CN1005502B - 超声相位探伤仪 - Google Patents

Abstract

一种测试材料的超声仪器和方法包括一个在超声范围内的预定频率上振荡的振荡器。一个传感器与该振荡器相联，向材料发送超声信号并接收回波信号。两个相位探测器，一个接收回波信号和同相振荡信号，产生第一显示信号，另一个接收回波信号和正交信号，产生第二显示信号。用第一和第二显示信号在视觉显示器如阴极射线管上产生图象。该图象随超声信号与回波信号间的相移而变化，可用来确定材料中裂缝或边界的存在和深度。

Description

超声相位探伤仪

本发明一般涉及非破坏性的超声测试，具体涉及通过感知超声脉冲回波的相位变化来探测材料中裂缝的大小、深度、走向和位置的一种新型有效的仪器和方法。

常规的超声测试给出时间、幅度和空间信息，由机械的和电子的仪器把它们结合起来，形成探测裂缝和确定裂缝尺寸的A、B、C型扫描。最常用的技术是时间一振幅型扫描，即A型扫描的超声测试。所有这些技术或者使用连续波激励，或者使用脉冲激励，并使用时间参考信号。这些技术的主要局限性在于，它们仅通过信号幅度、时间间隔或空间间隔来判别。要独立地确定一个裂缝的大小、深度、走向和位置，单用这些参数是不够的。

在粗晶粒材料中，超声能量被晶粒边界反向散射，在接收脉冲回波的整个过程中给出一个连续信号。这些反向散射信号有可能完全淹没脉冲回波。有迹象表明，如果存在一个缺陷反射超声能量，那末即使在上述噪声背景上没有出现一个特征脉冲，也可以用混合回波的相位来指明该缺陷的存在。这样的噪声通常称为“毛草”（grass）。可惜，用于发送和接收超声波的传感器对被测材料表面扫描时，信号幅度在衰落之前只达到一个至多几个峰值。相反，信号相位将随传感器的移动向一个方向连续变化，当传感器处于最近点时，相位停止变化，然后再返回来。单一的相位测量是不够的。需要有一个装置去感知相位随传感器位置的变化。它还必须指明只由晶粒边界反射所产生的随机相位变化和由裂缝之类的反射源所产生的特殊的相位变化图象之间的区别。

瓦西尔（vasile）的美国专利U.S，4，253，337公开了一种利用超声材料的相位测量和/或相移的超声测试方法。瓦西尔（vasile）公开了一种计算物体中的缺陷或突变的方法。该专利使用的方法是，发送一个超声波进入物体，并在它通过突变处后再加以检测。把探测到的超声波的相位与幅度同在没有突变的地方传播的超声波的相应值进行比较，由其改变量决定突变的深度，然而，瓦西尔没有检测脉冲回波的相位随传感器位置的变化，也没有使用利用同相参考信号和正交参考信号的两个相位探测器。另外，它也没有使用本发明中用到的转动向量显示法，这将在以后详细解释。

奥布里恩（O′Brien）等的美国专利U.S，4，003，244公开了一个超声脉冲回波厚度仪，其中把搜索信号与回波信号放大，使它们在幅度上相等，还移动相位，使它们彼此同相。用这种方法，增加了整个系统的精度。这样，这个专利涉及了信号的相位，然而，它没有讲授检测回波脉冲的相位随传感器位置的变化。奥布里恩也没有使用本发明的其它特殊技巧。

本发明描述了一种探测材料中裂缝的大小、深度、走向和位置的仪器和方法。本发明甚至可用于具有反向散射噪声干扰的粗晶粒材料。

按照本发明，要检测回波脉冲的相位随传感器位置的变化。使用两个相位探测器，一个用同相参考信号，另一个用正交参考信号。这两个相位探测器可以在一个阴极射线管上显示一个转动方向量。用这种方法，可以监视相位变化的图案来探测突变，并确定材料中突变的深度和位置。突变或者是分立的缺陷，或者是影响弹性波传播速度的材料变化。

本发明是对一种更为一般性的概念的特殊应用。

下述关系式给出了回波相位与初始脉冲相位之间的关系：

φ＝2KR-σ

其中φ是探测到的相位量值;

K＝2π/脉冲波长;

R是从传感器到反射源（裂缝）的距离;

σ是反射过程中的相移（低阻抗反射为π）。

这样，相位是R的单调函数。

本发明利用特殊相移图案的组合，它们是使用利用同相参考信号和正交（相位差90°）参考信号的两个相位探测器，在一个向量显示器上得到的。根据本发明，要用相位变化图案，而不是用随机相位变化图案来指明缺陷的存在。

用其它技术确定被测信号相位、激励频率和反射源位置之间的关系，也是可能的。从标准试验部件进行适当标定可以建立被探测相位、激励频率和反射源位置之间唯一确定的关系。

频率、相位和距离之间的关系可写为：

此关系式称为循环链式法则，它成立的原因在于，被测的相位是频率以及从传感器到反射源距离的函数。

φ＝F（f，R）

其中f是频率，R是距离。

可用固定传感器的位置而变动激励频率f的方法来确定因子

随着f变动，回波相位也将变动，它表现为相位探测器的输出在最大值与最小值之间振荡。当频率改变△f时，相位经历一个周期，这里

其中C是试验材料中的声速。

这通过关系式

提供了深度测量方法，它等价于时间t的测量。

可以确定平面型反射源相对于传感器波束轴线的走向。当传感器在表面上沿一个方向连续扫描时，回波信号的相位将首先按一个方向变化，停止变化，然后向相反方向变化。相位变化率为零时的传感器位置就是最近点。传感器相对于缺陷的最近点可能不是得到最大幅度的点。相位变化率为零的位置与最大幅值位置之间的差别依赖于超声波束轴线的方向和反射面的走向。对于出现边缘衍射或波型变化的超声波，这也成立。

因而，本发明的目的是为测试材料提供一种超声仪器和方法，它包括（或使用）一个在超声范围内选定的频率上产生振荡信号的振荡器;与该振荡器相联，将超声信号施加到材料上，并接收从材料返回的回波信号的传感器装置;与该传感器装置和该振荡器装置相联，将同相振荡信号与回波信号混合以产生第一显示信号，并将与同相信号差90°相位的正交振荡信号与回波信号混合以产生第二显示信号的相位探测混合装置;以及与所说的相位探测混合装置相联，用于由上述第一、第二显示信号产生一个视觉图象的显示装置，该图象代施加于材料上的超声信号与回波信号之间相移的程度，而且可用来确定材料中裂缝或边界的存在及其深度。

本发明进一步的目的是提供一种设计简单、结构强固且成本低廉的超声仪器。

在本说明书所附并作为本说明书一部分的权利要求中，详细指出了作为本发明特征的各种新颖特点。为了更好地理解本发明、它的工作优点和使用它所达到的具体目的，本说明书提供了附图和描述本发明较佳实施例的说明材料作为参考。

图1是根据本发明的一种相敏超声仪的方块图;

图2是根据本发明的另一种相敏超声仪的方块图。

现在具体参照附图，示于图1的本发明包括一个振荡器，它输出一个频率为f的连续信号给选通放大器2，该选通放大器将放大了的脉冲经过发送-接收（TR）开关3送给与试验材料相耦合的传感器1。来自试验材料内部反射源的回波由传感器1探测，并经过TR开关3送给接收放大器4，然后把放大了的回波信号送给两个相位探测器5和6。频率为f的同相参考信号和正交参考信号由相位分解器7产生，并分别送给两个相位探测器5和6。相位探测器的输出信号经附加放大后，用来在两个相互垂直的方向上偏转阴极射线管8的电子束。

当传感器1在没有反射源（例如，没有裂缝或边界）的试验材料上移动时，在显示器8上显示的是无规则的图象。而当传感器在一个反射源上面经过时，将显示一个螺旋状图案。绕显示中心的旋转代表相位变化，而螺旋离开屏幕中心的距离表示回波幅度。

图2给出了用于确定缺陷位置的另一种仪器。重复率控制器14起动斜波电压发生器16，后者使振荡器10扫过一段频率。该重复率控制器14还触发选通电路12使来自振荡器10的一串脉冲到达功率放大器18，并接着到达传感器20。一个超声脉冲被送进试验材料中，从材料来的回波又回到传感器。这些回波信号被送到同时还接收从振荡器10来的参考信号的混合器24，还被送到多通道显示器22。混合器的输出依赖于回波信号与振荡信号相比较的相对相位。这个与相位有关的信号作为斜波电压的函数显示在多通道显示器22上。该混合器的输出还送给由重复率控制器14控制的数控门电路26，门电路的输出信号送给相位速率测定电路28

这样，基于对频率f进行扫描以及使用前述计算裂缝深度R的方向，可以利用图2所示的实施例确定材料中裂缝的深度。

已经详细地指明和描述了本发明的具体实施例，以说明如何应用本发明的原理，应该理解，在不偏离这些原理的条件下，本发明还可以用别的方法来实施。

Claims (20)

1、一种测试材料的超声仪器，包括：

一个在超声范围内的选定频率上产生振荡信号的振荡器;

与所述振荡器相联，在选定频率上将超声信号送入材料中，并接收从材料返回的回波信号的传感器装置;

与所述传感器装置和所述振荡器相联，用于将一个同相振荡信号与回波信号混合以产生一个第一显示信号，并将一个正交振荡信号与回波信号混合以产生一个第二显示信号的相位探测装置;以及

与所述相位探测装置相联，产生一个有一定形状的图象的显示装置，该图象依赖于所述第一和第二显示信号，且随产生所述回波信号的材料中反射结构的存在与深度而变化。

2、根据权利要求1的一种仪器，其中所说的显示装置包括一个利用相互垂直的信号产生图象的阴极射线管，而所述第一和第二显示信号即作为所述的相互垂直的信号。

3、根据权利要求2的一种仪器，其中所说的相位探测装置包括一个与所述振荡器相连，产生一个同相信号和一个相位差90°的信号的相位分解器;一个与所述相位分解器相联，接收所述同相信号的第一相位探测器;以及一个与所述相位分解器相联，接收所述相位差90°的信号的第二相位探测器，所述第一和第二探测器分别产生所述第一和第二显示信号，并与所述阴极射线管相联。

4、根据权利要求3的一种仪器，包括一个与所述振荡器相联，接收并放大所述振荡信号的选通放大器;一个与所述选通放大器和所述传感器相联，交替地向所述传感器提供振荡信号并接收从上述传感器返回的回波信号的发送一接收开关;以及一个与所述开关相联，接收并放大该回波信号的接收放大器，所述接收放大器与所述第一和第二相位探测器相联，向所述第一和第二相位探测器提供放大了的回波信号。

5、根据权利要求1的一种仪器，包括与所述振荡器相联，在一个选定的频率范围对所述振荡信号的所述选定频率进行扫描的频率扫描装置，从而所述第一和第二显示信号随频率而变化，并且由所述显示装置产生的所述图象的形状也随频率而变化，所述图象形状的变化可用于确定在所述材料中产生所述回波信号的构造的深度。

6、根据权利要求5的一种仪器，其中所述频率扫描装置包括一个用于重复扫描选定频率的周期的重复率控制器;一个与所述重复率控制器相联，按照频率扫描的要求产生一个斜波电压的斜波电压发生器，所述斜波电压发生器与所述振荡器相联，对所述振荡器选定频率进行扫描;一个与所述振荡器相联，接收所述振荡信号且产生超声脉冲的选通输出单元，所述选通输出单元（经过功率放大器）与所述传感器相联，使所述传感器向材料内部发送超声脉冲，且接收从材料返回的回波信号脉冲。

7、根据权利要求6的一种仪器，其中所述相位探测装置包括一个混合器，它为接收所述振荡信号而与所述振荡器相联，且为接收所述回波信号而与所述传感器相联，该混合器形成所述第一和第二显示信号中的一个，而所述传感器直接与所述显示装置相联，产生与所述回波信号对应的，所述第一和第二显示信号的另一个信号。

8、一种超声测试材料的方法，包括：

产生一个在超声范围内的选定频率上的振荡信号。

向材料内部发送该超声范围内选定频率的振荡信号，当该振荡信号遇到材料内的突变时，形成从材料返回的回波信号。

接收从材料返回的回波信号;

将该振荡信号与该回波信号混合以产生一个第一显示信号。

将该振荡信号移相90°形成正交信号，与该回波信号混合以产生一个第二显示信号;以及

用第一和第二显示信号产生一个视觉图象，它的形状依赖于该振荡信号和该回波信号之间的相移，而该回波信号又依赖于该材料中突变的存在及其深度。

9、根据权利要求8的一种方法，包括使振荡信号对选定的频率范围进行扫描，以改变第一和第二显示信号，从而改变图象的形状，可以利用振荡信号的扫描和频率计算材料中形成回波信号的突变的深度。

10、根据权利要求8的一种方法，包括使该振荡信号进入该材料的进入点沿该材料的表面移动，以改变材料中固定突变反射的回波信号。

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