CN104903720A - 超声相控阵探头 - Google Patents

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CN104903720A CN201380064053.3A CN201380064053A CN104903720A CN 104903720 A CN104903720 A CN 104903720A CN 201380064053 A CN201380064053 A CN 201380064053A CN 104903720 A CN104903720 A CN 104903720A
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R.H.科赫
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Abstract

超声探测组件探测在测试物体中的特征。超声探测组件包括定位在测试物体的外围表面附近的相控阵探头。相控阵探头包括多个换能器元件。相控阵探头的换能器元件将声束发射到测试物体中。声束能够通过相控阵探头而在测试物体内移动，来探测特征。还提供了一种利用超声探测组件探测在测试物体中的特征的方法。

Description

超声相控阵探头
技术领域
本发明大体涉及超声探测组件，并且更具体而言，涉及包括相控阵探头的超声探测组件。
背景技术
超声探测组件是已知的并用在许多不同应用中。超声探测组件用来例如检查测试物体并且探测/鉴别测试物体的特性，例如，腐蚀、空洞、包含物、长度、厚度等。为了精确地探测这些特征在测试物体内的位置，以前使用直束探头。直束探头将大体直的声束发射到测试物体中。使用楔子来提供从直束探头到测试物体中的倾斜声束。需要测试多个不同的角度(例如，3.5°、7°、10.5°、14°、17.5°、21°、24°等)，因为不是所有的特征均可用直束探头探测到。
在这些测试之后，使用DGS(距离、增益、尺寸)方法，基于比较关于各种角度的声束的幅度来确定测试物体中的特征的尺寸。DGS方法通常使用在测试物体中生成旋转地对称声场的直束探头。提供多次测试运行是耗费时间的，从而导致降低的生产率。而且，为各特定角度使用不同尺寸的楔子(或同时使用多个探头)是困难、昂贵、且耗时的。
由此，提供允许发射多个不同角度下的声束来探测测试物体内的特征的超声探测组件将是有益的。而且，能够以更精确的方式移动声束而无需具有特定角度(例如，例如3.5°、7°、10.5°、14°等)的楔子将是有益的。
发明内容
下面提出了本发明的简要总结以便提供对本发明的一些实例方面的基本理解。该总结不是本发明的广泛的概述。而且，该总结不意图鉴别本发明的关键元件也不描绘本发明的范围。总结的唯一目的为，以简化的形式提出本发明的一些内容，作为稍后提出的更详细说明的前序。
根据一方面，提供了一种用于探测测试物体中的特征的超声探测组件。超声探测组件包括相控阵探头，该相控阵探头定位在测试物体的外围表面附近。相控阵探头将声束发射到测试物体中。声束能够通过相控阵探头而在测试物体内移动，来探测特征。
根据另一方面，提供了一种用于探测在测试物体中的特征的超声探测组件。超声探测组件包括相控阵探头，该相控阵探头定位在测试物体的外围表面附近。相控阵探头包括构造为将声束发射到测试物体中的多个换能器元件。声束能够在测试物体内沿至少二维方向移动来探测特征。
根据另一方面，提供了一种利用超声探测组件探测在测试物体中的特征的方法。该方法包括将相控阵探头定位在测试物体的外围表面附近的步骤。该方法还包括将声束从相控阵探头发射到测试物体中的步骤。该方法还包括使声束在测试物体内移动来探测特征的步骤。
附图说明
在参照附图阅读下列说明后，对于本发明所涉及的领域的技术人员而言，本发明的前述和其他方面将变得显而易见。
图1是根据本发明的方面的，包括探测测试物体的特征的相控阵探头的实例超声探测组件的示意、透视图；
图2是部分地撕开来显示测试物体的内部部分的实例超声传感器组件的侧视立面图；
图3是相控阵探头的检查表面的端视图。
图4是相控阵探头的第二实例检查表面的端视图。
图5是在相控阵探头将旋转地对称的声束发射到测试物体中时的与图2相似的实例超声传感器组件的侧视正视图。
图6是包括用于将相控阵探头定位在测试物体附近的调整结构的沿着图2的线6-6的第二实例超声传感器组件的剖视图。
具体实施方式
在附图中描述和例示了包括本发明的一个或更多个方面的实例实施例。这些例示的实例不意图为对本发明的限制。例如，本发明的一个或更多个方面可用在其他实施例中或甚至其他类型的装置中。而且，某些术语仅出于便利性而在本文中使用，并且不应理解为对本发明的限制。而且，在附图中，采用相同的参考标号以用于指示相同的元件。
图1示出了根据本发明的一方面的实例超声探测组件10的透视图。超声探测组件10用于检查具有特征18(例如，空洞、包含物、厚度、裂缝、腐蚀等)的实例测试物体12。超声探测组件10包括相控阵探头20，相控阵探头20定位在测试物体12的外围表面14附近。相控阵探头20可通过将一个或更多个旋转地对称(例如，大体圆形)的声束引导入测试物体12中来探测特征18。为了提供测试物体12内的改善的探测，相控阵探头20可在测试物体12内沿多种方向移动(例如，操纵)旋转地对称的声束。
实例测试物体12包括管状轴，该管状轴具有在图1中的大体圆柱形形状。测试物体12在相反的端部之间延伸，并且可包括实心主体(如图所示)或非实心主体(例如，中空主体、导管等)。应当理解的是，为了易于例示，测试物体12在图1中被稍微一般地/示意地绘出。实际上，测试物体12可包括多种维度，例如比所显示的更长或更短，或具有更大或更小的直径。而且，测试物体12不限制于沿着线性轴线延伸的导管状结构，并且可包括弯曲、起伏、曲线等。
测试物体12的外围表面14提供该大体圆柱形形状。在其他实例中，测试物体12包括其他非圆柱形形状和尺寸。例如，测试物体12可具有非圆形剖面形状，例如具有方形或矩形剖面。再者，测试物体12可包括管状形状、圆锥形状等。测试物体12不限于轴、导管等，而作为替代可包括壁、平坦或不平坦表面等。测试物体12可用在多种应用中，包括零件(例如，发电机轴等)的检查、管线腐蚀监控等。因此，在图1中显示的测试物体12包括测试物体的仅一个可能的实例。
超声探测组件10还包括控制器15。控制器15被稍微一般地/示意地绘出。通常，控制器15可包括任意数量的不同构造。在一个实例中，控制器15借助于导线而操作地附接至相控阵探头20。然而在其他实例中，控制器15可与相控阵探头20无线通信。控制器15可通过导线(或无线地)从相控阵探头20发送和接收信息(例如，数据、控制指令等)。该信息可涉及测试物体12的特征(例如，腐蚀、壁厚、空洞、包含物等)、由相控阵探头20发射和/或接收的声束的特征等。控制器15可包括电路、处理器、运行程序、存储器、计算机、功率供应、超声波内容等。在其他实例中，控制器15包括用户界面、显示器、和/或用于允许使用者控制超声探测组件10的其他装置。
现转至图2，显示了测试物体12的局部撕开的侧视立面图。测试物体12包括内部部分16。内部部分16是基本实心的，然而在其他实例中，内部部分16可为至少部分地中空的和/或在其中包括开口。测试物体12的内部部分16可由多种不同材料形成，包括金属(例如，钢、钛等)、金属合金、和/或非金属(例如，混凝土等)。应当理解的是，虽然仅显示了测试物体12的内部部分16的一部分(即，撕开部分)，但是测试物体12的其余内部部分可在结构上与图2所示的内部部分16相似或相同。
测试物体12可还包括特征18。特征18被稍微一般地/示意地绘出，应当理解的是，特征18包括多个可能的结构、尺寸、形状等。例如，特征18包括腐蚀、空洞、包含物、缺陷、裂缝、厚度等。而且，虽然特征18被一般地绘出为四边形形状，但是特征18可同样地包括细长裂缝/缺陷、非四边形形状等。还应理解，图2绘出了用于示例性目的的一个特征，但是在其他实例中，特征18可同样地包括多个特征。特征18可定位在内部部分16内的任何位置处，例如，离相控阵探头20更近或更远，更接近测试物体12的一个端部等。
转至超声探测组件10的相控阵探头20，相控阵探头20是在相反的端部之间延伸的细长的、圆柱形探头。在其他实例中，相控阵探头20不限于在图2中显示的特定结构，并且可包括任何数量的不同尺寸和形状。相控阵探头20定位在测试物体12的外围表面14的附近。在一个实例中，相控阵探头20不移动地定位在测试物体12附近，使得相控阵探头20被相对于测试物体12静止地保持、附接等。
相控阵探头20包括检查表面22，检查表面22布置在相控阵探头20的端部处。检查表面22可为基本平坦的(如所显示)，或在其他实例中，可包括弯曲、曲线等，以匹配外围表面14的形状。在一个实例中，当测试物体12具有比跨过检查表面22的长度相对更大的直径时，检查表面22可为基本平坦的，使得检查表面22与外围表面14接触。通过定位在外围表面14的附近，检查表面22定位为与外围表面14接触。在另一实例中，检查表面22可定位在外围表面14的附近，但可不定位为与外围表面14接触。在这种实例中，检查表面22可与外围表面14间隔开一定距离，并且/或者可包括定位在一侧上的检查表面22与相反侧上的外围表面14之间(且接触)的其他结构。
现转向至图3，显示了相控阵探头20的检查表面22的实例。检查表面22包括与多个换能器元件24关联的大体圆形形状。如公知的，换能器元件24中的各个包括压电晶体。响应于电流对换能器元件24的施加，换能器元件24中的各个可沿从检查表面22向外的方向发射(例如，发送、传送等)声束。同样地，换能器元件24中的各个可接收声束，其响应地产生电流。
与检查表面22关联的换能器元件24例如通过线性地分段而侧向地间隔开。具体而言，换能器元件24可由节段26分离，节段26跨过检查表面22大体线性地延伸。节段26平行于彼此地延伸，使得换能器元件24配置为形成线性阵列。节段26可代表换能器元件24之间任何类型的分段/分离。例如，节段26可代表制造入检查表面22中的切口、刻痕、或相似的分离。在另一实例中，节段26代表分离地提供的换能器元件24之间的空间。节段26可更近地在一起或更远地分开，使得换能器元件24可分别更狭或更宽。
通过将换能器元件24提供为线性地分段，可导向/移动从检查表面22发射的声束。例如，换能器元件24中的各个将发出分离的声束。来自相邻换能器元件的声束的发送可被延迟(例如，时间移位)，使得形成结构干涉模式，这导致在某角度下发射的单个声束。基于根据该延迟和时间移位，来自换能器元件24的声束可从检查表面22有效地被移动/导向并且进入测试物体12中。在显示的实例中，声束可沿着二维方向27(一般地描绘作为箭头)移动。
现转向至图4，显示了相控阵探头20的检查表面122的第二实例。尽管可预想其他形状，但是在该实例中，第二检查表面122包括大体方形形状。第二检查表面122与多个第二换能器元件124关联。如公知的，第二换能器元件124中的各个包括压电晶体。如在上面所提出的，第二换能器元件124中的各个可在从第二检查表面122向外的方向上发射(例如，发送、传导、生成等)声束。同样地，第二换能器元件124中的各个可接收响应地产生电流的声束。
与第二检查表面122关联的第二换能器元件124配置为矩阵。具体而言，第二检查表面122包括配置成行和列的第二换能器元件124的矩形阵列。在显示的实例中，矩阵包括8x8矩阵，其带有八行第二换能器元件124和八排第二换能器元件124。当然，在其他实例中，第二检查表面122不限于包括8x8矩阵，并且可包括几乎任何尺寸(即，比所显示更大或更小)的矩阵。同样地，第二检查表面122不限于包括矩形阵列，并且可包括其他四边形形状阵列，或甚至非四边形形状阵列。
第二换能器元件124由节段126分离。节段126可从第二检查表面122的一侧到相反的第二侧大体线性地延伸。而且，节段126可在相邻的节段之间具有大体一致的间隔，使得第二换能器元件124具有基本相同的尺寸和形状(例如，方形形状)。当然，在其他实例中，节段126可以以任何数量的方式定向。例如，节段126可跨过第二检查表面122对角地成角度，使得第二换能器元件124包括非方形形状。
通过以矩阵的形式提供第二换能器元件124，从第二检查表面122发射的声束可为旋转地对称的。例如，第二换能器元件124中的一部分(即，少于全部)可被促动来发射分离的声束。在显示的实例中，主动元件124a将发出声束，而非主动元件124b可不发出声束。主动元件124a可形成指示为大体圆形组合130的大体圆形形状。主动元件124a的圆形组合130可朝第二检查表面122的中央配置。非主动元件124b可大体朝第二检查表面122的转角配置。在显示的实例中，主动元件124a可包括在第二检查表面122的各侧的中央处的四个换能器元件。但是，在其他实例中，圆形组合130可更小，使得更少的主动元件124将发出声束。
形成圆形组合130的主动元件124a将发出分离的声束。与在图3中显示的实例相似，声束从主动元件124a的发射可被延迟(例如，时间移位)，使得形成结构干涉模式，这导致在某角度下发射的单个声束。基于该延迟和时间移位，来自主动元件124a的声束可从第二检查表面122有效地被移动/导向并且进入测试物体12中。在该实例中，由主动元件124a生成和发射的旋转对称声束沿三维方向127(一般地描绘为箭头)被移动。同样地，旋转对称声束可在测试物体12内三维地移动。
应当理解的是，代表三维方向127的箭头包括仅两个垂直线(例如，向上/向下指向的第一线和从一侧指向另一侧的第二线)。然而，声束的移动不因此限于沿着三个方向(例如，上、下、左、右)移动。相反，声束的三维移动包括与用箭头代表的那些不同的方向，例如在相对于垂直线成角度的方向上移动。实际上，代表三维方向127的箭头仅意图显示从第二检查表面122发出的声束不限于图3的二维方向27。
现转至图5，现在将描述利用超声探测组件10探测测试物体12中特征的操作。如所显示，相控阵探头20定位在测试物体12附近。具体而言，相控阵探头20的检查表面(或第二检查表面122)与测试物体12的外围表面14接触。测试物体12包括定位在内部部分16内的特征。
最初，相控阵探头20将生成声束50并将声束50发射到测试物体12中。声束50可包括在上面关于图3或4描述的旋转对称声束。具体而言，图5中的相控阵探头20可包括检查表面22(图3)或第二检查表面(图4)中的任一个。
声束50可最初在第一声束位置50a中。第一声束位置50a可以以相对于检查表面22的角度延伸到内部部分16中。应当理解的是，第一声束位置50a不特别限于在图5中示出的位置，且可定位在内部部分16内的任何位置处。接着，相控阵探头20可移动声束50。例如，声束50从换能器元件24的发射可被延迟(时间移位)，来形成结构干涉模式。基于该延迟和时间移位，来自检查表面22的声束50可在内部部分16内被移动/导向。具体而言，声束50可沿着方向52移动，使得声束50将从第一声束位置50a移动至第二声束位置50b。
在声束50在测试物体12内移动时，声束50可探测内部部分16内的特征18。具体而言，声束50的回声可从特征18反射，于是回声由换能器元件24接收。与该回声相关的信息(例如，幅度、飞行时间等)可与已知的圆形盘反射器的回声信号比较。使用DGS图表，通过将回声幅度与记录在DGS图表上的圆形盘反射器的曲线的排列比较，可确定与特征18相关的信息。具体而言，由于来自检查表面22或第二检查表面122的声束50是旋转对称的，故仍可使用DGS方法，因为DGS方法依赖于旋转对称声场。
应当理解的是，第一声束位置50a和第二声束位置50b被稍微一般地/示意地描绘。实际上，在其他实例中，声束50沿着其移动的范围不限于在图5中显示的范围。在一个特定实例中，声束50可具有大约48°，相对于延伸穿过检查表面22的中心的垂直轴线从+24°至-24°的范围。当然，在其他实例中，声束50可具有更大或更小的范围。声束50的范围可取决于换能器元件的尺寸，使得更小尺寸的换能器元件允许较大的范围。
声束50在图5中的示为沿方向52移动，该方向52大体平行于测试物体12的轴向方向。但是，在其他实例中，相控阵探头20的旋转将导致声束50在不平行于测试物体12的轴向方向的其他方向上移动。例如，相控阵探头20可旋转90°，使得声束50的方向52基本横截测试物体12的轴向方向。在其他实例中，相控阵探头20包括第二检查表面122。因此，声束50能够沿三个维度移动。
现转向至图6，显示了超声探测组件110的第二实例。图6绘出了沿着图2的线6-6的剖视图。但是，在该实例中，第二超声探测组件110包括调整结构112。测试物体12与在上面关于图1至5描述的测试物体12大体相同。同样地，相控阵探头20也与在上面关于图1至5描述的相控阵探头20大体相同。因此，将不参照图6再次描述测试物体12和相控阵探头20。
在图6中显示的第二超声探测组件110是图2的剖视图。但是，第二超声探测组件110包括调整结构112，而图2未显示调整结构112。应当理解的是，图6与图2相似，并且还包括调整结构112。具体而言，出于说明的简易性并且为了更清晰地显示本发明的部分，第二超声探测组件110的剖视图显示为包括调整结构112。具体而言，第二超声探测组件110当在透视图中示出时将包括调整结构112。
第二超声探测组件110包括调整结构112。调整结构112作用为改善相控阵探头20与测试物体12之间的接触。例如，调整结构112包括第一表面113和第二表面114。第一表面113包括基本匹配检查表面22的尺寸和形状的尺寸和形状。例如，第一表面113具有匹配检查表面22的平面形状的大体平面形状。在其他实例中，第一表面113可包括匹配检查表面的非平面形状的其他非平面形状。实际上，检查表面可包括图3示出的检查表面22或图4示出的第二检查表面122中的任一个，其中第一表面113接合且接触检查表面22或第二检查表面122中的任一者。
调整结构112还包括第二表面114。第二表面114具有基本匹配测试物体12的外围表面14的尺寸和形状的尺寸和形状。例如，第二表面114包括弯曲、大体凹入表面，其接收且接触测试物体12的外围表面14。当然，第二表面114不由此限于图6示出的形状。作为替代，在其他实例中，测试物体12可具有比所示的更大或更小的直径。为了适应该更大或更小直径，第二表面114可具有更大或更小的凹度，使得第二表面114将接收测试物体12。
调整结构112可包括任意数量的材料。在一个实例中，调整结构112包括丙烯酸材料，例如，聚甲基丙烯酸甲酯(例如，Plexiglass?)等。调整结构112可为透明或不透明的，使得声束150可行进穿过调整结构112。
相控阵探头20将从检查表面22发射声束150并将其发射到测试物体12中。通过穿过第一表面113进入并然后穿过第二表面114离开，声束150可行进穿过调整结构112。调整结构112可由于折射而对声束150具有某些影响。具体而言，如在图6中所显示，声束150可通过行进穿过调整结构112改变方向。调整结构112对声束150的影响可比所示出的更大或更小，使得声束150的折射在其他实例中可更严重或较不严重。因此，声束150的该折射可通过了解调整结构112的特征(包括尺寸(厚度、凹度等)、材料类型等)来补偿。因此，声束150可以以与在上面关于图5描述的相似的方式移动，同时补偿由调整结构112引起的折射。
提供调整结构112允许相控阵探头20和测试物体12的增强的联接。在测试物体12具有与检查表面22的尺寸相比相对小的直径的实例中，提供调整结构112来减少检查表面22与测试物体12之间的间隙、空间等。在没有调整结构112的情况下，这些间隙、空间等可存在于检查表面22的边缘处。声束可通过从检查表面22前进穿过间隙、空间等，并然后前进入测试物体12中而失真或较不有效。通过包括调整结构112，声束150可不再需要前进穿过这些间隙，而是可在检查表面22和外围表面14不接触(或，不邻接彼此)的位置处行进穿过调整结构112。
已经参照在上面描述的实例实施例描述了本发明。在本说明书的阅读和理解后，其他人将想到修改和更改。包括本发明的一个或更多个方面的实例实施例意图包括所有的这种修改和备选，只要它们落入所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种用于探测在测试物体中的特征的超声探测组件，所述超声探测组件包括：
相控阵探头，其定位在所述测试物体的外围表面附近，所述相控阵探头构造为将声束发射到所述测试物体中，其中，该声束能够通过所述相控阵探头而在所述测试物体内移动，以探测所述特征。
2. 根据权利要求1所述的超声探测组件，其特征在于，所述相控阵探头在声束移动时不可移动地定位在所述测试物体的外围表面附近。
3. 根据权利要求2所述的超声探测组件，其特征在于，所述相控阵探头包括构造为发射声束的多个换能器元件。
4. 根据权利要求3所述的超声探测组件，其特征在于，所述多个换能器元件是线性地分段的。
5. 根据权利要求4所述的超声探测组件，其特征在于，所述线性地分段的换能器元件构造为生成并发射声束，该声束能够在所述测试物体内沿二维方向移动。
6. 根据权利要求3所述的超声探测组件，其特征在于，所述多个换能器元件配置为矩阵。
7. 根据权利要求6所述的超声探测组件，其特征在于，所述矩阵包括8x8矩阵。
8. 根据权利要求6所述的超声探测组件，其特征在于，在由所述多个换能器元件形成的所述矩阵内，由所述换能器元件形成的大体圆形的组合被构造为发射声束。
9. 根据权利要求8所述的超声探测组件，其特征在于，由所述换能器元件形成的所述大体圆形的组合被构造为生成并发射声束，该声束能够在所述测试物体内沿三维方向移动。
10. 根据权利要求1所述的超声探测组件，其特征在于，还包括调整结构，所述调整结构定位在所述相控阵探头与所述测试物体之间。
11. 根据权利要求10所述的超声探测组件，其特征在于，所述调整结构包括：第一表面，其基本上匹配所述相控阵探头的检查表面的形状；和相反的第二表面，其基本上匹配所述测试物体的外围表面的形状。
12. 一种用于探测在测试物体中的特征的超声探测组件，所述超声探测组件包括：
相控阵探头，其定位在所述测试物体的外围表面附近，所述相控阵探头包括多个换能器元件，所述多个换能器元件构造为将声束发射到所述测试物体中，其中，该声束能够在所述测试物体内沿至少二维方向移动，以探测所述特征。
13. 根据权利要求12所述的超声探测组件，其特征在于，所述相控阵探头在声束移动时不可移动地定位在所述测试物体的外围表面附近。
14. 根据权利要求12所述的超声探测组件，其特征在于，所述多个换能器元件是线性地分段的。
15. 根据权利要求14所述的超声探测组件，其特征在于，线性地分段的换能器元件构造为产生并发射声束，该声束能够在所述测试物体内沿所述二维方向移动。
16. 根据权利要求12所述的超声探测组件，其特征在于，所述多个换能器元件布置为矩阵。
17. 根据权利要求16所述的超声探测组件，其特征在于，在由所述多个换能器元件形成的所述矩阵内，由所述换能器元件形成的大体圆形的组合被构造为发射声束。
18. 根据权利要求17所述的超声探测组件，其特征在于，由所述换能器元件形成的所述大体圆形的组合被构造为生成并发射声束，该声束能够在所述测试物体内沿三维方向移动。
19. 一种利用超声探测组件探测在测试物体中的特征的方法，所述方法包括如下步骤：
将相控阵探头定位在所述测试物体的外围表面附近；
将声束从所述相控阵探头发射到所述测试物体中；和
使该声束在所述测试物体内移动来探测所述特征。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，使该声束移动的步骤包括使该声束在所述测试物体内沿三维方向移动。
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