CN103119433A - 行进中金属带材的检验装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种对行进中的金属带材进行检验的装置，其包括：具有超声波发射器的第一电磁声换能器EMAT（2），所述波以从所述发射器朝向所述带材的一个面的第一边缘入射的方式被发射，所述发射器不与所述带材接触，具有超声波接收器的第二电磁声换能器EMAT（3a），通过从所述带材的所述面的区域朝向所述接收器的出射来接收所述波，所述接收器不与所述带材接触，处理单元，其与所述第二电磁声换能器EMAT耦接以便借助在所述第二电磁声换能器EMAT处测得的至少一个超声波信号发出至少一个检验判据，其特征在于，所述区域被设置在所述带材上，以使得所述带材的所述第一边缘与所述区域之间的波路径布置在直线方向上，该直线方向大体在所述带材的行进方向的横向上。

Description

行进中金属带材的检验装置

本发明涉及按照权利要求1前序部分所述的行进中金属带材的检验装置。

本发明涉及行进中金属产品的非接触检验，特别是使用超声波探测钢带的内部缺陷。

使用超声波来检验钢结构的内部缺陷已经为行业技术人员熟知。关系到超声波波长类型、频率及入射角的多种变型使得能够提供适合于针对具有特定定位、定向以及尺寸的缺陷的相当多种类的检测的方案。

在大多数情况下，检验涉及固定结构并且通过换能器—即在所述结构的至少一个表面上的至少一个超声波发射器和至少一个超声波接收器—的手动或机械动作实现。

换能器通常能够利用压电原理来产生并探测超声波。

按照一般规则，通过均匀的中间耦合介质使超声波在换能器和结构之间的传递得以确保，最常见的是不含颗粒和气泡的、厚度恒定且具有合适粘度的水性介质。

检验活动物体，例如行进中的金属带材或金属板带来的特殊问题主要关系到所述行进的速度。

这些问题中的一个在于，需保持换能器和活动物体表面之间的有效耦合。这一问题或多或少地通过声波在例如水或油或润滑脂或凝胶体的柱状或层状水性耦合剂内部的表面和换能器之间的传递解决，柱状或层状的耦合剂通过耦合剂的循环或供给而以恒定的方式被更新。对耦合介质的保持成为给利用换能器和待检验表面的较高相对位移速度带来非常不利的适配性的障碍。

另一个问题涉及探查物体或至少其表面的方式。实际上，利用沿基本上垂直于所述表面的方向传播的超声波来探查金属带材或金属板的100%的表面是很难实现的。为此，必须使换能器沿带材的宽度移动（带材的行进的横向）且带材的行进速度必须足够慢，以使得能够沿着由带材与换能器的结合运动产生的锯齿形路径完成100%探查，另外还需记得所述换能器的移动速度由于需要保持耦合介质而受到限制。因此实践起来十分复杂，并且不适合于较大的带材行进速度。

专利EP 0885389B1描述了通过使用兰姆（Lamb）超声波来检测行进中金属带材缺陷的装置。在该装置中，能产生兰姆波的压电换能器位于耦合流体分配系统的前轮上。使用兰姆波实际上能允许解决带材探查的问题，因为这种特殊的声波类型能平行于带材表面传播。一束超声波因此能从定位在行进带材的一个侧边上的固定换能器开始在带材的整体宽度上传播。该类型的波因此能允许大得多的带材行进速度，由于在带材整个宽度上实现探查并且换能器保持固定，因此不按照锯齿形路径进行探查。

然而，通过换能器与带材接触的探查系统不能以令人满意的方式解决在较大的换能器/待检验表面的相对移动速度下保持耦合介质。

最后，另一重要的问题是对探测到缺陷进行识别和评估。在涉及在对行进中的金属带材进行加工处理期间—例如轧制加工过程中—对其进行检验的情况下，在分析检测到的缺陷时不可能在不显著干扰加工处理的情况下使所述带材停动。

US 5866820提出了行进中金属带材的检验装置，其包括：

–包括超声波发射器的第一换能器，下文中还被命名为EMAT（=electromagnetic acoustic transducer，电磁声换能器），所述波按照从发射器朝向带材的在带材的横向中央部附近的第一表面区域入射的方式发射，发射器不与带材接触，

–包括超声波接收器的第二EMAT，所述波通过从带材表面的第二区域朝向接收器的出射而被接收，接收器不与带材接触，所述第二区域沿着带材行进的方向与第一区域并置并且允许在两个EMAT之间进行回波测量。

–与第二EMAT耦接的处理单元，从而能通过在第二EMAT测得的超声波回波信号发出至少一个检验判据。

该装置因此能允许在带材的一半宽度上进行回波测量（通过波在缺陷上的反射）。通过把在行进方向的横向上的装置分成两份，因而可能实现对带材整个宽度的检验。这后一种实施方式因此要求两对的两个换能器或EMAT，每个对被设置用来检验带材的一半宽度。

本发明的目的在于针对上述问题，特别是由超声波对行进中的带材进行检验而产生的问题提出解决方法，对于该方案，带材的行进可达到较大的速度，例如大于米/秒。在这一体系下，本发明旨在摆脱换能器和带材之间任何迫不得已的接触的必要。

本发明应给出对行进中金属产品进行检验的简单有效的方法（例如对于带材整个宽度的检验限制换能器的数量），尤其是检测钢带中的内部或表面缺陷，钢带适合于灵活且扩展地使用所产生并被检测的例如兰姆（Lamb）、瑞利（Rayleigh）或SH（Shear Horizontal wave，水平剪切波）等声波而不受必须与金属产品接触的制约。

根据包括如下的对行进中金属带材进行检验的装置，

–含有超声波发射器的第一换能器（2），在以下也被命名为EMAT（=electromagnetic acoustic transducer），所述声波从发射器开始向带材表面的第一边呈入射发射，发射器与带材不接触，

–含有超声波接收器的第二EMAT（3a），所述声波从带材表面区域开始向接收器呈出射接收，接收器与带材不接触，

–处理单元，其与第二EMAT连接以便能借助在第二EMAT测得的至少一个超声波信号发出至少一个检验判据。

装置的特征在于所述区域被设置在带材上，以使得带材的第一边缘与所述区域之间的声波路径基本为单向，即和与带材行进成直线并大体与带材行进的横向方向一致。

这样的装置被权利要求1中的对象描述。

因此，以希望的直至带材的整个宽度的宽度进行检验是灵活且可能的，并且在所有附图情况下都保持简单，因为其仅仅借助两个换能器实现，两个换能器都未与带材发生任何接触。同样有利的是，检验也更为迅速（无锯齿状弯折），因为两换能器之间的声波速度远大于带材的行进速度。

一组子权利要求还给出了本发明的优点。

特别地，按照本发明装置的一个优选实施方式，区域被尽可能远离带材的第一边缘地设置在带材的在横向大体与带材第一边缘相对的边缘上。由此，仅借助两个换能器或EMAT就可能检验带材的整个宽度。与US5866820相反，因而可以测量与带材的单个横向一致的两个半宽度，且因而更易于检验，并且与US5866820所要求的两组被偏移的线数据相比，检索单组线数据（=带材的横向宽度）。

因此，有利的是，第一和第二EMAT可具有可自由调节的间距，其等于或大于带材的一半宽度。

检验装置的一个优选的实施方式设置了具有超声波接收器的第三EMAT，所述声波是以从带材的第一边缘的一个面朝向接收器出射的方式被传输的，接收器不与带材接触，处理单元因此也与第三EMAT连接，从而借助至少两个超声波信号发出至少一个第二检验判据，两个信号中至少一个信号来自第二EMAT的测量而且一个信号来自第三EMAT的测量。

以该方式，因而可能通过（第一和第三EMAT之间的）回波获得与通过（第一和第二EMAT之间的）声波传输获得的信号互补的信号。由检验带材缺陷进行的检测由此被增强，且可经由两个补充的判据确认缺陷，这有助于在确定时消除任何潜在的可疑点。实际上，例如通过回波测量获得的唯一信号可能来自带材行进装置或检验装置自身的伪像而与带材内在的缺陷没有任何关系。通过提供冗余信号，能轻松地排除这种假象且使检验装置更可靠地防备任何检验错误。

理想地，三个EMAT被设置在三角形的各顶点，三角形的一个（第一和第二EMAT之间的）边平行于带材行进方向的横向。第三EMAT被设在与第一EMAT相同的带材边缘上，且沿带材行进方向稍微偏离第一EMAT。第一和第三EMAT之间的间距被确定以获得对测量所希望回波而言理想的三角形形状。

为了适应带材的特定形状，且为了更准确地检测检测缺陷的定位或使按照本发明的超声波检验的所谓阴影区最小化，三个EMAT中的至少一个可设置成在带材行进方向的大体横向上可动，理想地是以跟随带材的规格和/或宽度的伺服模式移动，从而能避免在行进中带材附近的具有危险性的干扰。

按照本发明的装置还规定，各EMAT和带材的面之间的非接触距离或者保持恒定，或者由即时测量部件给出，甚至可用于例如带材厚度具有较小波动或从一种带材变为另一种带材的两种情况。

最后，按照本发明的装置还可以规定，带材第一边缘与区域之间的至少一个声波路径被设在带材的行进段上，该行进段在带材拉伸方面至少大于最小阈值。这个质量判据保证了带材与EMAT之间的非接触距离的波动被保持在可接受的公差内，从而不会在检验过程中使缺陷与这样的波动形成混淆。

按照本发明的装置规定，处理单元包括：

–对在第二和第三电磁声换能器EMAT处采集的测量信号的信噪比进行控制的模块；

–检测超声波传播异常的模块；

–相对于存储在数据库中的参考缺陷，对存在传播异常的区域进行类型识别的部件；

–相对于行进带材的纵向起点和横向起点，对存在传播异常的区域进行位置识别的部件；

–在考虑位置识别判据和类型识别判据中的至少一个的情况下，根据至少一个临界阈值识别所识别的缺陷的严重程度的部件。

按照本发明的装置可包括对第一EMAT发射的声波的产生参数进行控制的模块，其能被设成自动-校准模式，并发送一系列在由第二和/或第三EMAT接收之后被用于由处理单元进行分析的声波。然而，该自动校准模式可被替换或可以采用校准数据库的精细校准模式，已根据已知的行进带材的实时参数选择预先设置了所述校准数据库。

最后，按照本发明的装置的另一实施方式包括：

–在与第二电磁声换能器EMAT（3a）关联的区域附近设置的具有与第一电磁声换能器EMAT的发射器类似的声波发射器的至少一个第四电磁声换能器EMAT，

–第一和第四的电磁声换能器EMAT（类型为发射器）在无干扰模式下能够被依次甚至是同时被激活，所述模式能够依次甚至同时由所述第二和第三电磁声换能器EMAT（类型为接收器）测量。

通过这一方法，可从带材的各边缘开始检验带材的缺陷，因此检验看起来更准确。实际上，如果从带材的一个边缘，即基于发射器型的一个EMAT开始检验，则两个相关联的接收器型的EMAT的一个或多个信号不能满足所要求的检验判据，从带材的另一边缘开始，即基于另一发射器型的EMAT以及接收器型的同一EMAT则可获得两个信号。这四个信号（两个由声波传输，两个由回波传输）可同时获得（且针对行进中带材的同一条线或宽度），因为有利的是，两个接收器型EMAT可以例如以不同的同时被各自调制的频率发射超声波列，而不受两个接收器型EMAT的干扰。为此且优选地，四个EMAT可被设在矩形的各顶点，矩形的一条边平行于带材行进方向的横向。

最后，本发明还提出按照本发明的装置对相对于所述装置在行进中受冷或受热的金属带材的缺陷进行检测与通知的应用，缺陷或者位于表面或者位于内部，并且作为衰减器、散射器或转换器与被传输或反射的各类型的超声波类型相互作用，可通过从至少一个具有超声波接收器的电磁声换能器EMAT发出的至少一个信号识别所述缺陷。所述装置的这种用途主要能迅速且有效地控制以高速行进方式生产的金属带材的质量。如果这种带材随后被卷绕在辊上以用于其它的金属处理操作，则因此可能定位哪里是可能存在问题或者需要特定处理的有缺陷带材的位置，由此确保良好的操作进展。这样做是可行的，因为可以与所考虑的带材及其类型和拓扑相关联地记录缺陷的信号。在最差的情况下，这些在后信息也能定位带材上包含至少一个通过检验而被判断为不恰当的缺陷的精确位置，该缺陷被检验判定为不恰当且能被切割与消除或再处理/回收。

借助附图给出本发明及实施方式，在附图中：

图1是按照本发明的装置的示意平面图，

图2是根据按照本发明的装置的实施方式的EMAT装置的俯视视图，

图1给出按照本发明的装置的示意平面图。冶金产品（1）在冶金产品的加工设备中行进。在我们的示例中，产品是在与图1垂直的平面内水平行进的金属带材。

例如EMAT型的超声波发射器或产生器（2）静止地位于行进中的冶金产品的一侧的边缘的上方，在所述冶金产品中产生兰姆超声波或瑞利超声波或水平剪切波（SH，Shear horizontal wave）而不与冶金产品的表面接触。

同样是EMAT类型的超声波接收器（3a）静止地位于所述产品另一侧的边缘的上方，以使得由此限定的第一和第二EMAT设置成在带材的横截线上相互面对（等于带材的宽度）。接收器（3a）因而接收到来自产生器（2）的超声波且通过在金属表面和/或体积内的传输传遍带材的整个宽度。

模块（4）确保对超声波接收器接收到的信号的前处理。该处理意图优化信号/噪声比，从而更有效地利用信号。以举例说明的方式，其可以是SAFT型（合成孔径聚焦技术，Synthetic Aperture Focusing Technique）。

模块（5）确保对超声波的传播异常—无论其为何种类型，例如在从产品的一个边缘传递到另一边缘的过程中出现衰减、或返回了反射回波（见图2的示例）、或波传播模式的改变—进行检测。

数据库（6）包括与已知产品缺陷相关且通过其相似信号测得的超声波传播异常数据库。

模块（7a）通过应用例如实施已知的学习技术—如k最邻近分类法，神经元网法等—确保对存在与数据库（6）相关联的传播异常的区域进行类型识别。

模块（7b）确保相对于行进中金属产品的纵向起点与横向起点对存在传播异常的区域进行位置识别。

临界分析模块（8）确保按照至少参考位置和类型识别判据中的一个的至少一个临界阈值，对所识别缺陷严重级别进行评估。

这些临界阈值可根据针对产品、特定应用以及特定市场等判断为可接受的质量水平进行调整，因而测得的信号可包含关于缺陷密度的数量信息。

检验结果的显示部件（9），例如与操作者可获得的数据存储相连的监视器，以及能直接或有差别地利用检验结果的编辑部件（10），例如打印机或绘图器。

图2示出行进中带材段的俯视图，该图上（以集中的方式）表示了按照本发明的装置多种可能且有利的实施方式。

第一方面，分别包括接发射器和接收器（2、3a）的第一和第二EMAT正如图1所示且构成按照本发明的装置的第一实施方式。

作为接收器（3a）的替代或补充，含有第二接收器（3b）的第三EMAT静止位于冶金产品的与产生器（2）同一侧的边缘的上方。EMAT的这种布置由此构成按照本发明的装置的第二实施方式，其能通过声波和回波传输获得两不同的信号。

最后，作为该第二实施方式的替代或补充，含有第三发射器（3c）的第四EMAT静止位于冶金产品的与第一接收器（3a）同一侧的边缘的上方，但至少沿带材行进方向相对于第一接收器偏离。EMAT的这种布置由此构成按照本发明的装置的第三实施方式，其能通过带材相对边缘上的EMAT之间的声波传输，此外通过带材同一边缘的EMAT之间的回波检验获得两到四个不同的信号。因此缺陷检验对于检验阴影区或检验装置本身的外部假象更为精确或更可靠。

根据带材的规格或按照待检验缺陷的类型，上述EMAT的静态布置还可以按照几何判据（角度可变的三角形/梯形/矩形）在带材的边缘附近重新设定尺寸，由此，通过使超声信号达到最高的信号/噪声比而获得对于缺陷更精确因而对周边设备或带材设备的假象更不灵敏的信号，来确保动力学上性能更好的检验。

超声波发生器或接收器可因此或者也可以由至少在产品宽度方向上活动的滑架承载，由此无论产品的宽度大小如何，都能够把器件定位在产品的一个或多个边缘上。

有利的是，可以使这些活动滑架的移动机动化，借助在所述装置和所述设备的自动控制系统中通常已知并可获得的数据，使这种机动化伺服冶金产品的宽度及其在处理设备中的中心定位。

按照本发明的装置以及上述描述的方面因此相对于现有技术具有一组决定性的优点：

–冶金产品表面与超声波产生器和接收器之间无接触，消除了装置和产品之间摩擦部分的磨损，以及必须定期更换这些摩擦部分的必要，

–无需在装置和产品的表面之间分配连接产品，且同样也不再需要在检验之后清洁产品表面，

–操作速度不与对接触式连接的维护必要相关联，

–同步探查冶金产品的整个宽度，

–可以使超声波的传播模式与产品的厚度以及查找的缺陷类型相适应，

–无需操作者介入自动识别和量化缺陷，特别地，无需为进行识别而中断产品的行进。

–能够向操作者实时提供涉及冶金产品质量的信息，由此使其能在有必要时去除产品上的缺陷区，

–能够对冶金产品的质量状况，例如缺陷的种类进行编辑。

Claims (11)

1.一种对行进中的金属带材进行检验的装置，包括：

–具有超声波发射器的第一电磁声换能器EMAT（2），所述波以从所述发射器朝向所述带材的一个面的第一边缘入射的方式被发射，所述发射器不与所述带材接触，

–具有超声波接收器的第二电磁声换能器EMAT（3a），通过从所述带材的所述面的区域朝向所述接收器的出射来接收所述波，所述接收器不与所述带材接触，

–处理单元，其与所述第二电磁声换能器EMAT耦接以便借助在所述第二电磁声换能器EMAT处测得的至少一个超声波信号发出至少一个检验判据，

其特征在于，所述区域被设置在所述带材上，以使得所述带材的所述第一边缘与所述区域之间的波路径布置在直线方向上，该直线方向大体在所述带材的行进方向的横向上。

2.按照权利要求1所述的检验装置，其中，所述区域被尽可能远离所述带材的所述第一边缘地设置在所述带材的在横向上大体与所述带材的所述第一边缘相对的边缘上。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一和第二电磁声换能器EMAT（2、3a）具有等于或大于所述带材的一半宽度的间距。

4.按照权利要求1至3中任一项所述的检验装置，其包括具有超声波接收器的第三电磁声换能器EMAT，所述超声波是以从所述带材的所述第一边缘的一个面朝向该接收器出射的方式被传输的，所述接收器不与所述带材接触，所述处理单元与所述第三电磁声换能器EMAT耦接，以便借助至少两个超声波信号发出至少一个第二检验判据，两个信号中至少一信号来自所述第二电磁声换能器EMAT进行的测量，而一个信号来自所述第三电磁声换能器EMAT进行的测量。

5.按照权利要求4所述的装置，其中，三个电磁声换能器EMAT被设置在三角形的各顶点，所述三角形的一个边平行于带材行进方向的横向。

6.按照上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述三个电磁声换能器EMAT中的至少一个在带材行进方向的大体横向上可移动，理想地以跟随所述带材的规格和/或宽度的伺服模式移动。

7.按照上述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个电磁声换能器EMAT和所述带材的所述面之间非接触的距离或者保持恒定，或者由即时测量部件给出。

8.按照上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述处理单元包括：

–对在所述第二和第三电磁声换能器EMAT处采集的测量信号的信噪比进行控制的模块；

–检测超声波传播异常的模块；

–相对于存储在数据库中的参考缺陷，对存在传播异常的区域进行类型识别的部件；

–相对于行进带材的纵向起点和横向起点，对存在传播异常的区域进行位置识别的部件；

–在考虑位置识别判据和类型识别判据中的至少一个的情况下，根据至少一个临界阈值识别所识别的缺陷的严重程度的部件。

9.按照上述权利要求中任一项所述的装置，其中，

–在与所述第二电磁声换能器EMAT（3a）关联的区域附近设置具有与所述第一电磁声换能器EMAT的发射器类似的声波发射器的至少一个第四电磁声换能器EMAT，

–所述第一和第四电磁声换能器EMAT在无干扰模式下能够同时被激活，所述模式能够同时由所述第二和第三电磁声换能器EMAT测量。

10.按照权利要求9所述的装置，其中，四个电磁声换能器EMAT被布置在矩形的各顶点，所述矩形的一个边平行于带材行进方向的横向。

11.按照上述权利要求中任一项所述的装置的用途，用于检测和通知相对于所述装置行进的受冷或受热金属带材的缺陷，所述缺陷或者位于表面或者位于内部，并且作为衰减器、散射器或转换器与被传输或反射的各类型的超声波类型相互作用，可通过从至少一个具有超声波接收器的电磁声换能器EMAT发出的至少一个信号识别所述缺陷。

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