CN110114666B - 用于非破坏性表征材料的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于非破坏性表征材料(2)的设备(100)，该设备(100)包括发射器/接收器单元(10)，每个单元(10)在发射模式中被配置用于向待被表征的材料(2)发射超声波，并且在接收模式中，用于接收穿过所述材料(2)传输的超声波，该非破坏性表征设备(100)包括由多个相邻的角度扇区组成的环，每个角度扇区包括在环的径向方向(DR)上堆叠的发射器/接收器单元(10)。

Description

用于非破坏性表征材料的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于非破坏性地表征材料的设备和由该设备执行的非破坏性表征方法。
背景技术
非破坏性测试(NDT)和表征方法非常重要，特别是在汽车、健康或实际上航空领域。这些方法可用于表征部件(例如飞机机翼、发动机部件)、结构(例如多晶结构、多层结构)的完整状态，更一般地说，例如，在生产、使用或维护期间，表征材料在其生命周期中任何时间的完整状态。这些方法的使用在航空领域甚至更为重要，因为所讨论的结构，无论是单件还是组件，都需要呈现满足极其严格标准的特性。
各种已知的方法在于将超声激励作为来自换能器的发射应用到待表征的材料中，然后经由换能器的一个或多个接收元件检测材料的信号特征，该信号由超声激励产生。
举例来说，文献EP2440140描述了一维条带形式的超声换能器，其材料的特征在于超声波穿过材料的传播。然而，这种换能器不适合于在三维空间的所有方向上表征材料。然而，发现这种表征是必要的，特别是对于表征各向异性的材料。可以设想用于解决该问题的解决方案可以包括手动移动换能器，或者实际上提供用于移动换能器的机械组件，以占据各种三维或角度配置。然而，发现这种解决方案是有限的，因为它涉及制造复杂的机械组件，在进行测量时换能器以近似且不是非常精确的方式定位，并且还需要长时间来表征材料，因为对于每个测量方向，需要手动或机械地移动这种换能器。
在现有技术中也已知使用以发射器/接收器元件阵列形式制成的超声换能器。举例来说，文献WO2015/011383特别描述了一种发射器/接收器元件阵列形式的换能器，其可以被选择性地激活，以便形成提供十字形式的图案的检测表面。这种换能器尤其可以用于通过分析在焊接区域上反射的超声波来测试焊接区域。由于其阵列形状，这种解决方案需要大量的发射器/接收器元件。然而，这些元件中的一些并不总是用于形成换能器的检测表面。然后发现这样的换能器在制造成本方面是昂贵的，因为构成它的大量元件。此外，这种换能器中的大量接收器元件涉及获取大量数据，这可能减慢待表征的材料的测试，特别是在将该数据传送到后处理单元时。
具体地，当前用于表征材料的解决方案不能提出同时可靠、准确、快速和廉价的超声换能器。
发明内容
本发明的目的是弥补上述缺点。
为此，本发明提出了一种用于非破坏性地表征材料的表征设备，该设备包括发射器/接收器单元，每个单元被配置为在发射模式中向用于表征的材料发射超声波，并且在接收模式中接收已经穿过所述材料传输的超声波，该非破坏性表征设备包括由多个相邻的角度扇区组成的环，每个角度扇区包括在环的径向方向上堆叠的超声波单元，该设备还包括控制装置，该控制装置包括：
-第一选择器模块，其被配置为选择角度扇区作为发射角度扇区；
-第二选择器模块，其被配置为选择相邻角度扇区的集合作为接收角度扇区，第二模块被配置为在与发射角度扇区径向相对的角度范围内选择所述集合；
-第一开关模块，其被配置为将接收角度扇区中的所有单元切换到接收模式；和
-第二开关模块，其被配置为在发射角度扇区中交替地一次将一个单元切换到发射模式；
控制装置被配置为针对不同的角度扇区致动模块。
有利地，非破坏性表征设备的环在其中心是中空的，即没有任何发射器/接收器单元。因此可以将环放置成与用于表征的材料接触或围绕用于表征的材料。另外，可以单独选择这种设备的发射器/接收器单元并控制它们以切换到发射模式或切换到接收模式。因此，可以使用设备的环，顺序地或者组合地执行径向扫描以及围绕用于表征的材料转动的扫描。因此，可以在任何角度方向上表征材料，而不需要在进行每次角度测量之后移动材料或移动表征设备，这可以通过切换发射器/接收器单元来实现。因此，该设备可以避免寻求在不同方向上表征材料的复杂机械组件，并且使得可以获得比机械组件更高的测量精度。然后，每当用于测试的材料呈现结构对称性时，这样的设备呈现减小的整体尺寸，还呈现减少构成它的发射器/接收器单元的数量的可能性。因此，这种设备可以减轻重量，用于处理的数据量可以更小，并且可以提高测量的精度，同时还降低了制造成本。另外，由于仅通过切换发射器/接收器单元来执行两次测量之间的转换，因此这种设备能够大大节省用于进行测量以表征材料的时间。
在另一方面，在表征设备中，每个角度扇区具有相同数量的单元。
在另一方面，在表征设备中，环包括第一角度范围和第二角度范围，第一角度范围的每个角度扇区具有单元的数量小于第二角度范围的角度扇区中单元的数量。
在另一方面，在表征设备中，第一角度范围和第二角度范围的角度扇区从环的相同内圆周边缘延伸。
在另一方面，在表征设备中，第一角度范围和第二角度范围的角度扇区从环的相同外圆周边缘延伸。
在另一方面，在表征设备中，第一角度范围小于或等于180°。
在另一方面，在表征设备中，第一角度范围严格大于180°。
本发明还提供了一种用于非破坏性地表征材料的表征方法，该方法由如上所述的非破坏性表征设备执行，该方法包括：
a)定位设备与所述材料接触或围绕所述材料的步骤；
b)选择角度扇区作为发射角度扇区；
c)选择相邻的角度扇区的集合作为接收角度扇区，所述集合在与发射角度扇区径向相对的角度范围内选择；
d)将接收角度扇区的所有单元切换到接收模式；
e)通过发射模式中的单元向所述材料发射超声波的步骤，从而产生穿过所述材料传输的超声波；
f)接收模式中的单元接收穿过所述材料传输的超声波的步骤；和
g)在接收超声波的步骤之后处理穿过所述材料传输的超声波的步骤。
另一方面，表征方法还包括：
h)将发射角度扇区的一个单元交替切换到发射模式。
在另一方面，在该方法中，发射角度扇区中一次只有一个单元切换到发射模式。
在另一方面，在每个处理传输的超声波的步骤之后，表征方法包括对连续的角度扇区重复步骤b)至f)。
附图说明
本发明的其他特征和优点从作为非限制性示例并参考附图给出的本发明的特定实施方式的以下说明中显现，其中：
-图1示出了用于非破坏性表征材料的设备的图；
-图2A至2E示出了为了表征材料，由非破坏性表征设备的换能器执行的第一次扫描中的变型步骤；
-图3A至3E示出了为了表征材料，由非破坏性表征设备的换能器执行的第二次扫描中的各个步骤；和
-图4A至4D示出了非破坏性表征设备的换能器的不同变型实施方式。
具体实施方式
图1示出了用于通过超声波进行非破坏性表征，以确定材料2的特性的设备100。设备100包括具有多个发射器/接收器单元10的超声换能器1，即探头。每个发射器/接收器单元10可以切换到发射模式，用于向用于表征的材料2发射超声波，或者可以切换到接收模式，用于接收已经穿过所述材料2传输和/或引导的超声波。换能器1与控制装置3相连，适于选择和切换超声换能器1的任何单元10进入发射模式、进入接收模式、或者实际上使单元10保持不活动。在所示的示例中，并且如下面更详细描述的，控制装置3已经将一个单元10-1(单元标记为黑色)切换为发射模式，并且将单元10的集合20(具体为十一个单元)切换为接收模式(单元标记为灰色)，而其他单元10保持不活动(单元标记为白色)。
因此，换能器1具有由单元10构成的超声波发射/接收表面，该表面是平面形状并且可以直接与用于表征的材料2接触。在其他示例中，换能器1可以经由介质(例如，有机玻璃继电器)间接地与材料2接触，或者它可以用于浸入在材料2周围以进行测试，以便促进超声波的传播。
以已知的方式，发射器/接收器单元10是压电振动器。换能器1的每个转接单元将从控制装置3接收的电信号转换成超声信号，该超声信号被传输(箭头200)到材料2。换能器1的每个接收单元转换从材料2已经接收的超声信号(箭头201)成电信号，然后被发送到处理器单元4，电信号，例如通过有线连接5传输到单元。处理器单元4具有用于处理来自接收模式中的单元的信号的装置。举例来说，处理器单元4可以根据已经穿过材料2传播的超声波的频率，提取相速度变化，可以将它们与发射器/接收器单元10相关联，可以生成三维图像数据，可以检测与测试中的材料2相关的任何缺陷的尺寸和/或位置，并且可以显示检测结果，例如，以地图的形式。穿过材料2的波是导波，例如，兰姆波。有利地，这些波呈现与用于测试的材料2的尺寸相当的波长，并且因此它们在材料2中被引导。然后接收这些波使得能够表征材料2。举例来说，借助于处理器单元4可以将每个接收单元接收的信号解析为奇异值，并从中推导出接收信号的分散曲线。一般而言，非破坏性表征设备100可用于表征任何材料2的性质，特别是各向异性的材料的性质。举例来说，用于表征的材料2可以是单件结构、多晶结构(例如钛)或组件形式的结构。举例来说，用于表征的材料2的性质可以涉及多层材料的层的厚度、其弹性常数、其弹性功能、由于腐蚀导致的厚度损失、或者实际上其刚度矩阵。
根据本发明，超声换能器1呈环500的形式，其实施方式在图2A至3E中示出。在该示例中，相对于轴向方向DA限定环500，并且环500由沿圆周方向相邻的多个角度扇区501构成。在环500的径向方向DR上，每个角度扇区501包括堆叠的发射器/接收器单元10。举例来说，在图1中，处于接收模式的单元10的集合20构成角度扇区501-1，其是与角度扇区501-2径向相对，角度扇区501-2包括处于发射模式的单元10-1。径向相对的角度扇区501，诸如角度扇区501-1和501-2，可以可选地由屏障6分开，屏障6防止发射部分和接收部分之间的直接超声传输，在该示例中由发射模式中的单元10-1形成发射部分，并且在该示例中由接收模式中的单元的集合20形成接收部分。更一般地，换能器1在其中心部分7中不具有发射器/接收器单元10，其是中空的，如所有附图中所示。
图2A-3E示出了用于测试材料2的各种步骤，在该示例中为多晶结构2-1。
在初始步骤期间，定位设备100与用于表征的材料2，特别是多晶结构2-1直接或间接接触。或者，将设备浸入定位在用于表征的材料2周围。预先确定环500及其发射器/接收器单元10的尺寸，使得中心部分7的尺寸大于用于表征的材料2的尺寸，该材料放置成与中心部分7接触或面对中心部分7。同样地，发射器/接收器单元10使用的频率被选择作为待测试的材料2的参数的函数并且作为要研究的表征的尺度的函数。举例来说，对于多晶结构2-1，取决于所选择的超声频率，可以在单个晶粒的尺度上或在晶粒包的尺度下进行表征。然而，选择超声频率以便获得具有与用于表征的材料2相当的尺寸的波长，以便获得穿过材料2的导波(例如，表面波和/或体波)。
一旦设备100就位，就对材料2进行两次扫描，使其能够被表征。
第一次扫描是辐射型的，如图2A至2E所示。在该扫描期间，对于给定的角度扇区501-3，交替选择仅一个单元10-2、10-3、10-4、10-5或10-6，然后切换到发射模式。选择包括多个相邻扇区501的集合502，并且将集合502的所有单元10切换到接收模式。始终在与具有被切换到发射模式的单元10-2、10-3、10-4、10-5或10-6的角度扇区501-3径向相对的角度范围上选择集合502。此外，并且如所解释的，注意确保该集合502总是由至少两个相邻的角度扇区501组成。
然后，表征材料2的第一次扫描包括将每个单元10-2、10-3、10-4、10-5和10-6交替切换成发射模式，以便朝向所述材料2发射超声波，从而产生穿过所述材料2的传输和/或导引的波。然后，穿过材料2的传输和/或导引的这些导波由集合502的各个单元10接收，这些单元被切换到接收模式。然后，由单元10接收的超声波的处理步骤可以由处理器单元4执行。
在实践中，单元的选择和切换到发射模式或接收模式由控制装置3执行。
举例来说，这些控制装置3可以包括：
-第一选择器模块300，其被配置为选择角度扇区501作为发射角度扇区(例如，图2A-2E中的角度扇区501-3)；
-第二选择器模块301，其被配置为选择相邻角度扇区501的集合502作为接收角度扇区，该集合502被选择为覆盖与发射角度扇区径向相对的角度范围；
-第一开关模块302，其被配置为将集合502，即接收角度扇区中的所有单元切换到接收模式；和
-第二开关模块303，其被配置为将发射角度扇区中的单元交替切换为发射模式。第二开关模块303可以特别地配置为一次仅将一个单元切换到发射模式。
模块300、301、302和303通过电子或软件装置实现，控制装置3能够为环500的每个角度扇区501致动这些模块中的一些或全部。
有利地，对于该第一次扫描，在与发射模式中的单元径向相对的角度范围上选择接收单元集合502，使得能够沿着两个相互法向波矢量探测穿过材料2的超声波的传播，这与现有的一维换能器不同。沿着两个法向波矢量的这种表征来自这样的事实：集合502由多个相邻的角度扇区501组成。
此外，在第一次扫描期间交替选择和切换给定角度扇区501中的一个发射单元，使得在处理接收到的信号(例如通过分辨率成为奇异值)之后可以获得穿过用于表征的材料2的引导模式的分散曲线。
第二次扫描在图3A至3E中所示。从这些附图中可以看出，该第二次扫描是角度扫描，其包括在环500的不同角度扇区501上执行上述第一次扫描。不同角度扇区501-3、501-4、501-5、501-6和501-7被连续选择用于发射，并且将这些扇区中的至少一个单元10-2、10-7、10-8、10-9、10-10切换到发射模式。然后选择用于发射的与角度扇区501-3、501-4、501-5、501-6和501-7径向相对的角度扇区的集合502、502-1、502-2、502-3和502-4作为接收集合，并且它们单元的全部切换到接收模式。然后，通过围绕环的轴向DA转动第一次扫描来执行第二次扫描。第二次扫描在预定的角度扫描范围内执行该转动，该范围可以例如根据用于表征的材料2来选择。在该示例中应该观察到，每个集合502、502-1、502-2、502-3和502-4由四个连续的角度扇区组成。然而，该数字仅通过说明的方式选择，并且这些集合可以由更多或更少数量的角度扇区501组成。然而，应该注意第一次和第二次扫描以确保集合502始终是形成包括多个角度扇区501，以便探测沿两个相互法向波扇区穿过材料2的超声波的传播。
如上所述，用于表征的材料2经受两次扫描。因此，为了表征材料2，第一次和第二次扫描可以由控制装置3连续地或组合地执行。举例来说，给定发射扇区中的所有单元(例如扇区501-3)可以依次切换，然后第二次扫描通过随后选择不同的角度扇区501(例如相邻扇区)来改变发射扇区。在另一示例中，第一角度扇区的单元用于发射模式，然后第二次扫描将不同的第二角度扇区中的单元切换到发射模式，而第一角度扇区中的所有单元不必切换到发射模式。该示例可以在图3A至3E中看到，其中可以看出，在每个步骤中，选择与前一扇区不同的角度扇形501-3、501-4、501-5、501-6或501-7中仅一个单元10-2、10-7、10-8、10-9或10-10，并依次切换到发射模式。
有利地，第二次扫描用于探测沿着相对于环的轴向DA的所有可能角度，引导穿过材料2的超声波的传播。在已经处理了所接收的信号之后，该扫描可以特别用于确定被测材料2的完整刚度矩阵。
在第二次扫描期间，使用的角度扫描范围是用于表征的材料2的函数。举例来说，对于某些材料2，可以将第二次扫描的转动限制到等于180°的角度范围，或者实际上对于呈现结构对称性的材料2，将该角度范围减小到小于180°的角度。
因此可以减少设备100中的发射器/接收器单元10的数量。发射器/接收器单元10的数量的这种减少是有利的，特别是在制造设备100的成本方面，减少其重量，并减少接收用于传送到处理器单元4的数据量，从而导致更快地分析待表征的材料2。
应该观察到，上述图中的环500对应于特定实施方式，其中每个角度扇区501具有相同数量的单元。在图4A-4D中示出了呈现较少数量的发射器/接收器单元10的环500-1、500-2、500-3和500-4的其他实施方式。出于说明的目的，如这些图中所示，待表征的材料2分别是由焊接组装的结构2-2，以及由粘合剂组装的结构2-3。
图4A和4B示出了环500-1、500-2具有第一角度范围A1-1、A1-2以及第二角度范围A2-1、A2-2的实施方式，两者都等于180°。在所示的实施方式中，存在于第一角度范围A1-1、A1-2的每个角度扇区501中的单元10的数量小于第二角度范围A2-1、A2-2的每个角度扇区中包含的单元的数量。如果第一角度范围A1-1、A1-2的角度扇区连续用于选择并将单元10切换到发射模式，则第二角度范围A2-1、A2-2的角度扇区用于在接收模式下设置单元的集合在发射模式中与单元径向相对的角度范围内。举例来说，这些图示出了切换到发射模式的单元10-11和10-12，并且设置了径向相对的角度扇区的集合502-5和502-6，在该示例中每个集合502-5和502-6由三个角度扇区构成，其中单元切换到接收模式。如在图4A中所示，第一角度范围A1-1和第二角度范围A2-1的角度扇区从环500-1的相同内侧圆周边缘延伸。因此最小化了发射模式中的单元与接收模式中的单元之间的距离。相反，在图4B中，第一角度范围A1-2和第二角度范围A2-2的角度扇区从环500-2的相同外圆周边缘延伸。然后，发射模式中的单元与接收模式中的单元之间的距离最大化。
图4C和4D分别示出了环500-3或500-4的其他实施方式，其中第一角度范围A1-3或A1-4的角度扇区从环500-3或500-4的相同外圆周边缘延伸。在未示出的另一示例中，第一角度范围的角度扇区可以从环500-3或500-4的相同内圆周边缘延伸。在这些图中，存在于第一角度范围A1-3、A1-4的每个角度扇区中的单元10的数量小于存在于第二角度范围A2-3、A2-4的每个角度扇区中的单元10的数量。在图4C中，第一角度范围A1-3小于180°。在图4D中，第一角度范围A1-4大于180°。如果第一角度范围A1-3、A1-4的角度扇区连续用于选择并将一个单元10切换到发射模式，则第二角度范围A2-3、A2-4的角度扇区用于在发射模式中与单元径向相对的角度范围，在接收模式下形成单元的集合。举例来说，这些图示出了单元10-13和10-14切换到发射模式和角度扇区的集合502-7和502-8，在该示例中每个集合由三个角度扇区组成，其中单元被切换到接收模式。
有利地，所有上述实施方式可以应用于表征任何材料2。
举例来说，为了表征多晶结构2-1，这些实施方式用于经由换能器1的接收部分收集足以通过超声断层成像表征结构中晶粒取向的数据集。取决于设备100的参数(例如，使用的超声频率)，由处理器单元4处理接收信号然后用于表征以单个晶粒或颗粒包的尺度的多晶结构2-1。
在另一个例子中，可能需要组装的结构，例如，由焊接组装的结构2-2或由粘合剂组装的结构2-2，以测试现有结(例如粘合点、焊接)的质量。然后，由处理器单元4处理接收信号用于确定和评估这种结构的刚度矩阵。另外，由于在所有角度方向(由转动引起，第二次扫描)和两个相互法向传播方向(借助于径向，第一次扫描，用于接收的多个角度扇区)上探测超声波穿过用于表征的材料2的传播，提出的实施方式使得可以非常准确地评估裂缝的存在，并且更一般地，可以评估关于材料2的任何信息以及在优选方向上取向。
实施方式的第三应用示例涉及使用图像来表征材料2，该材料2具有与通过腐蚀变薄相关联的厚度损失。处理器单元4测量穿过材料2引导的超声波的引导模式的速度，并且通过使用在所有角度方向上进行的测量，它可以检测以不同速度传播的模式，这些不同的速度显示出材料2中的厚度的损失。然后，处理器单元4可以利用断层成像重建算法来显示材料2中的厚度损失。

Claims (9)

1.一种用于非破坏性地表征材料(2；2-1；2-2；2-3)的表征设备(100)，该设备(100)包括发射器/接收器单元(10)，每个发射器/接收器单元(10)被配置为在发射模式中向用于表征的材料(2；2-1；2-2；2-3)发射超声波，并且在接收模式中接收已经穿过所述材料(2；2-1；2-2；2-3)传输的超声波，非破坏性表征设备(100)的特征在于，它包括由多个相邻的角度扇区(501)组成的环(500；500-1；500-2；500-3；500-4)，每个角度扇区(501)包括在环(500；500-1；500-2；500-3；500-4)的径向方向(DR)上堆叠的发射器/接收器单元(10)，该设备(100)还包括控制装置(3)，所述控制装置(3)包括：
-第一选择器模块(300)，其被配置为选择角度扇区(501)作为发射角度扇区；
-第二选择器模块(301)，其被配置为选择相邻角度扇区(501)的集合(502)作为接收角度扇区，第二模块被配置为在与发射角度扇区径向相对的角度范围内选择所述集合(502)；
-第一开关模块(302)，其被配置为将接收角度扇区中的所有发射器/接收器单元切换到接收模式；和
-第二开关模块(303)，其被配置为在发射角度扇区中交替地将一次一个发射器/接收器单元(10)切换到发射模式；
控制装置(3)被配置为针对不同的角度扇区(501)致动模块(300、301、302、303)。
2.根据权利要求1所述的表征设备(100)，其中每个角度扇区(501)具有相同数量的发射器/接收器单元(10)。
3.根据权利要求1所述的表征设备(100)，其中环(500-1；500-2；500-3；500-4)包括第一角度范围(A1-1；A1-2；A1-3；A1-4)和第二角度范围(A2-1；A2-2；A2-3；A2-4)，第一角度范围(A1-1；A1-2；A1-3；A1-4)的每个角度扇区(501)具有发射器/接收器单元(10)的数量小于第二角度范围(A2-1；A2-2；A2-3；A2-4)的角度扇区(501)中发射器/接收器单元(10)的数量。
4.根据权利要求3所述的表征设备(100)，其中第一角度范围(A1-1)和第二角度范围(A2-1)的角度扇区(501)从环(500-1)的相同内圆周边缘延伸。
5.根据权利要求3所述的表征设备(100)，其中第一角度范围(A1-2；A1-3；A1-4)和第二角度范围(A2-2；A2-3；A2-4)的角度扇区(501)从环(500-2；500-3；500-4)的相同外圆周边缘延伸。
6.一种用于非破坏性地表征材料(2；2-1；2-2；2-3)的表征方法，该方法由根据权利要求1至5中任一项所述的非破坏性表征设备(100)执行，该方法包括：
a)定位设备(100)与所述材料(2；2-1；2-2；2-3)接触或围绕所述材料(2；2-1；2-2；2-3)的步骤；
b)选择角度扇区(501)作为发射角度扇区；
c)选择相邻角度扇区(501)的集合(502)作为接收角度扇区，所述集合(502)在与发射角度扇区径向相对的角度范围内选择；
d)将接收角度扇区的所有发射器/接收器单元(10)切换到接收模式；
e)通过发射模式中的发射器/接收器单元(10)向所述材料(2；2-1；2-2；2-3)发射超声波的步骤，从而产生穿过所述材料(2；2-1；2-2；2-3)传输的超声波；
f)接收模式中的发射器/接收器单元(10)接收穿过所述材料(2；2-1；2-2；2-3)传输的超声波的步骤；和
g)在接收超声波的步骤之后，处理穿过所述材料(2；2-1；2-2；2-3)传输的超声波的步骤。
7.根据权利要求6所述的表征方法，还包括：
h)将发射角度扇区的一个发射器/接收器单元(10)交替切换到发射模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，发射角度扇区中一次只有一个发射器/接收器单元(10)切换到发射模式。
9.根据权利要求7或8所述的表征方法，其特征在于，在每个处理传输的超声波的步骤之后，它包括对连续的角度扇区(501)重复步骤b)至f)。
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