已知的是，測量所制造物件的尺寸以確保其符合容差。在高價值的組件(例如航空渦輪機葉片)的情況下，可使用安裝在CMM上的表面接觸探針以亞微米準(zhǔn)確性測量物件的外部形狀。US5189806和WO2009/024783中描述用于使用裝備有表面接觸(例如掃描)探針的CMM測量物件的表面上的多個點的位置的技術(shù)的實例。

除表面測量結(jié)果之外，常常需要測量物件的內(nèi)部特征。舉例來說，渦輪機葉片通常為中空的以使其能夠既重量輕又堅固地用于極端溫度和壓力下的操作。這些中空渦輪機葉片的內(nèi)部檢查通常使用超聲檢查來進行。通常依賴于耦合劑材料(例如耦合凝膠或液體)到零件的局部應(yīng)用的超聲厚度計量探針是已知的。這些探針傾向于為手持型且當(dāng)放置成接觸正被檢查物件的表面上的點時提供厚度測量結(jié)果。先前已描述超聲探針可如何安裝到CMM的套管軸。舉例來說，US2009/0178482描述安裝到CMM的套管軸的超聲探針。US2009/0178482還描述CMM可如何可互換地分別使用超聲探針和標(biāo)準(zhǔn)表面接觸探針用于內(nèi)部和外部(表面位置)測量。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種超聲探針，其包括；

變換器，其用于發(fā)射和接收超聲，以及

耦合元件，其用于接觸和聲學(xué)地耦合到待檢查物件，

其中該超聲探針包括分析儀，該分析儀被布置以分析由變換器接收的超聲信號且借此確定耦合元件與物件的表面之間是否存在接觸。

本發(fā)明因此涉及一種包含用于發(fā)射和接收超聲的變換器的超聲探針。該超聲變換器可例如包括脈沖回波超聲變換器，該脈沖回波超聲變換器包含用于發(fā)射高頻率時間離散縱向波形(下文中被稱為“L-波”)的壓電元件。該超聲探針還包含被設(shè)計以接觸和聲學(xué)地耦合待檢查物件的耦合元件(例如親水性球面或如下文所描述的其它尖端)。還提供分析儀以分析由變換器接收的超聲信號(例如在激發(fā)脈沖之后傳回的回波)，且使用所接收信號來確立耦合元件與物件表面之間是否存在接觸。本發(fā)明的超聲探針在安裝到坐標(biāo)定位設(shè)備時特別有利，因為其準(zhǔn)許測量物件的表面上的點的位置。

本發(fā)明因此提供一種超聲探針，其不僅允許測量物件的內(nèi)部特征(例如厚度)，而且允許確定何時探針接觸物件或移動成脫離與物件的接觸。這允許探針用于厚度和表面位置測量兩者。換句話說，本發(fā)明的超聲探針不需要使用單獨的表面接觸(例如觸摸觸發(fā))測量探針與超聲探針結(jié)合。本發(fā)明的超聲探針可執(zhí)行內(nèi)部和外部任務(wù)兩者，借此增加零件檢查的速度。

變換器可被配置以在任何合適的模式中操作。超聲探針可以高頻率操作。舉例來說，操作頻率可大于5MHz、大于10MHz或更優(yōu)選地大于15MHZ。在優(yōu)選實施例中，操作頻率大約為20MHz。可包括壓電元件的變換器優(yōu)選地激發(fā)縱向聲波(L-波)。有利的是，變換器被布置以周期性地發(fā)射激發(fā)脈沖且隨后接收傳回的超聲信號(即，脈沖回波模式操作)。每一激發(fā)脈沖之后所接收的超聲信號的振幅接著可作為時間的函數(shù)而被測量以提供振幅掃描(又稱為A-掃描)。多個此類掃描可視需要組合和平均。分析儀可依據(jù)相繼A-掃描中的差異而確定耦合元件與物件之間是否存在接觸。

有利的是，每一振幅掃描包含振幅峰值，振幅峰值與來自探針內(nèi)的超聲的內(nèi)部反射有關(guān)。內(nèi)部反射可起因于延遲線、耦合元件或探針內(nèi)的不同類型的材料之間的其它界面。分析儀可依據(jù)相繼振幅掃描之間的內(nèi)部反射的振幅的改變而確定耦合元件與物件之間是否存在接觸?；蛘?，分析儀可通過評估來自所接觸物件的內(nèi)部反射是否存在于每一振幅掃描中而確定耦合元件與物件之間是否存在接觸。舉例來說，額外反射峰值的出現(xiàn)可用于指示存在來自物件的后壁反射，且因此已建立與物件的接觸。除確定是否已建立與物件的接觸外，還可能以類似方式確定何時已丟失與物件的接觸。

方便地，超聲探針輸出觸發(fā)信號，其指示何時分析儀已確定耦合元件正與物件接觸。換句話說，超聲探針可在物件被接觸時發(fā)布觸發(fā)信號。舉例來說，觸發(fā)信號輸出線可保持較高的(狀態(tài)“1”)以指示何時存在與物件的接觸，且保持較低的(狀態(tài)“0”)以指示無物件接觸。從低到高的轉(zhuǎn)變因此指示已作出接觸，且高到低指示已丟失接觸。此觸發(fā)信號可饋送到坐標(biāo)定位設(shè)備的控制器且用于以與利用傳統(tǒng)觸摸觸發(fā)探針采取的測量類似的方式確定物件的表面上的點的位置。

除確定何時丟失或建立與物件的接觸外，超聲探針還可確定何時獲得與物件的最佳聲學(xué)耦合。確切地說，分析儀可通過隨著以增加或減小的力將探針按壓到物件中來監(jiān)視來自物件的反射而評估何時獲得“耦合有效點(sweet spot)”。確切地說，分析儀優(yōu)選地通過隨著耦合元件移動成與物件較緊密地接合來監(jiān)視來自所接觸物件的內(nèi)部超聲反射而確定何時實現(xiàn)與物件的最佳超聲耦合。一旦獲得“耦合有效點”，接著就可獲取超聲測量結(jié)果(例如厚度測量結(jié)果、裂紋檢測測量結(jié)果等)。

超聲探針還可使用耦合到物件中的超聲探測物件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。有利的是，分析儀依據(jù)來自所接觸物件的內(nèi)部超聲反射而確定所接觸物件的厚度。優(yōu)選地，分析儀依據(jù)來自物件的后壁的相繼反射而評估所接觸物件的厚度。換句話說，探針可使用下文更詳細(xì)描述的所謂的模式-3操作測量厚度。當(dāng)然，將可能使用不同操作模式(例如模式-1或模式2)用于超聲檢查。探針可因此被配置以在多個不同超聲測量模式中的任一個中操作。厚度測量可需要執(zhí)行校準(zhǔn)步驟(例如以測量正被檢查的零件的材料中的聲速)。超聲探針可包括探針外殼，其中提供變換器和耦合元件。分析儀可提供在探針外殼內(nèi)或探針外殼外部的界面中。

有利的是，耦合元件包括可彈性變形材料。如果來自耦合元件的內(nèi)部反射正被監(jiān)視，那么耦合元件的變形更改此類反射。彈性變形性還意味著耦合元件在移除變形力之后返回到相同形狀。此彈性因此為有益的，因為其允許作出可重復(fù)且準(zhǔn)確的觸摸接觸測量。其對于耦合元件為大體上球面也是優(yōu)選，因為表面接觸測量隨后很大程度上可重復(fù)。

探針的耦合元件可包括干燥耦合劑材料，例如硅橡膠等。耦合元件可需要應(yīng)用耦合材料(例如水或凝膠)以確保良好聲學(xué)耦合。耦合元件可包括具有低聲學(xué)衰減性質(zhì)的可壓縮且可容易彎曲的油基熱軟化塑料。

有利的是，耦合元件包括自潤滑材料。此自潤滑材料優(yōu)選地以受控方式從其外表面釋放例如水和/或油等潤滑劑。自潤滑材料可包括親油性彈性體。有利的是，自潤滑材料包括親水性彈性體。舉例來說，親水性彈性體可包括不可壓縮的膠狀親水性彈性體材料，例如輕度交聯(lián)親水性乙烯基彈性體或高吸水性聚合水凝膠。高含水量親水性聚合鏈化合物的實例為MMA:VP(即，N-乙烯基吡咯烷酮和甲基丙烯酸甲酯的共聚物)。對于此化合物，含水量可在約35％到95％的范圍內(nèi)變化，且展現(xiàn)極好的聲學(xué)性質(zhì)，但隨著含水量增加，撕裂強度減小。方便地，自潤滑材料提供為球面。優(yōu)選實施例因此包括包含親水性彈性體球面的耦合元件。

包括親水性彈性體球面的耦合元件的提供具有若干優(yōu)點。舉例來說，水膨脹親水性聚合物球面從其表面釋放有限量的水(即，其“滲出”水)。此釋放的水通過填充超聲探針與物件的粗糙表面之間的任何空氣穴而提供改進的與物件的聲學(xué)耦合。從親水性彈性體球面釋放的水的量可通過聚合材料的化學(xué)性質(zhì)的適當(dāng)選擇來控制。舉例來說，釋放的水量可被布置為最小且因此將在大氣中非常容易地蒸發(fā)，而不會留下任何殘余污染物。此外，此類親水性彈性體球面可柔軟且有彈性以提供抵靠著彎曲檢查表面的高度適應(yīng)。水的釋放還可充當(dāng)潤滑劑，其準(zhǔn)許沿著物件的表面上的路徑掃描此類球面。此外，親水性材料具有固有較低聲學(xué)衰減和聲學(xué)阻抗值，其非常適合于陶瓷變換器耐磨板與金屬零件之間的超聲透射。

有利的是，超聲探針包括延遲線。探針可包含還充當(dāng)延遲線的耦合元件。舉例來說，耦合元件可提供為包括具有用于接觸待檢查物件的突起部分且足夠大以提供延遲線功能的親水性彈性體球面。方便地，探針包括耦合到耦合元件的延遲線。換句話說，可提供與耦合元件分離的延遲線(例如固體塑料延遲線)。此延遲線可例如由聚苯乙烯或聚碳酸酯形成。親水性彈性體球面可耦合到延遲線的遠端。延遲線可因此放置于變換器與耦合元件之間的聲學(xué)路徑中。

有利的是，超聲探針包括超聲束控制元件。超聲束控制元件優(yōu)選地操縱(例如折射、導(dǎo)引或聚焦)超聲波前，該超聲波前被發(fā)射到正被檢查的物件和/或從正被檢查物件接收。優(yōu)選地，延遲線提供為充當(dāng)超聲束控制元件。舉例來說，超聲探針可包括產(chǎn)生較發(fā)散遠場束的逐漸變細(xì)的延遲線。超聲束控制元件還可呈聲學(xué)透鏡的形式提供。舉例來說，可提供球形聚焦平面凹透鏡。親水性彈性體球面可接著耦合到凹透鏡(例如，因此透鏡繞球面成杯狀)以提供折射聚焦來增加后壁反射。超聲束控制元件可呈折射楔形的形式提供。舉例來說，可提供不對稱剛性楔形，其以與法線方向成如耦合材料中的相對聲速所確定的某一設(shè)定的角度將所投射超聲束折射到檢查表面中。此可對于其中前壁和后壁不并行的較復(fù)雜幾何形狀的內(nèi)部度量測量有用。聲學(xué)鏡面和其它聲學(xué)組件可根據(jù)需要包含在探針中。

有利的是，超聲探針包括超聲吸收殼。超聲吸收殼抑制或減弱來自殼壁內(nèi)的原本可能干擾所關(guān)注的反射波形的所有非想要聲學(xué)反射。超聲吸收殼可由例如或玻璃-填充PTFE形成。

超聲探針可提供為一體式物品。有利的是，超聲探針為模塊化探針。探針因此優(yōu)選地包括包含變換器的基底模塊和包含耦合元件的耦合模塊。基底模塊可包括第一連接器部分，且耦合模塊可包括第二連接器部分。第一連接器部分優(yōu)選地可釋放地可附接到第二連接器部分。探針的基底模塊可附接或可以附接到坐標(biāo)定位設(shè)備的可移動部件。舉例來說，基底模塊可包含準(zhǔn)許其附接到CMM的套管軸或旋轉(zhuǎn)頭的附接特征或機構(gòu)。

超聲探針可因此形成包含基底模塊和多個耦合模塊的模塊化超聲檢查設(shè)備的一部分。此允許在需要時將不同耦合模塊附接到基底模塊。耦合模塊的附接和拆卸優(yōu)選地以自動化方式通過坐標(biāo)定位設(shè)備的合適的編程來執(zhí)行。該多個耦合模塊可包含用于測量零件的不同內(nèi)部特征的一系列不同耦合模塊(例如在不同方向上和/或以不同發(fā)散量引導(dǎo)聲音)。該多個耦合模塊可替代地或另外包含一系列類似耦合模塊，其具有有限壽命(例如歸因于軟耦合元件的磨損或損壞)且因此可在損壞、磨損時或使用了特定時間周期之后進行更換。該多個耦合模塊可因此為與基底模塊相比具有短壽命的消耗品。

有利的是，提供保持器(例如儲存托盤(storage tray))用于保持多個耦合模塊。保持器可以可附接到坐標(biāo)定位設(shè)備的底座(bed)。舉例來說，保持器可包含一個或多個特征(例如螺孔、磁體等)，其允許保持器在固定位置和定向中緊固到CMM的底座。保持器可包含一個或多個端口或插孔，每一端口或插孔被布置以保持耦合模塊。保持器可因此儲存當(dāng)前不在使用的耦合模塊；即，未附接到基底模塊用于測量目的的耦合模塊可儲存在保持器中。保持器可儲存超過五個、超過十個或超過十五個耦合模塊。該設(shè)備可因此包括超過五個、超過十個或超過十五個耦合模塊。多個耦合模塊可包括多個不同設(shè)計或類型的耦合模塊。多個耦合模塊可包括多個大體上相同的耦合模塊。

如上文所解釋，可提供接觸模塊，耦合元件在其中為自潤滑(例如緩慢釋放水)。保持器可因此在使用之前密閉式密封。此防止耦合元件(例如親水性球面)在使用之前變干。保持器可以可再密封。舉例來說，保持器可在獲取每一耦合模塊之后打開和關(guān)閉，或其可打開且接著在已經(jīng)獲取一組測量結(jié)果之后關(guān)閉?；蛘?，保持器(和(任選地)具有自潤滑耦合元件的耦合模塊)可提供為單次使用式物品或消耗品，其打開、被使用且接著被丟棄或再循環(huán)。保持器可初始地含有包括在使用之前含水的脫水親水性球面的耦合模塊。新保持器因此可在需要時打開。

在優(yōu)選實施例中，保持器包括用于接納多個耦合模塊的多個凹部。方便地，凹部和耦合模塊被布置以防止耦合模塊當(dāng)位于凹部中時旋轉(zhuǎn)。舉例來說，耦合模塊可包含中央輪轂，其具有一個或多個徑向突起翼。保持器接著可包括互補凹部。耦合模塊可因此使用垂直(線性)相對運動放置到凹部中和從凹部撤回。一旦插入，就防止耦合模塊相對于保持器的旋轉(zhuǎn)。

第一連接器部分和第二連接器部分可由任何機械連接提供。舉例來說，可提供磁性連接布置。有利地，第一連接器部分和第二連接器部分包括互補螺紋。舉例來說，基底模塊的第一連接器部分可包括提供在基底模塊外殼的遠端的外表面上的螺紋(例如，公螺紋連接器)。耦合模塊的第二連接器部分接著可包含具有內(nèi)部螺紋表面的凹部(例如母螺紋連接器)。該布置可使得基底模塊和耦合模塊可通過施加相對旋轉(zhuǎn)運動而彼此接合和脫離。此允許基底模塊(例如由旋轉(zhuǎn)頭固持)擰入和擰出與耦合模塊的接合。耦合模塊可方便地儲存在上述類型的保持器中，從而防止附接過程期間的旋轉(zhuǎn)。

多個耦合模塊中的一個到基底模塊的附接優(yōu)選地建立模塊之間可靠且可重復(fù)的聲學(xué)連接。確切地說，配對第一連接器部分和第二連接器部分提供基底模塊的變換器與耦合模塊的耦合元件之間的聲學(xué)連接?；啄K因此優(yōu)選地包括具有耐磨板的變換器。耐磨板方便地被布置以聲學(xué)地與附接到基底模塊的耦合模塊耦合。舉例來說，耐磨板可接合耦合模塊的延遲線，或其可直接接合耦合模塊的親水性彈性體球面。在此類實施例中，多個耦合模塊中的一個到基底模塊的附接抵靠著變換器耐磨板而牢固地保持耦合模塊的相關(guān)部分(例如延遲線、球面等)。

本發(fā)明還擴展到包含上文所描述的超聲探針的坐標(biāo)定位設(shè)備。超聲探針可以可安裝或安裝到坐標(biāo)定位設(shè)備的可移動部件。坐標(biāo)定位設(shè)備可包含機床、工業(yè)機器人、臂、x-y掃描儀或履帶牽引裝置(crawler)。在優(yōu)選實施例中，坐標(biāo)定位設(shè)備包括坐標(biāo)測量機。CMM可為笛卡爾型(Cartesian)(例如橋型)CMM或非笛卡爾(例如六足(hexapod))型CMM。CMM優(yōu)選地包括旋轉(zhuǎn)頭，其提供探針附接到其上的可移動部件。旋轉(zhuǎn)頭可包括單一旋轉(zhuǎn)軸線、兩個旋轉(zhuǎn)軸線或三個旋轉(zhuǎn)軸線。旋轉(zhuǎn)頭有利地包括至少兩個旋轉(zhuǎn)軸線。旋轉(zhuǎn)頭可包括至少三個旋轉(zhuǎn)軸線。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，描述一種操作安裝到坐標(biāo)定位設(shè)備以獲取表面位置測量結(jié)果的脈沖回波超聲探針的方法。該方法包括監(jiān)視與指示與物件的接觸的改變有關(guān)的所接收的超聲信號的回波的步驟。超聲探針可因此還適于獲取表面接觸測量結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于坐標(biāo)定位設(shè)備的超聲檢查裝置。該裝置包括超聲變換器和用于接觸和聲學(xué)地耦合到待檢查物件的耦合元件，其中耦合元件包括自潤滑材料。耦合元件內(nèi)的聲速可通過當(dāng)耦合元件經(jīng)受多個不同變形時分析來自耦合元件內(nèi)的反射而測得。超聲檢查裝置可為模塊化設(shè)計(如上文所描述)，或單一(一體式或非模塊化)布置。該裝置可包括本文提及的特征中的任一個。有利的是，自潤滑材料包括親水性彈性體。方便地，自潤滑材料包括高吸水性聚合水凝膠。優(yōu)選地，耦合元件包括自潤滑材料的球面。超聲檢查裝置可在測量零件(例如使用增材制造技術(shù)制造的零件)的孔隙度和/或密度的方法中使用。

本發(fā)明還擴展到使用上文所描述的設(shè)備測量物件的厚度和/或物件的表面上的點的方法。

現(xiàn)在將僅借助于實例參考附圖描述本發(fā)明，在附圖中；

圖1a-圖1c說明各種已知超聲變換器布置，

圖2說明超聲厚度測量的原理，

圖3示出安裝在CMM上的模塊化超聲檢查設(shè)備，

圖4(a)和圖4(b)說明模塊化超聲探針的直線型式和彎曲型式，

圖5(a)到圖5(c)示出施配托盤和多個相關(guān)聯(lián)耦合模塊，

圖6更詳細(xì)示出包括耦合模塊的超聲探針，該耦合模塊具有包括親水性彈性體球面的尖端，

圖7示出具有耦合模塊的超聲探針，該耦合模塊提供垂直于正檢查的物件的表面的光束投射，

圖8示出具有球面聚焦的超聲探針，

圖9(a)-圖9(c)是模塊化超聲探針的耦合模塊的圖像，

圖10(a)和圖10(b)是附接到包括伸長碳纖維管件的基底模塊的耦合模塊的圖像，

圖11為用于驅(qū)動模塊化超聲探針的發(fā)射/接收電路的實例，

圖12說明用于產(chǎn)生超聲檢查零件程序的步驟，

圖13說明超聲校準(zhǔn)塊，

圖14示出掃描渦輪機葉片的模塊化超聲探針的彎曲變型，

圖15(a)到圖15(d)說明厚度測量期間產(chǎn)生的Α-掃描波形，

圖16示出具有與物件的表面接觸的親水性球面尖端的模塊化超聲探針，

圖17示出圖16中示出的表面接觸期間發(fā)生的球面尖端的變形，

圖18示出隨著球面尖端移動到物件表面中的位置信息的變化，

圖19示出球面中心位置上的傾斜效應(yīng)，

圖20(a)和圖20(b)示出作為超聲反射到達時間數(shù)據(jù)的函數(shù)的球面位移，

圖21說明使用模塊化超聲探針掃描波形表面，

圖22(a)到圖22(c)示出針對待檢查的不同零件的探針加載情境，

圖23示出經(jīng)配置以測量直線孔的底部表面的模塊化超聲探針，

圖24示出經(jīng)配置以測量成角孔的底部表面的模塊化超聲探針，

圖25示出經(jīng)配置以測量孔的側(cè)壁的模塊化超聲探針，

圖26示出使用具有橡膠尖端的超聲探針進行檢查期間測得的超聲形的實例，

圖27示出耦合模塊尖端的z軸位移與反射峰值振幅衰減的校準(zhǔn)曲線，

圖28為說明用于估計聲學(xué)延遲的方法的基本原理的框圖，

圖29說明可經(jīng)采用用于估計時間延遲的過程中的改進的準(zhǔn)確性的相位變換復(fù)本相關(guān)算法的運算，

圖30為說明組合表面點和厚度測量方法的步驟的流程圖，

圖31說明XY掃描儀上的模塊化超聲探針的使用，以及

圖32說明自含式爬行器上的模塊化超聲探針的使用。

參看圖1a到圖1c，示出包括縱波(L-波)變換器用于內(nèi)部度量測量的多種超聲探針。此類探針先前已經(jīng)出于檢查目的而使用，通常用作手持型檢查裝置。

圖1a示出包括外部主體4的超聲探針2。L-波變換器被構(gòu)造為包括有源壓電元件6。相對薄的壓電元件6被布置成具有近似等于正在產(chǎn)生的超聲波長的一半的厚度；此允許高頻率激發(fā)，這是用于準(zhǔn)確上升沿時間激發(fā)所必需的。壓電元件6由厚衰減背襯材料8背襯以吸收來自壓電元件6的能量，且借此在前向方向中產(chǎn)生所期望的深度阻尼響應(yīng)(heavily damped response)。這提供了最佳范圍解析度。

延遲線10經(jīng)由耐磨板12而聲學(xué)地耦合到壓電元件6。耐磨板12保護壓電元件6。耐磨板12具有等于超聲長的四分之一的厚度以使其能夠用作匹配層；此耐磨板厚度為優(yōu)選的，因為其確保壓電元件6中產(chǎn)生的波與耐磨板12內(nèi)彈回的波同相。此意味著耐磨板12和壓電元件6內(nèi)的超聲的振幅為加性的，且因此最大能量進入耦合到耐磨板12的延遲線10。液體耦合劑層(未圖示)構(gòu)造在延遲線10的遠端處以提供與正在檢查的物件14的聲學(xué)耦合。在圖1a中所示的實例中，延遲線10包括逐漸變細(xì)的傳播媒介。該傳播媒介可為聚碳酸樹脂或交聯(lián)聚苯乙烯。很細(xì)的軸向溝槽16被機械加工成傳播媒介的側(cè)部以便抑制來自傳播媒介內(nèi)的內(nèi)部反射。

圖1b示出超聲探針20，其具有許多與上文參考圖1描述的探針2共同的特征。然而，探針20具有含圓周波紋特征24的非逐漸變細(xì)的延遲線22。

例如參考圖1a和圖1b所描述的延遲線10和22等延遲線的主要功能是在足夠遠離檢查表面處物理上移除超聲激發(fā)，以在時間上解析來自正在被檢查的物件14的后壁26的來自初始反射的激發(fā)響應(yīng)。優(yōu)選地，這在沒有來自有限帶寬激發(fā)脈沖衰蕩的任何時間干涉的情況下而實現(xiàn)。因此可看出，延遲線在超聲(即縱波)進入檢查零件時執(zhí)行控制功能?？梢圆捎貌煌潭鹊募庀鞫?tapering)以產(chǎn)生較高接觸壓力和容納較彎曲零件。此尖削度還影響裝置的自然焦距和光束發(fā)散(即，衍射作用)。

如參考圖1(a)和圖1(b)所描述的超聲探針提供法線入射、非聚焦(在近場中)或自然發(fā)散的光束檢查。還可以將超聲投射成遠離表面法線的角度(例如，在內(nèi)部瑕疵檢測和尺寸設(shè)定的過程中)。圖1(c)示出包括折射角光束楔形物30(其有時被稱作超聲的承板(ultrasonic shoe))的替代超聲探針。光束楔形物30按照參考圖1a和圖1b描述的實例經(jīng)由耐磨板12耦合到壓電元件6。光束楔形物30將超聲波形投射成與正在被檢查的物件的表面法線成離軸光束角。對于此類楔形變換器，具有不同聲學(xué)阻抗的材料之間的界面處的折射是根據(jù)折射定律(即，斯涅爾定律)以及界面處的由于模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象而產(chǎn)生的跟隨剪切波模式(S-波)的。

圖1(c)還示出從超聲探針的光束楔形物30投射到金屬零件32中的超聲。與較快L-波模式相比，較慢S-波從表面法線N折射較少。此外，應(yīng)強調(diào)的是，折射L-波與跟隨S-波的相對比例主要取決于與S-波所成的入射角。還應(yīng)注意的是，在界面處產(chǎn)生顯著經(jīng)反射模式(即，產(chǎn)生R-波)，其重新引導(dǎo)楔形物內(nèi)的雜散聲能。吸收殼34因此耦合在傳播楔形物材料周圍以衰減此經(jīng)反射能量。此殼34防止如下反射：該反射原本將在光束楔形物30內(nèi)反彈并干擾感興趣的來自經(jīng)耦合的金屬零件32的反射。

應(yīng)記住，上文參考圖1(a)到圖1(c)描述的超聲探針為實例，且先前已經(jīng)開發(fā)了超聲的延遲線、楔形物和透鏡的不同設(shè)計以允許抵靠著不同固體檢查零件的最佳聲學(xué)耦合。在以上參考圖1(a)到圖1(c)概述的實例中，描述了如何在超聲探針與正檢查的物件之間提供附加耦合層(例如一層凝膠或潤滑脂)。這是因為所有真實檢查零件都將在微結(jié)構(gòu)內(nèi)表現(xiàn)出致使氣穴被截留在探針與檢查表面之間的界面處的一些表面粗糙，此類氣穴的存在使聲學(xué)耦合效率降級，主要是歸因于固體與空氣之間的大阻抗失配。使用耦合層(例如凝膠)可因此確保獲得必需的聲學(xué)耦合效率。

在液態(tài)水或凝膠無法隨意施加到正檢查的物件的情況下(例如汽車應(yīng)用中)，之前已經(jīng)使用呈干燥耦合固體的形式的耦合層。若干親水性彈性體(例如來自O(shè)lympus的Aqualene)和基于聚硅氧橡膠的材料(例如來自Sonemat的Ultracouple)可在市面上購得，以用于干燥耦合超聲的無損測試(NDT)應(yīng)用。然而，歸因于L-波衰減在較高探針操作頻率(15-20MHz)下增加，它們的耦合性能并不始終適合于較高頻率精確度厚度測量探針，此類材料的過度材料硬度還會限制與更彎曲檢查的表面的緊密適應(yīng)。此外，基于硅酮的耦合劑材料在一些制造環(huán)境(例如航空)內(nèi)被認(rèn)為是不可接受的污染物。

參看圖2(a)和圖2(b)概述脈沖回波厚度測量變換器的基本操作原理。確切地說，圖2(a)示出類似于上文參考圖1(b)描述的超聲探針20的超聲探針40。超聲探針40包含單一元件超聲的延遲線22，其包括用于耦合到待檢查的物件14的干燥耦合聚合物墊片42。

圖2(b)為由變換器的有源壓電元件6響應(yīng)于跨越壓電元件6施加瞬態(tài)高電壓激發(fā)脈沖而接收的聲學(xué)波形的實例。此時域波形(被稱作“Α-掃描”曲線)更通常是來自一系列此類激發(fā)脈沖(例如，N個脈沖的序列，其中N可處于16-32的范圍內(nèi))的時間平均響應(yīng)，以便抑制隨機非相關(guān)電子噪聲。

由壓電元件6產(chǎn)生的初始激發(fā)脈沖在圖2(b)中標(biāo)記為“Tx-脈沖”。此初始激發(fā)脈沖使得檢查L-波傳播到延遲線22中且以音速(CL)沿著延遲線行進。在壓電元件6處所接收回的第一反射峰值(DL1)是由來自延遲線的遠端(即，來自延遲線22與聚合物墊片42之間的界面)的聲音的反射所引起的?？梢钥闯鰜?，來自延遲線界面的遠端的此反射(即DL1脈沖)在初始發(fā)射脈沖(Tx-脈沖)已經(jīng)完全退去之后的適當(dāng)時間發(fā)生。

盡管大多數(shù)聲能在延遲線界面處反射回去且不會進入檢查零件，但足夠比例的聲能確實發(fā)射到耦合零件14中，作為可據(jù)以作出后續(xù)厚度測量的可測量檢查脈沖。歸因于金屬零件14(例如Z～46兆瑞利)與環(huán)境空氣(即Z＝0.000429兆瑞利)之間的聲學(xué)阻抗失配，檢查L-波在零件內(nèi)極其有效地傳播而僅具有極其適度的衰減(該衰減由于跨越后壁界面處的若干反射的聲學(xué)泄漏而引發(fā))。因為延遲線22內(nèi)的音速相比薄金屬檢查零件14內(nèi)的音速為低，所以在將來自延遲線的第二反射峰值(DL2)寄存在變換器處之前，在零件14的后壁之間可以發(fā)生多個反射。這些后壁反射因此提供脈沖BW1、BW2和BW3(也可見于圖2(b)的“Α-掃描”曲線中)。在第一延遲線反射峰值和第二延遲線反射峰值(DL1和DL2)之間的Α-掃描內(nèi)觀察到的時間窗口因此為探針的初級測量窗口。

可以若干方式而從圖2(b)中示出的類型的Α-掃描數(shù)據(jù)來計算零件14的厚度。在實踐中，此類厚度測量結(jié)果通常涉及可據(jù)以從已測得的Α-掃描提取時間延遲信息的三個操作模式中的一者。這些不同模式通常分別被稱為模式-1、模式-2和模式-3。在模式-1量測中，時間延遲測量是在激發(fā)脈沖(t＝0)與來自檢查零件的第一后壁反射或初級回波之間作出的。模式-1通常與直接接觸變換器相關(guān)聯(lián)。在模式-2量測中，時間延遲測量是在表示測試零件的附近表面的界面回波與第一后壁反射之間作出的。模式-2通常與延遲線或浸沒變換器一起使用。在模式-3量測中，時間延遲測量是在兩個或更多個相繼后壁反射之間作出的。模式-3通常與延遲線或浸沒變換器一起使用。模式-3最有效，其中可觀察到高SNR多重后壁回波，建議在例如細(xì)粒金屬、玻璃或陶瓷等的低衰減高聲學(xué)阻抗零件中是最切實可行的。模式-3還具有并不依賴于到達后壁的絕對時間或延遲線反射的優(yōu)點，因此消除了不同耦合模塊的耦合和延遲線中的可變性效應(yīng)。模式-3還允許測量包括外涂層的零件?？梢曅枰褂萌魏魏线m的模式(例如模式-1、模式-2或模式-3)。還可在測量過程期間可能與不同耦合模塊一起來實施不同模式的使用。

參看圖3，本發(fā)明的模塊化超聲檢查設(shè)備示出為被安裝在坐標(biāo)測量機50上。CMM 50包括可沿著三條互相正交線性軸線(X、Y和Z)來移動的套管軸52。例如由Renishaw公開股份有限公司(Renishwas plc)生產(chǎn)的有源頭等雙軸旋轉(zhuǎn)頭54被安裝到CMM 50的套管軸52。模塊化超聲探針56進而由旋轉(zhuǎn)頭54承載。圖3的小圖中以放大視圖示出的超聲探針56包括基底模塊58和經(jīng)附接的耦合模塊60?；啄K58通過標(biāo)準(zhǔn)探針接頭附接到旋轉(zhuǎn)頭54，標(biāo)準(zhǔn)探針接頭允許超聲探針56根據(jù)需要附接到雙軸旋轉(zhuǎn)頭54和從雙軸旋轉(zhuǎn)頭54拆離。附加探針(例如，具有紅寶石尖端觸筆的常規(guī)表面接觸(掃描)探針72)可儲存在探針擱架74中用于與超聲探針56交換。在CMM底座上還提供校準(zhǔn)加工品76，且在此實例中由固定件64固持的渦輪機葉片62提供待測量的物件。

如將在下文更詳細(xì)地闡釋，超聲探針56具有模塊化布置?；啄K58包括壓電變換器和耐磨板，而耦合模塊60包括用于接觸待測量物件的耦合元件和聲學(xué)延遲線。模塊化超聲探針56在圖3中示出為具有附接到基底模塊58的耦合模塊60。超聲檢查設(shè)備還包括多個附加耦合模塊66，其被固持在放置于CMM的底座上的儲存托盤68中。在使用中，附加耦合模塊66中的任一個可與耦合模塊60交換。換句話說，附加耦合模塊66中的任一個可附接到基底模塊58且用于測量物件的內(nèi)部性質(zhì)。更換附接到基底模塊58的耦合模塊的過程以自動化方式執(zhí)行。舉例來說，可采用基于磁體的連接或螺紋連接。CMM 50包括計算機70，其控制CMM操作并且還控制耦合模塊的自動更換。

圖4(a)到圖4(d)示出可與上文參考圖3描述的CMM一起使用的模塊化超聲探針的兩個實例。

圖4(a)和圖4(b)示出圖3中示意性地說明的模塊化超聲探針56。探針56包括基底模塊58，其具有可經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)探針接頭而附接到CMM 50的旋轉(zhuǎn)頭54的近端90?；啄K58還包括伸長軸桿94，且包含具有位于伸長軸桿94的遠端附近的耐磨板93的壓電變換器92。

圖4(b)給出圖4(a)中示出的模塊化超聲探針56的遠端96的放大圖?？煽吹?，伸長軸桿94的遠端還包括第一連接器部分98。耦合模塊60包含第二連接器部分100。第一連接器部分98和第二連接器部分100被布置為允許耦合模塊60和基底模塊58的附接(和后續(xù)拆卸)。換句話說，第一連接器部分98和第二連接器部分100是可以可釋放地鏈接在一起的互補連接器。如下文所解釋，可使用螺紋布置或以多種替代的方式(例如經(jīng)由磁性鏈接等)來實現(xiàn)此連接。耦合模塊60包含延遲線102和用于接觸待測量物件的尖端104。將耦合模塊60經(jīng)由第一連接器部分98和第二連接器部分100而附接到基底模塊58使得延遲線102接合耐磨板93，由此允許超聲從壓電變換器92耦合到延遲線102中且接著經(jīng)由尖端104而耦合到物件中。

圖4(c)和圖4(d)示出上文所描述的模塊化超聲探針56的變型。代替于包含大體上直線形伸長軸桿94的基底模塊，模塊化超聲探針109包括彎曲軸桿110。此提供了耦合模塊60的尖端104相對于旋轉(zhuǎn)頭54的不同角定向，且對于特定檢查過程是有利的。彎曲模塊化超聲探針109可儲存在CMM擱架(例如參考圖3描述的擱架74)中，且根據(jù)需要代替非彎曲模塊化超聲探針56而使用。

如本文所描述的模塊化超聲探針的提供具有一系列不同耦合模塊可附接到基底模塊的優(yōu)點。這些耦合模塊可例如提供可用于不同超聲測量的一系列不同耦合性質(zhì)。圖5(a)到圖5(c)示出關(guān)于多個耦合模塊可如何構(gòu)造和儲存的實例。

圖5(a)更詳細(xì)示出上文參考圖3描述的儲存托盤68。儲存托盤68包括儲存槽142的五乘五陣列(但可提供任何布置或數(shù)目的槽)。儲存槽142中的每一者都包括中央孔洞，該中央孔洞具有兩個徑向延伸槽。圖5(b)示出可放置到儲存槽142中的任一者中且由其固持的耦合模塊的翼形外部殼144。耦合模塊的內(nèi)表面包括螺紋146以提供連接器部分，該連接器部分能夠被旋擰成與超聲探針(未圖示)的基底模塊的互補螺紋接合。儲存槽142和外部殼144的互補形狀限制任何插入的耦合模塊在托盤的平面(例如XY平面)中的平移移動。此外，提供在外部殼144上的翼允許耦合模塊在垂直于儲存托盤68的平面的方向上(例如經(jīng)由CMM套管軸的Z方向移動)自由地插入到儲存托盤68中以及從儲存托盤68取出，但限制經(jīng)插入的耦合模塊的任何旋轉(zhuǎn)移動。耦合模塊可因此使用旋轉(zhuǎn)(擰緊)動作而附接到超聲探針的互補基底模塊和從該互補基底模塊拆離。使用此螺釘配合緊固以提供模塊化超聲探針是優(yōu)選的，因為其通過在每一個別接觸模塊的延遲線與基底模塊的耐磨板之間提供恒定及高張力夾持附接而允許恒定且合適的良好聲學(xué)耦合。此螺釘配合附接的實施成本也相對低。

在使用中，儲存托盤68將定位在如圖3中所示出的CMM床上的已知位置和定向處。耦合模塊也將布置在托盤68內(nèi)的已知位置處(即預(yù)定義槽142中)。在使用中，CMM將操控基底模塊(例如圖3的基底模塊58)以朝向托盤68向下指向且在待附接到基底模塊的耦合模塊的正上方?；啄K將隨后向下緩慢移動直至其接合耦合模塊，隨之基底模塊旋轉(zhuǎn)(例如使用通過圖3的旋轉(zhuǎn)頭54施加的旋轉(zhuǎn)運動)從而兩個配對螺紋接合且耦合模塊隨著它旋擰到基底模塊上而開始升高離開托盤。耦合模塊完全附接且緊密地附著到基底模塊的確切點可通過例如評估操控過程期間產(chǎn)生的超聲響應(yīng)或通過連續(xù)監(jiān)視放置在旋轉(zhuǎn)頭54的相關(guān)旋轉(zhuǎn)軸上的力矩負(fù)載來確定。此力矩負(fù)載可與針對旋轉(zhuǎn)頭54內(nèi)的旋轉(zhuǎn)移動伺服馬達的電流要求直接相關(guān)。還可存儲旋轉(zhuǎn)角度，在該旋轉(zhuǎn)角度處每一耦合模塊被解譯為緊密地附接到基底模塊。旋轉(zhuǎn)頭54可返回到此旋轉(zhuǎn)角度以允許將耦合模塊插入回到儲存托盤68中的槽142中并且之后通過與用于附接的旋轉(zhuǎn)運動相比相反方向的旋轉(zhuǎn)運動而被拆離(旋開)。

應(yīng)記住，上文描述的螺釘配合附接方法僅表示用于允許耦合模塊附接到基底模塊的一種可能方法。存在可采用的許多替代類型的連接器。舉例來說，該連接可由魯爾接頭(Luer joint)、扣合機構(gòu)、內(nèi)嵌磁性固定件等提供。磁性夾持布置可包括(例如)繞具有極性“++-”的探針尖端的圓周相等間隔開的三個堅固且緊湊磁體的組合件，以及繞儲存在施配托盤中的每一耦合模塊的周長的具有極性“--+”的三個磁體的匹配分布。此磁性附接將提供用于耦合模塊變型的簡單附接，且僅提供附接的單一可能旋轉(zhuǎn)角度。盡管可以如上文所描述的自動化方式實施將耦合模塊附接到基底模塊，但應(yīng)注意，還可能由操作者手動地(例如通過調(diào)度檢查序列中的若干經(jīng)設(shè)定中斷)執(zhí)行此附接。

接下來轉(zhuǎn)向圖5(c)，其中描述了多種不同耦合模塊180-191。耦合模塊中的每一者包含在外部PTFE殼中，該外部PTFE殼具有圖5(b)中示出的外部構(gòu)型以允許儲存在圖5(a)的托盤68中。還說明物理上和聲學(xué)地耦合到每一附接的耦合模塊的延遲線的基底模塊的耐磨板194。

耦合模塊180包括外部PTFE殼，其具有Rexolite(聚苯乙烯微波塑料)延遲線和親水性乙烯基彈性體尖端。耦合模塊181包括外部PTFE殼，其具有Rexolite延遲線和球面熱塑性尖端。耦合模塊182包括逐漸變細(xì)的外部PTFE殼，其具有Rexolite延遲線和彎曲熱塑性尖端。耦合模塊183包括外部PTFE殼，其具有Rexolite延遲線和薄乳膠橡膠尖端。耦合模塊184包括外部PTFE殼，其具有親水性乙烯基彈性體延遲線和尖端。使用親水性乙烯基彈性體球作為尖端的益處在下文更詳細(xì)闡述。耦合模塊185包括逐漸變細(xì)外部PTFE殼，其具有Rexolite延遲線和親水性乙烯基彈性體尖端。耦合模塊186包括外部PTFE殼，其具有Rexolite延遲線，該Rexolite延遲線具有親水性乙烯基彈性體尖端所附接到的成角遠端。耦合模塊187包括外部PTFE殼，其具有Rexolite延遲線，該Rexolite延遲線具有熱塑性尖端附接到的成角遠端。耦合模塊188包括逐漸變細(xì)外部PTFE殼，其具有Rexolite延遲線，該Rexolite延遲線具有包括熱塑性尖端的有角的遠端。耦合模塊189包括外部PTFE殼，其具有熱塑性尖端。耦合模塊190包括外部PTFE殼，其具有用于固持還充當(dāng)延遲線的變形的親水性乙烯基彈性體球尖端的階梯形遠端。耦合模塊191包括外部PTFE殼、Rexolite延遲線和提供物件接觸尖端的熱塑性材料。

圖6示意性地說明包括單一親水性彈性體球面的超聲探針的優(yōu)選實施例可如何實施。如將在下文更詳細(xì)地闡釋，此布置可有利地提供為模塊化超聲探針的一部分。

圖6中示出的超聲探針200包括單一親水性彈性體球面208。親水性彈性體球面208可例如通過交聯(lián)親水性乙烯基彈性體、高吸水性聚合物或水凝膠的合成和水合作用而制造。親水性彈性體球面208包含在聲學(xué)吸收殼212(例如從PTFE機械加工)內(nèi)。當(dāng)探針加載到表面上時，球面208在耐磨板214之間且抵靠著正檢查的物件218的表面216而變得均勻地變形。

包括有源壓電元件的變換器210當(dāng)被一系列高電壓脈沖激發(fā)脈沖驅(qū)動時產(chǎn)生L-波；例如，50-150V之間且持續(xù)時間為l/2f的負(fù)向轉(zhuǎn)變(NGT)脈沖。球面208(即“耦合元件”)的特性聲學(xué)阻抗使得存在從變換器耐磨板214(其充當(dāng)匹配層)到達其的足夠的聲能傳遞。接觸媒介(即球面208、檢查零件218和周圍空氣)之間的相對阻抗根據(jù)以下等式而確定了探針與檢查物件之間的界面處的成比例聲學(xué)透射(T)和反射(R)：

T＝1-R (1b)

對于大多數(shù)薄金屬零件，此類聲學(xué)阻抗匹配問題實際上比在經(jīng)組合的耦合媒介和檢查零件內(nèi)所展現(xiàn)的固有聲學(xué)衰減對感興趣的經(jīng)傳回反射回波信號的合成振幅具有更大影響。這是因為固有聲學(xué)吸收(其將使得超聲波在傳播穿過任何媒介的同時衰減)是頻率相依的，且取決于例如媒介的溫度和固有顆粒結(jié)構(gòu)等若干因素。

圖6中示出的實例描繪了親水性球面208與呈鋼板的形式的物件218的交互，大部分的初始聲能(例如>80％)被反射而不會進入檢查零件218，這是歸因于球面208的水凝膠材料(例如1-3.5兆瑞利)與物件218的鄰近鋼(例如近似46兆瑞利)之間的聲學(xué)阻抗的顯著差異。然而，對于確實傳播到零件218中的能量的部分，在前壁與后壁界面處發(fā)生多重反射而無顯著聲學(xué)泄漏(即，僅來自第一后壁反射的所發(fā)射能量的近似1.3％返回到變換器)和限制經(jīng)重復(fù)后壁反射的信號振幅電平中降落。

此實例說明用于模式-3超聲檢查的耦合部件(即，在此實例中，球面208)的選擇涉及達成折衷條件，其中剛好足夠能量被發(fā)射到零件中，而耦合不會太有效以致于太多反射能量通過第一后壁反射離開零件，因為這將產(chǎn)生用于后續(xù)后壁回波的低SNR。還已發(fā)現(xiàn)，未曾進入零件的大部分聲能(即剛好在親水性球面內(nèi)回彈的超聲能量)還可經(jīng)測量和解譯以便推斷在球面周圍環(huán)境內(nèi)的或當(dāng)球面與任何其它固體、膠狀或液體本體交互時的球面的物理條件的信息。如將在下文更詳細(xì)地闡釋，與球面內(nèi)的反射相關(guān)聯(lián)的聲學(xué)譜的延遲線峰值的分析還可用于建立球面與物件之間的接觸。此可在使用坐標(biāo)定位設(shè)備獲得表面位置信息的自動化掃描期間有效地利用。此應(yīng)與來自常規(guī)超聲的延遲線變換器的Α-掃描信號的利用相對照，在常規(guī)超聲的延遲線變換器中，此類內(nèi)部延遲線反射更經(jīng)常被忽略乃至一起被時間門輸出。

圖6中說明的親水性球面208布置具有若干性能益處，例如允許有效且靈活的點檢查測量并且還允許使用具有高準(zhǔn)確性但有限機械功率的平臺跨越復(fù)雜幾何形狀檢查表面而進行連續(xù)掃描。舉例來說，含水的(親水性)球面208展現(xiàn)可忽略的聲學(xué)衰減，這暗示了其可為任何大小。此外，它們的聲學(xué)阻抗值非常適于到金屬零件中的超聲傳輸。此外，不可壓縮的、可變形的且?guī)缀跄z狀的球面是極其柔軟的和有彈性的以便自然地抵靠著任何合理彎曲檢查表面而保形。并且，完好的球面形狀理想地實現(xiàn)足夠耦合但保持抵靠著局部平面檢查表面的點接觸測量中的位置精確度。

親水性球面布置還可適于提供朝向接觸尖端的一定程度的有用逐漸變細(xì)或聚集效應(yīng)，從而可能改變探針的有效自然聲學(xué)焦距。換句話說，經(jīng)由準(zhǔn)確操縱檢查表面上的探針加載和定向，彈性親水性球面可對進入到零件中的所投射超聲的光束發(fā)散度和方向提供一定水平的控制。此外，球面元件提供最佳結(jié)構(gòu)形狀以允許此類脆弱固體材料經(jīng)歷由于保持短期使用期間的機械完整性(歸因于當(dāng)球形在平面磨損表面與檢查表面之間被壓縮時加載應(yīng)力的均勻分布)的同時而抵靠著檢查表面進行加載而產(chǎn)生的重復(fù)彈性變形?？梢宰⒁獾降氖牵豢蓧嚎s的球面優(yōu)選地非常松散地駐留在殼內(nèi)，且可能在負(fù)載下多次彈性地變形，其中在移除負(fù)載之后每次都返回到完美的球面。僅當(dāng)球面表面處發(fā)生某一撕裂或裂開時，元件才崩解。

圖6中說明的親水性球面208布置還具有的重要好處在于：親水性聚合物球面的水泡脹化學(xué)性質(zhì)允許它們從外表面釋放受控的水量。所釋放的水量通常為將在大氣內(nèi)容易汽化的量。此細(xì)微的水釋放大大改進跨越所有檢查表面的聲學(xué)耦合，因為水取代了探針與表面粗糙微結(jié)構(gòu)之間所截留的氣穴。此在不留下任何明顯的殘余液體或污染物的情況下完成，且不需要向零件施用凝膠耦合劑。此外，可經(jīng)由已知有機合成方法來控制排出此水，且因此，其還提供有可能跨越檢查表面連續(xù)掃描超聲探針而不失去接觸的附加益處。更確切地說，由掃描探針跨越檢查表面(F)的任何橫向運動引起的切線力將進而在接觸球面中引發(fā)顯著摩擦阻力(N)，這可能潛在地減損移動探針的位置精確度或致使過早機械故障(如果耦合部件完全干燥)。然而，通過親水性球面的受控的水滲出性質(zhì)，足夠的液體從球面釋放以充當(dāng)天然有效的潤滑劑，從而促進任何方向中跨越大多數(shù)表面的更平滑的連續(xù)掃描運動。

因此可看出，參考圖6描述的基于親水性球面的布置就有效點檢查和連續(xù)自動化掃描應(yīng)用而言提供若干益處。對于特定幾何形狀(例如涉及非平行前壁和背壁和/或存在受限接近的情況)，通過如下方法來測量此類零件可能不是始終可行或者甚至物理上也不是一直可行的：在檢查表面處，僅通過相對于表面重新定向探針來以所需要的折射角引入L-波光束折射。此外，所投射光束由于孔徑大小和操作頻率而固有地發(fā)散且僅自然地聚焦而無任何明顯的近場折射聚焦，與和抵靠著表面的探針定向和孔徑所產(chǎn)生的自然焦距和折射光束角度無關(guān)。此外，盡管可以控制從固定件釋放極其適度的水，但一些應(yīng)用(例如汽車組合件的檢查)可能要求不存在液體殘余(包括水)。因此有利的是替代地或另外地提供包括剛性塑料折射透鏡或角度光束楔形物材料(例如丙烯酸或聚苯乙烯)的耦合模塊，該剛性塑料折射透鏡或角度光束楔形物材料結(jié)合到形成物件接觸尖端的合適的軟耦合層。耦合模塊的此“合成等級(compound class)”使得能夠由超聲探針產(chǎn)生選擇性但嚴(yán)格固定的聲學(xué)光束圖案。

參看圖7，示出耦合模塊的合成設(shè)計的實例。再次，實例示出操作的基本原理且可在上文描述的模塊化超聲檢查設(shè)備中實施。圖7的超聲探針包括壓電元件248，其耦合到法線入射逐漸變細(xì)的延遲線250，法線入射逐漸變細(xì)的延遲線250被結(jié)合或松散耦合到薄軟耦合層252(其突出且因此提供物件接觸尖端)。在此實例中的耦合層252為例如用于制造外科手術(shù)手套或類似物品的乳膠橡膠薄層?；蛘?，耦合層252可由可壓縮油基熱塑料提供。可產(chǎn)生乳膠橡膠和油基熱塑物兩者，其不會由于變形而產(chǎn)生殘余因此將不會在檢查期間產(chǎn)生液體污染。當(dāng)牢固地加載且聲學(xué)地耦合到檢查表面時，法線入射合成超聲探針(the normal incidence compound ultrasound probe)將產(chǎn)生零件254內(nèi)的固定已知自然光束發(fā)散256。然而，剛性折射元件可特定地不對稱成形以便與法線成設(shè)定角度來折射(即導(dǎo)引)L-波以便適應(yīng)較復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀。此是根據(jù)斯涅爾折射定律，且方法還可用于過濾較慢剪切波模式。

圖8示出耦合模塊的合成設(shè)計的進一步實例。再次，實例示出操作的基本原理且可在上文描述的模塊化超聲檢查設(shè)備中實施。圖8的超聲探針包括壓電元件260和形成剛性折射元件的塑料平面凹透鏡262。透鏡262的平面表面264耦合到變換器耐磨板266，且球形凹入表面268抵靠著親水性彈性球面270耦合(即“呈杯形環(huán)繞狀”)。折射元件(即平面凹透鏡262)或者可成形為任何必需類型的聲學(xué)透鏡以將L-波聲學(xué)波前聚集或?qū)乖诹慵?nèi)在近場中的某一點處。圖8的超聲探針允許在給定每一媒介內(nèi)的相對音速的情況下將L-波聚焦在零件272內(nèi)。舉例來說，L-波可聚焦在零件272的后壁上的點P處。此布置提供與使用浸沒系統(tǒng)的球形聚焦探針獲得的Α-掃描響應(yīng)類似的Α-掃描響應(yīng)；親水性彈性球面270代替了將探針浸沒在其中的水。

圖9(a)、圖9(b)、圖9(c)、圖10(a)和圖10(b)為上述類型的模塊化超聲探針的組件的各種設(shè)計圖像和照片，其包括含有呈親水性彈性球面形式的耦合元件的耦合模塊。

如上文所解釋的，上文描述的模塊化超聲檢查設(shè)備包括可附接到共同基底模塊的多個耦合模塊。圖9(a)示出基底模塊290的遠端的設(shè)計圖像?；啄K的圓柱形主體的外表面上包含帶螺紋連接器部分292。如下文將闡述的，帶螺紋連接器部分292允許合適布置的互補耦合模塊(例如，如圖9(b)和圖9(c)中所示出的)旋擰到基底模塊上。

轉(zhuǎn)向耦合模塊，觸摸待檢查的零件和任何必需延遲線(例如法線延遲媒介或折射延遲媒介)的耦合元件(例如親水性彈性球面)優(yōu)選地被固持在聲學(xué)吸收殼內(nèi)。此強吸收殼的設(shè)置意味著用于厚度測量的經(jīng)投射L-波可相對于其它波(例如來自耦合元件的側(cè)部的反射波)占主導(dǎo)。這(例如)可以使較緊湊型折射楔形物設(shè)計成為可能。現(xiàn)將參考圖9(b)和圖9(c)來描述用于容納親水性彈性球面的吸收殼的實例，但應(yīng)注意類似吸收殼還可用于不同類型的耦合元件。

圖9(b)示出根據(jù)圖9(a)中所描述的設(shè)計來制造且附接到包括聲學(xué)吸收殼294的耦合模塊295的基底模塊293。殼294抑制內(nèi)部聲學(xué)反射且固持親水性彈性球面296。在此實例中，殼294以玻璃填充PTFE(例如品牌下出售的PTFE)進行精度機械加工。或者，可使用純PTFE或某一其它合適的無回聲聚合物。還應(yīng)注意，針對高頻率聲學(xué)反射的無回聲吸收特定地設(shè)計的一系列聲學(xué)聚合物可市面上購得。舉例來說，來自精確聲學(xué)(Precision Acoustics)的Aptflex F28為用于浸沒系統(tǒng)內(nèi)的測試池襯里的高頻率無回聲聲學(xué)吸收材料，且因此將是吸收殼的合適的材料，因為其提供用于任何非想要內(nèi)部超聲回波的極其有利的聲學(xué)衰減屬性。然而，PTFE具有作為低摩擦材料的優(yōu)點而這對于允許親水性球面在殼內(nèi)自由移動(隨著其在表面上的負(fù)載下壓縮)是非常理想的，而不存在任何要粘附到限制殼的內(nèi)表面的趨勢。內(nèi)部螺紋(圖9(b)中不可見)形成使得耦合模塊295的附接的第二連接器部分。

圖9(c)說明由殼302形成的合成耦合模塊300，殼302包覆延遲線304且固持親水性彈性球面306。殼302(其類似于圖9(b)中所說明的殼294)是通過玻璃填充PTFE的精度機械加工而形成。內(nèi)部螺紋308形成使得耦合模塊300附接到第一連接器部分的第二連接器部分，第一連接器部分包括形成于基底模塊290上的互補螺紋292。

如圖9(a)和圖9(b)中所示出，PTFE殼294和302包覆每一耦合模塊的大部分，其中耦合元件的親水性彈性球面296和306的僅一小部分從殼的端部突起以便直接接觸檢查表面。在圖9(c)的合成耦合模塊300的情況下，延遲線304的突起的柔軟超彈性耦合材料的圓周附近和周圍的PTFE殼302的詳細(xì)形狀對歸因于軟耦合元件306截留在結(jié)構(gòu)內(nèi)時的有效壓縮限制而實現(xiàn)的耦合性能具有影響。其還對消耗品的可能服務(wù)壽命具有影響，這是歸因于在此限制致使跨越軟耦合材料的集中應(yīng)力分布的情況下撕裂親水性彈性球面306的增加的概率。還應(yīng)注意，PTFE殼提供對軟易腐性耦合材料的某一有用的整體性保護。

使用玻璃填充PTFE來分別形成圖9(b)和圖9(c)的殼294和302還有利于將每一耦合模塊附接到相關(guān)聯(lián)基底模塊。確切地說，PTFE提供每一耦合模塊與基底模塊之間的平滑、自動化螺釘緊固。機械螺釘配合組合件可因此使用有利于配合部分之間的平滑交互的材料(例如用于耦合模塊的PTFE和用于基底模塊的鋼)來設(shè)計。此外，耦合模塊的尺寸可設(shè)定成使得當(dāng)螺釘配合組合件變得緊密時，基底模塊內(nèi)的平面磨損表面或耐磨板以適當(dāng)夾持張力與耦合模塊的內(nèi)耦合材料恒定地接觸。此PTFE殼的使用允許形成延遲線而不需要微機器溝槽來抑制反射，從而允許采用更便宜的高容量注射模制或真空澆注制造方法。

參看圖10(a)和圖10(b)而給出超聲探針330的一個實施例的照片。圖10(a)和圖10(b)中所示的超聲探針330被配置成附接到旋轉(zhuǎn)頭，旋轉(zhuǎn)頭進而安裝在CMM的可移動套管軸上。確切地說，圖10(a)和圖10(b)中所示的模塊化超聲探針被布置為用于附接到雙軸旋轉(zhuǎn)頭(例如上文參考圖3所描述類型的頭)。當(dāng)然，將有可能將此超聲探針附接到其它測量系統(tǒng)。

超聲探針330包括具有主體部分321的基底模塊，主體部分321含有用以驅(qū)動壓電超聲變換器和以數(shù)字方式記錄對此類激發(fā)的聲學(xué)響應(yīng)所必需的所有發(fā)射-接收(Tx-Rx)電子器件。主體部分321(其被布置在附接到CMM的探針330的近端處)包括可選的電磁屏蔽以保護發(fā)射-接收電子器件。主體321還可含有用以對探針加電以及將控制數(shù)據(jù)和激活命令傳送到探針(例如以調(diào)度超聲測量)所必需的所有電子器件。功率和/或控制數(shù)據(jù)(包含超聲波數(shù)據(jù)和厚度測量結(jié)果)可經(jīng)由旋轉(zhuǎn)頭通信信道來傳遞。

主體321還包括薄伸長且剛性碳纖維管件323，其沿著探針的軸向長度延伸。管件323的遠端承載超聲變換器和第一連接器部分322用于附接到耦合模塊。圖10(a)示出沒有附接耦合模塊的基底模塊，而放大的圖10(b)示出耦合模塊332被附接到(即旋擰到)第一連接器部分322。高頻且屏蔽同軸電纜(未圖示)沿著碳纖維管件323在內(nèi)部延伸以便將主體321中的Tx-Rx電子器件電連接到設(shè)置在尖端附近的變換器。此將高電壓脈沖從Tx-脈沖發(fā)生器電子器件發(fā)射到變換器以便產(chǎn)生聲學(xué)波形，并且還將測得的模擬電壓信號從變換器攜載回到Rx-電子器件以進行數(shù)字化和記錄。盡管有利地選擇探針的物理形式以使得電子模塊為緊湊型且被包含在主體內(nèi)并接近CMM的測量頭，但可通過改變碳纖維管件的長度和/或彎曲角度特定地選擇總長度以使得變換器模塊和探針尖端可接近難以到達的零件幾何形狀。

參看圖11，描述了參考圖10(a)和圖10(b)所描述的超聲探針330的主體321內(nèi)包含的發(fā)射-接收(Tx-Rx)電子器件。

圖11描繪可布置在超聲探針內(nèi)的模擬和數(shù)字電子模塊的一個實施例。模擬“脈沖發(fā)生器”電路350布置為能夠產(chǎn)生高電壓(50-150V)交流電模擬信號(例如NGT脈沖)的重復(fù)波列。盡管提供脈沖發(fā)生器350，但或者可使用較復(fù)雜的數(shù)字波形合成器來產(chǎn)生經(jīng)頻率或振幅調(diào)制的波形以在更衰減環(huán)境中驅(qū)動壓電元件。由脈沖發(fā)生器350產(chǎn)生的高電壓脈沖有效地驅(qū)動探針的變換器內(nèi)的壓電有源元件356以輸出必需的超聲波形358，但不超出用于此薄脆弱壓電元件的最大電壓?？捎蓮腇PGA 352或等效處理器發(fā)送到“脈沖發(fā)生器”電路350的啟用信號來推動和在時間上精確地控制每一脈沖激活。對于每一激活，快速T/R開關(guān)354允許裝置在發(fā)射模式與較長持續(xù)時間接收模式之間瞬時切換，在較長持續(xù)時間接收模式的時間期間，系統(tǒng)獲取且以數(shù)字方式記錄對由互逆壓電元件356測得的所發(fā)射脈沖的聲學(xué)響應(yīng)。

所關(guān)注的經(jīng)接收信號的振幅電平可以變化得非常顯著，因此可選地提供可變增益放大器(VGA)360，以跨越所獲取Α-掃描響應(yīng)來感應(yīng)SNR增益以便在數(shù)字獲取之前放大信號。此外，為均衡每一Α-掃描響應(yīng)內(nèi)的歸因于傳播損耗或一些材料的衰減的可變性，還可實施被稱為距離-振幅校正(DAC)的自動增益控制(AGC)形式。經(jīng)放大的Α-掃描隨后使用合適寬動態(tài)范圍(例如12位)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)362而被數(shù)字化，其中提供尼奎斯特率以上的足夠過采樣，因為樣本速率從根本上影響測量系統(tǒng)的時間解析度以及因而影響厚度測量的準(zhǔn)確性；例如，125MHz或更高的取樣速率可適于20MHz變換器。來自ADC 362的經(jīng)編碼數(shù)字波形還可能需要使用數(shù)字濾波器(例如低階FIR)的帶通濾波，其中通帶與變換器的操作頻率匹配。Tx-Rx電子器件被設(shè)計為最小化每一個別Α-掃描內(nèi)可觀察到的電子噪聲的所有可能來源。此不相關(guān)噪聲通過跨越N個相繼重復(fù)Α-掃描測量結(jié)果求平均(即，提供理論√N SNR增益)而最有效地抑制。

參看圖12，現(xiàn)將描述針對經(jīng)使用以編譯用于參考圖3描述的CMM和超聲檢查設(shè)備的自動化移動指令序列的檢查規(guī)劃軟件的輸入數(shù)據(jù)要求的實例。

在表面接觸度量中已知的是，使用表面接觸(掃描或觸摸觸發(fā))探針而采用利用檢查零件的標(biāo)稱CAD數(shù)據(jù)模型的軟件來自動產(chǎn)生零件程序(該零件程序規(guī)劃和執(zhí)行測量行動)。舉例來說，可使用由Renishaw公開股份有限公司出售的ApexBlade軟件來執(zhí)行渦輪機葉片的高解析度連續(xù)掃掠(sweep)掃描測量，以產(chǎn)生使用用于控制CMM的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DMIS語言的零件程序。類似的CNC軟件(例如使用和產(chǎn)生經(jīng)接受的高層級CMM控制軟件語言(例如DMIS))也可用于自動規(guī)劃和調(diào)度超聲探針檢查。任何此類檢查規(guī)劃(不論自動執(zhí)行還是手動執(zhí)行)都優(yōu)選地包含某一形式的詳細(xì)零件特定檢查規(guī)劃或調(diào)度。

第一必備的條件在于界定哪里需要超聲測量。此可通過在超聲檢查之前界定檢查規(guī)劃來實現(xiàn)，該檢查規(guī)劃跨越將在上面進行超聲檢查測量的目標(biāo)檢查零件而界定所有測量節(jié)點、線性區(qū)段(B-掃描線)或經(jīng)界定檢查區(qū)域的位置。此過程可使用檢查零件的外部形式測量(該外部形式測量使用已知類型的表面接觸測量探針來執(zhí)行)。在界定測量節(jié)點且知曉具體檢查零件幾何形狀和由承載超聲探針的自動平臺所提供的可用機械自由度之后，可確定測量所需的超聲探針的類型。舉例來說，可能有可能僅使用法線軸線超聲探針(例如，如參考圖4(a)和圖4(b)所描述)，或者對于一些或所有測量而言可能必需使用成彎曲角度的超聲探針(例如，如參考圖4(c)和圖4(d)所描述)。如果需要一個以上超聲探針，那么自動探針改變例程可能是必需的。

如上文所解釋，模塊化超聲探針包含可更換的耦合模塊。如圖3和圖5(a)中所示出，耦合模塊可儲存在儲存托盤中且因此根據(jù)需要自動附接到超聲探針的基底模塊以及從該基底模塊拆離。檢查規(guī)劃可因此包含選擇最有利地用于跨越檢查零件內(nèi)的不同幾何形狀的測量的一個或多個耦合模塊。每一耦合模塊還可具有有限壽命(例如其可為消耗品或有限壽命物品)，且規(guī)劃過程可因此包含用于更新此類耦合模塊的更換策略。舉例來說，單純調(diào)度改變策略將很可能涉及就覆蓋度和掃描性能方面來決定用于零件的每一區(qū)段的最佳耦合模塊，以及在檢查內(nèi)調(diào)度一定數(shù)目的替代物以消除使用損壞的耦合模塊的可能性。預(yù)測更換策略將涉及僅當(dāng)檢測到損壞或次佳性能時更換耦合模塊；這將優(yōu)選地涉及確定針對特定幾何形狀的最佳設(shè)計，以及確保每一設(shè)計的足夠部分可用于覆蓋所需的可能數(shù)目。還可采用調(diào)度和預(yù)測更換的混合。

在確定針對所規(guī)劃檢查的測量節(jié)點、超聲探針改變和耦合模塊改變之后，可產(chǎn)生最佳移動路徑。此過程優(yōu)選地確保探針移動合適地融合在一起，從而探針不會與任何障礙物(例如零件、夾具或花崗石底座)碰撞。對于預(yù)測耦合模塊改變策略而言，重要的是每當(dāng)檢測到對當(dāng)前耦合模塊的損壞時無論探針位于測量體積內(nèi)什么地方時都可調(diào)用安全移動路徑序列以便使探針返回到儲存托盤。檢查表面上內(nèi)壁厚度測量節(jié)點的列表可隨后經(jīng)編譯，且界定超聲路徑。

在將超聲探針的基底模塊附接到CMM的可移動部件(例如雙軸旋轉(zhuǎn)頭)之后，可執(zhí)行測試以確保壓電探針正確地運作?；啄K(當(dāng)被附接到旋轉(zhuǎn)頭時)的軸向?qū)?zhǔn)和位置可假定為始終固定且具有自動附接到耦合模塊和從儲存托盤拆離耦合模塊的足夠準(zhǔn)確性。這是因為模塊化超聲探針的基底模塊為大體上剛性主體，且可使用所建立的運動學(xué)接頭來被附接到測量頭。然而，優(yōu)選地在耦合模塊被附接到基底模塊之后執(zhí)行耦合模塊的耦合元件(即尖端)的位置的校準(zhǔn)。此是為了準(zhǔn)確地確定CMM的坐標(biāo)系內(nèi)感測尖端(即耦合元件)的位置。

圖13(a)和圖13(b)示出可用于音速校準(zhǔn)、XY位置校準(zhǔn)和其它校準(zhǔn)任務(wù)的示例通用校準(zhǔn)加工品。應(yīng)記住，此僅為合適的校準(zhǔn)加工品的一個實例，且可實際上使用其它校準(zhǔn)加工品和技術(shù)。

圖13(a)示出校準(zhǔn)塊400的二維橫截面表示，其還在圖13(b)中以三維示出。校準(zhǔn)塊400為精度機械加工品，其并入有平面正交面402以使得其可放置在CMM的底座上，且使用表面測量(掃描或觸摸觸發(fā))探針就XYZ位置及定向來準(zhǔn)確地測量(即，數(shù)據(jù)化)其位置。塊400還具有有中央凹坑特征406的平坦平面頂表面404，該中央凹坑特征406可以使用表面接觸(例如觸摸觸發(fā)或掃描)探針而位于CMM體積中。校準(zhǔn)塊400為中空的且含有具有相對于頂表面平面404的小角度傾斜角(例如5-10度)的內(nèi)部圓錐形表面408。由圓錐形表面408界定的圓錐的頂點與中央凹坑特征406的XY坐標(biāo)同心。

在使用中，CMM的坐標(biāo)系中的校準(zhǔn)塊400的位置及定向由常規(guī)度量數(shù)據(jù)化過程確定。舉例來說，可通過使用常規(guī)觸摸觸發(fā)探針采取至少6個觸摸點(例如，三個點界定Z平面，兩個點界定x線，且一個點界定Y點)從塊的垂直平面區(qū)段確定數(shù)據(jù)點和主軸線。一旦已以此方式發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)塊的位置，就可確定CMM體積內(nèi)超聲探針尖端的位置。

具體而言，CMM體積內(nèi)塊400的位置還可從使用聲學(xué)探針而獲取的兩個測量結(jié)果的集合來確定，該聲學(xué)探針包括呈親水性彈性球面形式的耦合元件。在第一測量中，在z軸中通過移動聲學(xué)探針以朝下指向到校準(zhǔn)塊400的頂部平面上方的點來確定聲學(xué)探針的尖端的位置(和因此，塊的表面上的點的位置)。換句話說，探針在[0 0 -1]方向中通過對頭進行調(diào)零以面向頂面法線向量[0 0 1]而移動。隨后通過在Z方向上向下緩慢移動CMM套管軸而將聲學(xué)探針加載到塊400(其駐留在已知Z高度處)的頂部平面表面404上。通過重復(fù)加載探針到頂部表面404上和使探針離開頂部表面404，有可能估計探針在該處與此表面形成切線接觸的Z坐標(biāo)，這通過分析由來自親水性彈性球面的反射所產(chǎn)生的聲學(xué)信號而實現(xiàn)，如下文更詳細(xì)地描述。此第一測量因此實現(xiàn)CMM體積內(nèi)尖端的Z位置的準(zhǔn)確確定。

其次，為估計CMM坐標(biāo)系內(nèi)聲學(xué)探針的尖端的XY位置，跨越校準(zhǔn)塊400的頂部表面404在內(nèi)部圓錐形特征上方作出超聲厚度測量序列(例如，至少6個以獲得唯一解)。再次，探針被布置為朝下指向(即，通過對探頭調(diào)零)，且在每一測量節(jié)點處記錄探針的XY位置。隨后計算每一測量點處的塊厚度，且3D中獲取的厚度測量結(jié)果集合例如使用雷文柏格-馬括特(Levenberg-Marquardt，LM)算法或任何線性或非線性最小二乘圓錐形適配算法被數(shù)學(xué)上適配到圓錐形狀。此適配過程揭示適配圓錐的頂點的XY估計與凹坑的實際XY位置之間的偏移。

在優(yōu)選實施例中，圖13(a)和圖13(b)中示出的校準(zhǔn)塊400可使用在待檢查零件中找到的相同類型和等級的金屬材料來機械加工。塊400隨后還可用于執(zhí)行音速校準(zhǔn)以便估計任何后續(xù)零件測量的壁厚。此可通過測量關(guān)于繞校準(zhǔn)塊周長的已知厚度區(qū)段的時間延遲而實現(xiàn)。應(yīng)注意，或者可直接從待檢查零件的已知固體區(qū)段(例如葉片的根部上或翼型附近)測量音速以便最小化可變性來源。這是因為音速校準(zhǔn)很可能提供厚度測量計算內(nèi)的測量誤差的最大來源；例如，歸因于環(huán)境內(nèi)的溫差、結(jié)晶定向或密度/孔隙度微結(jié)構(gòu)的差異。

模式-3計量為用于使用上文描述的模塊化聲學(xué)探針的厚度計算的優(yōu)選方法，因為其大體上不受耦合元件的可變性(例如穿過親水性彈性球面的傳播路徑的變化)影響。然而，上文描述的校準(zhǔn)技術(shù)還可在模式-1或模式-2計量中使用。在此類計量技術(shù)中，跨越一系列厚度的第一后壁反射的絕對傳播時間延遲可用于通過線性內(nèi)插法直接獲得測得的范圍內(nèi)的任何后續(xù)厚度測量結(jié)果。此可具有有限數(shù)目的用途，例如以具有剛性恒定延遲線和極薄耦合元件(例如乳膠橡膠)的耦合模塊來測量厚得多且更大程度衰減的零件，以便減小可變性。

校準(zhǔn)塊400(其可準(zhǔn)確地表示正檢查的零件)可以在高度自動化點測量和連續(xù)掃描的情境內(nèi)具有進一步用途。如下文所描述，這些附加用途包含探針接觸檢測、法線探針加載估計、厚度測量和擺動移動調(diào)適。

對于探針接觸檢測，校準(zhǔn)塊400提供方便的已知幾何形狀和相同的平面表面目標(biāo)，具有經(jīng)附接的任何耦合模塊的探針可從該已知幾何形狀和相同的平面表面目標(biāo)來測量和校準(zhǔn)(尖端接觸表面時的點處)探針的Α-掃描波形中的相關(guān)變化。如將在下文更詳細(xì)地描述，此技術(shù)利用來自耦合模塊內(nèi)的內(nèi)部反射回波(其從一系列連續(xù)重復(fù)的經(jīng)測得的Α-掃描來提取)的振幅、相位、精密尺度形狀、頻率和/或到達時間(TOA)中的改變，以便推斷探針尖端與任何固體主體的接觸。舉例來說，已發(fā)現(xiàn)，剛性延遲線內(nèi)的第二延遲線反射和第三延遲線反射(DL2和DL3)的振幅對任何探針尖端與固體主體的接觸都極其敏感。

對于法線探針加載估計，使用來自耦合模塊的內(nèi)部反射(其從一系列重復(fù)的Α-掃描來提取)以推斷此類探針尖端接觸可被擴展來測量和校準(zhǔn)探針到平面表面上的法線加載，其中使用此校準(zhǔn)塊。通過在將探針緩慢加載到校準(zhǔn)塊上的同時以高速率連續(xù)記錄Α-掃描，隨著軟耦合元件抵靠著檢查表面變形而來自耦合模塊的內(nèi)部反射回波的波形特征可被提取且存儲而具有尖端和表面的位置信息。這些特征恰當(dāng)?shù)亟缍詈夏K內(nèi)的軟耦合元件的物理條件如何在法線加載條件下改變，且因此可推斷跨越檢查表面進行后續(xù)測量時的加載條件。進行此法線加載校準(zhǔn)以推斷耦合模塊的軟耦合元件內(nèi)的位移或偏轉(zhuǎn)可對于確保探針抵靠著檢查表面的精確操縱(例如以更改探針的有效孔徑或入射角)或?qū)τ诳缭綇?fù)雜和/或未知幾何形狀表面的操控探針的連續(xù)掃描是極其有用的。因此可使用此經(jīng)推斷的測量結(jié)果以高速率獲得跨越未知表面形態(tài)的大體上恒定的加載條件，作為針對CMM和/或有源頭控制器中的位置調(diào)適的直接反饋。

對于厚度測量，后壁反射回波之間的準(zhǔn)確性且計算上有效的時間延遲估計是可能的。在優(yōu)選實施例中，此時間延遲估計的過程可以涉及實施一般化交叉相關(guān)(GCC)算法，其卷積跨越經(jīng)測量的Α-掃描的后壁回波的所存儲或提取的復(fù)本以便準(zhǔn)確地銳化相繼后壁反射之間的時間延遲估計。該譜技術(shù)利用包含振幅和(最值得注意的)相位(例如使用相位變換預(yù)白化)的后壁反射波形的整體形狀以確定其到達時間并因此確定相繼回波之間的準(zhǔn)確時間差。由此，校準(zhǔn)塊400可用于測量和存儲在檢查期間可使用的后壁回波的代表性復(fù)本波形(replica waveform)的經(jīng)擴展集合。

還應(yīng)注意，與用于測量模式-3計量中相繼后壁反射之間的時間延遲的方法相同的方法可用于精確度測量來自可變形耦合模塊的內(nèi)部反射回波。更確切地說，存儲校準(zhǔn)期間的內(nèi)部反射峰值的模板記號(template signatures)是有益的，其可以在后續(xù)檢查期間使用以提取內(nèi)部反射峰值的準(zhǔn)確到達時間。

對于擺動移動調(diào)適，認(rèn)識到耦合到任何表面的超聲并不完全是確定性的，因為簡單地通過用最大可用的力來將裝置沿法線方向加載到表面無法始終獲得關(guān)于法線入射L-波變換器的最佳SNR。隨機過程還可影響關(guān)于正加載到檢查表面上的探針?biāo)@得的SNR。舉例來說，普遍的微結(jié)構(gòu)、濕度和溫度條件可影響空氣如何被截留在探針與檢查表面之間，從而引入超聲發(fā)射中的顯著潛在可變性。出于這些原因，已知在手動和自動化超聲NDT測量(例如使用Marietta-NDT5-550系統(tǒng))兩者中向探針定向(例如滾動和/或扭曲)施加某一精密尺度調(diào)適，同時保持探針尖端在表面上靜止，以便使所接收的信號電平達到最佳。此外，利用準(zhǔn)確且無限分度自動平臺(例如具有5軸線有源頭的CMM)，有可能針對特定檢查條件確定此類精密尺度探針移動(例如滾動和扭曲)的有利序列。因此進一步強調(diào)，校準(zhǔn)塊400提供此已知且代表性表面，其中探針可確定或以算法方式習(xí)得(例如使用優(yōu)化、集群或人工神經(jīng)分類器)模塊化聲學(xué)探針的擺動移動的最佳精密尺度序列，該最佳精密尺度序列可隨后在后續(xù)零件檢查期間被采用。

圖14說明使用參考圖3描述的類型的五軸線CMM設(shè)備以及圖4(c)和圖4(d)中所說明的模塊化聲學(xué)探針109的彎曲角度變體來測量航空風(fēng)扇葉片盤/轂450的過程。

在模塊化聲學(xué)探針已安裝到CMM的雙軸旋轉(zhuǎn)頭且完成必需校準(zhǔn)程序之后，探針109可用于進行跨越零件的測量。探針109可視需要而在葉片450的檢查期間做出點測量結(jié)果441和連續(xù)掃描測量結(jié)果442兩者。舉例來說，可在一組空間相異節(jié)點處(例如跨越每一葉片分布的20個位置處)獲得測量結(jié)果，和/或可獲取連續(xù)掃描測量結(jié)果(例如通過沿著葉片的表面上的路徑移動探針而同時收集1mm間距處的測量結(jié)果)。

如圖14中所示出，彎曲角度允許超聲變換器(和因此經(jīng)投射的L-波)遠離探針109的縱向軸線成固定角度定向。盡管具有緊密間隔的鄰近葉片，此彎曲探針布置允許使用由CMM和旋轉(zhuǎn)頭提供的五度運動(三個平移軸線X、Y、Z和兩個旋轉(zhuǎn)軸線A、B)將超聲能量沿法線方向引導(dǎo)到葉片450的表面。然而，一些幾何形狀和掃描方案可以得益于布置用于無縫連續(xù)掃描的繞初級探針軸線的另一旋轉(zhuǎn)軸線(C)。

參看圖15來說明使用具有包括親水性彈性體球面的耦合模塊的模塊化超聲探針?biāo)M行的平面零件的厚度測量期間所產(chǎn)生的Α-掃描波形。

圖15(a)描繪了模塊化超聲探針464的親水性彈性體球面尖端462，其正通過CMM(其被攜載在上面)而正常地朝向平面檢查表面466移動。在圖15(a)的曲線中所示的Α-掃描表明在探針接觸表面之前經(jīng)接收(經(jīng)傳回)的超聲脈沖回波的振幅(作為時間的函數(shù))。第一峰值470A對應(yīng)于由探針的變換器所產(chǎn)生的激發(fā)脈沖。后續(xù)峰值470B、470C為來自未經(jīng)壓縮親水性球面內(nèi)的經(jīng)時間延遲的內(nèi)部反射峰值。圖15(a)的這些恒定的Α-掃描波形因此表明當(dāng)其僅被空氣包圍時來自未偏轉(zhuǎn)的耦合模塊內(nèi)的“靜置-狀態(tài)”條件。也就是說，探針尖端(即親水性彈性體球面462)還沒有接觸檢查表面，因此不存在作用于球面上的外部機械力?？梢愿咧貜?fù)率(例如1000-2000Hz)執(zhí)行一系列此類Α-掃描。隨著就圖2所示的延遲線變換器使用Α-掃描，注意到第一峰值和第二峰值470A和470B之間所界定的時間窗口提供了用于探針的初級測量窗口。然而，重復(fù)率不應(yīng)高到以致于引起相繼脈沖之間的顯著干涉。

圖15(b)描繪探針464的親水性球面尖端462首次接觸平面檢查表面466的確切點。盡管首次接觸的瞬間將不存在球面的顯著形狀失真，但在經(jīng)測得的Α-掃描波形中存在清晰且即時的改變。首先，反射峰值480B和480C(即，來自未經(jīng)壓縮親水性球面內(nèi)的經(jīng)時間延遲的內(nèi)部反射峰值)示出峰值振幅的縮減。這對于第二反射峰值480C而言較明顯。其次，隨著探針開始進行較顯著接觸，峰值開始或多或少地向左移位(即朝向t＝0激發(fā)脈沖480A)。第三，即使存在親水性球面462與硬檢查表面466之間的輕微接觸，也可在Α-掃描的初級測量窗口內(nèi)觀察到來自零件的相繼后壁反射的多個可測量反射峰值482A、482B和482C。

應(yīng)注意，圖15(b)中為了清晰起見示出僅三個反射峰值482A、482B和482C(即，很可能存在超過三個此類反射峰值)，并且產(chǎn)生這些后壁反射的原因在于親水性球面的耦合性質(zhì)。具體地說，基于親水性球面的超聲探針的重要益處在于：其可提供針對薄零件測量的足夠延遲，同時僅需要探針與檢查表面的適度接觸?？紤]到親水性球面的軟保形接觸性質(zhì)及其觸摸起來部分濕潤的感覺，此為填充探針與表面之間的氣隙的能力的直接結(jié)果。

由于與表面接觸而產(chǎn)生的Α-掃描中的改變因此允許超聲探針進行表面接觸測量。此將在下文更詳細(xì)闡述。盡管后壁反射482Α-482C足以提供模式-3厚度估計，但優(yōu)選地將超聲探針進一步加載到檢查表面上以便建立與零件的增加的聲學(xué)耦合。具體地說，進一步加載允許獲得最佳耦合接觸(在本文中也被稱作耦合“有效點(sweet spot)”)；此最佳耦合通過來自耦合模塊內(nèi)的減小的反射峰值與增加的后壁反射峰值的組合來揭示。

圖15(c)示出模塊化超聲探針464的親水性球面462的進一步加載到檢查表面466上的結(jié)果。從Α-掃描曲線可以看出，耦合模塊反射峰值490B和490C的振幅的縮減(即來自未經(jīng)壓縮親水性球面內(nèi)的經(jīng)時間延遲的內(nèi)部反射峰值)較明顯。此伴隨著后壁反射(厚度測量(即峰值492A、492B和492C)主要感興趣的)的SNR中的顯著增加。還可看到，隨著探針進一步加載到表面上且球面逐漸地更多地變形，測量窗口內(nèi)的內(nèi)部耦合模塊反射(即，峰值490B和490C)和后壁反射(即，峰值492A、492B和492C)兩者進一步在時間上朝向t＝0發(fā)射脈沖490A移位。然而，相繼后壁反射(即峰值492A、492B和492C)之間的延遲不變。

圖15(d)示出探針進一步加載到表面且超過上文所提及的“耦合有效點”。常常觀察到耦合模塊反射峰值500B和500C(即，來自未經(jīng)壓縮親水性球面內(nèi)的經(jīng)時間延遲的內(nèi)部反射峰值)的振幅的進一步縮減，但后壁反射信號(即，峰值502A、502B和502C)無實質(zhì)改變。還可看到，所關(guān)注的峰值朝向T＝0處的初始發(fā)射脈沖(即主激發(fā)峰值500A)進一步移位。探針進一步加載到表面上且超出“耦合有效點”因此不會使得后壁反射信號的SNR的進一步改進。此外，此進一步加載意味著球面變形可接近如下狀況：Α-掃描內(nèi)觀察到所關(guān)注的發(fā)射波形和接收波形之間的時間重疊，或親水性球面損壞。

圖15(a)到圖15(d)中所示的Α-掃描數(shù)據(jù)可經(jīng)受多種信號或數(shù)據(jù)處理方法以允許當(dāng)探針正被調(diào)度到檢查表面上時自動檢測Α-掃描的連續(xù)系列中的變化。從這些Α-掃描提取的波形信息以及具體而言從來自親水性球面的內(nèi)部反射回波的瞬態(tài)波形，提供用于確切地檢測超聲探針的尖端何時接觸任何其它主體的敏感且穩(wěn)健的方法。此表面接觸信息具有若干用途。

第一檢測方法涉及當(dāng)已知超聲探針的尖端沒有接觸固體主體時以定位在CMM體積內(nèi)的某一“空”位置處的探針來俘獲單一參考Α-掃描。此參考波形(例如圖15(a)中所示出的波形)僅含有來自未經(jīng)壓縮球面的內(nèi)部反射峰值，且表示由無尖端接觸界定的情形。重要的是，主要歸因于軟耦合球面的極高彈性而可以觀察到在已從任何固體主體移除任何尖端接觸加載之后Α-掃描波形形狀被一致地傳回。可提取含有耦合模塊反射峰值(即來自親水性球面的內(nèi)部反射)的Α-掃描片段，且對照來自(當(dāng)在表面接觸之前調(diào)度探針?biāo)鶞y得的)Α-掃描的連續(xù)系列的相同時間選通片段反復(fù)地進行比較或區(qū)分。以此方式監(jiān)視差異可用于自動檢測何時發(fā)生尖端與物件的接觸。

可基于任何合適的檢測準(zhǔn)則來指示自動化檢測決策。盡管探針的一些情境可決定較復(fù)雜或自適應(yīng)檢測器(例如CFAR，貝葉斯檢測器)，但具有絕對預(yù)定硬檢測閾值的簡單平方律能量檢測器可滿足許多情境。此方法是有效的，因為當(dāng)探針正在自由空間中以任何速度或通過CMM和/或頭可引入的任何復(fù)雜移動而被操控時，經(jīng)測得的Α-掃描波形的連續(xù)系列展現(xiàn)出完全可忽略的測量間的可變性。此外，探針尖端與固體主體之間的任何接觸引起跨越來自親水性球面的經(jīng)觀察到的內(nèi)部反射回波的瞬時且非常大的改變。探針內(nèi)的自動化接觸檢測算法還可分析超出第一回波返回的任何數(shù)目的反射回波。舉例來說，第2反射波形和第3反射波形可在振幅方面常常更明顯地改變(相比于關(guān)于此類接觸的初始第一回波返回而言)(例如如圖15(b)中所見)，且因此這些波形還可提供任何觸摸接觸事件的敏感指示。脈沖產(chǎn)生重復(fù)速率優(yōu)選地經(jīng)選擇以使得來自先前脈沖的干涉降至最低。

信號特征可簡單地與累積波形能量差相關(guān)，該信號特征界定從每一Α-掃描提取的且在檢測器內(nèi)用作輸入數(shù)據(jù)的耦合模塊內(nèi)部反射回波。然而，應(yīng)注意，所采用的信號量度在其影響穩(wěn)健但敏感的實時尖端接觸檢測的能力上可以是變化的?？赏瑯忧‘?dāng)使用包含峰值電壓、信號峰度(即第四統(tǒng)計時刻)、RMS、FFT和AR系數(shù)的其它波形量度，但可提取任何信號特征用于在檢測器內(nèi)使用。在實踐中，用于檢測Α-掃描波形的有意義的變化以便推斷尖端接觸事件的任何此類算法將需求最小的運算，因為基于差分處理的比較或檢測決策僅需要跨越短時間選通分段窗口(從含有耦合模塊內(nèi)部回波峰值的每一Α-掃描內(nèi)提取該短時間選通分段窗口)來計算。因此，在實踐中，探針可報告尖端接觸狀態(tài)的速率更多地從根本上受到可產(chǎn)生Α-掃描的頻率限制，而非檢測器計算。應(yīng)注意，Α-掃描產(chǎn)生速率取決于耦合模塊內(nèi)的媒介的厚度和L-波音速，以及用以記錄來自親水性彈性體尖端的至少前兩個反射所需的作為結(jié)果的運送時間。歸因于檢測任務(wù)的相對簡單性和低計算，可以相對高(例如高達2000Hz)的頻率來將接觸狀態(tài)信息通過探針報告并發(fā)送到外圍裝置(例如CMM或測量頭控制器)。然而，應(yīng)注意，增加重復(fù)率(其從而在先前反射已較顯著衰減之前感應(yīng)新發(fā)射脈沖)可致使遞減振幅的一組附加非調(diào)度/雜散噪聲峰值激增到相繼Α-掃描中。這些可在所發(fā)射脈沖與第一內(nèi)部反射之間的振幅中較顯著，但其可在初級測量窗口內(nèi)使用用于提取相繼后壁反射之間的必需時間延遲的初級信號處理方法有效地濾除。

以此高速率產(chǎn)生尖端接觸狀態(tài)數(shù)據(jù)允許自動檢查系統(tǒng)相對快速地對探針可在由自動平臺引入的任何類型的移動(例如CMM和/或測量頭的運動)期間意外遇到的任何非調(diào)度尖端接觸事件做出響應(yīng)或機械反應(yīng)。舉例來說，如果將在探針沿著線性軌道以典型掃描速度(例如100mm/秒)行進時檢測到尖端接觸，那么到障礙物中的最小可能行進(假定將停止移動的中斷命令發(fā)送到CMM和頭的過程中無等待)將等同于耦合模塊的軟耦合元件的僅約50微米的偏轉(zhuǎn)。即使考慮到實現(xiàn)CMM和/或測量頭停止此移動的命令的過程中的一些合理的等待時間，耦合模塊的軟耦合元件內(nèi)的可能偏轉(zhuǎn)量將為在此之前將引起對親水性球面尖端或剛性探針的任何損壞的標(biāo)稱最大可允許變形內(nèi)的數(shù)量級。高時間解析度接觸狀態(tài)數(shù)據(jù)和由軟彈性尖端提供的位置容差的組合因此規(guī)定對探針尖端造成的顯著未檢測到的碰撞損壞的低發(fā)生概率。

如上文所解釋，敏感觸摸接觸能力對于CMM空間內(nèi)探針的導(dǎo)航極其有用。此尤其是因為探針為剛性主體且不具有其它感測模態(tài)，因此可容易損壞。然而，超聲探針以極高速率產(chǎn)生有用表面交互數(shù)據(jù)的能力超出簡單二元接觸檢測。如下文將描述，已經(jīng)設(shè)計允許探針在任何檢查內(nèi)用作能夠產(chǎn)生描述檢查零件的外部形式的笛卡爾點-云測量結(jié)果的簡單但敏感觸摸探針的信號和數(shù)據(jù)處理方法。此基本觸摸點能力對由超聲探針進行的度量檢查(例如時間節(jié)省)以及更廣應(yīng)用(例如具有不能以常規(guī)觸摸探針或光學(xué)掃描探針容易地測得的困難的光學(xué)特性的軟膠狀零件的敏感和精確測量)具有直接益處。此外，探針抵靠著檢查表面的加載條件可通過直接利用測得的Α-掃描內(nèi)的內(nèi)部耦合模塊延遲回波來連續(xù)估計。此對于使用超聲探針進行的較可控點測量和連續(xù)移動掃描檢查兩者具有直接且重要的益處。

應(yīng)注意，可進一步通過在操控期間用連續(xù)正弦曲線信號激發(fā)探針的壓電有源元件來改善觸摸能力。舉例來說，可以比如20MHz的諧振頻率用連續(xù)正弦激發(fā)驅(qū)動親水性球面尖端?？蓹z測當(dāng)球面由任何固體接觸時諧振中檢測到的任何抑制。

現(xiàn)將參考圖16到圖19來描述允許將模塊化超聲探針用作基本觸摸觸發(fā)探針(其可跨越檢查零件的外部形式作出有用點云測量)的處理方法。舉例來說，這將允許探針通過在必需的測量節(jié)點周圍的緊密近程中作出三個觸摸測量而充分地勘測某一點處的后續(xù)厚度測量的表面的定向，以便估計表面法線。如上文所描述，可用探針通過來自耦合模塊的親水性球面的內(nèi)部反射的連續(xù)監(jiān)視來檢測觸摸接觸，使得可檢測這些回波波形相對于經(jīng)校準(zhǔn)無接觸參考條件的任何有意義的變化(例如，峰值振幅、相位、到達時間改變)。

圖16說明模塊化超聲探針546以恒定速度朝向固體塊547移動，其中探針尖端548在X和Y坐標(biāo)兩者中的線性移動的情況下保持在恒定Z高度處。超聲探針546具有包括親水性球面的尖端548。模塊化超聲探針546安裝到CMM用于移動，如上文參考圖3所描述。

經(jīng)由CMM控制器以高數(shù)據(jù)速率(例如1000-2000Hz)收集探針尖端在CMM的坐標(biāo)系中的XYZ位置(即，親水性球面的中心的位置)。此尖端位置數(shù)據(jù)與由超聲探針以相同速率產(chǎn)生的合適的信號組合，該合適的信號指示是否存在親水性球面的內(nèi)部反射回波中的任何顯著擾動，借此指示球面已與物件接觸。類似于由觸摸觸發(fā)探針產(chǎn)生的觸發(fā)信號的此信號可通過監(jiān)視每一測得的Α-掃描與如上文參考圖15所描述的所存儲“無接觸”參考Α-掃描內(nèi)的第2內(nèi)部反射峰值電壓(Vp)之間的絕對差來產(chǎn)生。

由超聲探針檢測到的觸摸事件因此使得探針向CMM(例如經(jīng)由觸發(fā)信號線的狀態(tài)的改變)發(fā)布用于停止CMM運動和存儲點測量結(jié)果的即時指令。然而，將始終存在與指令被從探針遞送到CMM相關(guān)聯(lián)的某一等待時間，且CMM減速周期是不可避免的。停止CMM的運動的過程中的延遲致使超聲探針的軟尖端變形到固體塊中，使得當(dāng)其完全停止時的位置可顯著遠離表面上的首次檢測到接觸的點P。

圖17(a)和圖17(b)說明上文所描述的效應(yīng)。圖17(a)示出其中初始地檢測到接觸的點P，且圖17(b)示出超聲探針停止之前所發(fā)生的到表面(即到點O)中的進一步移動。點P的緊密近似值可通過內(nèi)插到目前為止獲取的位置和觸發(fā)信號數(shù)據(jù)時間序列而形成?；蛘?，如果當(dāng)觸摸事件發(fā)生時探針正以相對高速度行進，那么可以較慢速度的回退移動實現(xiàn)更精確結(jié)果。此可涉及在與接近向量相反的方向中但以較慢速度從表面移除探針。

圖18示出探針以上文所描述的方式到表面中且接著遠離表面的移動期間作為時間的函數(shù)的X位置550、Y位置552、Z位置554和觸發(fā)信號(Vp)狀態(tài)數(shù)據(jù)556的曲線。時間系列曲線將接觸的時間558和失去接觸的時間560示出為虛線。探針因此移動成接觸表面且在點O處停止。隨后存在其中探針靜止的短停留周期(其在點D處結(jié)束)，然后起始較慢回退移動。此較慢逆向移動使得待記錄的空間測量點的密度較高，且來自檢測Vp返回到參考水平借此指示接觸已中斷的時間的時間量化誤差對估計P的XYZ位置的過程中的空間量化誤差具有較少影響(即，歸因于較淺的梯度)。較慢線性回退移動期間，還將可能在探針硬件內(nèi)與報告探針位置相比較高的速率從Α-掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生觸發(fā)信號(例如Vp信號)。這將允許通過內(nèi)插獲得P的較精確估計。還可采用較細(xì)化內(nèi)插方法，其適應(yīng)反射峰值變化的細(xì)微差異(其中在球面上的不同位置處且以不同掠射角發(fā)生球面中的接觸變形)。

上文所描述的耦合模塊的彈性親水性球面可合成以在檢查期間釋放不同水量。已發(fā)現(xiàn)釋放較高水量(例如用于跨越較粗糙表面的潤滑)會減小回退移動期間作出的任何觸摸接觸測量的準(zhǔn)確性。這是因為不同大小的小水滴可聚集在變形球面的位置周圍，這在回退移動期間在球面與檢查表面之間形成臨時物理橋。此水滴可對何時超聲數(shù)據(jù)指示與物件失去接觸引入可變性。此可變性可通過以下操作容易地解決：不利用初始回退移動來作出觸摸測量，而是實際上將第二移動并入到表面中(例如緊接在初始回退移動之后以較慢速度沿著相同向量)以便獲得觸摸位置數(shù)據(jù)。

使用超聲探針還獲得了表面接觸測量結(jié)果的附加益處：比用該超聲探針更換常規(guī)表面接觸(例如掃描或觸摸觸發(fā))探針而言，表面接觸測量結(jié)果更快速。

參看圖19，還應(yīng)注意，歸因于球面的對稱性，僅需要考慮跨越緯度的差異(例如α和β)。這只要探針的變形與X Y或Z探針位置之間的關(guān)系為線性的，或可經(jīng)由故意表面接觸觸摸來校準(zhǔn)。

除分析超聲探針的Α-掃描以確立何時首次達成表面接觸外，用于估計檢查期間的探針加載和因此耦合條件的信號和數(shù)據(jù)處理算法也可包含在探針中。為簡單起見且因為可通常如何使用探針是最重要的，所以現(xiàn)將描述探針從標(biāo)稱法線方向加載到檢查表面中的情境。然而，在以偏離L-波行進的方向(即變換器的軸線方向)的角度加載探針時也可以應(yīng)用相同原理和方法。

如已經(jīng)參考圖15描述，在親水性球面尖端抵靠著表面的情況下加載超聲探針引起對Α-掃描內(nèi)的內(nèi)部反射回波的可測量改變，其涉及法線變形或球面內(nèi)的Z位移。同樣如上文描述，監(jiān)視第1和第2內(nèi)部球面回波的峰值振幅(Vp)和/或到達時間(TOA)可因此用于評估加載。在一些情況下，應(yīng)注意，關(guān)于內(nèi)部反射回波的單一組合量度可對于接觸檢測和依據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(例如使用高階反射峰值的比率)進行的加載變形估計兩者足夠敏感和穩(wěn)健。

圖20(a)和圖20(b)分別說明來自超聲探針的親水性球面的第一內(nèi)部反射峰值和第二內(nèi)部反射峰值的TOA和Vp可如何隨著探針以恒定緩慢速度逐漸沿法線方向加載到檢查表面上(即，隨著親水性球面的法線變形逐漸增加)而改變的實例。從圖20(a)和圖20(b)的曲線可見，軟球面中的Z變形(或Z偏轉(zhuǎn))與第1反射峰值和第2反射峰值的TOA和Vp之間的關(guān)系大體上為線性的。

界定Α-掃描內(nèi)的內(nèi)部球面反射回波的形狀和/或位置的量度與由探針加載引起的球面變形的量之間的此恒定且可重復(fù)關(guān)系可在校準(zhǔn)期間有效地編譯。換句話說，如圖20(a)和20(b)的曲線中所說明的數(shù)據(jù)可通過從適當(dāng)校準(zhǔn)加工品作出的探針加載測量來產(chǎn)生；例如，上文參考圖13描述的加工品。此類已知(即，通過校準(zhǔn))關(guān)系可在任何后續(xù)檢查期間直接使用以通過從每一測得的Α-掃描內(nèi)的相關(guān)峰值(例如TOA，峰值振幅)提取相同信號特征來估計探針的變形或加載條件。舉例來說，可使用校準(zhǔn)塊作出一組綜合校準(zhǔn)加載測量，其中探針尖端設(shè)定為相對于表面成一系列設(shè)定角度，且在表面上成一系列線性到達角度(即，處于不同掠射角)。此綜合加載校準(zhǔn)對于對稱探針是切實可行的，因為加載向量與所選擇的內(nèi)部反射峰值特征之間的編譯關(guān)系都相同地?zé)o關(guān)于探針的初始軸向旋轉(zhuǎn)。在布置有關(guān)于球面的變形的一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的情況下，可通過內(nèi)插(線性或非線性曲線適配)或簡單地歐幾里得最近相鄰分類器二者中的任一者對來自Α-掃描測量的任何一組新反射峰值被分類以推斷變形位移。

應(yīng)注意，確定此類加載條件的過程中實現(xiàn)的準(zhǔn)確性是可變化的。因此將通常實現(xiàn)就軟保形尖端的變形而言探針的加載的最穩(wěn)健且準(zhǔn)確的估計(以mm計)，其中L-波沿著探針軸線沿法線方向投射到檢查表面。幸運地，此是其中零件具有平行前壁和后壁的最典型的厚度測量情境。

除獲取個別測量結(jié)果之外，連續(xù)聲學(xué)掃描檢查也是可能的，例如跨越具有平行前壁和后壁的例如連續(xù)固體形式等簡單幾何形狀。此連續(xù)掃描優(yōu)選地用超聲探針執(zhí)行，該超聲探針包括在垂直于表面的方向上抵靠著檢查表面加載的親水性彈性體球面。此連續(xù)掃描由于親水性球面的自潤滑動作和使用通過內(nèi)部反射回波的分析提供的加載估計的能力而成為可能。

圖21描繪如下掃描情境：具有尖端(其包括親水性球面602尖端)的模塊化超聲探針600跨越未知波形檢查表面604來掃描。探針連續(xù)獲取Α-掃描測量結(jié)果，且從每一Α-掃描來估計Z變形(Zd)(以微米計)。此可以相對高的速率執(zhí)行使得加載條件的任何突然改變都可在Zd時間曲線內(nèi)立即顯現(xiàn)(如所示)。

如圖21中指示，探針跨越表面從起點606到終點608橫向移動。探針初始地處于水平表面以上的恒定高度(即恒定z高度)且以恒定電平在對應(yīng)于恒定Z變形(Zd)或恒定球面尖端位移的“耦合有效點”區(qū)內(nèi)加載。當(dāng)探針首次到達具有增加的Z高度的波形區(qū)610時，Zd估計初始地增加，而無探針的Z位置中的任何偏差。然而，應(yīng)強調(diào)的是，Zd估計數(shù)據(jù)可在CMM系統(tǒng)的控制環(huán)路內(nèi)直接使用以響應(yīng)于Zd的測得的改變來更改探針高度。如圖21的較低曲線所示，CMM可適于響應(yīng)于Zd測量而提供探針的高度(即Z位置)的實時調(diào)整。在此實例中，此通過與Zd的增加成比例地朝上移動探針來進行。探針的后退(Z)因此導(dǎo)致Zd值快速返回到其平均(最佳)加載條件。類似地，當(dāng)探針到達減小的高表面時，Zd的縮減可由CMM立即補償以便向下朝向表面往回降低探針。

此技術(shù)因此使用來自親水性球面的軟耦合層內(nèi)的內(nèi)部反射回波來直接且近實時地確保最佳聲學(xué)耦合條件。通過解釋耦合模塊內(nèi)的反射L-波抵靠著檢查表面對探針加載條件的此直接實時估計和因此控制(即，使用對自動平臺的反饋控制)不僅具有針對探針定位和掃描的益處，并且根本上影響從其作出有用厚度測量的所發(fā)射的L-波。應(yīng)注意，分別根據(jù)聲學(xué)衍射和折射的基本定律兩者，高彈性和可保形耦合元件通過法線加載位移的受控變化或遠離檢查表面法線再定向軸向探針向量二者中的任一者而還提供改變和/或精確地控制進入零件的所投射L-波光束的固有能力。此主動的光束操縱在探針附接到高精確度自動平臺(例如參考圖3描述的CMM)時最為切實可行和有效。

圖22(a)到圖22(c)說明具有親水性球面尖端的超聲探針可用于引發(fā)對到物件中的所投射L-波的較精確控制的一些方式。確切地說，此探針允許經(jīng)由衍射光束發(fā)散控制(通過探針的更精確校準(zhǔn)的法線加載(即改變孔隙大小))或經(jīng)由折射光束轉(zhuǎn)向控制(通過變換器軸線的精度再定向)二者中的任一者用超聲探測較復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀。

圖22(a)和圖22(b)說明具有親水性球面尖端622的超聲探針620的增加的加載可如何在檢查表面上引發(fā)更寬直徑孔隙從而產(chǎn)生減小自然發(fā)散的光束寬度的準(zhǔn)直效應(yīng)。如圖22(b)中所示出，更窄光束為有益的，因為其避免可原本導(dǎo)致干擾所關(guān)注的測量的雜散反射回波的正檢查的物件中的內(nèi)部特征624。

參看圖22(c)，可通過探針620遠離表面法線的再定向測量具有非平行前壁和后壁的物件。此光束轉(zhuǎn)向可受限于僅小的折射角以減小模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)。對于此類小角度，較慢剪切波模式不太顯著，或其可經(jīng)時間選通而離開Α-掃描。

上文描述的超聲探針的廣泛多種變型是可能的。舉例來說，多個(例如15-20個)親水性球面可級聯(lián)在一起從而形成對應(yīng)長吸收殼內(nèi)的連續(xù)系列的觸摸球面。第一球面可定位在殼內(nèi)以便接觸變換器耐磨板，且系列中的最終球面可從殼伸出以便接觸檢查表面。此探針設(shè)計將準(zhǔn)許較遠程檢查方案，其中不需要或物理上不可能將變換器探針尖端定位成接近檢查零件上的測量節(jié)點。此類變型設(shè)計的有用應(yīng)用為可能的，因為此類親水性媒介組件中觀察到的L-波衰減性質(zhì)極低。此產(chǎn)生從變換器到耦合模塊尖端的可忽略的傳播損耗。

除此類構(gòu)造提供針對檢查L-波的極其有效的聲學(xué)波導(dǎo)外，還有可能在耦合模塊內(nèi)操縱所投射L-波。最值得注意的是，可發(fā)生以下情境：L-波檢查可需要沿著除法線探針軸線外的某一軸線進行(例如，用于受限空間中的測量)。舉例來說，將可能將聲學(xué)反射鏡面內(nèi)嵌在一系列親水性球面內(nèi)，其依據(jù)聲學(xué)反射定律(即，入射角等于反射角)在某一已知方向上簡單地重新引導(dǎo)L-波。此反射鏡面簡單地為以設(shè)定角度來安裝的平坦的聲學(xué)反射表面(例如具有高聲學(xué)阻抗)。

圖23到圖25說明其中可有效地施加一系列級聯(lián)親水性彈性體球面的不同情境的選擇。

圖23說明一系列級聯(lián)親水性彈性體球面640可如何用于檢查長且窄孔洞的底部。如由所示的Α-掃描所指示的，應(yīng)注意，用于包括此系列球面的探針的初級測量窗口根據(jù)系列內(nèi)球面的數(shù)目而移位。然而，Α-掃描內(nèi)的合成后壁反射(resulting back wall reflection)為可測量的，且具有接近以單一球面實現(xiàn)的SNR的SNR。

圖24說明球面的大小可被設(shè)定為形成一系列逐漸變細(xì)球面650。球面系列660還可使用弱衍射效應(yīng)離軸累積彎曲。再次，Α-掃描內(nèi)的合成后壁反射為可測量的，且具有接近以單一球面實現(xiàn)的SNR的SNR。

圖25示出包括用于垂直于探針/變換器軸線的檢查的反射鏡面672的一系列親水性球面670。此超聲探針可用于管件和/或容器內(nèi)的綜合度量檢查，其中探針可繞圍封體的圓周旋轉(zhuǎn)。

超聲探針可具備匹配吸收殼內(nèi)水合的親水性彈性體的不同(非球面)形狀。除所描述的基本球面形狀外，具有高含水量(例如通常75-95％)的高吸收性聚合物或輕度交聯(lián)乙烯基彈性體也可合成以便生長成水合時需要的幾乎任何閉合形式的連續(xù)形狀，例如以便完全適配在外部吸收殼內(nèi)部。匹配PTFE殼內(nèi)的連續(xù)親水性彈性體材料的多種訂制(例如較長和/或較薄棱柱形)形狀可被設(shè)計成適應(yīng)任何復(fù)雜幾何形狀零件。通過觀察來自此類耦合元件的Α-掃描，顯然，后壁反射駐留在寬得多的第一測量窗口中。還應(yīng)注意，借以處理耦合模塊內(nèi)的內(nèi)部反射回波以估計加載位移或接觸狀態(tài)的各種方法對于此類替代設(shè)計也成立。

如上文所解釋，合成等級的耦合模塊可布置為不包括親水性球面。圖26說明從具有合成等級的耦合模塊的超聲探針產(chǎn)生的Α-掃描，例如如上文參考圖7所描述。通過將圖26與圖15比較可以看出，以合成等級的耦合模塊產(chǎn)生的信號中存在差異，且因此不同處理可用于解釋Α-掃描和提取對于接觸檢測、加載、掃描和準(zhǔn)確厚度測量過程是有用的信息。

圖26示出具有包括加載到簡單檢查表面上的乳膠橡膠尖端702的法線光束合成耦合模塊的超聲探針700。

圖26(a)示出接近表面的探針700。在接觸表面之前，在初始Tx脈沖(圖中未圖示)之后，可見，Α-掃描僅并入有來自剛性塑料延遲線元件704的均勻間隔的重復(fù)反射(即，第一延遲線反射峰值、第二延遲線反射峰值和第三延遲線反射峰值701、703和704)。這些反射示出當(dāng)探針移動穿過CMM體積內(nèi)的自由空間時可忽略的測量間的可變性。

參看圖26(b)，當(dāng)乳膠橡膠探針尖端702接觸表面時，測得的Α-掃描響應(yīng)中的存在即時變化。初始切線接觸不會引起內(nèi)部反射回波的到達時間的可見移位，而是引起第2和第3反射回波振幅(即峰值710和712)的非常明顯的縮減。取決于耦合性能(例如，由表面涂層軟耦合和零件幾何形狀界定)，反射能量的此縮減結(jié)合來自發(fā)射到零件中的能量的增加的后壁反射波形714而發(fā)生。

參看圖26(c)，隨著探針700進一步加載到表面上，軟耦合層(即乳膠橡膠尖端)變形，因此剛性平面延遲元件較接近地保形接觸表面。第2和第3反射回波(即峰值720和722)的振幅進一步減小，且存在相繼后壁反射(即峰值724)的振幅的增加。然而，延遲線峰值信號(即峰值720和722)的峰值振幅的此縮減并不伴隨著這些反射峰值的到達時間(TOA)或相位的任何變化。此外，如圖26(d)強調(diào)，從表面完全撤回探針致使延遲線峰值返回到相同電平，且采用與作出表面接觸之前相同的形狀。

圖27描繪參考圖26描述的探針的第一和第二延遲線反射峰值的到達時間和峰值振幅如何隨著探針線性地加載到檢查表面上而演變。確切地說，圖27示出來自剛性延遲媒介的反射峰值在時間上相對于Α-掃描內(nèi)的T＝0激發(fā)保持固定。加載校準(zhǔn)因此更有效地使用量化可在增加的加載條件下從剛性延遲媒介泄漏的聲能的比例(例如2或3階峰值電壓Vp的比率)的波形特征。然而，應(yīng)強調(diào)，此類曲線在校準(zhǔn)程序期間仍可有效地編譯且用于自動檢測接觸(例如經(jīng)由硬閾值能量檢測器)或?qū)虞d條件分類(例如經(jīng)由從曲線的線性或多頂式內(nèi)插，或某一其它計算上有效的分類器)。

現(xiàn)將描述用于從測量窗口內(nèi)的測得的Α-掃描產(chǎn)生厚度測量結(jié)果的信號處理方法。任何此類信號處理算法優(yōu)選地為穩(wěn)健的且可基于某一形式的一般化交叉相關(guān)或復(fù)本相關(guān)來提取第一、第二和可能第三后壁反射之間的準(zhǔn)確時間延遲。應(yīng)注意，在超出第三后壁反射的情況下，波形發(fā)散可歸因于返回的精密尺度形狀的擾動而開始影響時間差估計準(zhǔn)確性。

優(yōu)選的信號處理方法采用某一形式的復(fù)本相關(guān)處理。此技術(shù)允許穩(wěn)健、計算上有效且準(zhǔn)確的時間延遲估計。確切地說，具有譜預(yù)白化的交叉相關(guān)算法保持比常規(guī)振幅閾值到達時間方法好的準(zhǔn)確性。盡管復(fù)本相關(guān)過程為優(yōu)選的，但應(yīng)注意，可使用其它技術(shù)。舉例來說，可使用平方律振幅閾值檢測器，其中假定在波形強度或振幅超出某一設(shè)定的閾值的點處檢測到反射峰值。還可使用一維邊沿檢測器或小波分解技術(shù)，其允許維持必需的時間準(zhǔn)確性，同時使噪聲平滑。然而，交叉相關(guān)算法較好地適合于高頻實時實施方案。

參看圖28，示意性地說明復(fù)本相關(guān)器的函數(shù)，其中可以接近數(shù)字采集系統(tǒng)提供的基本測量解析度(例如等于ADC取樣率的倒數(shù)的時間)的準(zhǔn)確性估計相繼后壁反射之間的絕對時間延遲。復(fù)本相關(guān)器為一種形式的匹配濾波器，其中從測得的Α-掃描與后壁反射的經(jīng)延遲復(fù)本之間的交叉相關(guān)計算輸出。

確切地說，圖28說明復(fù)本相關(guān)過程如何涉及使時間窗口Α-掃描響應(yīng)y(n)與一個或一組所存儲或提取的后壁反射波形x(n)相關(guān)。此相關(guān)過程通過分別使用第一和第二DFT算法750和752將輸入波形x(n)和y(n)變換到頻域來實施。第一和第二DFT算法750和752可包括眾所周知的FFT算法的任何合適的形式。乘法器754隨后在頻域中對經(jīng)變換信號執(zhí)行相繼乘法運算。乘法器754的輸出通過第三DFT算法758轉(zhuǎn)換回到時域中，且峰值檢測器760將數(shù)據(jù)輸出到延遲估計器762。當(dāng)使用一般化交叉相關(guān)算法的受偏愛的相位變換型式(GCC-PHAT)時，在交叉譜除以其量值之后僅保留信號相位信息。理想地，在無加性噪聲的情況下，此處理器接近準(zhǔn)確時間延遲估計處居中的δ函數(shù)。

當(dāng)將結(jié)果變換回到時域時，歸因于譜淡化和泄漏，此快速卷積過程可遭受不準(zhǔn)確性。因此，實施預(yù)白化濾波器756以便改進時間延遲估計過程的時間準(zhǔn)確性和SNR穩(wěn)健性。相位變換預(yù)白化具有均衡交叉譜(Pxy)相位以便使SNR和主導(dǎo)延遲相對于多路徑混響的時間準(zhǔn)確性最大化的效應(yīng)。盡管對于以探針測得的Α-掃描，其可為最有效的形式的預(yù)白化，但可使用任何此類相關(guān)方法(例如Knapp和Carter)。舉例來說，相位變換方法對于低SNR環(huán)境可變得不太有效。

接下來參看圖29，說明相位變換復(fù)本相關(guān)器算法的原理。確切地說，此圖說明來自測量窗口的測得的后壁響應(yīng)呈現(xiàn)給信號處理級。

測量窗口內(nèi)重復(fù)的后壁反射(即峰值780)就重復(fù)形狀而言(尤其就其相位而言)展現(xiàn)強相關(guān)。盡管信號電平從第一反射回波780到第三反射回波782衰減，但SNR仍相對高。如所指示，測量窗口響應(yīng)可使用交叉相關(guān)器的相位變換型式(GCC-PHAT)與后壁反射回波的所存儲復(fù)本相關(guān)。此產(chǎn)生對于某一噪聲抑制的相關(guān)響應(yīng)784(即，相關(guān)過程引發(fā)某一SNR增益)和以最大相位相關(guān)表示確切時間樣本處的每一回波的波形的有效銳化。由此，簡單最大峰值檢測器可確定每一回波的時間樣本，且這些峰值(t1和t2)之間的時間差表示可從其作出厚度估計的時間延遲。盡管可在校準(zhǔn)期間測量復(fù)本波形，但還指示，通過直接從Α-掃描本身提取后壁波形或通過該算法的自相關(guān)型式，相同算法可為有效的。

大體來說，用以評估每一測得的輸入Α-掃描以便簡單地檢測尖端接觸(例如通過硬閾值檢測器)和/或量化軟耦合模塊中的變形(例如Zd)以便確保最佳耦合的數(shù)據(jù)處理需要比測量所耦合零件的厚度所需的后續(xù)信號處理少的計算。因此，探針的切實可行的特征為，其可在一個以上自動化操作模式中運作。

圖30描繪示出探針與外圍硬件之間的可能操作模式、控制和數(shù)據(jù)流的流程圖。如所示出，可從探針控制軟件經(jīng)由CMM/頭控制器引發(fā)探針移動命令，其中超聲Α-掃描以高速率同時產(chǎn)生。因此，基本處理可提取每一測得的Α-掃描的超聲反射峰值特征，且經(jīng)由硬閾值檢測器評估是否尖端接觸任何物件。如果未檢測到接觸，那么由探針控制器經(jīng)由CMM/頭控制器引發(fā)的移動可隨著獲取更多Α-掃描而繼續(xù)，但探針上不正執(zhí)行其它處理。

應(yīng)注意，當(dāng)應(yīng)用譜相關(guān)方法(例如GCC)以確定可從其直接估計接觸零件的厚度的準(zhǔn)確時間延遲信息時探針或設(shè)備的測量解析度通常通過數(shù)字化接收器電子器件(即ADC)內(nèi)的取樣頻率來限制。在其中所關(guān)注的反射波形為無顯著隨機瞬態(tài)分量(例如限帶)的平滑可預(yù)測高SNR信號的情形中，已發(fā)現(xiàn)可能通過在施加相關(guān)器之前進行原始測得的Α-掃描響應(yīng)和副本的規(guī)律的內(nèi)插上采樣來人工地增加有效系統(tǒng)解析度。此外，依據(jù)測得的Α-掃描的SNR和噪聲統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可在信號處理內(nèi)應(yīng)用不同預(yù)白化濾波器(即頻域中的加權(quán)函數(shù))的選擇以作出更精確的厚度測量。此類預(yù)白化濾波器包含經(jīng)平滑相干變換、Roth濾波器或Hannah及Thompson濾波器。

還應(yīng)注意，上文所提及的GCC算法的相位變換型式對于較低SNR方案(當(dāng)隔離使用時)可能不是始終最佳的。舉例來說，以含有所關(guān)注的后壁反射和或內(nèi)部延遲線反射信號的設(shè)備測得的Α-掃描還可含有來自測量系統(tǒng)的較高電子噪聲電平(例如在其中跨越Α-掃描不應(yīng)用平均或采用較低成本儀器的情況下)，或感測系統(tǒng)測量帶內(nèi)的較高聲學(xué)背景噪聲(例如當(dāng)使用高聲學(xué)噪聲資產(chǎn)或高噪聲自動平臺(例如下文描述的爬行器平臺)采取測量時)。技術(shù)人員因此將理解最適當(dāng)?shù)男盘柗治黾夹g(shù)可如何針對不同應(yīng)用而變化。

如果檢測到接觸，那么可立即警告CMM/頭控制器，以便報告接觸處的探針位置和/或引發(fā)某一中斷移動動作。此接觸檢測還可自動使探針能夠開始處理超聲反射回波以量化抵靠著檢查表面(即關(guān)于“耦合有效點”)的超聲探針耦合變形?？梢詷O高速率繼續(xù)產(chǎn)生更多Α-掃描，直至認(rèn)為耦合接觸(即耦合Z變形)在“耦合有效點”或耦合變形容差內(nèi)才激活任何計算密集型厚度測量信號處理。盡管此可接受的耦合條件將主要由所描述的方法確定，但因為其主要涉及軟耦合元件(例如親水性球面)的評估，所以其可能包含測量窗口中的后壁反射的某一基本評估(例如簡單量度，比如峰度或峰值振幅等)。

在探針耦合足夠或優(yōu)化的自動化檢核之后，可激活探針內(nèi)的計算上和時間上較密集的信號處理算法以提取Α-掃描的初級測量窗口內(nèi)的相繼后壁反射且測量其時間延遲。對于許多情境(例如跨越零件的連續(xù)掃描)，在實踐中可能需要探針針對每一測得的Α-掃描連續(xù)執(zhí)行厚度測量處理算法。以此方式，計算上有效但準(zhǔn)確的時間延遲估計方法提供重要操作益處。

圖30因此表示探針的一種架構(gòu)，其中由超聲探針本身內(nèi)的處理單元(例如FPGA、DSP、CISP)實現(xiàn)大比例的處理。此分布式處理架構(gòu)具有部署在其中穿過測量頭和鏡的用于探針上的本地存儲器存儲的通信通道帶寬可能是有限的CMM上的優(yōu)點。然而，應(yīng)注意，存在用于處理Α-掃描數(shù)據(jù)的其它可能的架構(gòu)和方法。舉例來說，在一些情況下，有可能“在運行中”實行用于接觸檢測和最佳耦合的所有基本處理，但將擴展批量的Α-掃描記錄在存儲器本地，用于某一其它處理器(例如膝上型計算機或PC)上的厚度測量結(jié)果的批量傳遞和后處理。無關(guān)于處理架構(gòu)，此處指示的用以經(jīng)由模式-3計量估計時間延遲的基本信號處理保持穩(wěn)健并且準(zhǔn)確。

本文中所描述的超聲系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)自動化檢查概念的實施例可用于與上文描述的相比極度衰減且厚得多的金屬和非金屬零件內(nèi)的內(nèi)部度量測量。確切地說，超聲設(shè)備可用于測量已經(jīng)使用增材制造(AM)方法(例如使用選擇性激光熔融機器)制造的特定高值安全臨界金屬零件(例如醫(yī)療植入物)。此類零件可需要內(nèi)部度量測量和非破壞性計量兩者以確?？缭搅慵宫F(xiàn)的孔隙度在必需的容差內(nèi)。此類型的孔隙度測量變成越發(fā)重要，因為此類AM技術(shù)可以跨越零件的多種孔隙度特定地設(shè)計。應(yīng)強調(diào)的是，跨越已知或測得的幾何形狀的AM固體部分的此孔隙度分布估計可通過跨越零件的音速分布的直接估計來恰當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)。這是因為縱向音速與孔隙度之間存在嚴(yán)格線性且容易校準(zhǔn)的關(guān)系。剪切波速度與孔隙度之間也存在線性關(guān)系。此也可在一些情形中使用。

本文中所描述的模塊化超聲設(shè)備還能夠在零件內(nèi)的已知深度或角度處(例如使用具有球形聚焦平面凹透鏡的耦合模塊)聚焦所投射超聲。該設(shè)備可因此用于檢查零件內(nèi)的內(nèi)部瑕疵和空隙的自動化檢測、位置和尺寸設(shè)定。

上文所提及的模塊化超聲探針可有利地用于軟材料零件的維度形式測量。舉例來說，一些較軟固體膠狀、有機或非金屬零件可能不固有地適合于常規(guī)接觸探測，因為到此類較軟零件中的表面交互不能致使探針觸筆恒定地以機械方式偏轉(zhuǎn)(例如歸因于機械滯后效應(yīng))，和/或此類接觸可設(shè)想在處于檢查中的軟零件中引起非想要的凹陷。此類零件可包含軟彈性或塑料聚合膜、織品和皮革、食物乃至有機膜和人類組織。

此類軟度量任務(wù)可涉及探針內(nèi)的軟耦合元件特定地選擇為比正檢查的物件或材料軟。因此，耦合元件在引發(fā)正檢查的零件內(nèi)的任何偏轉(zhuǎn)之前偏轉(zhuǎn)可測量的量。具有極高含水量(例如95％)的極軟親水性乙烯基聚合物因此可提供為超聲探針的耦合元件。此耦合模塊可提供為一組耦合模塊中的一者。

上文所提及的模塊化超聲探針可有利地用于高質(zhì)量表面涂層零件的維度形式測量。確切地說，應(yīng)進一步注意，具有復(fù)雜幾何形狀但具有極高質(zhì)量平滑拋光的表面涂層的一些其它精度制造的剛性零件可需要自動化維度測量。然而，硬紅寶石球形觸筆探針與此類拋光檢查表面之間的接觸交互可能不理想，因為此交互可潛在地引起表面上的一些刮擦或碰撞損壞。此外，歸因于檢查表面的非傳導(dǎo)光學(xué)特性(例如光學(xué)透明聲學(xué)凹或凸透鏡或拋物面光學(xué)鏡面)，替代的非接觸光學(xué)測量探針(例如激光掃描探針)可能不是合適的。

上文描述的超聲檢查設(shè)備的模塊性，且更確切地說自動改變和定制不同耦合模塊設(shè)計以適應(yīng)特定檢查條件的固有能力，在復(fù)雜幾何形狀零件的測量期間尤其有益。此外，任何特定耦合模塊的選擇將常常指示用以產(chǎn)生輸出測量結(jié)果(例如跨越每一測量節(jié)點的厚度值)的特定計量方法。

舉例來說，在典型中空航空葉片的檢查期間，可依次地采用不同耦合模塊設(shè)計和相關(guān)聯(lián)計量方法的選擇以用于較綜合性覆蓋度檢查。具體地說，零件的塊體外表面的大比例可平行于內(nèi)部后壁表面。對于此塊體“表層厚度”計量，包括親水性球面的耦合模塊可附接到超聲探針，且跨越葉片橫向連續(xù)掃描，其中探針相對于檢查表面保持大體上法線定向。探針不離開檢查表面的此法線入射連續(xù)掃描利用這種類型的軟保形和彈性親水性耦合模塊的自潤滑性質(zhì)，如先前描述。其因此促進使用上文所描述的用于每一節(jié)點處的穩(wěn)健時間延遲估計的復(fù)本相關(guān)方法經(jīng)由模式-3計量方法跨越檢查表面的測量點的極高密度。

然而，應(yīng)注意，用于測量塊體表層厚度的方法不一定適合于跨越整個葉片的檢查。舉例來說，在葉片翼型的前導(dǎo)沿和后沿附近，外部前壁和內(nèi)部后壁常常偏離此平行幾何形狀。在此實例中，折射耦合模塊可用于在必需的方向中朝向內(nèi)部后壁投射超聲L-波。此可涉及使用具有固定剛性延遲線的耦合模塊，以及適當(dāng)折射楔角?；蛘?，利用適當(dāng)校準(zhǔn)，可使用具有親水性球面的耦合模塊但在探針定向成與表面法線成適當(dāng)角度的情況下實現(xiàn)折射檢查任務(wù)。在任一情況下，模式-3檢查變得成問題，因為非平行的前壁和后壁表面防止相繼后壁反射返回到探針。其中估計第一延遲線或來自耦合模塊的內(nèi)部反射峰值與后壁之間的時間延遲的模式-2計量也不適當(dāng)，因為此折射角度處將不存在強內(nèi)部反射峰值。因此，在此情況下，可改為有利地實施模式-1計量(其中估計初始激發(fā)脈沖與后續(xù)后壁反射之間的絕對時間延遲)。

為獲得最高可能模式-1厚度計量準(zhǔn)確性，可必需進一步校準(zhǔn)程序，其中跨越由與檢查零件相同材料機械加工的且并入有處于與檢查零件相同的前壁和后壁定向的一個或多個后壁的折射校準(zhǔn)塊作出一系列折射測量。以與任何此模式-1校準(zhǔn)程序相同的方式，在校準(zhǔn)塊中使用與檢查零件相同的材料允許音速校準(zhǔn)集成到此折射角度校準(zhǔn)中。也就是說，單獨音速校準(zhǔn)程序可能不必要，因為校準(zhǔn)期間采取的已知折射厚度的一系列后壁時間延遲可意味著檢查期間以探針測得的任何進一步時間延遲可通過線性內(nèi)插法直接推斷未知厚度。

還可能確定耦合模塊的軟耦合元件內(nèi)的音速。盡管此音速測量決不是必需的(例如，其對于使用模式-3方法對例如機身表層和平行中空葉片等平行偏心零件的準(zhǔn)確厚度檢查不是必需的)，但其確實具有一些優(yōu)點。舉例來說，附接的耦合模塊內(nèi)的耦合層的音速可受大氣溫度變化稍微影響，且對于例如非平行前壁和后壁檢查零件的法線軸線外檢查等特定探針功能，可能有益的是校準(zhǔn)(即測量)檢查內(nèi)的個別耦合模塊的音速。更確切地說，根據(jù)斯涅爾折射定律，耦合媒介的音速將直接影響超聲波形到檢查零件中的投射角度。因此，均質(zhì)各向同性耦合媒介內(nèi)的此絕對音速的更精確和經(jīng)校準(zhǔn)量度對于累積和推估內(nèi)部反射表面的確切位置及定向可能是有益的。

耦合元件的音速的測量還可具有替代應(yīng)用；例如，將與耦合元件交互的未知液體樣本分類。耦合模塊的音速(CL)可通過耦合媒介的縱向尺寸(d)的直接測量和往返飛行時間(t)的估計(即，使用關(guān)系CL＝2*d/t)經(jīng)由模式-1模式-2或模式-3方法來導(dǎo)出?；蛘撸墒褂蒙婕耙詷O受控且精確的方式將探針線性地加載到已知平面表面上的方法。更確切地說，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)探針加載到平面表面上時來自耦合層的第一內(nèi)部反射波形的到達時間(TOA)的改變的測量允許編譯TOA與耦合層變形(即，線性加載位移)之間的線性關(guān)系。根據(jù)此線性關(guān)系曲線(即，對于不可壓縮的耦合層)，音速可直接計算為梯度。換句話說，TOA(t)與Z-變形或加載(r)之間的絕對梯度等于音速(CL)的一半，依據(jù)關(guān)系r＝(CL*t)/2。此方法已發(fā)現(xiàn)是準(zhǔn)確的且確保不需要耦合層的確切試探性縱向尺寸的潛在地不精確的估計來計算耦合層音速。

盡管上文描述超聲設(shè)備可如何安裝在橋型CMM上，但應(yīng)注意，其可與其它設(shè)備一起使用。

圖31說明上文描述的超聲探針802可如何安裝在x-y掃描儀800上。

圖32說明上文描述的超聲探針802可如何安裝在超聲爬行器系統(tǒng)810上用于測量薄航空結(jié)構(gòu)(例如機身表層)內(nèi)的內(nèi)部開裂和腐蝕。在此類實施例中，后壁反射之間的Α-掃描中發(fā)生的強反射回波可檢測為可分類為內(nèi)部空隙或裂痕的零件體積內(nèi)的額外非想要界面。

在此類實施例中，爬行器載具810可實施大彎曲結(jié)構(gòu)上方的連續(xù)掃描以測量結(jié)構(gòu)的表層(例如航空結(jié)構(gòu)或風(fēng)力渦輪機葉片)的內(nèi)部厚度。然而，零件的曲率及其與爬行器輪子的交互可引發(fā)上面安裝超聲探針的移動平臺與檢查表面之間的確切間隙的某一可變性。通過軟耦合尖端中的當(dāng)前偏轉(zhuǎn)(Zd)的高解析度估計，有可能隨著探針沿著零件行進相對于平臺調(diào)適探針的Z位置以補償可變間隙，因此將探針變形保持在設(shè)定容差(即“耦合有效點”)內(nèi)。以最簡單形式，響應(yīng)于軟耦合元件變形的變化相對于平臺調(diào)適探針高度可使用線性級馬達實施，該線性級馬達具有附接到平臺的簡單線性編碼器，該線性編碼器將允許在檢查期間實時改變探針的Z高度。在較復(fù)雜實施例中，可并入第二旋轉(zhuǎn)馬達和編碼器，從而允許探針在保持在其運動平面中的同時旋轉(zhuǎn)，以便響應(yīng)于表面法線的改變更改其抵靠著表面的入射角。