CN102105785A - 用于成形工件的超声波检测装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种超声波扫描器(100)，所述超声波扫描器(100)包括垂直于扫描表面(106)指向以扫描工件(114)的多个超声换能器(104)，所述扫描器(100)包括形状适于所述工件(114)的表面的充满耦合剂的胶乳橡胶护套(106)。

Description

用于成形工件的超声波检测装置
技术领域
本发明涉及一种扫描器。更具体地讲，本发明涉及用于无损测试金属和复合结构等的超声波测试(UT)扫描器。
背景技术
能够利用超声波测试来分析材料的不可见区域，诸如部件、焊接部和复合材料的内部。这种无损测试(NDT)利用声波的反射来探测很难通过不破坏部件的其它方式探测的故障和特征。在航天航空领域超声波测试是在生产和服务期间探测材料的完整性的常用技术。
扫描器趋于是便携式的(即更适于在使用中扫描)或非便携式的(具体用于生产)。
超声波测试的特征在于需要耦合剂以帮助将超声能传输到试样，这是因为空气和固体(即诸如试样)之间的声阻抗失配大。假如不使用耦合剂这将导致声波反射和扫描质量下降。耦合剂通常采取水或凝胶体或可变形固体的形式。
传统上，因为操作必须在逐点基础上执行，所以超声波测试在检测速度方面受限。改进已经导致阵列扫描或“画笔”扫描的发展，该阵列扫描或画笔扫描允许在表面上方连续扫描以产生测试部件的希望区域的二维图像。然而这种设备体积大并且限于在生产(如与维修相对)环境中使用并且不认为是便携式的。
圆角和紧密弯曲区域的扫描是个问题。例如层状复合材料中的缺陷常常平行于工件的表面出现。因而，超声换能器需要具有垂直于工件的表面定向的扫描矢量以有效地扫描。
这在紧密弯曲区域中产生问题，并且特别是例如在桁条腹板的根部建立的紧密的圆角处产生问题。该圆角大约是5mm半径并且在该区域使用传统的大扫描器是无效的。特别地，线性扫描阵列不能发射垂直于弯曲部件的表面的超声能。
理想的是以大约1mm的最低分辨率扫描该圆角。
本发明的目的在于提供一种改进的检测装置。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于扫描成形工件的超声波扫描器，所述扫描器包括：
主体，
具有第一扫描方向的第一超声换能器；
具有第二扫描方向的第二超声换能器，以及
耦合部件，所述耦合部件构造成在耦合表面将所述换能器超声地耦合至所述工件，
其中所述换能器被安装于所述主体，使得所述第一扫描方向和所述第二扫描方向基本上垂直于所述耦合表面并且该第一扫描方向和该第二扫描方向相互成非零角。
优选地，所述耦合表面大致是棱形的。
所述耦合表面可以包括两个大体上的平坦表面之间的圆角半径。所述平坦表面可以大体上成直角。
优选地，所述耦合部件包括限定用于容纳耦合剂液体的空腔的可变形膜。优选地，所述膜由胶乳橡胶构成。优选地，所述超声波扫描器包括与所述空腔成流体连通的耦合剂阀，以选择性地引入和除去所述耦合剂液体。
可替代地，所述耦合部件由固体耦合剂材料构成。
多个所述超声换能器可以形成为整体的超声扫描阵列。
优选地，所述换能器是单独地安装于所述主体的不连续的超声换能器。
优选地，所述换能器被安装于所述主体，使得所述扫描方向均大体上通过单个焦点轴线，并且其中每个所述扫描方向均垂直于所述焦点轴线。所述换能器可以被安装于所述主体，使得扫描矢量均大体上通过单个焦点。所述耦合表面可以包括圆角半径并且所述焦点轴线被大体上定位于所述圆角半径的原点。所述圆角半径可以是凸起的。
优选地，提供一种液体耦合剂输送系统，该液体耦合剂输送系统构造成在扫描期间将液体耦合剂引入所述耦合表面。
优选地，提供一种定位成在扫描期间与工件的表面接触的辊子元件。
优选地，所述超声波扫描器包括第一旋转编码器，所述第一旋转编码器安装于所述主体的第一侧，定位成在扫描期间接触工件并且测量所述扫描器相对于该工件的移动。
优选地，所述超声波扫描器包括第二旋转编码器，所述第二旋转编码器安装于所述主体的大体上与所述第一侧相对的第二侧，定位成在扫描期间接触工件并且测量所述扫描器相对于该工件的移动。
优选地，所述耦合部件是可更换的。
优选地，所述耦合部件被保持在第一主体部件和第二主体部件之间，并且所述第一主体部件和所述第二主体部件通过卡扣接合。
根据本发明的第二方面，提供一种用于扫描工件的扫描组件，所述组件包括主体、均具有扫描矢量的多个超声换能器，其中所述换能器被安装于所述主体，使得所述扫描矢量大体上通过单个焦点轴线，并且每一个扫描矢量均大体上垂直于所述焦点轴线。
优选地，所述换能器被安装于所述主体，使得所述扫描矢量均大体上通过单个焦点。
根据本发明的第三方面，提供一种超声扫描工件的表面的方法，所述方法包括如下步骤：
提供待扫描的工件，
提供扫描装置，所述扫描装置包括：第一超声换能器，所述第一超声换能器具有与第一平面对准的第一扫描矢量；和第二超声换能器，所述第二超声换能器具有与第二平面对准的第二扫描矢量，所述第二平面平行于所述第一平面但是相对于该第一平面沿扫描方向偏移，
移动所述扫描器，以使所述第一平面与和所述工件在扫描线相交的扫描平面对准，
通过所述第一超声换能器扫描所述扫面线上的第一位置，
移动所述扫描器，以使所述第二平面与所述扫描平面对准，
通过所述第一超声换能器扫描所述扫描线上的第二位置，
将所述第一扫描步骤和所述第二扫描步骤的结果相结合，以产生所述扫描线的一部分的图像。
优选地，所述提供扫描装置的步骤包括以下步骤：
提供扫描装置，所述扫描装置包括：多个第一超声换能器，所述多个第一超声换能器具有与所述第一平面对准的多个第一扫描矢量；和多个第二超声换能器，所述多个第二超声换能器具有与所述第二平面对准的多个第二扫描矢量，
所述扫描第一位置的步骤包括扫描多个第一位置的步骤，并且
所述扫描第二位置的步骤包括扫描多个第二位置的步骤。
附图说明
图1a是沿根据本发明的第一扫描装置的图1b的线A-A的侧剖视图；
图1b是图1a的扫描装置的后视图；
图2a示出根据本发明的第二扫描装置的立体图；
图2b示出图2a的扫描装置的一部分的立体图；
图2c示出图2a的扫描装置的示意性侧剖视图；
图2d示出图2a的扫描装置的一部分的示意性立体图；
图3a示出根据本发明的第三扫描装置的立体图；
图3b示出图3a的扫描装置的一部分的立体图；以及
图3c示出图3a的扫描装置的另一部分的立体图。
具体实施方式
参看图1a和1b，提供一种扫描装置100，该扫描装置100包括收纳超声波扫描阵列104的主体102。扫描装置100还包括连接至主体102并且封闭阵列104的胶乳橡胶保护罩106，该保护罩106充满耦合剂液体108。
阵列104形式上为弓形并且通过数据连接112连接至计算机110。阵列104能传输和接收超声能以对复合工件114进行无损测试。
如由实例矢量116所示，阵列104发射垂直于其内表面的超声能。矢量116在焦点F交叉。保护罩106的外表面形成弧118的形式，该弧118的几何中心位于焦点F处。
转向图1b，扫描装置100还包括旋转编码器120，该旋转编码器120包括框架122和编码器轮124。编码器轮124安装成使得它突出直到保护罩106的外表面。编码轮124是弹簧安装的。编码器120也连接至计算机110。编码器能报告扫描装置100沿工件114行进的直线距离。
使用中，扫描装置100接近工件114的圆角区域定位，使得保护罩106装配在圆角区域内。保护罩106被选择为与工件114的形状相似或相同。
当焦点F被定位在保护罩的弧118的中心时，它也定位在工件114的弧的中心。这样，矢量116垂直于工件114的表面。这是用于检测工件中的平行于其表面的故障(例如复合材料中的脱层)的最佳定向。
转向图2a和2b，示出了扫描装置200。扫描装置200包括外壳202、耦合组件204、第一编码器206、第二编码器208、滑轨210以及多个超声换能器212。
图2b更详细地示出了外壳202的内部。外壳包括具有贯穿其形成的一系列通孔216的弓形部214。通孔216在弓形部中布置为偏移的两排。
外壳202包括一对翼218，每个翼均包括一对彼此成直角定位的表面220、222。表面220、222均具有限定在其中的一对凹部224。
外壳202限定围绕弓形部214的四个突出部接纳部226。
图2b还更详细地示出了耦合组件204。耦合组件204包括限定矩形通孔230的框架部228。四个突出部232定位在通孔230的侧面上。
胶乳橡胶护套234被附接并密封于框架部228的外周。护套234包括矩形正面236、与该正面236成直角的矩形基准面238以及定位在它们之间的圆角半径240。护套234包括三角形侧面242并且被密封于框架部，以围住位于框架部228的通孔230的具有单个开口面的容积。
第一编码器206和第二编码器208是分别具有编码器轮244、246的旋转编码器。
超声换能器212被插入每个通孔216中。这样，它们以弓形方式定位。参看图2c，示出了换能器212的弓形形式。如图2c和2d可见，每个换能器212的扫描方向213均与焦点轴线248相交。参看图2d，每排换能器212均在不同位置与焦点轴线248相交。
成排放置换能器是有利的，因为更多个换能器可以被并入扫描装置。单个换能器不如阵列贵，因而利用若干单个换能器比弯曲阵列更经济。
没有两个换能器具有平行的扫描方向，因而来自每一排的结果是唯一的并且可以相互结合以产生更高分辨率的图像。
此外，每个换能器212的扫描方向213均与垂直于该表面的护套234的外表面相交，即，圆角半径240的中心与焦点轴线248重合。
滑轨210是简单的滚珠轴承滑轨并且被安装在外壳202中的凹部224内。
通过将突出部232插入突出部容纳部226而将耦合组件204组装至外壳202。突出部232和部分226接合以形成卡扣。然后护套可以通过除去换能器或通过专用注入阀(未示出)经由通孔216中的一个充满耦合剂液体(在本情况下为水)。
使用中，扫描装置200与待扫描的弯曲部250接合。换能器用来扫描该弯曲部250，同时扫描装置200沿焦点轴线248的方向滑动。编码器206、208记录行进的距离使得形成弯曲部250的图像。
应当注意，通过利用设置在扫描装置200的任一端的一对编码器，即使编码器中的一个不与被扫描的表面接触，也可以完成对部件的边缘的扫描。行进的距离可以简单地由一个编码器记录，直到和表面接触。
还应当注意，由于框架228的夹入性质，护套234可容易地更换。
图3a至3c示出了扫描装置300，该扫描装置300包括外壳302、耦合组件304、八个超声换能器(未示出)和四个旋转编码器306。
扫描装置300的基本结构类似于扫描装置200的结构。在扫描装置300中，外壳302包括限定在弓形部310上的八个孔308。
耦合组件304包括安装有编码器306的四个编码器支架312。还应当注意，编码器306定向成使得它们可以接触待检测的部分的凸缘和根部。编码器根据扫描装置200被定位在外壳302的任一侧上。因而，编码过程的可靠性和精确性提高。
外壳302用模压塑料材料制造并且包括一对肋314，该一对肋314从外壳302突出以允许使用者抓住外壳302并且沿待检测的部分使扫描装置300滑动。
此外，提供耦合剂供应管316以将耦合剂供应给耦合组件304的表面。这在使用期间改进了超声波耦合。
如扫描装置200和300所示提供两排换能器导致的问题在于，假如所有的换能器都以特定的行进距离(比方说1mm间隔)扫描，则当换能器未被对准时，由换能器产生的图像切片是变形的。这可以通过以下方式矫正：
·检测扫描装置沿工件的希望的移动距离，
·利用前列的(即前部的)一组换能器扫描，
·检测与前列的和后列的(即后部的)一组换能器之间的距离相等的扫描装置的进一步移动，
·利用后列的(即后部的)一组换能器扫描。
当提供信息时，由后列组产生的结果被认为是与前列组同时产生的。
解决该问题的另一种方法是使来自一组换能器组的结果偏移与组之间的距离相等的距离，该步骤可以通过后处理软件完成。
上述实施方式的变型属于本发明的范围。
例如可以使用许多换能器。
另外，可以使用更多排换能器以提高作用范围。
耦合面不需要是由凸起的圆角半径连接的一对平坦表面，并且可以是适合于工件的轮廓的任何非平面轮廓，例如弯曲的、弓形的、波浪形的(波纹形的)或成角的(V形截面)。

Claims (24)

1.一种用于扫描成形工件的超声波扫描器，所述扫描器包括：
主体，
具有第一扫描方向的第一超声换能器，
具有第二扫描方向的第二超声换能器，以及
耦合部件，所述耦合部件构造成在耦合表面将所述换能器超声地耦合至所述工件，
其中所述换能器被安装于所述主体，使得所述第一扫描方向和所述第二扫描方向大体上垂直于所述耦合表面，并且所述第一扫描方向和所述第二扫描方向彼此成非零角。
2.根据权利要求1所述的超声波扫描器，其中，所述耦合表面大致是棱形的。
3.根据权利要求2所述的超声波扫描器，其中，所述耦合表面包括在两个大体上平坦的表面之间的圆角半径。
4.根据权利要求3所述的超声波扫描器，其中，所述两个平坦表面大体上成直角。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的超声波扫描器，其中，所述耦合部件包括限定用于容纳耦合剂液体的空腔的可变形膜。
6.根据权利要求5所述的超声波扫描器，其中，所述膜由胶乳橡胶构成。
7.根据权利要求5或6所述的超声波扫描器，该超声波扫描器包括与所述空腔成流体连通的耦合剂阀，以选择性地引入和除去所述耦合剂液体。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的超声波扫描器，其中，所述耦合部件由固体耦合剂材料构成。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的超声波扫描器，其中，所述多个超声换能器形成为整体的超声波扫描阵列。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的超声波扫描器，其中，所述换能器是单独地安装于所述主体的不连续的超声换能器。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的超声波扫描器，其中，所述换能器安装于所述主体，使得所述扫描方向均大体上通过单个焦点轴线，并且其中每个所述扫描方向均垂直于所述焦点轴线。
12.根据权利要求11所述的超声波扫描器，其中，所述换能器安装于所述主体，使得每个扫描矢量均大体上通过单个焦点。
13.根据权利要求11或12所述的超声波扫描器，其中，所述耦合表面包括圆角半径，并且所述焦点轴线大体上定位于所述圆角半径的原点。
14.根据权利要求13所述的超声波扫描器，其中，所述圆角半径是凸起的。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的超声波扫描器，该超声波扫描器包括液体耦合剂输送系统，该液体耦合剂输送系统构造成在扫描期间将液体耦合剂引至所述耦合表面。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的超声波扫描器，该超声波扫描器包括定位成在扫描期间与工件的表面接触的辊子元件。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的超声波扫描器，该超声波扫描器包括第一旋转编码器，所述第一旋转编码器安装于所述主体的第一侧，定位成在扫描期间接触工件并测量所述扫描器相对于该工件的移动。
18.根据权利要求17所述的超声波扫描器，该超声波扫描器包括第二旋转编码器，所述第二旋转编码器安装于所述主体的与所述第一侧大体上相反的第二侧，定位成在扫描期间接触工件并且测量所述扫描器相对于该工件的移动。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的超声波扫描器，其中，所述耦合部件是可更换的。
20.根据权利要求20所述的超声波扫描器，其中，所述耦合部件被保持在第一主体部件和第二主体部件之间，并且所述第一主体部件和所述第二主体部件通过卡扣方式接合。
21.一种用于扫描工件的扫描组件，所述组件包括主体、均具有扫描矢量的多个超声换能器，其中所述换能器安装于所述主体，使得所述扫描矢量大体上通过单个焦点轴线，并且每个所述扫描矢量均大体上垂直于所述焦点轴线。
22.根据权利要求21所述的扫描组件，其中，所述换能器安装于所述主体，使得所述扫描矢量均大体上通过单个焦点。
23.一种对工件的表面进行超声扫描的方法，该方法包括以下步骤：
提供待扫描的工件，
提供扫描装置，所述扫描装置包括具有与第一平面对准的第一扫描矢量的第一超声换能器、以及具有与第二平面对准的第二扫描矢量的第二超声换能器，所述第二平面平行于所述第一平面但沿扫描方向相对于该第一平面偏移，
移动所述扫描器，以使所述第一平面和在扫描线与所述工件交叉的扫描平面对准，
通过所述第一超声换能器扫描所述扫描线上的第一位置，
移动所述扫描器，以使所述第二平面与所述扫描平面对准，
通过所述第一超声换能器扫描所述扫描线上的第二位置，
将所述第一扫描步骤和所述第二扫描步骤的结果相结合，以产生所述扫描线的一部分的图像。
24.根据权利要求23所述的对工件的表面进行超声扫描的方法，其中，所述提供扫描装置的步骤包括以下步骤：
提供扫描装置，所述扫描装置包括：多个第一超声换能器，所述多个第一超声换能器具有与所述第一平面对准的多个第一扫描矢量；和多个第二超声换能器，所述多个第二超声换能器具有与所述第二平面对准的多个第二扫描矢量，
所述扫描第一位置的步骤包括扫描多个第一位置的步骤，并且
所述扫描第二位置的步骤包括扫描多个第二位置的步骤。
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