CN103512952A - 检测工件中的缺陷的设备、系统和方法 - Google Patents

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CN103512952A CN201310276150.0A CN201310276150A CN103512952A CN 103512952 A CN103512952 A CN 103512952A CN 201310276150 A CN201310276150 A CN 201310276150A CN 103512952 A CN103512952 A CN 103512952A
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Abstract

本发明涉及一种检测工件中的缺陷的设备、系统和方法。用于检测工件中的缺陷的设备和方法，该设备具有宽带换能器（10），连接到换能器而以致动器模式运行换能器的驱动电路，可连接成以传感器模式运行的信号输出电路，将换能器选择性地连接到驱动电路或信号输出电路的控制部，其中驱动电路包括用于生成至少频率为F1和F2的信号的至少一对振荡器和用于对信号求和以便为换能器提供驱动信号的加法器。

Description

检测工件中的缺陷的设备、系统和方法
本申请是同一申请人的申请日为2008年12月4日的、申请号为200880119220.9（PCT/GB2008/004001）、发明名称为“检测工件中的缺陷的设备、系统和方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于检测工件中的缺陷，尤其而非专有地涉及检测航空器（aircraft）的部件中的缺陷的设备、系统和方法。
背景技术
尤其在运输工业中的现代设计的趋势，是要求材料越来越轻，同时经受住由于诸如增加的载荷、更快的运行速度和更紧张的工作时间表的因素导致的更大的应力和应变。例如，在蒸汽机的全盛期，在20-30年寿命中它们平均会行进1/4百万英里，而通过高速火车牵引单元以更大的平均速度在一年中一般就行进这个距离。在航空工业中，更快的往返已经成为在低票价结构（fare structure）下经济运行的关键，同时安全性要求也不断增加。减小交通工具重量的要求已经导致复合材料并且尤其是层压（laminated）材料的更多使用，而之前已经开发用于金属部件的许多无损测试技术相当不适用于检测复合（composite）部件中的缺陷，并且由于复杂的测试技术，测试可能花费大量的时间段来设置。
发明内容
本发明描述许多实施例，这些实施例用于减轻一个或多个这些问题。
从一个方面，本发明在于用于检测工件中的缺陷的设备，包括：
(a)宽带换能器，用于接触工件；
(b)驱动电路，可连接到换能器而以致动器（actuator）模式运行换能器；
(c)信号输出电路，可连接成以传感器模式运行换能器；和
(d)控制部，将换能器选择性地连接到驱动电路或信号输出电路。
设备优选包括数据接口和既形成控制又形成接口的微处理器。可将微处理器链接到模数转换器、数模转换器、数据存储器、无线连接和通信链接中的至少一个。
驱动电路可包括用来分别生成频率为F1和F2的信号的一对振荡器和用来对信号F1、F2求和以便为换能器提供驱动信号的加法器。
本发明还可包括一种缺陷检测系统，该系统包括在中央计算机中如上所述的设备的阵列，中央计算机通过通信链路链接到每个设备的接口。
计算机被布置成生成由通信链路发送的控制信号，以命令各个设备的控制部用致动器或传感器模式运行相关的换能器。阵列可以具有用于延伸横跨工件的栅格（grid）的形式，在这种情况下计算机可用时间反演模式运行设备，并可通过确定最靠近时间反演缺陷生成信号(timereverse defect generated signal)的聚集（focus）的传感器的位置来确定时间反演缺陷生成信号的位置。
设备可被嵌入工件中。
系统可另外包括诸如窄带致动器的专用致动器。
系统可另外包括专用传感器。
系统可监视通过处于传感器模式的至少一个设备接收的信号，用于输出信号中的诸如三次谐波的一个或多个谐波，并可产生输出以响应于该检测。
系统另外可包括电子电路来监视信号频率并可产生输出以响应于该检测。
从另一方面，本发明包括一种用于检测缺陷的系统，该系统包括多个换能器和一个通信链路，每个换能器具有接口和用于将至少一些换能器配置为传感器或致动器的配置设备，通信链路将接口连接到中央计算机，由此计算机能够经由接口命令配置设备来配置它们各自的换能器。
从再一方面，本发明包括一种检测工件中的微小裂缝或分层（de-lamination）的方法，该方法包括：将声波或超声波脉冲输入到工件中；检测工件中的综合（resultant）信号；监视信号以检测诸如脉冲频率的三次谐波的谐波的出现并由此检测微小裂缝或分层的存在。
该方法还可包括监视信号以检测谐波的相对振幅中的后续变化，诸如三次谐波的减小或消失，并由此检测即将发生的到结构性故障的转变。
在又一方面中，本发明包括一种检测工件中缺陷的方法，该方法包括以各自的频率F1和F2将两个信号输入到工件中以在工件中生成变化，用宽带接收机在工件上另一个位置检测综合输出，并监视一个或多个综合谐波、泛音或边带以确定缺陷存在与否。
本发明的还一方面包括一种检测工件中缺陷的方法，该方法包括：
(a)将声波或超声波信号输入到工件中；
(b)用不同力振幅的碰撞单次或连续地撞击工件；
(c)检测工件中的信号的频率；和
监视作为信号振幅的函数的检测信号的频率移动；
其中监视的步骤包括通过锁相环馈给检测信号，锁相环包括将声波输入频率作为其输入信号的压控振荡器VCO，并从VCO控制电压确定频率移动。
本发明的另外一方面包括一种检测工件中缺陷的方法，该方法包括将两个声波超声波脉冲输入到工件中，两个脉冲振幅相等相位相差180°，检测工件中的综合振动以生成各自的输出信号，对输出信号求和并监视求和信号的振幅以便确定缺陷存在与否。
从又一另外方面，本发明在于宽带压电换能器，该换能器包括：
(a)压电元件；
(b)声匹配前板；和
(c)含有环氧树脂垫块（backing block）的钨颗粒，用于在运行频率的范围内提供声衰减。
垫块可含有250、25和<1微米直径的钨颗粒。它可附加或可选地包括延伸通过至少一部分垫块的安装杆。安装杆优选是半刚性材料的。
虽然已在上面详细说明了本发明，但要理解的是本发明包括在上面或在下面的描述中陈述的特征的任何发明性组合。
附图说明
可用不同方式执行本发明，并且现在将参考附图、通过示例的方式描述特定实施例，其中：
图1是换能器单元的程式化视图；
图2是用于图1的设备的换能器单元的图；
图3和4是分别从图1中示出的实际单元类型的上面和下面的视图；
图5至8示出用于图1的设备的多种电子配置；
图9至12示出链接到中央计算机的用于不同测试模式的多种配置换能器设备；
图13(a)至(c)显示内含缺陷的测试工件上的许多设备位置；
图14(a)至(c)显示相应的输出；
图15(a)至(g)示出用于工件的换能器设备在传感器模式下的输出，通过处于发射模式的换能器设备以在工件上增大加载（loading）来激励工件；
图16(a)至(d)形成时间反演缺陷检测的顺序描述；
图17(a)至17(d)显示与另一个实施例相联系的波形；
图18示出非线性应力对应变的图；
图19显示综合波形失真的图；
图20示意性示出混凝土样本上的换能器配置；
图21是裂缝的和未受损的混凝土样本的照片；
图22显示来自图21的样本的测试结果；
图23是准备用于测试的混凝土样本的照片；
图24示出来自图23的样本的测试结果；
图25显示两个正弦波的组合；
图26示出从使用组合的正弦波产生的互调制分量（product）；
图27示出测试配置和测试样本；
图28和29是测试图27的样本的测试结果；和
图30显示之前在图21中显示的混凝土测试圆柱的略微受损区域的表面上获得的频谱图。
图31和32显示分别用于穿芯（through core）测试和表面芯测试的比较结果；和
图33是检测设备的示意性电路。
具体实施方式
用于检测工件中的缺陷的超声波技术广为人知并且采用多种换能器。在大多数布置中，至少使超声波换能器经过工件的表面将超声波脉冲发送到工件中并检测反射信号。在另一些示例中将发射器放在工件上的一个位置处并且工件上的一个或多个接收器检测综合信号。
换能器和接收器一般被设计成完全专用于特定目的，并倾向于只能够处理窄带信号。所使用的技术还可以是完全专用于工件的。所以当试图将这种技术用于复合材料时已经遇到问题。
与航空器有关的许多这些问题已经集合到一起，在航空器中完整性测试是极其需要的但存在增加使用复合材料以便减小重量和增大燃料效率的情况。已经提出许多提议，包括使用精确调谐的嵌入式换能器，但这些手段倾向于非常昂贵而不是专用组件并可以要求额外的计算来鉴别结果。
存在对更加灵活的、尤其是能够既快速又方便地确定组件是否具有缺陷的换能器和方法的需要。
申请人已经在这种关联中开发了许多手段，这些手段部分基于领悟到他们是否能够配置一种宽带超声波换能器，这种换能器能够作为发射器或接收器运行，于是这种换能器可以实施宽范围的技术，用户可以根据需要处理的问题来选择这些技术。通过提交设备使得该设备可用于模拟/数字模式，也可以在公共数据总线上布置许多这种换能器，公共数据总线克服了许多发射问题，尤其是因为数据的无线电发射一般不能与航空器关联而目前存在的问题。
应该意识到设备能够用期望的波形数据进行编程，并因此能够发射多种复杂的波形，已经评价过的一些示例是特定持续时间的正弦爆炸波（sine wave burst）、正弦爆炸波求和（sine wave sum burst）和扫频。参考图6，微处理器33与由独立计数器寻址的静态随机存取存储器（SRAM）相连，当设备正在对接收信号采样或者发射预编程的波形时A/D转换器31或D/A转换器32直接访问这个存储器，计数器为接收或发射的每个数据样本增加一。这种布置的特定优点是能够使计数器反向记数，即减去一。这已经直接应用于时间反演方法，由此已经记录在存储器中的接收信号数据按反演时间顺序被发射回工件中，优点是不需要将数据传递到任何其他设备或从任何其他设备传递数据。此外使用独立计数器的方法允许设备之间非常准确的同步，因为能够独立于微处理器而同步初始化记数。以精确的同一时间记录发射波形和全部接收信号，存在小的数据偏斜或任何数据偏斜。
微处理器能够给计数器实施预定序列的记数指令，由此允许在存储器空间的任何部分中存取或载入（fetch or load）数据。在使用需要为谐波内容而对数据滤波的时间反演技术时可有效地采用这个方法。
图1和2示出基本换能器组装件的多个方面。
正如在图2中更能看出的那样，换能器10包含安装在钨环氧垫12上的压电晶体11。载有弹簧的尼龙螺纹杆（spring loaded threaded nylonrod）13和螺母14用于将换能器固定到它的外壳中并在换能器被放置成与工件接触时提供力。电连接15也穿过垫12，同时匹配的前板16被安装在晶体11的前表面上。
压电部优选由环氧/锆钛酸铅（PZT）合成物组成，而PZT对环氧的比率可改变以匹配工件材料。例如工件由铝制成，铝具有12兆瑞利（MRayl）的声阻抗，而PZT/环氧元件也具有12兆瑞利的声阻抗，且钨/环氧垫材料同样具有12兆瑞利的声阻抗。通过这种布置在换能器中将不可能存在内部反射，因为它们全都声匹配。正是这种情况给出这种类型换能器的宽带性质。
环氧中的钨通常制成球体，球体具有根据打算使换能器用于的频率的单一尺寸。不过，对于要求大球体的更低频率，这尤其是不成功的，因为每单位体积仅能插入有限数量的球体。申请人已经明白通过具有一定范围的球体尺寸他们能够克服这种换能器的受限的频率范围，这不仅使他们能够实现期望的钨密度，而且为不同频率提供必要尺寸的球体。例如，含有250、25和小于1微米直径的钨颗粒的垫块（backing block）已经提供了特定的实际换能器。尼龙杆14的半刚性性质也是有效的，因为这不会在垫中引入谐振器。
正如所构想的，将换能器10安装在框架17中，具有有关的电路板18。这种整体盒组装件的示例在图3和4中显示，表示为19。
图5显示用于一个这种布置19的电路，在电路中始终利用模拟信号进行信号处理。换能器10能够对21处的继电器控制的多级开关而接收和发射信号。如果换能器10用做接收器，则如图5中所示对开关进行连接并且其输出信号传递到差动电荷放大器22并因此传递到另一个放大器和电平变换器23，放大器和电平变换器23的输出被馈给另一个开关24并因此馈给接口25，接口25可与数据总线相连。如果换能器处于发射模式，则切换开关24和21以形成分开的通道。在这种情况下发射信号经过放大器和电平转换器26和功率放大器差动输出27并从此通过开关21达到换能器10。从输出28上的接口25控制开关21、24的位置并且该接口还在29处提供必要的电源。还可以在输出30上调节放大器23、26的增益。
可以理解，因为换能器10能够在宽带上运行而因为可以经由接口25将它远程配置为发射器或接收器，所以申请人已经创造了用于缺陷检测的极其灵活的布置。
图6显示要收发的信号由各自的转换器31、32分别进行模数或数模转换的相应布置，微处理器33用做接口。换能器与放大器模块相连，基本上是对图5中的组件22、23、26和27的替代物。可以理解，使用数字信号的优点是易于利用中央计算机通信这些数字信号。
图7显示进一步的开发，其中控制电路包括正弦波发生器34、35用于以F1和F2生成各自的频率。这些可以在36处一起求和用于期望换能器10同时发射两个频率的实施例。
图8显示用于发射信号F1和F2的类似的“模拟”版本而其他方面相应于图5。
图9示出基本的系统配置。将两个单元19应用于工件37，右手边设置成发射而左手边设置成接收。两个单元19与例如数据总线的通信链路38相连，数据总线进而与本地计算机39相连，计算机39可通过因特网连接40与其他计算机或大型计算机相连。
图10示出与图9基本相同的可选布置，除了在41处单元19用于运行在42处示意性示出的致动器或锤（hammer）。
图11完全相应于图9，但认识到发射两个脉冲的可能性。
图12示出以横跨工件的阵列配置的单元19。在示出的特定设置中，将中央单元设置成发射而周围单元设置成接收。将意识到能够设立多种阵列，例如五乘五。
正如本领域技术人员将理解的那样，图9中示出的基本配置可用于典型的产业方式，在这种方式中设置成发射的单元19发射适当的谐振频率而接收单元记录谐振的衰减信号。如果存在缺陷则随着振幅衰减在频率中将存在移动。
本领域技术人员同样将熟悉时间反演的概念，但出于方便起见这在图16中陈述。申请人利用能够既运行成接收器又运行成发射器的换能器来建立极其灵活的阵列的能力比起理论可能性更能实现时间反演，并且能够在阵列中的任何点处生成初始导频信号（pilot signal）（图16中的源）。另外申请人已经明白如果以高功率进行时间反演转发（time reverseretransmission）则将在源的原点处释放相当大的能量。以这种方式可以在阵列下面的测试材料表面上的任何点处提供高度聚集的能量。如果在重新聚集位置自身处存在缺陷，则将生成谐波并且这些谐波将被周围单元19以及重新聚集点处的单元观察到。
回到图9配置，利用缺陷可以是图13(a)、(b)和(c)中示出的任何实例，将理解处于其各自的发射（T）和接收（R）模式的单元19之间的关系。相应的输出在图14(a)、(b)和(c)中显示。将尤其注意到在图14(a)和14(b)中在低度碰撞下三次谐波初始急剧上升，但接着在更高度的碰撞下随着二次谐波上升而下降。考虑上升的三次谐波表示工件处于微小裂缝的情况，但在分层发生时三次谐波下降而二次谐波快速上升。申请人因此已经开发出一种方法，该方法能够检测微小裂缝并将此与分层的发生区分开。他们不知道任何其他系统能够实现此事。效果也在图15的图形中示出。
图17示出另一种运行模式，其中等频率等振幅但相位移动了180°的两个脉冲被发射。图17(a)显示从工件接收的信号，该信号由脉冲生成，而图17(b)显示它们的求和输出。图17(a)和(b)示出不存在缺陷的情形。相反，图17(c)和(d)是存在缺陷的相应结果。将注意到在图17(d)中存在清楚的输出，而在图17(b)中信号基本为零。这个处理因此非常快速地提供显示缺陷存在的可读的输出，而不需要使用大量的计算和时间来进行大量的频率分析。在一种可选的布置中，从信号各自的最大振幅生成比率。比率的值表示缺陷存在与否。
观察到(a)处的波形基本上是三角形，而在(b)处波更多具有正弦波的形式。相信这是在相互锁扣（lock up）的测试片中未受损的碳纤维的结果，因此产生三角波，但当损坏已经发生时，这些碳纤维更加自由地移动因而有正弦波输出结果。两个波形之间的转变程度可提供损坏的早期指示。
在例如图9配置中的换能器的宽的带宽使换能器能够获取边带。这些边带的存在同样被确定为损坏的指示并可使用调制系数量化这些边带。在发射两个频率时通常生成这些边带。两个频率可以使用如上所述的电路从一个发射器19发射，或者可利用两个单独的发射器。
在图10中显示的布置中，使用高功率致动器来使工件弯曲并因此打开和关闭缺陷是已知的，但使用单元19来驱动工件特别有效，因为单元19使自身易于并入到控制系统中作为一个整体。
在利用碰撞锤的情况下，目前通常使用一部分波形的“窗”的傅立叶分析来确定衰减的脉冲中频率的综合变化，而这是非常耗时的。申请人提出应该使接收信号经过锁相环，锁相环使用输入频率作为参考频率并接着可以监视反馈信号，因为反馈信号将表示频率改变。因此将实时给出频率偏差。
扬声器也可用于使工件上升到谐振，于是在输入停止后，可以随着工件的振动逐渐消失而测量频率移动。
当将扫频应用于扬声器时，可以使用激光干涉仪来测量谐振峰。
将这个谐振频率应用成使工件上升到高振幅振荡。然后关断扬声器并随着振荡逐渐消失而测量频率移动。
混凝土结构的测试已经造成许多同样的问题。传统的超声波发射和脉冲回波方法具有局限性，这是由于混凝土的性质和成分导致的，因为它们引起多重反射和无方向的射线路径。
非线性声方法寻求确定在超声波传播穿过媒介的表面区域、或在表面区域上传播时超声波波形怎样改变。这些改变与应力应变关系和材料的滞后属性直接有关，并且不会过度地受射线路径的影响。在受损材料，尤其是具有微小裂缝的受损材料中，应力应变关系不服从虎克弹性定律，应力与应变不成比例，它不是线性的。另外，这些材料经常具有不对称的应力应变关系，即，对挤压力的反应与对张力的反应将具有不同的属性，这是裂缝在拉长或挤压加载下打开和关闭的结果。
在图18中示出用于非线性性态的应力应变曲线。非线性的结果是具有纯正弦波形式的任何应力加载在它穿过材料时都将产生失真的应变。这在图19中示出。如上所述，通过检查这个失真波形的频谱内容来测量这个失真的程度，二次、三次和更高次谐波将呈现并与损坏的量有关。可通过将复杂波形发射到材料中来实现对非线性效果的更大灵敏度，例如由两个正弦波的和构成的波形。任何非线性都将发生作用来产生被称为互调制分量（intermodulation product）的频谱中的大量频率成分。如果仅用一个换能器来发射这些复杂的波形则可以获得相当多的实际优点。为了实现这一点，开发出与测试材料声匹配的宽带换能器，该换能器不在内部或与混凝土接触的点处生成非线性效果，这些换能器在本文中详述的实验中使用。
在实际系统中使用声波测量材料中的非线性效果的最简单方法是测量在使纯音调（纯正弦波）发射穿过材料表面或发射到材料表面上时生成的谐波。这在下面的图20中示出，在图20中将发射器43和接收器44安装在工件45上。
通过检查接收信号的功率谱来测量谐波。将发射的频率（基波的）振幅与每个谐波频率的振幅进行比较。按照从基波下降的分贝（dB）来表达这些谐波，即低于基波振幅的分贝数。可以将这些值转换成表达为百分比的失真因素。
通过声波还可产生其他非谐波相关的频率，尤其在存在严重缺陷时，这些被称为泛音和噪声，它们是由声发射、滞后现象和其他效果产生的。下面的图21显示两个混凝土测试圆柱（尺寸300mm长，150mm直径）的照片。下面的图22显示通过在这两个混凝土圆柱的表面上发送50kHz正弦波获得的结果。在严重裂缝区域中生成的二次谐波清晰可见并具有高于1%的失真水平。三次和四次谐波不那么突出但具有高于0.5%的值。未受损的混凝土样本不产生任何清晰的谐波并由主要低于0.25%的噪声构成。
图23中的照片显示微受损的测试钻孔，超声波发射器在右边而接收器在左边。图24中频谱图的蓝色迹线显示在通过靠近裂缝的混凝土的路线上的发射和接收产生相对高水平的2、3和4，谐波高于0.5%。在离开裂缝的线路（以红色显示）上的发射和接收产生小谐波内容。
如果将不同频率的两个正弦波加到一起则获得的功率谱是不变的，这在下面的图25中示出。
由具有相等振幅不同频率f1和f2的两个正弦波的和构成的超声波可以表达为[sine(a)+sine(b)]，这里a=2πf1t并且b=2πf2t。如果使这个波形经过展现平方定律（square law）应变关系的材料。则获得的波形可以表达为：
A(t)＝[sin(a)+sin(b)]2
通过展开该公式给出：
A(t)＝sin2(a)+2sin(a)sin(b)+sin2(b)
使用标准三角恒等式….sin(a).sina(b)=1/2[cos(ab)-cos(a+b)]并注意到sine(a).sine(a)=1/2[cos(aa)-cos(a+a)]=1/2[cos(0)-cos(2a)]，这变成=1/2[1-cos(2a)]，因为cos(0)=1，于是A(t)的表达式变成：
A(t)＝1/2[1cos(2a)]+[cos(ab)cos(a+b)]+1/2[1cos(2b)]
重新整理为：
A(t)＝1+cos(a b)cos(a+b)-1/2cos(2a)-1/2cos(2b)
下面图26显示这个处理的图形表示。通过这个处理生成四个截然不同的频率和一个常数项，这四个频率是：f1和f2的二次谐波，即(2*f1)和(2*f2)。频率f1和f2的和以及差，即(f1+f2)和(f1-f2)。二次谐波的振幅是和频率和差频率的振幅的一半。由于在和频率和差频率的生成中存在更大变化，因此这些在非线性的指示中应提供更大灵敏度。如果正弦波形和要经受比平方定律应力应变关系更高阶的非线性，则许多其他的倍数（multiple）、和以及差组合产生，这些都将出现在频谱中。
图27显示靠着混凝土测试样本管（尺寸50×50×50mm）放置的发射器和接收器的照片。两个混凝土测试样本被选择并显示在这个图中，一个具有贯穿其整个长度的裂缝，另一个未受损。发射器包含以预编程（preprogrammed）的频率连续发送两个正弦波的和的一个压电宽带致动器。
图28显示已经穿过每个混凝土测试管的接收波形的时间和频谱图。两个频率的振幅的差异是由依赖于频率的混凝土的超声波衰减产生的，更高频率处损耗更大。用蓝色显示用于受损样本的数据，而用红色显示好样本。受损样本清楚地显示由裂缝已经生成谐波和互调制分量。160KHz处的上边带（f1+f2）对于好样本是低于0.5%，在受损样本中上升到高于1%。240KHz处f2的二次谐波从好样本中的56dB（0.16%）改变到在受损样本中上升到高于0.5%。谐波和互调制分量的组合的效果在200至350KHz频率范围内是非常值得注意。例如，2f2(240KHz)、2f1+f2(200KHz)、f1+2f2(280KHz)和2f1+2f2(320KHz)。结果是在这个范围内峰和谷的形成，相应于它们的频率和相位的相互作用，这个效果能够使好样本和坏样本之间的改变不易察觉。两个频率f2和f1的正确选择是重要因素。图29通过显示由两个不同频率组合产生的频谱进行例示，f1+f2由于f1的三次谐波(3*f1)的效果而减小。
图30显示之前在图21中显示的混凝土测试圆柱的略微受损区域的表面上获得的频谱图。在两个频率40和70KHz处执行这个测试。两个基波频率并未充分分开以形成清楚的频谱峰，不过互调制分量而尤其是f1+f2的两倍即2*(f1+f2)显示在受损区域中高于1%失真的非常清楚的峰。图31显示应用于微受损的钻孔的双频率。使双频率超声波波形在两个位置处发射通过样本，一个沿着裂缝，用蓝色显示，而另一个远离裂缝，用红色显示。两个位置之间的差异是非常清楚的。裂缝区域产生谐波并且互调制生成充分高于0.5%的失真因素而f1+f2高于1%。更小裂缝的区域的所有水平都低于0.5%，而对于高于250KHz的频率则低于0.25%。
图32显示相同芯但这次仅在一侧上测试，用字母R表示接收机位置并用字母T表示发射机位置。红色迹线相应于远离裂缝的位置而蓝色迹线相应于靠近裂缝的位置。在低频率处两个位置之间存在更小差异，但在更高频率处，高于300KHz，裂缝区域确实产生了显著的更高水平的互调制分量，尤其在3f2+f1（310KHz）处。
正如在图33中可以看出的那样，可通过信号发生器46给发射器43供电，并且接收器44可将其输出传输到监视器/比较器47，监视器/比较器47测量谐波和/或互调制分量的振幅以将它们与一个或多个预定水平（例如之前表示的0.5%和1%水平）进行比较。然后监视器/比较器47可产生通过或故障信号，或通过、检查或故障信号，这些信号可以通过指示器48例如使用红色和绿色光显示或红色、琥珀色、绿色显示来显示，如49处所示。

Claims (7)

1.一种检测工件中的缺陷的方法，包括：
在一位置将两个脉冲输入到工件中，所述脉冲振幅相等但相位相差180°，检测所述工件中的综合振动以生成各自的输出信号，监视所述输出信号的振幅以便确定缺陷存在与否。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述脉冲为超声波脉冲。
3.如权利要求2所述的方法，其中通过形成比率来对所述输出信号的各自的最大振幅进行比较，所述比率的值表示缺陷存在与否。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中对所述输出信号求和并监视所述求和信号的振幅以确定缺陷存在与否。
5.如权利要求2或3所述的方法，其中监视波形的转变以确定缺陷存在与否。
6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其中输入两个脉冲的步骤包括提供与工件接触的至少一个发射器。
7.如权利要求1～６中任一项所述的方法，其中检测综合振动的步骤包括提供与工件接触的至少一个接收器。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108008013A (zh) * 2016-10-31 2018-05-08 波音公司 复合结构的无损检查和性能预测方法、超声波成像系统及校准方法
CN112393999A (zh) * 2020-08-05 2021-02-23 万向一二三股份公司 一种软包电池硬度测试装置及其方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102507748A (zh) * 2011-11-15 2012-06-20 北京理工大学 平面腐蚀性缺陷几何形态阵列超声换能器装置
DE202012009675U1 (de) * 2012-10-10 2014-01-13 Ulrich Seuthe Vorrichtung zur Erkennung einer Rissbildung bei einem Bauteil infolge Induktionshärtens des Bauteils
CN102980945B (zh) * 2012-10-11 2015-01-14 北京工业大学 基于双谱分析的结构微裂纹混频非线性超声检测方法
JP6174409B2 (ja) * 2013-07-25 2017-08-02 京セラ株式会社 測定システム
WO2015168170A1 (en) 2014-04-29 2015-11-05 NLA Diagnostics LLC Apparatus and method for non-destructive testing of concrete
US10126271B2 (en) 2015-09-15 2018-11-13 NLA Diagnostics LLC Apparatus and method for non-destructive testing of materials
EP3435044A1 (en) * 2017-07-27 2019-01-30 Aif Management Bvba Apparatus and method for performing an impact excitation technique
US11906472B2 (en) * 2018-07-27 2024-02-20 Wisys Technology Foundation, Inc. Non-destructive concrete stress evaluation
CN115467378B (zh) * 2022-08-16 2024-01-30 江苏鸿基节能新技术股份有限公司 一种移动式地基基础工程智能无线检测设备

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4658649A (en) * 1985-06-06 1987-04-21 Combustion Engineering, Inc. Ultrasonic method and device for detecting and measuring defects in metal media
JP2000121613A (ja) * 1998-10-16 2000-04-28 Sumitomo Metal Ind Ltd 表面欠陥検出装置

Family Cites Families (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2007772A (en) * 1931-12-24 1935-07-09 Gen Electric Magnetic testing apparatus
US4581070A (en) * 1983-05-09 1986-04-08 Systems Research Laboratories, Inc. Multiphase backing materials for piezoelectric broadband transducers
JPS62240854A (ja) * 1986-04-14 1987-10-21 Mitsubishi Electric Corp 超音波探傷装置
US5269189A (en) * 1988-04-13 1993-12-14 Iowa State University Research Foundation, Inc. Method and means of transmitting and receiving broad-band unipolar, ultrasonic pulses for ultrasonic inspection
US4823609A (en) * 1988-06-23 1989-04-25 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ultrasonic method and apparatus for determining crack opening load
FR2642640B1 (fr) * 1989-02-08 1991-05-10 Centre Nat Rech Scient Procede et dispositif de focalisation d'ultrasons dans les tissus
US5203823A (en) * 1989-02-28 1993-04-20 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Detecting apparatus
JPH0781995B2 (ja) * 1989-10-25 1995-09-06 三菱電機株式会社 超音波探触子および超音波探傷装置
US5214955A (en) * 1991-08-26 1993-06-01 The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration Constant frequency pulsed phase-locked loop measuring device
US5351543A (en) * 1991-12-27 1994-10-04 The Regents Of The University Of California, Office Of Technology Transfer Crack detection using resonant ultrasound spectroscopy
FR2696573B1 (fr) * 1992-10-02 1996-08-30 Univ Paris Procede et dispositif d'examen acoustique a retournement temporel.
AU688334B2 (en) * 1993-09-07 1998-03-12 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Broadband phased array transducer design with frequency controlled two dimension capability and methods for manufacture thereof
US5578888A (en) * 1994-12-05 1996-11-26 Kulicke And Soffa Investments, Inc. Multi resonance unibody ultrasonic transducer
FR2749938B1 (fr) * 1996-06-13 1998-08-28 Fink Mathias Procede et dispositif de detection et de localisation de source sonore reflechissante
US5736642A (en) * 1997-01-08 1998-04-07 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Nonlinear ultrasonic scanning to detect material defects
US6312379B1 (en) * 1997-08-15 2001-11-06 Acuson Corporation Ultrasonic harmonic imaging system and method using waveform pre-distortion
FR2778462B1 (fr) * 1998-05-07 2000-07-13 Snecma Procede de controle ultrasonore en immersion de pieces a geometrie cylindrique
JP2000004411A (ja) * 1998-06-15 2000-01-07 Mitsubishi Electric Corp Ｆｍ放送受信可能な映像中間周波処理装置
JP2001318139A (ja) * 2000-05-01 2001-11-16 Hitachi Medical Corp 信号伝送回路及びそれを備えた計測装置
JP4484351B2 (ja) * 2000-10-20 2010-06-16 株式会社荏原製作所 非破壊検査方法および装置
JP3937755B2 (ja) * 2001-05-28 2007-06-27 松下電工株式会社 超音波美容器
US6831394B2 (en) * 2002-12-11 2004-12-14 General Electric Company Backing material for micromachined ultrasonic transducer devices
US6995500B2 (en) * 2003-07-03 2006-02-07 Pathfinder Energy Services, Inc. Composite backing layer for a downhole acoustic sensor
KR100784072B1 (ko) * 2003-09-22 2007-12-10 김형윤 구조물의 건전성 감시용 센서 및 시스템
US7322244B2 (en) * 2003-09-22 2008-01-29 Hyeung-Yun Kim Interrogation system for active monitoring of structural conditions
US7325456B2 (en) * 2003-09-22 2008-02-05 Hyeung-Yun Kim Interrogation network patches for active monitoring of structural health conditions
US6988410B2 (en) * 2003-10-24 2006-01-24 General Electric Company Inspection method and apparatus for determining incipient mechanical failure
US6975108B2 (en) * 2003-11-13 2005-12-13 Yuli Bilik Methods and devices for eddy current PCB inspection
US7817843B2 (en) * 2004-03-04 2010-10-19 The Boeing Company Manufacturing process or in service defects acoustic imaging using sensor array
US20050268720A1 (en) * 2004-06-03 2005-12-08 The Regents Of The University Of California Matrix switched phased array ultrasonic guided wave system
JP4430997B2 (ja) * 2004-07-13 2010-03-10 富士フイルム株式会社 超音波送受信装置
CN100462116C (zh) * 2004-07-29 2009-02-18 上海交通大学 功率超声换能器激励电路
US7319639B2 (en) * 2004-12-20 2008-01-15 Luna Innovations Incorporated Acoustic concealed item detector
US7267008B2 (en) * 2005-01-28 2007-09-11 Honeywell International, Inc. Drive, transmit & receive circuit for structural health monitoring systems
CA2510972C (en) * 2005-06-28 2013-05-14 Nimtech Inc. Advanced ultrasonic interferometer and method of non-linear classification and indentification of matter using same
US7546769B2 (en) * 2005-12-01 2009-06-16 General Electric Compnay Ultrasonic inspection system and method
WO2008005311A2 (en) * 2006-06-30 2008-01-10 Carnegie Mellon University Methods, apparatuses, and systems for damage detection

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4658649A (en) * 1985-06-06 1987-04-21 Combustion Engineering, Inc. Ultrasonic method and device for detecting and measuring defects in metal media
JP2000121613A (ja) * 1998-10-16 2000-04-28 Sumitomo Metal Ind Ltd 表面欠陥検出装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
上海市物理学会声学工作委员会: "《超声在工业上的应用》", 30 November 1964, 上海市科学技术编译馆 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108008013A (zh) * 2016-10-31 2018-05-08 波音公司 复合结构的无损检查和性能预测方法、超声波成像系统及校准方法
CN108008013B (zh) * 2016-10-31 2022-08-23 波音公司 复合结构的无损检查和性能预测方法、超声波成像系统及校准方法
CN112393999A (zh) * 2020-08-05 2021-02-23 万向一二三股份公司 一种软包电池硬度测试装置及其方法
CN112393999B (zh) * 2020-08-05 2024-04-30 万向一二三股份公司 一种软包电池硬度测试装置及其方法

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Soutis et al. A Lamb wave based SHM of repaired composite laminated structures
Sundaresan et al. Structural Health Monitoring Static Test of a Wind Turbine Blade: August 1999

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