中的入射角度，^是在第二種材料(固體零 部件)中的衍射角度，^是在第一種材料(液體)中的聲的速度；以及K是在第 二種材料(固體零部件)中的聲的速度。
K可以是固體的剪切波速度或者縱向速度，從而導(dǎo)致剪切波的波束或者衍射縱 向波的波束。計(jì)算用于檢查具有不平整表面的零部件所需的時(shí)間延遲需要發(fā)現(xiàn)在 源元件和通過(guò)不平整表面且滿足Snell定律的所需聚焦點(diǎn)之間的衍射路徑。 一般來(lái) 說(shuō)，這是通過(guò)數(shù)值根發(fā)現(xiàn)來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)發(fā)現(xiàn)從各個(gè)元件的中心、通過(guò)在不平整表 面中的一點(diǎn)、到達(dá)滿足Snell定律的所需聚焦點(diǎn)的路徑時(shí)，誤差函數(shù)可以定義為零。
該誤差函數(shù)可以由下式給出
<formula>formula see original document page 12</formula>
義/。③是從入射射線與表面的交叉位置到聚焦點(diǎn)X的水平距離，&。皿是從入射 射線與表面的交叉位置到聚焦點(diǎn)X的表面下的深度，^是相對(duì)于表面法線的入射 角度，^是耦合液體的超聲波速度，以及K是固體零部件的超聲波速度。誤差函 數(shù)作為沿著部分表面的x函數(shù)來(lái)估算。當(dāng)發(fā)現(xiàn)X的數(shù)值使得E (X)等于零且在相 同的預(yù)定容差內(nèi)時(shí)，就己經(jīng)找到了滿足Snell定律的聲路徑的解法并且波束以改x 數(shù)值通過(guò)表面。發(fā)現(xiàn)滿足Snell定律的其它解法也可以使用。 一旦發(fā)現(xiàn)超聲波路徑 的解法，直接的計(jì)算提供信號(hào)沿著該路徑傳輸?shù)娘w行時(shí)間，從中能夠計(jì)算出信號(hào) 處理的延遲。
ToF =(在液體中的路徑長(zhǎng)度)/ + (在固體中的路徑長(zhǎng)度)/ FMM
在圖4中，顯示了多元件(32)陣列探頭通過(guò)復(fù)雜幾何形狀表面的軌跡實(shí)例。 在界面上的材料是水，以及在界面下的材料是鋼。
當(dāng)使用2D陣列探頭時(shí)，這種方法旨在提供三維的。2D陣列探頭一般都包含舉 行的兩維陣列元件。采用這些探頭，通過(guò)不平整表面的聚焦涉及到以三維x、 y和 z來(lái)求解超聲波路徑。
本發(fā)明提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
主要優(yōu)點(diǎn)之一是通過(guò)在部分和探頭之間使用水路徑，可以使用簡(jiǎn)單的陣列探頭
并且在可以相對(duì)容易地掃描部分表面，以便于進(jìn)行檢查。水路徑可以通過(guò)零部件 浸漬液體水箱中來(lái)提供，以便于進(jìn)行檢查。水路徑也可以通過(guò)在探頭周圍使用小 的容器以便于柔性密封零部件的表面并將液體諸如容器，以便于填充在探頭表面 和部分表面之間的區(qū)域。耦合液體的使用通常都能提供可靠的耦合，并使得它自 身能夠進(jìn)行自動(dòng)掃描。水路徑也提供了一種測(cè)量上述部分的表面輪廓的常規(guī)部件。 本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是允許消除檢查超聲波的波束失真以及精確定位在零部件 內(nèi)部的反射器。正如早先所討論的那樣，即使相當(dāng)小的偏離平坦表面也會(huì)引起超 聲波通過(guò)該表面時(shí)的嚴(yán)重失真。這就證實(shí)了這種方法對(duì)于較寬范圍內(nèi)的不平整表 面條件都具有良好的魯棒性，包括在表面具有臺(tái)階的條件下。由于具有這一優(yōu)點(diǎn)，
這一技術(shù)可解決較寬范圍那的不平整表面檢査的問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)采用陣列發(fā)射和陣列聚焦的這一技術(shù)，在該技術(shù)中，來(lái)自每一個(gè)反射 和接收元件的獨(dú)特組合的超聲波波形都進(jìn)行數(shù)字化并存儲(chǔ)以備后期處理，從而有 可能采用相同的數(shù)據(jù)或者另外采用從一個(gè)零部件表面光柵掃描所同時(shí)采集到的分 離數(shù)據(jù)來(lái)確定表面輪廓和進(jìn)行零部件的內(nèi)部檢查。這是十分有利的，因?yàn)樗?了需要執(zhí)行兩次掃描來(lái)分別獲得表面輪廓數(shù)據(jù)和零部件內(nèi)部的檢査數(shù)據(jù)。另外， 表面輪廓測(cè)量必須是十分精確的，以便于能夠?qū)Σ黄秸谋砻鎭?lái)精確地校正超聲 波波束。通過(guò)使用相同的數(shù)據(jù)或者同時(shí)獲得的表面輪廓和內(nèi)部檢查數(shù)據(jù)，就可以 確保兩次測(cè)量都是在探頭相同的位置上進(jìn)行的精確采集。采用這種方法有可能使 得表面輪廓的精確測(cè)量都在幾千分之一英寸或者小于幾千分之一英寸的范圍內(nèi)。 這就允許由于不平整表面所引起的失真能夠消除并且提供在零部件內(nèi)部反射器的 十分精確的位置。
本發(fā)明有可能采用先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)，而在商用行為陣列儀器中是不可能的。 特別是，有可能處理數(shù)據(jù)，從而提供已經(jīng)聚焦在檢査區(qū)域中的每一個(gè)點(diǎn)上的圖像， 土工改善的圖像精度。另外，有可能改變檢查探頭的有效孔徑(寬度)，從而提 供恒定的聚焦寬度，并因此提供整個(gè)檢查區(qū)域的精度。由于"行"數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)， 所以該數(shù)據(jù)可以任何時(shí)間采用任何數(shù)量的不同聚焦參數(shù)來(lái)重新處理，從而提供反 映反射器更好特征的其它信息。在具有明顯缺陷的確定零部件的修理或替代非常 昂貴的情況下，在這一改善特征可以十分有益的。
另一優(yōu)點(diǎn)是使用非常簡(jiǎn)單的硬件來(lái)采集數(shù)據(jù)的能力。例如，最佳實(shí)施方式的想
象是使用簡(jiǎn)單脈沖發(fā)生器電路和簡(jiǎn)單的接收器電路的陣列連接成所有的工作都能 并行的高速數(shù)字化儀，從而實(shí)現(xiàn)接收波形的數(shù)字化并將其轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 這就需要一些參數(shù)來(lái)定義該硬件的工作。相反，商用相位陣列硬件包括，除了上 述的脈沖發(fā)生器/接收器和數(shù)字化儀之外，用于提供發(fā)射脈沖和接收信號(hào)兩者可編 程快速切換電子延遲的器件。它們還包括用于累加各個(gè)接收天線的延遲信號(hào)的電 路。所有這些都需要大量的可編程參數(shù)來(lái)滿足它的工作。
另一優(yōu)點(diǎn)是也采用合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT)來(lái)增加用于從探頭的固定位置 采集數(shù)據(jù)的有源元件所提供的檢查。采用SAFT，從探頭的多個(gè)位置上，由各個(gè)元 件所收集到的波形中的數(shù)據(jù)可以在經(jīng)過(guò)施加給數(shù)據(jù)的適當(dāng)延遲之后累加在一起。 這基本上是等同于陣列聚焦的相同處理，除了 SAFT的數(shù)據(jù)是來(lái)自探頭的多個(gè)精確 已知位置。采用陣列聚焦，每一種反射器和接收器元件的獨(dú)特組合所產(chǎn)生的數(shù)據(jù) 都可以用于處理中，并且可以顯示為等效于在商用相位陣列儀器所執(zhí)行的處理， 只要?jiǎng)h除所產(chǎn)生的波形即可。采用SAFT，在大的區(qū)域上收集數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生較大的 有效孔徑，這比在探頭的單個(gè)位置上所收集到的數(shù)據(jù)在精確度和靈敏度方面都有 所改善。然而，由于數(shù)據(jù)僅僅只收集探頭的物理元件，所以SAFT處理的數(shù)據(jù)實(shí)不 能精確地等效于具有較大面積的有源探頭。SAFT在改善檢査的精確度和靈敏度方 面十分顯著。
具有充分小的元件和足夠數(shù)量的元件來(lái)提供良好的波束特征的完全2D陣列探 頭的使用在對(duì)2D變化表面的工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。具有大量2D元件的換能器制造 十分困難。相當(dāng)昂貴，并且如果元件變得太小則靈敏度就很差。發(fā)射、收集和處 理來(lái)自大量元件的數(shù)據(jù)所化的時(shí)間量也可能是矩陣發(fā)射方法所禁止的。能支持大 量元件(>32)的硬件并不一定有效。避免在2D探頭中使用大量元件的一種方法 是使用合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT)，以便于提供兩維陣列波形數(shù)據(jù)集所需的一維 數(shù)據(jù)。采用SAFT，可以制造具有較窄橫向?qū)挾鹊?D陣列探頭，從而在各個(gè)單獨(dú) 元件的橫向方向上提供良好的波束擴(kuò)散性。1D陣列探頭采用在部分表面上的光柵 掃描，像矩陣聚焦方法所討論的那樣來(lái)收集數(shù)據(jù)。隨后，使用矩陣聚焦和SAFT 的組合來(lái)處理數(shù)據(jù)。這具有非常直截了當(dāng)?shù)挠布?shí)施方法的實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)。盡管顯示 出在某些情況下它不能提供像完全2D陣列那樣的良好靈敏度，但是這是一種非常 使用的設(shè)計(jì)方法，它能夠使零部件檢查的表面可以兩維變化。SAFT可以用于增加
在任意方向上或者兩個(gè)方向上所收集到的數(shù)據(jù)的處理。
在以上已經(jīng)顯示和討論特殊實(shí)施例和/或本發(fā)明的細(xì)節(jié)來(lái)說(shuō)明本發(fā)明原理的應(yīng) 用的同時(shí)，應(yīng)該理解的是本發(fā)明在權(quán)利要求書中作了更加全面的描述，或者本領(lǐng) 域中的熟練技術(shù)人員應(yīng)該知道，這些都不背離本發(fā)明的原理。
權(quán)利要求
1.一種用超聲波檢查具有不平整表面的零部件的方法，該方法包括a.在多元件陣列超聲波換能器和零部件之間設(shè)置厚度至少是幾個(gè)超聲波波長(zhǎng)的流體耦合；b.掃描所述零部件，使各個(gè)單獨(dú)的超聲波元件每次發(fā)射一個(gè)；c.記錄從所述陣列中的各個(gè)元件處接收到的反射的超聲波波形；d.處理所收集到的超聲波波形數(shù)據(jù)陣列，以測(cè)量所述零部件的表面輪廓；e.基于所測(cè)量到的表面輪廓，作為探頭位置的函數(shù)，來(lái)計(jì)算信號(hào)處理參數(shù)，從而消除波束的失真；以及f.使用最新計(jì)算的信號(hào)處理參數(shù)來(lái)處理所收集到的數(shù)據(jù)陣列，從而校正所述零部件的表面不規(guī)則并獲得所述零部件內(nèi)部反射器的檢查。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，a. 使用橫向上相互分離的第一和第二多元件陣列超聲波探頭來(lái)進(jìn)行檢查；b. 第一超聲波探頭被用于將超聲波脈沖發(fā)射到所述耦合液體和所述零部件的 內(nèi)部，并且接收來(lái)自所述零部件表面的超聲波反射，從而映射出所述零部件的表 面輪廓；以及c. 第二超聲波探頭被用于接收來(lái)自所述零部件內(nèi)部的超聲波反射。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在處理所收集到的數(shù)據(jù)陣列的步 驟中，采用合成孔徑聚焦技術(shù)。
4. 一種用超聲波檢查具有不平整表面的零部件的方法，該方法包括a. 在多元件超聲波陣列換能器和零部件之間設(shè)置厚度至少是幾個(gè)超聲波波長(zhǎng) 的流體耦合；b. 作為編碼的超聲波探頭位置的函數(shù)來(lái)測(cè)量所述零部件的兩維表面輪廓；c. 基于所測(cè)量到的表面輪廓，作為編碼的超聲波探頭位置的函數(shù)來(lái)計(jì)算信號(hào) 處理參數(shù)，從而消除波束失真；d. 將所計(jì)算的信號(hào)處理參數(shù)下載到超聲波儀器中；以及e. 在使用下載的信號(hào)處理參數(shù)的情況下根據(jù)編碼的超聲波陣列探頭位置，用 超聲波陣列換能器來(lái)掃描零部件，從而檢査零部件的內(nèi)部。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使 用機(jī)械式劃針來(lái)確定的。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使 用基于激光的技術(shù)來(lái)確定的。
7. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使用檢查零部件內(nèi)部所用的相同的超聲波換能器儀器來(lái)確定的。
8. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所使用的超聲波儀器是多元件相位陣列超聲波儀器。
9. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，a. 使用橫向上相互分離的第一和第二多元件陣列超聲波探頭來(lái)進(jìn)行檢查；b. 第一超聲波探頭被用于將超聲波脈沖發(fā)射到耦合液體和零部件的內(nèi)部，并 且接收來(lái)自零部件表面的超聲波反射，從而映射出零部件的表面輪廓；以及c. 第二超聲波探頭被用于接收來(lái)自零部件內(nèi)部的超聲波反射。
10. —種用超聲波檢査具有不平整表面的零部件的方法，該方法包括a. 在多元件陣列超聲波換能器和零部件之間設(shè)置厚度至少是幾個(gè)超聲波波長(zhǎng) 的流體耦合；b. 根據(jù)編碼的超聲波探頭位置來(lái)測(cè)量零部件的兩維表面輪廓；c. 在測(cè)量零部件的兩維表面輪廓的同時(shí)，使超聲波換能器中的各個(gè)單獨(dú)的元 件每次發(fā)射一個(gè)；d. 針對(duì)超聲波換能器中的各個(gè)單獨(dú)的元件，記錄所反射的超聲波波形；e. 基于所測(cè)量到的表面輪廓，作為編碼的超聲波探頭位置的函數(shù)，來(lái)計(jì)算信 號(hào)處理參數(shù)，從而消除波束失真；以及f. 使用最新計(jì)算的信號(hào)處理參數(shù)來(lái)處理所收集到的來(lái)自各個(gè)單獨(dú)的換能器元 件的數(shù)據(jù)陣列，從而校正零部件中的表面不規(guī)則。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是 使用機(jī)械式劃針來(lái)確定的。
12. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使用基于激光的技術(shù)來(lái)確定的。
13. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使用超聲波技術(shù)來(lái)確定的。
14. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，a. 使用橫向上相互分離的第一和第二多元件陣列超聲波探頭來(lái)進(jìn)行檢査；b. 第一超聲波探頭被用于將超聲波脈沖發(fā)射到耦合液體和零部件的內(nèi)部，并 且接收來(lái)自零部件表面的超聲波反射，從而映射出零部件的表面輪廓；以及c. 第二超聲波探頭被用于接收來(lái)自零部件內(nèi)部的超聲波反射。
15. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，在處理所收集到的數(shù)據(jù)陣列的 步驟中，采用合成孔徑聚焦技術(shù)。
全文摘要
一種適用于超聲波檢查具有波紋或不平整表面的零部件的方法。多元件陣列超聲波換能器采用在陣列換能器和零部件表面之間的實(shí)質(zhì)流體層(例如，水)工作。該流體層可以通過(guò)將零部件浸漬在液體中或者通過(guò)在探頭和零部件表面之間使用附著的耦合劑柱來(lái)保持。掃描零部件，使用機(jī)械式劃針、激光或者超聲波技術(shù)來(lái)測(cè)量?jī)删S的表面輪廓。一旦獲得了零部件表面的精確表面輪廓之后，就計(jì)算用于處理從零部件內(nèi)部反射的超聲波信號(hào)的數(shù)據(jù)處理參數(shù)，以便于消除由于不平整表面所產(chǎn)生的波束失真效應(yīng)和反射器錯(cuò)位。
文檔編號(hào)G01N29/26GK101191786SQ200710196418
公開(kāi)日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月29日
發(fā)明者B·E·考克斯, D·T·麥克勞什蘭 申請(qǐng)人:Bwx技術(shù)股份有限公司