DE60016939T2

DE60016939T2 - Miniaturisiertes berührungsloses schall-/infrarotgerät zur zerstörungsfreien untersuchung

Info

Publication number: DE60016939T2
Application number: DE60016939T
Authority: DE
Inventors: L. Robert THOMAS; D. Lawrence FAVRO; Xiaoyan Han; Zhong Ouyang; Hua Sui; Gang Sun; Paul John ZOMBO; E. Robert SHANNON
Original assignee: Wayne State University; Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Wayne State University; Siemens Energy Inc
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-09-16
Also published as: WO2001020303A1; DE60016939D1; AU7381800A; WO2001020303A8; JP2003509686A; US6399948B1; CA2382675C; JP4663941B2; EP1214575A1; EP1214575B1; CA2382675A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Detektieren von Defekten in einem Material, und insbesondere ein System, das einen EMAT (Electro Magnetic Acoustic Transducer) verwendet, um Schallenergie in ein Material einzukoppeln, um Risse und andere Fehler, die in dem Material vorhanden sein können, zu erwärmen, und um dann das Material thermisch abzubilden, um die Fehler aufgrund der Wärmeabstrahlung zu identifizieren.
2. Diskussion des Standes der Technik
Die Aufrechterhaltung der strukturellen Unversehrtheit von bestimmten Komponenten und Strukturen ist in vielen Bereichen sehr wichtig, aufgrund von Sicherheitsbelangen und dergleichen. Ein Verlust der strukturellen Unversehrtheit wird typischerweise durch Materialdefekte verursacht, wie etwa durch Risse, Ablösungen, Disbonds, Korrosion, Einschlüsse, Räume und dergleichen, die in der Komponente oder der Struktur existieren können. Beispielsweise ist es in der Luftfahrindustrie sehr wichtig, dass zuverlässige Techniken zur Verfügung stehen, um die strukturelle Unversehrtheit der Flugzeughaut und der Strukturkomponenten des Flugzeuges zu untersuchen und sicherzustellen, dass das Flugzeug während des Fluges keinen strukturbedingten Ausfall erleidet. Die strukturelle Unversehrtheit von Turbinenschaufeln und Rotoren, und von Fahrzeugzylinderköpfen ist ebenso wichtig in diesen Industriegebieten. Folglich sind Techniken in den verschiedenen Industriegebieten entwickelt worden zur nicht invasiven und störungsfreien Analyse verschiedener Strukturkomponenten und Materialien.
Eine bekannte Technik für ein nicht invasives und zerstörungsfreies Testen auf Materialfehler, umfasst eine Behandlung der Strukturkomponente durch Farbeindringung, so dass die Farbe in jeden Riss oder jeden Defekt eindringt, der in dem Material vorhanden sein kann. Die Kompo nente wird dann gereinigt, und die Struktur mit einem Pulver behandelt, das die in den Rissen zurückgebliebene Farbe dazu bringt von dem Pulver aufgesaugt zu werden. Eine ultraviolette (UV) Lichtquelle wird verwendet, um das Material zu untersuchen, um Stellen auf der Komponente zu ermitteln, die als Ergebnis der Farbe fluoreszieren. Diese Technik hat den Nachteil, dass sie sehr prüferintensiv und prüferabhängig ist, da die Person, die nach Fluoreszenz sucht, qualifiziert sein muss. Darüber hinaus dringt die Farbe typischerweise nicht in eng geschlossene Risse ein, oder in Risse, die nicht auf der Oberfläche sind.
Eine zweite bekannte Technik zur Untersuchung einer Komponente auf Fehler verwendet eine elektromagnetische Spule, um Wirbelströme in der Komponente zu induzieren. Die Spule wird um die Komponente bewegt, und das Wirbelstrommuster ändert sich an einem Riss oder einem anderen Fehler. Die komplexe Impedanz der Spule ändert sich, wenn sich der Wirbelstrom ändert, was auf einem Oszilloskop beobachtet werden kann. Diese Technik hat den Nachteil, dass sie ebenfalls sehr benutzerintensiv ist, und ferner extrem langsam und mühsam.
Andere bekannte Techniken verwenden eine thermische Bildgebung der Komponente, um Defekte zu erkennen. Typischerweise wird eine Wärmequelle, beispielsweise eine Blitzlampe oder ein Fön verwendet, um einen planaren Wärmeimpuls auf die Oberfläche der Komponente zu richten. Das Material der Komponente absorbiert die Wärme und sendet Reflexionen mit Infrarotwellenlängen. Bestimmte Typen von Defekten verursachen eine Abkühlung der Oberflächentemperatur mit einem anderen Grad über den Defekten, als für die umgebenden Bereiche. Eine Wärmekamera oder eine Infrarotbildgebungskamera wird verwendet, um die Komponente abzubilden und die resultierende Oberflächentemperaturänderung zu detektieren. Obwohl diese Technik erfolgreich bei der Detektion von Disbonds und von Korrosion ist, ist sie gewöhnlich ungeeignet zum Detektieren von vertikalen Rissen in dem Material, also von solchen Rissen, die senkrecht zur Oberfläche verlaufen. Dies liegt daran, dass ein Ermüdungsriss für einen planaren Wärmeimpuls wie eine Messerkante aussieht, und folglich keine oder minimale Reflexionen von dem Riss auftreten, wodurch die Risse schwer oder überhaupt nicht in einem Wärmebild zu sehen sind.
Die thermische Bildgebung zum Detektieren von Defekten in einem Material ist auf Systeme ausgeweitet worden, die Ultraschallerregungen des Materials verwenden, um die Wärme zu erzeugen. Der Artikel Rantala, J. et al, „Lock-in Thermography with Mechanical Loss Angle Heating at Ultrasonic Frequencies", Quantitative Infrared Thermography, Eurotherm Series 50, Edizioni ETS, Pisa 1997, Seiten 389–393 offenbart eine derartige Technik. Bei dieser Technik wird eine Ultraschallerregung verwendet, um den Riss oder den Fehler dazu zu bringen, dass er als Ergebnis des Ultraschallfeldes „aufleuchtet". Speziell bewirken die Ultraschallwellen, dass die sich gegenüberliegenden Ränder des Risses aneinander reiben, wodurch der Rissbereich aufgeheizt wird. Da der nicht beschädigte Bereich der Komponente minimal durch die Ultraschallwellen erwärmt wird, zeigen die resultierenden Wärmebilder des Materials die Risse als helle Bereiche gegenüber einem dunklen Hintergrundfeld.
Der Transducer, der bei der oben genannten Ultraschallwärmebildgebungstechnik verwendet wird, bildet einen mechanischen Kontakt mit der Komponente, die analysiert wird. Es ist jedoch schwierig Ultraschallenergie mit hoher Leistung in manchen Materialien, insbesondere im Fall von Metallen einzukoppeln. Signifikante Verbesserungen dieser Technik können erreicht werden, indem die Kopplung zwischen dem Ultraschalltransducer und der Komponente verbessert wird.
Darüber hinaus verwendet die bekannte Ultraschallwärmebildgebungstechnik eine komplexe Signalverarbeitung, insbesondere eine Vektor Lock-in synchrone Bildgebung. Die Vektor Lock-in Bildgebung verwendet eine periodisch modulierte Ultraschallquelle und enthält eine Verarbeitungstechnik, die synchron aufeinander folgende Bildrahmen mittelt, die ein In-Phase Bild und ein Quadraturbild erzeugen, basierend auf der Periodizität der Quelle. Dies hat Bilder zur Folge, die synchron mit der Periodizität sind, und das nicht synchrone Rauschen wird aus dem Bild eliminiert. Die Periodizität des Bildes kann auch durch externes Anregen induziert werden, beispielsweise durch einen modulierten Laserstrahl, Wärmelampen, etc. Der Prozessor empfängt die Videobilderrahmen, speichert sie synchron mit der induzierten Periodizität, und mittelt dann die gespeicherten Rahmen mit nachfolgend empfangenen Rahmen, um das Rauschen zu entfernen. Die US 4,878,116 , veröffentlicht am 31. Oktober 1989, erlassen für Thomas et al offenbart diesen Typ von Vektor Lock-in Bildgebung.
US 5,287,183 , erlassen für Thomas et al 15. Februar 1994 offenbart eine synchrone Bildgebungstechnik, die eine Modifikation der in dem '116 Patent offenbarten Vektor Lock-in Bild gebung darstellt. Insbesondere erweitert die in dem '183 Patent offenbarte Bildgebungstechnik die Vektor Lock-in synchrone Bildgebungstechnik, um eine „Box Car" Technikvariation zu enthalten, bei der die Quelle gepulst ist, und die Bilder werden synchron mit verschiedenen Verzögerungszeiten nach jedem Impuls gemittelt. Die Box Car Technik multipliziert das Videosignal mit Null, außer in den schmalen Zeitfenstern, die als Gates bezeichnet werden, die bei einer festen Zeitverzögerung nach der Initiierung jedes Ultraschallimpulses liegen. Die Wirkung dieser Gates liegt in der Erfassung verschiedener Bilder, die den Zuständen der Komponente, die abgebildet wird, bei den vorbestimmten festen Verzögerungszeiten nach den Impulse entsprechen. Diese unterschiedlichen Verzögerungszeiten sind analog zu unterschiedlichen Phasen, ausgedrückt durch die Sinus- und Kosinusfunktion des periodischen Signals in der Lock-in Technik. Während der Erfassung der Zeitfensterbilder werden die Bilder, die unterschiedlichen Verzögerungszeiten entsprechen, arithmetisch durch eine Subtraktion Pixel für Pixel kombiniert, um nicht synchrone Hintergrundeffekte zu unterdrücken.
Die Wärmebildgebungstechnik mit Ultraschallerregung ist erfolgreich bei der Erkennung von Rissen. Diese Technik kann jedoch verbessert werden, um kleinere Risse sowie eng geschlossene Risse mit einer sehr viel größeren Empfindlichkeit zu detektieren. Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung eine derartige Fehlerdetektionstechnik zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird eine Technik offenbart für eine Infrarot- oder Wärmebildgebung von ultraschallerregten oder schallerregten verborgenen Defekten in einem Material. Eine Schallquelle koppelt Schallwellen in das Material mit minimaler Dämpfung ein, wobei die Schallwellen durch Energieimpulse erzeugt werden, die für eine vorbestimmte Zeitperiode eine konstante Frequenzamplitude aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schallquelle ein elektromagnetischer Schalltransducer (EMAT), der eine breitbandige gepulste Ultraschallenergie liefert. Der EMAT ist in der Lage die Frequenz des Signals während eines Impulses zu ändern, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass das Signal alle Bereiche des Materials erreicht. Darüber hinaus hat der EMAT den Vorteil, dass er nicht in einem mechanischen Kontakt mit dem Material stehen muss. Eine geeignete Wärmebildgebungskamera wird verwendet, um das Material abzubilden, wenn es durch die Schallquelle erregt wird. Eine Steuereinheit wird bereitgestellt, um den Betrieb der Schallquelle und der Kamera zeitlich zu steuern. Obwohl eine Vektor Lock-in oder eine synchrone Box Car Integrations-Bildgebungstechnik verwendet werden kann, um Rauschen in den Bildern zu reduzieren, sind derartige Signalverarbeitungstechniken bei der vorliegenden Erfindung nicht notwendig.
Während der Initiierung der Detektionssequenz weist die Steuereinheit die Kamera an sequentiell Bilder des Materials zu machen. Die Steuereinheit weist als Nächstes die Schallquelle an einen Ultraschallenergieimpuls mit einer vorbestimmten Frequenz für eine vorbestimmte Zeitperiode auszusenden. Eine Folge von Bildern wird erzeugt, die Risse und andere Defekte in dem Material als helle Bereiche (höhere Temperatur) gegenüber einem dunklen (niedrigere Temperatur) Bereich zeigen. Die Bilder können auf einem Monitor angezeigt werden, und eine Speichervorrichtung kann vorliegen, um die Folge von Bildern zu speichern, für eine spätere Überprüfung.
Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Bildgebungssystems gemäß der Erfindung;
2 zeigt eine aufgebrochene Seitenansicht des Transducers, einer Probe und einer Kamera des in 1 gezeigten Bildgebungssystems;
3 zeigt einen Graphen mit der Energie auf der vertikalen Achse und der Zeit auf der horizontalen Achse, der das Ultraschallsignal zeigt, das in bekannten thermischen Bildgebungstechniken verwendet wird, die eine Vektor Lock-in synchrone Bildgebung anwenden;
4 zeigt einen Graphen mit der Energie auf der vertikalen Achse und der Zeit auf der horizontalen Achse, der das gepulste Ultraschallsignal zeigt, das in der Wärmebildgebungstechnik gemäß der Erfindung verwendet wird;
5(a) – 7(d) zeigen aufeinanderfolgende Bilder zu vorbestimmten Zeitintervallen eines offenen Risses in einer Probe, die ultraschallerregt und durch ein Bildgebungssystem gemäß der Erfindung abgebildet worden ist;
6 zeigt ein Bild, das durch das Bildgebungssystem gemäß der Erfindung erzeugt worden ist, und einen geschlossenen Riss zeigt, der mit Ultraschallenergie erregt worden ist;
7 zeigt ein Bild, das durch das Bildgebungssystem gemäß der Erfindung erzeugt worden ist, und eine Ablösung oder Disbond verdeutlicht, der durch die Ultraschallenergie erregt worden ist;
8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Person, die einen Ultraschalltransducer auf eine Flugzeugkomponente richtet, und das Bildgebungssystem gemäß der Erfindung zum Detektieren von Rissen in der Komponente verwendet; und
9 zeigt eine Draufsicht eines Wärme-/Schallbildgebungssystems, das einen elektromagnetischen Schalltransducer verwendet, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, die ein Wärmebildgebungssystem betreffen, ist lediglich beispielhaft, und schränkt die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen nicht ein.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Bildgebungssystems 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Bildgebungssystem 10 wird verwendet zum Detektieren von Defekten, beispielsweise von Rissen, Korrosion, Ablösungen, Disbonds, etc., in einer Probe 12. Die Probe 12 soll irgendeine Strukturkomponente oder ein Material darstellen, beispielsweise eine Flugzeughaut, die diese Typen von Defekten enthalten kann. Diese Probe 12 braucht nicht aus Metall zu sein, sondern kann aus einem anderen Material bestehen, beispielsweise Keramik, Verbundwerkstoffe, etc. Das System 10 enthält einen Ultraschalltransducer 14 mit einem piezoelektrischen Element, das Ultraschallenergie innerhalb eines bestimmten Ultraschallfrequenzbandes oder Schallfrequenzbandes erzeugt. Der Transducer 14 kann irgendein Transducer sein, der für die hier genannten Zwecke geeignet ist, beispielsweise ein Branson 900 MA Ultraschalltransducer. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erzeugt der Ultraschalltransducer 14 einen Ultraschallenergieimpuls, der für eine Zeitperiode von ungefähr einer 1/2 Sekunde eine im Wesentlichen konstante Amplitude bei einer Frequenz von ungefähr 20 kHz und mit einem Energiepegel von ungefähr 1 kW aufweist. Wie für einen Fachmann auf diesem Gebiet offen sichtlich können andere Ultraschallfrequenzen, Energiepegel und Pulsdauern verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Die Ultraschallenergie von dem Transducer 14 wird in die Probe 12 durch einen Koppler 16 eingekoppelt. Der Koppler 16 ist in mechanischem Kontakt mit einem Ende 18 des Transducers 14 und mit einer Frontseite 20 der Probe 12. 2 zeigt eine aufgebrochene Seitenansicht, die den Transducer 14 in Kontakt mit dem Koppler 16 und der Probe 12 zeigt. Die Trägerstruktur 26 wird verwendet, um dabei zu helfen den Transducer 14 in Kontakt mit dem Koppler 16 zu halten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Koppler 16 ein dünnes Teil aus einem Weichmetall, beispielsweise Kupfer, um die Ultraschallenergie wirkungsvoll in die Probe 12 einzukoppeln. Andere Koppler mit ähnlichen Wirkungen können verwendet werden. Beispielsweise kann der Koppler 16 ein Stück eines Fahrzeugdichtungsstoffs sein. Der Koppler 16 kann irgendein geeignetes Teil aus einem Material sein, das typischerweise weicher ist als das Ende 18 des Transducers 14, und das formbar gegen das Ende 18 des Transducers 14 geformt werden kann und den Transducer 14 davor bewahrt gegen die Probe 12 zu prallen oder entlang der Probe 12 zu wandern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel koppelt der Koppler 16 ungefähr 30 bis 40 % der Ultraschallenergie von dem Transducer 14 in die Probe 12 ein. Es sei erwähnt, dass der Koppler 16 für bestimmte Anwendungen nicht notwendig ist, beispielsweise beim Testen auf Defekte in einem Verbundwerkstoff.
Eine Wärmebildgebungskamera 22 ist bereitgestellt und von einer Rückseite 24 der Probe 12 beabstandet, und erzeugt Bilder von der Seite 24 der Probe 12 in Zusammenhang mit den Ultraschallerregungen der Probe 12. Die Kamera 22 kann von der Probe 12 irgendeinen geeigneten Abstand aufweisen, um so viele Bilder von der Probe zu liefern, wie in einem Einzelbild sein sollen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die Ultraschallenergie von dem Transducer 14 und das Bild, das von der Kamera 22 erzeugt wird, auf der gleichen Seite der Probe 12 sein. Die Wärmekamera 22 kann irgendeine Kamera sein, die für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, beispielsweise die Galileokamera von Raytheon. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfasst die Kamera 22 Infrarotaussendungen im 3–5 Mikrometerwellenbereich, und erzeugt Bilder mit 100 Rahmen pro Sekunde. Die Kamera 22 enthält ein Brennebenen-Array mit 256 × 256 InSb Pixeln, um die gewünschte Auflösung zu erzeugen. Gemäß ei nem Ausführungsbeispiel ist die Seite 24 der Probe 12 schwarz angemalt, um einen besseren Kontrast für die Infrarotbildgebung zu liefern.
Eine Steuerung 30 liefert ein Timing zwischen dem Transducer 14 und der Kamera 22. Die Steuerung 30 kann irgendein Computer sein, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist. Wenn der Detektionsprozess gestartet wird, veranlasst die Steuerung 30 die Kamera 22 dazu sequentiell Bilder der Probe 12 mit einer vorbestimmten Rate aufzunehmen. Sobald die Sequenz der Bilder beginnt sendet die Steuerung 30 ein Signal an einen Verstärker 32, das den Verstärker 32 dazu veranlasst einen Impuls an den Transducer 14 zu senden, um das gepulste Ultraschallsignal zu erzeugen. Die Ultraschallenergie hat die Form eines Einzelimpulses mit der Frequenz, die verwendet wird. Es nicht notwendig irgendeinen Typ von einer Vektor Lock-in oder einer Synchronisierungsbildgebungstechnik zu verwenden zwischen dem Energieimpuls und der Bildgebung, wie dies gegenwärtig beim Stand der Technik notwendig ist. Derartige Signalverarbeitungstechniken können jedoch verwendet werden, um weiter Rauschen zu reduzieren. Es sei erwähnt, dass die Frequenzen und die Pulszeitperioden, die hier beschrieben werden, keine einschränkenden Beispiele sind, und dass verschiedene Ultraschallfrequenzen, Impulszeiten, Eingangsleistung, etc. von System zu System und der zu testenden Probe variieren können. Nach dem Ende des Impulses weist die Steuerung 30 die Kamera 22 an die Aufnahme von Bildern zu stoppen. Die Bilder, die durch die Kamera 22 erzeugt worden sind, werden an einen Monitor 34 gesendet, der die Bilder der Seite 24 der Probe 12 anzeigt. Die Bilder können dann an eine Speichervorrichtung 36 gesendet werden, um an einem anderen Ort betrachtet zu werden, wenn dies gewünscht wird.
Die Ultraschallenergie, die für die Probe 12 verwendet wird, bewirkt, dass Flächen von Defekten und Risse in der Probe 12 aneinanderreiben und Wärme erzeugen. Diese Wärme erscheint als helle Stellen in den Bildern, die von der Kamera 22 erzeugt werden. Folglich ist das System sehr gut beim Identifizieren sehr kleiner, schmaler, geschlossener Risse. Für diejenigen Risse, die offen sind, bei denen sich die Flächen des Risses nicht berühren, wird die Wärme am Spannungskonzentrationspunkt an der Rissspitze erzeugt. Dieser Punkt erscheint als ein heller Fleck auf den Bildern, der das Ende oder den Anfang eines offenen Risses anzeigt. Die Ultraschallenergie ist wirkungsvoll zum Erwärmen des Risses oder des Defekts in der Probe 12, egal welche Orientierung der Riss relativ zu dem Energieimpuls hat. Die Kamera 22 nimmt ein Bild der Oberfläche 24 der Probe 12 auf, was eine visuelle Anzeige irgendeines Risses in der Probe 12 liefert, egal welche Position der Riss innerhalb der Stärke der Probe 12 hat.
Die vorliegende Erfindung liefert Verbesserungen gegenüber bekannten Ultraschalltechniken und Wärmebildgebungstechniken, da die Ultraschallimpulse, die verwendet werden, um die Risse und Defekte zu erwärmen, einfache Impulse sind, die eine im Wesentlichen konstante Amplitude aufweisen, und keine Verwendung einer Sinussignalmodulation erforderlich ist, wie beispielsweise in der Vektor Lock-in synchronisierten Bildgebung. Um diesen Punkt zu verdeutlichen zeigt 3 einen Graphen mit der Energie auf der vertikalen Achse und der Zeit auf der horizontalen Achse zum Verdeutlichen der Wellenform des Ultraschallsignals, das in einer Vektor Lock-in Bildgebung verwendet wird. Das Ultraschallsignal wird mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt, und mit einer tieffrequenten sinusförmigen Modulationswelle moduliert, was eine Amplitudenmodulation mit einer vorbestimmten Modulationsperiode liefert. Das Ultraschallfrequenzsignal steigt und fällt in der Amplitude mit der Modulationswelle tiefer Frequenz. Die Ultraschallerregung erfolgt typischerweise über einige Sekunden. Das Bild, das mit dieser Bildgebungstechnik erzeugt wird, ist nicht das tatsächliche Bild der bestimmten Komponente, die abgebildet wird, sondern ein Differenzbild, das durch den Subtraktionsvorgang der Synchronisierungsbildgebung erzeugt wird. Eine genauere detaillierte Diskussion dieses Typs der Vektor Lock-in synchronen Bildgebung zur Reduzierung des Rauschens in diesen Typen von Systemen ist in dem '116 Patent diskutiert.
4 zeigt einen Graphen mit der Energie auf der vertikalen Achse und der Zeit auf der horizontalen Achse, der die Impulse verdeutlicht, die verwendet werden, um die Ultraschallerregung gemäß der vorliegenden Erfindung zu liefern. Das Ultraschallfrequenzsignal innerhalb jedes Impulses hat im Wesentlichen die gleiche Amplitude und wird nicht mit einer tieffrequenten Sinus-Wellenform moduliert. Die Bilder, die von der Kamera 22 erzeugt werden, sind Echtzeitbilder und keine Differenzbilder von dem Typ, der bei der Vektor Lock-in synchronen Bildgebungstechnik erzeugt wird. Dies liefert eine signifikante Verbesserung bezüglich der Bildqualität und der Steuereinfachheit. Obwohl ein Impuls normalerweise ausreichend ist, können mehrere Impulse verwendet werden, die mit einer vorbestimmten Zeitperiode beabstandet sind, für Signalmittelwertbildungszwecke, um Rauschen zu reduzieren. Die Technik der „Box Car" Integration kann verwendet werden, wie sie in dem '183 Patent diskutiert ist. Bei dieser Technik wird ein Gate in jedem Zeitfenster verwendet, um ein Bild für jeden Impuls zu ermitteln, wobei das Gate bei einer bestimmten festen Zeitverzögerung liegt nach Beginn des Impulses. Während der Erfassung der Gatebilder werden die Bilder, die verschiedenen Verzögerungszeiten entsprechen, arithmetisch kombiniert, um nicht-synchrone Hintergrundeffekte zu unterdrücken.
Die 5(a) – 5(d) zeigen vier Folgebilder 38 eines offenen Ermüdungsrisses 40 in einer Metallprobe 42. Die 5(a) zeigt die Bilder 38 der Probe 42 vor dem Anlegen der Ultraschallenergie. 5(b) zeigt das Bild 38 der Probe 42 14 ms nach Anlegen der Ultraschallenergie. Wie offensichtlich ist, erscheint ein heller (höhere Temperatur) Fleck 44 (als ein dunkler Bereich) gekennzeichnet am geschlossenen Ende des Risses 40, wo eine mechanische Erregung eine Erwärmung verursacht. Die 5(c) und 5(d) zeigen Folgebilder 38 jeweils zu einem Zeitpunkt gleich 64 ms und zu einem Zeitpunkt gleich 114 ms. Der helle Fleck 44 auf der Probe 42 vergrößert sich über diese Folge hin erheblich, wodurch klar der Ort des Risses 44 angezeigt wird.
6 zeigt ein Bild 48 eines geschlossenen Risses 50 in einer Probe 52 nach einer Erregung durch den Ultraschallimpuls. In diesem Ausführungsbeispiel, da der Riss 50 geschlossen ist, erzeugt die gesamte Länge des Risses 50 Wärme, die einen Lichtfleck 54 entlang der gesamten Länge des Risses 50 erzeugt, und liefert eine Anzeige eines geschlossenen Risses. Da die Ultraschallenergie sehr effektiv ist bei der Erwärmung des geschlossenen Risses 50 relativ zu dem Hintergrund, können sehr kurze geschlossene Risse, beispielsweise in der Größenordnung von 2/3 mm, sicher in dem Bild 48 ermittelt werden.
7 zeigt ein Bild 66 einer Probe 68. In diesem Bild ist ein heller Fleck 70 gezeigt, und soll den Bildtyp darstellen, der von der Wärmeenergie erzeugt wird, die durch Ultraschallerregung eine Ablösung oder Disbond erzeugt. Die Wärmebildgebungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere von Nutzen bei der Erkennung von „Kissing" Disbonds.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Benutzers 56, der einen Hand-Held Transducer 58 gegen eine Probe 60 richtet, beispielsweise gegen einen Flugzeugrumpf. Eine Wärme bildgebungskamera 62 ist Richtung Probe 60 gerichtet an einer Stelle, die von dem Kontaktpunkt des Transducers 58 getrennt ist. 8 verdeutlicht, dass das System gemäß der Erfindung auf dem Gebiet zum Testen derartiger Komponenten verwendet werden kann.
Der Transducer 14 ist ein herkömmlicher Transducer, der geeignet ist für die Zwecke des Wärme-/Schallprozesses gemäß der Erfindung. Der Transducer 14 liefert eine herkömmliche Transformation von elektrischen Impulsen in mechanische Versetzungen durch Verwendung eines piezoelektrischen Elements, das von außen auf die mit Energie zu versorgende Komponente wirkt, und folglich im Allgemeinen eine mechanische Kopplung zwischen dem Transducer und der Komponente erfordert. Beispielsweise kann der piezoelektrische Transducer 14 einen PZT Stack von piezoelektrischen Kristallen verwenden, die präzise geschnitten sind und bei sehr kleinen Frequenzen arbeiten, wie durch die Schnittabmessung der Kristalle vorgegeben. Der PZT Stack ist mechanisch mit der Spitze des Transducers 14 gekoppelt und die Spitze wird gegen die mit Energie zu versorgende Komponente gedrückt. Da die Spitze eine feste Abmessung aufweist und nicht flexibel ist, bewirkt sie einen weiten Kontaktbereich und Druck innerhalb des Kontaktbereichs. Dies wird ferner durch nicht flache, nicht glatte Oberflächen der Komponenten beeinflusst. Die nicht gleichförmige Natur der Kopplung ist manchmal schwierig zu steuern, und wird als der größte Faktor angesehen, der dazu beträgt, dass Testergebnisse abweichen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Transducer 14 durch einen elektromagnetischen Schalltransducer (EMAT) ersetzt, um die oben beschriebenen Einschränkungen zu eliminieren. Ein EMAT ist eine allgemein bekannte Vorrichtung, die manchmal verwendet wird, um ein Teil, das auf Defekte zu testen ist, mit Energie zu versorgen. Ein Beispiel dieses Typs von EMAT kann in der US 6,109,108 , veröffentlicht am 29 August 2000 mit dem Titel "Electromagnetic Acoustic Transducer EMAT and Inspection System with EMAR" gefunden werden.
Wie bekannt ist, enthält der EMAT einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten, der ein statisches Magnetfeld in dem zu testenden Objekt erzeugt. Ein Elektromagnet wird vorgesehen, der, wenn er mit einem zeitlich variierenden Strom erregt wird, Wirbelströme auf und unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Objekts, das zu testen ist, erzeugt. Die Wirbel ströme wirken mit dem statischen Magnetfeld zusammen, um eine Lorentzkraft zu erzeugen, die auf freien Elektronen in dem Objekt wirkt, was Kollisionen mit Ionen in dem Objekt in Richtung senkrecht zu den Richtungen des statischen Magnetfeldes und der lokalen Wirbelströme induziert. Diese Interaktion erzeugt Schallwellen mit verschiedener Polarisierung (longitudinal, Scherung), die in dem Objekt von Diskontinuitäten reflektiert werden, um Defekte in dem bekannten Detektionssystem zu ermitteln. Gemäß der Erfindung erzeugen diese Schallwellen Wärme auf der Defektseite. Die Schallwellen können verschiedene Formen haben, einschließlich, jedoch nicht einschränkend, Scherungswellen, Oberflächenwellen, Plattenwellen, Rayleighwellen, Lambwellen, etc. Die Benutzung von EMATs zum Detektieren von Defekten ist auf leitende oder magnetische Strukturen beschränkt, die ferromagnetische oder nicht ferromagnetische Materialien haben. Wenn die magnetische Struktur nicht leitend ist, tritt eine Schallerzeugung durch Magnetostriktion auf.
EMATs sind elektromagnetische Vorrichtungen, die in einem breiten Frequenzbereich und mit unterschiedlichen Pulsdauern betrieben werden können. Ultraschallenergie in dem Frequenzbereich von 20–25 kHz hat beispielsweise eine Wellenlänge von 0,3–0,4 m in Stahl. In Abhängigkeit von der Komponentengröße und der Form können verschiedene Effekte eine Änderung der mechanischen Energie in verschiedenen Regionen der Komponente haben. Beispielsweise kann eine konstruktive und destruktive Interferenz durch Reflexionen in versteckten Bereichen auftreten, wo die Energie nicht gerichtet ist. All diese Wirkungen hängen von der Wellenlänge und der Komponentenabmessung ab. Folglich ist es wichtig, eine Flexibilität in dem System zu haben, um die Frequenz des Erregungsimpulses zu ändern. Die Verwendung eines EMATs gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung erlaubt eine Änderung der Frequenz (Wellenlänge) des Schallsignals während der Erregungsimpulse. Das Bereitstellen von mehreren Frequenzschallsignalen minimiert Knotenereignis und Geometrieeffekte. Das zeitvariante Signal, das an den Elektromagneten angelegt wird, kann ein stufenförmiges Frequenzsignal sein, das diskrete Frequenzwerte aufweist, oder eine zeitproportionale Frequenz, die einen durchgehenden Bereich von schnell gewobbelten Frequenzen aufweist. Das Signal kann ferner ein gepulstes Frequenzsignal sein, ein Rechteckwellensignal, ein Nadelimpulssignal, etc.
Die Verwendung von EMATs hat ferner den Vorteil, dass sie nicht in Kontakt mit der zu testenden Komponente sein müssen, um die Schallwellen in der Komponente zu erzeugen. Da der EMAT nicht in Kontakt mit der zu testenden Komponente sein braucht, können bestimmte Probleme, die in Zusammenhang stehen mit einer mechanischen Kopplung der Schallvorrichtung, vermieden werden, einschließlich einer selbstzerstörenden Kopplung, einer Komponentenoberflächenbeschädigung, einer Schallquellenbeschädigung und Abnutzung, etc.
In alternativen Ausführungsbeispielen können mehrere Sensoren oder EMATs vorgesehen werden, um größere Komponenten oder eine Komponente mit komplexen Formen zu erregen. Diese mehreren Sensoren können in einer Erregungssequenz multigeplext werden, um die Änderung weiter zu vergrößern, so dass alle Bereich der Komponente den Schallwellen unterworfen werden.
9 zeigt eine Draufsicht eines Bildgebungssystems 80, das verwendet wird, um Defekte in einer Komponente 82 zu detektieren, und einen EMAT 84 des oben beschriebenen Typs verwendet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel ist die Komponente 82 ein entferntes Teil, beispielsweise eine Turbinenschaufel innerhalb eines Turbinenmotors, kann jedoch irgendein geeignetes Teil sein, das auf Defekte untersucht wird. Ein Kabel 86 ist an dem EMAT 84 und an einer Steuerung (nicht gezeigt) angebracht, beispielsweise an der oben genannten Steuerung 30. Der EMAT 84 enthält eine Spule 88 und einen Permanentmagneten 90. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der EMAT 84 einen Elektromagneten verwenden, um das statische Magnetfeld zu erzeugen. Ferner können gemäß alternativen Ausführungsbeispielen mehrere EMATs verwendet werden, wobei die EMATs in einer Multiplexfolge erregt werden. Der EMAT 84 ist in Kontakt mit der Komponente 82 gezeigt, gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann er jedoch leicht entfernt von der Komponente 82 sein und immer noch die gewünschten Schallwelleneffekte liefern.
Ein AC Spannungssignal auf dem Kabel 86, das an die Spule 88 angelegt wird, erzeugt Wirbelströme, um mit dem statischen Magnetfeld, das durch den Permanentmagneten 90 in der Komponente 82 erzeugt wird, zusammenzuwirken. Die Interaktion der Wirbelströme mit dem statischen Magnetfeld erzeugt Schallwellen oder Ultraschallwellen, die die Flächen der Defekte und Risse in der Komponente 82 dazu veranlassen gegeneinander zu reiben und Wärme zu erzeugen. Eine Strahlungssammeleinheit 94 ist mit einer geeigneten Infrarotkamera (nicht gezeigt) verbunden, beispielsweise eine Infrarotkamera 22, und enthält eine Infrarotlinse 96, die nahe der Komponente 82 angeordnet ist. Die Infrarotstrahlung 98, die von der Komponente 82 an einem Riss 100 ausgesendet wird, wird durch die Linse 96 in die Einheit 94 fokussiert und entlang der Einheit 94 durch eine IR Linse und eine Spiegelkonfiguration 102 zu der Kamera reflektiert. Die optische IR Faserbündel können an Stelle der Einheit 94 verwendet werden, um die Strahlung zu der Kamera zu transportieren.
Die Spule 88 ist in der oben beschriebenen Art und Weise für das System 10 gepulst, und die Bilder werden in gleicher Weise erzeugt. Da das System 80 den EMAT 84 verwendet, kann die Zeitabhängigkeit der AC Spannung des Signals, die an die Spule 88 angelegt wird, geändert werden, so dass verschiedene Schallwellenfrequenzen während jedes Impulses in der Komponente 82 induziert werden können. Die zeitabhängigen AC Spannungssignale, die an den EMAT 84 angelegt werden, können eine stufenförmige Frequenz aufweisen, eine zeitproportionale Frequenz, eine gepulste Frequenz, Rechteckwellenimpulse, Nadelimpulse, etc., ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Dies erlaubt dem System 80 selektiv gesteuert zu werden, so dass die Schallwellen während der Testperiode alle Bereiche der Komponente 82 erfassen.
Die oben genannte Diskussion offenbart und beschreibt lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung. Ein Fachmann auf diesem Gebiet erkennt aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abweichungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Thermisches Bildgebungssystem zum Detektieren von Fehlern in einem Bauteil, enthaltend: mindestens einen elektromagnetisch-akustischen Transducer (EMAT) zum Erregen des Bauteils; eine thermische Bildgebungskamera zum Erzeugen von Wärmebildern des Bauteils; und eine Steuerung, die mit dem EMAT und der Kamera gekoppelt ist, wobei die Steuerung mindestens einen zeitveränderlichen Signalimpuls mit einer vorbestimmten Frequenz und für eine vorbestimmte Dauer an den EMAT liefert und die Kamera veranlasst sequentielle Bilder des Bauteils zu erzeugen, der EMAT Schallwellen in dem Bauteil induziert, der Signalimpuls eine im wesentlichen konstante Amplitude aufweist, und eine Schwingungsenergie, die durch den EMAT erzeugt wird, die Fehler in dem Bauteil erwärmt und in den Bildern, die durch die Kamera erzeugt werden, sichtbar macht.
System nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung arbeitet, um die Frequenz des an den EMAT angelegten Signalimpulses zu ändern.
System nach Anspruch 2, bei dem die Steuerung eine Änderung der Frequenz des Signalimpulses als eine Schrittfrequenzänderung oder eine Kippfrequenzänderung liefert.
System nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung einen zeitveränderlichen Signalimpuls als Rechtecksignal oder Nadelimpulssignal liefert.
System nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine EMAT eine Mehrzahl von EMATs ist.
System nach Anspruch 5, bei dem die Steuerung den zeitveränderlichen Signalimpuls an jeden EMAT in einer sequentiellen Art und Weise liefert.
System nach Anspruch 1, bei dem der Signalimpuls eine halbe Sekunde oder weniger lang andauert.
Verfahren zum Detektieren von Fehlern in einer Struktur, mit den Schritten: Koppeln mindestens eines elektromagnetisch-akustischen Transducers (EMAT) mit der Struktur; Erregen des EMATs mit einer Serie von zeitveränderlichen Signalimpulsen, wobei jeder Impuls eine vorbestimmte Frequenz und eine im wesentlichen konstante Amplitude aufweist; Erzeugen von Schallsignalen in der Struktur durch das Erregen des EMATs; und Erzeugen einer Sequenz von Wärmebildern der Struktur vor, während und nach der Erzeugung der Schallsignale.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Erregens des EMATs ein Erregen des EMATs mit unterschiedlichen Signalimpulsfrequenzen aufweist, um unterschiedliche Frequenzschallsignale zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Erregens des EMATs ein Erregen des EMATs mit einem Schrittfrequenzsignal oder einem Kippfrequenzsignal enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Erregens des EMATs ein Erregen des EMATs mit einem Rechteckimpuls oder einem Nadelimpuls enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Koppelns an mindestens einen EMAT ein Koppeln einer Mehrzahl von EMATs mit der Struktur enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Erregens der EMATs ein Erregen der EMATs mit zeitveränderlichen Signalimpulsen in einer sequentiellen Art und Weise aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Koppelns des EMATs mit der Struktur ein Koppeln des EMATs mit der Struktur enthält, bei dem der EMAT die Struktur nicht kontaktiert.