CN104583769A - 超声相控阵列测试装置 - Google Patents

Abstract

超声换能器阵列中的多个超声换能器子集配置成以多种角度同时向测试对象发射超声波，以使能够高效地检测测试对象中的任何朝向的异常。

Description

超声相控阵列测试装置

技术领域

本文公开的主题涉及超声测试装置，更具体地来说涉及包括超声换能器阵列的测试装置。

背景技术

可以使用无创测试设备来检验测试对象以检测和分析对象中的异常。无创测试使得检验技术人员能够操控探头或传感器在测试对象表面附近以便执行对象表面及其底层结构的测试。无创测试的一个示例是超声测试。

在超声测试系统中，向超声探头传送电脉冲，其中通过超声探头中的一个或多个超声换能器（例如，压电元件）将这些电脉冲转换成超声脉冲。在工作过程中，电脉冲被施加到一个或多个超声换能器的电极，从而生成超声波，超声波被传送到探头所耦合到的测试对象。随着超声波传递通过测试对象，因为超声波与测试对象中的异常相互作用，发生称为回声的多种反射。反之，当超声波从测试对象反射回并超声换能器的压电表面接收到时，它导致换能器振动，从而生成电极两端的电压差，该电压差被信号处理电子元件检测为电信号并接收。通过跟踪电脉冲的传送与电信号的接收之间的时间差，并策略接收的电信号的振幅，能够确定异常的多种特征（例如，深度、尺寸和朝向）。

相控阵列超声探头在单个阵列中具有多个电学和声学上独立的超声换能器。通过使用延迟定律改变施加到超声换能器的电脉冲的定时，相控阵列超声探头能够以不同角度（例如，按2度增量从0度到180度）生成超声波通过测试对象以尝试检测异常和识别这些异常的朝向。例如，为了以30度生成超声波，可以在第一值配置中设置相控阵列超声探头的超声换能器的传送延迟。然后为了以32度生成超声波，可以在第二值配置中设置相控阵列超声探头的超声换能器的传送延迟。这种以每个不同角度依序生成然后接收超声波是非常耗时的，并且导致测试对象的漫长检验时间，尤其是需要在测试对象上的不同位置处进行180度扫描的情况下。

上文论述仅是针对常见的背景信息而提供的，无意用作帮助确定要求保护的发明主题的范围。

发明内容

超声换能器阵列中的多个超声换能器子集配置成以多种角度基本同时向测试对象传送超声波，以使能够高效地检测测试对象中的任何朝向的异常。可以在超声测试装置的一些公开实施例的实施中实现的一个优点是超声能量的同时多方向传送减少了检验时间。

在一个实施例中，超声换能器阵列包括第一和第二子集的超声换能器，其中第一子集不同于第二子集。传送器控制模块连接到第一和第二子集的超声换能器，并且包括控制模块，该控制模块具有第一组延迟，所述第一组延迟用于控制第一子集的超声换能器发射的超声脉冲的定时。该控制模块还包括第二组延迟，所述第二组延迟用于控制第二子集的超声换能器发射的超声脉冲的定时。第一子集的超声换能器以第一角度发射超声波，基本同时地第二子集的超声换能器以第二角度发射超声波。

在一个实施例中，超声探头包括第一和第二子集的超声换能器，其中第一子集的超声换能器不同于第二子集的超声换能器。连接到第一和第二子集中的每个超声换能器的控制线根据第一组延迟控制第一子集的超声换能器发射的超声脉冲的定时以及根据第二组延迟控制第二子集的超声换能器发射的超声脉冲的定时。第一子集的超声换能器以第一角度传送超声波，基本同时地第二子集的超声换能器以第二角度传送超声波。

在一个实施例中，一种操作超声测试装置的方法包括基于第一组传送延迟向阵列中的第一子集的超声换能器传送第一组电脉冲，以及基于第二组传送延迟向阵列中的第二子集的超声换能器传送第二组电脉冲。第一和第二子集的超声换能器是不同的。然后，第一子集的超声换能器以第一角度向测试对象传送第一超声波，其中所述角度由第一组传送延迟确定。同时，第二子集的超声换能器以第二角度向测试对象传送第二超声波，其中所述第二角度由第二组传送延迟确定。

本发明的此发明内容仅旨在提供根据一个或多个说明性实施例的本文公开的主题的概述，并不作为解释权利要求或定义本发明的范围的引导，本发明的范围仅由所附权利要求限定。提供此发明内容以简化的方式介绍这些概念的说明性选择，并在下文具体实施方式中予以进一步描述。此发明内容无意标识要求权利的主题的关键特征或本质性特征，也无意用作确定要求权利的主题的范围的协助。该要求权利的主题不限于解决背景技术中提到的任何一个或全部缺点的实现。

附图说明

作为能够理解本发明的特征的方式，本发明的详细描述是参考某些实施例，而附图中图示了其中一些。但是要注意，要注意附图仅图示本发明的某些实施例，因此不应视为对其范围的限制，对于本发明的范围，涵盖其他等效的实施例。这些附图不一定按比例绘制，而是着重于图示本发明的某些实施例的特征。在这些附图中，多个不同视图中相似的数字用于指示相似的部件。因此，为了进一步理解本发明，可以结合附图来阅读参考下文的详细描述，在这些附图中：

图1是扫描测试对象的超声换能器的示范二维阵列的示意图；

图2是用于控制超声换能器阵列的示范信号处理系统的示意图；以及

图3是操作超声检验装置的方法的流程图。

具体实施方式

图1是其传送的超声波105、107指向测试对象120的示范二维超声换能器阵列102的示意图。图2是用于控制图1的超声换能器阵列102的示范信号处理系统200的示意图。典型地，超声换能器阵列102设在探头内（未示出）作为超声测试系统的一部分，但是在图1中以示意图形式示出。超声换能器阵列102中的换能器101的布置（如图1所示为8×8阵列）无意限定可能的配置，这是因为换能器101的数量和布置能够采用多种数量和布局。

每个换能器101能够沿着根据换能器101的朝向固定的方向对测试对象120（例如，穿过水塔）传送超声脉冲106。来自多个换能器101的多个超声脉冲106以预定角度产生超声波。每个换能器101还接收从测试对象120反射的超声波。超声波的传送和接收由如下描述的信号处理系统200来控制。通过控制来自超声换能器阵列102中选定子集的换能器101的超声脉冲106的定时，能够将传送的脉冲106调整成定向超声波105、107。

由信号处理系统200来控制示范第一子集103的换能器101以便按调整的时间延迟关系传送超声脉冲或脉冲训练，以便以第一组传送延迟确定的第一角度传送指向测试对象120的第一超声波105。相似地，由图2的信号处理系统200来控制不同于第一子集103的第二子集104的超声换能器101以便按调整的时间延迟关系传送超声脉冲，以便以第二组传送延迟确定的不同于第一角度的第二角度传送指向测试对象120的第二超声波107。示例超声波105和107基本同时地传送以便高效地扫描测试对象120。可以相似地选择和调整超声换能器阵列102中的其他子集的换能器101（包括任何数量和组合的换能器101）以便同时以多种预定角度范围（例如，0至360度）传送超声波。预定的角度范围可以包括对应于以测试对象中不同路径为目标的不同超声波的设置。对每个子集的换能器101的该组传送延迟的受控调整确定超声波传送的角度，并且因此确定超声波撞击测试对象120的角度。这种时间脉冲整形的过程还控制超声波波阵面的特征，例如其频率。因此，能够以可编程方式选择超声换能器阵列102中的多个子集的换能器101，并且每个子集独立地与不同组的传送延迟进行调整以便以多个超声波瞄准测试对象120。通过同时将这些超声波指向测试对象的预定测试区域处，能够提高测试效率。还将理解的是，可以利用一个或多个后续延迟组来使用不同的延迟值以检测一块材料内的不同深度的异常。

再次参考图1，其中图示超声波105、107限定的示范测试区域，即穿过测试对象120的材料的“切片”。异常110和111分别位于超声波105、107限定的切片中，并生成反射的超声波，由超声换能器阵列102接收且由图2的信号处理系统200分析反射的超声波。可以使用以不同角度同时传送的一个或多个超声波来检测异常110和111在测试对象120中的位置和朝向。通过将传送的超声波与接收反射的超声波相关，能够确定异常的位置和朝向。因此，能够从超声换能器阵列102以不同角度同时传送超声波促成高效超声测试系统配置和方法。

一般来说，当反射的超声波的幅度与预期的量级偏离时指示异常。可以预先确定阈值偏离量并将其编程到图2的信号处理系统200中，如下文解释，以便在检测到异常时发出提示信号。提示信号可以包括可听信号或存储的标志以供后来处理。测试效率上的增益通过以预定的模式同时传送定时的超声脉冲以使多个超声波以多种角度撞击测试对象来实现。例如，备选传送模式可以包括环形或螺旋形模型。超声脉冲的预先设计的传送模式包括一系列传送/接收扫描周期，其快速地测试组成区域以检查测试对象120中是否存在具有多种朝向的异常。

参考图2，其中图示通过控制线路210连接到图1的超声换能器阵列102的信号处理系统200。虽然图2中仅示出4个代表性控制线路210，但是超声换能器阵列102中的每个换能器101通过控制线路连接到处理系统，其中每个控制线路210用于向超声换能器阵列102传送电信号以及从超声换能器阵列102接收电信号。将理解的是，信号处理系统的模块可以包括多种不同的装置，包括现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）等。

信号处理系统200包括传送器控制模块231。传送器控制模块231通过控制线路210将电脉冲发送到超声换能器阵列102中的换能器101，换能器101将电脉冲转换成超声脉冲。传送器设置模块232将每个换能器101的传送延迟提供到传送器控制模块231以调整每个子集的换能器101用于以预定撞击角度传送超声波的定时关系。信号处理系统200还包括连接到传送器设置模块232的周期控制模块241，以便调整和相关传送的超声波以不同撞击角度的传送。除了连接到传送器控制模块231外，超声换能器阵列102的每个换能器101连接到放大器221、滤波器222和A/D转换器223，以用于从测试对象接收反射的超声波并将其数字化。反射的超声波是由相同超声换能器阵列102传送的超声波产生的。

信号处理系统200还包括连接到A/D转换器233的多个加法器模块233，以用于接收表示从测试对象反射的超声波的数字化数据。加法器模块233可以根据超声测试系统采用的任何具体测试方案的处理要求采用多种组合连接到A/D转换器223以接收超声换能器阵列102的数字化输出。来自每个加法器模块233的输出可以被接收以在连接的评估单元242处立即进行处理，或可以将其记录在连接到每个加法器模块233的接收器存储模块234中以供后来处理。加法器模块233可以接收来自接收器设置模块235的输入，其中包含如上文描述的与传送器设置模块232中调整的传送延迟组合导出的延迟数据，在周期控制模块241的控制下，用于管理用于生成超声脉冲的定时脉冲与接收反射的超声波之间的适合延迟相关性。

评估单元242连接以接收来自加法器模块233的输出且连接到周期控制模块241，评估单元242分析数字化超声数据并生成A扫描信息作为对处理电子元件250的输出。可以将用于触发异常确定的阈值偏离量级编程到评估单元242中，以便将异常指示包含在A扫描输出中。评估单元242可以配置成从每个加法器模块233接收数据以用于立即处理，或它们可以从接收器存储模块234接收先前存储的数据。处理电子元件250可以包括用于管理信号处理系统200的输入/输出的个人计算机或数字信号处理器（DSP）（其包括往返于超声换能器阵列102的控制和接收数据）、存储装置、用于技术人员的用户接口（包括用于如何处理或发出检测到异常的提示的选择控件，以及用于管理测试对象的已处理扫描数据的显示）。

图3是操作超声检验装置的方法的流程图。在步骤310处，信号处理系统200基于第一组传送延迟向超声换能器阵列102中的第一子集103的超声换能器101传送第一组电脉冲。在步骤320处，信号处理系统200基于第二组传送延迟向超声换能器阵列102中的第二子集104的超声换能器101传送第二组电脉冲，其中第二子集的超声换能器101不同于第一子集的超声换能器101。可以从传送器设置模块232访问第一和第二组传送延迟。信号处理系统200可以基于附加存储的多组传送延迟向超声换能器阵列102中的更多不同子集104的超声换能器101传送附加多组电脉冲。由此，第一和第二组传送延迟的本文描述不应按限制意义来解释。

在步骤330处，第一子集103的超声换能器101基于第一组传送延迟以第一角度向测试对象120传送第一超声波105。在步骤340处，第二子集104的超声换能器101基于第二组传送延迟以第二角度向测试对象120传送第二超声波107，其中第一超声波105和第二超声波107基本同时被传送。在步骤350处，信号处理系统200从测试对象120接收多个反射的超声波，其中反射的超声波源于第一超声波105和第二超声波107。在步骤360处，信号处理系统200基于多个反射的超声波确定测试对象120中异常110、111的朝向和位置。

鉴于前文，本发明的实施例通过以变化的角度同时向测试对象传送超声波以检测具有任何角度的朝向的异常以提高分量测试效率。技术效果是传送具有复杂超声波的超声能量以及接收反射的超声波的最终处理。

正如本领域技术人员将认识到的，本发明的多个方面可以作为系统、方法或计算机程序产品来实施。相应地，本发明的多个方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例（包括固件、驻留软件、微代码等）或组合可以全部通称为“电路”、“模块”或“系统”的软件和硬件方面的实施例的形式。再者，本发明的多个方面可以采用包含在其中包含有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读介质的计算机程序产品的形式。

可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。该计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是例如但不限于，电、磁、光、电磁、红外线或半导体系统、设备或装置或前面的任何适合的组合。计算机可读存储介质的更具体示例（非穷举列表）包括如下：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦写可编程只读存储器（EPROM或闪存存储器）、光纤、便携式压缩光盘只读存储器（CD-ROM）、光存储装置、磁存储装置或其任何适合的组合。在本文件的上下文中，计算机可读存储介质可以是能够包含或存储被指令执行系统、设备或装置使用或与之结合来使用的程序的任何有形介质。

计算机可读介质上包含的程序代码和/或可执行指令可以使用任何适合的介质来传送，这些适合的介质包括但不限于，无线、有线、光纤电缆、RF等或前面的任何适合的组合。

可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写用于实现本发明的多个方面的操作的计算机程序代码，该一个或多个编程语言包括如Java、Smalltalk、C++等的面向对象的编程语言以及如“C”编程语言或类似编程语言的常规过程编程语言。该程序代码可以完全在用户的计算机上执行，部分地在用户的计算机（设备）上执行，作为单独运行的软件包来执行，部分地在用户的计算机上以及部分地在远程计算机或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况中，该远程计算机可以经由任何类型的网络连接到用户计算机，该任何类型的网络包括局域网（LAN）或广域网（WAN），该连接可以（例如，使用因特网服务提供商经由因特网）连接到外部计算机。

本文中参考根据本发明的实施例的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图图示和/或框图来描述本发明的多个方面。将理解流程图图示和/或框图中的每个框和/或流程图图示和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令来实现。可以将这些计算机程序指令提供到通用计算机、专用计算机、其他可编程数据处理设备的处理器以制造机器，以使由计算机和/或其他可编程数据处理设备的处理器执行的这些指令创建用于执行这些流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的设备。

这些计算机程序指令还可以存储在能够引导计算机或其他可编程数据处理设备或其他设备以特定方式实现功能的计算机可读介质中，以便存储在该计算机可读介质中的指令制造包含实现该流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的指令的制造品

还可以将这些计算机程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他设备上，以使一系列操作步骤在该计算机、其他可编程设备或其他设备上执行以产生计算机实现的过程，以便该计算机或其他可编程设备上执行的这些指令提供用于实现该流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的过程。

本文编写的描述使用示例来公开本发明，包括最优实施例方式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求定义，并且可以包括本领域技术人员设想的其他示例。如果此类其他示例具有并无不同于权利要求的文字语言的结构元素或此类其他示例包含与权利要求的文字语言无实质性差异的等效结构元素，则此类其他示例应在权利要求的范围内。

Claims (17)

1. 一种超声测试装置，其包括：

超声换能器阵列，所述超声换能器阵列包括第一子集的超声换能器和第二子集的超声换能器，其中所述第一子集的超声换能器不同于所述第二子集的超声换能器；以及

连接到所述第一子集的超声换能器中的每个和所述第二子集的超声换能器中的每个的传送器控制模块，所述传送器控制模块包括用于控制所述第一子集的超声换能器传送超声脉冲的定时的第一组延迟和用于控制所述第二子集的超声换能器传送超声脉冲的定时的第二组延迟；

其中所述第一子集的超声换能器传送的第一超声波包含第一角度，以及所述第二子集的超声换能器传送的第二超声波包含第二角度，以及其中所述第一超声波和所述第二超声波基本同时被传送。

2. 如权利要求1所述的超声测试装置，其中所述超声换能器阵列还包括附加子集的超声换能器，以及其中所述传送器控制模块包括附加组延迟，从而所述附加子集的超声换能器中的每个以不同角度传送超声波，以使所有子集的超声换能器传送的超声波包含预定的角度范围。

3. 如权利要求2所述的超声测试装置，其中所述预定的角度范围包括约0至360度的范围。

4. 如权利要求2所述的超声测试装置，其中所述预定的角度范围定义测试对象的预定测试区域。

5. 如权利要求2所述的超声测试装置，其中所述预定的角度范围包括对应于以测试对象中不同路径为目标的不同超声波的设置。

6. 如权利要求1所述的超声测试装置，其中所述第一角度和所述第二角度分别由所述第一组延迟和所述第二组延迟确定。

7. 如权利要求1所述的超声测试装置，其还包括连接到所述传送器控制模块的传送器设置模块，其中所述传送器设置模块提供所述第一组延迟和所述第二组延迟。

8. 如权利要求1所述的超声测试装置，其还包括连接到所述第一子集的超声换能器和所述第二子集的超声换能器中的每个超声换能器的放大器、滤波器和模数转换器。

9. 如权利要求4所述的超声测试装置，其还包括接收器存储模块，用于存储表示从所述测试对象反射的超声波的数据。

10. 一种超声探头，其包括：

超声换能器阵列，所述超声换能器阵列包括第一子集的超声换能器和第二子集的超声换能器，其中所述第一子集的超声换能器不同于所述第二子集的超声换能器；以及

连接到所述第一子集的超声换能器中的每个和所述第二子集的超声换能器中的每个的控制线路，所述控制线路接收用于控制所述第一子集的超声换能器传送超声脉冲的定时的第一组延迟和用于控制所述第二子集的超声换能器传送超声脉冲的定时的第二组延迟；

其中所述第一子集的超声换能器传送的第一超声波包含第一角度，以及所述第二子集的超声换能器传送的第二超声波包含第二角度，以及其中所述第一超声波和所述第二超声波基本同时被传送。

11. 如权利要求10所述的超声探头，其中所述超声换能器阵列还包括附加子集的超声换能器，以及其中所述控制线路接收附加组延迟，从而所述附加子集的超声换能器的每一个以不同的角度传送超声波，以使所有子集的超声换能器传送的超声波包含预定的角度范围。

12. 如权利要求11所述的超声探头，其中所述预定的角度范围包括约0至360度的范围。

13. 如权利要求11所述的超声探头，其中所述预定的角度范围定义测试对象的预定测试区域。

14. 如权利要求10所述的超声探头，其中所述第一角度和所述第二角度分别由所述第一组延迟和所述第二组延迟确定。

15. 一种操作超声测试装置的方法，所述方法包括如下步骤：

基于第一组传送延迟向阵列中的第一子集的超声换能器传送第一组电脉冲；

基于第二组传送延迟向所述阵列中的第二子集的超声换能器传送第二组电脉冲；其中所述第二子集的超声换能器不同于所述第一子集的超声换能器；

基于所述第一组传送延迟，从所述第一子集的超声换能器以第一角度向测试对象传送第一超声波；以及

基于所述第二组传送延迟，从所述第二子集的超声换能器以第二角度向测试对象传送第二超声波，

其中所述第一超声波和所述第二超声波基本同时被传送。

16. 如权利要求15所述的方法，还包括如下步骤：

从所述测试对象接收多个反射的超声波，其中所述反射的超声波来自所述第一超声波和所述第二超声波；以及

基于所述多个反射的超声波确定所述测试对象中异常的朝向。

17. 如权利要求15所述的方法，还包括从传送器设置模块访问所述第一组延迟和所述第二组延迟的步骤。