JP6248183B2 - Ultrasonic inspection apparatus and ultrasonic inspection method - Google Patents
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Description
本発明は、超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic inspection apparatus and an ultrasonic inspection method.
本技術分野の背景技術として、特開2001−83125号公報(特許文献1)がある。直交する2方向に振動する圧電材を積層させ、これら圧電材に電圧を印加させることにより振動を発生させ、2方向に直交する偏波を重ね合わせることで、任意の偏波状態を持つ横波超音波を発生させる。この任意の偏波状態を持つ横波超音波を用いて音響的異方性を有する材料の音響異方向性の測定方法およびその音響異方向性の測定方法を利用した材料劣化診断装置について記載されている。 As a background art in this technical field, there is JP-A-2001-83125 (Patent Document 1). By superposing piezoelectric materials that vibrate in two orthogonal directions, applying a voltage to these piezoelectric materials to generate vibrations, and superimposing polarized waves orthogonal to the two directions, a super Generate sound waves. A method for measuring acoustic anisotropy of a material having acoustic anisotropy using transverse wave ultrasonic waves having an arbitrary polarization state and a material deterioration diagnostic apparatus using the method for measuring the acoustic anisotropy are described. Yes.
また、特開2008-139325号公報(特許文献2)には、従来使用される縦波用の超音波振動子を有する超音波探触子を使用して被検査材内部に、垂直方向、斜方向あるいは探傷面に沿う方向にモード変換を伴わない、同一方向に振動する横波を2つの超音波探触子からそれぞれ送信し、時間遅延の値を参照して各水平偏波横波の受信時間を補正した後、加算して解析することにより被検査材の探傷あるいは板厚測定を低周波数の超音波により実施することができる超音波探傷装置について記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-139325 (Patent Document 2) discloses that an ultrasonic probe having an ultrasonic transducer for longitudinal waves, which has been conventionally used, is used in the vertical direction, obliquely in the inspection object. Transverse waves oscillating in the same direction without mode conversion in the direction along the flaw detection surface or the direction along the flaw detection surface are transmitted from the two ultrasonic probes, respectively, and the reception time of each horizontal polarization transverse wave is determined by referring to the time delay value. It describes an ultrasonic flaw detector capable of performing flaw detection or plate thickness measurement of a material to be inspected with low-frequency ultrasonic waves by performing addition and analysis after correction.
特許文献1に記載のものは、直交する偏波を持つ2つの超音波を同時に発生させて、音響異方性を測定し、底面エコーと被試験体厚みから横波音速を測定することによって材料劣化診断を行うものであるが、微小欠陥または介在物等の反射体を検出するためのフォーカス機能を有していない。微小欠陥または介在物からの反射波を検出するには、その他の周囲に存在する超音波反射体からのノイズと区別できるようにする必要があることから、フォーカス機能が必要である。特許文献1に記載のものは、フォーカスを考慮しないという点で、S/N(信号雑音比)の良い検査に利用するには課題がある。 The material described in Patent Document 1 is that material deterioration occurs by simultaneously generating two ultrasonic waves having orthogonal polarizations, measuring acoustic anisotropy, and measuring the transverse wave velocity from the bottom echo and the thickness of the DUT. Although it performs diagnosis, it does not have a focus function for detecting reflectors such as minute defects or inclusions. In order to detect a reflected wave from a minute defect or an inclusion, a focus function is required because it is necessary to be able to distinguish from a noise from an ultrasonic reflector existing in other surroundings. The thing of patent document 1 has a subject in using for a test | inspection with a good S / N (signal-to-noise ratio) by the point that a focus is not considered.
また、特許文献2に記載のものは、複数の縦波探触子を探傷面に並べて、縦波超音波を発生させると共に、遅れエコーとして横波超音波を発生させて干渉により波を強めているものの、横波超音波をフォーカスさせる効果は無く、対象とする微小欠陥または介在物の周囲に存在する超音波反射体からのノイズと区別してS/Nを良くして探傷することができないとういう課題がある。また、音響異方性を考慮していないことから、発生する超音波振動方向によって音速が異なり、伝播時間計測による反射体位置の特定精度が低下する課題がある。
In addition, the device described in
そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、金属材中に存在する微小な欠陥又は介在物を、高精度に検出することができる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and provides an ultrasonic inspection apparatus and an ultrasonic inspection method capable of detecting minute defects or inclusions present in a metal material with high accuracy. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明は、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波を発生させる偏波制御プローブと、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波のそれぞれの位相差を制御する波形生成部と、偏波制御プローブの受信波形から、第一振動方向を持つ横波超音波と第二振動方向を持つ横波超音波から干渉波形を算出する波形解析部と、波形解析部によって得られた干渉波形を表示する表示器と、を有することを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides a polarization control probe for generating a transverse wave ultrasonic wave having a first vibration direction and a transverse wave ultrasonic wave having a second vibration direction, a transverse wave ultrasonic wave having a first vibration direction, From the waveform generator that controls the phase difference of each transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction and the received waveform of the polarization control probe, the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction And a display for displaying the interference waveform obtained by the waveform analysis unit.
本発明によれば、被検査体の内在欠陥又は介在物を、高精度に検出が可能な超音波検査装置及び超音波検査方法が提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ultrasonic inspection apparatus and ultrasonic inspection method which can detect the internal defect or inclusion of a to-be-inspected object with high precision can be provided.
金属材料の内在欠陥または介在物を非破壊検査するため、超音波探傷検査が活用されている。被検査材の探傷面に対して垂直方向に進行する超音波(縦波超音波)を発生させる従来の超音波探傷検査においては、検査対象とする内在欠陥あるいは介在物からの反射波のS/N(信号雑音比)を向上するため、水中に沈めた被検査体に対して、より高周波の縦波超音波を機械走査により点集束させて探傷が行われる。 Ultrasonic flaw detection is used to nondestructively inspect internal defects or inclusions in metal materials. In a conventional ultrasonic flaw detection inspection that generates ultrasonic waves (longitudinal wave ultrasonic waves) that travel in a direction perpendicular to the flaw detection surface of the material to be inspected, the S / of reflected waves from the internal defects or inclusions to be inspected. In order to improve N (signal-to-noise ratio), flaw detection is performed on a test object submerged in water by focusing a higher-frequency longitudinal wave ultrasonic wave by mechanical scanning.
しかしながら、このような縦波超音波を利用した高周波超音波探傷検査においては、超音波の周波数が高くなると、発振器のコストが増大する上、被検査材中における縦波超音波の減衰が大きくなり信号のS/Nが低下する、あるいは、欠陥あるいは介在物にフォーカスするための機械走査の精度向上が困難である、とういう課題がある。 However, in such a high-frequency ultrasonic inspection using longitudinal ultrasonic waves, if the ultrasonic frequency increases, the cost of the oscillator increases and the attenuation of longitudinal ultrasonic waves in the material to be inspected increases. There is a problem that the S / N of the signal is lowered or it is difficult to improve the accuracy of mechanical scanning for focusing on a defect or an inclusion.
この課題を解決するために横波超音波を利用することが考えられる。横波超音波を使用すれば、横波超音波の音速は縦波超音波の音速の約半分であるため、縦波超音波の約半分の周波数で同程度の測定精度を得ることが利点である。 In order to solve this problem, it is conceivable to use transverse wave ultrasonic waves. If the transverse wave ultrasonic wave is used, the sound speed of the transverse wave ultrasonic wave is about half that of the longitudinal wave ultrasonic wave. Therefore, it is advantageous to obtain the same measurement accuracy at about half the frequency of the longitudinal wave ultrasonic wave.
しかしながら、例えば音響異方性を有する金属材料において横波超音波を利用する場合には、音響異方性を有する金属材料は横波音速が振動方向(偏波:ここでの偏波とは振動方向および位相が指定されている横波超音波のことを示す。)ごとに異なることを特徴とし、音響異方性を考慮しなければ、内在欠陥あるいは介在物の位置を精度よく特定することは困難である。一例として、圧延成型した炭素鋼では、圧延方向に組織異方性および応力異方性が生じる。このような鋼材で横波の伝播時間を測定すると、超音波の振動方向によって異なる伝播時間が計測される。したがって、音響異方性を有する金属材料中の微小欠陥または介在物を検知するため、横波偏波の振動方向に依存した音速を考慮した探傷検査が求められる。 However, for example, when shear wave ultrasonic waves are used in a metal material having acoustic anisotropy, the metal material having acoustic anisotropy has a transverse wave sound velocity in the vibration direction (polarization: the polarization direction here is the vibration direction and This indicates that the phase is a transverse ultrasonic wave.) It is difficult to pinpoint the position of an intrinsic defect or inclusion without considering the acoustic anisotropy. . As an example, in roll-formed carbon steel, structure anisotropy and stress anisotropy occur in the rolling direction. When the propagation time of the transverse wave is measured with such a steel material, the propagation time that varies depending on the vibration direction of the ultrasonic wave is measured. Therefore, in order to detect minute defects or inclusions in a metal material having acoustic anisotropy, a flaw detection inspection considering the speed of sound depending on the vibration direction of the transverse wave polarization is required.
背景技術に記載した特許文献1及び特許文献2では、横波超音波を用いた探傷検査について記載されているものの、フォーカス機能については記載されていない。ここでフォーカス機能とは、2方向の振動方向成分を持つ横波超音波である偏波を送受信して、それら偏波が検査対象内部の所定の位置で干渉するようにして、検出したい所定の位置で超音波信号を強め合い、その他の位置における不要な信号は弱め合うように制御することである。
In Patent Document 1 and
最初に、本発明で用いる超音波検査法について図2〜図4を用いて簡単に説明する。 First, the ultrasonic inspection method used in the present invention will be briefly described with reference to FIGS.
図2は超音波検査法の概念図である。超音波検査法は、電圧を物理的な力に変換する縦波プローブ110または横波プローブ111により、その力を被検査体7に対して音波振動として伝搬させる。超音波モードは、伝播方向と同じ方向に振動する縦波112と、伝播方向と垂直方向に振動する横波113がいずれも用いられる(図2(a))。このとき、被検査体7の中を伝搬する音の経路に欠陥又は介在物等の反射体72が存在するとき、その反射体で反射する反射体エコー101bを検出するものである。被検査体7の内部に反射体が存在しなければ被検査体の底面71により底面エコー101cのみが検出される(図2(b))。反射体の位置は、送信波101aと反射体エコー101bの時間間隔102と試験体中の超音波音速により、測定される。試験体厚みは、送信波101aと底面エコー101cとの時間間隔103と試験体中の超音波音速により、測定される。被検査体7中で反射を繰り返した多重反射信号が検出される場合もある。例えば、反射体エコー101dは底面エコーが表面で反射し、反射体72で再び反射したものであり、第2回底面エコー101eは1回目の底面エコーが表面で反射し、再び底面で反射したエコーである。同様に第3回以降の底面エコーが検出される(図2(c))。
FIG. 2 is a conceptual diagram of the ultrasonic inspection method. In the ultrasonic inspection method, the
図3は超音波検査における周波数の効果を表した概念図である。周波数が高いと被検査材7の中における超音波113の減衰が大きくなり、さらにエコー114がプローブ111まで伝播する間に減衰し、信号のS/Nが低下する(図3(a))。そこで、横波超音波を使用すれば、横波超音波の音速は縦波超音波の音速の約半分であるため、縦波超音波の約半分の周波数で同程度の測定精度を得ることが利点である。しかしながら、低周波数の横波超音波115は微小な反射体72に対する反射率が小さいため、小さな振幅の反射エコー116しか得られず、信号のS/Nが低下する(図3(b))。そのため、金属材中に存在する微小な欠陥又は介在物を、高精度に検出するために、横波超音波を利用する場合にはフォーカス機能を用いると、欠陥又は介在物をより鮮明にとらえることができる。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the effect of frequency in ultrasonic inspection. When the frequency is high, the attenuation of the
図4(a)は被検査体が音響異方性を有する場合の、横波を用いた超音波探傷における検査の概念図である。横波プローブ111を用いると、被検査体7が音響異方性を有する場合、送信した超音波113と被検査体7の音響異方性の方向によっては、超音波113は2方向の主軸に振動する偏波113aと偏波113bに分離して独立に伝播するため、受信波形は、これら2つの偏波を重ね合わせた反射体エコー101bとなり、伝播時間計測による反射体位置の特定精度が低下する。図4(b)に音響異方性の効果を示す波形の一例のグラフを示す。図4(b)において横波プローブ111から送信波101aを送信すると、被検査体7が音響異方性により偏波113aと偏波113bに分かれる。偏波113aと偏波113bはその伝搬する速度が異なるので、位相にずれ104が生じている。このずれは、偏波113aと偏波113bを重ね合わせた際に、反射体エコー101bの受信波形を引き伸ばすとともに、干渉効果により合成した受信波形が弱くなる。底面エコー101cでは位相のずれ105がより大きくなるので、この影響はより大きくなる。
FIG. 4A is a conceptual diagram of inspection in ultrasonic flaw detection using a transverse wave when the object to be inspected has acoustic anisotropy. When the
図4(c)に音響異方性を有する材料における横波超音波の伝搬の概要を示す(紙面手前から奥側の方向に横波超音波を送信した場合を示した)。音響異方性を有する材料の主軸と平行方向に超音波113を送信する際には、単一の偏波のみ送信されるため、受信する超音波信号において位相差は発生しない。ここで示す主軸とは、横波超音波が最も早く伝搬する速度を持つ被検査体内の軸方向又は横波超音波が最も遅く伝搬する速度を持つ被検査体内の軸方向のことを指す。音響異方性を有する材料の主軸方向と45度傾けた方向に超音波113を送信する際には、超音波が偏波113aと偏波113bに分離され、各軸方向において横波の伝搬速度が異なるため、受信波形は、偏波113aと偏波113bがある位相差を持って合成されたものが受信される。位相差がずれる場合には波形は弱め合って合成されるため、同じ超音波を送信したとしても、被検査体7の結晶の軸方向と超音波の送信方向によっては受信波形の強度が異なることになる。従って、この原理を用いれば被検査体7の音響異方性の方向(主軸方向)を求めることができる。また、各軸方向において横波の伝搬速度が異なる原理を利用して、偏波113aと偏波113bの位相差を制御すれば、所定の箇所にのみにおいて合成波形を強めることができ、フォーカス機能が実現できる。
FIG. 4C shows an outline of the propagation of the transverse wave ultrasonic wave in the material having acoustic anisotropy (the case where the transverse wave ultrasonic wave is transmitted in the direction from the front side to the back side of the sheet) is shown. When transmitting the
本発明は、上記の原理を用いて、横波を用いた超音波検査において、S/Nの良い微小反射体検知を実施するために、偏波制御可能なプローブを用いた検査装置を提供する。 The present invention provides an inspection apparatus using a polarization-controllable probe in order to perform detection of a minute reflector having a good S / N in ultrasonic inspection using a transverse wave, using the principle described above.
図1、図5〜図11を用いて、本実施例による検査装置の全体構成について説明する。 The overall configuration of the inspection apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 5 to 11.
図1は本実施例に係る偏波制御プローブと超音波探傷装置を使用したシステムの構成を示すブロック図である。図5は本発明の一実施例による超音波探傷装置と、偏波制御プローブによる欠陥または介在物の測定形態の説明図である。なお、図1、図5において、同一符号は、同一部分を示している。ただし、図5に示す例は、本発明の実施例を限定するものではない。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a system using a polarization control probe and an ultrasonic flaw detector according to this embodiment. FIG. 5 is an explanatory view of an ultrasonic flaw detector according to an embodiment of the present invention and a measurement form of defects or inclusions by a polarization control probe. 1 and 5, the same reference numerals indicate the same parts. However, the example shown in FIG. 5 does not limit the embodiment of the present invention.
探傷装置1には、入力部2を用いて位相差31、振幅3a、振幅3bが入力される。波形生成部3に具備された波形生成器32にて、位相差、振幅a、振幅bに基づいた電圧波形aおよび電圧波形bが生成される。この際の電圧波形はパルス波でもバースト波でも良い。ただし、パルス幅、バースト幅は目的に応じて適切に設定する。また、横波超音波の2方向振動成分の位相差は、例えば、それぞれの送信タイミングに時間差により指定することができる。ここで、入力部2は、例えばパソコンのキーボード、タブレットに表示されているスライダー、探傷装置1に具備されたつまみを操作することで探傷装置1にデータを入力する。
A
電圧波形aおよび電圧波形bは偏波制御プローブに備えられた第1圧電素子4aおよび第2圧電素子4bにそれぞれ印加され、被検査体7の中に重ねて超音波を発生させる。その後、被検査体7からのエコーを偏波制御プローブ4が受信し、受信波形aおよび受信波形bは探傷装置1に具備された波形解析部5に入力される。ここで、第1圧電素子4aもしくは第2圧電素子4bは、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などで、電気信号を振動に変換し、逆に振動を電気信号に変換することが可能である。
The voltage waveform a and the voltage waveform b are respectively applied to the first
次に、本実施例の波形解析部5の動作手順について、図1および図6のフローチャートを用いて説明する。波形解析部は、偏波制御プローブで取得した2つの受信波形を取り込む受信波形伝送路50と、前記2つの受信波形を演算する演算器52と、メモリ51と、比較器53と、波形生成部3にフィードバック信号を送信するための位相31と振幅3a、振幅3b、を生成する制御信号生成部54を有する。制御信号生成部54は、例えば、パソコン上でのソフトウェアにより実装することができる。
Next, the operation procedure of the
本波形解析部5を用いて、まず、音速が最大または最小となる主軸方向を測定する。この処理では、まず、ステップS101において、偏波制御プローブ4を被検査体7に適当な加重で接触させる。次いで、ステップS102において、振幅1、振幅2に適当な初期値を設定し、被検体7からの特定のエコーが生じる位置を入力部2により探傷装置1に入力する。このエコーは、S/Nを良くするため、第1回目の底面エコー101cとするのが好ましい。ただし、この後のステップで振幅の比較がしやすいように、第2回目の底面エコー101eやそれ以降の多重反射したエコーを入力部2から指定しても良い。
First, the main axis direction in which the sound speed is maximized or minimized is measured using the
そして、ステップS103において、初期の位相差31は0とし、波形解析部5において、メモリ51には、受信波形aと受信波形bの合成振幅を記憶させておく。ステップS104において、演算器52は受信波形aと受信波形bをそれぞれ振幅3a、振幅3bで重みづけして加算し、ステップS105において、エコーの合成波形の振幅を比較器53にてメモリ51に記憶された値と比較する。エコーの合成波形の振幅の最大値が求まった場合、ステップS107に進み、そうでない場合は、ステップS106に進み第2回目以降のステップを実行する。第2以降のステップでは、ステップS106において、制御信号生成部54は、全振幅が一定の条件で、振幅3aと振幅3bの比率を変化させ、波形生成部3に伝送し、第1のステップと同様にして比較を繰り返し、エコーの合成波形の振幅が最大となる振幅3aと振幅3bの比率を算出する。すなわち、振幅3aと振幅3bの比率を変化させることで、振動方向を制御した偏波が送信可能となる。ここでの偏波は直線偏波ということができる。振幅3a/振幅3b=tanθとして算出されるθが、偏波制御プローブ4のひとつのずり振動方向と被検査体7の主軸方向の1つとがなす角度である。また、合成エコー振幅が最小となる振幅3aと振幅3bの比率、振幅3a/振幅3b=tanθとして算出されるθが偏波制御プローブ4のひとつのずり振動方向と、被検査体7の主軸と45度となる向きと、がなす角度である。制御信号生成部54は、主軸方向の測定結果を、表示器6に伝送し、表示器6は、測定結果を表示する。なお、本実施例での被検査体は90度の角度をもった異方性材料を対象とした場合を示している。
In step S103, the
ここでエコーの合成波形の振幅が最大値となる場合には、送信された超音波は材料の主軸方向と一致しているため、超音波は単一の波形となり、基本的には送信波形の強度より材料中で減衰する分だけ弱められた波形が受信される。これが受信されるエコーの中で最大のものとなる。しかし、超音波の送信方向が主軸方向と一致しない場合には、送信波形は2つの偏波に分離され、位相差を生じさせるので弱め合った合成波形が受信される。この原理を用いることで音響異方性材料の主軸方向を求めることが出来る。 Here, when the amplitude of the composite waveform of the echo is the maximum value, the transmitted ultrasonic wave coincides with the principal axis direction of the material, so the ultrasonic wave becomes a single waveform. A waveform is received that is weakened by an amount that attenuates in the material. This is the largest echo received. However, when the transmission direction of the ultrasonic wave does not coincide with the main axis direction, the transmission waveform is separated into two polarized waves, and a phase difference is generated, so that a weakened composite waveform is received. By using this principle, the principal axis direction of the acoustic anisotropic material can be obtained.
次に、主軸方向測定で用いた被検査体7からのエコーを用いて、初期位相差を決定する。この時、好ましくは、ステップS107において、偏波制御プローブ4を回転させ、偏波制御プローブ4の軸と被検査体7の主軸を一致させておく。ステップS108において、振幅3aと振幅3bが等しくなるように設定しておき、位相差31を0として、合成振幅をメモリ51に記憶しておく。ステップS109において、超音波を送受信し、合成エコー振幅を算出する。ステップS110において、エコーの合成波形の振幅を比較器53にてメモリ51に記憶された値と比較する。エコーの合成波形の振幅の最大値が求まった場合、ステップS112に進み、そうでない場合は、ステップS111に進み第2回目以降のステップを実行する。ステップS111においては、位相差31を逐次変化させ、ステップS109を再度実行し、ステップS110においてエコーの合成波形の振幅が最大となる位相差31を求める。エコーの合成波形の振幅が最大となる条件は、偏波制御プローブ4の軸と被検査体7の主軸が一致する場合、下記の(式1)で与えられる。
v1t−v2t=nλ+(φ/2π)λ・・・(式1)
v1、v2は2つの主軸の向きの偏波の音速であり、(φ/2π)はこの偏波の位相差となるので、(式1)を満たす時に最大となる。この数式の各値を置き換えると(式2)となる。
ΔV/V0 2=(n+φ/2π)/fz・・・(式2)
ここでV0は2つの主軸のそれぞれの向きでの偏波の平均音速、ΔV(=v1−v2)は2つの主軸の向きの偏波の音速差、f(=V0/λ)は超音波周波数、zは検査面から特定エコーを生じる反射体までの距離の2倍、φが初期位相、nは干渉次数である。nは0とするが、必要に応じてそれ以外の整数値を用いても良い。Next, the initial phase difference is determined using the echo from the
v 1 tv 2 t = nλ + (φ / 2π) λ (Expression 1)
v 1 and v 2 are the sound speeds of the polarized waves in the directions of the two principal axes, and (φ / 2π) is the phase difference between the polarized waves, and is maximized when (Equation 1) is satisfied. Replacing each value in this equation yields (Equation 2).
ΔV / V 0 2 = (n + φ / 2π) / fz (Expression 2)
Here, V 0 is the average sound velocity of the polarized waves in the directions of the two principal axes, ΔV (= v 1 −v 2 ) is the difference in sound velocity of the polarized waves in the directions of the two principal axes, and f (= V 0 / λ). Is the ultrasonic frequency, z is twice the distance from the inspection surface to the reflector producing the specific echo, φ is the initial phase, and n is the interference order. Although n is 0, other integer values may be used as necessary.
以上で、探傷を行う準備が完了したので、ステップS112において探傷を開始する。ここでは、予め被検体の底面において干渉が最大となるように準備をしたが、測定対象に応じては、適宜この位置を変更するようにしても構わない。 As described above, since preparations for flaw detection are completed, flaw detection is started in step S112. Here, preparations are made in advance so that the interference is maximized on the bottom surface of the subject. However, this position may be appropriately changed depending on the measurement target.
探傷について記載する。上記手順にて設定した振幅3a、振幅3b、位相差31から、位相差31を変化させると、(式2)の条件が成立する位置で波形が干渉して信号が強め合う。この位置に反射体が存在する場合、干渉して強め合った合成波形が観測される。なお、周囲のノイズとなるエコーは干渉して弱め合うため合成波形は弱くなり、強め合う合成波形が強調して表示される。すなわち、(式2)においてzの位置が変化するため、このz上の位置では波形が干渉して強め合い、その他の位置では弱め合う。位相差を減少させることで、干渉位置zが被検体の底面から内部方向へと移動して、その位置に欠陥又は介在物があった場合には、より鮮明に欠陥又は介在物を捉えることができる。干渉波形は演算器52から表示器6へ送られ、表示される。
Describe flaw detection. When the
以上により指定位置にフォーカスした探傷が可能である。 As described above, the flaw detection focused on the designated position is possible.
図7を用いて偏波制御プローブ4について説明する。偏波制御プローブ4はずり振動方向が90度異なる第1圧電素子4aおよび第2圧電素子4bを積層した構造になっている。各圧電素子は電圧波形を印加または読み取るための第1の入出力伝送路41aおよび第2の入出力伝送路41bを備えている。
The
次に、図8、図9を用いて波形生成部3について説明する。図8は、波形生成器32の詳細構成図である。トリガ321には遅延パルス生成器に入力され、指定された位相差だけ送信タイミングに時間差のある2個のトリガパルスを生成する。任意波形生成器323aおよび任意波形生成器323bは、入力された振幅3a、振幅3bにもとづいて同一波形を生成し、それぞれ遅延パルス生成器から送られたトリガパルスに同期して電圧波形aおよび電圧波形bを出力する。これにより、偏波制御プローブを制御する任意の偏波状態を持つ電圧波形が生成できる。なお、電圧波形aおよび電圧波形bは増幅器321a、増幅器321bを経由して必要に応じて増幅させられ、第1の電圧波形端子324aと第2の電圧波形端子324bよりそれぞれ送信される。
Next, the
図9は、偏波制御プローブ4が生成する偏波状態の様子を示している。偏波制御プローブ4は、直交する2軸方向に振動する偏波を生成し、それぞれの軸方向の振幅3a、振幅3bおよび位相差31を偏波状態として表示器6で表示する。このような偏波は楕円偏波と呼ばれる。なお、この処理は波形解析部で処理される。
FIG. 9 shows the state of the polarization state generated by the
表示された楕円の軸長3cと軸長3dの比がtan(φ/2)となるφが位相差31である。また、矢印3eは偏波の回転方向を表し、0<φ<πの時、反時計回り、π<φ<2πの時、時計回りとなる。
The
次に、図10、図11を用いて波形解析部5について説明する。図10は指定されたエコーの受信波形の一例である。被検査体7からの反射波は、第1圧電素子4aおよび第2圧電素子4bによってそれぞれ受信され、演算器52に送られて演算され、合成波形を生成する。
Next, the
図10(a)に示すように、超音波異方性を有する被試験体を通過した超音波の受信波形7aおよび受信波形7bが、位相差81を変化させ、ちょうど位相差81が、超音波の波長の整数倍だけ変化した場合、受信波形7aと受信波形7bの合成波形7cは強め合う。一方、図10(b)に示したように、受信波形8aと受信波形8bの位相差81がちょうど半整数倍の場合、それら受信波形の合成波形8cは弱め合う。初期位相差31を制御することにより、強め合う干渉をする合成波形が得られる超音波路程を制御することができる。合成波形は表示器6に伝送され、表示される。
As shown in FIG. 10 (a), the received waveform 7a and the received waveform 7b of the ultrasonic wave that has passed through the test object having ultrasonic anisotropy change the
図11は演算器52の詳細構成である。重みづけ加算521により、受信波形は演算される。合成波形は、同一受信時間の波高を本演算器52で重みづけ加算することにより算出されている。重み52aおよび重み52bは、それぞれ前記波形生成部3に入力された振幅3aおよび振幅3bとすることにより、送信偏波に対する受信偏波の変化量を算出可能であるが、必要に応じてその他の値を重みとすることにより、受信波形の任意方向への射影が得られる。
FIG. 11 shows the detailed configuration of the
このようにして表示器6にて表示された主軸方向、偏波状態、合成波形を用いて、検査員が健全部との差異により、被検査体中の微小な反射体を評価することができる。
Using the main axis direction, the polarization state, and the combined waveform displayed on the
次に、図12〜図13を用いて、本発明の実施例2による超音波探傷検査について説明する。 Next, the ultrasonic flaw detection according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図12は、本発明の実施例2による検査装置の全体構成を示すブロック図である。この実施例は、実施例1において図1に示した圧電素子を用いた偏波制御プローブに代えて、第1コイル14a、第2コイル14bと永久磁石14cとを用いた偏波制御プローブによって構成するようにしたものである。図12の検査装置のうち、既に説明した図1に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
FIG. 12 is a block diagram showing the overall configuration of an inspection apparatus according to
図13は本発明の一実施例による偏波制御プローブの内部構造を示す斜視図である。永久磁石と単一コイルから成る超音波プローブはEMATとして一般に知られる。本実施例では、偏波制御が可能なように永久磁石14cの直下に電流方向が90度異なる第1コイル14aおよび第2コイル14bを積層した構造になっている。各コイルは電流波形を印加または読み取るための入出力伝送路141aおよび入出力端子141bを備えている。
FIG. 13 is a perspective view showing the internal structure of a polarization control probe according to an embodiment of the present invention. An ultrasonic probe consisting of a permanent magnet and a single coil is commonly known as EMAT. In the present embodiment, the
本実施例における偏波制御プローブを使用することで、接触媒質を必要としない非接触探傷が可能となる。なお、図12〜図13において、同一符号は、同一部分を示している。ただし、図13に示す例は、本発明の実施例を限定するものではない。 By using the polarization control probe in the present embodiment, non-contact flaw detection that does not require a contact medium is possible. 12 to 13, the same reference numerals indicate the same parts. However, the example shown in FIG. 13 does not limit the embodiment of the present invention.
次に、図14〜図16を用いて、本発明の実施例3による超音波探傷検査について説明する。 Next, ultrasonic flaw detection according to Example 3 of the present invention will be described with reference to FIGS.
図14は、本発明の実施例3による検査装置の全体構成を示すブロック図である。図15は本発明の一実施例による超音波探傷装置と、偏波制御プローブによる欠陥または介在物の測定形態の説明図である。ただし、図15に示す例は、本発明の実施例を限定するものではない。
FIG. 14 is a block diagram showing the overall configuration of an inspection apparatus according to
この実施例は、実施例1において、図1に示した送受信を偏波制御プローブ4に代えて、送信用の偏波制御プローブ24と受信用の偏波制御プローブ34を用いた2探触子探傷検査の機能を有している。図14は圧電素子を用いた偏波制御プローブを用いたブロック図を示しているが、圧電素子を用いた偏波制御プローブに代えてEMATを用いた偏波制御プローブ14によって構成するようにしても良い。図14の検査装置のうち、既に説明した図1に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
This embodiment is a two-probe that uses the transmission
次に、本実施例の波形解析部5の動作手順について、動作手順について、図16のフローチャートを用いて説明する。
Next, the operation procedure of the
まず、音速が最大または最小となる主軸方向を測定する。この処理では、まず、ステップS201において、送信用偏波制御プローブ24及び受信用偏波制御プローブ34を被検査体7に適当な加重で接触させる。次いで、ステップS202において、被検体7からの特定のエコーが生じる位置を入力部2により探傷装置1に入力する。このエコーは、S/Nを良くするため、第1回目の底面エコーとするのが好ましい。ただし、この後のステップで振幅の比較がしやすいように、第2回目以降の底面エコーを指定しても良い。
First, the direction of the main axis where the sound speed is maximum or minimum is measured. In this process, first, in step S201, the transmission
そして、ステップS203において、初期の位相差31は0とし、振幅3aと振幅3bは適当な値に設定する。波形解析部5において、メモリ51には、受信波形aと受信波形bの合成振幅を記憶させておく。S204において、演算器52は受信波形aと受信波形bを適当な重み52aおよび重み52bで重みづけして加算し、ステップS205において、エコー振幅を比較器53にてメモリ51に記憶された値と比較する。エコーの合成波形の振幅の最大値が求まった場合、ステップS207に進み、そうでない場合は、ステップS206に進み第2回目以降のステップを実行する。第2以降のステップでは、ステップS206において、全振幅が一定の条件で、振幅3aと振幅3bの比率を変化させるとともに、全重みが一定の条件で、重み52aと重み52bの比率を変化させ、第1のステップと同様にして比較を繰り返し、山登り法等の極値探索アルゴリズムを使用して、エコー振幅が最大となる振幅3a、振幅3bの比率と重み52a、重み52bの比率を算出する。振幅3a/振幅3b=tanθとして算出されるθが、送信用偏波制御プローブ24のひとつのずり振動方向と被検査体7の主軸方向の1つとがなす角度である。また、重み52a/重み52b=tanψとなるψが、受信偏波制御プローブ34と被検査体7の主軸方向の1つとが成す角度である。主軸方向の測定結果は、表示器6に伝送され表示される。
In step S203, the
次に、主軸方向測定で用いた被検査体7からのエコーを用いて、初期位相差を決定する。この時、好ましくは、ステップS207において、送信偏波制御プローブ24、受信偏波制御プローブ34を回転させ、各プローブの軸と被検査体7の主軸を一致させておく。重み52a=振幅3a、重み52b=振幅3bの条件で、ステップS208において、合成エコー振幅が最小となる振幅3aと振幅3bを設定しておき、位相差31を0として、合成振幅をメモリ51に記憶しておく。ステップS209において、超音波を送受信し、合成エコー振幅を算出する。エコーの合成波形の振幅の最大値が求まった場合、ステップS212に進み、そうでない場合は、ステップS211に進み第2回目以降のステップを実行する。ステップS211においては、位相差31を逐次変化させ、エコーの合成波形の振幅が最大となる位相差31を測定する。エコーの合成波形の振幅が最大となる条件は、送信偏波制御プローブ24および受信偏波制御プローブ34の軸と被検査体7の主軸が一致する場合、(式2)で与えられる。ただし、zは送信偏波制御プローブ24から受信偏波制御プローブ34までの路程を表し、その他の記号は実施例1に記載のものと同一である。以上で、探傷を行う準備が完了したので、ステップS212において探傷を開始する。
Next, the initial phase difference is determined using the echo from the
本実施例における構成を利用することで二探触子透過法による探傷が可能となる。 By using the configuration in the present embodiment, flaw detection by the two-probe transmission method can be performed.
次に、図17〜図18を用いて、本発明の実施例4による超音波探傷検査について説明する。 Next, ultrasonic flaw detection according to Example 4 of the present invention will be described with reference to FIGS.
図17は、本発明の実施例4による検査装置の全体構成を示すブロック図である。図18は本発明の一実施例による超音波探傷装置と、偏波制御プローブ4による欠陥または介在物の測定形態の説明図である。ただし、図18に示す例は、本発明の実施例を限定するものではない。本実施例は、プローブを検査面に対して自動的に走査する走査機構9を備えている。本走査機構9は、プローブの位置を指定する信号を出力する位置指定器91と、測定位置ごとの波形を保存するメモリ92を備えている。位置指定器91に従って受信した波形は指定された位置とともにメモリ92内に記憶される。記憶された波形は表示器16に送られ、表示される。表示器16は指定位置とメモリに記憶された波形をもとに、2次元の探傷画像を表示する機能を有する。
FIG. 17 is a block diagram showing the overall configuration of an inspection apparatus according to
以上により、広範囲を高速に探傷し、結果をBスコープあるいはCスコープと一般に呼ばれる方法で表示させ、検査員が欠陥あるいは介在物を容易に発見することができる。 As described above, a wide range of flaws can be detected at high speed, and the results are displayed by a method generally called a B scope or C scope, so that an inspector can easily find defects or inclusions.
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、偏波制御プローブ4を、単一の振動方向を有する圧電素子で構成し、振動したい方向に応じて、この圧電素子を移動(回転)させるようにしても構わない。この場合は単一の圧電素子でプロープを構成できるため、コスト削減となる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the
1…探傷装置
2…入力部
3…波形生成部
3a,3b…振幅
4…偏波制御プローブ
4a…第1圧電装置
4b…第2圧電素子
5…波形解析部
6…表示器
7…被検査体
7a,7b,8a,8b…受信波形
8c…合成波形
31…位相差
32…波形生成器
51…メモリ
52…演算器
53…比較器
54…制御信号生成部DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (16)
前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波のそれぞれの位相差を制御する波形生成部と、
前記偏波制御プローブの受信波形から、前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波から干渉波形を算出する波形解析部と、
前記波形解析部によって得られた干渉波形を表示する表示器と、
を有することを特徴とする超音波検査装置。 A polarization control probe for generating a transverse wave ultrasonic wave having a first vibration direction and a transverse wave ultrasonic wave having a second vibration direction;
A waveform generator that controls the phase difference between the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction;
From the received waveform of the polarization control probe, a waveform analysis unit that calculates an interference waveform from a transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and a transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction;
A display for displaying the interference waveform obtained by the waveform analyzer;
An ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記波形生成部は、
前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波の初期位相差を入力する位相差端子と、
前記第一振動方向を持つ横波超音波の振幅を入力する第1の振幅端子と、
前記第二振動方向を持つ横波超音波の振幅を入力する第2の振幅端子と、
前記位相差と前記第1の横波超音波の振幅に基づいて生成された波形を出力する第1の電圧波形端子と、
前記位相差と前記第2の横波超音波の振幅に基づいて生成された波形を出力する第2の電圧波形端子と、
を有することを特徴とする超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 1,
The waveform generator
A phase difference terminal for inputting an initial phase difference between a transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and a transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction;
A first amplitude terminal for inputting an amplitude of a transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction;
A second amplitude terminal for inputting the amplitude of the transverse ultrasonic wave having the second vibration direction;
A first voltage waveform terminal that outputs a waveform generated based on the phase difference and the amplitude of the first transverse wave ultrasonic wave;
A second voltage waveform terminal that outputs a waveform generated based on the phase difference and the amplitude of the second transverse ultrasonic wave;
An ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記波形解析部によって得られた前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波の合成した振幅から得られる被検査体の異方性主軸方向を表示する表示器と、
を有することを特徴とする超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 2,
A display for displaying the anisotropic principal axis direction of the object to be obtained obtained from the combined amplitude of the transverse ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse ultrasonic wave having the second vibration direction obtained by the waveform analysis unit. When,
An ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記波形解析部は、被検査体中の少なくとも1つの深さでの超音波の偏波状態を算出し、
前記偏波状態を表示する表示器と、
を有することを特徴とする超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 1,
The waveform analysis unit calculates a polarization state of the ultrasonic wave at at least one depth in the inspection object,
A display for displaying the polarization state;
An ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記波形解析部は、
前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波の受信波形を取り込む受信波形伝送路と、
前記2つの受信波形を演算する演算器と、
前記演算器の演算結果を保持するメモリと、
前記演算器の演算結果と前記メモリに保持された振幅を比較する比較器と、
前記比較器の結果に基づいて前記波形生成部に送信する位相と振幅を生成する制御信号生成部と、
を有することを特徴とする超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 1,
The waveform analysis unit
A reception waveform transmission line for capturing a reception waveform of the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction;
A computing unit for computing the two received waveforms;
A memory for holding a calculation result of the calculator;
A comparator for comparing the calculation result of the calculator and the amplitude held in the memory;
A control signal generator for generating a phase and amplitude to be transmitted to the waveform generator based on the result of the comparator;
An ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記偏波制御プローブは、
前記被検査体の検査面に垂直に伝播する横波超音波を生成する第1圧電素子と、
前記第1圧電素子に積層し、かつ前記第1圧電素子の振動方向の直交方向に振動する横波超音波を生成する第2圧電素子と、
前記第1圧電素子に電圧波形を出力する第1の出力端子と、
前記第2圧電素子に電圧波形を出力する第2の出力端子と、
を有することを特徴とする超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 1,
The polarization control probe is
A first piezoelectric element that generates a transverse wave ultrasonic wave propagating perpendicularly to the inspection surface of the inspection object;
A second piezoelectric element that generates a transverse ultrasonic wave that is laminated on the first piezoelectric element and vibrates in a direction orthogonal to the vibration direction of the first piezoelectric element;
A first output terminal for output the voltage waveform to the first piezoelectric element,
A second output terminal for output the voltage waveform to the second piezoelectric element,
An ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記偏波制御プローブは、
前記被検査体の検査面の表層で検査面に垂直な磁場を与える永久磁石と、
前記検査面の表層に検査面に平行な向きの渦電流を生じさせる電流が流れる第1コイルと、
前記検査面の表層に検査面に平行で、かつ前記第1コイルが生じさせる渦電流と直交方向に流れる渦電流を生じさせる電流が流れる第2コイルと、
前記第1コイルに電流波形を入力する第1の入力端子と、
前記第2コイルに電流波形を入力する第2の入力端子と、
を有することを特徴とする超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 1,
The polarization control probe is
A permanent magnet for applying a magnetic field perpendicular to the inspection surface at the surface layer of the inspection surface of the inspection object;
A first coil through which a current for generating an eddy current in a direction parallel to the inspection surface flows on a surface layer of the inspection surface;
A second coil through which a current that generates an eddy current flowing in a direction orthogonal to an eddy current generated by the first coil is parallel to the inspection surface on a surface layer of the inspection surface;
A first input terminal for inputting a current waveform to the first coil;
A second input terminal for inputting a current waveform to the second coil;
An ultrasonic inspection apparatus characterized by comprising:
前記偏波制御プローブは、送信用偏波制御プローブ及び超音波送受信用の受信用偏波制御プローブから構成される
ことを特徴とする超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 1,
The polarization control probe includes a transmission polarization control probe and a reception polarization control probe for ultrasonic transmission / reception.
前記偏波制御プローブを走査する走査機構と位置を指定する位置指定器を備え、
前記表示器は、前記偏波制御プローブの位置情報を表示する
ことを特徴とする超音波検査装置。 The ultrasonic inspection apparatus according to claim 1,
A scanning mechanism for scanning the polarization control probe and a position designator for designating a position;
The ultrasonic display apparatus, wherein the indicator displays position information of the polarization control probe.
前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波のそれぞれの位相差を制御する波形生成部と、
前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波の受信波形を取り込む受信波形伝送路と、
前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波から干渉波形を算出する波形解析部と、
を有することを特徴とする超音波探傷装置。 A waveform generator for generating transverse wave ultrasonic waves having a first vibration direction and transverse wave ultrasonic waves having a second vibration direction;
A waveform generator that controls the phase difference between the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction;
A reception waveform transmission line for capturing a reception waveform of the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction;
A waveform analysis unit that calculates an interference waveform from the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction;
An ultrasonic flaw detector characterized by comprising:
前記波形解析部は、前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波の合成した振幅から被検査体の異方性主軸方向を求める
ことを特徴とする超音波探傷装置。 The ultrasonic flaw detector according to claim 10 ,
The waveform analysis unit obtains the anisotropic principal axis direction of the object to be inspected from the combined amplitude of the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction. Flaw detection equipment.
前記波形解析部は、被検査体中の少なくとも1つの深さでの超音波の偏波状態を算出する
ことを特徴とする超音波探傷装置。 The ultrasonic flaw detector according to claim 10 ,
The waveform analysis unit calculates a polarization state of ultrasonic waves at at least one depth in the object to be inspected.
前記被検査体内を通過した前記偏波エコーを受信し、
前記受信した偏波エコーから干渉偏波エコーを作成し、
前記干渉偏波エコーを表示する
ことを特徴とする超音波検査方法。 Transmits the polarized wave in which the phase difference between the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction is controlled into the inspected object,
Receiving the polarization echo that has passed through the inspected body;
Create an interferometric polarization echo from the received polarization echo,
The ultrasonic inspection method, wherein the interference polarization echo is displayed.
前記横波超音波の振動方向を変化させることで被検査体からのエコーの振幅を比較して前記被検査体の主軸方向を測定し、
前記主軸方向を表示する
ことを特徴とする超音波検査方法。 The ultrasonic inspection method according to claim 13 ,
Compare the amplitude of the echo from the test object by changing the vibration direction of the transverse wave ultrasonic wave, and measure the main axis direction of the test object,
An ultrasonic inspection method characterized by displaying the main axis direction.
前記主軸方向に対して前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波を送信するそれぞれの送信角度を固定してから、前記位相差を制御した前記第一振動方向を持つ横波超音波と前記第二振動方向を持つ横波超音波を前記被検査体中に送信する
ことを特徴とする超音波検査方法。 The ultrasonic inspection method according to claim 13 ,
The first vibration in which the phase difference is controlled after fixing the respective transmission angles for transmitting the transverse wave ultrasonic wave having the first vibration direction and the transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction with respect to the principal axis direction. An ultrasonic inspection method comprising transmitting a transverse wave ultrasonic wave having a direction and a transverse wave ultrasonic wave having the second vibration direction into the object to be inspected.
前記超音波の送信位置を、前記被検査体の探傷面上を走査させ、
前記超音波の送信した位置情報を記録しながら検査を実施し、
前記干渉偏波エコーを、前記位置情報をもとに合成して、表示する
ことを特徴とする超音波検査方法。 The ultrasonic inspection method according to claim 13 ,
Scan the ultrasonic wave transmission position on the flaw detection surface of the inspection object,
Conduct the inspection while recording the position information transmitted by the ultrasonic,
An ultrasonic inspection method comprising: synthesizing and displaying the interference polarization echo based on the position information.
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