CN102016562B - 带有运动传感器的超声扫描器 - Google Patents

Abstract

一种超声扫描器(100)具有与鼓(148)接触的编码器(134)，该鼓包含阵列(138)。扫描组件(106)可以通过卡合结构(128)被替换。编码器(134)和鼓(148)被弹性偏压并且相对于底架(102)是可动的。阵列(138)相对于底架(102)也是可动的。

Description

带有运动传感器的超声扫描器

技术领域

本发明涉及一种扫描器(scanner)。更具体地，本发明涉及一种用于无损地检测金属和复合结构等的超声检测(UT)扫描器。 

背景技术

可以使用超声检测来分析材料的不可见区域，诸如构件、焊缝和复合材料的内部。这种无损检测(NDT)利用声波的反射来探测在此工序中如果不破坏构件则非常难以探测的缺陷和特性。超声检测是在航空航天学领域中用于在制造和维修期间检测材料的完整性的常用技术。 

扫描器通常是便携式的(即更适于维修时的扫描)或者非便携式的(尤其用于生产)。 

超声检测的特点在于，因为空气与固体(即诸如待测样品)之间的声阻抗失配大，所以需要耦合剂来帮助超声能量传递到待测样品。如果不使用耦合剂，则会导致声波的反射和扫描质量的降低。耦合剂通常呈水或凝胶或可变形固体的形式。 

传统上，因为需要在逐点的基础上来进行操作，超声检测在检测速度方面受到限制。已改进研制出阵列扫描或者“画笔(paintbrush)”扫描，该画笔扫描允许在表面上连续扫描以产生待测构件的期望区域的二维图像。然而这种设备笨重而限于在生产(与维修相对)环境中使用，并且被认为是不便携的。 

便携性问题已通过由NDT Solutions公司出售的高速扫描(RapidScan)系统的开发得以解决。该系统采用底架，充水的橡胶鼓可旋转地安装到该底架。超声阵列安装到轴上并且容纳在可变形的橡胶鼓内的水用作耦合剂。 

该高速扫描系统的特征还在于旋转编码器，该旋转编码器紧接鼓安装到所述底架。该底架包括沿该高速扫描系统的行进方向延伸的手柄。 

使用时，该底架由手柄保持成紧靠工件使鼓和编码器接触所述工件，并且该底架运动使得鼓和编码器旋转。此时，通过阵列发生扫描。扫描信号从所述阵列传送到附近的计算机用于分析。同时，编码器将信号传递到该计算机使得可以确定扫描位置并且因此确定所发现的任意特征的定位。 

该系统存在多种问题。首先，需要鼓和编码器同时接触就意味着该系统不能轻易地越过工件梯度的较大变化处。该装置会变得“被接地”(即，在编码器与鼓之间的一部分底架会接触工件)。可替代地，鼓或编码器会与表面部分地接触，这导致丢失有用的结果或者丢失与行进距离相关的数据。 

此外，底架相对于工件表面的定向是固定的，因此手柄相对于工件表面也是固定的，从而使用者的手的位置在这方面被限制。这样，在带有非常不平坦表面的工件中，使用者不得不多次改变他们的手相对于他们的臂/身体的位置。这些多种位置也会让使用者不舒适。 

另外，通常期望使用不同频率的超声阵列。因此，必需携带若干个系统，每个系统均具有不同的阵列以提供该功能。 

而且，鼓直接安装到底架。这限制了阵列越过工件的速度，因为使用者必须非常小心以便防止阵列在例如表面梯度急剧变化处或者鼓可能“跳”起的缺陷处离开工件。如果鼓离开工件，则耦合剂不起作用而扫描器的有效性大大降低。 

另外，鼓与底架之间的不活动安装布置意味着在工件与鼓之间传递的所有的力均被传递到使用者的手上，在冲击或者反复加载的情况下这会是不舒适的。 

本发明的目的在于克服或者至少缓解上述问题中的至少一个问题。 

发明内容

根据以上发明的第一方面，提供了一种便携式扫描器，该扫描器包括：底架；扫描组件，该扫描组件具有超声扫描阵列和相对于所述底架 可旋转地安装的旋转构件，所述旋转构件包括超声耦合剂并且具有用于接触工件的表面的周缘接触面以便在所述阵列与工件的表面之间提供超声耦合，使得在所述接触面与工件的表面接触的情况下所述底架相对于工件的运动致使所述旋转构件旋转；以及编码器，该编码器包括运动传感器，其中，所述传感器被布置成检测所述旋转构件的运动。 

这样，所述传感器无需与工件的表面具有任何类型的关系，这种关系会影响传感器绕某些特征的运动。 

根据以上发明的第二方面，提供了一种便携式扫描器，该扫描器包括：底架；以及扫描组件，该扫描组件具有超声扫描阵列和相对于所述底架可旋转地安装的旋转构件，所述旋转构件包括超声耦合剂并且具有用于接触工件的表面的周缘接触面以便在所述阵列与工件的表面之间提供超声耦合，使得在所述接触面与工件的表面接触的情况下所述底架相对于工件的运动致使所述旋转构件旋转，并且其中所述旋转构件能相对于所述底架弹性地且平移地移动。 

因此提供了这样一种悬架形式，其中，能够调节所述旋转构件的位置以便顺应所述表面的变化而无需让使用者经常调整他们保持扫描器的手的位置。 

根据以上发明的第三方面，提供了一种便携式扫描器，该扫描器包括：底架；以及扫描组件，该扫描组件具有超声扫描阵列和相对于所述底架可旋转地安装的旋转构件，所述旋转构件包括超声耦合剂并且具有用于接触工件的表面的周缘接触面以便在所述阵列与工件的表面之间提供超声耦合，使得在所述接触面与工件的表面接触的情况下所述底架相对于工件的运动致使所述旋转构件旋转，并且其中，所述扫描组件通过快速释放结构可移除地安装到所述底架。 

这样，仅需要一个扫描器底架，并且可以根据任务要求容易地替换扫描组件。 

根据以上发明的第四方面，提供了一种便携式扫描器，该扫描器包括：底架；以及扫描组件，该扫描组件具有超声扫描阵列和相对于所述底架可旋转地安装的旋转构件，所述旋转构件包括超声耦合剂并且具有 用于接触工件的表面的周缘接触面以便在所述阵列与工件的表面之间提供超声耦合，使得在所述接触面与工件的表面接触的情况下所述底架相对于工件的运动致使所述旋转构件旋转，并且其中所述阵列能相对于所述底架旋转。 

这样，手柄可以相对于所述阵列运动以便适应使用者偏好的舒适度或者在空间受限的环境中使用所述阵列。 

附图说明

现在将参照附图描述发明的实施方式，其中： 

图1a示出了处于第一位置的现有技术中的扫描器的侧视图； 

图2a示出了根据本发明的扫描器的第一实施方式的立体图； 

图2b示出了第一状态下的图1的扫描器的一部分的示意图； 

图2c示出了第二状态下的图1的扫描器的一部分的示意图； 

图3示出了图1的扫描器的一部分的示意图； 

图4a示出了图1的扫描器在使用时的示意图； 

图4b示出了扫描器的第二实施方式在使用时的示意图； 

图5示出了根据本发明的扫描器的第三实施方式的上部局部剖视图； 

图6示出了图4的扫描器的一部分的示意图； 

图7a-7c示出了图4的扫描器在使用时的示意性侧视图； 

图8a示出了根据本发明的扫描器的第三实施方式的局部剖切前视图； 

图8b示出了图8a的扫描器的侧视图；以及 

图9a-9c示出了图8a的手持扫描器在多种布置下的示意图。 

具体实施方式

参照图1a至1c，示意性地示出了现有技术中的扫描器10，该扫描器10包括底架12、编码器轮14和鼓16。编码器轮14和鼓16均与工件8的表面接触。扫描器10还包括阵列(未示出)，该阵列定位成固定到底 架12并且大体与鼓的旋转轴线一致。该阵列具有扫描方向18，在该扫描方向18中该阵列向工件8发射超声波并从该工件8接收超声波。扫描方向18相对于底架12是固定的。该底架具有手柄20，借助该手柄20底架可以移动越过工件8，同时编码器轮14和鼓16相对于底架旋转。 

为了使扫描器10令人满意地扫描工件8，扫描方向18应该垂直于工件8的表面。这出现在工件8具有平坦表面的图1a中。 

在图1b中，扫描器遇到工件8的凸起面。在越过工件8时，扫描器底架12绊在该工件8上。这样，编码器轮14和鼓16中的一个不能接触工件8而导致性能较差。具体地，扫描方向18不与工件8垂直。 

在图1c中，扫描器遇到工件8的凹入面。尽管编码器轮14和鼓16都接触工件，但是由于编码器轮14限制扫描器10的旋转运动，扫描方向18不与工件8垂直。这导致性能较差。 

现在参照图2a，示出了根据本发明的扫描器100。扫描器100包括底架102、编码器组件104和扫描组件106。 

底架102包括用于让使用者握在他/她手中的细长的圆柱形手柄110。底架102还包括从手柄110延伸的框架112，该框架112分成两个臂114、116而形成“Y”形。“Y”形臂114、116分别包括平行部118、120。平行部118、120终止于向内悬垂部124(仅示出一个)。 

向内悬垂部124继而终止于夹板128(仅示出一个)。 

一对平行的面对的槽130(仅示出一个)形成在平行部118、120中，下面将描述槽130的功能。 

编码器组件104包括轴132，编码器134可旋转地安装在该轴132上。编码器134为旋转型编码器，并且被构造成用于确定在其接触的表面上行进的距离。 

扫描组件106包括轴136，超声扫描阵列138安装在该轴136上。在轴136的两端处定位有夹接收组件140(仅示出一个)，该夹接收组件140包括(参照图3)基板142、导槽部缘144以及弹性安装的止动销146。 

扫描组件还包括具有橡胶体的鼓148，该橡胶体容纳作为用于阵列138的耦合剂的水。鼓148可旋转地安装到轴136上使得鼓148能相对于 阵列138旋转。 

通过将轴132的端部插入槽130中而将编码器组件104安装到底架102上。弹簧150(仅示出一个)也插入槽130中以将轴132偏压离开底架102的手柄110。 

然后通过将夹板128插入夹接收组件140中可以将扫描组件106组装到底架102。在进行此操作时，止动销146被向外推动以允许夹板128穿过。一旦夹板128稳固在夹接收组件内，则止动销回弹至它们的初始位置以将扫描组件保持在合适位置。 

如上所述在扫描组件被组装到底架102时，鼓148与编码器134接触并使编码器抵抗弹簧150的偏压而运动(参见图2a和2b)。当位于合适位置时，鼓148从而被编码器134可靠地接触。 

阵列138和编码器134均与计算机152连接，以便(通过阵列138)收集关于扫描结果和(通过编码器134)收集扫描器的位置的信息。编码器和扫描器具有信号馈线(未示出)，该信号馈线与从手柄110引至计算机152的主电缆154连接。 

参照图4a，示出扫描器100越过工件80，类似于图1b中所示。扫描器100由使用者(未示出)保持，使手柄110垂直于工件80的表面。阵列138通过在扫描方向156上发送和接收超声波而扫描工件80。当在工件的拐角上运动时，手柄110可以由使用者操纵成与该表面保持垂直，从而如图所示保持垂直的扫描方向156。 

如可以看到，通过鼓148与工件80之间的单一接触点(或线)而使能够保持扫描方向156与该表面垂直的能力。因为编码器134通过鼓148确定行进的距离，所以不必使编码器与工件80接触，这样就不会发生图1b和图1c中所看到的问题。 

编码器100示出了阵列138，该阵列138被布置成使其扫描方向156与手柄110平行。可以考虑将阵列与手柄110成一定角度地布置。图4b中示出了这样的实施例，其中编码器200具有与编码器100一样但标号大100的特征。 

除了夹板228成一定角度地安装到底架202上因此成一定角度地安 装到手柄210上之外，编码器200与编码器100类似。因此，为了保持扫描方向256与工件80平行，手柄210需要相对于工件成一定角度地定位。可以在夹板外部上设置箭头或符号，以让使用者获知所需要的扫描方向256。 

这种布置对于使用者来说比当手柄与表面垂直时(即，当A＝90度时)更舒适。 

夹板228可以被可调节地安装到底架202以便向使用者提供调节性能，该调节性能可以根据使用者的舒适度和扫描可用空间而改变。 

可替代地，夹接收组件可以根据扫描器100来进行定向，并且所述阵列可以相对于夹接收组件140倾斜。这样，角度A取决于扫描组件106的选择。 

参照图5，示出了类似于扫描器100的扫描器300。共同特征被标记成大200的标号。取代了平行部118、120，底架302的框架312的臂314、316分别包括纵向孔360、362。一对活塞364、366位于各自的孔360、362中并且通过弹簧368、370被偏压到延伸位置。 

活塞364、366可以相对于框架312轴向地移动。 

每个活塞364、366均具有安装到其上的夹板(未示出)，如上所述，该夹板与扫描组件306的夹保持结构340接合。 

根据扫描器100，编码器组件304也被弹性地安装成朝扫描组件306偏压。然而，由于以上活塞布置的位置，编码器组件被弹性地安装，使轴332在附加突缘372中的槽330中是可动的并且被弹簧350偏压(参见图6)。 

使用时，扫描器300的扫描组件306因此被弹性可动地安装到底架302。在使用期间，鼓348的运动与编码器组件304的运动同时进行，从而鼓348和编码器334始终接触。 

参照图7a-7c，扫描器300由使用者在方向D上沿工件80的表面推进。所述表面包含扫描器300不得不越过的缺陷或凹入特征82。使用者沿扫描方向356施加轻微的压力。示意性地表示出当略微被压缩时的弹簧350、362。 

当扫描器遇到特征82时，弹簧350、362能够延伸以允许鼓348保持与工件80接触。这样，不失去接触而可以成功地完成扫描。 

转至图8a和8b，示意地示出了与手持扫描器300类似的扫描器400，共同特征被标记成大100的标号。 

在扫描器400的情况下，轴436通过斜轴承474被安装到底架402的框架412的臂414、416上，使得轴436可以相对于框架412旋转。阵列438被安装至该轴以沿扫描方向456进行扫描。 

与前面的实施方式一样，扫描组件406的鼓448相对于轴436可旋转地安装。鼓448以剖面图示出具有用作耦合剂的充水囊476。 

两个稳定件478附接到轴436，其中稳定件在该轴处从鼓448突出并且从其径向地延伸。稳定件靠近鼓448的外边界延伸。 

使用时，如前面所述，鼓448的外周缘接触工件80并且可以在工件80上滚动。然而在扫描器400中，当稳定件478在工件80上行进时稳定件478防止轴436相对于工件80的表面旋转。这样，阵列438定向成使扫描方向456始终垂直于工件80的表面。 

此外，框架412通过斜轴承474可以相对于扫描组件406旋转而不移动阵列438的位置。从而，如果期望获得更大的舒适度或者在受限的空间内使用扫描器400，则使用者可以不断地调节他/她的手部位置。 

转至图9a至9c，示出了扫描器400处于多种位置，其中鼓448和稳定件478与工件80接触。如图9b和9c所示，该装置的表面的角度和/或手柄的角度可以改变而不影响扫描方向垂直于工件80的表面。 

所述实施方式的许多变型落入本发明的范围内。 

例如，与鼓接触的编码器的使用、弹性安装的鼓、卡合和稳定件可以被单独使用或根据应用而任意适当地组合使用。 

上述的改进可以应用到非便携式(生产型)扫描器以及所论述的便携式(维修型)扫描器。 

卡合连接可以是任意快速释放结构，诸如凹进弹性销、直角转动螺栓/螺钉、蝶形螺母以及类似物。 

编码器可以是任何类型的编码器，例如，如上所述的机械装置，或 者是读取鼓的表面而不接触该表面的光学装置。 

所述鼓可以呈任何形式并且无需用水填充来实现耦合，例如，可变形的固体或凝胶是合适的。 

所述阵列和编码器可以不通过有线连接与计算机进行连接，而可以是无线连接。 

阵列与计算机之间的连接可以通过扫描组件与框架的安装点内的接触连接来实现，例如，框架在夹板上可以具有外露的连接件并且扫描组件在夹接触接收组件上可以具有对应的连接件。 

该装置可以仅包括单个的稳定件。 

Claims (12)

1.一种扫描器，该扫描器包括：

底架；

扫描组件，该扫描组件包括具有扫描方向的超声扫描阵列，所述扫描组件具有相对于所述底架可旋转地安装的旋转构件，该旋转构件包括超声耦合剂并且具有用于接触工件的表面的周缘接触面以便在所述阵列与工件的表面之间提供超声耦合，使得在所述接触面与工件的表面接触的情况下所述底架相对于工件的运动致使所述旋转构件旋转且将所述阵列定向成使所述扫描方向与所述表面保持垂直；以及

编码器，该编码器包括运动传感器，其中：

所述运动传感器接触所述旋转构件以检测所述旋转构件的运动，

所述阵列能相对于所述底架可旋转地调节以便在使用时提供可选择的固定的底架位置，并且

其中，所述运动传感器被可动地安装到所述底架并且被弹性地偏压向所述旋转构件。

2.根据权利要求1所述的扫描器，其中，所述运动传感器接触所述旋转构件的所述周缘接触面。

3.根据权利要求1或2所述的扫描器，其中，所述运动传感器是旋转编码器的旋转构件。

4.根据权利要求1或2所述的扫描器，其中，所述旋转构件能相对于所述底架弹性地且平移地移动。

5.根据权利要求1或2所述的扫描器，其中，所述扫描组件通过快速释放结构可移除地安装到所述底架。

6.根据权利要求5所述的扫描器，其中，所述快速释放结构是卡合装置。

7.根据权利要求5所述的扫描器，其中，所述快速释放结构包括彼此相对的电接触，所述电接触用于将来自所述扫描组件的电信号传送到所述底架。

8.一种扫描器，该扫描器包括：

底架；以及

扫描组件，该扫描组件具有超声扫描阵列和相对于所述底架可旋转地安装的旋转构件，该旋转构件包括超声耦合剂并且具有用于接触工件的表面的周缘接触面以便在所述阵列与工件的表面之间提供超声耦合，使得在所述接触面与工件的表面接触的情况下所述底架相对于工件的运动致使所述旋转构件旋转，其中：

所述旋转构件能相对于所述底架弹性地且平移地移动，并且

所述扫描器包括具有运动传感器的编码器，其中，所述传感器被布置成通过与所述旋转构件接触来检测所述旋转构件的运动，所述运动传感器可移动地安装到所述底架并且被弹性地偏压向所述旋转构件。

9.根据权利要求8所述的扫描器，其中，所述旋转构件通过该旋转构件的轴而被弹性地且平移地安装到所述底架。

10.根据权利要求9所述的扫描器，其中，所述轴在间隔开的两个位置被弹性地且平移地安装到所述底架。

11.根据权利要求10所述的扫描器，其中，所述两个位置跨过所述旋转构件。

12.一种扫描器，该扫描器包括：

底架；以及

扫描组件，该扫描组件具有超声扫描阵列和相对于所述底架可旋转地安装的旋转构件，所述旋转构件包括超声耦合剂并且具有用于接触工件的表面的周缘接触面以便在所述阵列与工件的表面之间提供超声耦合，使得在所述接触面与工件的表面接触的情况下所述底架相对于工件的运动致使所述旋转构件旋转，并且其中：

所述阵列能相对于所述底架旋转，

并且所述扫描器包括旋转地固定到所述阵列的稳定件，该稳定件包括被定位成与工件的表面接触的表面，以用于防止在使用时所述阵列相对于所述工件的所述表面旋转。

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