CN101952716B - 用于借助超声波对试件进行无损检测的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的主题内容是一种用于借助超声波来对试件(100)进行无损检测的方法，包括以下方法步骤：a.将声照射角β下的定向超声波脉冲辐照入试件(100)，其中电子地设定该声照射角β，b.记录由辐照入试件(100)的超声波脉冲导致的回波信号，c.从可与试件体积中的缺陷(102)相关联的回波信号计算该缺陷(102)的ERS值。此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。

Description

用于借助超声波对试件进行无损检测的方法及装置
技术领域
本发明的主题内容涉及一种用于借助超声波对试件进行无损检测的方法，其中在该方法的范围内，通过使用在该方法的范围内所记录的超声波回波信号来确定位于试件体积中的缺陷的等效反射体大小。此外，本发明的主题还涉及一种适用于实施根据本发明的方法的装置。 
背景技术
所述类型的方法在现有技术中是公知的。试件体积中的借助基于将脉动的超声波辐照入试件的脉冲回波方法所检测出的缺陷（例如，缩孔、夹杂物或裂缝）是通过给出其等效反射体大小ERG（英文：ERS“equivalent reflector size”）的值表征出来的。此等效反射体大小的值是通过将由试件体积中的检出缺陷引起的回波信号的振幅与已知大小的模型化的比较缺陷相比较的方式确定的。在所谓的参考标准样品方法中，检测者将被检测的试件的回波信号与该检测者在等效于该试件的被插入一个或多个参考反射体的参考标准样品处获得的回波信号相比较。为此，例如可以将具有已知尺寸的圆柱体形的孔引入该参考标准样品。随后，将在超声波反射期间在该孔处出现的回波信号与在检测试件时获得的回波信号相比较。在参考标准样品方法中，检测者因此用例如可以是合适的斜探头的探头来对待检测的试件以及对准备好的参考标准样品进行测量。 
与之相反，在所谓的AVG（距离增益尺寸）方法中，将因试件体积中的缺陷导致的回波信号的振幅与模型化的参考缺陷的根据理论计算出的和/或根据经验确定的回波信号相比较，该参考缺陷通常被假定为平坦的圆盘并且在试件中的深度与在对试件执行检测期间所检测出的缺陷的深度相同。为此，预先为在检测时所使用的探头提供所谓的AVG图，该AVG图包含探头的特性。AVG图中所包含的曲线指示在用所使用的探头进行测量时由参考缺陷产生的回波振幅。在实际的检测任务中，检测者随后可以通过对试件进行声衰减校正 （因材料而异的声衰 减)和传输校正(因试件而异的耦合损失)的方式直接从AVG图读取试件体积中的检出缺陷的等效反射体大小。 
在根据AGV方法的传统检测方法中，检测者相对于检出缺陷改变探头位置和取向并尝试由此使结果得到的回波信号最大化。此过程在借助超声波的材料检测时亦被称为超声波信号的“饲育(Züchten)”。随后为了最大化的超声波回波而进行检出缺陷的等效反射体大小的实际确定。 
AVG方法的其他细节可以例如从专利文献US 5,511,425A得到，该专利文献属于本申请申请人的法律前任人。此外，在 
Figure BPA00001190602300021
和 
Figure BPA00001190602300022
所著的“利用超声波进行材料检测”第五版，Springer出版社，ISBN3-540-15754-9，章节19.1，第343-349页中详细描述了AVG方法。此处所公开的关于AVG方法的技术细节的全部公开内容通过援引纳入本申请。 
当前流行形式的AVG方法的缺点在于，为了对试件体积中的缺陷进行有意义的表征，必须用多个探头来执行检测。其原因在于，对于给定的缺陷而言，辐照入试件的垂直声照射未必提供最大的回波振幅。更确切地说，可获得最大回波信号的声照射角取决于试件体积中的缺陷的取向。为了真正获得检出缺陷的等效反射体大小的、合理地与该缺陷的实际大小相关的值，通常在基于AVG方法的标准化检测规程的范围内使用不同的斜探头，这些斜探头实现不同的声照射角。实践中，此方法对于检测者而言意味着较高的检测耗费和记录耗费，以使得通常仅在较少的声照射角情况下进行检测。此外，声照射角的改变要求更换探头，这由于决不是百分之百明确的校准并且由于探头的耦合特性而会导致其他问题。 
发明内容
因此，本发明的任务在于，如此改进现有技术中已知的AVG方法，以使得能够以显著减小的检测耗费来获得至少意义相当的检测结果。此外，本发明的任务还在于提供一种适用于实施根据本发明的方法的装置。 
此任务是通过根据独立的方法权利要求的方法以及通过根据独立的装置权利要求的装置解决的。 
根据本发明的方法是为借助超声波来无损地检测试件所拟定的并且至少 具有以下方法步骤，这些方法步骤还能够被循环地执行： 
a)将声照射角β下的定向超声波脉冲辐照入试件，其中电子地设定该声照射角β， 
b)记录由辐照入试件的超声波脉冲导致的回波信号，以及 
c)从可与试件体积中的缺陷相关联的回波信号计算该缺陷的ERS值，其中藉由计算来补偿声照射角β的电子设定对该缺陷的所确定的ERS值的影响。 
根据本发明的对所述类型的AVG方法的改进基于，使用能够电子地设定辐照入试件的声照射角的探头。此处，例如使用所谓的相控阵探头，即具有能够彼此独立地且相位精准地受控的多个相邻地布置的超声波换能器的探头。在现有技术中已知的是，在此类相控阵探头中，通过有针对性地设定各个超声波换能器之间的相移而能够在宽泛的界限内自由地改变所发射的声束的辐射角α。 
现在根据本发明提出，在从与试件体积中检测出的缺陷相关联的回波信号计算该缺陷的ERS值时自动地通过计算来补偿辐射角α的电子设定对该缺陷的所确定的ERS值的影响并且由此补偿声照射角β的电子设定对该缺陷的所确定的ERS值的影响。辐射角和声照射角β在本发明的范围内被认为是等效的，因为它们在物理上彼此紧密相联系。特别地，这意味着在根据本发明的方法的范围内自动地进行以下校正中的至少一个校正，但是优选进行多个校正： 
·在变化的辐射角α或声照射角β的情况下补偿虚拟的超声波换能器大小的变化或者超声波换能器的与超声波换能器大小相联系的孔径的变化， 
·在变化的辐射角α或声照射角β的情况下补偿由超声波换能器发射的超声波辐照入试件的输入耦合点的位置的变化， 
·在变化的辐射角α的情况下补偿引导体中的声路径的变化，以及 
·在变化的辐射角α或声照射角β的情况下补偿试件中的焦点的位置变化。 
在根据本发明的方法的范围内，通常结合对试件的检测来对一个/多个参考反射体进行测量。这些参考反射体可以例如采取分别具有已知直径的、被插入试块的盲孔或横向孔的形式。适用于执行根据本发明的方法的、以下还将详细描述的装置在此优选地提供执行标准化的校准步骤的可能性，其中还可以例 如在多个预设定的标准化的试块中进行选择。 
对于声照射角β的电子设定而言，已提及的相控阵探头具有特殊的优点。但是这并不意味着，在根据本发明的方法的范围内，在给定能够电子地设定并且还能够量化声照射角的前提下不能够使用带有可变的声照射角的其他超声波探头。 
为了从回波信号计算试件体积中检测出的缺陷的ERS值，有利地将这些回波信号与多个所存储的参考值相比较，尤其是与关于预定的经电子设定的声照射角β的AVG图相比较。在此情况下，有利地可以预先因探头而异地确定此AVG图，例如通过在预定的声照射角β下辐照多个不同的参考缺陷并且从结果得到的回波信号产生标准参考回波信号的方式。 
在根据本发明的方法的一个优选的改进方案中，为至少两个不同的分别电子设定的声照射角β1和β2执行方法步骤a)到c)。结合执行这些改进的方法步骤，随后从分别在至少两个不同的声照射角β1和β2下辐照的多个参考缺陷得到该多个所存储的参考值。通常，将试件体积中检测出的缺陷的回波信号与两个不同的分别与声照射角β1或β2相关联的AVG图曲线簇相比较。 
在根据本发明的方法的一个优选的改进方案中，从检测数据，尤其是从沿着试件表面上的线性扫描所获得的回波信号，创建试件的B扫描(X轴：试件表面上的位置，Y轴：试件中的深度)。为此，用于执行根据本发明的方法的装置具有位移传感器，该位移传感器检测探头在试件表面上的航行。在此情况下，该位移传感器可以机械地工作，或者基于根据“光学鼠标”的方法来分析的光信号或超声波信号。因此，在该装置中除了存在由探头记录的超声波信号之外还存在关于探头的位置的信息。从这两个信息创建B扫描，该B扫描能够被显示在合适的显示单元上或者作为检测记录被打印出来或者被电子存储。 
特别地，在所创建的B扫描中可以通过条纹来表示检测出的缺陷，该条纹的沿着其纵轴的延伸与检出缺陷的ERS值相关。有利地，为了描绘ERS值并且为了描绘试件表面上的X位置而使用相同的标度。在本发明的上下文中，条纹应当被理解为任意的关于两个彼此正交的轴线镜像对称的几何图形，例如线段、矩形、椭圆、等等。在此情况下，在本发明的上下文中，将条纹的两个对称轴中的一个表示为其纵轴。 
为了提高在根据本发明的方法的范围内所创建的B扫描的可解读性，尤其是改善所创建的B扫描的直观的可理解性，经证明有利的是，在所创建的B扫描中以合适的方式来显示检出缺陷的以下其他特性中的至少一个特性： 
a)缺陷回波的相对振幅， 
b)得到检出缺陷的最大ERS值的声照射角β，这例如是通过将缺陷描绘为垂直于得到最大缺陷回波的声照射方向的条纹的方式达成的， 
c)相对缺陷大小， 
d)关于回波的声路径的信息，例如发出缺陷回波的支线(Bein)，以及 
e)关于检出缺陷的ERS值对于预定的缺陷界限范围内的所有经检测的声照射角β而言是相同的还是不同的信息。 
对相对值的指示可以例如涉及结合对试件的检测所测得的参考值。 
为此，可以在B扫描中有利地使用以下显示参数中的一个或多个显示参数： 
a)条纹的颜色， 
b)条纹横向于其纵轴的尺寸(条纹宽度B)， 
c)条纹的纵轴相对于试件表面的角度，以及 
d)条纹的基本几何形状。 
作为示例，以下进一步解释关于不同缺陷特性的一些显示可能性。 
在本发明的范围内，缺陷回波的相对振幅应被理解为关于因试件体积中的缺陷导致的超声波回波(即，回波的振幅)是否超过确定的预定阈值的信息。此类阈值可以例如涉及测得的缺陷回波振幅与参考缺陷的振幅的比较。特别地，可以按“毫米ERS”的形式来说明阈值，例如ERS应当大于或等于例如2毫米或5毫米的登记界限。 
如果声照射角β在根据本发明的方法的范围内发生变化并且确定了得到缺陷的最大ERS值的那个声照射角β，那么可以通过相对于试件表面倾斜地描绘表示B扫描中的缺陷的条纹的纵轴的方式来向检测者提供关于试件体积中的缺陷的取向的指示。有利地，此处如此描绘条纹，以使得其纵轴垂直于在得到缺陷的最大ERS值的那个角度α下辐照的超声波的声轴。 
另一个与检测者和文档记载有关的信息是检出缺陷的ERS值是在预定的 登记界限以上还是以下。因此，例如可以在所创建的B扫描中完全抑制确定的阈值以下的缺陷信号。替换地，此类缺陷信号还可被色彩编码或者被描绘为透明的条纹，以便指示与登记界限的(例如，以“mm ERS”或dB计的)距离。特别是后两种描绘变型方案提供了以下优点：可以向检测者指出虽然在检测位置处在试件体积中存在缺陷，但是该缺陷相对于其ERS值而言较小，从而由于有关的测试规范而不需要记载该缺陷。 
此外，对于检测者感兴趣的可以是关于从哪个声路径(即，辐照入的超声波束的“支线”)产生缺陷回波的信息。此信息尤其是在对具有共平面的表面的试件执行检测时是令人感兴趣的，因为此处通常出现如下情况：直到超声波束在试件的后壁处至少反射一次之后才由超声波束检测到缺陷。此信息可以从缺陷回波的传播时间来确定并且在B扫描中例如通过对条纹的色彩编码来图形地显示给检测者。 
此外，关于试件体积中的检出缺陷被认为是平面延伸的缺陷还是三维延伸的缺陷的信息对于检测者是重要的。三维延伸的缺陷通常是缩孔或缺陷点，该缩孔或缺陷点是由于制造导致的并且通常不会带来疲劳断裂的危险。与之相反，平面延伸的缺陷通常与试件中的裂缝相关，该裂缝可能是疲劳症状并且具有扩展的强烈趋势，这可能会导致疲劳断裂。在根据本发明的方法的范围内，试件体积中的三维延伸的缺陷的特征在于，缺陷的结果得到的ERS值基本上与声照射角无关。与之相反，二维延伸的缺陷表现出与声照射角的极大依赖性。因此，此处可以将关于更可能是平面延伸的缺陷还是三维缺陷的信息编码到所示的条纹中。这可以例如通过匹配所示的条纹的长度和宽度来实现或者通过选择表示缺陷的对称性的几何形状来实现。但是在此处也可以有利地使用色彩编码。 
替换地，还可以创建C扫描(X轴：试件表面上沿X方向的位置，Y轴：试件表面上沿Y方向的位置)或者创建扇形扫描(亦被称为S扫描，X轴：与声照射点的距离/试件中的深度，Y轴：方位角：声照射角)并且该C扫描和扇形扫描在特殊的应用场合是有利的。所有以上用于描述B扫描中所确定的缺陷特性的实施例均可直接转移到进一步提供的C扫描和S扫描。 
根据本发明的方法现在允许用现代的超声波探头来执行在许多检测规范 中规定的AVG方法，这些现代的超声波探头允许例如在使用相控阵技术的情况下对辐照入试件的声照射角进行电子设定。当然，为了提高检测准确性，实际上可以不费力地任意增加确定缺陷的等效反射体大小ERS的声照射角β的数目。特别地，相控阵探头的使用允许连续地调谐声照射角β。实际上，能够在检测任务的范围内设定的不同声照射角的β的数目基本上是由例如用于确定AVG图的耗费限定的。 
根据本发明的用于借助超声波来对试件进行无损检测的装置包括具有超声波发射器的发射探头，该超声波发射器被设置成将声照射角β下的定向超声波脉冲辐照入试件。此外，该装置包括超声波接收器，其被设置成记录辐照入试件的超声波脉冲的回波信号。此外，该装置包括控制和分析单元，其被设置成控制发射探头的超声波发射器，以便激励超声波发射器发射超声波脉冲序列。此外，该控制和分析单元被设置成处理由超声波接收器记录的回波信号。最后，该控制和分析单元被设置成从可与试件体积中的缺陷相关联的经记录回波信号来确定该缺陷的ERS值。根据本发明，超声波发射器现在包括多个可独立控制的超声波换能器，即该超声波发射器是相控阵类型的。相应地，控制和分析单元被设置成个体地且相位精确地控制超声波发射器的该多个超声波换能器，以使得能够有针对性地电子调节该超声波发射器的辐射角α。作为改变辐射角α的结果，因此还可以电子地调节超声波辐照入试件的声照射角β。 
最后，控制和分析单元被设置成自动地补偿声照射角β的电子调节对缺陷的待确定的ERS值的影响。 
如结合根据本发明的方法已说明的，可以例如自动地通过与多个所存储的参考值的比较来确定缺陷的ERS值，其中这些参考值可以例如是一个或多个AVG图。在此方面应当指出，为了借助根据本发明的方法来确定检出缺陷的ERS值，对于辐照缺陷的每个角度而言，除了AVG图之外还必须提供例如来自试块的参考回波。 
在根据本发明的装置的一个优选的改进方案中，控制和分析单元因此被设置成电子地设定至少两个不同的声照射角β。在此情形中，存储在控制和分析单元中的参考值与该至少两个不同的声照射角β相关。特别地，这可以是两个因探头而异的AVG图或者是关于电子地设定的两个不同声照射角β的AVG 曲线簇。 
在一个特别优选的设计方案中，在控制和分析单元中存储例如成群地与不同的声照射角β相关的AVG图形式的多个参考值。在此情况下，这些参考值可以继续是因探头而异的。特别地，这些参考值可以是因探头而异数量的关于不同声照射角β的AVG图。优选地，探头进一步设有电子标识，该电子标识允许控制单元在连接探头时独立地识别探头类型或者甚至识别个体的探头并且选择所存储的因探头(类型)而异的参考值。 
然而在所有的设计方案中，对检出缺陷的(因声照射角而异的)ERS值的确定通常具有以下前提：存在例如在相应的角度下在试块处检测到的参考值或者来自不同的测得角度之间的内插的参考值。 
在根据本发明的装置的一个特别优选的设计方案中，其控制和分析单元被设置成自动地将超声波发射器的辐射角α换算成在试件中结果得到的声照射角β，以便自动地补偿声照射角β的电子设定对缺陷的待确定的ERS值的影响。特别地，此补偿可以被设计成是因探头而异的。此外，控制和分析单元实际上被设置成考虑引导段和试件的材料的因超声波而异的特性，例如声速。 
如果为了自动地补偿声照射角β的电子设定对缺陷的待确定的ERS值的影响，根据本发明的装置的控制和分析单元被设置成自动地补偿随着声照射角β的电子变动所带来的虚拟的超声波发射器大小的变化并且自动地补偿由此造成的探头的孔径的变化，那么可以达成进一步的改进。虚拟的超声波发射器大小是从超声波发射器的实际的几何尺寸在垂直于超声波发射器的电子设定的辐射方向上的投影得到的。如果超声波发射器在不等于0°的辐射角α下进行辐射，那么这会直接导致虚拟的超声波发射器大小的下降。由于超声波发射器大小在必要时被纳入对检出缺陷的ERS值的计算，因而此处在必要时必须进行相应的自动补偿。 
如果控制和分析单元被设置成自动地补偿输入耦合位置X0的与辐射角α或声照射角β的调节相关联的位移对缺陷的待确定的ERS值的影响，那么得到进一步的改进。 
最后，还可以提供对试件中的焦点的位置变化的自动补偿，该位置变化是在辐射角α发生变化时由于引导体中的声路径长度的由此产生的变化所造成 的。 
最后还应当指出，可以基于所存储的AVG图按两种不同的方式来根据本发明自动地补偿声照射角β的电子调节对缺陷的待确定的ERS的影响。一方面，控制和分析单元可被设置成在考虑声照射角β的调节的影响下标准化实际的测量值(即，时间分辨的回波信号)，即例如换算到具有固定的声照射角β的常规探头的结果。随后，将这些结果与标准化的AVG图相比较。 
另一方面，可以在创建存储在控制和分析单元中的AVG图时就已考虑电子的角度调节对回波信号的因探头而异的影响，即已在所存储的AVG图中就考虑了待进行的补偿。此实现也应当被包括在根据本发明的方法以及根据本发明的装置中。 
最后，在根据本发明的装置的一个优选的改进方案中，该装置还包括由控制和分析单元控制的显示装置。在此情况下，控制和分析单元被设置成在本发明装置的显示装置上至少显示试件的B扫描。优选地，还可以创建并在显示装置上显示C扫描和扇形扫描(S扫描)。就在显示装置上显示借助根据本发明的装置所执行的检测方法的结果的可能性而言，已结合对根据本发明的方法的说明进行了详细解说。为此可参考有关的实施方式。 
另外，已结合对根据本发明的装置的说明详细解说了同样能够有利地在B扫描中显示的其他缺陷特性以及对B扫描中的这些特性进行编码的可能性。 
附图说明
从从属权利要求及以下根据附图详细说明的实施例中得到根据本发明的装置和根据本发明的方法的其他优点和特征。 
附图中示出： 
图1：根据本发明的用于对试件进行无损检测的装置的示意图， 
图2a-2c：在不同的声辐照位置x处和在不同的声照射角β下记录的试件的A扫描，以及对于给定的声照射角β而言取决于试件中的深度d的最大振幅A最大的变化， 
图3：取决于声照射角β的最大回波振幅A最大的图示， 
图4：角度分辨的因探头而异的AVG图， 
图5：探头处的波束几何形状的示意图， 
图6：表示试件的B扫描的图示，其中通过相关联的ERS值来表示缺陷， 
图7：对应于图6的具有多个缺陷的试件的图示，该多个缺陷具有不同的反射特性， 
图8：用于检测试件体积中的缺陷的ERS值的角度相关性的方法的示意图，以及 
图9a、9b：试件体积中的两个不同缺陷的取决于角度的ERS值的示意图。 
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于借助超声波来对试件100进行无损检测的装置1的实施例。装置1包括发射探头10，该发射探头10在它那边包括引导段16和布置在引导段16上的超声波发射器12。超声波发射器12在此情况下如此布置在引导段16上，以便激励超声波发射器12发射超声波脉冲时这些超声波脉冲基本上输入耦合到引导段16中。引导段16在此可以例如由来自Plexiglas 的物体形成，如原则上在现有技术中已知的那样。优选地，发射探头10的诸元件被放置到共同的壳体中，出于简明的目的而未在附图中示出该壳体。所示的发射探头10是斜探头，该斜探头被设置成将由超声波发射器12在相对于试件100的入射面的表面法线所测得的声照射角β下发射的超声波脉冲输入耦合到试件100中。斜探头的使用是可选的并且不是强制的，根据应用场合还可以将探头用于垂直的声照射(即，β＝0°)。 
在发射探头10中所使用的超声波发射器12是相控阵类型的超声波发射器，即超声波发射器12包括形成至少一个线性布置的且个体可控制的多个超声波换能器14。该至少一个线性的超声波换能器14阵列的纵轴在此被定向在用X表示的方向上。通过有针对性地调节各个超声波换能器14之间的相位，可以在宽泛的界限内动态地影响辐射角α，即辐射方向。 
在所示的实施例中，发射探头10包括机械的位移传感器18，该位移传感器18机械地感测发射探头10在试件100的表面上的运动并且将相应的位置信息例如提供给与发射探头10相连接的控制单元50。替换地，位移传感器18还可以例如根据光学鼠标的原理以非接触的方式工作。位移传感器18(无论其 类型如何)优选能够检测发射探头10在试件100的表面上的沿两个彼此独立的方向的运动。如果能够检测发射探头10在试件表面上的旋转运动，那么可以得到特别的优点。基于在专利文献US 7,324,910B2中公开的技术以及在2007年6月26日提交的德国专利申请10 2007 028 876.1中公开的对该技术的改进方案，可以完全省去单独设计的位移传感器，因为可以自行从超声波发射器12的信号获得全部位置信息。 
控制单元50与发射探头10相连接，该控制单元50被设置成个体地且相位准确地控制布置在发射探头10的超声波发射器12中的超声波换能器14。此外，控制单元50被设置成与超声波接收器40相连接，以便接收从试件10反射回来的回波信号，这些回波信号是由超声波发射器12辐照入的超声波脉冲造成的。在此处所示的实施例中，布置在发射探头10中的超声波发射器12还充当超声波接收器40。为此，包含在超声波发射器12中的、分开形成的、且个体可控制的超声波换能器14在发射了发射脉冲之后电气地互连成大面积的随后起超声波接收器40作用的超声波发射器12。当然，还可以使用分开形成的超声波接收器40，其例如可以被布置在分开形成的接收探头中。在本实施例中，此类分开的接收探头同样还包括对应于发射探头10的引导段16的引导段。 
为了对试件100进行无损检测以例如发现隐藏在试件100的体积中的缺陷102，发射探头10与控制单元50相连接并且被放置到试件100的表面上。发射探头10与试件100的声耦合通常是在使用合适的耦合剂的情况下实现的，该耦合剂可以例如是水、油或者基于水的凝胶。 
试件100优选是机械的工件或工具，但是也可以是生物试件。 
现在，检测者沿着图1中用X表示的方向使发射探头10在试件100的表面上往复移动。 
该检测者同时观察与控制单元50相关联的显示装置52上的显示，该显示装置52在所示的实施例中作为显示器整合在控制单元50中。在所示的实施例中，在显示装置52上显示A图像，其中根据时间示出关于给定声辐照位置X的经反射的超声波脉冲的振幅。如果由发射探头10发射的声束遇到试件100的体积中的缺陷102，即遇到诸如缺陷点、缩孔或裂缝之类的反射超声波的结构，那么辐照入的声束中的一部分会反射回来并且沿着相同的路径返回到发射 探头的超声波发射器12。如所提及的，超声波发射器12同时起超声波接收器40的作用，该超声波接收器40将反射的声信号转换成电信号，该电信号随后在必要时以合适的方式被放大并且被输出给控制单元50。在控制单元50中，以合适的方式来处理通常作为电信号存在的、但是必要时也可以例如由发射探头10以光信号的形式传输的收到回波信号，该处理可以例如是通过高时间分辨的AD转换和信号处理来实现的。随后，在显示装置52上以上述A扫描的形式显示信号。如果辐照入的超声波束遇到缺陷102，那么就由此得到在A扫描中直接可见的回波信号。上述处理方法在此有利地是在固定的声照射角β下进行的。 
如果检测者通过使用上述处理方法发现了缺陷102，那么检测者尝试通过改变发射探头10在试件100的表面上的X位置来使结果得到的缺陷信号的振幅最大化，即饲育该信号。此对信号的饲育也是为固定的声照射角β1进行的。图2a中示出了在不同的声照射位置X1、X2和X3处饲育回波信号时得到的A扫描。清晰可见，由于试件100中的传播路径的变化，因而在不同的时间出现回波信号，此外在其最大振幅方面也是变化的。其原因在于，当发射探头10在试件100的表面上移动时，声锥体的在其中最高声压占优势的中心在缺陷102上移动。通常，当声束中央地碰到缺陷102时，得到最大的回波信号振幅。如果在改变声照射位置X的情况下确定关于固定的声照射角β1的所有回波信号的包络，则得到对由传播时间或者缺陷102在试件100中的深度决定的回波振幅的描绘，如在图2a的右侧示图中所示的那样。从此图示能够确定关于所选择的声照射角β1所得到的最大回波振幅A最大(β1)。 
此后，检测者可以改变声照射角β，以使得检测者再次为经改变的声照射角β2执行相同的检测。替换地，在部分自动化的检测方法的范围内可以进行自动的角度变化。由此同样得到关于由时间或缺陷102在试件100中的深度决定的振幅变化的图示。此类图示被示出在图2b中的右侧。此处在声照射角β2下得到的最大回波振幅不必强制对应于首先选择的声照射角β1下的回波振幅，只要不是规则形状的缺陷，通常此处甚至存在偏差。 
如果补偿了由于不同的声照射角β1和β2而导致的不同的传播时间，那么在所提及的对包络的图示中的峰值A最大(β)基本上在相同的位置D0处。然 而，如果省去此类传播时间补偿，则这些峰值将位于不同的位置。 
在图2c中示例性地示出了用于再次改变的声照射角β3的相同方法的结果。 
在上述处理方法中，声照射角β是在充分利用相控阵类型的超声波发射器12的有利发射特性的情况下电子地调谐的。 
在一个替换的设计方案中，控制单元50被设置成通过改变声照射角β来为给定的声照射位置X自动地优化可能得到的回波信号。 
如果在相应的声照射角β上标绘关于不同的声照射角β所得到的最大振幅A最大，那么得到如图3中可见的图示。现在可以从此图示或者基于此图示的回波数据确定对于其而言检出缺陷102呈现出最大回波振幅A最大的那个声照射角β。由此还可以容易地说明并分析缺陷102的超声波反射率的角度相关性。以上已描述了对关于缺陷102的类型所达成的特性的可能的解说。 
在对试件进行以上所说明的实际检测的准备过程中(如现有技术中关于具有固定的声照射角β的探头所已知的那样)确定所谓的AVG图。在此，AVG图根据距离(即根据试件中的深度d)示出不同直径的圆盘反射体的回波振幅以及延伸的平面反射体(后壁回波)的回波振幅。与现有技术中已知的AVG图和用于超声波测量的装置不同(其中因探头而异的AVG图例如是以数字形式存储的)，而在本发明的范围内，附加地以角度分辨的方式记录或生成AVG图并且在必要时将这些AVG图存储在控制单元50中。图4根据距离d和角度β示例性地示出了关于圆盘反射体的预定直径的AVG图。 
为了借助允许电子地改变辐照入试件100的声照射角β的相控阵探头来确定缺陷的ERS值，在各种方面可能要求对现有技术中已知的基于理论考虑的普通AVG图(参考US 5,511,425A)进行匹配。一方面，对一般情况下因探头而异的AVG图的校准是必需的，以便考虑试件的材料的超声波特性以及补偿诸如超声波换能器的老化或者发射探头与试件的耦合发生变化之类的因探头而异的效应。为此，在对试件100进行真正的检测之前，在大多数检测规程中要求执行校准步骤，以便校准可能已存储在装置1中的普通AVG图。 
此外，在借助相控阵探头来电子地改变声照射角β时必须考虑，探头的超声波特性会直接通过角度变化而自行改变。出于此原因，必须将已为特地的声 照射角确定的普通AVG图换算到其他(经电子设定的)声照射角β。特别地，还可以在本发明装置本身中进行这种换算，以使得不需要为不同的声照射角β存储大量因探头而异的AVG图。在替换的办法中，当然还可以在装置1中存储大量例如因探头而异的涉及多个声照射角β的AVG图。此处也可以根据经验来确定或者根据理论来计算这些AVG图。 
如以上已说明的，可以在使用根据本发明的装置时电子地调谐声照射角β。如从图5可见，例如在具有引导段的斜探头中，当电子地调谐声照射角β时，声波辐照入试件的输入耦合点变化了ΔX并且声束的直径在该声束从引导段转移入试件时发生变化。这也可以被解读为超声波发射器12的尺寸的虚拟变化(D-＞D′)，在记录以上提及的AVG图时同样必须考虑此变化。借助简单的几何考量以及声折射定律可以容易地计算出声照射角β的电子变动对输入耦合点的变化以及虚拟的超声波发射器12的大小的影响。 
为了现在确定关于在试件体积中检测出的缺陷的等效反射体大小ERS，检测者(如在现有技术中已知的具有带有固定的声照射角β的探头的装置情况下)在控制单元50的显示装置52上显示与经电子调节的在其下得到最大回波信号A最大的声照射角β对应的那个AVG曲线。在此情况下，在真正测量可以例如被插入试块的参考缺陷之前检定(eichen)该AVG曲线。“检定”是指对所使用的探头的灵敏度的校准。通常，(根据所使用的探头的频率)从标准化的所谓的“K1试块或“K2”试块处的后壁回波获得进行检定所需要的参考回波。由于在此情形中不涉及平坦的后壁，因而还必须执行(通常由探头的生产商指出的)圆弧校正。与之相反，来自部件的参考反射体是相当罕见的。 
屏幕上示出的AVG曲线对应于预定的等效反射体大小，该等效反射体大小对应于由检测规程规定的登记界限。如果找到其回波超过屏幕上显示的AVG曲线的缺陷，那么例如自动地由控制单元50(以超过登记界限的dB为单位或者直接以毫米为单位)指示得到的等效反射体大小ERS。在AVG曲线中，检测者还可以在移去脉冲直至检出缺陷的传播时间的情况下直接读取该缺陷的等效反射体大小ERS。在广泛自动化的检测规程中，检测者使用上述处理方式来扫描试件100的表面直至检测者检测到据其看来缘于试件100的体积中的缺陷102的回波。必要时，在检测者将根据本发明的装置1的控制和分析单元50 转换到自动测量模式之前，检测者手动地对缺陷信号进行一定的优化。其中，控制单元50如此控制超声波发射器12，以使得声束辐照入试件的输入耦合点朝试件100的表面上的X方向偏移。同时，控制单元50检测结果得到的缺陷回波的由输入耦合点决定的振幅并且确定最大回波振幅。在此情况下，声照射角β保持不变。 
在后续的方法步骤中，控制单元50改变声照射角，以使得在另一角度β2下辐照试件100的体积中的待测量的缺陷102。同样，控制单元50在此处通过对超声波发射器12的恰当控制来改变所发射的声波辐照入试件的输入耦合点，其中同时检测得到的回波振幅。同样，为经设定的声照射角β2确定最大回波振幅A最大(β2)，即检测者“饲育”回波信号。 
随后，通过与一个或多个因探头而异并且因角度而异的AVG图的比较，根据本发明的装置的控制单元50自动地确定经测量的缺陷102的ERS值。为此，控制单元50自动地补偿超声波发射器12的辐射角α的电子变动对超声波束辐照入试件的输入耦合点的影响并且由此对超声波脉冲从超声波发射器12直至缺陷102的传播时间的影响。此外，控制单元50同样如以上所描述的那样自动地补偿超声波发射器12的辐射角α的电子变动对虚拟的发射器大小的影响。控制单元50还自动地补偿由于引导体中改变的声路径所导致的试件中的焦点的位置变化。最后，控制单元50自动地将辐射角α换算成声照射角β，其中必要时还考虑试件的材料特性。 
结果，既从手动执行的检测方法又从自动执行的检测方法获得在试件100的体积中检测到的缺陷102的ERS值以及得到最大缺陷信号A最大的那个声照射角β。随后，可以记录这些数据。 
如果附加地存在关于探头的位置信息，那么还可以直观地进一步在如图6中示例性呈现的B扫描中或者还在C扫描或S扫描中显示检测结果。因此可以在B扫描中显示长度为L的条纹，该条纹的在试件表面上的X位置对应于缺陷所处的根据计算得到的位置X0。在Y方向上，条纹位于深度D0处，该条纹对应于试件100的体积中的缺陷的根据计算得到的深度。此外，描绘测得缺陷102的条纹的长度L直接与该缺陷的在根据本发明的检测方法的范围内所确定的等效反射体大小ERS相联系。此外有利地，条纹的取向直接与得到最大 回波信号A最大的那个声照射角β相关。为此，可以相对于X轴倾斜地描绘条纹的纵轴，以使得该条纹被定向成垂直于声传播方向，该声传播方向对应于得到最大回波信号的那个声照射角β。图6中所示的B扫描中的条纹的取向因此直接向检测者给出关于试件中的测得缺陷的取向的信息，同样可以记录并存储该信息。另外，优选同样在与控制单元50相连接的显示装置52上向检测者显示图6中示意性示出的B扫描。优选地，控制单元50被设置成向PC传输所存储的数据，在该PC中能够进一步分析这些数据。 
最后，图7示出了试件100的另一个B扫描，从中可见到试件100的体积中的三个缺陷102。这些缺陷位于位置X1、X2以及X3。在位置X1和X3处检测到的缺陷102呈现出回波信号与声照射角的极大相关性，即在声照射角β发生变化的情况下所得到的最大缺陷回波振幅A最大的变动要超过特定的阈值。由此可推断，这些缺陷更可能是平面延伸的缺陷102，相应地在图7的B扫描中将这些缺陷示为基本上一维的符号。 
与之相反，在位置X2处检测到的缺陷102呈现出基本上与声照射角β无关的回波振幅，即产生的回波振幅变化保持低于预定的阈值。由此可以推断该缺陷102更可能是均匀的三维延伸，其在图7的B扫描中是通过二维的缺陷符号(例如，如所示的圆盘)表示的，该缺陷符号的直径与此缺陷的等效反射体大小ERS相关。 
现在根据图8来解说一个新颖的方法，其同样被实现在根据本发明的装置1中。在第一方法步骤中，由装置1控制发射探头10，以使得发射探头10在固定的声照射角β下将超声波脉冲辐照入试件100。如果检测者检测到试件100的体积中的缺陷102，那么检测者饲育缺陷信号直至信号振幅变成最大。在下一步骤中，检测者激活“扫描”功能，其中由装置1控制探头10，以使得辐照入试件100的声照射角β在预定的区间内电子地变化。装置1还被设置成从不同的声照射角β下接收到的缺陷回波来确定最大的缺陷回波以及与之相关联的声照射角β最大。如果发射探头10在试件100的表面上的位置发生变化，那么就得到在其下缺陷回波最大的那个经改变的声照射角β，因为最大的缺陷回波一般情况下是在缺陷由超声波束中央地检测到的情况下获得的。如果如先前所描述的那样执行电子的角度扫描，那么装置1可以完全自动地找到对于其而言缺 陷回波变得最大的那个经改变的声照射角β。通过改变发射探头10在试件100的表面上的位置，可以借助上述方法自动地确定关于不同声照射角β的最大缺陷回波。在此情况下，一方面可以通过发射探头10的机械运动来改变发射探头10在试件100的表面上的位置，但是也可以通过在超声波发射器12中的大量个体的超声波换能器14内执行线性扫描的方式(所谓的“电子线性扫描”)来虚拟地改变该位置。 
如果在设备中存储有至少一个例如根据图4的、例如可能已经根据理论计算出的或者借助实际测量确定的AVG图，那么可以从该AVG图中、从为特定的声照射角β确定的最大缺陷回波振幅来确定该缺陷的关于此角度的ERS值。必要时可能必需的是，在对试件100执行真正的检测之前，根据在试块处获得的、可能在不同声照射角下记录的参考回波来因探头而异地或因材料而异地校准存储在设备中的AVG图。AVG方法因此尤其允许自动地补偿试件中由于不同的声照射角所得到的声路径。 
替换地，在确定试件100的体积中的缺陷102的与角度有关的ERS值时，装置1还可以利用由路径检测单元18提供的位置信息。如以上所描述的，在第一步骤中为固定的声照射角β寻找发射探头10在试件100的表面上的对于其而言缺陷回波振幅最大的那个位置。 
随后，由检测者激活装置1处的“跟踪”功能。如果激活了此功能，那么装置1被设置成在发射探头10的位置发生变化的情况下借助合适的几何计算来调节发射探头10处的声照射角β，以该声照射角β甚至在发射探头位置发生变化的情况下也能够由超声波束中央地检测到试件中的缺陷102。当发射探头10在试件100的表面上移动时，借助所提及的跟踪功能，检出缺陷102在任何时候均由超声波束中央地检测到，以使得到的缺陷回波可被认为是关于经设定的声照射角β的最大缺陷回波。因此，可以直接通过改变发射探头10在试件100的表面上的位置来记录由声照射角β决定的最大缺陷回波并且由此根据角度β来确定缺陷102的与角度相关的ERS值。 
最后，图9a和图9b示例性地示出了试件100的体积中的两个不同缺陷102的ERS值的与角度有关的变化。在此，图9a示出了ERS值仅随着声照射角β微弱变化的缺陷102。因此，这显然是超声波反射率实际上与在其下缺陷 由超声波束碰到的那个角度无关的缺陷102。因此可以认为，至少就发射探头10的位置在上述检测期间发生变化的那个空间方向而言，该缺陷在很大程度上是各向同性的。 
与之相反，图9b示出了ERS值与声照射角β极其有关的缺陷。即，缺陷102的超声波反射率与在其下缺陷102由超声波束检测到的那个角度极其相关。至少就为了检测ERS值的角度相关性而朝其移动发射探头的那个空间方向而言，待分类的缺陷102可被认为是极其各向异性的。该缺陷可以例如是裂缝，必须以较高的概率来登记该裂缝并且因此应当以恰当的方式例如在由装置1创建的B扫描、C扫描或扇形扫描中图形地强调该裂缝，如以上已说明的那样。 

Claims (24)

1.一种用于借助超声波来对试件（100）进行无损检测的方法，包括以下方法步骤：
a.将声照射角β下的定向超声波脉冲辐照入所述试件（100），其中电子地设定所述声照射角β，
b.记录由辐照入所述试件（100）的所述超声波脉冲导致的回波信号，
c.通过将所述回波信号与多个所存储的参考值作比较并且通过藉由计算来补偿所述声照射角β的变化对所述试件的体积中的缺陷（102）的待确定的等效反射体大小值的影响，从可与所述缺陷（102）相关联的回波信号确定试件体积中的所述缺陷（102）的所述等效反射体大小值，其中所述补偿考虑以下经改变的大小中的至少一个：虚拟的超声波换能器大小的变化、耦合输入点的位置的变化、声路径的变化、或者焦点的位置变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
a.将发射探头（10）用于发射所述定向超声波脉冲，所述发射探头（10）的超声波发射器（12）包括多个可独立控制的超声波换能器（14），以及
b.为了电子地设定所述声照射角β，个体地且相位准确地控制所述多个超声波换能器（14），以便改变所述超声波发射器（12）的辐射角α。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所存储的参考值是：
a.关于声照射角β的距离增益尺寸图，和/或
b.一个或多个在所述声照射角β下测得的参考缺陷的回波。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为至少两个不同的电子设定的声照射角β1、β2执行所述方法步骤a）到c）。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个所存储的参考值与至少两个不同的声照射角β1、β2相关。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，为了自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷的所确定的等效反射体大小值的影响，自动地从所述超声波发射器（12）的所述辐射角α换算到结果得到的所述声照射角β。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷的所确定的等效反射体大小值的影响，自动地补偿随着所述声照射角β的电子变动而出现的虚拟的超声波发射器大小D'的变化。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷的所确定的等效反射体大小值的影响，自动地补偿随着所述声照射角β的电子变动而出现的超声波束在所述试件中的焦点的位置的变化。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷的所确定的等效反射体大小值的影响，自动地补偿随着所述声照射角β的电子变动而出现的辐照入所述试件的输入耦合点X的位置的变化。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在另一方法步骤中显示所述试件（100）的B扫描、C扫描、或者S扫描。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述示出的扫描中，通过条纹来表示缺陷（102），所述条纹的沿着其纵轴的延伸与所述缺陷（102）的所述等效反射体大小值相关。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述示出的扫描中显示缺陷（102）的以下其他特性中的至少一个特性：
a.所述缺陷回波的相对振幅，
b.在其下所述缺陷（102）的所述等效反射体大小值最大的声照射角β，
c.相对缺陷大小，
d.引起所述缺陷回波的声路径，以及
e.关于所述缺陷（102）的所述等效反射体大小值对于不同的声照射角β是否基本恒定的信息。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将以下显示参数中的至少一个显示参数用于对要被显示的其他缺陷特性进行编码：
a.色彩，
b.所述条纹横向于其纵轴的尺寸，
c.所述条纹的所述纵轴相对于所述试件（100）的表面的角度，以及
d.所述条纹的基本几何形状。
14.一种用于借助超声波来对试件（100）进行无损检测的装置（1），包括：
a.具有超声波发射器（12）的发射探头（10），所述超声波发射器（12）被设置成将声照射角β下的定向超声波脉冲辐照入所述试件（100），
b.超声波接收器（40），设置成记录由辐照入所述试件（100）的所述超声波脉冲导致的回波信号，
c.控制和分析单元（50），设置成：
i.控制所述发射探头（10）的所述超声波发射器（12），以便激励所述超声波发射器（12）发射超声波脉冲，
ii.处理由所述超声波接收器（40）记录的所述回波信号，以及
iii.从可与所述试件（100）的体积中的缺陷（102）相关联的回波信号确定所述缺陷（102）的等效反射体大小值，
其特征在于，
d.所述超声波发射器（12）包括多个可独立控制的超声波换能器（14），以及
e.所述控制和分析单元（50）被设置成：
i.个体地且相位准确地控制所述多个超声波换能器（14），以便能够电子地调节所述超声波发射器（12）的辐射角α并且由此电子地调节辐照入所述试件（100）的所述声照射角β，
ii.通过将所述回波信号与多个所存储的参考值作比较来自动地确定缺陷（102）的所述等效反射体大小值，
iii.通过计算自动地补偿所述声照射角β的所述电子调节对所述缺陷（102）的待确定的等效反射体大小值的影响，其中所述补偿考虑以下值变化中的至少一个值变化：虚拟的超声波换能器大小的变化、耦合输入点的位置的变化、焦点的位置变化。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述所存储的参考值是：
a.关于声照射角β的距离增益尺寸图，和/或
b.一个或多个在所述声照射角β下测得的参考缺陷的回波。
16.如权利要求14所述的装置（1），其特征在于，
a.所述控制和分析单元（50）被设置成电子地设定至少两个不同的声照射角β，以及
b.所述多个所存储的参考值与所述至少两个不同的声照射角β相关。
17.如权利要求14所述的装置（1），其特征在于，所述控制和分析单元（50）被设置成，为了自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷（102）的所述待确定的等效反射体大小值的影响而自动地从所述超声波发射器（12）的所述辐射角α换算到结果得到的所述声照射角β。
18.如权利要求14所述的装置（1），其特征在于，所述控制和分析单元（50）被设置成，为了自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷（102）的所述待确定的等效反射体大小值的影响而自动地补偿随着所述声照射角β的电子变动而出现的虚拟的超声波发射器大小D'的变化。
19.如权利要求14所述的装置（1），其特征在于，所述控制和分析单元（50）被设置成，为了自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷（102）的所述经确定的等效反射体大小值的影响而自动地补偿随着所述声照射角β的电子变动而出现的所述超声波束在所述试件中的焦点的位置的变化。
20.如权利要求14所述的装置（1），其特征在于，所述控制和分析单元（50）被设置成，为了自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷（102）的所述经确定的等效反射体大小值的影响而自动地补偿随着所述声照射角β的电子变动而出现的辐照入所述试件的输入耦合点X的位置的变化。
21.如权利要求14所述的装置（1），其特征在于，
a.所述探头具有用于位置检测的装置，以及
b.所述控制和分析单元（50）被设置成在与所述用于借助超声波来对试件（100）进行无损检测的装置（1）相关联的显示装置（52）上显示所述试件（102）的B扫描、C扫描或者S扫描。
22.如权利要求21所述的装置（1），其特征在于，在所述示出的扫描中通过条纹来表示缺陷（102），所述条纹的沿着其纵轴的延伸与所述缺陷（102）的所述等效反射体大小值相关。
23.如权利要求21所述的装置（1），其特征在于，在所述示出的扫描中显示缺陷（102）的以下其他特性中的至少一个特性：
a.所述缺陷回波的相对振幅，
b.在其下所述缺陷（102）的所述等效反射体大小值最大的声照射角β，
c.相对缺陷大小，
d.引起所述缺陷回波的支线，以及
e.关于所述缺陷（102）的所述等效反射体大小值对于不同的声照射角β是否基本恒定的信息。
24.如权利要求23所述的装置（1），其特征在于，将以下显示参数中的至少一个显示参数用于对要被显示的其他缺陷特性进行编码：
a.色彩，
b.所述条纹横向于其纵轴的尺寸，
c.所述条纹的所述纵轴相对于所述试件的表面的角度，
d.所述条纹的基本几何形状。
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