CN101828109A - 用于利用超声波对检验对象进行无损材料检验的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过给该检验对象(10)施加超声波(20)并通过探测在该检验对象(10)内所反射超声波以对至少区段地为实心的检验对象(10)进行无损材料检验的一种方法。该方法具有以下的步骤：把该检验对象(10)计算机辅助地划分为预先确定数量的体积元素(30)，在扫描该检验对象(10)的表面或至少表面区段期间给该检验对象(10)施加声场(14)，在扫描该检验对象(10)的表面或至少表面区段期间探测在该体积元素上所反射的声波，以及同相地叠加在同一体积元素(30)上所反射的并在该检验对象(10)的表面上在不同测量位置(22，24，26)所探测的声波，根据本发明，在每个测量位置(22，24，26)上中心辐射(16)被对准到该体积元素(30)，其中该中心辐射(16)具有声场(14)的最大强度。另外本发明还涉及一种相应的装置。

Description

用于利用超声波对检验对象进行无损材料检验的方法和装置
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于无损材料检验的方法。另外本发明还涉及一种根据权利要求11前序部分所述的相应的装置。此外本发明还涉及根据权利要求15前序部分所述的用于在人体或动物体内检查对象的一种装置。
在许多实心(massive)和部分实心的部件和中间产品中，需要对其内部结构来检查材料缺陷。为此需要无损检验方法，这种无损检验方法提供关于内部不可见结构的信息。这尤其在经受大的机械应力的部件中是必要的。
比如，由钢制成的部件在浇注之后被锻造，以便接着通过旋转变成最终的形状。在此可以在锻造之后就进行内部材料缺陷检验。
通常利用超声来检验这些材料部件。在此在材料内部界限面上所反射的声波被探测。利用所反射声波的时延可以确定其经历的路径长度。通过不同方向的声透射可以获得关于材料缺陷的进一步的信息。由此比如可以定位材料缺陷。比如可以以这种方式来确定材料缺陷的几何定向。根据所反射声波的形状可以得到关于材料缺陷类型的结论。
通过利用超声探测器来扫描检验对象的表面并记录所探测的数据，可以完全检查超声所能达到的体积。根据所探测的数据可以生成图像，该图像可以用于进行鉴定。
有多种可能来确定材料缺陷的大小。比如在扫描时可以直接读出材料缺陷的尺寸。但此外还要求空间分辨率小于材料缺陷的空间尺寸。空间分辨率受限于所使用的波长和孔径的大小，并从而受限于声波的衍射。
材料缺陷的大小也可以利用所反射信号的幅度来确定。从而也可以确定小于该方法的空间分辨率的那样的材料缺陷的大小。但所反射信号的幅度还取决于其他的参数，比如材料缺陷的方向或者在界限平面上的反射特征。
在材料缺陷的大小下降时所反射信号的幅度就下降。在此与干扰信号的间距变得太小，不足以根据一个唯一的幅度-时延图来识别材料缺陷。符合目的地，需要在测量信号与干扰信号之间的间距为+6dB。
空间分辨率可以借助合适的探头通过声波的聚焦来优化。在此探头与波长相比越宽，聚焦就可以越窄。这种聚焦形成较高的声压。
由此可以确定材料缺陷的位置，并且还可以在伸展的材料缺陷中在该分辨率的范畴内确定其大小。该精确度大致与在使用聚焦声波的前述方法中被扫描区域的精确度相当。
合成孔径聚焦技术(SAFT)是给检验对象的机械二维扫描分配三维显示的一种方法。在此该检验对象被二维扫描。这比如沿着一个曲折形的导轨来进行。数据连同检验对象的位置数据一起被存储以进行进一步分析。该检验对象被划分为小的体积元素、比如小方块。这些体积元素被覆盖了在二维扫描中来自不同探头位置的回声信号分量之和。
在SAFT方法中，在缺陷预期区域中每个像点上所关注的所有反射信号分量与时间偏移相叠加，其中如果该像点是反射波的源，那么信号分量就具有所述时间偏移。与相位相对应的时间偏移从在探头与像点之间的几何关系得到，尤其从在探头与像点之间的距离得到。如果现在该像点确实是反射波的源，那么在该位置上的幅度就随着探头的不同位置的数量而增加，其中材料缺陷由所述探头所探测。对于其他所有的像点，相位是不相一致的，如此使得在理想情况下总和接近零，但至少非常小。
在SAFT方法中空间分辨率并不受限于探头的大小，从而实现了高的空间分辨率。原则上涉及一种聚焦方法，其中通过波长和合成孔径来进行分辨率限制。合成孔径通过从中探测材料缺陷的角度范围来确定。孔径通过探头的移动以及声场的发散来限制。
在SAFT方法中不仅考虑了中心辐射，而且考虑了发散束的所有辐射。因为数据以高的频率被记录，所以在数据相加时也可以考虑相位。根据相位，回声信号在有害干扰时可以被清除，并在有益干扰时可以被增强。
根据现有技术，所有的回声信号与其在发散束中的位置无关地被相同地加以考虑。这导致边缘辐射的回声信号在相同反射率的情况下把反射器低估了因数“2”。该因数“2”对应于6dB的间距。边缘辐射的回声信号导致针对单个体积分量而计算的回声总和的错误。不来自于中心辐射的回声信号分量是SAFT方法的重要组成分量。
仅仅在精确了解声场的情况下才可能校正这些分量。目前这不是完全可能的，由此结果总是存在错误。因为AVG方法的前提是精确地了解回声幅度，因此不可能按照距离-强度-大小方法(AVG方法)来进行对所获得数据的随后分析。
在AVG方法中，从幅度出发给材料缺陷分配一个等效反射器大小，其中该等效反射器大小会生成一个垂直声透射的自由圆形表面。如果所探测的信号明显大于干扰信号或噪声信号，那么按照AVG方法对幅度的分析才可能是没有问题的。在此该反射器必须位于探头的声场的中心辐射上。根据幅度与至探头距离之间的关系，所探测的幅度对应于具有已知几何形状并具有关于中心辐射定位的反射器大小。相反，如果所探测的幅度小于噪声信号或者处于类似的数量级，那么就不能根据幅度-时延图来识别材料缺陷。
本发明的任务是提供用于利用超声波对检验对象进行无损材料检验的一种改善的方法和一种相应的装置。
该任务在方法方面通过权利要求1的主题而得到解决。
根据本发明，规定在每个测量位置中将中心辐射对准(gerichtet)到该体积元素，其中该中心辐射具有该声场的最大强度。
本发明的核心是一种改进的SAFT方法，其中具有声场最大强度的中心辐射被对准到体积元素。这样来自边缘辐射的回声信号分量就不发挥作用，并且不会使测量结果失真。
优选地规定将中心辐射电子对准到该体积元素。这实现了该方法快速而精确的实施。
有利的是，该中心辐射的方向可以二维变化。从而保证：在检验对象的所有几何形状的情况下该中心辐射都能对准到该体积元素上。
比如为了给检验对象施加超声而使用了一种探头，该探头包含有许多超声源。这些超声源可以尤其简单地被电子控制。该探头尤其是一个组辐射器(Gruppenstrahler)。
接着被叠加的声波按照距离-强度-大小方法(AVG方法)而被分析。
另外还规定，该检验对象的表面或至少表面区段按照一个预先确定的图样而被扫描。
该检验对象的表面或至少表面区段完全被扫描。
比如该方法规定用于金属制检验材料的材料检验。该方法尤其、但不仅仅能够用于锻造部件的材料检验。
此外该方法除了无损材料检验之外还可以以相应的方式来规定用于医学和医学技术应用。在此比如可以从外部来实施人体或动物体内部结构的检查。尤其能够找到并定位在身体内的肿瘤或其他体质变化。另外该方法还实现了对出于治疗目的而应用于人体或动物体内的外物的检查。比如为连接骨折而采用的固定元件就可以以这种方式来检查。
本发明所基于的任务在装置方面通过根据权利要求11的主题而得到解决。
根据本发明，规定来自探头的中心辐射可以对准到该体积元素，其中该中心辐射具有该声场的最大强度。
因为具有声场最大强度的该中心辐射被对准到体积元素，所以来自边缘辐射的回声信号分量就不起作用，并且不会使测量结果失真。
优选地，该中心辐射可以电子对准该体积元素。这实现了该方法快速而精确的实施。
比如该探头具有许多超声源。这些单个的超声源可以尤其简单地被电子控制。该探头尤其是一种组辐射器。
针对用于对人体或动物体内的对象进行检查的装置，本发明所基于的任务相应地而通过权利要求15的主题而得到解决。
根据本发明，同样规定，由探头发出的中心辐射被对准到该体积元素，其中该中心辐射具有声场的最大强度。
因为具有声场最大强度的中心辐射被对准到该体积元素，所以在该应用中来自于边缘辐射的回声信号分量也不起作用，并且不会使测量结果失真。
优选地，该中心辐射可以被电子对准到该体积元素。从而可以实施快速而精确的检查。
优选地，该探头包含有多个超声源。这些单个超声源可以尤其简单地被电子控制。该探头尤其是一种组辐射器。
本发明的其他特征、优点和特殊实施方案是从属权利要求的主题。
下面在附图说明中借助优选实施方案并参照附图来详细解释本发明的方法。其中：
图1示出了根据本发明方法的一个优选实施方案的检验对象和探头的示意性剖面图，
图2示出了根据本发明方法的优选实施方案在未对准状态下检验对象和探头的三个位置的示意性剖面图，以及
图3示出了根据本发明方法的优选实施方案在对准状态下检验对象和探头的三个位置的示意性剖面图。
图1示出了检验对象10和探头12的示意性剖面图。圆锥形的声场14由该探头12发出，并透射到该检验对象10中。该声场14包括一个中心辐射16和多个边缘辐射18。边缘辐射通过衰减为-6dB来定义。此外该声场14在该中心辐射16与边缘辐射18之间还包含有其他的辐射。
该声场14还包含有波前20，其中该波前具有球面区段的形状。该声场14构成了发散束。
通过把该探头16移动到检验对象10的外表面上来进行材料检验。图1示出了一个径向声波22在正切的材料缺陷18上被尤其强烈地反射，因为正切的材料缺陷18基本平行于检验对象10的表面被对准。同样示出的是，正切的声波24在径向材料缺陷18上被尤其强烈地反射。
在图2中示意性示出了根据本发明方法的优选实施方案在未对准状态中该检验对象10和探头12的多个位置的剖面图。
该探头12在该检验对象10的一个第一探头位置22、一个第二探头位置24和一个第三探头位置26上被示出。在全部三个探头位置22、24和26上探头12位于该检验对象10的表面上。在该例子中该检验对象10具有弯曲的表面。在每个探头位置22、24和26上该探头12生成声场14，该声场具有相应的中心辐射16和多个边缘辐射18。在该中心辐射16与边缘辐射18之间具有其他的辐射。
在该检验对象10中具有体积元素30。来自该第一探头位置22的声场14经过该体积元素30旁。来自该第二探头位置24的声场14以其中心辐射16射中该体积元素30的中心。来自第三探头位置26的声场14以其边缘辐射18射到该体积元素30上。仅射到该体积元素30上的那些辐射才有效。
不同探头位置22、24和26的回声信号分量根据位置考虑到相位地被叠加。在此来自第二探头位置24的中心辐射16的回声信号的分量对该总和具有正确作用。相反，来自第三探头位置26的边缘辐射18的回声信号的分量是错误的，也就是说太小。来自第二探头位置24的中心辐射16会正确地被纳入计算。相反，来自第三探头位置26的边缘辐射18包含错误地被纳入计算。来自第二探头位置24的其他辐射也会错误地被纳入计算。
中心辐射16未对准的状态也对应于常规方法中的校准(Ausrichtung)。
图3示出了根据本发明方法的优选实施方案的、图2中检验对象10和探头12在对准状态中的三个位置的示意性剖面图。
与图2相反，在图3中全部三个中心辐射16都对准到该体积元素30。由此来自边缘辐射18的回声信号分量消失。这样就消除了错误。
通过本发明的方法，探头12的中心辐射16的方向可以以电子方式被改变，使得中心辐射16被控制到所期望的方向。这借助组辐射器技术来进行。在采用一种二维组辐射器情况下，中心辐射16以小的栅格化形式在其方向上以电子方式二维地被改变。
在本发明的方法中，每个体积元素30分别被不同的探头位置22、24和26用中心辐射16来射到。从而自动地用正确的权重来进行相加。
这样所获得的结果也可以按照AVG方法来分析。相对大的数据量可以没有问题地被记录并被存储。
在对探头12的校准进行编程时，通过调节角度-幅度修正(AAC)，取决于方向的灵敏度(Empfindlichkeit)在测量时就已被加以考虑。
在组辐射器技术中，使用了组辐射器探头12，其中角度范围可以以电子方式被调节。利用组辐射器探头12能够比用常规探头12扫描大得多的体积。
此外本发明的方法不仅规定用于无损材料检验，而且还以相应的方式用于医学和医学技术应用。
在此，比如可以从外部来实施对人体或动物体内部结构的检查。尤其可以找到并定位在体内的肿瘤或其他体质变化或体质疾病。
另外该方法还实现了对出于治疗目的而应用于人体或动物体内的外物的检查。比如为连接骨折而采用的固定元件就可以以这种方式来检查。
本发明的方法实现了更大的空间分辨率，并实现了利用AVG方法来进行分析处理。这使得对材料缺陷评估得到改善。

Claims (15)

1.用于通过给检验对象(10)施加超声波(20)并探测该检验对象(10)内所反射超声波以对至少区段地为实心的检验对象(10)进行无损材料检验的方法，其中该方法具有以下的步骤：
a)把该检验对象(10)计算机辅助地划分为预先确定数量的体积元素(30)，
b)在扫描该检验对象(10)的表面或至少一个表面区段期间给该检验对象(10)施加声场(14)，
c)在扫描该检验对象(10)的表面或至少表面区段期间探测在所述体积元素上所反射的声波，以及
d)同相地叠加在同一体积元素(30)上所反射的并在该检验对象(10)表面上在不同测量位置(22，24，26)上所探测的声波，
其特征在于，
在每个测量位置(22，24，26)上把中心辐射(16)对准到该体积元素(30)，其中该中心辐射(16)具有该声场(14)的最大强度，并且多个边缘辐射(18)分别具有该声场(14)最大强度的一半。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
该中心辐射(16)被电子对准到该体积元素(30)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
该中心辐射(16)的方向能够二维改变。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
为了给该检验对象(10)施加超声而使用了具有多个超声源的探头(12)。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
所述探头(12)是组辐射器。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
被叠加的声波按照距离-强度-大小方法(AVG方法)被分析处理。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
该检验对象(10)的表面或至少表面区段按照预先确定的图样而被扫描。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
该检验对象(10)的表面或至少表面区段被完全扫描。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
该方法被规定用于对金属制检验对象(10)进行材料检验。
10.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
该方法被规定用于对被锻造的部件(10)进行材料检验。
11.用于对至少区段地为实心的检验对象(10)进行无损材料检验的装置，其中该检验对象被计算机辅助地划分为预先确定数量的体积元素(30)，其中该装置具有至少一个探头(12)，用于在扫描该检验对象(10)的表面或至少表面区段期间给该检验对象(10)施加声场(14)，并用于在扫描该检验对象(10)的表面或至少表面区段期间探测在该体积元素(30)上所反射的声波，其特征在于，
由该探头(12)所发出的中心辐射(16)能够被对准到该体积元素(30)，其中该中心辐射(16)具有该声场(14)的最大强度，并且多个边缘辐射(18)分别具有该声场最大强度的一半。
12.根据权利要求11所述的装置，
其特征在于，
该中心辐射(16)可以被电子对准到该体积元素(30)。
13.根据权利要求11或12所述的装置，
其特征在于，
该探头(16)构造为组辐射器。
14.根据权利要求11至13之一所述的装置，
其特征在于，
该探头(16)包含有多个超声源。
15.根据权利要求11至14之一所述的装置，
其特征在于，
在人体或动物体内的目标被规定作为检验对象(10)，其中该身体被计算机辅助地划分为预先确定数量的体积元素(30)，并且该探头(12)被设置用于在扫描该身体表面或至少表面区段期间给该身体或该身体的至少一个区域施加声场(14)，并且用于在扫描该身体表面或至少表面区段期间探测在该体积元素(30)上所反射的声波。
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