CN101021463B - 用于孔隙率测量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用单个超声换能器(108)无损检查复合结构的方法包括确定由单个超声换能器发射到充满液体的浸渍槽(312)中的反射器并在单个超声换能器处接收回的超声传输的校准幅度。该方法还包括将复合结构(306)插入到在反射器和单个超声换能器之间的充满液体的浸渍槽中。此外，该方法包括用单个超声换能器扫描复合结构以便测量声波的超声幅度，所述声波穿过复合结构、反射离开反射器板(302)并接着穿过该结构回到单个超声换能器。利用校准幅度和其它所测量的传输损失来校正所测量的超声幅度，并且所校正的超声幅度被用来生成复合结构的示出孔隙率的数字图像或孔隙率测量之一或两者。

Description

用于孔隙率测量的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及一种无损测量复合结构中孔隙率的方法和设备。
背景技术
识别大型结构中的内部瑕疵对于安全使用这些结构是关键的。对于金属结构，识别和表征与熔化有关的内含物和裂纹对于延长零件寿命是关键的。检查大型金属部件导致了检测表面和体积缺陷的复杂技术的发展。这些技术包括x-射线、渗透剂和超声方法。
在制造大型金属结构期间生成的缺陷之外，新的产品设计和制造方法可创建不同类型的缺陷。设计基于聚合母体合成物的新结构是这些新技术的一个例子。复合结构具有一些与制造工艺有关的独特瑕疵，所述瑕疵不与金属结构的制造一起存在。这些瑕疵类型之一是体积孔隙率。未检测的孔隙率可导致关键部件的早期故障。
一种用于测量复合结构中孔隙率的已知方法是使用酸消化法。利用酸消化法，通过利用酸来溶解成分之一来单独地测量母体材料和纤维材料的重量百分比。利用这些数据再加上分离材料的质量密度信息，可容易确定百分比的孔隙率。但是，酸消化法是有损坏的，因为复合物必须溶解以便测量孔隙率的体积。酸消化法作为工艺控制工具来说是有价值的，其中可牺牲整个零件或零件的部分来测量制造工艺的能力。对于大多数关键部件，这些部件的安全操作取决于每个部件正确工作，这种破坏性测试方法不提供孔隙率检测所需的级别以便确保安全操作。实际结构必须被测量。
若干研究者已经研究了使用声音衰减来估计复合物中的孔隙率内容[1，2，3]。Nair，Hsu，and Rose[1]计算复合结构中的孔隙引起的声散射。他们建议使用衰减斜率测量来估计孔隙率。他们还提供实验结果来展示孔隙率的实验估计、基于散射理论对衰减的理论计算、和利用酸消化法收集的实际孔隙率测量之间的一致性。
Jeong and Hsu[2]继续着力于衰减斜率测量的实验分析来估计孔隙率。Jeong等人开发了基于浸渍的衰减测量技术，用来校正换能器衍射和声透射损失。研究者还认识到，衰减斜率测量对于孔隙的形状或长宽比是敏感的。这导致三个不同的系数，用于根据复合结构的构造技术从衰减斜率估计空隙内容。
Reed，Batzinger，Reed，and Jonsson[3]认识到，利用聚焦的浸渍换能器进行的衰减测量需要附加的校正。用于表面粗糙度损失的校正和校正与频率有关的聚焦效应的空间滤波方法被讨论。实验数据展示了孔隙率的衰减估计和由破坏性分段样本而确定的实际值之间的一致性。
所有三个组都展示了利用超声衰减来在实验室设置下估计孔隙率的可应用性。数据通常示出了孔隙率测量的超声估计和基于酸消化或分段的实际值之间的一致性。
通常，已知的方法要求精确扫描在多个频率上收集数据的两个换能器。为了收集分析孔隙率所需的超声信息，需要两个或更多次扫描零件，这取决于所使用的衰减斜率计算方法，严重地限制了制造生产率。此外，对于这些测量还要求具有定位轴的两个换能器。由于多数为金属检查所设计的浸渍槽只具有一个换能器操纵器，所以需要具有两个完全可控制的换能器操纵器的新浸渍槽来实现这些方法。
这三个组开发的方法的另一个问题在于，校准和测量的复杂度可使得检查对于非实验室训练的技术人员来说是困难的。由Jeong等人[2]讨论的衍射校正技术要求复杂的数学技术，包括复数数学。Reed等人[3]使用的聚焦校正技术要求衰减图像的空间卷积来校正聚焦效应。这些计算将使这些技术很难转移到制造环境中。
发明内容
因此，在一个方面，本发明提供了一种用单个超声换能器无损检查复合结构的方法。该方法包括确定由单个超声换能器发射到充满液体的浸渍槽中的反射器并在单个超声换能器处接收回的超声传输的校准幅度。该方法还包括将复合结构播入到在反射器和单个超声换能器之间的充满液体的浸渍槽中。此外，该方法包括用单个超声换能器扫描复合结构以便测量声波的超声幅度，所述声波穿过复合结构、反射离开反射器板并接着穿过该结构回到单个超声换能器。利用校准幅度和其它所测量的传输损失来校正所测量的超声幅度，并且所校正的超声幅度被用来生成复合结构的数字图像孔隙率和/或孔隙率测量。
在另一个方面，本发明提供了一种用单个超声换能器无损检查复合结构的方法。该方法包括确定由单个超声换能器发射到充满液体的浸渍槽中复合结构的前表面并在单个超声换能器处接收回的超声传输的校准幅度。该方法还包括将复合结构插入到充满液体的浸渍槽中并用单个超声换能器扫描复合结构以便测量声波的超声幅度，所述声波穿过复合结构、反射离开复合结构的后壁并接着穿过该结构回到单个超声换能器。利用校准幅度和其它所测量的传输损失来校正所测量的超声幅度，并且所校正的超声幅度被用来生成复合结构的数字图像孔隙率和/或孔隙率测量。
在又一个方面，本发明提供了一种用单个超声换能器无损检查复合结构的设备。该设备具有配置为发射和接收超声声波的单个超声换能器、配置为操作超声换能器来生成和放大超声声波的电子装备。设备还包括充满液体或可充满液体的浸渍槽、配置为定位超声换能器和复合结构以便获得超声信息的扫描系统、和包括计算机的数据收集系统。数据收集系统被配置为收集超声信息并将所述超声信息转换成数字图像。该设备还被配置为确定由单个超声换能器发射到充满液体的浸渍槽中的至少一个反射器和复合结构的背面并在单个超声换能器处接收回的超声传输的校准幅度。该设备还被配置为用超声换能器扫描插入到充满液体的浸渍槽中的复合结构，以便测量声波的超声幅度，所述声波穿过复合结构、反射离开反射器板或复合结构的背面并接着穿过该结构回到单个超声换能器。该设备进一步被配置为利用校准幅度和其它所测量的传输损失来校正所测量的超声幅度，并且利用所校正的超声幅度来生成复合结构的数字图像孔隙率和/或孔隙率测量。
将会理解，本发明的各种结构提供了在制造过程期间测量复合结构中孔隙率内容的无损方法，并且该方法有利于设计这些部件和延长其寿命。本发明的各种结构还利用容易得到的超声装备来无损测量复合结构中的孔隙率体积。本发明的结构只要求对超声衰减测量的一次扫描而不是现有技术中所要求的多次。本发明的结构还仅要求一个换能器，由此简化了校准和检查过程。本发明的方法配置相对简单和直接，不要求多数超声检查员不具备的不常见技术。
附图说明
图1是适用于本发明的结构的超声浸渍装备的结构的框图。
图2是图1的超声浸渍装备的实物电路图。
图3是在本发明的一些结构中使用的校准测量方法的表示图。
图4是在图3表示的本发明的结构中使用的用于估计复合结构的方法的表示图。
图5是在本发明的一些其它结构中使用的用于校准并用于估计复合结构的方法的表示图。
具体实施方式
本发明的技术效果包括无损测量复合结构的孔隙率和/或生成示出复合结构孔隙率的数字成像。
本发明的一些结构使用利用了与用于检查金属锻件的装备类似的标准超声浸渍设备的孔隙率测量方法。这种设备可方便用于检查复合结构并由很多公司生产，尽管易用的设备的计算机子系统如这里所述的不能被预先配置。在一些结构中，并参考图1的示例结构框图100和图2的实物电路图，存在超声浸渍装备200的三个子部分，即
(a)扫描系统102，配置为定位换能器108以便发射和收集超声数据，
(b)超声换能器系统106，具有配置为发射和接收超声声波的超声换能器108，并还具有配置为生成和放大那些信号的电子装备110，和
(c)计算机实现的数据收集系统112，包括配置为收集超声信息并将收集的信息(即数据)转换为数字图像的计算机114。
本发明的结构仅使用一个用于收集超声信号的换能器108。该单个换能器108用于生成和接收超声波，如在金属检查中通常所做的。对于金属检查，测量和表征直接从内部缺陷反射的超声信号。但是，在本发明的结构中，需要与那些用于评估金属零件不同的校准方法，并且计算机114(比如通过使用适当的软件或固件)被不同地配置为适应这些校准方法。
不是按在检查金属结构所执行的那样来测量来自内部缺陷的超声反射的幅度，本发明的孔隙率测量结构使用了对声波在穿过结构时的衰减进行测量。
在本发明的一些结构中并参考图3和4，使用反射器板302来测量衰减。在超声信号304进入结构306之前和离开结构306之后来测量其幅度。两个所测量幅度的比率给出了与穿过结构306关联的声音衰减。
可在校准步骤中通过测量从反射器板302反射的超声波304并接着对传输损失校正该值来确定进入结构306的超声波304的幅度。通过测量从反射器板302的前表面310反射的超声波304的幅度来确定穿过水或其它浸液308的波304的幅度。
在已经收集这些校准数据后，复合结构306被放置在浸渍槽312中以便评估。当在结构306上扫描换能器108时，测量并记录超声波304的幅度，所述超声波穿过复合结构306、反射离开反射器板302并接着穿过结构306回到换能器108。由于不仅通过孔隙率的材料效应而且通过与穿过结构306的两个水复合界面表面314、316的声音关联的声传输损失来降低这些波304的幅度，所以这些波的幅度必须被校正以补偿这些传输损失。对于利用反射器板302的本发明的结构，所需的校正被写为：
Figure G07105156920070301D000051
其中：
测量的幅度是穿过复合物306的超声波304的信号幅度，
校正的幅度是校正传输损失的超声幅度，
z1是浸液308的声阻抗，和
z2是复合结构306的声阻抗。
这个校正因子的推导可在Krautkramer[4]中找到。由于液体308(通常为水)的声阻抗是已知的并且复合结构306的声阻抗在检查之前已知或被测量，因此在许多结构中，该计算是收集的幅度数据与恒定值的简单相乘。
如果复合结构306较厚，则对于衍射效应需要附加的校正因子。在使用衍射效应校正因子的结构中可使用通过距离增益尺寸(DGS)图的校正。DGS图可从多数换能器制造商得到并且还可容易地利用通用DGS图从未聚焦的探头或换能器108导出弧度。当在反射器板302和换能器108之间引入复合结构306时，该校正补偿了在超声波304传输的近场长度(nearfield length)中测量的长度增加。对于水的路径计算近场长度中的传输长度以便校准测量，并对于通过复合结构306的水路径和声路径来计算以便实际的复合测量。对于复合测量，近场中的声路径距离是近场长度中水路径的距离和近场长度中复合结构306的传输距离的和。利用DGS图，根据后壁或无穷大反射器线的幅度数据来直接确定由路径长度的增加引起的幅度下降[5]。
根据DGS曲线可确定校准距离和孔隙率测量距离的后壁增益值。校正的衍射幅度值可按如下计算：
其中：
幅度是穿过复合结构的声波的衍射校正幅度，
校正的幅度是校正上面计算的传输损失的声音幅度，
dBcomp是利用DGS图对于在孔隙率测量路径长度上的信号所确定的增益，和
dBcal是利用DGS图对于在校准测量路径长度上的信号所确定的增益。
对于薄复合结构306，该校正较小并且可被忽略，以简化测量。
现在可利用校准幅度和复合校正幅度或者衍射校准幅度来确定衰减。按分贝的衰减可如下计算：
Figure G07105156920070301D000062
其中：
α(dB)是按分贝的衰减，
复合幅度是穿过复合结构306并且如果需要则校准了传输损失和衍射的超声波304的幅度，和
校准幅度是穿过浸渍液308并反射离开反射器板302的超声波304的幅度。
在本发明的一些结构中并参考图5，不利用反射器板302来确定浸渍在液体308中的复合结构306的衰减。
用来自复合结构306的前表面314的反射来替换校准幅度，并且用来自复合结构306的后壁316的反射来替换复合测量幅度。前表面反射的幅度在一些结构中被用来确定进入结构306的超声波幅度，而后壁幅度用来确定传输通过结构306的幅度。在这两种情况下，对于发射和反射损失来校正幅度。图5示出了该孔隙率测量的布局。
在一些结构中，后壁反射的衍射校正以与利用反射器板302在结构中执行的校正相似的形式完成。更具体地，校准距离是换能器108和复合结构306的前表面314之间的近场长度的距离。孔隙率测量距离是近场长度的校准距离加上复合结构306在近场长度中的厚度。在上面描述的方法中讨论的等式因此可用于确定校正的后壁幅度。这个校正只对厚的复合结构306是显著的，而不必用于薄的复合结构306。
在一些结构中，从前表面反射以及后壁反射或衍射校正后壁反射中直接确定孔隙率测量的衰减。为了执行这个测量，使用按如下所写的等式：
Figure G07105156920070301D000071
其中：
α(dB)是按分贝的衰减，
后壁幅度是从复合结构306的后壁316反射的超声波304的幅度或后壁反射的衍射校正值
前壁幅度是从复合结构306的前壁314反射的超声波304的幅度，
z1是浸液308的声阻抗，和
z2是复合结构306的声阻抗。
利用来自超声测量的衰减斜率，孔隙率可利用所写的等式来评估：
孔隙率(％)＝系数×衰减斜率+偏移
其中：
孔隙率是在超声测量位置处复合结构306中的体积百分比孔隙率，
系数是理论上或实验测试所计算的缩放项，
衰减斜率是每单位厚度的衰减相对频率的变化，并且
偏移是与零衰减斜率测量的孔隙率值相等的适当项。
已经在理论上计算并在实验上验证了系数值[1，2，3]。为了在具有单向或双向层叠的石墨纤维/环氧母体材料上使用，系数值是0.45(百分比孔隙率×cm×MHz/dB)。已经发表了其它复合结构的值[1，2]。
衰减斜率是与每单位厚度的衰减和测量频率相一致的一条直线的斜率。对于上面给出的系数项，按分贝给出衰减并且按厘米测量厚度。斜率计算的频率按兆赫兹(MHz)来测量。虽然实验室对复合物的测试收集了在多个频率上的衰减数据，但对于生产检查，已经简化了该测试。对于理论计算和多数的实验测试，存在已知的衰减和频率点关系，其可用来计算衰减斜率。这个点是在0.0MHz上的衰减值；这个点上的衰减值是0.0dB/单位长度。利用这个值加上在复合结构上测量的附加衰减值，可从超声数据评估孔隙率。当与先前发表的工作相比，这种简化将使测量时间降低50％或更大。
对于单向和双向的叠加石墨环氧结构，基于所发表数据的偏移值是0.4％的孔隙率。可用其它值来从超声数据评估孔隙率。
孔隙率数据可用于形成孔隙率图像或地图，其中可检查在结构中的局部孔隙率。这个图像可用于确定结构的质量以及结构是否可在关键应用中使用。
作为一个实验，采用对样本石墨复合板的衰减扫描，该衰减扫描接着用于评估体积孔隙率。超声衰减值与来自邻近材料的酸消化法数据一致。样本的两端具有1.5％量级的孔隙率值并且复合物的中心接近4％。
还利用了所收集的衰减数据来执行对衰减斜率的单频率测量的验证。测试结果展示了单频率孔隙率估计和多频率测量之间的一致性。
开发了定制的成像和孔隙率计算软件，以便与孔隙率测量系统一起使用。该软件执行这里所述的计算，仅要求输入诸如零件厚度、检查频率、传输损失(对于石墨环氧复合结构是4.8dB)、和校准声级的信息。该软件可成功地用于分析复合结构筒。
因此已经示出，本发明的各种结构提供了一种无损方法来在制造过程期间测量复合结构中的孔隙率内容，并且该方法有利于设计和提高这些部件。本发明的各种结构还利用容易得到的超声装备来无损地测量复合结构中的孔隙率体积。本发明的结构只要求对超声衰减测量的一次扫描而不是现有技术中所要求的多次。本发明的结构还仅要求一个换能器，由此简化了校准和检查过程。本发明的方法配置相对简单和直接，不要求多数超声检查员不具备的不常见技术。
本申请中所参考的引用文献：
[1]Satish M.Nair，David K.Hsu，and James H.Rose；“PorosityEstimation Using the Frequency Dependence of the UltrasonicAttenuation”；Journal of Nondestructive Evaluation；Vol.8；No.1；1989；pages 13-26.
[2]H.Jeong and D.K.Hsu；“Experimental analysis ofporosity-induced ultrasonic attenuation and velocity changein carbon composites，”Ultrasonics；Vol.33；No.3；1995；pages195-203.
[3]F.A.Reed，T.J.Batzinger，R.W.Reed，and S.
Figure G07105156920070301D000091
“Porosity Measurement in Composites using UltrasonicAttenuation Methods，”Review of Progress in QuantitativeNondestructive Evaluation，12B，1993.
[4]J.
Figure G07105156920070301D000092
and H.
Figure G07105156920070301D000093
″Ultrasonic Testing ofMaterials”；Third Edition；Springer-Verlag；1983；pages23-26.
[5]J.
Figure G07105156920070301D000094
and H.
Figure G07105156920070301D000095
″Ultrasonic Testing ofMaterials”；Third Edition，Springer-Verlag；1983；pages90-96.
虽然已经根据各种特定实施例描述了本发明，本领域的技术人员将意识到，本发明可在权利要求精神和范围内修改来实施。
零件列表
  100   框图
  102   扫描系统
  106   超声换能器系统
  108   换能器
  110   电子装备
  112   数据收集系统
  114   计算机
  200   超声浸渍装备
  302   反射器板
  304   超声波
  306   结构
  308   浸液
  310   前表面
  312   浸渍槽
  314   前表面
  316   后表面

Claims (9)

1.一种用单个超声换能器(108)无损检查复合结构的设备，所述设备包括：
配置为发射和接收超声声波(304)的单个超声换能器；
配置为操作所述单个超声换能器来生成和放大所述超声声波的电子装备(110)；
充满液体或可充满液体的浸渍槽(312)；
配置为定位所述单个超声换能器和复合结构以便获得超声信息的扫描系统(102)；和
包括计算机(114)的数据收集系统(112)，所述数据收集系统被配置为收集超声信息并将所述超声信息转换成数字图像，
所述设备被配置为：
确定由单个超声换能器发射到充满液体的浸渍槽中的反射器板和复合结构(306)的背面(316)其中至少一个并在单个超声换能器处接收回的超声传输的校准幅度；
采用单个超声换能器扫描插入到所述充满液体的浸渍槽中的复合结构，以便测量声波的超声幅度，所述声波穿过复合结构、反射离开所述反射器板(302)或复合结构的背面其中之一并接着穿过该结构回到单个超声换能器；
利用校准幅度和其它所测量的传输损失来校正所测量的超声幅度；
利用所校正的超声幅度来生成复合结构的示出孔隙率的数字图像或孔隙率测量值其中至少一个。
2.根据权利要求1的设备，其中为了校正所测量的超声幅度，所述计算机(114)被配置为利用一个恒定值来缩放所测量的超声幅度。
3.根据权利要求2的设备，其中为了校正所测量的超声幅度，所述计算机(114)还被配置为当复合结构(306)被引入充满液体的浸渍槽(312)中时，应用附加的校正来补偿超声信号在充满液体的浸渍槽中的反射器板和单个超声换能器(108)之间传输的长度的增加。
4.根据权利要求3的设备，其中为了应用附加的校正，所述计算机(114)还被配置为利用距离增益尺寸图来确定附加的校正。
5.根据权利要求1的设备，其中为了校正所测量的超声幅度，还包括如下配置的所述设备，其利用已知的液体声阻抗并利用已知或先前测量的复合结构的声阻抗来确定用来缩放所测量的超声幅度的恒定值。
6.根据权利要求5的设备，其中为了校正所测量的超声幅度，所述设备还被配置为应用附加的校正来补偿反射的超声信号在后壁(316)中的衍射。
7.根据权利要求6的设备，还被配置为确定超声信号的衰减斜率，并利用衰减斜率来估计复合结构的孔隙率。
8.根据权利要求7的设备，其中为了确定超声信号的衰减斜率，所述设备被配置为确定与每单位厚度和测量频率的衰减相一致的一条直线的斜率。
9.根据权利要求7的设备，其中为了确定衰减斜率，所述设备被配置为利用在0.0MHz处0.0dB/单位长度值的衰减，并测量复合结构上的附加衰减值。
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