CN102980947B - 用于检查方形棒的相控阵无损检查系统及其校准方法 - Google Patents

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Abstract

用于检查方形棒的相控阵无损检查系统及其校准方法。为了校准目的，方形棒配置有横跨方形棒的测试面的整个范围的平行线状凹槽。方形棒在校准期间沿探测器的非作用方向穿过探测器。对相控阵系统进行调节和校准，以使得相控阵探测器的各检查通道从各凹槽接收到的回波幅度基本相等。在同一测试面上制造具有预期的典型裂缝的大小和形状的裂缝，以使用来自已知裂缝的回波信号的幅度作为基线来对系统的灵敏度进行校准。

Description

用于检查方形棒的相控阵无损检查系统及其校准方法
技术领域
本发明涉及相控阵超声波应用，具体涉及用于检查方形棒的相控阵无损检查系统及其校准方法。
背景技术
在用于检查圆形棒或方形棒的在线超声波相控阵系统中，剪切波(横波，shear wave)通常用于检查位于棒表面或位于棒表面下(面下，subsurface)的区域、即所谓的壁区。对于圆形棒检查，通常在被检查的棒周围集中布置若干个圆形的PA探测器；各个PA探测器各自顺时针(CW)和逆时针(CCW)发射相对于棒表面成一定角度(诸如40度)的剪切波束，以检查表面区和面下区。对于方形棒检查，通常以与棒的各个侧面平行且位于各个侧面上方的方式布置扁平线状的PA探测器；各个PA探测器各自CW和CCW地从水耦合剂向相应的表面(例如上表面)发射约40度的剪切波束，并且声波束传输至两个相邻的表面(例如，右垂直表面和左垂直表面)。
在任何检查之前，必须利用人为制造的一个或多个裂缝、通常为面下侧钻孔(SDH)或表面凹槽来校准剪切波束的灵敏性。
在综述圆形棒检查的<<Introduction to phased arrayultrasonic technology applications(相控阵超声波应用绪论)>>(ISBN 0-9735933-0-X)的第5.10.2节中可以找到关于圆形棒在线检查的描述。
由于圆形棒的旋转对称性和可旋转性，不难实现对圆形棒的校准。更具体而言，当圆形校准棒中的近壁SDH或表面凹槽随着棒一起绕棒轴旋转时，所有聚焦法则(focal law)均可检测到相同的裂缝，然后获得检测灵敏度，并利用检查系统的软件对检测灵敏度进行补偿。
对于方形棒的校准，由于方形棒不具有旋转对称性，上述校准方法不适用。
在概述利用SW波检查方形棒表面的<<Advances in phasedarray ultrasonic technology applications(相控阵超声波技术应用发展)>>(ISBN 0-9735933-4-2)的图7-105中可以找到现有的方形棒在线检查方法，该文献中的内容通过引用而并入本文。
已进行了关于方形棒的剪切波通道校准方面的专利研究，未发现任何相关文献。
与超声波检查方形或矩形部件中的校准实践相类似，通过在波束平面中平移PA探测器，可以利用在表面加工出的用以进行检查的面下SDH或表面凹槽来校准剪切波通道的灵敏度。更具体而言，在表面上加工出一系列不同深度的裂缝或声音路径以进行检查，当PA搜索单元移动到探测器作用平面中时，波束可以垂直地跨越裂缝，从而使得能够检测灵敏度。然而，对于在线检查实践，不便于使用这种校准方法，这是因为：i)为了实现均匀布置在方形棒周围的PA探测器的平移运动，移动机制可能变得非常复杂；ii)这种机制容易因为移动的反弹而引入PA探测器定位误差。
发明内容
所公开的发明涉及适于对用来检查纵长的方形棒的相控阵系统进行校准的系统和方法。纵长的校准用方形棒被设置为在方形棒的测试面的整个范围内具有平行线状凹槽的阵列。在校准期间，方形棒沿探测器的轴方向穿过探测器。对相控阵系统进行调节和校准，以使得相控阵探测器从各个凹槽接收到的各个检查波束的回波幅度基本相等。
在优选实施例中，一种相控阵无损检查系统被配置为对方形棒进行剪切波检查，所述相控阵无损检查系统包括：至少一个相控的探测器，其具有多个开口部，各开口部具有至少一个超声波检查元件并且所述探测器施加有超声波聚焦法则以形成包括多个超声波束的线性扫描通道，所述超声波束各自具有包括回波幅度的回波信号，并且所述超声波束各自与所述开口部之一相对应；纵长的校准用方形棒，其具有作为四个测试面的四个侧壁，所述侧壁至少之一具有几乎横跨所述测试面的整个范围且缩进的平行线状凹槽的阵列，所述线状凹槽的长度方向与所述校准用方形棒的轴方向大致相同，所述校准用方形棒被配置为在检查期间以轴方向与所述探测器的作用方向垂直的方式穿过所述探测器；其中，各检查波束穿过所述凹槽至少之一，并且所述相控阵无损检查系统被配置为，通过调节各超声波检查元件以使得与各凹槽相对应的各波束的回波幅度表现为基本相等，来进行所述探测器的平衡。所述校准用方形棒优选为大小和形状与作为测试对象的方形棒的大小和形状基本相同；所述凹槽略微倾斜，使得所述凹槽的长度方向相对于所述校准用方形棒的轴方向形成倾角α，并且凹槽间距d、凹槽长度L和所述倾角α之间的关系定义为如下：d<L sin α。所述倾角α在3度～5度的范围内。
所述相控阵无损检查系统优选为还包括软件或固件模块，所述软件或固件模块能够被执行，从而通过自动调节各超声波检查元件的增益、以使得与各凹槽相对应的各波束的回波幅度表现为基本相等来进行所述探测器的平衡；所述校准用方形棒还配置有位于所述测试面上或附近的已知的标准反射体，其中所述标准反射体具有根据一般测试对象所预期的典型裂缝的大小和形状，所述相控阵无损检查系统的灵敏度是通过将来自所述标准反射体的回波信号的基线幅度调节为预定操作水平来校准的。所述基线幅度优选为根据表示来自所述标准反射体的回波的波束中幅度最大的波束所获得的。
本发明包括用于对相控阵无损检查系统和探测器进行校准的方法，所述相控阵无损检查系统用于对方形棒进行剪切波检查，所述探测器具有多个开口部，各开口部具有至少一个超声波检查元件并且所述探测器施加有超声波聚焦法则以形成包括多个超声波束的线性扫描通道，所述超声波束各自具有包括回波幅度的回波信号，并且所述超声波束各自与所述开口部之一相对应，所述方法包括：提供纵长的校准用方形棒，所述校准用方形棒具有作为四个测试面的四个侧壁，所述侧壁至少之一具有几乎横跨所述测试面的整个范围且缩进的平行线状凹槽的阵列，所述线状凹槽的长度方向与所述校准用方形棒的轴方向大致相同，所述校准用方形棒被配置为在检查期间以轴方向与所述探测器的作用方向垂直的方式穿过所述探测器；使所述相控阵无损检查系统工作，以使得波束穿过所述凹槽至少之一；以及通过调节各超声波检查元件以使得与各凹槽相对应的各波束的回波幅度表现为基本相等，来进行所述探测器的平衡。所述校准用方形棒优选为大小和形状与作为测试对象的方形棒的大小和形状基本相同；所述凹槽略微倾斜，使得所述凹槽的长度方向相对于所述校准用方形棒的轴方向形成倾角α；以及使所述校准用方形棒设置有位于所述测试面上或附近的已知的标准反射体，所述标准反射体具有根据一般测试对象所预期的典型裂缝的大小和形状，并通过将来自所述标准反射体的回波信号的基线幅度调节为预定操作水平，来对所述相控阵无损检查系统的灵敏度进行校准。
附图说明
图1是根据本发明所公开的实施例采用在检查表面(壁)上施加有平行凹槽的校准方形棒进行方形棒的剪切波通道校准的立体图。
图2针对进行CW剪切波检查的PA探测器之一示出图1所示的剪切波通道校准装置的截面图。
图3是示出凹槽倾角α、凹槽长度L和凹槽间距d之间的几何关系的图，其中，当校准棒4沿棒轴方向移动并被剪切波束组2所扫描时，结束于侧壁4b的各波束端部2a穿过凹槽3至少一次。
图4a示出根据本发明利用被制成为与棒轴平行的近壁侧钻孔(此后称为SDH)10来校准剪切波灵敏度的校准步骤。
图4b示出利用被制成为与棒轴平行的表面凹槽来校准剪切波通道灵敏度。这里，对波束2之一进行校准就足够了。
图5是示出校准步骤的流程图。
图6a、6b、6c和6d示出针对方形棒的四壁进行的平衡步骤。其中，与四个探测器相关联地使用校准棒4中的倾斜凹槽区3a～3d以及相应的剪切波通道701a～701h。
图7a、7b、7c和7d示出使用四个面下SDH 6a～6d对四壁进行的整体灵敏度校准步骤(步骤2)。
图8a、8b、8c和8d示出使用分别在各侧壁上的四个标准表面凹槽12a～12d进行的整体灵敏度校准步骤(步骤2)。
具体实施方式
基本实施例的说明
用于方形棒检查的PA系统的校准方法包括两个主要步骤，其中第一步骤是所谓的平衡校准，以下将参考图1～3和6进行描述。第二步骤是所谓的灵敏度校准，以下将参考图4a、4b、7a～7d、8a～8d进行描述。
参考图1，剪切波束校准的第一步骤、即平衡校准是通过使校准用方形棒4沿其轴方向(x)穿过相控阵探测器1来进行的。平行且等深的凹槽3横跨检查表面的宽度地施加至侧壁4b。应注意，所有凹槽3的包括深度和倾角的几何特性被制成为相同并且尽可能统一。
继续参考图1，探测器1优选具有多个开口部(未示出)，并且每个开口部进行至少一个超声波束2的发出和响应接收。通过多个波束2以顺时针或逆时针方式进行的线性扫描来形成检查或校准通道。超声波束或从扫描产生的波束还被称为聚焦法则。
如图1所示，当波束的端部2a沿棒轴方向穿过凹槽区3时，剪切波聚焦法则2之一检测到倾斜凹槽。注意，所谓的方形棒可以具有直角的或圆形的角部。剪切波束2从棒表面4a传输至侧壁4b。侧壁4b上的凹槽3优选为相对于棒轴方向x稍微倾斜。在棒4沿x轴移动时，剪切波束2扫描包括凹槽的凹槽区3并检测凹槽。倾斜的凹槽被布置为，在棒沿x方向移动时，每个波束端部2a能够总是至少穿过包括一个或两个凹槽的部分。通过测量从凹槽区3的各凹槽返回的对各剪切波束2的回波的幅度，可以在检查系统的软件的帮助下对剪切波束的灵敏度进行补偿和平衡。
在与图1～3相关联的平衡校准的步骤中，对各元件的增益进行补偿，以使得从凹槽区3的各凹槽接收到的回波幅度相等。
当校准棒的体积中本身存在较小的材料不均匀性时，使倾斜凹槽保持为剪切波束的强反射体可以改进信号均匀性。为此，倾斜凹槽的倾角(图3中示为α)优选为限于3度～5度，倾斜凹槽的壁内深度优选为对所有凹槽统一并且通常为1.5mm～2mm。
参考图2，示出了与示出剪切波束2和具有凹槽区3的方形棒4的图1的投影视图相对应的截面图。
现在请参考图3，同时还返回参考图1和2，以说明倾斜凹槽角α、凹槽长度L和凹槽间距d之间的几何关系。代表性地示出壁4b上的两个凹槽。各波束端部2a沿棒轴方向301移动或扫描侧壁4b。波束灵敏度的测量要求当棒沿棒轴方向移动时，波束端部2a应穿过倾斜凹槽至少一次。为了满足该条件，参数α、L和d应满足以下关系式：
d<L sin α                关系式1
前述与图1和2相关联的详细描述部分是为了寻求施加于各凹槽3的各波束的聚焦法则的平衡(均衡)。接着，参考图4a和4b，统一对作为整个通道的剪切波束的整体灵敏度进行第二步骤的校准。该步骤被称为“灵敏度校准”。
可以采用位置和几何特性均为已知的一些已知标记(缺陷)来进行灵敏度校准。已知常用的诸如侧钻孔(以下称为SDH)10等的标记以及灵敏度标准凹槽12是用于灵敏度校准的示例。
根据图4a，当前所公开的实施例包括采用近壁SDH 10。SDH 10的轴方向与棒4的轴方向平行。通常，SDH是与倾斜凹槽相比较弱的反射体。以与PA灵敏度校准的现有实践相同的方式进行灵敏度校准。使用与已知的SDH 10相关联的回波信号的幅度作为基线。原则上，通过将任一聚焦法则的基线调节为所需幅度水平(例如，调节为全屏高度(FSH)的80%)，同时还对其它聚焦法则2的灵敏度进行调节，这是因为在图1或图2所述的前一步骤中使这些灵敏度相关联并且平衡。对剪切波束2之一进行校准就足够了。
实际上，当利用具有特定波束宽度的剪切波束2检测面下SDH 10时，回波信号通常包括分别与以下三个声音路径相对应的三个主要成分：1)直接相对于SDH往返而没有与侧壁4b相互作用的声音路径；2)穿过SDH 10、并且在被SDH 10拦截之后继续向着侧壁4b行进并最终返回至波束开口部的声音路径(注意，存在逆向的声音路径)；以及3)经由侧壁4b的反射而相对于SDH10往返的声音路径。由于SDH 10距该壁非常近，这些成分均在非常短的飞行时间范围内。本领域的技术人员已知一个门控波束(gated beam)仅检测回波信号中的幅度最大的一个成分。可以若干个相邻的波束检测不同幅度的不同成分。如本领域的技术人员已知的，通常第二声音路径表现出最大的幅度。为了简便，以下将用于检测SDH 10的幅度最大的波束称为“与SDH相对应的波束”。与其它现有灵敏度校准技术中所使用的已知实践相同，在灵敏度校准时将与SDH相对应的波束的灵敏度应用于其它波束。
现在参考图4b，其通过使用标准凹槽4来说明替代性的第二步骤、即灵敏度校准。如图4b所示，利用与棒轴方向x平行的表面标准凹槽来确定剪切波通道的整体灵敏度。通常，标准凹槽12比侧壁上的倾斜凹槽3浅，因此标准凹槽12是较弱的反射体。在大部分的现有相控阵系统中，通过将任一聚焦法则的灵敏度调节为所需幅度水平(例如，全屏高度的80%)，同时还对其它聚焦法则的灵敏度进行调节，这是因为在图1或图2所述的前一步骤中使这些灵敏度相关联并且平衡。
参考图5，通过流程图来描述操作处理，其中该流程图示出根据本发明的针对方形棒检查的剪切波束校准的步骤。总结前述说明，对剪切波方形棒检查所用的PA探测器进行校准的处理包括两个步骤。在步骤501中，通过调节各元件的增益以使得各元件的接收幅度为相同值，来进行用于使探测器1的所有元件平衡的处理。在步骤502中，如在与图4a和4b相关联的前述说明中详细说明的，以与进行现有PA灵敏度校准相同的方式，通过使用标准反射体(指示器)之一来对探测器进行进一步校准。
应当注意，第一步骤、即平衡(501)主要以可执行软件的形式内置于许多现有的PA系统中。一旦被给予命令，该PA系统可以通过分析和调节探测器元件的增益来自动进行平衡。本发明的新颖性特征在于提供一种校准用方形棒，其中该校准用方形棒以本发明所述的方式具有倾斜且等深的凹槽。
替代实施例的说明
现在请参考图6～8。在大部分的现场在线操作中，通常同时使用至少四个探测器来分别检查四壁。因此，示出四个探测器1a、1b、1c和1d，以与以上关联图1～5所述的相同处理来进行校准。
应当注意，对与图1～5相关联的基础实施例的所有说明均适用于替代实施例，并且应当以互补方式进行构造。替代实施例的说明仅关注根据基础实施例扩展的或者不同于基础实施例的方面。
如从图6a、6b、6c和6d可以看出，线性扫描通道601a～601d用于进行顺时针方向的剪切波线性扫描；通道601e～601h用于进行逆时针方向的剪切波线性扫描。校准棒4被制成为具有分别用于平衡处理的四个倾斜凹槽区3a、3b、3c和3d。因此，对于区3a和3c内的凹槽，均可以通过使用通道601a和601e来平衡探测器1a。还应当注意，可以检查凹槽3a，但凹槽3a也可通过使用通道601a和601g来分别用于这两个探测器1a和1c的平衡。
针对任意四个凹槽区中的各凹槽进行任意四个探测器中的各探测器的平衡处理，与图5所示的步骤501相同，并且在前述与图1和2相关联的说明中进行了描述。
现在请参考图7a、7b、7c和7d，以与在关联图4a、4b和5的说明中所示相同的方式，可以通过使用标准近壁SDH 10a、10b、10c和10d来进行灵敏度校准步骤(步骤2)。
应当注意，与前面参考图4a和4b所说明的相同，诸如601a等的各线性扫描通道具有波束701a、即“与SDH相对应的波束”。
图7通过使用与棒轴平行的4个面下SDH 10a～10d来说明步骤2的整体灵敏度校准。表面处诸如中等深度的SDH 6a的一个SDH可以用来对分别来自PA探测器1a和1c的顺时针通道601a和逆时针通道601g这两者的整体灵敏度进行校准。注意，这里，在以上与图6a～6d相关联的校准处理(步骤1)中，假定使8个通道以不同的灵敏度平衡。在整体灵敏度校准(步骤2)期间，测量与SDH相对应的波束的灵敏度，并且检测同一表面的波束的灵敏度同样得以补偿。
同样，图8a～8d通过使用长度方向与棒轴平行的4个表面标准凹槽12a～12d来说明整体灵敏度校准(步骤2)。表面处诸如中等深度的凹槽12a等的一个标准凹槽可以用来对分别来自PA探测器1c和1c的逆时针通道601a和顺时针通道601g这两者的整体灵敏度进行校准，从而对探测器1c和1c的整体灵敏度进行校准。应当注意，这里假定在先前与图6a～6b相关联的平衡、即步骤1中使通道601a～601h平衡。本领域的技术人员应当理解，在整体灵敏度校准期间，对诸如波束801等的与凹槽相对应的波束的灵敏度进行校准，并且检测同一表面的所有波束的灵敏度自动得以补偿。
尽管本发明已经与其特定典型实施例相关地进行了说明，但是许多其它变形和修改以及其它用途对于本领域技术人员而言是显而易见的。例如，这种变形可以包括但不限于使用当前所公开的方法来制造所有类型的NDT/NDI设备所生成的检查信号的测试对象和扫描图像。因此，优选地，本发明并不局限于这里的具体内容，而仅由所附权利要求书来限制。
相关申请
本申请主张2011年8月23日提交的、发明名称为“用于相控阵剪切波通道检查方形棒的导电校准的方法和设备”的美国临时专利申请No.61,526,552的优先权，且该临时专利申请的全部内容通过引用而并入本文。

Claims (20)

1.一种相控阵无损检查系统，用于对方形棒进行剪切波检查，所述相控阵无损检查系统包括：
至少一个相控的探测器，其具有多个开口部，各开口部具有至少一个超声波检查元件并且所述探测器施加有超声波聚焦法则以形成包括多个超声波束的线性扫描通道，所述超声波束各自具有包括回波幅度的回波信号，并且所述超声波束各自与所述开口部之一相对应；
纵长的校准用方形棒，其具有作为四个测试面的四个侧壁，所述侧壁至少之一具有几乎横跨所述测试面的整个范围且缩进的平行线状凹槽的阵列，所述线状凹槽的长度方向与所述校准用方形棒的轴方向大致相同，所述校准用方形棒被配置为在检查期间以轴方向与所述探测器的作用方向垂直的方式穿过所述探测器，
其中，各检查波束穿过所述凹槽至少之一，并且所述相控阵无损检查系统被配置为，通过调节各超声波检查元件以使得与各凹槽相对应的各波束的回波幅度表现为基本相等，来进行所述探测器的平衡。
2.根据权利要求1所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述校准用方形棒的大小和形状与作为测试对象的方形棒的大小和形状基本相同。
3.根据权利要求1所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述凹槽略微倾斜，使得所述凹槽的长度方向相对于所述校准用方形棒的轴方向形成倾角α。
4.根据权利要求3所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述凹槽的凹槽间距d、凹槽长度L和所述倾角α之间的关系定义为如下：
d<L sin α。
5.根据权利要求3所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述倾角α在3度～5度的范围内。
6.根据权利要求1所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，还包括软件或固件模块，所述软件或固件模块能够被执行，从而通过自动调节各超声波检查元件的增益、以使得与各凹槽相对应的各波束的回波幅度表现为基本相等来进行所述探测器的平衡。
7.根据权利要求1所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述校准用方形棒还配置有位于所述测试面上或附近的已知的标准反射体，其中所述标准反射体具有根据一般测试对象所预期的典型裂缝的大小和形状，以及
所述相控阵无损检查系统的灵敏度是通过将来自所述标准反射体的回波信号的基线幅度调节为预定操作水平来校准的。
8.根据权利要求7所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述基线幅度是根据表示来自所述标准反射体的回波的波束中幅度最大的波束所获得的。
9.根据权利要求7所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述标准反射体是在所述测试面附近加工出并且与所述校准用方形棒的轴方向平行的侧钻孔。
10.根据权利要求7所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述标准反射体是在所述测试面附近并且与所述校准用方形棒的轴方向平行的标准凹槽。
11.根据权利要求1所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述线性扫描通道是顺时针或逆时针的线性扫描通道。
12.根据权利要求1所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，具有所述凹槽的一个测试面能够用于进行一个具有顺时针的线性扫描通道并且另一个具有逆时针的线性扫描通道的两个探测器的平衡。
13.根据权利要求7所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，一个标准反射体能够用于对一个具有顺时针的线性扫描通道并且另一个具有逆时针的线性扫描通道的两个探测器的灵敏度进行校准。
14.根据权利要求1所述的相控阵无损检查系统，其特征在于，所述至少一个相控的探测器包括四个探测器，并且所述四个探测器的测试壁表面均具有所述平行线状凹槽。
15.一种用于对相控阵无损检查系统和探测器进行校准的方法，所述相控阵无损检查系统用于对方形棒进行剪切波检查，所述探测器具有多个开口部，各开口部具有至少一个超声波检查元件并且所述探测器施加有超声波聚焦法则以形成包括多个超声波束的线性扫描通道，所述超声波束各自具有包括回波幅度的回波信号，并且所述超声波束各自与所述开口部之一相对应，
所述方法包括：
提供纵长的校准用方形棒，所述校准用方形棒具有作为四个测试面的四个侧壁，所述侧壁至少之一具有几乎横跨所述测试面的整个范围且缩进的平行线状凹槽的阵列，所述线状凹槽的长度方向与所述校准用方形棒的轴方向大致相同，所述校准用方形棒被配置为在检查期间以轴方向与所述探测器的作用方向垂直的方式穿过所述探测器；
使所述相控阵无损检查系统工作，以使得波束穿过所述凹槽至少之一；以及
通过调节各超声波检查元件以使得与各凹槽相对应的各波束的回波幅度表现为基本相等，来进行所述探测器的平衡。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述校准用方形棒的大小和形状与作为测试对象的方形棒的大小和形状基本相同。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述凹槽略微倾斜，使得所述凹槽的长度方向相对于所述校准用方形棒的轴方向形成倾角α。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述凹槽的凹槽间距d、凹槽长度L和所述倾角α之间的关系定义为如下：
d<L sin α。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述倾角α在3度～5度的范围内。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
使所述校准用方形棒设置有位于所述测试面上或附近的已知的标准反射体，所述标准反射体具有根据一般测试对象所预期的典型裂缝的大小和形状；以及
通过将来自所述标准反射体的回波信号的基线幅度调节为预定操作水平，来对所述相控阵无损检查系统的灵敏度进行校准。
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