CN112129190A - 检查设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种与坐标定位设备(50)一起使用的超声检查设备(56；330)。该设备(56；330)包含基底模块(58；321)，其可附接到该坐标定位设备(50)的可移动部件。该基底模块(58；321)包括超声变换器(92)和第一连接器部分(98；322)。还提供多个耦合模块(60、66；180‑191；332)，其各自包含可以可释放地附接到该基底模块(58；321)的该第一连接器部分(98；322)的第二连接器部分(100)。该耦合模块(60、66；180‑191；332)还包含耦合元件(104)，其可为例如水凝胶等自润滑材料的球面，用于接触和声学上耦合到待检查的物件。此允许不同耦合模块(60、66；180‑191；332)附接到该基底模块(58；321)以执行不同超声检查任务。

Description

检查设备

本申请是分案申请，其原案申请是申请号为PCT/GB2015/052813、申请日为2015年9月29日的PCT申请并且于2017年3月29日进入中国国家阶段，国家申请号为201580053123.4，名称为“检查设备”。

技术领域

本发明涉及超声检查设备，且特定来说涉及用于与例如坐标测量机(CMM)等坐标定位设备一起使用的模块化超声检查设备。

背景技术

测量所制造物件的尺寸以确保其符合容差是众所周知的。在高价值组件(例如航空涡轮机叶片)的情况中，可以使用安装在CMM上的表面接触探针以亚微米准确性来测量物件的外部形状。US5189806和WO2009/024783描述了用于使用安装有表面接触(例如扫描)探针的CMM来测量物件的表面上的多个点的位置的技术实例。

除表面测量之外，常常还必需测量物件的内部特征。举例来说，涡轮机叶片通常为中空的以使其能够既重量轻又坚固以用于极端温度和压力下的操作。对此类中空涡轮机叶片的内部检查通常使用超声检查设备来进行，例如超声浸没系统或超声厚度计量探针。

超声浸没系统通常涉及将测试件完全浸没在水槽内。使用计算机控制的机器人臂而相对于零件恰当地布置单一脉冲回波变换器或一对发射/接收变换器。水提供与零件的良好声学耦合，但该布置昂贵且复杂，尤其对于较大零件。超声浸没系统的实例在GB2440959中有所描述。

超声厚度计量探针虽然并不要求将该零件浸没在水中，但是通常依赖于将耦合剂材料(例如耦合凝胶或液体)局部施加到该零件。这些探针趋向于是手持型的，但之前均是描述如何将这些探针安装到CMM的套管轴。举例来说，US2009/0178482描述了安装到CMM的套管轴的超声探针。US2009/0178482的超声探针包含万向接头安装件，其允许当建立了与物件的接触时传感器对准物件的表面法线。如US2009/0178482的段落19中所解释的，例如凝胶或润滑脂等耦合剂材料必须在检查之前施加到物件的相关区域以确保超声探针与物件之间的适当声学耦合。施加局部耦合剂材料的需要加上万向接头安装件的有限角程使得使用此系统进行的零件的内部性质的超声检查成为一项耗时且复杂的任务。还已知使用干燥耦合剂层的手持型超声厚度计量探针，但此类装置的耦合效率和性能可较差，尤其在需要较高超声频率下的操作时。

发明内容

本发明的第一方面提供一种与坐标定位设备一起使用的超声检查设备，该超声检查设备包括；

基底模块，其可附接到坐标定位设备的可移动部件，该基底模块包括超声变换器和第一连接器部分，以及

多个耦合模块，每一耦合模块包括可以可释放地附接到基底模块的第一连接器部分的第二连接器部分，和用于接触和声学上耦合到待检查的物件的耦合元件。

本发明因此提供一种与坐标定位设备(CMM)一起使用的模块化超声检查设备。该模块化设备包含基底模块和可附接到基底模块的多个耦合模块。模块化超声设备的基底模块可自身附接到坐标定位设备的可移动部件。举例来说，基底模块可包含准许其附接到CMM的套管轴或旋转头的附接特征或机构。基底模块还包含超声变换器，例如脉冲回波超声变换器，其包含用于发射高频时间离散纵向波形(下文中被称为“L-波”)的压电元件。第一连接器部分被布置在基底模块上以允许该多个耦合模块中的任一者经由布置在每一耦合模块上的第二连接器部分而附接到基底模块。该多个耦合模块中的每一者还包含被设计为接触和声学上耦合到正检查的物件的耦合元件(例如亲水性的球面或如下文所描述的其它尖端)。

本发明的模块化超声检查设备的优点在于不同耦合模块可在需要时附接到基底模块。耦合模块的附接和拆卸优选地通过坐标定位设备的适当编程以自动化方式执行。该多个耦合模块可包含用于测量零件的不同内部特征的一系列不同耦合模块(例如在不同方向上和/或以不同发散量引导声音)。该多个耦合模块可替代地或附加地包含一系列类似耦合模块，它们的寿命有限(例如归因于软耦合元件的磨损或损坏)而以此方式能够在损坏、磨损时或使用了特定时间周期之后被更换。该多个耦合模块可因此为与基底模块相比具有短寿命的消耗品。

更换耦合模块的能力意味着，一系列超声测量(例如超声厚度测量)可事先编程且以自动化方式执行。执行这些自动化测量的能力由本发明的超声设备的模块化性质提供，并且还使得能够与同一零件的表面接触测量结果(例如使用常规触摸触发探针)一起来获取厚度测量结果。用于表面接触测量的自动化检查过程可因此扩展到内部厚度测量结果的获取，由此极大地改进由坐标定位设备(例如CMM)提供的检查能力。

本发明因此准许许多不同耦合模块与共用基底模块一起使用。一个或多个耦合模块可因此被构造成具有包括干燥耦合剂材料(例如聚硅氧橡胶等)的耦合元件。一个或多个耦合模块可被构造成具有需要在测量之前施加耦合材料(例如水或凝胶)的耦合元件。一个或多个耦合元件可包括具有低声学衰减性质的可压缩且可易于弯曲的油基热软化塑料。

有利的是，该多个耦合模块中的至少一者具有包括自润滑材料的耦合元件。自润滑材料优选地以受控方式从其外表面释放润滑剂，例如水和/或油。自润滑材料可包括亲油性弹性体。有利的是，自润滑材料包括亲水性弹性体。举例来说，亲水性弹性体可包括不可压缩的胶状亲水性弹性体材料，例如轻度交联亲水性乙烯基弹性体或高吸水性聚合水凝胶。高含水量亲水性聚合链化合物的实例为MMA:VP(即，N-乙烯基吡咯啶酮和甲基丙烯酸甲酯的共聚物)。对于此化合物，含水量可在约35％到95％的范围内变化，且展现极好的声学性质，但随着含水量增加，撕裂强度减小。通常，自润滑材料被构造成球面。优选实施例因此包括包含亲水性弹性体球面的耦合元件。

构造包括亲水性弹性体球面的耦合模块具有若干优点。举例来说，水泡胀亲水性聚合物球面从其表面释放有限量的水(即，其“渗出”水)。此经释放的水通过填充超声探针与物件的粗糙表面之间的任何空气凹穴而使得改进与物件的声学耦合。从亲水性弹性体球面释放的水的量可通过适当选择聚合材料的化学性质来控制。举例来说，经释放的水量可被配置为极小的且因此在大气中将非常易于汽化，而不会留下任何残余污染物。此外，此类亲水性弹性体球面可以是柔软的且有弹性以构造抵靠经弯曲检查表面的高度适应。此弹性另外的益处在于其允许要进行的触摸接触测量是可重复的且是准确的，如下文更详细地描述。水的释放还可充当润滑剂，其准许沿着物件表面上的路径来扫描此类球面。此外，亲水性材料具有固有较低声学衰减和声学阻抗值，其非常适合于陶瓷变换器耐磨板与金属零件之间的超声透射。

有利的是，该多个耦合模块中的至少一个包括延迟线。举例来说，耦合模块中的一个或多个可包含还充当延迟线的耦合元件。就上文提及的实施例而言，至少一个耦合模块可构造为包括亲水性弹性体球面，该亲水性弹性体球面具有用于接触待检查物件的突起部分。亲水性弹性体球面还可在相关耦合模块附接到基础模式时直接声学上接触基底模块。举例来说，球面可接合基底模块中的变换器的耐磨板。亲水性弹性体球面接着可用作耦合元件和延迟线两者。

通常，该多个耦合模块中的至少一个包括耦合到耦合元件的延迟线。换句话说，可提供与耦合元件分离的延迟线(例如固体塑料延迟线)。此延迟线优选地为刚性，且可例如由聚苯乙烯或聚碳酸酯形成。亲水性弹性体球面可耦合到延迟线的远端。延迟线可因此置于变换器与亲水性弹性体球面之间的声学路径中。

有利的是，该多个耦合模块中的至少一个包括超声束控制元件。超声束控制元件优选地操纵(例如折射、引导或聚焦)发射到正检查物件和/或从正检查物件接收的超声波前。优选地，延迟线被构造为用作超声束控制元件。举例来说，耦合模块可包括在零件内产生更发散的光束的逐渐变细的延迟线。耦合模块中的一个或多个可包含呈声学透镜形式的超声束控制元件。举例来说，可提供球形聚焦平凹透镜。亲水性弹性体球面可耦合到凹透镜(例如，因此透镜绕球面成圆状托起)以提供折射聚焦来增加后壁反射。耦合模块中的一个或多个可包含呈折射楔形物形式的超声束控制元件。举例来说，耦合模块可包括不对称刚性楔形物，其在与法线方向成某一设定的角度(该角度如耦合材料中的相对音速所确定)处将所投射超声束折射到检查表面中。对于其中前壁和后壁不平行的较复杂几何形状的内部度量测量，这可能是有用的。声学镜面和其它声学组件可根据需要而包含在耦合模块中的一个或多个中。

有利的是，该多个耦合模块中的至少一个包括超声吸收壳。超声吸收壳抑制或减轻来自壳层壁内的原本可能干扰所关注的反射波形的非想要声学反射。超声吸收壳可由例如

或玻璃-填充PTFE形成。

有利的是，提供保持器(例如储存托盘)以用于保持该多个耦合模块。保持器可以可附接到坐标定位设备的底座。举例来说，保持器可包含一个或多个特征(例如螺孔、磁体等)，其允许保持器以固定的位置和定向被紧固到CMM的底座。保持器可包含一个或多个端口或插孔，每一端口或插孔被布置为保持耦合模块。保持器可因此储存当前没有被使用的耦合模块；即，未附接到基底模块的用于测量目的的耦合模块可储存在保持器中。保持器可储存超过五个、超过十个或超过十五个耦合模块。该设备可因此包括超过五个、超过十个或超过十五个耦合模块。该多个耦合模块可包括多个不同设计或类型的耦合模块。该多个耦合模块可包括多个大体上相同的耦合模块。

如上文所解释，可提供接触模块，耦合元件在其中为自润滑(例如缓慢释放水)。保持器可因此在使用之前是经密闭式密封的。这防止耦合元件(例如亲水性球面)在使用之前变干。保持器可以是可再经密封的。举例来说，保持器可在获取每一耦合模块之后打开和闭合，或其可打开且接着在已经获取一组测量结果之后闭合。可选地，保持器(和任选地具有自润滑耦合元件的耦合模块)可构造为一次性使用的物品或消耗品，其打开、被使用且接着被丢弃或再循环。保持器可初始地含有包括脱水亲水性球面(其在使用之前含水)的耦合模块。新保持器可在需要时打开。

在优选实施例中，保持器包括用于接纳该多个耦合模块的多个凹部。通常，凹部和耦合模块被布置为防止耦合模块在凹部中旋转。举例来说，耦合模块可包含中央轮毂，其具有一个或多个径向突起翼。保持器接着可包括互补凹部。耦合模块可因此使用垂直(线性)相对运动而被放置到凹部中和从凹部撤回。一旦被插入，则防止耦合模块相对于保持器旋转。

第一连接器部分和第二连接器部分可通过任何合适的连接来提供。有利的是，可提供磁性连接布置。基底模块与耦合模块之间的磁性连接可通过包括一个或多个磁体(例如永久磁体)的第一连接器部分和第二连接器部分中的至少一者来实施。以此方式，该多个耦合模块中的任何选定一者可附接到基底模块且由被基底模块以磁性方式保持。第一连接器部分和第二连接器部分还可包含互补物理特征(例如，配合零件、运动学特征等)，其接合以便将所附接的耦合模块相对于基底模块而置于特定固定位置和/或定向中。第一连接器部分和第二连接器部分优选地允许耦合模块相对于基底模块可重复定位；此允许耦合模块在相同位置及定向中反复地附接到基底模块。该一个或多个磁体优选地足够强以将耦合模块保持在基底模块上，但仍允许在需要时从基底模块移除耦合模块。

或者，第一连接器部分和第二连接器部分包括互补螺纹。举例来说，基底模块的第一连接器部分可包括构造在基底模块外壳的远端的外表面上的螺纹(例如，公螺纹连接器)。耦合模块的第二连接器部分接着可包含具有内部螺纹表面的凹部(例如母螺纹连接器)。该布置可以使得基底模块和耦合模块可通过施加相对旋转运动而彼此接合和脱离。此允许基底模块(例如由旋转头固持)旋拧成与耦合模块的接合或者从与耦合模块的接合旋拧出。耦合模块可方便地储存在上述类型的保持器中，从而防止附接过程期间的旋转。

该多个耦合模块中的一个附接到基底模块优选地建立了模块之间可靠且可重复的声学连接。确切地说，配对第一连接器部分和第二连接器部分提供基底模块的变换器与耦合模块的耦合元件之间的声学链路。基底模块中的变换器可包括耐磨板，其便于被布置为与附接到基底模块的耦合模块耦合声学地耦合。举例来说，耐磨板可接合耦合模块的延迟线，或其可直接接合耦合模块的亲水性弹性体球面。在此类实施例中，该多个耦合模块中的一个到基底模块的附接抵靠着基底模块的耐磨板而牢固地保持耦合模块的相关部分(例如延迟线、球面等)。

超声检查设备可以任何已知方式激发和接收超声。超声检查设备可在高频率下操作。举例来说，操作频率可以大于5MHz、大于10MHz或更优选地大于15MHZ。在优选实施例中，操作频率约为20MHz。可包括压电元件的变换器优选地激发纵向声波(L-波)。

有利的是，超声变换器被布置成在脉冲回波模式中操作。通常，超声返回信号被分析以允许获得物件的厚度测量结果。此分析可基于分析“Α-扫描”(下文更详细描述)中存在的相继后壁反射的“模式-3”方法。然而，可在必需时使用替代的分析技术(例如所谓的模式-1技术或模式-2技术)。超声检查设备还可被配置为以多个不同超声测量模式中的任一个来操作。厚度测量可能需要执行校准步骤(例如，以测量正检查的零件的材料中的音速)。基底模块优选地包含用于分析由超声变换器接收的超声信号的处理器。或者，超声信号可由探针外处理器来分析(例如在外部接口中或使用离线计算机)。

本发明还涉及到包含上文所描述的超声检查设备的坐标定位设备。超声检查设备的基底模块可以是可安装的，或被安装到坐标定位设备的可移动部件。坐标定位设备可包含机床、工业机器人、臂、x-y扫描仪或爬行器。在优选实施例中，坐标定位设备包括坐标测量机。CMM可为笛卡尔型(例如桥型)CMM或非笛卡尔(例如六足)型CMM。CMM优选地包括旋转头，其提供基底模块附接到其的可移动部件。旋转头可包括单一旋转轴线、两个旋转轴线或三个旋转轴线。旋转头有利地包括至少两个旋转轴线。旋转头可包括至少三个旋转轴线。

根据本发明的另一方面，提供一种用于坐标定位设备的超声检查装置。该装置包括超声变换器和用于接触和声学上耦合到待检查物件的耦合元件，其中耦合元件包括自润滑材料。耦合元件内的音速可通过当耦合元件经受多个不同变形时分析来自耦合元件内的反射而测得。超声检查装置可为模块化设计(如上文所描述)，或单一(一体式或非模块化)布置。该装置可包括本文提及的特征中的任一者。有利的是，自润滑材料包括亲水性弹性体。通常，自润滑材料包括高吸水性聚合水凝胶。优选地，耦合元件包括自润滑材料的球面。超声检查装置可在测量零件(例如使用增材制造技术制造的零件)的孔隙度和/或密度的方法中使用。

本发明还涉及到使用如上文所描述的设备测量物件的厚度的方法。

附图说明

现在将仅借助于实例参考附图描述本发明，在附图中；

图1a-图1c说明各种已知超声变换器布置，

图2说明超声厚度测量的原理，

图3示出安装在CMM上的模块化超声检查设备，

图4(a)和图4(b)说明模块化超声探针的直线型式和弯曲型式，

图5(a)到图5(c)示出施配托盘和多个相关联耦合模块，

图6更详细示出包括耦合模块的超声探针，该耦合模块具有包括亲水性弹性体球面的尖端，

图7示出具有耦合模块的超声探针，该耦合模块提供垂直于正检查的物件的表面的光束投射，

图8示出具有球面聚焦的超声探针，

图9(a)-图9(c)是模块化超声探针的耦合模块的图像，

图10(a)和图10(b)是附接到包括伸长碳纤维管件的基底模块的耦合模块的图像，

图11为用于驱动模块化超声探针的发射/接收电路的实例，

图12说明用于产生超声检查零件程序的步骤，

图13说明超声校准块，

图14示出扫描涡轮机叶片的模块化超声探针的弯曲变型，

图15(a)到图15(d)说明厚度测量期间产生的Α-扫描波形，

图16示出具有与物件的表面接触的亲水性球面尖端的模块化超声探针，

图17示出图16中示出的表面接触期间发生的球面尖端的变形，

图18示出随着球面尖端移动到物件表面中的位置信息的变化，

图19示出球面中心位置上的倾斜效应，

图20(a)和图20(b)示出作为超声反射到达时间数据的函数的球面位移，

图21说明使用模块化超声探针扫描波形表面，

图22(a)到图22(c)示出针对待检查的不同零件的探针加载情境，

图23示出经配置以测量直线孔的底部表面的模块化超声探针，

图24示出经配置以测量成角孔的底部表面的模块化超声探针，

图25示出经配置以测量孔的侧壁的模块化超声探针，

图26示出使用具有橡胶尖端的超声探针进行检查期间测得的超声形的实例，

图27示出耦合模块尖端的z轴位移与反射峰值振幅衰减的校准曲线，

图28为说明用于估计声学延迟的方法的基本原理的框图，

图29说明可经采用用于估计时间延迟的过程中的改进的准确性的相位变换复本相关算法的运算，

图30为说明组合表面点和厚度测量方法的步骤的流程图，

图31说明XY扫描仪上的模块化超声探针的使用，以及

图32说明自含式爬行器上的模块化超声探针的使用。

具体实施方式

参看图1a到图1c，示出包括纵波(L-波)变换器用于内部度量测量的多种超声探针。此类探针先前已经出于检查目的而使用，通常用作手持型检查装置。

图1a示出包括外部主体4的超声探针2。L-波变换器被构造为包括有源压电元件6。相对薄的压电元件6被布置成具有近似等于正在产生的超声波长的一半的厚度；此允许高频率激发，这是用于准确上升沿时间激发所必需的。压电元件6由厚衰减背衬材料8背衬以吸收来自压电元件6的能量，且借此在前向方向中产生所期望的深度阻尼响应(heavilydamped response)。这提供了最佳范围解析度。

延迟线10经由耐磨板12而声学上耦合到压电元件6。耐磨板12保护压电元件6。耐磨板12具有等于超声长的四分之一的厚度以使其能够用作匹配层；此耐磨板厚度为优选的，因为其确保压电元件6中产生的波与耐磨板12内弹回的波同相。此意味着耐磨板12和压电元件6内的超声的振幅为加性的，且因此最大能量进入耦合到耐磨板12的延迟线10。液体耦合剂层(未图示)构造在延迟线10的远端处以提供与正在检查的物件14的声学耦合。在图1a中所示的实例中，延迟线10包括逐渐变细的传播媒介。该传播媒介可为聚碳酸树脂或交联聚苯乙烯。很细的轴向沟槽16被机械加工成传播媒介的侧部以便抑制来自传播媒介内的内部反射。

图1b示出超声探针20，其具有许多与上文参考图1描述的探针2共同的特征。然而，探针20具有含圆周波纹特征24的非逐渐变细的延迟线22。

例如参考图1a和图1b所描述的延迟线10和22等延迟线的主要功能是在足够远离检查表面处物理上移除超声激发，以在时间上解析来自正在被检查的物件14的后壁26的来自初始反射的激发响应。优选地，这在没有来自有限带宽激发脉冲衰荡的任何时间干涉的情况下而实现。因此可看出，延迟线在超声(即纵波)进入检查零件时执行控制功能。可以采用不同程度的尖削度(tapering)以产生较高接触压力和容纳较弯曲零件。此尖削度还影响装置的自然焦距和光束发散(即，衍射作用)。

如参考图1(a)和图1(b)所描述的超声探针提供法线入射、非聚焦(在近场中)或自然发散的光束检查。还可以将超声投射成远离表面法线的角度(例如，在内部瑕疵检测和尺寸设定的过程中)。图1(c)示出包括折射角光束楔形物30(其有时被称作超声的承板(ultrasonic shoe))的替代超声探针。光束楔形物30按照参考图1a和图1b描述的实例经由耐磨板12耦合到压电元件6。光束楔形物30将超声波形投射成与正在被检查的物件的表面法线成离轴光束角。对于此类楔形变换器，具有不同声学阻抗的材料之间的界面处的折射是根据折射定律(即，斯涅尔定律)以及界面处的由于模式转换现象而产生的跟随剪切波模式(S-波)的。

图1(c)还示出从超声探针的光束楔形物30投射到金属零件32中的超声。与较快L-波模式相比，较慢S-波从表面法线N折射较少。此外，应强调的是，折射L-波与跟随S-波的相对比例主要取决于与S-波所成的入射角。还应注意的是，在界面处产生显著经反射模式(即，产生R-波)，其重新引导楔形物内的杂散声能。吸收壳34因此耦合在传播楔形物材料周围以衰减此经反射能量。此壳34防止如下反射：该反射原本将在光束楔形物30内反弹并干扰感兴趣的来自经耦合的金属零件32的反射。

应记住，上文参考图1(a)到图1(c)描述的超声探针为实例，且先前已经开发了超声的延迟线、楔形物和透镜的不同设计以允许抵靠着不同固体检查零件的最佳声学耦合。在以上参考图1(a)到图1(c)概述的实例中，描述了如何在超声探针与正检查的物件之间提供附加耦合层(例如一层凝胶或润滑脂)。这是因为所有真实检查零件都将在微结构内表现出致使气穴被截留在探针与检查表面之间的界面处的一些表面粗糙，此类气穴的存在使声学耦合效率降级，主要是归因于固体与空气之间的大阻抗失配。使用耦合层(例如凝胶)可因此确保获得必需的声学耦合效率。

在液态水或凝胶无法随意施加到正检查的物件的情况下(例如汽车应用中)，之前已经使用呈干燥耦合固体的形式的耦合层。若干亲水性弹性体(例如来自Olympus的Aqualene)和基于聚硅氧橡胶的材料(例如来自Sonemat的Ultracouple)可在市面上购得，以用于干燥耦合超声的无损测试(NDT)应用。然而，归因于L-波衰减在较高探针操作频率(15-20MHz)下增加，它们的耦合性能并不始终适合于较高频率精确度厚度测量探针，此类材料的过度材料硬度还会限制与更弯曲检查的表面的紧密适应。此外，基于硅酮的耦合剂材料在一些制造环境(例如航空)内被认为是不可接受的污染物。

参看图2(a)和图2(b)概述脉冲回波厚度测量变换器的基本操作原理。确切地说，图2(a)示出类似于上文参考图1(b)描述的超声探针20的超声探针40。超声探针40包含单一元件超声的延迟线22，其包括用于耦合到待检查的物件14的干燥耦合聚合物垫片42。

图2(b)为由变换器的有源压电元件6响应于跨越压电元件6施加瞬态高电压激发脉冲而接收的声学波形的实例。此时域波形(被称作“Α-扫描”曲线)更通常是来自一系列此类激发脉冲(例如，N个脉冲的序列，其中N可处于16-32的范围内)的时间平均响应，以便抑制随机非相关电子噪声。

由压电元件6产生的初始激发脉冲在图2(b)中标记为“Tx-脉冲”。此初始激发脉冲使得检查L-波传播到延迟线22中且以音速(CL)沿着延迟线行进。在压电元件6处所接收回的第一反射峰值(DL1)是由来自延迟线的远端(即，来自延迟线22与聚合物垫片42之间的界面)的声音的反射所引起的。可以看出来，来自延迟线界面的远端的此反射(即DL1脉冲)在初始发射脉冲(Tx-脉冲)已经完全退去之后的适当时间发生。

尽管大多数声能在延迟线界面处反射回去且不会进入检查零件，但足够比例的声能确实发射到耦合零件14中，作为可据以作出后续厚度测量的可测量检查脉冲。归因于金属零件14(例如Z～46兆瑞利)与环境空气(即Z＝0.000429兆瑞利)之间的声学阻抗失配，检查L-波在零件内极其有效地传播而仅具有极其适度的衰减(该衰减由于跨越后壁界面处的若干反射的声学泄漏而引发)。因为延迟线22内的音速相比薄金属检查零件14内的音速为低，所以在将来自延迟线的第二反射峰值(DL2)寄存在变换器处之前，在零件14的后壁之间可以发生多个反射。这些后壁反射因此提供脉冲BW1、BW2和BW3(也可见于图2(b)的“Α-扫描”曲线中)。在第一延迟线反射峰值和第二延迟线反射峰值(DL1和DL2)之间的Α-扫描内观察到的时间窗口因此为探针的初级测量窗口。

可以若干方式而从图2(b)中示出的类型的Α-扫描数据来计算零件14的厚度。在实践中，此类厚度测量结果通常涉及可据以从已测得的Α-扫描提取时间延迟信息的三个操作模式中的一者。这些不同模式通常分别被称为模式-1、模式-2和模式-3。在模式-1量测中，时间延迟测量是在激发脉冲(t＝0)与来自检查零件的第一后壁反射或初级回波之间作出的。模式-1通常与直接接触变换器相关联。在模式-2量测中，时间延迟测量是在表示测试零件的附近表面的界面回波与第一后壁反射之间作出的。模式-2通常与延迟线或浸没变换器一起使用。在模式-3量测中，时间延迟测量是在两个或更多个相继后壁反射之间作出的。模式-3通常与延迟线或浸没变换器一起使用。模式-3最有效，其中可观察到高SNR多重后壁回波，建议在例如细粒金属、玻璃或陶瓷等的低衰减高声学阻抗零件中是最切实可行的。模式-3还具有并不依赖于到达后壁的绝对时间或延迟线反射的优点，因此消除了不同耦合模块的耦合和延迟线中的可变性效应。模式-3还允许测量包括外涂层的零件。可视需要而使用任何合适的模式(例如模式-1、模式-2或模式-3)。还可在测量过程期间可能与不同耦合模块一起来实施不同模式的使用。

参看图3，本发明的模块化超声检查设备示出为被安装在坐标测量机50上。CMM 50包括可沿着三条互相正交线性轴线(X、Y和Z)来移动的套管轴52。例如由Renishaw公开股份有限公司(Renishwas plc)生产的

有源头等双轴旋转头54被安装到CMM 50的套管轴52。模块化超声探针56进而由旋转头54承载。图3的小图中以放大视图示出的超声探针56包括基底模块58和经附接的耦合模块60。基底模块58通过标准探针接头附接到旋转头54，标准探针接头允许超声探针56根据需要附接到双轴旋转头54和从双轴旋转头54拆离。附加探针(例如，具有红宝石尖端触笔的常规表面接触(扫描)探针72)可储存在探针搁架74中用于与超声探针56交换。在CMM底座上还提供校准加工品76，且在此实例中由固定件64固持的涡轮机叶片62提供待测量的物件。

如将在下文更详细地阐释，超声探针56具有模块化布置。基底模块58包括压电变换器和耐磨板，而耦合模块60包括用于接触待测量物件的耦合元件和声学延迟线。模块化超声探针56在图3中示出为具有附接到基底模块58的耦合模块60。超声检查设备还包括多个附加耦合模块66，其被固持在放置于CMM的底座上的储存托盘68中。在使用中，附加耦合模块66中的任一个可与耦合模块60交换。换句话说，附加耦合模块66中的任一个可附接到基底模块58且用于测量物件的内部性质。更换附接到基底模块58的耦合模块的过程以自动化方式执行。举例来说，可采用基于磁体的连接或螺纹连接。CMM 50包括计算机70，其控制CMM操作并且还控制耦合模块的自动更换。

图4(a)到图4(d)示出可与上文参考图3描述的CMM一起使用的模块化超声探针的两个实例。

图4(a)和图4(b)示出图3中示意性地说明的模块化超声探针56。探针56包括基底模块58，其具有可经由标准探针接头而附接到CMM 50的旋转头54的近端90。基底模块58还包括伸长轴杆94，且包含具有位于伸长轴杆94的远端附近的耐磨板93的压电变换器92。

图4(b)给出图4(a)中示出的模块化超声探针56的远端96的放大图。可看到，伸长轴杆94的远端还包括第一连接器部分98。耦合模块60包含第二连接器部分100。第一连接器部分98和第二连接器部分100被布置为允许耦合模块60和基底模块58的附接(和后续拆卸)。换句话说，第一连接器部分98和第二连接器部分100是可以可释放地链接在一起的互补连接器。如下文所解释，可使用螺纹布置或以多种替代的方式(例如经由磁性链接等)来实现此连接。耦合模块60包含延迟线102和用于接触待测量物件的尖端104。将耦合模块60经由第一连接器部分98和第二连接器部分100而附接到基底模块58使得延迟线102接合耐磨板93，由此允许超声从压电变换器92耦合到延迟线102中且接着经由尖端104而耦合到物件中。

图4(c)和图4(d)示出上文所描述的模块化超声探针56的变型。代替于包含大体上直线形伸长轴杆94的基底模块，模块化超声探针109包括弯曲轴杆110。此提供了耦合模块60的尖端104相对于旋转头54的不同角定向，且对于特定检查过程是有利的。

弯曲模块化超声探针109可储存在CMM搁架(例如参考图3描述的搁架74)中，且根据需要代替非弯曲模块化超声探针56而使用。

如本文所描述的模块化超声探针的提供具有一系列不同耦合模块可附接到基底模块的优点。这些耦合模块可例如提供可用于不同超声测量的一系列不同耦合性质。图5(a)到图5(c)示出关于多个耦合模块可如何构造和储存的实例。

图5(a)更详细示出上文参考图3描述的储存托盘68。储存托盘68包括储存槽142的五乘五阵列(但可提供任何布置或数目的槽)。储存槽142中的每一者都包括中央孔洞，该中央孔洞具有两个径向延伸槽。图5(b)示出可放置到储存槽142中的任一者中且由其固持的耦合模块的翼形外部壳体144。耦合模块的内表面包括螺纹146以提供连接器部分，该连接器部分能够被旋拧成与超声探针(未图示)的基底模块的互补螺纹接合。储存槽142和外部壳体144的互补形状限制任何插入的耦合模块在托盘的平面(例如XY平面)中的平移移动。此外，提供在外部壳体144上的翼允许耦合模块在垂直于储存托盘68的平面的方向上(例如经由CMM套管轴的Z方向移动)自由地插入到储存托盘68中以及从储存托盘68取出，但限制经插入的耦合模块的任何旋转移动。耦合模块可因此使用旋转(拧紧)动作而附接到超声探针的互补基底模块和从该互补基底模块拆离。使用此螺钉配合紧固以提供模块化超声探针是优选的，因为其通过在每一个别接触模块的延迟线与基底模块的耐磨板之间提供恒定及高张力夹持附接而允许恒定且合适的良好声学耦合。此螺钉配合附接的实施成本也相对低。

在使用中，储存托盘68将定位在如图3中所示出的CMM床上的已知位置和定向处。耦合模块也将布置在托盘68内的已知位置处(即预定义槽142中)。在使用中，CMM将操控基底模块(例如图3的基底模块58)以朝向托盘68向下指向且在待附接到基底模块的耦合模块的正上方。基底模块将随后向下缓慢移动直至其接合耦合模块，随之基底模块旋转(例如使用通过图3的旋转头54施加的旋转运动)从而两个配对螺纹接合且耦合模块随着它旋拧到基底模块上而开始升高离开托盘。耦合模块完全附接且紧密地附着到基底模块的确切点可通过例如评估操控过程期间产生的超声响应或通过连续监视放置在旋转头54的相关旋转轴上的力矩负载来确定。此力矩负载可与针对旋转头54内的旋转移动伺服马达的电流要求直接相关。还可存储旋转角度，在该旋转角度处每一耦合模块被解译为紧密地附接到基底模块。旋转头54可返回到此旋转角度以允许将耦合模块插入回到储存托盘68中的槽142中并且之后通过与用于附接的旋转运动相比相反方向的旋转运动而被拆离(旋开)。

应记住，上文描述的螺钉配合附接方法仅表示用于允许耦合模块附接到基底模块的一种可能方法。存在可采用的许多替代类型的连接器。举例来说，该连接可由鲁尔接头(Luer joint)、扣合机构、内嵌磁性固定件等提供。磁性夹持布置可包括(例如)绕具有极性“++-”的探针尖端的圆周相等间隔开的三个坚固且紧凑磁体的组合件，以及绕储存在施配托盘中的每一耦合模块的周长的具有极性“--+”的三个磁体的匹配分布。此磁性附接将提供用于耦合模块变型的简单附接，且仅提供附接的单一可能旋转角度。尽管可以如上文所描述的自动化方式实施将耦合模块附接到基底模块，但应注意，还可能由操作者手动地(例如通过调度检查序列中的若干经设定中断)执行此附接。

接下来转向图5(c)，其中描述了多种不同耦合模块180-191。耦合模块中的每一者包含在外部PTFE壳中，该外部PTFE壳具有图5(b)中示出的外部构型以允许储存在图5(a)的托盘68中。还说明物理上和声学上耦合到每一附接的耦合模块的延迟线的基底模块的耐磨板194。

耦合模块180包括外部PTFE壳，其具有Rexolite(聚苯乙烯微波塑料)延迟线和亲水性乙烯基弹性体尖端。耦合模块181包括外部PTFE壳，其具有Rexolite延迟线和球面热塑性尖端。耦合模块182包括逐渐变细的外部PTFE壳，其具有Rexolite延迟线和弯曲热塑性尖端。耦合模块183包括外部PTFE壳，其具有Rexolite延迟线和薄乳胶橡胶尖端。耦合模块184包括外部PTFE壳，其具有亲水性乙烯基弹性体延迟线和尖端。使用亲水性乙烯基弹性体球作为尖端的益处在下文更详细阐述。耦合模块185包括逐渐变细外部PTFE壳，其具有Rexolite延迟线和亲水性乙烯基弹性体尖端。耦合模块186包括外部PTFE壳，其具有Rexolite延迟线，该Rexolite延迟线具有亲水性乙烯基弹性体尖端所附接到的成角远端。耦合模块187包括外部PTFE壳，其具有Rexolite延迟线，该Rexolite延迟线具有热塑性尖端附接到的成角远端。耦合模块188包括逐渐变细外部PTFE壳，其具有Rexolite延迟线，该Rexolite延迟线具有包括热塑性尖端的有角的远端。耦合模块189包括外部PTFE壳，其具有热塑性尖端。耦合模块190包括外部PTFE壳，其具有用于固持还充当延迟线的变形的亲水性乙烯基弹性体球尖端的阶梯形远端。耦合模块191包括外部PTFE壳、Rexolite延迟线和提供物件接触尖端的热塑性材料。

图6示意性地说明包括单一亲水性弹性体球面的超声探针的优选实施例可如何实施。如将在下文更详细地阐释，此布置可有利地提供为模块化超声探针的一部分。

图6中示出的超声探针200包括单一亲水性弹性体球面208。亲水性弹性体球面208可例如通过交联亲水性乙烯基弹性体、高吸水性聚合物或水凝胶的合成和水合作用而制造。亲水性弹性体球面208包含在声学吸收壳212(例如从PTFE机械加工)内。当探针加载到表面上时，球面208在耐磨板214之间且抵靠着正检查的物件218的表面216而变得均匀地变形。

包括有源压电元件的变换器210当被一系列高电压脉冲激发脉冲驱动时产生L-波；例如，50-150V之间且持续时间为l/2f的负向转变(NGT)脉冲。球面208(即“耦合元件”)的特性声学阻抗使得存在从变换器耐磨板214(其充当匹配层)到达其的足够的声能传递。接触媒介(即球面208、检查零件218和周围空气)之间的相对阻抗根据以下等式而确定了探针与检查物件之间的界面处的成比例声学透射(T)和反射(R)：

T＝1-R (1b)

对于大多数薄金属零件，此类声学阻抗匹配问题实际上比在经组合的耦合媒介和检查零件内所展现的固有声学衰减对感兴趣的经传回反射回波信号的合成振幅具有更大影响。这是因为固有声学吸收(其将使得超声波在传播穿过任何媒介的同时衰减)是频率相依的，且取决于例如媒介的温度和固有颗粒结构等若干因素。

图6中示出的实例描绘了亲水性球面208与呈钢板的形式的物件218的交互，大部分的初始声能(例如>80％)被反射而不会进入检查零件218，这是归因于球面208的水凝胶材料(例如1-3.5兆瑞利)与物件218的邻近钢(例如近似46兆瑞利)之间的声学阻抗的显著差异。然而，对于确实传播到零件218中的能量的部分，在前壁与后壁界面处发生多重反射而无显著声学泄漏(即，仅来自第一后壁反射的所发射能量的近似1.3％返回到变换器)和限制经重复后壁反射的信号振幅电平中降落。

此实例说明用于模式-3超声检查的耦合部件(即，在此实例中，球面208)的选择涉及达成折衷条件，其中刚好足够能量被发射到零件中，而耦合不会太有效以致于太多反射能量通过第一后壁反射离开零件，因为这将产生用于后续后壁回波的低SNR。还已发现，未曾进入零件的大部分声能(即刚好在亲水性球面内回弹的超声能量)还可经测量和解译以便推断在球面周围环境内的或当球面与任何其它固体、胶状或液体本体交互时的球面的物理条件的信息。如将在下文更详细地阐释，与球面内的反射相关联的声学谱的延迟线峰值的分析还可用于建立球面与物件之间的接触。此可在使用坐标定位设备获得表面位置信息的自动化扫描期间有效地利用。此应与来自常规超声的延迟线变换器的Α-扫描信号的利用相对照，在常规超声的延迟线变换器中，此类内部延迟线反射更经常被忽略乃至一起被时间门输出。

图6中说明的亲水性球面208布置具有若干性能益处，例如允许有效且灵活的点检查测量并且还允许使用具有高准确性但有限机械功率的平台跨越复杂几何形状检查表面而进行连续扫描。举例来说，含水的(亲水性)球面208展现可忽略的声学衰减，这暗示了其可为任何大小。此外，它们的声学阻抗值非常适于到金属零件中的超声传输。此外，不可压缩的、可变形的且几乎胶状的球面是极其柔软的和有弹性的以便自然地抵靠着任何合理弯曲检查表面而保形。并且，完好的球面形状理想地实现足够耦合但保持抵靠着局部平面检查表面的点接触测量中的位置精确度。

亲水性球面布置还可适于提供朝向接触尖端的一定程度的有用逐渐变细或聚集效应，从而可能改变探针的有效自然声学焦距。换句话说，经由准确操纵检查表面上的探针加载和定向，弹性亲水性球面可对进入到零件中的所投射超声的光束发散度和方向提供一定水平的控制。此外，球面元件提供最佳结构形状以允许此类脆弱固体材料经历由于保持短期使用期间的机械完整性(归因于当球形在平面磨损表面与检查表面之间被压缩时加载应力的均匀分布)的同时而抵靠着检查表面进行加载而产生的重复弹性变形。可以注意到的是，不可压缩的球面优选地非常松散地驻留在壳内，且可能在负载下多次弹性地变形，其中在移除负载之后每次都返回到完美的球面。仅当球面表面处发生某一撕裂或裂开时，元件才崩解。

图6中说明的亲水性球面208布置还具有的重要好处在于：亲水性聚合物球面的水泡胀化学性质允许它们从外表面释放受控的水量。所释放的水量通常为将在大气内容易汽化的量。此细微的水释放大大改进跨越所有检查表面的声学耦合，因为水取代了探针与表面粗糙微结构之间所截留的气穴。此在不留下任何明显的残余液体或污染物的情况下完成，且不需要向零件施用凝胶耦合剂。此外，可经由已知有机合成方法来控制排出此水，且因此，其还提供有可能跨越检查表面连续扫描超声探针而不失去接触的附加益处。更确切地说，由扫描探针跨越检查表面(F)的任何横向运动引起的切线力将进而在接触球面中引发显著摩擦阻力(N)，这可能潜在地减损移动探针的位置精确度或致使过早机械故障(如果耦合部件完全干燥)。然而，通过亲水性球面的受控的水渗出性质，足够的液体从球面释放以充当天然有效的润滑剂，从而促进任何方向中跨越大多数表面的更平滑的连续扫描运动。

因此可看出，参考图6描述的基于亲水性球面的布置就有效点检查和连续自动化扫描应用而言提供若干益处。对于特定几何形状(例如涉及非平行前壁和背壁和/或存在受限接近的情况)，通过如下方法来测量此类零件可能不是始终可行或者甚至物理上也不是一直可行的：在检查表面处，仅通过相对于表面重新定向探针来以所需要的折射角引入L-波光束折射。此外，所投射光束由于孔径大小和操作频率而固有地发散且仅自然地聚焦而无任何明显的近场折射聚焦，与和抵靠着表面的探针定向和孔径所产生的自然焦距和折射光束角度无关。此外，尽管可以控制从固定件释放极其适度的水，但一些应用(例如汽车组合件的检查)可能要求不存在液体残余(包括水)。因此有利的是替代地或另外地提供包括刚性塑料折射透镜或角度光束楔形物材料(例如丙烯酸或聚苯乙烯)的耦合模块，该刚性塑料折射透镜或角度光束楔形物材料结合到形成物件接触尖端的合适的软耦合层。耦合模块的此“合成等级(compound class)”使得能够由超声探针产生选择性但严格固定的声学光束图案。

参看图7，示出耦合模块的合成设计的实例。再次，实例示出操作的基本原理且可在上文描述的模块化超声检查设备中实施。图7的超声探针包括压电元件248，其耦合到法线入射逐渐变细的延迟线250，法线入射逐渐变细的延迟线250被结合或松散耦合到薄软耦合层252(其突出且因此提供物件接触尖端)。在此实例中的耦合层252为例如用于制造外科手术手套或类似物品的乳胶橡胶薄层。或者，耦合层252可由可压缩油基热塑料提供。可产生乳胶橡胶和油基热塑物两者，其不会由于变形而产生残余因此将不会在检查期间产生液体污染。当牢固地加载且声学上耦合到检查表面时，法线入射合成超声探针(the normalincidence compound ultrasound probe)将产生零件254内的固定已知自然光束发散256。然而，刚性折射元件可特定地不对称成形以便与法线成设定角度来折射(即导引)L-波以便适应较复杂内部几何形状。此是根据斯涅尔折射定律，且方法还可用于过滤较慢剪切波模式。

图8示出耦合模块的合成设计的进一步实例。再次，实例示出操作的基本原理且可在上文描述的模块化超声检查设备中实施。图8的超声探针包括压电元件260和形成刚性折射元件的塑料平面凹透镜262。透镜262的平面表面264耦合到变换器耐磨板266，且球形凹入表面268抵靠着亲水性弹性球面270耦合(即“呈杯形环绕状”)。折射元件(即平面凹透镜262)或者可成形为任何必需类型的声学透镜以将L-波声学波前聚集或对焦在零件内在近场中的某一点处。图8的超声探针允许在给定每一媒介内的相对音速的情况下将L-波聚焦在零件272内。举例来说，L-波可聚焦在零件272的后壁上的点P处。此布置提供与使用浸没系统的球形聚焦探针获得的Α-扫描响应类似的Α-扫描响应；亲水性弹性球面270代替了将探针浸没在其中的水。

图9(a)、图9(b)、图9(c)、图10(a)和图10(b)为上述类型的模块化超声探针的组件的各种设计图像和照片，其包括含有呈亲水性弹性球面形式的耦合元件的耦合模块。如上文所解释的，上文描述的模块化超声检查设备包括可附接到共同基底模块的多个耦合模块。图9(a)示出基底模块290的远端的设计图像。基底模块的圆柱形主体的外表面上包含带螺纹连接器部分292。如下文将阐述的，带螺纹连接器部分292允许合适布置的互补耦合模块(例如，如图9(b)和图9(c)中所示出的)旋拧到基底模块上。

转向耦合模块，触摸待检查的零件和任何必需延迟线(例如法线延迟媒介或折射延迟媒介)的耦合元件(例如亲水性弹性球面)优选地被固持在声学吸收壳内。此强吸收壳的设置意味着用于厚度测量的经投射L-波可相对于其它波(例如来自耦合元件的侧部的反射波)占主导。这(例如)可以使较紧凑型折射楔形物设计成为可能。现将参考图9(b)和图9(c)来描述用于容纳亲水性弹性球面的吸收壳的实例，但应注意类似吸收壳还可用于不同类型的耦合元件。

图9(b)示出根据图9(a)中所描述的设计来制造且附接到包括声学吸收壳294的耦合模块295的基底模块293。壳294抑制内部声学反射且固持亲水性弹性球面296。在此实例中，壳294以玻璃填充PTFE(例如

品牌下出售的PTFE)进行精度机械加工。或者，可使用纯PTFE或某一其它合适的无回声聚合物。还应注意，针对高频率声学反射的无回声吸收特定地设计的一系列声学聚合物可市面上购得。举例来说，来自精确声学(PrecisionAcoustics)的Aptflex F28为用于浸没系统内的测试池衬里的高频率无回声声学吸收材料，且因此将是吸收壳的合适的材料，因为其提供用于任何非想要内部超声回波的极其有利的声学衰减属性。然而，PTFE具有作为低摩擦材料的优点而这对于允许亲水性球面在壳内自由移动(随着其在表面上的负载下压缩)是非常理想的，而不存在任何要粘附到限制壳的内表面的趋势。内部螺纹(图9(b)中不可见)形成使得耦合模块295的附接的第二连接器部分。

图9(c)说明由壳302形成的合成耦合模块300，壳302包覆延迟线304且固持亲水性弹性球面306。壳302(其类似于图9(b)中所说明的壳294)是通过玻璃填充PTFE的精度机械加工而形成。内部螺纹308形成使得耦合模块300附接到第一连接器部分的第二连接器部分，第一连接器部分包括形成于基底模块290上的互补螺纹292。

如图9(a)和图9(b)中所示出，PTFE壳294和302包覆每一耦合模块的大部分，其中耦合元件的亲水性弹性球面296和306的仅一小部分从壳的端部突起以便直接接触检查表面。在图9(c)的合成耦合模块300的情况下，延迟线304的突起的柔软超弹性耦合材料的圆周附近和周围的PTFE壳302的详细形状对归因于软耦合元件306截留在结构内时的有效压缩限制而实现的耦合性能具有影响。其还对消耗品的可能服务寿命具有影响，这是归因于在此限制致使跨越软耦合材料的集中应力分布的情况下撕裂亲水性弹性球面306的增加的概率。还应注意，PTFE壳提供对软易腐性耦合材料的某一有用的整体性保护。

使用玻璃填充PTFE来分别形成图9(b)和图9(c)的壳294和302还有利于将每一耦合模块附接到相关联基底模块。确切地说，PTFE提供每一耦合模块与基底模块之间的平滑、自动化螺钉紧固。机械螺钉配合组合件可因此使用有利于配合部分之间的平滑交互的材料(例如用于耦合模块的PTFE和用于基底模块的钢)来设计。此外，耦合模块的尺寸可设定成使得当螺钉配合组合件变得紧密时，基底模块内的平面磨损表面或耐磨板以适当夹持张力与耦合模块的内耦合材料恒定地接触。此PTFE壳的使用允许形成延迟线而不需要微机器沟槽来抑制反射，从而允许采用更便宜的高容量注射模制或真空浇注制造方法。

参看图10(a)和图10(b)而给出超声探针330的一个实施例的照片。图10(a)和图10(b)中所示的超声探针330被配置成附接到旋转头，旋转头进而安装在CMM的可移动套管轴上。确切地说，图10(a)和图10(b)中所示的模块化超声探针被布置为用于附接到双轴旋转头(例如上文参考图3所描述类型的

头)。当然，将有可能将此超声探针附接到其它测量系统。

超声探针330包括具有主体部分321的基底模块，主体部分321含有用以驱动压电超声变换器和以数字方式记录对此类激发的声学响应所必需的所有发射-接收(Tx-Rx)电子器件。主体部分321(其被布置在附接到CMM的探针330的近端处)包括可选的电磁屏蔽以保护发射-接收电子器件。主体321还可含有用以对探针加电以及将控制数据和激活命令传送到探针(例如以调度超声测量)所必需的所有电子器件。功率和/或控制数据(包含超声波数据和厚度测量结果)可经由旋转头通信信道来传递。

主体321还包括薄伸长且刚性碳纤维管件323，其沿着探针的轴向长度延伸。管件323的远端承载超声变换器和第一连接器部分322用于附接到耦合模块。图10(a)示出没有附接耦合模块的基底模块，而放大的图10(b)示出耦合模块332被附接到(即旋拧到)第一连接器部分322。高频且屏蔽同轴电缆(未图示)沿着碳纤维管件323在内部延伸以便将主体321中的Tx-Rx电子器件电连接到设置在尖端附近的变换器。此将高电压脉冲从Tx-脉冲发生器电子器件发射到变换器以便产生声学波形，并且还将测得的模拟电压信号从变换器携载回到Rx-电子器件以进行数字化和记录。尽管有利地选择探针的物理形式以使得电子模块为紧凑型且被包含在主体内并接近CMM的测量头，但可通过改变碳纤维管件的长度和/或弯曲角度特定地选择总长度以使得变换器模块和探针尖端可接近难以到达的零件几何形状。

参看图11，描述了参考图10(a)和图10(b)所描述的超声探针330的主体321内包含的发射-接收(Tx-Rx)电子器件。

图11描绘可布置在超声探针内的模拟和数字电子模块的一个实施例。模拟“脉冲发生器”电路350布置为能够产生高电压(50-150V)交流电模拟信号(例如NGT脉冲)的重复波列。尽管提供脉冲发生器350，但或者可使用较复杂的数字波形合成器来产生经频率或振幅调制的波形以在更衰减环境中驱动压电元件。由脉冲发生器350产生的高电压脉冲有效地驱动探针的变换器内的压电有源元件356以输出必需的超声波形358，但不超出用于此薄脆弱压电元件的最大电压。可由从FPGA 352或等效处理器发送到“脉冲发生器”电路350的启用信号来推动和在时间上精确地控制每一脉冲激活。对于每一激活，快速T/R开关354允许装置在发射模式与较长持续时间接收模式之间瞬时切换，在较长持续时间接收模式的时间期间，系统获取且以数字方式记录对由互逆压电元件356测得的所发射脉冲的声学响应。

所关注的经接收信号的振幅电平可以变化得非常显著，因此可选地提供可变增益放大器(VGA)360，以跨越所获取Α-扫描响应来感应SNR增益以便在数字获取之前放大信号。此外，为均衡每一Α-扫描响应内的归因于传播损耗或一些材料的衰减的可变性，还可实施被称为距离-振幅校正(DAC)的自动增益控制(AGC)形式。经放大的Α-扫描随后使用合适宽动态范围(例如12位)模/数转换器(ADC)362而被数字化，其中提供尼奎斯特率以上的足够过采样，因为样本速率从根本上影响测量系统的时间解析度以及因而影响厚度测量的准确性；例如，125MHz或更高的取样速率可适于20MHz变换器。来自ADC 362的经编码数字波形还可能需要使用数字滤波器(例如低阶FIR)的带通滤波，其中通带与变换器的操作频率匹配。Tx-Rx电子器件被设计为最小化每一个别Α-扫描内可观察到的电子噪声的所有可能来源。此不相关噪声通过跨越N个相继重复Α-扫描测量结果求平均(即，提供理论√N SNR增益)而最有效地抑制。

参看图12，现将描述针对经使用以编译用于参考图3描述的CMM和超声检查设备的自动化移动指令序列的检查规划软件的输入数据要求的实例。

在表面接触度量中已知的是，使用表面接触(扫描或触摸触发)探针而采用利用检查零件的标称CAD数据模型的软件来自动产生零件程序(该零件程序规划和执行测量行动)。举例来说，可使用由Renishaw公开股份有限公司出售的ApexBlade软件来执行涡轮机叶片的高解析度连续扫掠(sweep)扫描测量，以产生使用用于控制CMM的工业标准DMIS语言的零件程序。类似的CNC软件(例如使用和产生经接受的高层级CMM控制软件语言(例如DMIS))也可用于自动规划和调度超声探针检查。任何此类检查规划(不论自动执行还是手动执行)都优选地包含某一形式的详细零件特定检查规划或调度。

第一必备的条件在于界定哪里需要超声测量。此可通过在超声检查之前界定检查规划来实现，该检查规划跨越将在上面进行超声检查测量的目标检查零件而界定所有测量节点、线性区段(B-扫描线)或经界定检查区域的位置。此过程可使用检查零件的外部形式测量(该外部形式测量使用已知类型的表面接触测量探针来执行)。在界定测量节点且知晓具体检查零件几何形状和由承载超声探针的自动平台所提供的可用机械自由度之后，可确定测量所需的超声探针的类型。举例来说，可能有可能仅使用法线轴线超声探针(例如，如参考图4(a)和图4(b)所描述)，或者对于一些或所有测量而言可能必需使用成弯曲角度的超声探针(例如，如参考图4(c)和图4(d)所描述)。如果需要一个以上超声探针，那么自动探针改变例程可能是必需的。

如上文所解释，模块化超声探针包含可更换的耦合模块。如图3和图5(a)中所示出，耦合模块可储存在储存托盘中且因此根据需要自动附接到超声探针的基底模块以及从该基底模块拆离。检查规划可因此包含选择最有利地用于跨越检查零件内的不同几何形状的测量的一个或多个耦合模块。

每一耦合模块还可具有有限寿命(例如其可为消耗品或有限寿命物品)，且规划过程可因此包含用于更新此类耦合模块的更换策略。举例来说，单纯调度改变策略将很可能涉及就覆盖度和扫描性能方面来决定用于零件的每一区段的最佳耦合模块，以及在检查内调度一定数目的替代物以消除使用损坏的耦合模块的可能性。预测更换策略将涉及仅当检测到损坏或次佳性能时更换耦合模块；这将优选地涉及确定针对特定几何形状的最佳设计，以及确保每一设计的足够部分可用于覆盖所需的可能数目。还可采用调度和预测更换的混合。

在确定针对所规划检查的测量节点、超声探针改变和耦合模块改变之后，可产生最佳移动路径。此过程优选地确保探针移动合适地融合在一起，从而探针不会与任何障碍物(例如零件、夹具或花岗石底座)碰撞。对于预测耦合模块改变策略而言，重要的是每当检测到对当前耦合模块的损坏时无论探针位于测量体积内什么地方时都可调用安全移动路径序列以便使探针返回到储存托盘。检查表面上内壁厚度测量节点的列表可随后经编译，且界定超声路径。

在将超声探针的基底模块附接到CMM的可移动部件(例如双轴旋转头)之后，可执行测试以确保压电探针正确地运作。基底模块(当被附接到旋转头时)的轴向对准和位置可假定为始终固定且具有自动附接到耦合模块和从储存托盘拆离耦合模块的足够准确性。这是因为模块化超声探针的基底模块为大体上刚性主体，且可使用所建立的运动学接头来被附接到测量头。然而，优选地在耦合模块被附接到基底模块之后执行耦合模块的耦合元件(即尖端)的位置的校准。此是为了准确地确定CMM的坐标系内感测尖端(即耦合元件)的位置。

图13(a)和图13(b)示出可用于音速校准、XY位置校准和其它校准任务的示例通用校准加工品。应记住，此仅为合适的校准加工品的一个实例，且可实际上使用其它校准加工品和技术。

图13(a)示出校准块400的二维横截面表示，其还在图13(b)中以三维示出。校准块400为精度机械加工品，其并入有平面正交面402以使得其可放置在CMM的底座上，且使用表面测量(扫描或触摸触发)探针就XYZ位置及定向来准确地测量(即，数据化)其位置。块400还具有有中央凹坑特征406的平坦平面顶表面404，该中央凹坑特征406可以使用表面接触(例如触摸触发或扫描)探针而位于CMM体积中。校准块400为中空的且含有具有相对于顶表面平面404的小角度倾斜角(例如5-10度)的内部圆锥形表面408。由圆锥形表面408界定的圆锥的顶点与中央凹坑特征406的XY坐标同心。

在使用中，CMM的坐标系中的校准块400的位置及定向由常规度量数据化过程确定。举例来说，可通过使用常规触摸触发探针采取至少6个触摸点(例如，三个点界定Z平面，两个点界定x线，且一个点界定Y点)从块的垂直平面区段确定数据点和主轴线。一旦已以此方式发现校准块的位置，就可确定CMM体积内超声探针尖端的位置。

具体而言，CMM体积内块400的位置还可从使用声学探针而获取的两个测量结果的集合来确定，该声学探针包括呈亲水性弹性球面形式的耦合元件。在第一测量中，在z轴中通过移动声学探针以朝下指向到校准块400的顶部平面上方的点来确定声学探针的尖端的位置(和因此，块的表面上的点的位置)。换句话说，探针在[0 0-1]方向中通过对头进行调零以面向顶面法线向量[0 0 1]而移动。随后通过在Z方向上向下缓慢移动CMM套管轴而将声学探针加载到块400(其驻留在已知Z高度处)的顶部平面表面404上。通过重复加载探针到顶部表面404上和使探针离开顶部表面404，有可能估计探针在该处与此表面形成切线接触的Z坐标，这通过分析由来自亲水性弹性球面的反射所产生的声学信号而实现，如下文更详细地描述。此第一测量因此实现CMM体积内尖端的Z位置的准确确定。

其次，为估计CMM坐标系内声学探针的尖端的XY位置，跨越校准块400的顶部表面404在内部圆锥形特征上方作出超声厚度测量序列(例如，至少6个以获得唯一解)。再次，探针被布置为朝下指向(即，通过对探头调零)，且在每一测量节点处记录探针的XY位置。随后计算每一测量点处的块厚度，且3D中获取的厚度测量结果集合例如使用雷文柏格-马括特(Levenberg-Marquardt，LM)算法或任何线性或非线性最小二乘圆锥形适配算法被数学上适配到圆锥形状。此适配过程揭示适配圆锥的顶点的XY估计与凹坑的实际XY位置之间的偏移。

在优选实施例中，图13(a)和图13(b)中示出的校准块400可使用在待检查零件中找到的相同类型和等级的金属材料来机械加工。块400随后还可用于执行音速校准以便估计任何后续零件测量的壁厚。此可通过测量关于绕校准块周长的已知厚度区段的时间延迟而实现。应注意，或者可直接从待检查零件的已知固体区段(例如叶片的根部上或翼型附近)测量音速以便最小化可变性来源。这是因为音速校准很可能提供厚度测量计算内的测量误差的最大来源；例如，归因于环境内的温差、结晶定向或密度/孔隙度微结构的差异。

模式-3计量为用于使用上文描述的模块化声学探针的厚度计算的优选方法，因为其大体上不受耦合元件的可变性(例如穿过亲水性弹性球面的传播路径的变化)影响。然而，上文描述的校准技术还可在模式-1或模式-2计量中使用。在此类计量技术中，跨越一系列厚度的第一后壁反射的绝对传播时间延迟可用于通过线性内插法直接获得测得的范围内的任何后续厚度测量结果。此可具有有限数目的用途，例如以具有刚性恒定延迟线和极薄耦合元件(例如乳胶橡胶)的耦合模块来测量厚得多且更大程度衰减的零件，以便减小可变性。

校准块400(其可准确地表示正检查的零件)可以在高度自动化点测量和连续扫描的情境内具有进一步用途。如下文所描述，这些附加用途包含探针接触检测、法线探针加载估计、厚度测量和摆动移动调适。

对于探针接触检测，校准块400提供方便的已知几何形状和相同的平面表面目标，具有经附接的任何耦合模块的探针可从该已知几何形状和相同的平面表面目标来测量和校准(尖端接触表面时的点处)探针的Α-扫描波形中的相关变化。如将在下文更详细地描述，此技术利用来自耦合模块内的内部反射回波(其从一系列连续重复的经测得的Α-扫描来提取)的振幅、相位、精密尺度形状、频率和/或到达时间(TOA)中的改变，以便推断探针尖端与任何固体主体的接触。举例来说，已发现，刚性延迟线内的第二延迟线反射和第三延迟线反射(DL2和DL3)的振幅对任何探针尖端与固体主体的接触都极其敏感。

对于法线探针加载估计，使用来自耦合模块的内部反射(其从一系列重复的Α-扫描来提取)以推断此类探针尖端接触可被扩展来测量和校准探针到平面表面上的法线加载，其中使用此校准块。通过在将探针缓慢加载到校准块上的同时以高速率连续记录Α-扫描，随着软耦合元件抵靠着检查表面变形而来自耦合模块的内部反射回波的波形特征可被提取且存储而具有尖端和表面的位置信息。这些特征恰当地界定耦合模块内的软耦合元件的物理条件如何在法线加载条件下改变，且因此可推断跨越检查表面进行后续测量时的加载条件。进行此法线加载校准以推断耦合模块的软耦合元件内的位移或偏转可对于确保探针抵靠着检查表面的精确操纵(例如以更改探针的有效孔径或入射角)或对于跨越复杂和/或未知几何形状表面的操控探针的连续扫描是极其有用的。因此可使用此经推断的测量结果以高速率获得跨越未知表面形态的大体上恒定的加载条件，作为针对CMM和/或有源头控制器中的位置调适的直接反馈。

对于厚度测量，后壁反射回波之间的准确性且计算上有效的时间延迟估计是可能的。在优选实施例中，此时间延迟估计的过程可以涉及实施一般化交叉相关(GCC)算法，其卷积跨越经测量的Α-扫描的后壁回波的所存储或提取的复本以便准确地锐化相继后壁反射之间的时间延迟估计。该谱技术利用包含振幅和(最值得注意的)相位(例如使用相位变换预白化)的后壁反射波形的整体形状以确定其到达时间并因此确定相继回波之间的准确时间差。由此，校准块400可用于测量和存储在检查期间可使用的后壁回波的代表性复本波形(replica waveform)的经扩展集合。

还应注意，与用于测量模式-3计量中相继后壁反射之间的时间延迟的方法相同的方法可用于精确度测量来自可变形耦合模块的内部反射回波。更确切地说，存储校准期间的内部反射峰值的模板记号(template signatures)是有益的，其可以在后续检查期间使用以提取内部反射峰值的准确到达时间。

对于摆动移动调适，认识到耦合到任何表面的超声并不完全是确定性的，因为简单地通过用最大可用的力来将装置沿法线方向加载到表面无法始终获得关于法线入射L-波变换器的最佳SNR。随机过程还可影响关于正加载到检查表面上的探针所获得的SNR。举例来说，普遍的微结构、湿度和温度条件可影响空气如何被截留在探针与检查表面之间，从而引入超声发射中的显著潜在可变性。出于这些原因，已知在手动和自动化超声NDT测量(例如使用Marietta-NDT5-550系统)两者中向探针定向(例如滚动和/或扭曲)施加某一精密尺度调适，同时保持探针尖端在表面上静止，以便使所接收的信号电平达到最佳。此外，利用准确且无限分度自动平台(例如具有5轴线有源头的CMM)，有可能针对特定检查条件确定此类精密尺度探针移动(例如滚动和扭曲)的有利序列。因此进一步强调，校准块400提供此已知且代表性表面，其中探针可确定或以算法方式习得(例如使用优化、集群或人工神经分类器)模块化声学探针的摆动移动的最佳精密尺度序列，该最佳精密尺度序列可随后在后续零件检查期间被采用。

图14说明使用参考图3描述的类型的五轴线CMM设备以及图4(c)和图4(d)中所说明的模块化声学探针109的弯曲角度变体来测量航空风扇叶片盘/毂450的过程。

在模块化声学探针已安装到CMM的双轴旋转头且完成必需校准程序之后，探针109可用于进行跨越零件的测量。探针109可视需要而在叶片450的检查期间做出点测量结果441和连续扫描测量结果442两者。举例来说，可在一组空间相异节点处(例如跨越每一叶片分布的20个位置处)获得测量结果，和/或可获取连续扫描测量结果(例如通过沿着叶片的表面上的路径移动探针而同时收集1mm间距处的测量结果)。

如图14中所示出，弯曲角度允许超声变换器(和因此经投射的L-波)远离探针109的纵向轴线成固定角度定向。尽管具有紧密间隔的邻近叶片，此弯曲探针布置允许使用由CMM和旋转头提供的五度运动(三个平移轴线X、Y、Z和两个旋转轴线A、B)将超声能量沿法线方向引导到叶片450的表面。然而，一些几何形状和扫描方案可以得益于布置用于无缝连续扫描的绕初级探针轴线的另一旋转轴线(C)。

参看图15来说明使用具有包括亲水性弹性体球面的耦合模块的模块化超声探针所进行的平面零件的厚度测量期间所产生的Α-扫描波形。

图15(a)描绘了模块化超声探针464的亲水性弹性体球面尖端462，其正通过CMM(其被携载在上面)而正常地朝向平面检查表面466移动。在图15(a)的曲线中所示的Α-扫描表明在探针接触表面之前经接收(经传回)的超声脉冲回波的振幅(作为时间的函数)。第一峰值470A对应于由探针的变换器所产生的激发脉冲。后续峰值470B、470C为来自未经压缩亲水性球面内的经时间延迟的内部反射峰值。图15(a)的这些恒定的Α-扫描波形因此表明当其仅被空气包围时来自未偏转的耦合模块内的“静置-状态”条件。也就是说，探针尖端(即亲水性弹性体球面462)还没有接触检查表面，因此不存在作用于球面上的外部机械力。可以高重复率(例如1000-2000Hz)执行一系列此类Α-扫描。随着就图2所示的延迟线变换器使用Α-扫描，注意到第一峰值和第二峰值470A和470B之间所界定的时间窗口提供了用于探针的初级测量窗口。然而，重复率不应高到以致于引起相继脉冲之间的显著干涉。

图15(b)描绘探针464的亲水性球面尖端462首次接触平面检查表面466的确切点。尽管首次接触的瞬间将不存在球面的显著形状失真，但在经测得的Α-扫描波形中存在清晰且即时的改变。首先，反射峰值480B和480C(即，来自未经压缩亲水性球面内的经时间延迟的内部反射峰值)示出峰值振幅的缩减。这对于第二反射峰值480C而言较明显。其次，随着探针开始进行较显著接触，峰值开始或多或少地向左移位(即朝向t＝0激发脉冲480A)。第三，即使存在亲水性球面462与硬检查表面466之间的轻微接触，也可在Α-扫描的初级测量窗口内观察到来自零件的相继后壁反射的多个可测量反射峰值482A、482B和482C。

应注意，图15(b)中为了清晰起见示出仅三个反射峰值482A、482B和482C(即，很可能存在超过三个此类反射峰值)，并且产生这些后壁反射的原因在于亲水性球面的耦合性质。具体地说，基于亲水性球面的超声探针的重要益处在于：其可提供针对薄零件测量的足够延迟，同时仅需要探针与检查表面的适度接触。考虑到亲水性球面的软保形接触性质及其触摸起来部分湿润的感觉，此为填充探针与表面之间的气隙的能力的直接结果。

由于与表面接触而产生的Α-扫描中的改变因此允许超声探针进行表面接触测量。此将在下文更详细阐述。尽管后壁反射482Α-482C足以提供模式-3厚度估计，但优选地将超声探针进一步加载到检查表面上以便建立与零件的增加的声学耦合。具体地说，进一步加载允许获得最佳耦合接触(在本文中也被称作耦合“有效点(sweet spot)”)；此最佳耦合通过来自耦合模块内的减小的反射峰值与增加的后壁反射峰值的组合来揭示。

图15(c)示出模块化超声探针464的亲水性球面462的进一步加载到检查表面466上的结果。从Α-扫描曲线可以看出，耦合模块反射峰值490B和490C的振幅的缩减(即来自未经压缩亲水性球面内的经时间延迟的内部反射峰值)较明显。此伴随着后壁反射(厚度测量(即峰值492A、492B和492C)主要感兴趣的)的SNR中的显著增加。还可看到，随着探针进一步加载到表面上且球面逐渐地更多地变形，测量窗口内的内部耦合模块反射(即，峰值490B和490C)和后壁反射(即，峰值492A、492B和492C)两者进一步在时间上朝向t＝0发射脉冲490A移位。然而，相继后壁反射(即峰值492A、492B和492C)之间的延迟不变。

图15(d)示出探针进一步加载到表面且超过上文所提及的“耦合有效点”。常常观察到耦合模块反射峰值500B和500C(即，来自未经压缩亲水性球面内的经时间延迟的内部反射峰值)的振幅的进一步缩减，但后壁反射信号(即，峰值502A、502B和502C)无实质改变。还可看到，所关注的峰值朝向T＝0处的初始发射脉冲(即主激发峰值500A)进一步移位。探针进一步加载到表面上且超出“耦合有效点”因此不会使得后壁反射信号的SNR的进一步改进。此外，此进一步加载意味着球面变形可接近如下状况：Α-扫描内观察到所关注的发射波形和接收波形之间的时间重叠，或亲水性球面损坏。

图15(a)到图15(d)中所示的Α-扫描数据可经受多种信号或数据处理方法以允许当探针正被调度到检查表面上时自动检测Α-扫描的连续系列中的变化。从这些Α-扫描提取的波形信息以及具体而言从来自亲水性球面的内部反射回波的瞬态波形，提供用于确切地检测超声探针的尖端何时接触任何其它主体的敏感且稳健的方法。此表面接触信息具有若干用途。

第一检测方法涉及当已知超声探针的尖端没有接触固体主体时以定位在CMM体积内的某一“空”位置处的探针来俘获单一参考Α-扫描。此参考波形(例如图15(a)中所示出的波形)仅含有来自未经压缩球面的内部反射峰值，且表示由无尖端接触界定的情形。重要的是，主要归因于软耦合球面的极高弹性而可以观察到在已从任何固体主体移除任何尖端接触加载之后Α-扫描波形形状被一致地传回。可提取含有耦合模块反射峰值(即来自亲水性球面的内部反射)的Α-扫描片段，且对照来自(当在表面接触之前调度探针所测得的)Α-扫描的连续系列的相同时间选通片段反复地进行比较或区分。以此方式监视差异可用于自动检测何时发生尖端与物件的接触。

可基于任何合适的检测准则来指示自动化检测决策。尽管探针的一些情境可决定较复杂或自适应检测器(例如CFAR，贝叶斯检测器)，但具有绝对预定硬检测阈值的简单平方律能量检测器可满足许多情境。此方法是有效的，因为当探针正在自由空间中以任何速度或通过CMM和/或头可引入的任何复杂移动而被操控时，经测得的Α-扫描波形的连续系列展现出完全可忽略的测量间的可变性。此外，探针尖端与固体主体之间的任何接触引起跨越来自亲水性球面的经观察到的内部反射回波的瞬时且非常大的改变。探针内的自动化接触检测算法还可分析超出第一回波返回的任何数目的反射回波。举例来说，第2反射波形和第3反射波形可在振幅方面常常更明显地改变(相比于关于此类接触的初始第一回波返回而言)(例如如图15(b)中所见)，且因此这些波形还可提供任何触摸接触事件的敏感指示。脉冲产生重复速率优选地经选择以使得来自先前脉冲的干涉降至最低。

信号特征可简单地与累积波形能量差相关，该信号特征界定从每一Α-扫描提取的且在检测器内用作输入数据的耦合模块内部反射回波。然而，应注意，所采用的信号量度在其影响稳健但敏感的实时尖端接触检测的能力上可以是变化的。可同样恰当使用包含峰值电压、信号峰度(即第四统计时刻)、RMS、FFT和AR系数的其它波形量度，但可提取任何信号特征用于在检测器内使用。在实践中，用于检测Α-扫描波形的有意义的变化以便推断尖端接触事件的任何此类算法将需求最小的运算，因为基于差分处理的比较或检测决策仅需要跨越短时间选通分段窗口(从含有耦合模块内部回波峰值的每一Α-扫描内提取该短时间选通分段窗口)来计算。因此，在实践中，探针可报告尖端接触状态的速率更多地从根本上受到可产生Α-扫描的频率限制，而非检测器计算。应注意，Α-扫描产生速率取决于耦合模块内的媒介的厚度和L-波音速，以及用以记录来自亲水性弹性体尖端的至少前两个反射所需的作为结果的运送时间。归因于检测任务的相对简单性和低计算，可以相对高(例如高达2000Hz)的频率来将接触状态信息通过探针报告并发送到外围装置(例如CMM或测量头控制器)。然而，应注意，增加重复率(其从而在先前反射已较显著衰减之前感应新发射脉冲)可致使递减振幅的一组附加非调度/杂散噪声峰值激增到相继Α-扫描中。这些可在所发射脉冲与第一内部反射之间的振幅中较显著，但其可在初级测量窗口内使用用于提取相继后壁反射之间的必需时间延迟的初级信号处理方法有效地滤除。

以此高速率产生尖端接触状态数据允许自动检查系统相对快速地对探针可在由自动平台引入的任何类型的移动(例如CMM和/或测量头的运动)期间意外遇到的任何非调度尖端接触事件做出响应或机械反应。举例来说，如果将在探针沿着线性轨道以典型扫描速度(例如100mm/秒)行进时检测到尖端接触，那么到障碍物中的最小可能行进(假定将停止移动的中断命令发送到CMM和头的过程中无等待)将等同于耦合模块的软耦合元件的仅约50微米的偏转。即使考虑到实现CMM和/或测量头停止此移动的命令的过程中的一些合理的等待时间，耦合模块的软耦合元件内的可能偏转量将为在此之前将引起对亲水性球面尖端或刚性探针的任何损坏的标称最大可允许变形内的数量级。高时间解析度接触状态数据和由软弹性尖端提供的位置容差的组合因此规定对探针尖端造成的显著未检测到的碰撞损坏的低发生概率。

如上文所解释，敏感触摸接触能力对于CMM空间内探针的导航极其有用。此尤其是因为探针为刚性主体且不具有其它感测模态，因此可容易损坏。然而，超声探针以极高速率产生有用表面交互数据的能力超出简单二元接触检测。如下文将描述，已经设计允许探针在任何检查内用作能够产生描述检查零件的外部形式的笛卡尔点-云测量结果的简单但敏感触摸探针的信号和数据处理方法。此基本触摸点能力对由超声探针进行的度量检查(例如时间节省)以及更广应用(例如具有不能以常规触摸探针或光学扫描探针容易地测得的困难的光学特性的软胶状零件的敏感和精确测量)具有直接益处。此外，探针抵靠着检查表面的加载条件可通过直接利用测得的Α-扫描内的内部耦合模块延迟回波来连续估计。此对于使用超声探针进行的较可控点测量和连续移动扫描检查两者具有直接且重要的益处。

应注意，可进一步通过在操控期间用连续正弦曲线信号激发探针的压电有源元件来改善触摸能力。举例来说，可以比如20MHz的谐振频率用连续正弦激发驱动亲水性球面尖端。可检测当球面由任何固体接触时谐振中检测到的任何抑制。

现将参考图16到图19来描述允许将模块化超声探针用作基本触摸触发探针(其可跨越检查零件的外部形式作出有用点云测量)的处理方法。举例来说，这将允许探针通过在必需的测量节点周围的紧密近程中作出三个触摸测量而充分地勘测某一点处的后续厚度测量的表面的定向，以便估计表面法线。如上文所描述，可用探针通过来自耦合模块的亲水性球面的内部反射的连续监视来检测触摸接触，使得可检测这些回波波形相对于经校准无接触参考条件的任何有意义的变化(例如，峰值振幅、相位、到达时间改变)。

图16说明模块化超声探针546以恒定速度朝向固体块547移动，其中探针尖端548在X和Y坐标两者中的线性移动的情况下保持在恒定Z高度处。超声探针546具有包括亲水性球面的尖端548。模块化超声探针546安装到CMM用于移动，如上文参考图3所描述。

经由CMM控制器以高数据速率(例如1000-2000Hz)收集探针尖端在CMM的坐标系中的XYZ位置(即，亲水性球面的中心的位置)。此尖端位置数据与由超声探针以相同速率产生的合适的信号组合，该合适的信号指示是否存在亲水性球面的内部反射回波中的任何显著扰动，借此指示球面已与物件接触。类似于由触摸触发探针产生的触发信号的此信号可通过监视每一测得的Α-扫描与如上文参考图15所描述的所存储“无接触”参考Α-扫描内的第2内部反射峰值电压(Vp)之间的绝对差来产生。

由超声探针检测到的触摸事件因此使得探针向CMM(例如经由触发信号线的状态的改变)发布用于停止CMM运动和存储点测量结果的即时指令。然而，将始终存在与指令被从探针递送到CMM相关联的某一等待时间，且CMM减速周期是不可避免的。停止CMM的运动的过程中的延迟致使超声探针的软尖端变形到固体块中，使得当其完全停止时的位置可显著远离表面上的首次检测到接触的点P。

图17(a)和图17(b)说明上文所描述的效应。图17(a)示出其中初始地检测到接触的点P，且图17(b)示出超声探针停止之前所发生的到表面(即到点O)中的进一步移动。点P的紧密近似值可通过内插到目前为止获取的位置和触发信号数据时间序列而形成。或者，如果当触摸事件发生时探针正以相对高速度行进，那么可以较慢速度的回退移动实现更精确结果。此可涉及在与接近向量相反的方向中但以较慢速度从表面移除探针。

图18示出探针以上文所描述的方式到表面中且接着远离表面的移动期间作为时间的函数的X位置550、Y位置552、Z位置554和触发信号(Vp)状态数据556的曲线。时间系列曲线将接触的时间558和失去接触的时间560示出为虚线。探针因此移动成接触表面且在点O处停止。随后存在其中探针静止的短停留周期(其在点D处结束)，然后起始较慢回退移动。此较慢逆向移动使得待记录的空间测量点的密度较高，且来自检测Vp返回到参考水平借此指示接触已中断的时间的时间量化误差对估计P的XYZ位置的过程中的空间量化误差具有较少影响(即，归因于较浅的梯度)。较慢线性回退移动期间，还将可能在探针硬件内与报告探针位置相比较高的速率从Α-扫描数据产生触发信号(例如Vp信号)。这将允许通过内插获得P的较精确估计。还可采用较细化内插方法，其适应反射峰值变化的细微差异(其中在球面上的不同位置处且以不同掠射角发生球面中的接触变形)。

上文所描述的耦合模块的弹性亲水性球面可合成以在检查期间释放不同水量。已发现释放较高水量(例如用于跨越较粗糙表面的润滑)会减小回退移动期间作出的任何触摸接触测量的准确性。这是因为不同大小的小水滴可聚集在变形球面的位置周围，这在回退移动期间在球面与检查表面之间形成临时物理桥。此水滴可对何时超声数据指示与物件失去接触引入可变性。此可变性可通过以下操作容易地解决：不利用初始回退移动来作出触摸测量，而是实际上将第二移动并入到表面中(例如紧接在初始回退移动之后以较慢速度沿着相同向量)以便获得触摸位置数据。

使用超声探针还获得了表面接触测量结果的附加益处：比用该超声探针更换常规表面接触(例如扫描或触摸触发)探针而言，表面接触测量结果更快速。

参看图19，还应注意，归因于球面的对称性，仅需要考虑跨越纬度的差异(例如α和β)。这只要探针的变形与X Y或Z探针位置之间的关系为线性的，或可经由故意表面接触触摸来校准。

除分析超声探针的Α-扫描以确立何时首次达成表面接触外，用于估计检查期间的探针加载和因此耦合条件的信号和数据处理算法也可包含在探针中。为简单起见且因为可通常如何使用探针是最重要的，所以现将描述探针从标称法线方向加载到检查表面中的情境。然而，在以偏离L-波行进的方向(即变换器的轴线方向)的角度加载探针时也可以应用相同原理和方法。

如已经参考图15描述，在亲水性球面尖端抵靠着表面的情况下加载超声探针引起对Α-扫描内的内部反射回波的可测量改变，其涉及法线变形或球面内的Z位移。同样如上文描述，监视第1和第2内部球面回波的峰值振幅(Vp)和/或到达时间(TOA)可因此用于评估加载。在一些情况下，应注意，关于内部反射回波的单一组合量度可对于接触检测和依据校准数据(例如使用高阶反射峰值的比率)进行的加载变形估计两者足够敏感和稳健。

图20(a)和图20(b)分别说明来自超声探针的亲水性球面的第一内部反射峰值和第二内部反射峰值的TOA和Vp可如何随着探针以恒定缓慢速度逐渐沿法线方向加载到检查表面上(即，随着亲水性球面的法线变形逐渐增加)而改变的实例。从图20(a)和图20(b)的曲线可见，软球面中的Z变形(或Z偏转)与第1反射峰值和第2反射峰值的TOA和Vp之间的关系大体上为线性的。

界定Α-扫描内的内部球面反射回波的形状和/或位置的量度与由探针加载引起的球面变形的量之间的此恒定且可重复关系可在校准期间有效地编译。换句话说，如图20(a)和20(b)的曲线中所说明的数据可通过从适当校准加工品作出的探针加载测量来产生；例如，上文参考图13描述的加工品。此类已知(即，通过校准)关系可在任何后续检查期间直接使用以通过从每一测得的Α-扫描内的相关峰值(例如TOA，峰值振幅)提取相同信号特征来估计探针的变形或加载条件。举例来说，可使用校准块作出一组综合校准加载测量，其中探针尖端设定为相对于表面成一系列设定角度，且在表面上成一系列线性到达角度(即，处于不同掠射角)。此综合加载校准对于对称探针是切实可行的，因为加载向量与所选择的内部反射峰值特征之间的编译关系都相同地无关于探针的初始轴向旋转。在布置有关于球面的变形的一组校准数据的情况下，可通过内插(线性或非线性曲线适配)或简单地欧几里得最近相邻分类器二者中的任一者对来自Α-扫描测量的任何一组新反射峰值被分类以推断变形位移。

应注意，确定此类加载条件的过程中实现的准确性是可变化的。因此将通常实现就软保形尖端的变形而言探针的加载的最稳健且准确的估计(以mm计)，其中L-波沿着探针轴线沿法线方向投射到检查表面。幸运地，此是其中零件具有平行前壁和后壁的最典型的厚度测量情境。

除获取个别测量结果之外，连续声学扫描检查也是可能的，例如跨越具有平行前壁和后壁的例如连续固体形式等简单几何形状。此连续扫描优选地用超声探针执行，该超声探针包括在垂直于表面的方向上抵靠着检查表面加载的亲水性弹性体球面。此连续扫描由于亲水性球面的自润滑动作和使用通过内部反射回波的分析提供的加载估计的能力而成为可能。

图21描绘如下扫描情境：具有尖端(其包括亲水性球面602尖端)的模块化超声探针600跨越未知波形检查表面604来扫描。探针连续获取Α-扫描测量结果，且从每一Α-扫描来估计Z变形(Zd)(以微米计)。此可以相对高的速率执行使得加载条件的任何突然改变都可在Zd时间曲线内立即显现(如所示)。

如图21中指示，探针跨越表面从起点606到终点608横向移动。探针初始地处于水平表面以上的恒定高度(即恒定z高度)且以恒定电平在对应于恒定Z变形(Zd)或恒定球面尖端位移的“耦合有效点”区内加载。当探针首次到达具有增加的Z高度的波形区610时，Zd估计初始地增加，而无探针的Z位置中的任何偏差。然而，应强调的是，Zd估计数据可在CMM系统的控制环路内直接使用以响应于Zd的测得的改变来更改探针高度。如图21的较低曲线所示，CMM可适于响应于Zd测量而提供探针的高度(即Z位置)的实时调整。在此实例中，此通过与Zd的增加成比例地朝上移动探针来进行。探针的后退(Z)因此导致Zd值快速返回到其平均(最佳)加载条件。类似地，当探针到达减小的高表面时，Zd的缩减可由CMM立即补偿以便向下朝向表面往回降低探针。

此技术因此使用来自亲水性球面的软耦合层内的内部反射回波来直接且近实时地确保最佳声学耦合条件。通过解释耦合模块内的反射L-波抵靠着检查表面对探针加载条件的此直接实时估计和因此控制(即，使用对自动平台的反馈控制)不仅具有针对探针定位和扫描的益处，并且根本上影响从其作出有用厚度测量的所发射的L-波。应注意，分别根据声学衍射和折射的基本定律两者，高弹性和可保形耦合元件通过法线加载位移的受控变化或远离检查表面法线再定向轴向探针向量二者中的任一者而还提供改变和/或精确地控制进入零件的所投射L-波光束的固有能力。此主动的光束操纵在探针附接到高精确度自动平台(例如参考图3描述的CMM)时最为切实可行和有效。

图22(a)到图22(c)说明具有亲水性球面尖端的超声探针可用于引发对到物件中的所投射L-波的较精确控制的一些方式。确切地说，此探针允许经由衍射光束发散控制(通过探针的更精确校准的法线加载(即改变孔隙大小))或经由折射光束转向控制(通过变换器轴线的精度再定向)二者中的任一者用超声探测较复杂的内部几何形状。

图22(a)和图22(b)说明具有亲水性球面尖端622的超声探针620的增加的加载可如何在检查表面上引发更宽直径孔隙从而产生减小自然发散的光束宽度的准直效应。如图22(b)中所示出，更窄光束为有益的，因为其避免可原本导致干扰所关注的测量的杂散反射回波的正检查的物件中的内部特征624。

参看图22(c)，可通过探针620远离表面法线的再定向测量具有非平行前壁和后壁的物件。此光束转向可受限于仅小的折射角以减小模式转换效应。对于此类小角度，较慢剪切波模式不太显著，或其可经时间选通而离开Α-扫描。

上文描述的超声探针的广泛多种变型是可能的。举例来说，多个(例如15-20个)亲水性球面可级联在一起从而形成对应长吸收壳内的连续系列的触摸球面。第一球面可定位在壳内以便接触变换器耐磨板，且系列中的最终球面可从壳伸出以便接触检查表面。此探针设计将准许较远程检查方案，其中不需要或物理上不可能将变换器探针尖端定位成接近检查零件上的测量节点。此类变型设计的有用应用为可能的，因为此类亲水性媒介组件中观察到的L-波衰减性质极低。此产生从变换器到耦合模块尖端的可忽略的传播损耗。

除此类构造提供针对检查L-波的极其有效的声学波导外，还有可能在耦合模块内操纵所投射L-波。最值得注意的是，可发生以下情境：L-波检查可需要沿着除法线探针轴线外的某一轴线进行(例如，用于受限空间中的测量)。举例来说，将可能将声学反射镜面内嵌在一系列亲水性球面内，其依据声学反射定律(即，入射角等于反射角)在某一已知方向上简单地重新引导L-波。此反射镜面简单地为以设定角度来安装的平坦的声学反射表面(例如具有高声学阻抗)。

图23到图25说明其中可有效地施加一系列级联亲水性弹性体球面的不同情境的选择。

图23说明一系列级联亲水性弹性体球面640可如何用于检查长且窄孔洞的底部。如由所示的Α-扫描所指示的，应注意，用于包括此系列球面的探针的初级测量窗口根据系列内球面的数目而移位。然而，Α-扫描内的合成后壁反射(resulting back wallreflection)为可测量的，且具有接近以单一球面实现的SNR的SNR。

图24说明球面的大小可被设定为形成一系列逐渐变细球面650。球面系列660还可使用弱衍射效应离轴累积弯曲。再次，Α-扫描内的合成后壁反射为可测量的，且具有接近以单一球面实现的SNR的SNR。

图25示出包括用于垂直于探针/变换器轴线的检查的反射镜面672的一系列亲水性球面670。此超声探针可用于管件和/或容器内的综合度量检查，其中探针可绕围封体的圆周旋转。

超声探针可具备匹配吸收壳内水合的亲水性弹性体的不同(非球面)形状。除所描述的基本球面形状外，具有高含水量(例如通常75-95％)的高吸收性聚合物或轻度交联乙烯基弹性体也可合成以便生长成水合时需要的几乎任何闭合形式的连续形状，例如以便完全适配在外部吸收壳内部。匹配PTFE壳内的连续亲水性弹性体材料的多种订制(例如较长和/或较薄棱柱形)形状可被设计成适应任何复杂几何形状零件。通过观察来自此类耦合元件的Α-扫描，显然，后壁反射驻留在宽得多的第一测量窗口中。还应注意，借以处理耦合模块内的内部反射回波以估计加载位移或接触状态的各种方法对于此类替代设计也成立。

如上文所解释，合成等级的耦合模块可布置为不包括亲水性球面。图26说明从具有合成等级的耦合模块的超声探针产生的Α-扫描，例如如上文参考图7所描述。通过将图26与图15比较可以看出，以合成等级的耦合模块产生的信号中存在差异，且因此不同处理可用于解释Α-扫描和提取对于接触检测、加载、扫描和准确厚度测量过程是有用的信息。

图26示出具有包括加载到简单检查表面上的乳胶橡胶尖端702的法线光束合成耦合模块的超声探针700。

图26(a)示出接近表面的探针700。在接触表面之前，在初始Tx脉冲(图中未图示)之后，可见，Α-扫描仅并入有来自刚性塑料延迟线元件704的均匀间隔的重复反射(即，第一延迟线反射峰值、第二延迟线反射峰值和第三延迟线反射峰值701、703和704)。这些反射示出当探针移动穿过CMM体积内的自由空间时可忽略的测量间的可变性。

参看图26(b)，当乳胶橡胶探针尖端702接触表面时，测得的Α-扫描响应中的存在即时变化。初始切线接触不会引起内部反射回波的到达时间的可见移位，而是引起第2和第3反射回波振幅(即峰值710和712)的非常明显的缩减。取决于耦合性能(例如，由表面涂层软耦合和零件几何形状界定)，反射能量的此缩减结合来自发射到零件中的能量的增加的后壁反射波形714而发生。

参看图26(c)，随着探针700进一步加载到表面上，软耦合层(即乳胶橡胶尖端)变形，因此刚性平面延迟元件较接近地保形接触表面。第2和第3反射回波(即峰值720和722)的振幅进一步减小，且存在相继后壁反射(即峰值724)的振幅的增加。然而，延迟线峰值信号(即峰值720和722)的峰值振幅的此缩减并不伴随着这些反射峰值的到达时间(TOA)或相位的任何变化。此外，如图26(d)强调，从表面完全撤回探针致使延迟线峰值返回到相同电平，且采用与作出表面接触之前相同的形状。

图27描绘参考图26描述的探针的第一和第二延迟线反射峰值的到达时间和峰值振幅如何随着探针线性地加载到检查表面上而演变。确切地说，图27示出来自刚性延迟媒介的反射峰值在时间上相对于Α-扫描内的T＝0激发保持固定。加载校准因此更有效地使用量化可在增加的加载条件下从刚性延迟媒介泄漏的声能的比例(例如2或3阶峰值电压Vp的比率)的波形特征。然而，应强调，此类曲线在校准程序期间仍可有效地编译且用于自动检测接触(例如经由硬阈值能量检测器)或对加载条件分类(例如经由从曲线的线性或多顶式内插，或某一其它计算上有效的分类器)。现将描述用于从测量窗口内的测得的Α-扫描产生厚度测量结果的信号处理方法。任何此类信号处理算法优选地为稳健的且可基于某一形式的一般化交叉相关或复本相关来提取第一、第二和可能第三后壁反射之间的准确时间延迟。应注意，在超出第三后壁反射的情况下，波形发散可归因于返回的精密尺度形状的扰动而开始影响时间差估计准确性。

优选的信号处理方法采用某一形式的复本相关处理。此技术允许稳健、计算上有效且准确的时间延迟估计。确切地说，具有谱预白化的交叉相关算法保持比常规振幅阈值到达时间方法好的准确性。尽管复本相关过程为优选的，但应注意，可使用其它技术。举例来说，可使用平方律振幅阈值检测器，其中假定在波形强度或振幅超出某一设定的阈值的点处检测到反射峰值。还可使用一维边沿检测器或小波分解技术，其允许维持必需的时间准确性，同时使噪声平滑。然而，交叉相关算法较好地适合于高频实时实施方案。

参看图28，示意性地说明复本相关器的函数，其中可以接近数字采集系统提供的基本测量解析度(例如等于ADC取样率的倒数的时间)的准确性估计相继后壁反射之间的绝对时间延迟。复本相关器为一种形式的匹配滤波器，其中从测得的Α-扫描与后壁反射的经延迟复本之间的交叉相关计算输出。

确切地说，图28说明复本相关过程如何涉及使时间窗口Α-扫描响应y(n)与一个或一组所存储或提取的后壁反射波形x(n)相关。此相关过程通过分别使用第一和第二DFT算法750和752将输入波形x(n)和y(n)变换到频域来实施。第一和第二DFT算法750和752可包括众所周知的FFT算法的任何合适的形式。乘法器754随后在频域中对经变换信号执行相继乘法运算。乘法器754的输出通过第三DFT算法758转换回到时域中，且峰值检测器760将数据输出到延迟估计器762。当使用一般化交叉相关算法的受偏爱的相位变换型式(GCC-PHAT)时，在交叉谱除以其量值之后仅保留信号相位信息。理想地，在无加性噪声的情况下，此处理器接近准确时间延迟估计处居中的δ函数。

当将结果变换回到时域时，归因于谱淡化和泄漏，此快速卷积过程可遭受不准确性。因此，实施预白化滤波器756以便改进时间延迟估计过程的时间准确性和SNR稳健性。相位变换预白化具有均衡交叉谱(Pxy)相位以便使SNR和主导延迟相对于多路径混响的时间准确性最大化的效应。尽管对于以探针测得的Α-扫描，其可为最有效的形式的预白化，但可使用任何此类相关方法(例如Knapp和Carter)。举例来说，相位变换方法对于低SNR环境可变得不太有效。

接下来参看图29，说明相位变换复本相关器算法的原理。确切地说，此图说明来自测量窗口的测得的后壁响应呈现给信号处理级。

测量窗口内重复的后壁反射(即峰值780)就重复形状而言(尤其就其相位而言)展现强相关。尽管信号电平从第一反射回波780到第三反射回波782衰减，但SNR仍相对高。如所指示，测量窗口响应可使用交叉相关器的相位变换型式(GCC-PHAT)与后壁反射回波的所存储复本相关。此产生对于某一噪声抑制的相关响应784(即，相关过程引发某一SNR增益)和以最大相位相关表示确切时间样本处的每一回波的波形的有效锐化。由此，简单最大峰值检测器可确定每一回波的时间样本，且这些峰值(t1和t2)之间的时间差表示可从其作出厚度估计的时间延迟。尽管可在校准期间测量复本波形，但还指示，通过直接从Α-扫描本身提取后壁波形或通过该算法的自相关型式，相同算法可为有效的。

大体来说，用以评估每一测得的输入Α-扫描以便简单地检测尖端接触(例如通过硬阈值检测器)和/或量化软耦合模块中的变形(例如Zd)以便确保最佳耦合的数据处理需要比测量所耦合零件的厚度所需的后续信号处理少的计算。因此，探针的切实可行的特征为，其可在一个以上自动化操作模式中运作。

图30描绘示出探针与外围硬件之间的可能操作模式、控制和数据流的流程图。如所示出，可从探针控制软件经由CMM/头控制器引发探针移动命令，其中超声Α-扫描以高速率同时产生。因此，基本处理可提取每一测得的Α-扫描的超声反射峰值特征，且经由硬阈值检测器评估是否尖端接触任何物件。如果未检测到接触，那么由探针控制器经由CMM/头控制器引发的移动可随着获取更多Α-扫描而继续，但探针上不正执行其它处理。

如果检测到接触，那么可立即警告CMM/头控制器，以便报告接触处的探针位置和/或引发某一中断移动动作。此接触检测还可自动使探针能够开始处理超声反射回波以量化抵靠着检查表面(即关于“耦合有效点”)的超声探针耦合变形。可以极高速率继续产生更多Α-扫描，直至认为耦合接触(即耦合Z变形)在“耦合有效点”或耦合变形容差内才激活任何计算密集型厚度测量信号处理。尽管此可接受的耦合条件将主要由所描述的方法确定，但因为其主要涉及软耦合元件(例如亲水性球面)的评估，所以其可能包含测量窗口中的后壁反射的某一基本评估(例如简单量度，比如峰度或峰值振幅等)。

在探针耦合足够或优化的自动化检核之后，可激活探针内的计算上和时间上较密集的信号处理算法以提取Α-扫描的初级测量窗口内的相继后壁反射且测量其时间延迟。对于许多情境(例如跨越零件的连续扫描)，在实践中可能需要探针针对每一测得的Α-扫描连续执行厚度测量处理算法。以此方式，计算上有效但准确的时间延迟估计方法提供重要操作益处。

图30因此表示探针的一种架构，其中由超声探针本身内的处理单元(例如FPGA、DSP、CISP)实现大比例的处理。此分布式处理架构具有部署在其中穿过测量头和镜的用于探针上的本地存储器存储的通信通道带宽可能是有限的CMM上的优点。然而，应注意，存在用于处理Α-扫描数据的其它可能的架构和方法。举例来说，在一些情况下，有可能“在运行中”实行用于接触检测和最佳耦合的所有基本处理，但将扩展批量的Α-扫描记录在存储器本地，用于某一其它处理器(例如膝上型计算机或PC)上的厚度测量结果的批量传递和后处理。无关于处理架构，此处指示的用以经由模式-3计量估计时间延迟的基本信号处理保持稳健并且准确。

应注意，当应用谱相关方法(例如GCC)以确定可从其直接估计接触零件的厚度的准确时间延迟信息时探针或设备的测量解析度通常通过数字化接收器电子器件(即ADC)内的取样频率来限制。在其中所关注的反射波形为无显著随机瞬态分量(例如限带)的平滑可预测高SNR信号的情形中，已发现可能通过在施加相关器之前进行原始测得的Α-扫描响应和副本的规律的内插上采样来人工地增加有效系统解析度。此外，依据测得的Α-扫描的SNR和噪声统计数据，可在信号处理内应用不同预白化滤波器(即频域中的加权函数)的选择以作出更精确的厚度测量。此类预白化滤波器包含经平滑相干变换、Roth滤波器或Hannah及Thompson滤波器。

还应注意，上文所提及的GCC算法的相位变换型式对于较低SNR方案(当隔离使用时)可能不是始终最佳的。举例来说，以含有所关注的后壁反射和或内部延迟线反射信号的设备测得的Α-扫描还可含有来自测量系统的较高电子噪声电平(例如在其中跨越Α-扫描不应用平均或采用较低成本仪器的情况下)，或感测系统测量带内的较高声学背景噪声(例如当使用高声学噪声资产或高噪声自动平台(例如下文描述的爬行器平台)采取测量时)。技术人员因此将理解最适当的信号分析技术可如何针对不同应用而变化。

本文中所描述的超声系统和相关联自动化检查概念的实施例可用于与上文描述的相比极度衰减且厚得多的金属和非金属零件内的内部度量测量。确切地说，超声设备可用于测量已经使用增材制造(AM)方法(例如使用选择性激光熔融机器)制造的特定高值安全临界金属零件(例如医疗植入物)。此类零件可需要内部度量测量和非破坏性计量两者以确保跨越零件展现的孔隙度在必需的容差内。此类型的孔隙度测量变成越发重要，因为此类AM技术可以跨越零件的多种孔隙度特定地设计。应强调的是，跨越已知或测得的几何形状的AM固体部分的此孔隙度分布估计可通过跨越零件的音速分布的直接估计来恰当地实现。这是因为纵向音速与孔隙度之间存在严格线性且容易校准的关系。剪切波速度与孔隙度之间也存在线性关系。此也可在一些情形中使用。

本文中所描述的模块化超声设备还能够在零件内的已知深度或角度处(例如使用具有球形聚焦平面凹透镜的耦合模块)聚焦所投射超声。该设备可因此用于检查零件内的内部瑕疵和空隙的自动化检测、位置和尺寸设定。

上文所提及的模块化超声探针可有利地用于软材料零件的维度形式测量。举例来说，一些较软固体胶状、有机或非金属零件可能不固有地适合于常规接触探测，因为到此类较软零件中的表面交互不能致使探针触笔恒定地以机械方式偏转(例如归因于机械滞后效应)，和/或此类接触可设想在处于检查中的软零件中引起非想要的凹陷。此类零件可包含软弹性或塑料聚合膜、织品和皮革、食物乃至有机膜和人类组织。

此类软度量任务可涉及探针内的软耦合元件特定地选择为比正检查的物件或材料软。因此，耦合元件在引发正检查的零件内的任何偏转之前偏转可测量的量。具有极高含水量(例如95％)的极软亲水性乙烯基聚合物因此可提供为超声探针的耦合元件。此耦合模块可提供为一组耦合模块中的一者。

上文所提及的模块化超声探针可有利地用于高质量表面涂层零件的维度形式测量。确切地说，应进一步注意，具有复杂几何形状但具有极高质量平滑抛光的表面涂层的一些其它精度制造的刚性零件可需要自动化维度测量。然而，硬红宝石球形触笔探针与此类抛光检查表面之间的接触交互可能不理想，因为此交互可潜在地引起表面上的一些刮擦或碰撞损坏。此外，归因于检查表面的非传导光学特性(例如光学透明声学凹或凸透镜或抛物面光学镜面)，替代的非接触光学测量探针(例如激光扫描探针)可能不是合适的。

上文描述的超声检查设备的模块性，且更确切地说自动改变和定制不同耦合模块设计以适应特定检查条件的固有能力，在复杂几何形状零件的测量期间尤其有益。此外，任何特定耦合模块的选择将常常指示用以产生输出测量结果(例如跨越每一测量节点的厚度值)的特定计量方法。

举例来说，在典型中空航空叶片的检查期间，可依次地采用不同耦合模块设计和相关联计量方法的选择以用于较综合性覆盖度检查。具体地说，零件的块体外表面的大比例可平行于内部后壁表面。对于此块体“表层厚度”计量，包括亲水性球面的耦合模块可附接到超声探针，且跨越叶片横向连续扫描，其中探针相对于检查表面保持大体上法线定向。探针不离开检查表面的此法线入射连续扫描利用这种类型的软保形和弹性亲水性耦合模块的自润滑性质，如先前描述。其因此促进使用上文所描述的用于每一节点处的稳健时间延迟估计的复本相关方法经由模式-3计量方法跨越检查表面的测量点的极高密度。

然而，应注意，用于测量块体表层厚度的方法不一定适合于跨越整个叶片的检查。举例来说，在叶片翼型的前导沿和后沿附近，外部前壁和内部后壁常常偏离此平行几何形状。在此实例中，折射耦合模块可用于在必需的方向中朝向内部后壁投射超声L-波。此可涉及使用具有固定刚性延迟线的耦合模块，以及适当折射楔角。或者，利用适当校准，可使用具有亲水性球面的耦合模块但在探针定向成与表面法线成适当角度的情况下实现折射检查任务。在任一情况下，模式-3检查变得成问题，因为非平行的前壁和后壁表面防止相继后壁反射返回到探针。其中估计第一延迟线或来自耦合模块的内部反射峰值与后壁之间的时间延迟的模式-2计量也不适当，因为此折射角度处将不存在强内部反射峰值。因此，在此情况下，可改为有利地实施模式-1计量(其中估计初始激发脉冲与后续后壁反射之间的绝对时间延迟)。

为获得最高可能模式-1厚度计量准确性，可必需进一步校准程序，其中跨越由与检查零件相同材料机械加工的且并入有处于与检查零件相同的前壁和后壁定向的一个或多个后壁的折射校准块作出一系列折射测量。以与任何此模式-1校准程序相同的方式，在校准块中使用与检查零件相同的材料允许音速校准集成到此折射角度校准中。也就是说，单独音速校准程序可能不必要，因为校准期间采取的已知折射厚度的一系列后壁时间延迟可意味着检查期间以探针测得的任何进一步时间延迟可通过线性内插法直接推断未知厚度。还可能确定耦合模块的软耦合元件内的音速。尽管此音速测量决不是必需的(例如，其对于使用模式-3方法对例如机身表层和平行中空叶片等平行偏心零件的准确厚度检查不是必需的)，但其确实具有一些优点。举例来说，附接的耦合模块内的耦合层的音速可受大气温度变化稍微影响，且对于例如非平行前壁和后壁检查零件的法线轴线外检查等特定探针功能，可能有益的是校准(即测量)检查内的个别耦合模块的音速。更确切地说，根据斯涅尔折射定律，耦合媒介的音速将直接影响超声波形到检查零件中的投射角度。因此，均质各向同性耦合媒介内的此绝对音速的更精确和经校准量度对于累积和推估内部反射表面的确切位置及定向可能是有益的。

耦合元件的音速的测量还可具有替代应用；例如，将与耦合元件交互的未知液体样本分类。耦合模块的音速(CL)可通过耦合媒介的纵向尺寸(d)的直接测量和往返飞行时间(t)的估计(即，使用关系CL＝2*d/t)经由模式-1模式-2或模式-3方法来导出。或者，可使用涉及以极受控且精确的方式将探针线性地加载到已知平面表面上的方法。更确切地说，已发现当探针加载到平面表面上时来自耦合层的第一内部反射波形的到达时间(TOA)的改变的测量允许编译TOA与耦合层变形(即，线性加载位移)之间的线性关系。根据此线性关系曲线(即，对于不可压缩的耦合层)，音速可直接计算为梯度。换句话说，TOA(t)与Z-变形或加载(r)之间的绝对梯度等于音速(CL)的一半，依据关系r＝(CL*t)/2。此方法已发现是准确的且确保不需要耦合层的确切试探性纵向尺寸的潜在地不精确的估计来计算耦合层音速。

尽管上文描述超声设备可如何安装在桥型CMM上，但应注意，其可与其它设备一起使用。

图31说明上文描述的超声探针802可如何安装在x-y扫描仪800上。

图32说明上文描述的超声探针802可如何安装在超声爬行器系统810上用于测量薄航空结构(例如机身表层)内的内部开裂和腐蚀。在此类实施例中，后壁反射之间的Α-扫描中发生的强反射回波可检测为可分类为内部空隙或裂痕的零件体积内的额外非想要界面。在此类实施例中，爬行器载具810可实施大弯曲结构上方的连续扫描以测量结构的表层(例如航空结构或风力涡轮机叶片)的内部厚度。然而，零件的曲率及其与爬行器轮子的交互可引发上面安装超声探针的移动平台与检查表面之间的确切间隙的某一可变性。通过软耦合尖端中的当前偏转(Zd)的高解析度估计，有可能随着探针沿着零件行进相对于平台调适探针的Z位置以补偿可变间隙，因此将探针变形保持在设定容差(即“耦合有效点”)内。以最简单形式，响应于软耦合元件变形的变化相对于平台调适探针高度可使用线性级马达实施，该线性级马达具有附接到平台的简单线性编码器，该线性编码器将允许在检查期间实时改变探针的Z高度。在较复杂实施例中，可并入第二旋转马达和编码器，从而允许探针在保持在其运动平面中的同时旋转，以便响应于表面法线的改变更改其抵靠着表面的入射角。

Claims (10)

1.一种与坐标定位设备一起使用的超声检查设备，所述超声检查设备包括；

基底模块，其可附接到所述坐标定位设备的可移动部件，所述基底模块包括超声变换器和第一连接器部分，以及

多个耦合模块，每一耦合模块包括可释放地附接到所述基底模块的所述第一连接器部分的第二连接器部分，以及用于接触和声学上耦合到待检查的物件的耦合元件。

2.根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述多个耦合模块中的至少一者具有包括自润滑材料的耦合元件。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述自润滑材料包括亲水性弹性体球面。

4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述多个耦合模块中的至少一者包括延迟线。

5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述多个耦合模块中的至少一者包括超声光束控制元件。

6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述多个耦合模块中的至少一者包括超声吸收壳。

7.根据权利要求1所述的设备，包括用于保持所述多个耦合模块的保持器。

8.根据权利要求2所述的设备，其中，所述保持器在使用之前是被密闭性密封的。

9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述保持器包括用于接纳所述多个耦合模块的多个凹部，所述凹部和耦合模块被布置为防止耦合模块在凹部中旋转。

10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述第一连接器部分和第二连接器部分包括用于将所述耦合模块中的任一者附接到所述基底模块的一个或多个磁体。

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