CN115803620A - 用于便携式超声测试的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种具有超声换能器壳体组件的系统，该超声换能器壳体组件保持用于球形聚焦换能器的声学耦合路径，并且同时允许相对于垂直角度以一定角度放置壳体。本发明将球形聚焦换能器的使用扩展到便携式系统中，显著降低了用于无损测试的系统和操作成本。换能器壳体组件的特征在于具有开口的透镜壳体，该开口用可更换的不透流体的膜密封，该不透流体的膜限定声学窗口，该声学窗口具有与壳体中的流体的声学特性类似的声学特性，因此对于换能器至少是半透明的并且引起最小的信号损失。在不正确使用或泄漏的情况下，壳体包含最少的待清洁的流体。换能器壳体还包括可选的表面偏移和相对于部件表面调节换能器的焦点的能力。

Description

用于便携式超声测试的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求以下美国专利和专利申请的优先权：本申请要求于2020年11月6日提交的第17/091,774号美国专利的优先权，其要求于2020年3月30日提交的第63/001,608号美国临时专利申请的优先权。本申请还要求于2020年3月30日提交的第63/001,608号美国临时专利申请的优先权。上述申请中的每一个以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本公开涉及超声无损测试领域，并且更具体地涉及用于复合材料的超声无损测试的系统和方法，其不需要浸没或连续流动的水射流。
背景技术
无损测试(NDT)，也称为无损评估(NDE)或无损检查(NDI)，已经在测试较大型机器的材料和部件中获得普及，因为这些方法通常不会使材料或部件不适合其预期目的。传统的NDT方法包括超声和热成像技术，以及基于使用涡流、辐射(包括γ、X射线和微波)、磁性颗粒、染料渗透剂等的技术。NDT传统上用于检测材料的表面瑕疵，检测材料层的分层，或指示材料内存在其他缺陷。
现有技术专利文献包括以下内容：
发明人Roach等人于2012年7月9日提交并于2015年9月1日发布的题为“Ultrasonic Testing Device Having an Adjustable Water Column(具有可调水柱的超声测试装置)”的第9,121,817号美国专利涉及一种具有可变流体柱高度的超声测试装置。操作者能够在检查期间实时调节流体柱高度，以产生最佳超声聚焦并将外来的、不需要的UT信号与源自感兴趣区域的那些信号分离。
发明人Palmer等人于2016年1月19日提交并于2019年5月28日发布的题为“Inspection devices and related systems and methods(检查装置和相关系统及方法)”的第10,302,600号美国专利涉及检查装置，其包括具有至少一个开口的喷嘴部分和设置在壳体的后腔室中的换能器。所述壳体具有至少一个流体通道，所述至少一个流体通道限定在所述壳体中并且沿着所述后腔室的至少一部分延伸。所述至少一个流体通道被配置为将流体供应到所述壳体的靠近所述换能器的前腔室中。相关方法包括操作检查装置。
由发明人Botsco等人于1978年11月14日提交并于1980年8月5日发布的题为“Apparatus and Method for BondTesting by Ultrasonic Complex Impedance PlaneAnalysis(通过超声复阻抗平面分析进行粘合测试的装置和方法)”的第4,215,583号美国专利涉及一种无损粘合测试装置，该装置利用由声能产生和接收探头的信号矢量响应的相位和振幅表示的阻抗变化，该探头应用于被测试的层状、蜂窝状或纤维复合结构。该粘合测试仪和方法适用的典型粘合方法包括粘合剂粘合、扩散粘合、钎焊、电阻和冲击/摩擦粘合。阴极射线管显示矢量尖端(作为亮点)，其表示受被测结构影响的阻抗特性。零电路(nullcircuit)删除被测结构的无缺陷(或正常)部分的响应，使得该结构的有缺陷(或异常)部分从零点产生阻抗变化，该变化在极坐标显示器上由矢量尖端的幅度和角位置表示，从而提供关于被检测的粘合层状况的位置和类型的诊断信息。可检测的粘合层状况/缺陷包括脱粘、粘合剂厚度、粘合剂孔隙率、粘合剂固化程度、粘合剂(内聚)强度以及使用中的粘合剂或粘合层降解的形式。
发明人Evans等人于1978年5月24日提交并于1980年1月22日发布的题为“Apparatus for evaluating a bond(粘合评估设备)”的第4,184,373号美国专利涉及一种用于评估通过粘合剂中间层粘合在一起的第一和第二结构之间的粘合的装置和方法。提供用于将超声波能量脉冲发射到粘合结构中的装置，由此第一反射脉冲可以从第一结构的第一表面反射，第二反射脉冲从粘合剂层反射，并且第三脉冲可能从与粘合剂层相邻的第二结构的表面反射。提供电路装置，用于感测第一、第二和第三反射脉冲，并通过比较反射脉冲的幅度并确定比率是否在预定范围内来提供粘合质量的指示。
发明人Questo等人于2010年5月21日提交并于2013年1月8日公开的题为“SonicResonator System for Testing the Adhesive Bond Strength of CompositeMaterials(测试复合材料的粘合结合强度的声波谐振器系统)”的第8,347,723号美国专利涉及一种用于测试复合材料的粘合结合强度的声波谐振器系统。该美国专利还公开了一种校准该声波谐振器系统以与特定的复合结合接头一起工作的方法，以及一种基于所需的结合强度对结合的复合结合强度的“通过-失败”进行无损测试的方法。
发明人Campbell等人于2019年3月22日提交并于2019年9月26日发布的题为“Detection of kiss bonds within composite components(复合部件内的吻结检测)”、公开号为2019/0293610的美国专利涉及用于检测复合部件中的吻结的系统和方法。使用表示来自复合部件的反射超声能量的反射超声数据、比来自复合部件的反射超声能量中的预期材料噪声的预定基线噪声幅度值高2％至5％之间的第一阈值幅度值、以及比第一阈值幅度值高的第二阈值幅度值，识别超过阈值幅度值且小于第二阈值幅度值的反射超声能量的幅度值的一次或多次出现。基于所识别的反射超声能量的幅度值的一次或多次出现来检测复合部件中的吻结。
发明人Kollgaard等人于2006年12月28日提交并于2009年8月18日发布的题为“Simplified Impedance Plane BondTesting Inspection(简化的阻抗平面粘合测试检查)”的第7,574,915号美国专利涉及一种NDI系统，其包括超声换能器和具有指示器(例如光源)的电子装置。电子装置激励换能器，从换能器接收正弦信号，确定对应于正弦信号的正交相位分离分量的阻抗平面坐标，并且如果阻抗平面坐标超过预设阈值，则自动激活指示器。该系统可以用在检查诸如复合飞机部件的层状结构和应用于这种结构的修理贴片的方法中。
发明人Saxena等人于2009年7月16日提交并于2012年8月7日发布的题为“Apparatus and Method for Damage Location and Identification in Structures(定位和识别结构损伤的设备和方法)”的第8,234,924号美国专利涉及一种用于测试复合结构的设备和方法，其中描述了超声波用于检测结构中的脱落(disbond)。该设备包括承载声光换能器(比如，光纤布拉格光栅)的柔性结构。在使用期间，设备机械地且共形地耦合到被测结构。
发明人Heyman等人于2004年4月2日提交并于2006年3月28日发布的题为“BondTesting System,Method,and Apparatus(粘合测试系统、方法和设备)”的第7,017,422号美国专利涉及一种用于确定粘合部件的特定粘合强度参数的粘合强度测试仪和方法，包括锁相器、换能器、能够向粘合施加应力载荷的加载装置、用于控制加载装置的控制器、用于获取数据的数据记录装置以及用于分析计算特定粘合强度参数的数据的计算机装置。
发明人Martin等人于2012年8月9日提交并于2014年8月7日公开的题为“AirCoupled Ultrasonic Contactless Method for Non-destructive Determination ofDefects in Laminated Structure(用于无损确定叠片结构中缺陷的空气耦合超声非接触方法)”、公开号为2014/0216158的美国专利涉及一种用于无损确定层压结构中缺陷的空气耦合超声非接触方法和装置，该层压结构具有宽度(W)和大量的N个叠片，N个叠片具有N-1个中间粘合平面(B)，而固定发射器距离(WTS)内的至少一个发射器(T)在多个位置处辐射超声波束，并且传感器距离(WSR)内的至少一个接收器(R)在相对于层压结构(S)的多个位置处接收再辐射的超声波束。该方法对例如层压缺陷的位置和几何形状进行成像，并且允许检查任意高度(H)和长度(L)的层压结构(S)、单独估测特定粘合平面(例如，B1、B2、B3)、以及在限制条件下接近平行于粘合平面的样品表面。
发明人Georgeson于2014年7月17日提交并于2016年6月7日发布的题为“Nondestructive inspection using hypersound(使用特超声的无损检查)”的9,360,418号美国专利涉及一种用于检查对象的方法和设备。该设备包括波发生器和检测系统。波发生器远离物体定位。波发生器在朝向对象上位置的方向上发射超声波，使得超声波遇到对象的一部分。检测系统位于物体的与波发生器相同的一侧。所述检测系统检测对象的所述部分内的特征对遇到对象的所述部分的所述超声波的特征响应。
发明人Tyson于2020年2月1日提交并于2020年7月23日公开的题为“In-situmonitoring of thermoformable composites(可热成型复合材料的原位监测)”、公开号为2020/0230899的美国专利涉及一种用于确定由可热成型材料(例如热塑性或热固性材料，特别是热塑性复合带)构成的结构的质量和构造的方法和系统，其中施加热量以固化该可热成型材料。在该结构的构造期间，通过确定当材料从其升高的温度冷却时材料中的差热通量来监测构造质量。该系统和方法还可以确定正在构造的结构中的缺陷的位置，使得可以采取补救措施或停止生产操作以解决该缺陷。将瞬态热效应施加到被监测的结构上，该结构例如为正施加的可热成型材料，这可以通过在可热成型构造的施加过程中进行加热或通过额外的加热来实现。
发明人Lin等人于2011年5月27日提交并于2016年11月15日发布的题为“Methodand Apparatus for Defect Detection in Composite Structures(用于复合结构中缺陷检测的方法和设备)”的第9,494,562号美国专利涉及利用声波或超声波对复合结构进行无损测试的方法和设备。响应于从探针传输到复合结构的宽带线性调频波(chirp wave)声波激励信号，将接收到的探针信号与预定探针信号库相关联，并且生成检测到的缺陷的图形表示。该图形表示提供了关于缺陷类型、缺陷位置和缺陷形状的详细信息。还设想了一种用于复合结构的无损测试的探针，其包括：三个或更多个换能器，其中每个换能器可单独地配置为发射器或接收器；以及耦合到每个换能器的控制器，用于向换能器提供信号和从换能器接收信号，其中向换能器提供的信号包括用于将每个换能器配置为发射器或接收器中一个的信号，以及用于从被配置为发射器的每个换能器提供激励信号的信号。
发明人Bingham于2016年5月5日提交并于2019年10月15日发布的题为“Detectionof near surface inconsistencies in structures(结构中的近表面不一致性检测)”的第10,444,195号美国专利涉及一种结构中近表面不一致性的检测方法。将脉冲激光束导向该结构。当脉冲激光束的辐射被该结构吸收时，在结构中形成宽带超声信号。检测该宽带超声信号以形成数据。处理该数据以识别与近表面不一致性相关联的频率。
发明人Asadollahi等人于2018年12月17日提交并于2019年6月20日公开的题为“Methods for Ultrasonic Non-destructive Testing using Analytical Reverse TimeMigration(使用解析逆时迁移的超声无损测试方法)”、公开号为2019/0187107的美国专利涉及使用超声换能器进行无损测试的系统和方法，所述超声换能器比如为干点接触(“DPC”)换能器或者其他发射水平剪切波的换能器。实施分析逆时迁移(“RTM”)技术以从使用超声换能器采集的数据生成图像。
发明人Georgeson等人于2016年10月31日提交并于2018年5月3日公开的题为“Wrinkle Characterization and Performance Prediction for Composite Structures(用于复合结构的褶皱表征和性能预测)”、公开号为2018/0120268的美国专利涉及使用自动结构分析、为褶皱复合结构提供褶皱表征和性能预测的方法。根据一些实施例，所述方法结合了B超数据的使用、褶皱和横截面几何形状的自动光学测量、以及带褶皱的复合结构的有限元分析，以提供评估检测到的褶皱相对于所述结构预期性能的实际重要性的能力。所公开的方法使用超声检查系统，已经通过将从参考标准获取的B超数据与那些参考标准的光学横截面(例如，显微照片)的测量值相关联而校准了该超声检查系统。
发明人Grewel等人于2018年3月9日提交并于2020年3月31日发布的题为“Methodsfor Measuring out-of-plane wrinkles in composite laminates(复合层压物平面外褶皱的测量方法)”的第10,605,781号美国专利涉及用于测量复合层压物中的平面外褶皱的方法。示例方法包括用超声换能器扫描复合层压物的第一侧。该方法还包括将复合层压物的平面外褶皱定位在响应于复合层压物的第一侧的扫描而生成的B超图像上。该方法还包括将第一标记与该B超图像相关联，该第一标记基于该平面外褶皱的波峰在该B超图像上的位置来确定。该方法还包括将第二标记与B超图像相关联，该第二标记基于该平面外褶皱的谷焦点在该B超图像上的位置来确定。该方法还包括：基于第一标记和第二标记之间的距离来确定该平面外褶皱的幅度值。
发明人Dehghan-Niri等人于2016年1月11日提交并于2018年12月25日发布的题为“Methods of non-destructive testing and ultrasonic inspection of compositematerials(复合材料的无损测试和超声检查方法)”的第10,161,910号美国专利涉及一种无损测试方法，该方法包括：相对于具有视觉上不可接近的结构的部件定位超声换能器，以从该部件的至少一次B扫描收集B扫描数据并从该部件的至少一次C扫描收集C扫描数据。该方法还包括：基于关于该视觉上不可接近的结构的预定几何信息、对B扫描数据和C扫描数据进行滤波，以去除随机噪声和相干噪声，从而获得经滤波的数据。该方法还包括：执行线性信号处理和非线性信号处理，以根据滤波后的B扫描数据和滤波后的C扫描数据确定代表该视觉上不可接近的结构的多个体素的损伤指数，以生成V扫描图像。还公开了一种风力涡轮机叶片的无损测试方法和一种超声系统。
发明人Kollgaard等人于2007年7月23日提交并于2011年3月1日发布的题为“Method and apparatus for quantifying porosity(用于量化组分中孔隙率的方法和设备)”的第7,895,895号美国专利涉及用于测量材料中孔隙率的计算机实施方法或硬件过滤设备以及计算机可用程序代码。超声信号从超声测量系统中的发射换能器发射到材料中。在超声测量系统中的接收换能器处、从材料接收响应信号。对响应信号进行滤波以仅使响应信号中在选定频率范围内的频率通过，从而形成经滤波的响应信号。使用经滤波的响应信号来识别材料的孔隙率水平。
发明人Brady等人于2010年11月30日提交并于2013年9月3日发布的题为“Simplified Direct-Reading Porosity Measurement Apparatus and Method(简化的直读孔隙率测量设备和方法)”的第8,522,615号美国专利涉及一种用于测量结构的孔隙率的设备，该设备包括被配置为压靠该结构的超声换能器装置，该超声换能器装置还被配置为将超声脉冲发射到该结构中并检测回波曲线。该设备还包括电子装置，该电子装置包括：管理器，具有接口门、背面感测门和背面分析门；脉冲发生器，与该管理器和该超声换能器装置通过接口连接；数据采集装置，与该超声换能器装置和该管理器通过接口连接；以及显示器，具有与该管理器通过接口连接的孔隙率指示器。
发明人Meier于2004年6月28日提交并于2006年3月14日发布的题为“Method ofdetermining the porosity of a workpiece(用于确定工件孔隙率的方法)”的第7,010,980号美国专利涉及确定工件的孔隙率，特别是确定由纤维复合材料制成的工件的孔隙率。将超声信号注入工件中，并从工件接收超声回波信号。超声回波信号的幅度值相对于深度的变化被用于相应深度处该工件材料的孔隙率的量度。
发明人Peterson等人于2003年3月12日提交并于2005年11月1日发布的题为“Ultrasonic detection of porous medium characteristics(多孔介质特性的超声检测)”的第6,959,602号美国专利涉及使用板波来确定多孔介质(例如膜)内缺陷的存在。声波可以传播通过多孔介质以在介质内产生板波。板波在介质内产生与介质的材料和结构特性相关的快速压缩波和慢速压缩波。快速压缩波提供关于介质的总孔隙率的信息。而慢速压缩波提供关于介质中缺陷的存在或形成该介质的材料类型的信息。
发明人Djordjevic等人于2012年9月20日提交并于2016年3月29日发布的题为“Differential ultrasonic waveguide cure monitoring probe(差分超声波导固化监测探针)”的第9,297,789号美国专利涉及一种新的方法、测试系统设计和概念，以实现固化过程的原位实时监测。使用一个或多个差分超声波导固化监测探针、对高级材料的基于时间的固化进行无损原位监测的设备、系统和方法。差分超声波导固化监测探针与待固化的材料直接接触并且提供固化过程的原位监测，以使得能够以与非固化相关的信号方差(例如，温度)无关的校准响应方式评估固化程度或固化水平。一种差分超声波导固化监测探针，其包括耦合到波导的换能器，并结合校正和校准方法，以准确且可重复地监测固化过程并使得能够经由超声反射测量来评估固化水平。从探针与树脂的界面反射的经校正的界面响应信号的幅度值指示固化期间材料模量的变化。
发明人Georgeson于2004年9月28日提交并于2005年9月20日发布的题为“Systemand Method for Identifying Incompletely Cured Adhesive(用于识别不完全固化的粘合剂的系统和方法)”的第6,945,111号美国专利涉及一种用于检查复合结构中的粘合剂的系统，例如用于柔软或不适当固化的区域，该系统包括换能器和处理元件。换能器可以将诸如超声信号的信号传输到粘合剂中，使得超声信号的至少一部分可以传播通过粘合剂，从粘合剂和另一种材料之间的界面反射，并通过粘合剂传播回来。然后，在离开粘合剂时，换能器可以接收超声信号的反射部分。此后，处理元件可以根据反射超声信号的反射部分的幅度与预定阈值的关系来识别粘合剂中的缺陷，例如柔软或不适当固化的区域。
发明人Jack等人于2013年3月20日提交并于2020年6月30日发布的题为“Methodand system of non-destructive testing for composites(用于复合材料的无损测试的方法和系统)”的第10,697,941号美国专利涉及公开了用于表征和量化复合层压结构的方法和系统。该方法和系统采用未知层片堆叠组成和顺序的复合层压件，并确定关于各个层片的各种信息，例如层片堆叠、取向、微结构和类型。该方法和系统可以区分可能展现出类似的平面刚度行为、但将产生不同的失效机制的编织类型。然后可以使用单个层片信息从外部提供的纤维和基质的本构特性(包括拉伸刚度、弯曲-延伸耦合刚度、弯曲刚度等)导出层压体整体特性。然后可以使用层压体整体特性来生成复合层压件的概率失效包络。这提供了执行无损QA的能力以确保根据规格完成单独的薄片铺层，并且结果可以用于识别除纯结构特性之外的许多层压材料特性。
发明人Holmes等人于2015年7月13日提交并于2019年7月9日发布的题为“Automated calibration of non-destructive testing equipment(无损测试设备的自动校准)”的第10,345,272号美国专利涉及一种用于自动校准无损测试仪器的方法。根据一些实施例，该方法包括：(a)确定测试对象的测试对象坐标系中的第一组坐标，第一坐标表示测试对象的表面上的目标位置；(b)将校准文件存储在所述无损测试仪器的存储器中，所述校准文件包含校准数据，所述校准数据是表示包含所述目标位置的区域中的所述测试对象的三维结构的结构数据的函数；(c)使用所述校准文件中的所述校准数据来校准所述无损测试仪器；以及(d)使用经校准的无损测试仪器询问目标位置。
发明人McKinley等人于1993年7月21日提交并于1995年4月25日发布的题为“Ultrasonic device and method for non-destructive evaluation(用于无损评估聚合物复合材料的超声装置和方法)”的第5,408,882号美国专利涉及一种用于无损评估其中分布有不连续纤维的聚合物复合材料的超声测量装置和方法。该装置具有一个或多个设置在楔形聚焦器和继电器上的基本上匹配的换能器对，聚焦器和继电器各自的阻抗基本上与被分析的聚合物复合材料的阻抗匹配。该装置放置在复合材料的表面上，其中聚焦器和继电器的顶点与该表面紧密接触。由第一换能器产生的基本上纵向的超声波在通过复合材料之后由第二换能器接收，该超声波的速度在围绕中心点的若干取向角度处确定，并且该超声波的测量速度通过具有软件的计算机处理以确定复合材料的物理属性，比如复合材料中存在的纤维的重量百分比、复合材料的杨氏模量、剪切模量和泊松比。
发明人Jack等人于2015年9月8日提交并于2020年9月1日发布的题为“Method andSystem for Non-Destructive Testing of Curved Composites(用于弯曲复合材料的无损测试的方法和系统)”的第10,761,067号美国专利涉及表征和量化复合层压结构，包括具有在二维和三维上弯曲的表面的结构。实施例采用未知层片堆叠组成和顺序的复合层压件，并确定关于各个层片的各种信息，例如层片堆叠、取向、微结构和类型。实施例可以区分可能展现出类似的平面刚度行为、但将产生不同的失效机制的编织类型。然后可以使用单个层片信息从外部提供的纤维和基质的本构特性(包括拉伸刚度、弯曲-延伸耦合刚度、弯曲刚度等)导出层压体整体特性。然后可以使用层压体整体特性来生成复合层压件的概率失效包络。在一些实施例中，还可以使用所公开的实施例通过添加旋转阶段来确定弯曲碳纤维复合材料的层片堆叠类型和顺序。
发明人Jahanbin等人于2018年8月9日提交并于2020年2月13日公开的题为“Structural Health Monitoring of Curved Composite Structures Using UltrasonicGuided Waves(使用超声导波对弯曲复合结构进行结构健康监测)”、公开号为2020/0047425的美国专利涉及使用界面导波对弯曲复合层压结构进行无损检查的系统和方法。特别地，如果弯曲复合层压结构具有面条区域(noodle area)，则可以使用界面导波来检查面条区域。该系统和方法提供了一种可重复且可靠的无损技术，用于通过将从检查的弯曲复合层压结构获取的检测数据与使用模拟的弯曲复合层压结构导出的预测数据进行比较来监测粘合结合的弯曲复合层压结构的面条区域的结构健康。
发明人Fetzer等人于2007年6月19日提交并于2011年7月12日发布的题为“Method,apparatus and system for inspecting a workpiece having a curvedsurface(用于检查具有曲面的工件的方法、设备和系统)”的第7,975,549号美国专利涉及一种用于检查具有至少一个预定曲率半径的弯曲表面的工件的无损检查方法、设备和系统。诸如检查探头的设备包括多个换能器元件，所述换能器元件以具有预定曲率半径和弯曲延迟线的弓形配置定位。弯曲延迟线具有外部弓形表面，该外部弓形表面具有与换能器元件的预定曲率半径匹配的预定曲率半径。弯曲延迟线还具有内部弓形表面，该内部弓形表面具有与工件的弯曲表面的至少一个预定曲率半径匹配的至少一个预定曲率半径。除了检查探头之外，该系统还包括用于触发换能器元件以将信号发射到工件中的激发源和用于接收返回信号的计算装置。
发明内容
本发明涉及使用超声换能器的无损测试的系统和方法。
本发明的一个目的是提供一种不使用浸没槽或水射流的、用于超声无损测试的系统，其中换能器不接触测试材料。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于复合材料的超声测试的系统，包括：中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和后端限定内部密封腔室；换能器，其中所述换能器位于所述中心壳体的内部密封腔室内；流体连接器，所述流体连接器附接到所述中心壳体，其中所述流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入所述密封腔室；其中所述中心壳体的前端由膜密封；其中所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的；并且其中所述换能器可操作以发射和接收超声波。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于复合材料的超声测试的方法，包括：提供换能器壳体组件，所述换能器壳体组件包括中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和后端限定内部密封腔室；换能器，其中所述换能器位于所述中心壳体的所述内部密封腔室内；流体连接器，所述流体连接器附接到所述中心壳体，其中所述流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入所述密封腔室；其中所述中心壳体的所述前端由膜密封；其中所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的。所述方法还包括：所述换能器将超声波发射到测试材料中；以及所述换能器壳体组件接收从所述测试材料反射的超声波。
在又一个实施例中，本发明涉及一种用于复合材料的超声测试的系统，包括：中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和后端限定内部密封腔室；耦合元件，所述耦合元件与所述中心壳体的后端密封接合并与换能器耦合，其中所述耦合元件的调节使换能器相对于中心壳体移动；流体连接器，所述流体连接器附接到中心壳体，其中所述流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入所述密封腔室；其中所述中心壳体的所述前端由膜密封；其中所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的；并且其中所述换能器可操作以发射和接收超声波。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的换能器壳体组件的正交侧视图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的换能器壳体组件的正交侧视图。
图3示出了图1所示的换能器壳体组件的等距视图。
图4示出了图1所示的换能器壳体组件的俯视图。
图5示出了根据本发明的另一实施例的换能器壳体组件的等距分解图。
图6示出了图5所示的换能器壳体组件的部件的正交分解图。
图7示出了根据本发明的一个实施例的透镜壳体的等距视图。
图8示出了根据本发明的一个实施例的中心壳体的正交前视图。
图9示出了根据本发明的一个实施例的透镜壳体的正交前视图。
图10示出了一种换能器壳体组件的正交前视图，该换能器壳体组件包括与图9所示的透镜壳体配对的、图8所示的壳体。
图11示出了图10所示的换能器壳体组件的正交前视图，其中透镜壳体固定在壳体中。
图12示出了根据本发明的一个实施例的透镜壳体的正交视图。
图13示出了根据本发明的一个实施例的表面偏移元件的正交侧视图。
图14示出了安装在机械臂上的换能器壳体组件的正交侧视图。
图15是本发明的系统的示意图。
具体实施方式
本发明总体上涉及使用超声换能器的无损测试的系统和方法。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于复合材料的超声测试的系统，包括具有前端和后端的中心壳体，该前端和后端限定内部密封腔室；换能器，其中换能器位于中心壳体的内部密封腔室内；附接到中心壳体的流体连接器，其中流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入密封腔室；其中中心壳体的前端由膜密封；其中该膜对于该耦合流体是声学半透明的；并且其中该换能器可操作以发射和接收超声波。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于复合材料的超声测试的方法，包括：提供换能器壳体组件，该换能器壳体组件包括：具有前端和后端的中心壳体，该前端和后端限定内部密封腔室；换能器，其中该换能器位于该中心壳体的内部密封腔室内；附接到该中心壳体的流体连接器，其中该流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入该密封腔室；其中该中心壳体的前端由膜密封；其中该膜对于该耦合流体是声学半透明的。该方法还包括：该换能器将超声波发射到测试材料中，并且该换能器壳体组件接收从该测试材料反射的超声波。
在又一个实施例中，本发明涉及一种用于复合材料的超声测试的系统，其包括：中心壳体，具有前端和后端，该前端和后端限定内部密封腔室；耦合元件，与中心壳体的后端密封接合并与换能器耦合，其中耦合元件的调节使换能器相对于中心壳体移动；流体连接器，其附接到中心壳体，其中流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入密封腔室；其中该中心壳体的前端由膜密封；其中该膜对于该耦合流体是声学半透明的；并且其中该换能器可操作以发射和接收超声波。
由于其高强度重量比，复合材料变得越来越普遍，特别是用于航空航天、汽车、体育用品、铁路、石化、国防和其他工业中的结构应用。制造缺陷以及在复合材料的使用期间引起的损坏可能对层压件的结构性能具有显著影响，并且有时导致结构失效。例如，由于冰雹、闪电、鸟撞、部件的误操作或一般疲劳，复合材料可能经常发生损坏。可导致复合材料在使用期间失效的缺陷的实例包括材料内的异物、复合材料的层之间的粘结不足、复合材料的层起褶皱、复合材料的至少一层内的分层、复合材料的不完全固化、不符合制造规格以及复合材料内的过大的孔隙。因此，复合材料的诸如粘合层厚度、孔隙率、层片类型、分层、局部失效点和编织类型的性质可对复合结构的整体材料性质和性能具有显著影响，并且它们甚至可能成为裂纹起始点。
超声检查是目前工业中用于评估复合材料性能和符合工业标准的主要NDT技术之一。超声NDT技术依赖于通过结构厚度的高频声波的传播和测量，以便检测结构的物理或材料特性。传统上，超声方法被划分为接触方法和基于浸没的方法。在接触方法中，换能器直接应用于待测试的测试材料，其中耦合流体(例如水、凝胶、油脂、油等)的薄膜设置在换能器和测试材料之间。浸没方法不涉及换能器和测试材料之间的接触，而是利用较大的耦合流体(通常为水)槽，其中放置材料和换能器两者。耦合流体允许由换能器产生的波容易地行进到测试材料中，并且可以从所产生的波的反射和折射记录数据。浸没方法的替代方案包括在测试期间在测试材料上运行耦合流体的连续射流，以便允许换能器在没有大的且通常昂贵的耦合流体槽的情况下耦合到材料上。在浸没式测试期间使用的换能器通常是球形聚焦的，这允许换能器相对于接触式换能器实现改善的分辨率和灵敏度。
接触式换能器和浸没式换能器传统上都包括两种不同的操作配置中的一种。在脉冲回波或反射超声配置中，换能器产生高频超声能量，该高频超声能量以波的形式被引入到测试材料的表面并通过测试材料的表面传输。这种系统的使用通常需要声学介质(例如，水、凝胶)来桥接换能器和测试材料之间的间隙。当波传播通过测试材料的厚度时，测试材料内的(由于材料变化、裂纹、分层、异物等造成的)不连续性引起波的反射，然后该反射可以由换能器检测到并显示或表征。相反，在透射或衰减超声配置中，换能器产生高频超声能量，该高频超声能量通过测试材料的一侧传输，然后由测试材料的相对侧上的相应接收器接收。当波传播通过测试材料的厚度时，测试材料内的不连续性可能导致一些区域中的波在到达接收器之前减慢或完全衰减。然后，接收器可以通过测量超声波的衰减程度来表征测试材料。
在选择超声检查系统时，便携性和鲁棒性的约束通常与高分辨率和保真度成反比。当试图优化便携性和鲁棒性二者时，大多数检验员当前选择接触式换能器。接触式换能器允许检查员将薄凝胶快速放置在待检查的部件上，并将换能器放置成与部件紧密接触。可以快速收集数据，并且同时，系统可以在各种表面和环境条件下操作。这种方法的主要缺点是所采集的数据的分辨率。换能器的平面分辨率由换能器的物理覆盖区决定。可以通过制造越来越小的换能器来减小该占用空间。然而，换能器的全厚度分辨率是由换能器的频率和可以发射换能器的功率决定的。随着换能器的平面尺寸减小，可以被发送以激发换能器的功率和频率两者同时减小。因此，平面分辨率的改进与全厚度分辨率的改进直接冲突。
接触式换能器的替代方案是球形聚焦换能器。这些换能器能够在高频(25MHz-50MHz)下操作，并且具有与可以加工为换能器壳体透镜一样精细的平面分辨率，该分辨率可以小于1/10毫米。然而，球形聚焦换能器只能在换能器被声学耦合到被检查部件的表面时操作。将换能器声学耦合到测试材料需要将换能器浸入声学介质中，并且同时确保换能器在其与待测试表面之间具有可行的声学路径。水是用于浸没式换能器的最广泛使用的声学介质，因为水与换能器透镜之间的声阻抗的差异是最小的。
目前，有两种主要技术来实现可行的声学耦合水路径：全浸没槽测试或水射流。全浸没槽需要将部件浸没在水中，从而防止许多较大的部件(例如飞机机翼和机身)在没有大量(并且通常不切实际的)基础设施投资的情况下进行测试。另一方面，水射流需要水在所有方向上喷射，这导致水汇集在被扫描的部件下方。因此，水射流还需要基础设施投资，通常为格栅的形式以收集喷射的水，泵的形式以循环水，以及框架的形式以保护可能被水损坏的区域中的设备。
使用传统水射流的一种替代方案是“起泡器”。为了使用起泡器，在要扫描以进行检查的部件的区域周围构建临时防水盒。然后将水倒入容纳换能器的柱状物中，并使水从盒的底部缓慢泄漏。这种方法需要在每个新位置安装新的盒子以进行扫描。为了使起泡器工作，必须将膜紧紧地压靠在待测试的物体上，因为水从起泡器中足够缓慢地泄漏出来，使得它不能维持将装置相对于测试材料偏移放置所需的鼓风压力。这不仅在起泡器和测试材料之间造成了可能导致损坏的冲击风险，而且还大大降低了装置的分辨率。起泡器依赖于可渗透膜，其允许水缓慢地泄漏，但是当起泡器操作并且膜牢固地压靠在测试表面上时，系统不能有效地区分膜中的波和测试材料中的波，如果不是完全不可操作，则使得装置不太有效。此外，起泡器具有与传统水射流类似的缺点，因为它们需要不断地泵入水并且需要捕获泄漏的水的装置。另外，完全浸没、传统的水射流以及起泡器都要求测试材料暴露于水，这在一些情况下是不期望的。
传统的水射流和起泡器也会遭遇无法扫描装置中难以到达的区域的类似问题。难以到达的区域通常半包含在待测试的装置或部件内，因此，使用传统的水射流很可能导致水汇集在装置内，这可能导致损坏或难以泵出。此外，传统的水射流系统和起泡器都需要通过水柱连续泵入水。然而，对水柱的需求消除了这些装置有效地导航到待测试的装置或部件的难以到达的区域的能力。
到目前为止，还没有其他利用充水腔室来产生功能稳健的超声扫描器的成功尝试。一些现有系统要求腔室围绕滚珠泄露、通过可渗透膜泄露或以其他方式泄漏，从而跨接腔室与待测量表面之间的间隙。这种系统仍然需要水流到腔室中以补充水损失从而保持声学耦合，并且需要水和测试材料之间的接触。另一些系统牺牲了球形聚焦换能器的使用，因此分辨率降低。还有一些系统具有固定的焦距，并且另一些系统具有长度固定的透镜壳体和阻止到达用于扫描的部分表面的透镜。
因此，仍然需要提供一种更简化和通用的系统，其包括用于超声球形聚焦换能器的壳体，该超声球形聚焦换能器可以独立于全浸没槽操作，并且还用于从密封的不透流体的壳体全向扫描，以与部件表面声学耦合。
另外，传统的超声测试装置利用校准块。在测试之前，测试装置用在一个或多个校准块上，校准块通常是待测试材料的示例性形式或具有已知缺陷的材料。传统的超声检查系统使用这种校准方法作为比较手段来确定从测试材料反射的信号是否与校准块的信号匹配或不同。然而，对校准块的依赖削弱了具体指示测试材料的重要性质的能力。例如，在孔隙率测试期间，传统系统可以识别具有0.2、0.4和0.6的孔隙率的校准块，但是与孔隙率为0.4的校准块最紧密对准的测试材料仍然可以具有0.3和0.5之间的任何孔隙率，其中进一步的特异性受到限制。此外，使用校准块的测试可能受到校准块中的未知缺陷或者准块与实际测试材料之间不同的未考虑的混杂变量的阻碍。因此，需要一种系统，其能够在不参考校准块的情况下直接确定材料的质量，例如层片取向(ply orientation)、孔隙率、粘合层(bondline)厚度、褶皱的存在、粘合层中的不均匀性或复合材料的其他重要物理性质。
本公开提供了一种具有换能器壳体组件的系统，该换能器壳体组件保持球形聚焦换能器所需的声学耦合路径，并且同时允许壳体相对于垂直平面以任何角度放置。该系统使得能够使用更高分辨率的浸没式超声换能器，而不需要像传统上那样将换能器和要用换能器扫描的部件都完全浸没在水中或使用水射流。本发明将球形聚焦换能器的使用扩展到便携式系统中，并且可以显著降低操作成本和复杂性。
具有换能器壳体组件的系统的特征在于透镜壳体，该透镜壳体具有由可更换的不透流体的膜密封的开口。该膜形成声学窗口，该声学窗口具有与壳体中的流体的声学特性类似的声学特性，因此对于换能器是声学透明的或至少是声学半透明的并且引起最小的信号损失。换能器壳体还包括相对于部件表面粗略地和精细地调节换能器的焦点的能力。该特征允许调节相对于换能器壳体具有不同焦点的各个换能器，并且允许操作者聚焦在部件内的不同深度处。另一个特征在于，如果膜在使用期间损坏，能够快速更换耦合到透镜壳体上的不透流体的膜。操作中的换能器壳体组件包含少量的流体，使得即使膜被损坏，也可以简单地用小的典型的商店抹布清理溢出的流体，而不需要不方便或昂贵的设施来捕获泄漏的流体。
在至少一个实施例中，具有换能器的换能器壳体组件可以装配在5cm×5cm×15cm的体积内。具有声学换能器的换能器壳体组件可以连接到各种平移装置上，包括机械臂。该系统允许使用浸没式超声换能器在脉冲回波配置中进行无损扫描，而不需要典型的全浸没槽测试或水射流。通过实现高分辨率浸没式换能器，该技术克服了传统上依赖于接触式换能器的当前便携式扫描仪的分辨率限制。
换能器壳体组件能够在各种复合材料上操作，尤其是在汽车和航空航天应用中常用的那些复合材料，包括碳纤维、玻璃纤维、混凝土和其他复合材料。在一个实施例中，换能器壳体组件用于测试厚度在约1/16英寸(0.16cm)和约1/2英寸(1.27cm)之间的材料。在另一个实施例中，换能器壳体组件用于测试厚度大于约1/2英寸(1.27cm)的材料，包括厚度大于约2英寸(5.08cm)的层压材料。
本发明利用换能器壳体组件来确定材料的质量而不使用校准块，材料的质量包括材料的孔隙率、材料的层片取向、材料层是编织的还是单向的、材料层中褶皱的存在、粘合层厚度、粘合层中的不一致性、材料中异物的存在以及材料内内部缺陷的存在。因此，换能器壳体组件能够直接测量这些量并经由显示装置提供可量化的输出，而不仅仅是确定样品是否与一些先前扫描的对照材料匹配。
换能器壳体组件能够与用于测试较大结构的其他测试装置结合使用。在一个实施例中，单独的相阵列扫描仪用于扫描大面积的测试材料并识别材料中的潜在问题区域。随后，换能器壳体组件用于更精确地扫描所识别的潜在问题区域。在另一个实施例中，在换能器壳体组件用于更精确地扫描由热成像扫描识别的区域之前，首先执行材料的热成像扫描。在又一个实施例中，首先对部件执行热成像扫描，然后对部件的子区域进行相阵列扫描，最后使用换能器壳体组件来扫描部件的子区域的各个部分。
图1示出了根据本发明的一个实施例的换能器壳体组件4的正交侧视图。换能器壳体组件4包括具有前部10和后部8的中心壳体6。在一个实施例中，前部10和后部8是中空圆柱件并且彼此一体地形成。可替换地，前部10和后部8不是一体形成的，而是单独形成，并且通过本领域已知的任何化学和/或机械方式连接在一起。在另一个实施例中，前部10和后部8是另一种形状，例如矩形棱柱。在一个实施例中，前部10的直径大于后部8的直径，并且中心壳体6的直径在中部9处、在前部10和后部8之间逐渐变细。中心壳体6附接到流体连接器24。在一个实施例中，流体连接器24附接到中心壳体6的前部10，而在另一个实施例中，流体连接器24附接到中心壳体6的中部9或后部8。在一个实施例中，安装支架26从中心壳体6的前部10延伸。在另一个实施例中，安装支架26从中心壳体6的中部9或后部8延伸。
中心壳体6的前部10连接到透镜壳体20，透镜壳体20从中心壳体6的前端向外延伸。透镜壳体20的前端包括开口22。在一个实施例中，至少一个表面偏移元件28从中心壳体6的前端延伸。在另一实施例中，表面偏移元件28从透镜壳体20直接向外延伸。换能器设置在中心壳体6内。在一些实施例中，换能器直接附接到细长构件52上。细长构件52借助于耦合元件16附接到中心壳体6。在一个实施例中，可以通过旋转或以其他方式调节耦合元件16来相对于中心壳体6调节细长构件52的位置，并且因此调节换能器的位置。
在一个实施例中，细长构件52和耦合元件16包括金属材料，例如但不限于钢或铝。在另一个实施例中，细长构件52和耦合元件16由相同的金属材料形成。由相同金属材料形成细长构件52和耦合元件16两者是有利的，因为它防止了元件中的一个充当阴极或阳极(这会使得换能器壳体组件4中的原电池活动，从而缩短装置的使用寿命)。在一个实施例中，中心壳体6由塑料形成，例如聚碳酸酯或聚乙烯。在另一个实施例中，中心壳体6通过使用紫外(UV)可固化聚合物的装置的3D打印形成，然后在形成之后固化。
在一个实施例中，如图1所示，安装支架26包括以一定角度远离中心壳体6延伸的第一平面262和在基本上平行于换能器壳体组件4的中心轴线的方向上从第一平面262的端部延伸的第二平面263。在另一个实施例中，如图5所示，安装支架26是设置在中心壳体6的前部10和后部8之间、并且正交于中心壳体6的前部10和后部8的大致矩形件。从图2中可以看出，在其他实施例中，安装支架26根据其要附接到的装置而采用不同的形状。
图3示出了图1所示的换能器壳体组件4的等距视图。图4示出了图1所示的换能器壳体组件的俯视图。如在图3和图4中可以看到的，在一个实施例中，换能器壳体组件4包括三个表面偏移元件28。在一个实施例中，安装支架26包括至少一个附接孔261
图5示出了根据本发明的另一实施例的换能器壳体组件4的等距分解图。在一个实施例中，流体连接器24通过连接到连接端口34而附接到换能器壳体组件4的中心壳体6。在一个实施例中，流体连接器24借助于位于流体连接器24外表面上的螺纹和位于连接器端口34内表面上的螺纹而连接到连接端口34。
在一个实施例中，耦合元件16是中空圆柱体，并且细长构件52延伸穿过耦合元件16。细长构件52和耦合元件16通过搜索管52的外表面和耦合元件的内表面之间的摩擦接触而保持在一起。如图6所示，在另一个实施例中，细长构件52通过固定元件54固定到耦合元件16。在一个实施例中，固定元件54是螺钉、螺栓或可压缩销。在一个实施例中，细长构件52是中空圆柱体，并且换能器50摩擦地接合在细长构件52的前端内。
在一个实施例中，耦合元件16借助于耦合元件16的部分表面上的螺纹和中心壳体6的后部8中的第一开口12的内表面上的螺纹而连接到中心壳体6。在另一个实施例中，当耦合元件16与中心壳体6接合时，耦合元件16可以旋转，以使耦合元件16和细长构件52相对于中心壳体6纵向移动。在又一个实施例中，可以移除、压缩或以其他方式改变固定元件54，这允许耦合元件16和细长构件52相对于中心壳体6纵向移动。通过相对于中心壳体6纵向移动该细长构件52，能够改变换能器50的位置，这允许适应换能器50的尺寸范围，以及在换能器上聚焦的更高精度。
在一个实施例中，第一开口12包括密封元件，其防止流体通过第一开口12泄漏。在一个实施例中，密封元件包括衬在第一开口12的内表面上的O形环。在另一个实施例中，中心壳体6内的腔室在操作期间不完全密封，并且中心壳体6的后端或与流体连接器24的接口保持未密封。使用换能器壳体组件4而不密封中心壳体的腔室的这一选项提供了用于构造装置的部件的灵活性，包括允许降低制造成本。然而，对于涉及以一定角度放置换能器壳体组件4的该换能器壳体组件4的使用，建议密封内部腔室以防止流体泄漏，流体泄漏可能导致换能器与测试材料分离。
中心壳体6的前部10还包括第二开口18。透镜壳体20插入第二开口18中，以使透镜壳体20与中心壳体6接合。在一个实施例中，透镜壳体20和中心壳体6通过透镜壳体20的外表面上的螺纹和第二开口18的内表面上的螺纹而接合。在另一个实施例中，透镜开口20包括环形或螺旋形凹槽58，密封元件附接在该环形或螺旋形凹槽58内。当将透镜开口20放置到第二开口18中时，密封元件与第二开口18的内表面接合并形成不透流体的密封。在一个实施例中，密封元件是O形环。在又一个实施例中，第二开口18包括至少一个接合凹口32，并且透镜壳体20包括至少一个接合突起30，如图7所示。如图8-11所示，为了将透镜壳体20放置在第二开口18内，透镜壳体20的至少一个接合突起30必须与第二开口18的至少一个接合凹口32对准。在将透镜壳体20放置在第二开口18内之后，转动透镜壳体20，使得至少一个接合突起30不再与至少一个接合凹口32对准。在一个实施例中，通过扭转透镜壳体20并将其拉出，可容易地使透镜壳体20与中心壳体6分离。在透镜壳体20损坏并需要更换的情况下，或者在需要不同尺寸的透镜壳体20以便检查部件的不同部分的情况下，这是有利的。
图6示出了图5中所示的换能器壳体组件的部件的正交分解图。流体连接器24能够连接到导管36(比如软管或管道)的一端。在一个实施例中，导管36的另一端连接到流体泵或流体贮存器，流体能够从所述流体泵或流体贮存器通过导管36和流体连接器24引入到密封腔室中。在另一个实施例中，换能器壳体组件4不连接到流体泵，并且流体通过其他方式(例如手动倾倒)添加到中心壳体6。
在一个实施例中，流体连接器24包括减压阀，当流体的体积超过密封腔室的体积时，减压阀允许流体逸出。因此，根据换能器50与中心壳体6的前端之间的距离，减压阀有利地将可调节体积的流体提供到密封腔室中。在一个实施例中，流体连接器24能够连接到泵，并且在用耦合流体填充腔室之前或同时、将空气泵送出密封腔室。泵出空气有助于确保流体中没有气泡，这改善了换能器50和待测部件之间的声学耦合路径。此外，在测试完成之后，空气泵能够用于将空气泵送到密封腔室中，这有助于移除剩余的流体，从而减少对耦合流体的长时间暴露，该长时间暴露可能导致对换能器壳体组件的损坏，诸如腐蚀。
图12示出了根据本发明的一个实施例的透镜壳体20的正交视图。膜38放置在透镜壳体20的前端上。膜38在透镜壳体20的前端上形成不透流体的密封。当将具有膜38的透镜壳体20放置到中心壳体6中时，在中心壳体6内形成密封腔室。该密封腔室是流体密封腔室，其由耦合元件16与中心壳体6的后部8的第一开口12之间的界面、透镜壳体20与中心壳体6的前部10的第二开口18之间的界面、膜38、以及流体连接器24的组合密封。在一个实施例中，膜38通过至少一个保持器40固定到透镜壳体20。在一个实施例中，该至少一个保持器40包括至少一个O形环，该O形环围绕透镜壳体20的一部分并且将膜38紧紧地压靠在透镜壳体20上。有利地，在膜38被刺穿或因其他原因不能有效地密封该密封腔室的情况下，可以通过移除保持器40、重新安装新的膜、然后重新应用保持器40来容易地更换膜38。
膜38相对于密封腔室中的流体是声学透明或半透明的。用于膜38的材料被选择为具有与密封腔室中的流体相似的声阻抗，并且因此具有与密封腔室中的流体相似的刚度和密度。在一个实施例中，流体是水或折射率近似等于1的另一种流体。在另一个实施例中，膜38的折射率在0.9和1.2之间。在又一个实施例中，膜由弹性体耦合介质(AQUALENE)制成。
随着换能器50的频率增加，换能器的时间分辨率质量增加。然而，随着换能器50的频率增加，系统可见的材料的深度由于高频衰减而减小。在一个实施例中，换能器50能够在1MHz与50MHz之间的频率下操作。在优选实施例中，换能器50在5MHz与15MHz之间操作。
外部耦合剂可用于填充换能器壳体组件4和测试材料之间的间隙。在一个实施例中，外部耦合剂是声学凝胶，例如甘油、耦合剂D12、耦合剂H、剪切波耦合剂或其他合适的声学凝胶。
图13示出了根据本发明的一个实施例的表面偏移元件的正交侧视图。在一个实施例中，表面偏移元件28包括附接到偏置构件282的销281。偏置构件282允许表面偏移元件28在压靠测试材料的表面时缩回。此外，当销281压靠测试材料时，偏置构件282能够吸收或将通过力或换能器壳体组件4施加到测试材料上的一些位移，从而防止对换能器壳体组件4和测试材料两者的潜在损坏。在一个实施例中，表面偏移元件28能够缩回的程度由止动件限制。当换能器壳体组件4的前部压靠待测试部件时，表面偏移元件28首先接触该部件，这防止了可能由透镜壳体20和该部件之间的快速和直接接触引起的对该部件或对换能器壳体组件4的损坏。此外，通过提供止动件以限制表面偏移元件28的缩回，透镜壳体20能够保持在距部件固定且已知的距离处，这允许在测试过程期间提高精度。在另一个实施例中，表面偏移元件28螺纹连接到中心壳体6的前部10，并且可以在与不同的测试材料一起使用之前手动调节。在一个实施例中，换能器壳体组件4在距测试材料大约等于测试材料厚度的一半的偏移距离处操作。
在一个实施例中，使用校准波来确定换能器壳体组件4从测试材料偏移的距离。初始波经由换能器传输到测试材料中。收集关于从覆盖透镜壳体20的开口22的膜反射的超声波、从测试材料的前表面反射的波和从测试材料的后表面反射的波的飞行时间数据。在不需要输入测试材料的材料特性或尺寸的情况下，换能器壳体组件4能够基于飞行时间数据的结果、从测试材料自动偏移固定距离。在另一个实施例中，手动输入测试材料的材料特性(比如声速)和测试材料的尺寸数据(比如厚度)，从而允许换能器壳体组件4从测试材料自动偏移固定距离，而不需要校准波。
图14示出了安装在机械臂上的换能器壳体组件的正交侧视图。附接孔261能够接收附接到机械臂48的螺钉、螺栓、销或其他固定装置。机械臂48既允许换能器壳体组件4实现更紧密的空间，又允许装置在测试期间被稳定地保持，从而提高了测试的准确性。在另一个实施例中，安装支架26附接到平移台。平移台操作以将换能器壳体组件4移动到沿着x-y平面的不同位置。这在操作者希望扫描较大截面的相对平坦的测试材料的情况下是特别有利的。
在一个实施例中，换能器壳体组件4附接到阵列元件。在另一个实施例中，阵列元件包括用于多于一个换能器壳体组件4的附接点，从而允许多个换能器壳体组件4附接到单个阵列元件，充当换能器阵列。因此，换能器阵列能够同时扫描测试材料的多个点，并且每个单独的换能器壳体组件4是可调节的，以允许换能器阵列扫描具有不平坦表面的部件或扫描具有多种不同材料类型的部件。
在另一个实施例中，换能器壳体组件4是手动操作的。举例来说，换能器壳体组件4可以放置在附接到测试材料的组件中。然后，操作者能够手动地在组件内滑动换能器壳体组件4，并且同时该组件确保将换能器壳体组件4保持在距测试材料基本上固定的距离处。在又一个实施例中，换能器壳体组件4能够基于输入到计算机或附接的显示器中的预设位置数据而自动移动到测试对象上的多个不同点。
在一个实施例中，细长构件52附接到连接接收端。在另一个实施例中，附接到细长构件52的该连接接收端连接到电缆的第一端。电缆的第二端连接到输出显示装置。输出显示装置的示例包括脉冲发生接收器。在一个实施例中，脉冲发生接收器能够同时连接至多个换能器壳体组件。在一个实施例中，该连接接收端是UHF连接器、尼尔-康塞曼卡口(BNC)连接器或通用串行总线(USB)连接器。在另一实施方式中，该连接接收端是无线适配器，从而允许换能器壳体组件4与脉冲发生接收器无线连接。脉冲发生接收器连接到具有处理器和存储器的计算机。此外，计算机包括用于输出使用换能器壳体组件4执行的超声测试的图形结果的显示装置。在又一个实施例中，计算机还与换能器壳体组件4所附接的机械臂、平移台或阵列元件连接，并且可操作以向该机械臂、平移台或阵列元件发出控制指令。
计算机连接到能够显示图形用户界面(GUI)的显示装置，该显示装置能够显示由脉冲发生接收器处理之后的测试结果。在另一个实施例中，显示器直接安装到换能器壳体组件4，这允许将结果显示给换能器壳体组件4的用户，而不需要操作者离开来查看计算机。GUI能够在每次测试之前接受各种输入因素，包括操作者姓名、时间和材料特性，材料特性包括待测试材料的声速、待测试材料的厚度、待测试材料的刚度或待测试材料的类型。在一个实施例中，GUI还能够接受位置和运行时间的范围，指示机械臂、阵列元件或平移台应将其自身定位在何处以进行测试。
GUI能够显示关于层压件的各种因素的信息，包括层压件内异物的位置和深度、层压件的层片取向、层压件内褶皱的位置、层压件的粘合层的厚度、沿层压件的粘合层的不完全粘合区域、层压件的孔隙率、以及层压件内内部缺陷和分层区域的位置、深度和尺寸。
图15是本发明的实施例的示意图，示出了通常被描述为800的计算机系统，该计算机系统具有网络810、多个计算装置820、830、840、服务器850和数据库870。
服务器850被构造、配置和耦合以使得能够通过网络810与多个计算装置820、830、840进行通信。服务器850包括具有操作系统852的处理单元851。操作系统852使得服务器850能够通过网络810与远程分布式用户装置通信。数据库870可操作以容纳操作系统872、存储器874和程序876。
在本发明的一个实施例中，系统800包括用于经由无线通信天线812进行分布式通信并由至少一个移动通信计算装置830进行处理的网络810。可替代地，在此描述的装置和组件之间的无线和有线通信以及连接包括比如Wi-Fi的无线网络通信、全球微波接入互操作性(WIMAX)、包括RF识别(RFID)的射频(RF)通信、近场通信(NFC)、包括蓝牙低功耗(BLE)的蓝牙、ZigBee、红外(IR)通信、蜂窝通信、卫星通信、通用串行总线(USB)、以太网通信、经由光纤电缆、同轴电缆、双绞线电缆的通信和/或任何其他类型的无线或有线通信。在本发明的另一实施例中，系统800是能够在计算装置820、830、840上执行在此呈现的软件和/或应用组件的任何或所有方面的虚拟化计算系统。在某些方面，计算机系统800可操作以使用硬件或者软件和硬件的组合来实现，要么在专用计算装置中，要么集成到另一实体中，要么分布在多个实体或计算装置上。
作为示例而非限制，计算装置820、830、840用于表示至少包括处理器和存储器的各种形式的电子装置，比如服务器、刀片式服务器、大型主机、移动电话、个人数字助理(PDA)、智能电话、台式计算机、上网本计算机、平板计算机、工作站、膝上型计算机和其他类似的计算装置。在此示出的组件、它们的连接和关系以及它们的功能仅仅是示例性的，并不意味着限制本申请中描述和/或要求保护的本发明的实施方式。
在一个实施例中，计算装置820包括比如处理器860、具有随机存取存储器(RAM)864和只读存储器(ROM)866的系统存储器862、以及将存储器862耦合到处理器860的系统总线868的组件。在另一实施例中，计算装置830可操作以另外包括比如用于存储操作系统892和一个或多个应用程序894的存储装置890、网络接口单元896和/或输入/输出控制器898的组件。每个组件可操作以通过至少一个总线868彼此耦合。输入/输出控制器898可操作以接收和处理来自多个其他装置899的输入或向多个其他装置899提供输出，装置899包括但不限于字母数字输入设备、鼠标、电子触笔、显示单元、触摸屏、信号生成装置(例如，扬声器)或打印机。
作为示例而非限制，处理器860可操作为通用微处理器(例如，中央处理单元(CPU))、图形处理单元(GPU)、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、控制器、状态机、门控或晶体管逻辑、分立硬件组件、或者可以执行计算、处理指令以运行和/或其他信息操控的任何其他合适的实体或其组合。
在另一实施例中，如图15中的840所示，多个处理器860和/或多个总线868可操作以在适当时与多种类型的多个存储器862(例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP内核)一起使用。
此外，多个计算装置可操作以被连接，其中每个装置提供必要操作的一部分(例如，服务器阵列、刀片式服务器组或多处理器系统)。可替代地，一些步骤或方法可操作以由特定于给定功能的电路执行。
根据各种实施例，计算机系统800可操作以使用通过网络810与本地和/或远程计算装置820、830、840的逻辑连接而在联网环境中操作。计算装置830可操作以通过连接到总线868的网络接口单元896连接到网络810。计算装置可操作以通过有线网络、直接有线连接、或者通过与网络天线812和网络接口单元896通信的天线897无线地(比如声学、RF或红外)传送通信介质，网络天线812和网络接口单元896可操作以在必要时包括数字信号处理电路。网络接口单元896可操作以提供各种模式或协议下的通信。
在一个或多个示例性方面，指令可操作以在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。计算机可读介质可操作以为一个或多个指令集提供易失性或非易失性存储，比如操作系统、数据结构、程序模块、应用或体现在此所述的任何一种或多种方法或功能的其他数据。计算机可读介质可操作以包括存储器862、处理器860和/或存储介质890，并且可操作为存储指令900的一个或多个指令集的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式计算机系统)。非暂态计算机可读介质包括所有计算机可读介质，唯一的例外是暂时性传播信号本身。指令900还可操作以经由作为通信介质的网络接口单元896在网络810上进行发送或接收，通信介质可操作以包括比如载波或其他传输机制的调制数据信号，并且包括任何递送介质。术语“调制数据信号”意指以将信息编码在信号中的方式改变了或设置了其一个或多个特性的信号。
存储装置890和存储器862包括但不限于易失性和非易失性介质，比如高速缓存、RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储器技术；光盘(例如，数字通用光盘(DVD)、HD-DVD、蓝光、压缩光盘(CD)或CD-ROM)或者其他光学存储装置；磁带盒、磁带、磁盘存储器、软盘或其他磁存储装置；或者可以用于存储计算机可读指令并且可以由计算机系统800访问的任何其他介质。
在一个实施例中，计算机系统800在基于云的网络内。在一个实施例中，服务器850是用于分布式计算装置820、830和840的指定物理服务器。在一个实施例中，服务器850是基于云的服务器平台。在一个实施例中，基于云的服务器平台托管分布式计算装置820、830和840的无服务器功能。
在另一实施例中，计算机系统800在边缘计算网络内。服务器850是边缘服务器，数据库870是边缘数据库。边缘服务器850和边缘数据库870是边缘计算平台的一部分。在一个实施例中，边缘服务器850和边缘数据库870被指定给分布式计算装置820、830和840。在一个实施例中，边缘服务器850和边缘数据库870未被指定用于分布式计算装置820、830和840。分布式计算装置820、830和840基于接近度、可用性、延迟、带宽和/或其他因素连接到边缘计算网络中的边缘服务器。
还可以设想，计算机系统800可操作以不包括图15中所示的所有组件，可操作以包括图15中未明确示出的其他组件，或者可操作以利用与图15中所示的架构完全不同的架构。结合在此所揭示的实施例描述的各种示例性逻辑块、模块、元件、电路及算法可操作以实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清楚地说明硬件与软件的此可互换性，上文已大体就其功能性描述了各种示例性组件、块、模块、电路和步骤。将此功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用及强加于整个系统的设计约束。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式实施所描述的功能性(例如，以不同次序布置或以不同方式分割)，但此类实施决策不应被解释为导致脱离本发明的范围。
在不脱离申请人的发明的精神的情况下，可以设计利用上述本发明的一个或多个方面的其他和进一步的实施例。例如，各种密封件和密封配置可以密封部件以在换能器壳体组件中形成腔室；可以使用各种平移装置来沿着空间中的部件表面移动换能器壳体组件；可以使用各种快速断开配置来附接透镜壳体；可以使用各种超声信号生成和接收装置(组合的或单独的)来发送和/或接收来自换能器的信号；以及类似物可以用于形成换能器壳体组件和其他系统设备，以及可以发生其他变化，以保持在权利要求的范围内。
提供上述实施例是为了阐明本发明的各方面，并且对于本领域技术人员显而易见的是，它们不用于限制本发明的范围。本质上，本发明是高度可调节的、可定制的和可适应的。上述示例仅是所提及的部件可以采用的许多配置中的一些。为了简明和可读性，在此删除了所有修改和改进，但是这些修改和改进适当地在本发明的范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于复合材料的超声测试的系统，包括：
中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和所述后端限定内部密封腔室；
换能器；
流体连接器，所述流体连接器附接到所述中心壳体；
其中，所述换能器位于所述中心壳体的所述内部密封腔室内；
其中，所述流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入所述内部密封腔室中；
其中，所述换能器耦合到耦合元件，并且其中，所述耦合元件密封地接合所述中心壳体的所述后端；
其中，所述耦合元件的旋转调节所述换能器相对于所述中心壳体的位置，并且同时保持与所述中心壳体的所述后端的密封接合；
其中，所述中心壳体的所述前端由膜密封；
其中，所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的或声学透明的；以及
其中，所述换能器可操作以发射和接收超声波。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器直接耦合到细长构件，并且其中所述细长构件延伸穿过所述耦合元件并与所述耦合元件密封地接合。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器是球形聚焦换能器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体泵可操作以在引入所述耦合流体之前通过所述流体连接器从所述内部密封腔室泵出空气或其他气体。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中心壳体包括安装支架，并且其中所述安装支架可操作以连接到机械臂。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中心壳体包括从所述中心壳体的所述前端纵向向外延伸的至少一个表面偏移元件，其中所述至少一个表面偏移元件可操作以缩回指定距离。
7.一种用于复合材料的超声测试的方法，包括：
提供换能器壳体组件，所述换能器壳体组件包括：
中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和所述后端限定内部密封腔室；
换能器；以及
流体连接器，所述流体连接器附接到所述中心壳体，其中所述流体连接器可操作以连接到流体泵；
其中，所述换能器位于所述中心壳体的所述内部密封腔室内；
其中，所述换能器耦合到耦合元件，并且其中所述耦合元件密封地接合所述中心壳体的所述后端；
其中，所述耦合元件的旋转调节所述换能器相对于所述中心壳体的位置，并且同时保持与所述中心壳体的所述后端的密封接合；
其中，所述中心壳体的所述前端由膜密封；
其中，所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的或声学透明的；
所述流体泵经由所述流体连接器将所述耦合流体引入所述内部密封腔室中；
所述换能器将超声波发射到测试材料中；以及
所述换能器壳体组件接收从所述测试材料反射的超声波。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：提供与所述换能器壳体组件网络通信的、包括处理器和图形用户界面(GUI)的装置，所述处理器处理所接收的超声波以产生扫描数据，并且所述GUI以图形形式显示所述扫描数据。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述换能器直接耦合到细长构件，并且其中所述细长构件延伸穿过所述耦合元件并与所述耦合元件密封地接合。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述换能器是球形聚焦换能器。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：在引入所述耦合流体之前，所述流体泵从所述内部密封腔室泵送出空气或其他气体。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述换能器壳体组件还包括附接到所述中心壳体的安装支架，其中所述安装支架可操作以连接到机械臂。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述换能器壳体组件的所述中心壳体包括从所述中心壳体的所述前端纵向向外延伸的至少一个表面偏移元件，其中所述至少一个表面偏移元件可操作以缩回指定距离。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在所述换能器将所述超声波发射到所述测试材料中之前，将外部耦合材料施加到所述测试材料的表面。
15.一种用于复合材料的超声测试的系统，包括：
中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和所述后端限定内部密封腔室；
耦合元件，所述耦合元件与所述中心壳体的所述后端密封地接合并且与换能器耦合；
流体连接器，所述流体连接器附接到所述中心壳体；
其中，所述耦合元件的调节使所述换能器相对于所述中心壳体移动；
其中，所述中心壳体还包括从所述中心壳体的所述前端纵向向外延伸的至少一个表面偏移元件，其中，所述至少一个表面偏移元件可操作以缩回指定距离；
其中，所述流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入所述内部密封腔室中；
其中，所述中心壳体的所述前端由膜密封；
其中，所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的或声学透明的；以及
其中，所述换能器可操作以发射和接收超声波。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述换能器直接耦合到细长构件，并且其中所述细长构件延伸穿过所述耦合元件并与所述耦合元件密封地接合。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述流体连接器可操作以在引入所述耦合流体之前从所述内部密封腔室泵出空气或其他气体。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述中心壳体包括安装支架，并且其中，所述安装支架可操作以连接到机械臂。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述至少一个表面偏移元件中的每一个包括附接到销的偏置构件，并且其中，所述偏置构件允许所述销远离所述中心壳体而延伸并朝向所述中心壳体缩回。
20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述中心壳体与包括处理器和图形用户界面(GUI)的装置进行网络通信，其中，所述处理器可操作以处理所接收的超声波从而产生扫描数据，并且所述GUI可操作从而以图形形式显示所述扫描数据。

Claims (20)

1.一种用于复合材料的超声测试的系统，包括：
中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和所述后端限定内部密封腔室；
换能器；以及
流体连接器，所述流体连接器附接到所述中心壳体；
其中，所述换能器位于所述中心壳体的所述内部密封腔室内；
其中，所述流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入所述内部密封腔室中；
其中，所述中心壳体的所述前端由膜密封；
其中，所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的或声学透明的；并且
其中，所述换能器可操作以发射和接收超声波。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器耦合到耦合元件，并且其中所述耦合元件密封地接合所述中心壳体的所述后端。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换能器直接耦合到细长构件，并且其中所述细长构件延伸穿过所述耦合元件并与所述耦合元件密封地接合。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述耦合元件的旋转调节所述换能器相对于所述中心壳体的位置，并且同时保持与所述中心壳体的所述后端的密封接合。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耦合流体是水。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体连接器可操作以在引入所述耦合流体之前从所述内部密封腔室泵出空气或其他气体。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括附接到所述中心壳体的安装支架，其中所述安装支架可操作以连接到机械臂。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中心壳体还包括从所述中心壳体的所述前端纵向向外延伸的至少一个表面偏移元件，其中所述至少一个表面偏移元件可操作以缩回指定量。
9.一种用于复合材料的超声测试的方法，包括：
提供换能器壳体组件，所述换能器壳体组件包括：
中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和所述后端限定内部密封腔室；
换能器；以及
流体连接器，所述流体连接器附接到所述中心壳体，其中所述流体连接器可操作以连接到流体泵；
其中，所述换能器位于所述中心壳体的所述内部密封腔室内；
其中，所述流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入所述内部密封腔室中；
其中，所述中心壳体的所述前端由膜密封；
其中，所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的或声学透明的；以及
所述流体泵经由所述流体连接器将耦合流体引入所述内部密封腔室中；
所述换能器将超声波发射到测试材料中；以及
所述换能器壳体组件接收从所述测试材料反射的超声波。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括提供与所述换能器壳体组件网络连接的装置，所述装置包括处理器和图形用户界面(GUI)，所述处理器处理所接收的超声波以产生测试结果，并且所述GUI以图形形式显示所述测试结果。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述换能器耦合到耦合元件，并且其中所述耦合元件密封地接合所述中心壳体的所述后端。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述换能器直接耦合到细长构件，并且其中所述细长构件延伸穿过所述耦合元件并与所述耦合元件密封地接合。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述耦合元件的旋转调节所述换能器相对于所述中心壳体的位置，并且同时保持与所述中心壳体的所述后端的密封接合。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述耦合流体是水。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：在引入所述耦合流体之前，所述流体泵从所述内部密封腔室泵出空气或其他气体。
16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述换能器壳体组件还包括附接到所述中心壳体的安装支架，其中所述安装支架可操作以连接到机械臂。
17.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述换能器壳体组件的所述中心壳体还包括从所述中心壳体的所述前端纵向向外延伸的至少一个表面偏移元件，其中所述表面偏移元件可操作以缩回指定量。
18.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括在所述换能器将超声波发射到所述测试材料中之前、将外部耦合材料施加到所述测试材料的表面。
19.一种用于复合材料的超声测试的系统，包括：
中心壳体，所述中心壳体具有前端和后端，所述前端和所述后端限定内部密封腔室；
耦合元件，所述耦合元件与所述中心壳体的所述后端密封地接合并且与换能器耦合；以及
流体连接器，所述流体连接器附接到所述中心壳体；
其中，所述耦合元件的调节使所述换能器相对于所述中心壳体移动；
其中，所述流体连接器可操作以与流体泵连接，以将耦合流体引入所述内部密封腔室中；
其中，所述中心壳体的所述前端由膜密封；
其中，所述膜对于所述耦合流体是声学半透明的或声学透明的；以及
其中，所述换能器可操作以发射和接收超声波。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述中心壳体还包括从所述中心壳体的所述前端纵向向外延伸的至少一个表面偏移元件，其中所述至少一个表面偏移元件可操作以缩回指定量。
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