CN102203602A - 具有前导体几何形状的确定的脉冲回波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无损的超声检查的方法，其中至少一个超声脉冲借助至少一个超声发射器(3)发射到待检查的工件中并且超声脉冲在工件中的边界面上反射，所反射的超声借助至少一个超声接收器(2)接收并且对相关的信号进行分析，并且超声在此穿透设置在工件与发射器或接收器之间的与超声发射器和超声接收器可松开的方式相连的前导体(4)，其特征在于，该方法包括用于确定前导体(4)的与超声检查相关的尺寸(alpha，d₁，d₂)的步骤，其中由超声发射器(3)产生的、在前导体(4)的边界面(5)上反射的并且由超声接收器(2)接收的至少一个超声脉冲被测量并且由此确定前导体(4)的与超声检查相关的至少一个尺寸(alpha，d₁，d₂)。

Description

具有前导体几何形状的确定的脉冲回波方法

本发明涉及一种用于超声材料检查的脉冲回波方法以及相关的装置。在此涉及用于发现材料缺陷的声学方法，其中使用了超声。超声检查属于无损检查方法。由此也可以对处于安装好的状态中的部件例如飞机的支承元件进行检查。超声检查是一种在能导声的材料(大部分金属都属于此)中用于发现内部缺陷和外部缺陷的合适检查方法，例如在焊缝、锻造件、铸件、半成品或管的情况下进行检查。在工程中，对部件的质量的检验的重要任务是例如保证人员输送设备或者管路(例如用于有害物质的管路)的安全性。铺设的铁轨按惯例由测试列车来检查。因此，力求提高该方法的可靠性和精度。

如所有检查方法，超声检验被标准化并且根据准则来执行，例如根据DIN EN 10228-3 1998-07对钢构成的锻造件的无损检查(第3部分)：由铁氧体和马氏体钢构成的铸造件的超声检查，其通过引用包含于此。对于通过超声对工件的无损检查而言已知了合适的检查设备和方法。概括而言参照J.和H.Krautkr所著的专业书籍《Werkstoffpruefung mit Ultraschall》(ISBN-13：978-3-540-15754-0第5版(1996年)，Springer(柏林))。

该方法通常基于超声在边界面上的反射。主要使用超声头或者探头来作为声源，其辐射在10kHz至100MHz的频率范围中。在脉冲回波方法中，超声头并不发出连续的辐射，而是发出非常短的声脉冲，其持续时间为1μs并且更小。由发射器发出的脉冲以相关的声速穿过待检查的工件并且在固体空气边界面上被几乎完全反射。超声头通常不仅能够发送脉冲而且也可以将进来的脉冲转换成电测量信号，其于是也作为接收器来工作。声脉冲从发射器通过工件并且又返回所需的时间借助作为分析单元的示波器和计算机单元来测量。在已知在该材料中的声速c的情况下，以此方式例如可以检验工件的厚度。这种探头的核心件是至少一个超声转换器，例如压电元件形式的超声转换器。此外已知的是，例如从WO 2007/144271中已知，使用由多个可单独激励的、处于固定的布置关系中的超声转换器构成的相控阵来产生和接收超声脉冲。

该转换器或者这些转换器通常在将例如楔形形状的匹配层(也称前导体)置中的情况下耦合到待检查的工件上，该匹配层通常由热塑性的合成物如甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成。在前导体上存在耦合面，通过该耦合面可将由该超声转换器或者这些超声转换器产生的声耦合输入到待检查的工件上，其中楔形形状引起声倾斜地射入工件。前导体和该压电元件或这些压电元件通常设置在壳体中，该壳体在其一侧上封闭并且在其另一侧上具有耦合开口，由声耦合面发射的超声可以通过该耦合开口射出。

为了在工件和探头(即前导体)之间进行耦合，将耦合介质(例如膏(溶剂)、胶、水或油)涂覆到待检查的工件的表面上。通常用探头遍历待检测的表面。这可以手动地、机械化地或自动化地(例如在生产线内)进行。在后者的情况下，为了传输声信号的目的通常将检查件浸入合适的液体(浸浴技术)或者限定地润湿。

前导体的与超声检查相关的尺寸的知识例如对于工件缺陷的精确定位和/或工件尺寸的确定是重要的。此外，尤其是当所谓的AVG方法借助探头来执行时，前导体的几何形状对借助所谓的AVG方法进行的超声检查有强烈影响，该探头允许对入射角进行电子调节。在楔形前导体的情况下，与超声检查相关的尺寸例如是楔形角alpha以及在前导体的耦合面(也就是说与待检查的工件邻接的边界面)与在前导体的对置的边界面上被转换器覆盖的面的中点之间的距离d。

已知的是，在超声转换器与前导体之间的连接以可松开的方式构建，以便在工件的超声检查时根据要检查的工件几何形状和/或在工件中的所希望的检查方向等等能够改变检查条件譬如入射角。此外，已知的是，将前导楔形物的特定数据存储在与前导楔形物相连的非易失性存储器中并且在超声检查时读取该数据并且传输至分析单元。这例如在DE 3327526A1中公开，然而在实践中证明是非常费事的，因为在前导体与分析单元之间需要数据通信。以此方式也不能识别前导体在超声转换器上的有缺陷的安装(例如扭转的安装方向)。

此外也已表明：前导体的尺寸由于磨损而改变，这尤其归因于频繁使用的、热塑性的并且因此通常非常软的合成物以及通常主要手动地将前导体在待检查的工件的表面上的推移。因此，需要校验前导体的与超声检查相关的尺寸。在DE 3327526A1中基本上已公开了，校验前导体的尺寸。因此，这通过特殊的校准体的后壁回波来实现，该校准体可以与前导体的耦合面邻接地设置。这是比较费事的并且由于校准体的改变和在校准体与前导体之间的耦合而对测量的精度有不利影响。

此外，在DE 3441894A1中公开了借助工件的后壁回波来确定工件中的厚度尺寸。

在此背景下，本发明的发明人提出了如下任务，提供一种改进的、更为精确的脉冲回波方法，其中对前导体的与超声检查相关的尺寸进行比较简单地测量并且必要时在分析超声检查的情况下予以考虑。

该任务通过根据权利要求1所述的方法以及通过根据权利要求12所述的装置来解决。有利的扩展方案分别是从属权利要求的主题。

在用于无损超声检查的方法中，借助至少一个超声发射器将至少一个超声脉冲发射到待检查的工件中。本发明并不在工件方面受限，而通常其由在声学上传导的材料构成。超声脉冲在边界面例如在其后壁上和工件中的间断面上反射。所反射的超声借助至少一个超声接收器来接收并且相关的信号被分析。所记录的信号例如在时间相关的或位置相关的视图中示出，例如借助示波器或运行在具有显示装置的计算机上的计算机程序产品来显示。位置相关的视图例如通过声速与时间相关的视图链接。超声在其从发射器至工件的传播中并且在从工件返回至接收器的路径上穿透前导体，该前导体设置在工件与发射器或者接收器之间。

该方法的特征在于，设计有至少一个设置在前面所提及的对工件的检查之前、期间或者之后的步骤，其用于确定前导体的与超声检查相关的尺寸例如前导体的厚度和/或其边界面的角度。在该步骤中，由超声发射器产生、在前导体的边界面上反射并且被超声接收器接收的至少一个超声脉冲的传播时间被确定。换言之，确定前导楔形物的后壁回波的传播时间，例如借助声速和/或在发射器和接收器之间的距离来确定。根据所测量的传播时间确定前导体的与超声检查相关的至少一个尺寸。术语发射器和接收器可以在功能上予以解释。因此，在一个根据本发明的扩展方案中设计的是，作用发射器的转换器也用作由其在前所发射的超声脉冲的接收器。另一方面，其他与发射器间隔的转换器也可以用作接收器。在根据本发明的方法的一个简单的扩展方案中，前导体的当前尺寸的确定可以用于校验其尺寸稳定性。

此外，在分析单元和前导体之间没有结构上复杂的数据交换或者费时的手动数据输入的情况下在超声检查分析中提供前导体的与超声检查有关的几何形状数据。此外，通过近似同时的测量可以确定磨损引起的偏差。通过前导体的后壁回波的传播时间测量不需要校准体。这简化了校验及其精度并且同样能够实现现场校验。专业人员应清楚的是，通过重复用于尺寸确定的步骤、声传播折返和/或通过使用其他转换器即声路径可以提高确定的精度。

根据另一优选的扩展方案，在用于确定前导体的至少一个尺寸的步骤期间该前导体未耦合。“未耦合”在本发明的意义下应理解为：前导体并未在声学上耦合到待检查的工件上。例如，其耦合到空气。由此，所耦合的工件对前导体中的超声传播无影响。尤其是在使用后壁回波的情况下，通过耦合到空气基于在从前导体过渡至周围空气时声学阻抗的大的改变而提高了反射率并且由此提高了确定的精度。出于该原因原则上未耦合的状态可以理解为耦合面与任何介质邻接，其中后者具有相对于前导体的材料极大不同的声学阻抗，使得优选在前导体中出现测试声的内部声学全反射。

优选地，借助与相应传播时间对应的、最短的、通过几何方式或者通过数字模拟获得的声路径来计算尺寸。

此外，根据一个优选的实施形式，在用于确定前导体的与超声检查相关的至少一个尺寸的步骤中，测量倾斜地射到与工件邻接的或者要邻接的耦合面上的后壁回波的传播时间和至少一个垂直射到耦合面上的后壁回波的传播时间。可以证明的是，在前导体的简单几何构造的情况下，尤其是在楔形的情况下或者在两个平行的使声传播交叉的边界面的情况下借助较少的传播时间测量例如可以在仅知道超声发射器与超声接收器的距离的情况下进行计算。优选地，该方法因此应用于楔形的或者具有两个平面平行的面的前导体中。由此可以在确定尺寸时通过简单的几何计算从传播时间确定超声的最短声路径。

在一个优选的实施形式中，使用了由可选择性地激励的分别用作超声接收器或超声发射器的超声转换器构成的相控阵，用于执行本方法。通过使用相控阵开创了如下可能性，通过可选择性激励的转换器的数目和/或位置选择使声辐射容易地与前导体的几何形状和/或衰减相匹配，使得所发射的超声脉冲实际达到接收器。优选地，相控阵包括多于两个的可选择性激励的转换器。

在用于确定前导体的与超声检查相关的至少一个尺寸的步骤中，优选使用相控阵的最外部的超声转换器来提高测量精度。

优选地，所确定的前导体的尺寸在分析来自工件的超声检查的信号时予以考虑，以便例如能够以更高的精度确定间断面相对于发射的和/或接收的转换器的位置的位置。

该方法特别是在热塑性的合成物构成的前导体的情况下、尤其是在交联的聚苯乙烯共聚体(例如Rexolite

)构成的前导体的情况下特别适合，因为其受到提高的磨损并且由此受到其尺寸的连续的并且强烈的改变。

在用于确定前导体的相关的尺寸的步骤中分析时，相控阵的接收转换器的信号可以针对上升的边沿或者脉冲回波的过零而触发，以便确定传播时间。但令人惊讶地已表明：在针对所接收的脉冲回波的脉冲尖峰而触发的情况下可以提高精度，所以优选使用该方法。在此，分析例如可以在与探头分离地构建的(未示出的)激励单元中进行。借助该激励单元也可以将对于激励用于发射超声脉冲的相控阵所需的数字和必要时模拟的激励电子装置组合成共同的激励和分析单元。

在根据本发明的方法的另一优选的扩展方案中，在根据本发明的方法的范围中所确定的前导体的尺寸在分析检查结果时予以考虑。这尤其可以在使用相控阵来产生超声脉冲时与材料检查相关，尤其是在相控阵在超声检查的领域中被激励使得以电子方式受控地调节至工件的入射角的情况下。例如，在本上下文中参考相同申请人的专利申请DE 10 2008 037 173、DE 10 2008 002 445以及DE 10 2008 002 450，其与针对具有以电子方式可调的入射角的检查装置的所谓AVG方法的概括结合。所述专利申请通过引用全面地结合到本申请的公开内容。而相关地，楔形前导体的尺寸也可以相对于改变的楔形角alpha而改变，由此同样直接得到在要检查的材料中的入射角的改变。如果前导体的厚度尺寸改变，则这会导致检验物中的改变的射入时刻，这在传播时间测量和由此相关的位置确定时是相关的。在楔形前导体的情况下，这还导致耦合输入位置的改变。所有前述小于在根据本发明的方法的优选的改进方案中同样自动化地在激励相控阵时予以补偿和/或在分析检查结果时予以考虑。这些特定的方法实现尤其可以在前面所述的激励和分析单元中实施。

此外在一个扩展方案中，该方法还包括用于确定前导体的与工件的超声检查要固定的参考点例如前导体的边的步骤，其方式是其例如最后与测试体的边平齐地设置并且测试体的后壁回波被检查。

此外，本发明涉及一种用于执行在前面所描述的有利扩展方案的至少一个中的方法的装置。该装置包括至少一个超声发射器，用于将至少一个超声脉冲发射到要检查的工件中，其中超声脉冲在工件中的边界面中反射。此外，设置有至少一个用于接收所反射的超声的超声接收器、用于分析相关的信号的分析单元和前导体，其设置在工件与发射器之间，使得超声穿过该前导体。该装置的特征在于，超声接收器和超声发射器固定地或可松开地设置在前导体上用于执行用于确定前导体的几何形状的步骤。在该步骤中，由超声发射器产生、在前导体的边界面上反射并且被该超声接收器或者另外的超声接收器接收的至少一个超声脉冲的传播时间被测量并且由此确定前导体的至少一个与超声检查相关的尺寸。换言之，确定前导楔形物的至少一个后壁回波的传播时间。术语接收器和发射器可在功能上予以解释。因此，在一个根据本发明的扩展方案中设计为：用作发射器的转换器也用作由其在前发送的超声脉冲的接收器。另一方面，也可以将其他与发射器间隔设置的转换器用作接收器。通过确定前导体的当前尺寸可以监控其磨损和/或提高借助该装置执行的超声检查的精度。此外，在分析单元与前导体之间无结构上复杂的数据交换的情况下或者无费事的手动数据输入的情况下为超声检查提供前导体的与超声检查相关的几何数据。此外，通过近似同时测量可靠地确定了损耗造成的偏差。由于执行了前导体的后壁回波的传播时间测量，所以不再需要单独的校准体。这简化了检测及其精度并且必要时能够实现现场校验。

在下文中参照示意性视图，如相关的几何计算以及优选的实施形式来阐述本发明，而本发明并不限于所示的和所说明的内容。

在根据本发明的方法的优选的实施形式中，借助图1中所示的探头通过脉冲回波方法对图1中未示出的工件进行超声检查。对此，在该实施形式中使用探头的相控阵1，其也应用于确定前导体4的尺寸，如稍后所描述的那样。相控阵1包括多个(在此为22个)可选择性地激励的声转换器2、3。在超声检查时，声转换器可以以共同同相方式、以共同但彼此相移方式、以选择性成组方式等等来激励。本发明在超声检查中的方法步骤方面并不受限，并且本领域技术人员负责选择相应合适的激励选择。由相控阵1的转换器产生的超声穿过由热塑性材料构成的前导体4，以便渗入工件中，该工件与楔形前导体4(在下文中也称作“前导楔形物”)的耦合面5邻接地设置。应指出的是：前导楔形物4的声速具有比较强烈的温度相关性。但通常在此不必对前导体4执行单独的温度测量，因为在前导体中的声速c直接作为根据本发明的方法的结果而得到。尽管如此，如果在确定的情况下除了知道声速c之外还有利地知道前导体的温度的绝对值T，则可以根据前导体的材料表从所测量的声速c推断前导体的温度。

为了提高超声检查的精度，根据本发明提出了用于确定前导体4的与超声检查相关的的尺寸的步骤。该步骤可以在前面所描述的超声检查之前、之后或者在其期间执行并且必要时多次重复。

在该步骤中，同样使用相控阵1来发射超声。此外，前导楔形物4在此借助其耦合面5并不耦合到工件上，即其保持不耦合，但尤其是例如耦合到空气。该步骤在该扩展方案中包括三个单步骤。在两个步骤中，相应由最外部的转换器2和3产生的强烈发散的声束的相应后壁回波被这些转换器接收，于是在声相应正确射到前导体4的耦合面5上时借助相应的后壁回波来确定传播时间t₁和t₂。该步骤可以在时间上延迟地执行，但是也可以同时地执行。应指出的是，超声的最短声路径是路径d₁和d₂，其对应于转换器2、3到耦合面5的相应垂直距离。在第三子步骤中，在形成后壁回波的情况下即在倾斜地入射到耦合面5的情况下，对超声从作为发射器的转换器3到作为接收器的转换器2(或者相反)的传播时间t进行测量。超声的最短声路径e₁+e₂的特征在于，入射角β对应于后壁(耦合面5)上的出射角β。

在例如楔形前导体更厚的情况下有利的可以是，前面所描述的对在未耦合的前导体上的后壁回波的检测并不借助相控阵的各个转换器的声束来进行，而是相控阵的多个(相邻的)转换器例如在右边缘以及左边缘处的转换器组合，以产生具有减小的发散性的声束。这样修改的方法实施也一同包括在根据本发明的方法中。

根据三个所测量的传播时间t、t₁、t₂和已知的或在前所确定的(不可变的)转换器w的距离可以如下地确定前导楔形物4中的声速c：

$\left(1\right)---c=\frac{w}{\sqrt{t^2-t_1{t}_2}}=w{(t^2-t_1{t}_2)}^{-\frac{1}{2}}$

由此可以如下地计算距离d₁和d₂：

$\left(2\right)---d_1=\frac{c{t}_1}{2}$ $d_2=\frac{c{t}_2}{2}$

前导楔形物的坡度角可以根据如下等式来确定：

$\left(3\right)---\sin \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{d_2-d_1}{w}$

在该图中未示出的平均距离d对应于耦合面与在前导体5的与耦合面对置的边界面上被转换器1覆盖的面的中点之间的距离，并且确定为：

$\left(4\right)---d=\frac{d_1+d_2}{2}$

关于等式(1)的推导：

根据三角形△ABC和△BCD可以确定e₁和e₂：

$\left(5\right)---e_1=\frac{d_1}{\sin \mathrm{\β}}$ $e_2=\frac{d_2}{\sin \mathrm{\β}}$

e₁和e₂之和适用：

(6)                e₁+e₂＝ct

借助上面的针对e₁和e₂的等式，对应于：

(7)                ct sinβ＝d₁+d₂

使用针对d₁和d₂的等式(2)变形得到：

$\left(8\right)---\sin \mathrm{\β}=\frac{t_1+t_2}{2t}$

借助三角形△BDE的余弦定理得到：

其中：

(10)          cos(180°-2β)＝2sin²(β)-1

使用等式(4)和(9)得到：

$\left(11\right)---w^2{\sin }^2\left(\mathrm{\β}\right)=d_1^2+d_2^2-2d_1{d}_2(2{\sin }^2\left(\mathrm{\β}\right)-1)$

借助等式(2)、(8)和(11)得到：

$\left(12\right)---w^2{\left(\frac{t_1+t_2}{2t}\right)}^2=c^2\{\frac{t_1^2}{4}+\frac{t_2^2}{4}-\frac{t_1{t}_2}{2}(2{\left(\frac{t_1+t_2}{2t}\right)}^2-1)\}$

或者对应于：

$c=\frac{w}{\sqrt{t^2-t_1{t}_2}}=w{(t^2-t_1{t}_2)}^{-\frac{1}{2}}$

因此，在探头的所示楔形前导体4的情况下在后壁回波倾斜入射时通过测量传播时间t、t₁、t₂并且基于发射器3和接收器2的距离w来确定在前导体4中的声速c。这样准确确定的并且实际存在的声速c用于计算接收器2或发射器3距耦合面5的垂直距离d₁和d₂。这于是基于实际超声检测的分析并且以此提高了其确定精度。

Claims (13)

1.一种用于无损的超声检查的方法，其中至少一个超声脉冲借助至少一个超声发射器(3)发射到待检查的工件中并且超声脉冲在工件中的边界面上反射，所反射的超声借助至少一个超声接收器(2)接收并且对相关的信号进行分析，并且超声在此穿透设置在工件与所述发射器或接收器之间的与所述超声发射器和超声接收器以可松开的方式相连的前导体(4)，其特征在于，该方法包括用于确定前导体(4)的与超声检查相关的至少一个尺寸(alpha，d₁，d₂)的至少一个步骤，其中对由超声发射器(3)产生的、在前导体(4)的边界面(5)上反射并且由超声接收器(2)接收的至少一个超声脉冲的传播时间进行测量，并且由此确定前导体(4)的与超声检查相关的至少一个尺寸(alpha，d₁，d₂)。

2.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，在用于确定前导体(4)的与超声检查相关的至少一个尺寸(alpha，d₁，d₂)的步骤中该前导体并未耦合。

3.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述尺寸(alpha，d₁，d₂)借助与相应传播时间对应的、最短的、通过几何方式或数字模拟获得的声路径(d₁，d₂，e₁，e₂)来计算。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在执行该方法时，确定在前导体中的声速c。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在用于确定前导体(4)的与超声检查相关的至少一个尺寸(alpha，d₁，d₂)的步骤中，测量倾斜地射到与工件邻接的或要邻接的耦合面(5)的后壁回波的传播时间，并且测量至少一个垂直射到耦合面(5)上的后壁回波的传播时间。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使用由可选择性激励的分别用作超声接收器或者超声发射器的超声转换器(2，3)构成的相控阵(1)。

7.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，相控阵(1)包括多于两个的可选择性激励的超声转换器(2，3)。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在用于确定前导体(4)的与超声检查相关的至少一个尺寸(alpha，d₁，d₂)的步骤中使用相控阵(1)的最外部的超声转换器(2，3)。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所确定的前导体(4)的尺寸(alpha，d₁，d₂)在对在工件的超声检测中的信号进行分析时予以考虑。

10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所使用的前导体(4)是楔形的或者具有两个平面平行的面。

11.根据上述两个权利要求之一所述的方法，其特征在于，所使用的前导体(4)由热塑性合成物构成，优选由交联聚苯乙烯共聚体构成。

12.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在用于确定前导体(4)的与超声检查相关的至少一个尺寸(alpha，d₁，d₂)的步骤中，借助针对所接收的脉冲回波的脉冲尖峰而触发来进行确定。

13.一种用于执行上述权利要求之一所述的方法的装置，其包括至少一个超声发射器(3)，用于将至少一个超声脉冲发射到要检查的工件中，其中超声脉冲在工件中的边界面上反射，以及包括至少一个用于接收所反射的超声的超声接收器(2)、用于分析相关的信号的分析单元和前导体(4)，所述前导体设置在工件与发射器或者接收器(2)之间，使得超声穿过所述前导体，其特征在于，超声接收器(3)和超声发射器(2)在用于执行用于确定前导体的几何形状的步骤中设置为对由超声发射器(3)产生的、在前导体(4)的边界面(5)上反射并且被该超声接收器或者另外的超声接收器(2，3)接收的至少一个超声脉冲的传播时间进行测量，并且由此确定前导体(4)的与超声检查相关的至少一个尺寸(alpha，d₁，d₂)。