JP2571463B2

JP2571463B2 - アークアレイ形探触子を用いる超音波測定装置の感度に対する測定値補正方法

Info

Publication number: JP2571463B2
Application number: JP2256326A
Authority: JP
Inventors: 利男滝下; ▲禎▼久冨田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1990-09-26
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: JPH04132954A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、アークアレイ形探触子（以下アークアレ
イプローブ）を用いる超音波測定装置の感度に対する測
定値補正方法に関し、詳しくは、アークアレイプローブ
における各圧電素子の特性のばらつきやパルサ、レシー
バの特性のばらつきによる感度の変動に影響されること
なく、一定の感度で測定したものとしてエコー受信信号
やピーク値が得られるような感度に対する測定値補正方
法に関する。

［従来の技術］アークアレイプローブは、複数の振動子（圧電素子）
が円弧状に配列されていて、その連続する複数個の素子
を同時励振し、かつ、その位置を順次移動させる電子ス
キャンにより縦波，横波の両者を発生させて縦断面方向
のスキャンを行うことによりＢスコープ画像表示ができ
る測定データを採取することができる。これは、材料に
入射する角度を選択することである角度範囲に亙って探
傷を行うものであるが、アークアレイプローブの各圧電
素子から発生する超音波の被検体入射点における屈折角
はそれぞれ相違し、超音波伝達効率は、この屈折角に応
じて変化する。そのため、欠陥に対する送・受信のエネ
ルギーが屈折角によって異なり、かつ、被検体によって
も相違するが、汎用的な超音波測定装置では、被検体を
特定する必要がなく、また、通常、屈折角による変換効
率までは考慮されていない。

［解決しようとする課題］一般に、アークアレイプローブの各圧電素子の電気的
な変換特性を揃えることは難しく、これらに相違があっ
て、各圧電素子の位置とその取付状態、それが接続され
るパルサの出力電圧、レシーバの受信感度等にばらつき
がある。

そこで、この種のプローブでは欠陥の大きさ等に対応
するエコー受信信号を得ることが難しく、これにより測
定データを得てＢスコープ像を表示した場合には表示位
置によって欠陥に対する感度が異なっているため、測定
画像を表示すると画面状に縞模様のむらが現れて欠陥が
判別し難い。

また、エコー受信信号のピークに対してスレッショル
ドレベルを設定して欠陥の有無を判定するような場合に
は、前記のような問題があるので、同一のスレッショル
ドレベルでは欠陥判定ができない欠点がある。

この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解
決するものであって、各圧電素子に対応する測定系の特
性のばらつきによる感度の変動に影響されることなく、
一定の感度で測定したものとしてエコー受信信号やピー
ク値が得られる超音波測定装置の感度に対する測定値補
正方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］このような目的を達成するためのこの発明の感度に対
する測定値補正方法の構成は、アークアレイプローブと
同じ材質あるいは同等の特性を持つ材質で造られた垂直
断面が半円形の部材であって、その中心にアークアレイ
プローブの先端が嵌合される穴を有していてこの穴に先
端が嵌合されることで超音波が伝搬する部材としてアー
クアレイプローブと一体化される部材をアークアレイプ
ローブにより電子スキャンにて超音波探傷し、アークア
レイプローブの複数の圧電素子のそれぞれ対応して得ら
れる垂直断面が半円形の部材の底面エコーのピーク値を
検出してこれを所定の基準値と比較してその比あるいは
逆比を補正係数として各圧電素子対応に記憶し、被検体
を探傷して圧電素子のそれぞれに対応して得られるエコ
ー受信信号またはそのピーク値をそれに対応する補正係
数により補正するものである。

［作用］このように、垂直断面が半円形の部材の底面エコーを
各圧電素子に対応して測定して得られピーク値と基準値
との比あるいは逆比による補正係数を得ることにより、
各圧電素子に対応する測定系の特性が異なっていても、
また、電子スキャンにより複数の圧電素子で測定してデ
ータを加算したり、掛け算しても、各測定系で得られた
測定値を補正係数で補正することで各測定系の感度特性
の相違の影響を排除できるので、一定の感度で測定した
ときと同様なエコー受信信号のデータや比較的正確なピ
ーク値を得ることができる。

［実施例］以下、この発明を適用した一実施例について図面を用
いて詳細に説明する。

第１図は、この発明の感度に対する測定値補正方法を
適用した超音波映像探傷装置のブロック図、第２図は、
その補正係数測定状態における測定部材とプローブとの
関係の説明図である。

第１図において、20は、超音波映像探傷装置であっ
て、アークアレイプローブ１と超音波探傷部２、画像処
理装置10、そしてCRTディスプレイ（CRT）16とを備えて
いる。アークアレイプローブ１は、複数の振動子（圧電
素子）が円弧状に配列されていて、その連続する複数個
の素子、例えば、16個の素子を同時励振し、かつ、電子
スキャンによりその位置を順次１素子ずつシフトさせる
ことにより縦波，横波の両者を発生させて被検体の縦断
面方向の走査を行うことができる。なお、以後の説明で
は、圧電素子を16個単位で駆動する場合の例で説明する
が、この数は、通常、８〜24個であり、原理的には複数
個あればよい。

超音波探傷部２は、電子スキャン駆動回路３と、スイ
ッチ回路４、レシーバ５、受信遅延回路６、送信遅延信
号発生回路７、そしてA/D変換回路８とを備えている。
送信遅延信号発生回路７は、電子スキャン駆動回路３に
設けられた16個のパルサのそれぞれに対してその送信パ
ルス発生のタイミングを決定する16個のタイミングパル
スをあらかじめ設定された遅延タイミングでパラレルに
発生する。電子スキャン駆動回路３は、送信遅延信号発
生回路７から16個のタイミングパルスをそれぞれ受ける
16個（複数）のパルサが設けられていて圧電素子を駆動
する16個の駆動パルスをパラレルに発生してスイッチ回
路４に供給するとともに、スイッチ回路４を制御して１
素子ずつ駆動対象となる圧電素子をシフトする電子スキ
ャンを行う。スイッチ回路４は、電子スキャン駆動回路
３により電子スキャン制御され、アークアレイプローブ
１に16個の駆動パルスを送出し、それに応じたエコー受
信信号をアークアレイプローブ１から受ける。レシーバ
５は、16個のレシーバ回路が設けられていて、これら回
路がそれぞれ電子スキャン制御に応じてスイッチ回路４
からそれぞれの圧電素子から得られるエコー受信信号を
16個パラレルに受ける。受信遅延回路６は、16個の可変
遅延回路からなり、レシーバ５の16個のエコー受信信号
出力をそれぞれの可変遅延回路で受けてそれぞれを遅延
させてタイミングが一致した出力になるようにする。A/
D変換回路８は、受信遅延回路６の16個の出力をそれぞ
れA/D変換する16個のA/D変換器が設けられていて、それ
ぞれの信号を同時にサンプルしてデジタル化する。

このような構成よりなる超音波探傷部２は、送信遅延
信号発生回路７により、例えば、16個の圧電素子の周辺
部を先に駆動し、中央部を遅れて駆動する所定の遅延パ
ターンのタイミングパルスを発生させて各圧電素子を駆
動することで所定位置に焦点を結ぶような超音波を発生
させ、その焦点からの各エコー受信信号を送信時の遅延
パターンと同じパターンで受信遅延回路６により遅延さ
せることでレシーバ５で受けたエコー受信信号の発生タ
イミングを一致させ、これら16個のエコー受信信号をA/
D変換回路８で同時にサンプルしてデジタル値に変換し
て画像処理装置10に送出する。

ここで、送信遅延信号発生回路７に与えられる16個の
タイミングパルスの遅延タイミングパターンや受信遅延
回路６の遅延時間を決定する遅延パターン信号は、画像
処理装置10からの制御信号により設定される。また、電
子スキャン駆動回路３のスイッチ回路４等の制御タイミ
ングや16個の圧電素子のエコー受信タイミングも画像処
理装置10からの制御信号に応じて制御される。

画像処理装置10は、マイクロプロセッサとメモリ等で
構成され、画像処理装置10のマイクロプロセッサ（MP
U）11は、インターフェース12,バス13を介して前記のA/
D変換回路８からそれぞれの圧電素子対応に受信された1
6個のエコー受信信号波形のサンプル値をデジタル値で
受けて、メモリ14において各圧電素子（各圧電素子に対
応して設けられたその圧電素子を含むパルサからレシー
バ、そしてA/D変換回路までの１組の測定系、いわゆる
各測定チャネル）に対応してそれぞれ記憶する。そし
て、メモリ14に格納された補正加算処理プログラム14a
を起動してメモリ14に記憶された16個のエコー受信信号
のうち同じタイミングでサンプルされた各測定チャネル
に対応する補正係数を補正係数テーブル14fから読出し
て次の式によりそのサンプルタイミングｔにおけるピー
クデータPntを得てメモリ14に記憶する。

Pnt＝Kn×Pn＋Kn＋１×pn＋１・・・・・・＋Kn＋15×pn＋15 ただし、ｎはセクタ分けして駆動される最初の圧電素
子の番号であり、ｎ＝１からｍ−15のうちから選択され
たものである。したがって、ｎからｎ＋15までがそのと
きセクタスキャンされた圧電素子番号になる。ここで、
ｍは、圧電素子の総数、Kn,Kn＋1,・・・,Kn＋15は、そ
れぞれの測定チャネル（各圧電素子）に対応して測定さ
れた補正係数、pn,pn＋1,・・・,pn＋15は、各測定チャ
ネルに対応するエコー受信信号のあるサンプル時点ｔに
おけるサンプル値である。

前記式により補正加算処理して各サンプル時点ごとに
ピークデータPnt（ｔは１から総サンプル数まで）を生
成してメモリ14に順次記憶する。そして次に欠陥判定プ
ログラム14bを起動してメモリ14から、先に生成された
ピークデータPntを順次読出して欠陥検出基準のスレッ
ショルドレベルを越えたレベルにあるデータの位置を欠
陥として検出してそのサンプル位置に対応して欠陥フラ
グを立てて記憶する。次に、欠陥距離算出プログラム14
cを起動して欠陥フラグの位置とピークデータPntが示す
A/D変換された表面エコーあるいは送信パルスの受信信
号の位置と、さらにそのときの圧電素子群の駆動位置か
ら算出される屈折角等により欠陥が検出された位置まで
の距離を算出する。そして、算出された距離と欠陥フラ
グとからＢスコープ表示データ生成プログラム14dによ
り表示データを生成して画像メモリ15に記憶し、CRTデ
ィスプレイ16の画面上に欠陥の位置を表示する。なお、
この場合、欠陥を欠陥フラグではなく、そのときの最大
ピーク値として記憶して、それをピーク値のレベルに応
じてカラー信号に置き換えて表示データを生成すること
でカラー表示してもよい。

この表示データが生成された後に画像処理装置10は、
電子スキャン駆動回路３に対して１圧電素子分だけシフ
トする制御信号を送出して前記と同様に16個のパルサを
所定の遅延パターンで駆動する制御を行う。

以上のようなことの繰り返しにより各圧電素子に対し
て電子スキャンを行い、被検体17について縦断面探傷を
行う。

画像処理装置10のバス13には、MPU11のほかに、各種
プログラムやデータを記憶したメモリ14、画像メモリ1
5、キーボード16aを備えるCRTディスプレイ（CRT）16等
が接続されている。そして、メモリ14には、補正加算処
理プログラム14aと、欠陥判定プログラム14b、欠陥距離
算出プログラム14c、Ｂスコープ表示データ生成プログ
ラム14d等が格納され、さらに、補正係数採取プログラ
ム14eが設けられている。また、補正係数テーブル14fに
は、各測定チャネル（各圧電素子）対応に採取されたエ
コー受信信号の値を補正する先の式における補正係数
K₁,K₂,・・・,Kmが記憶されている。

ここで、補正係数K₁,K₂,・・・,Kmは、キーボード16a
上の補正係数採取機能キーが押下されてときに、補正係
数算出プログラム14eをMPU11が実行することで算出さ
れ、それが補正係数テーブル14fに記憶される。オペレ
ータは、キーボード16a上の補正係数採取機能キーを押
下する前に、アークアレイプローブ１を被検体17から離
して被検体17と同じ材質か同等の材質の垂直断面が半円
形の半円柱形状の補正係数測定部材18（第２図参照）に
密着させる。その後にキーボード16a上の補正係数採取
機能キーを押下する。MPU11は、補正係数採取機能キー
の押下信号を割込み信号として受け、これを受けると、
各圧電素子に対応して得られるエコー受信信号のうちそ
の底面エコーのピーク値Pp（デジタル値）を採取してメ
モリ14に記憶し、メモリ14からそれら測定データを得
て、これとメモリ14にあらかじめ記憶されている基準値
Prとの逆比を採る。

すなわち、 kn＝Pr/Rpn,kn＋１＝Pr/Ppn＋1,・・・,kn＋15＝Pr/Ppn
＋15により、ｎ＝1,17,33,・・・というように、16個ず
つを単位にｎの値を進めてK₁,K₂,・・・,Kmの係数を求
めて、それを補正係数テーブル14fのその測定チャネル
番号あるいは圧電素子番号対応の位置に記憶する。

第２図は、この測定状態におけるアークアレイプロー
ブ１と補正係数測定部材18との関係を示す説明図であ
り、19は、接触媒質であり、1a,1b,・・・,1mは、アー
クアレイプローブ１の圧電素子（図面のものは拡大して
示されている）、22がアークアレイプローブ１を接触さ
せる嵌合穴であり、この嵌合穴はその断面においてアー
クアレイプローブ１の音響レンズ23の先端側の半円形状
に一致していて、これを密着状態で受ける形状となって
いる。さらに、この嵌合穴22は、図に示されるように、
アークアレイプローブ１の中心線０が補正係数測定部材
18の半円形の中心を通る位置に形成されている。したが
って、補正係数測定部材18の入射点22aは、この嵌合穴2
2の底に位置していて補正係数測定部材18の外周の半円
はこの入射点22aを中心として形成されている。すなわ
ち、点線で示すように、嵌合穴22の深さ分だけ半円の中
心にオフセットがある。なお、24が超音波の送信，受信
の状態を示す線である。

補正係数測定状態では、図示するように垂直断面が半
円形の補正係数測定部材18の中心に位置する嵌合穴22に
アークアレイプローブ１の先端を密着させて嵌合させる
ことにより、アークアレイプローブ１の音響レンズ23と
補正係数測定部材18とが一体化される。そこで、線24に
示されるように、アークアレイプローブ１の各圧電素子
1a,1b,・・・,1mから発生する超音波は、入射点22aを通
り、外周となる半円形の底面部で反射し、このとき、各
圧電素子から入射点22aを経て底面までの距離が等距離
にあるので、その底面エコーは等しいタイミングで発生
しかつ等しいピーク値として与えられなければならな
い。また、そのように与えられるものである。その結
果、各底面エコーのピーク値と基準値Prとの差は、圧電
素子の特性と圧電素子の位置、そしてパルサやレシーバ
等の特性によるものである。そこで、それぞれ圧電素子
に対応する測定チャネル（測定系）について基準値Prと
の逆比を採ることにより測定系における感度特性のばら
つきをこれによる補正で吸収することができる。なお、
ここでの基準値Prは、各測定チャネルで得られる底面エ
コーPpの平均値が選択されるとよい。

このことにより複数個の圧電素子を同時に駆動する電
子スキャンを行っても、一定の感度状態で測定した場合
と等価の測定データを得ることができる。もちろん、こ
れは複数同時駆動の場合に限定されない。

次に、全体的な動作について説明すると、まず、アー
クアレイプローブ１を補正係数測定部材18に密着させ
て、キーボード16a上の補正係数採取機能キーを押下
し、画像処理装置10からの制御に応じて超音波探傷部２
で同時励振させる16個の圧電素子が選択され、その素子
にパルスを送りアークアレイプローブ１より所定の遅延
パターンを持つ超音波を発射させる。アークアレイプロ
ーブ１の各圧電素子で受信したエコーについての受信信
号は、超音波探傷部２の受信遅延回路６でそれぞれの発
生タイミングが一致するように揃えられてA/D変換回路
８で各圧電素子対応にA/D変換されて画像処理装置10に
送出される。

画像処理装置10でこの各圧電素子対応のエコー受信信
号の波形データのサンプル値から先の式により補正係数
を算出して補正係数テーブル14fに各圧電素子対応に補
正係数Ki（ｉ＝１〜ｍ）を記憶する。

次に、被検体17の入射点21（第１図参照）にアークア
レイプローブ１を当てて通常の探傷を行い、各圧電素子
対応のエコー受信信号の波形データのサンプル値に対し
て補正係数テーブル14fからその圧電素子に対応する測
定系の補正係数Ki（ｉ＝１〜ｍ）が読出されて補正加算
処理プログラム14aにより各圧電素子に対応する測定系
における補正が行われる。さらに、それらを加算して補
正した１つのピーク値波形を持つエコー受信信号波形デ
ータにする。その後MPU11の処理により欠陥判定プログ
ラム14bを実行して欠陥が検出され、その欠陥について
欠陥距離算出プログラム14cを実行して欠陥までの距離
が算出され、Ｂスコープ表示データ生成プログラム14d
により表示データが生成されてCRT16に補正されたＢス
コープ画像の測定像が表示される。

以上説明してきたが、実施例では、遅延パターンを発
生して各測定チャネル対応に補正係数を得ているが、遅
延パターンを発生させないで測定する場合には、それに
応じて補正係数を採取すればよく、補正係数は、そのと
きの被検体とそのときの測定条件に合わせて採取すれば
よい。

実施例における補正係数は、基準値との逆比を採って
いるが、補正演算の際に割り算で補正する場合には補正
係数は基準値との比になる。

また、実施例では、同時に駆動される各圧電素子から
得られるエコー受信信号を加算処理して１つのエコー受
信信号波形データを得ているが、これは、掛け算処理で
あってもよい。

［発明の効果］以上の説明から理解できるように、この発明にあって
は、断面半円形の部材の底面エコーを各圧電素子に対応
して測定して得られピーク値と基準値との比あるいは逆
比による補正係数を得ることにより、各圧電素子に対応
する測定系の特性が異なっていても、また、電子スキャ
ンにより複数の圧電素子で測定してデータを加算した
り、掛け算しても、各測定系で得られた測定値を補正係
数で補正することで各測定系の感度特性の相違の影響を
排除できるので、一定の感度で測定したときと同様なエ
コー受信信号のデータや比較的正確なピーク値を得るこ
とができる。

その結果、アークアレイプローブを用いて超音波測定
を行うものであっても、ほぼ感度が一定な状態で測定し
たピーク値を得ることができ、画像表示しても比較的正
確に欠陥を把握できる。また、スレッショルドを共通に
して欠陥の判定が可能であって、特に、欠陥をＢスコー
プ像として画像表示するような場合には欠陥の状態が観
測し易いものになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の感度に対する測定値補正方法を適
用した超音波映像探傷装置のブロック図、第２図は、そ
の補正係数測定状態における測定部材とプローブとの関
係の説明図である。１……アークアレイプローブ、２……超音波探傷部、３……電子スキャン駆動回路、４……スイッチ回路、５……レシーバ、６……受信遅延回路、７……送信遅延信号発生回路、８……A/D変換回路、 10……画像処理装置、11……マイクロプロセッサ（MP
U）、12……インタフェース、 13……バス、14……メモリ、14a……補正加算処理プロ
グラム、14b……欠陥判定プログラム、 14c……欠陥距離算出プログラム、 14d……Ｂスコープ表示データ生成プログラム、 14e……補正係数採取プログラム、 14f……補正係数テーブル、15……画像メモリ、 16……ディスプレイ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アークアレイ形探触子と同じ材質あるいは
同等の特性を持つ材質で造られた垂直断面が半円形の部
材であって、その中心に前記アークアレイ形探触子の先
端が嵌合される穴を有していてこの穴に前記先端が嵌合
されることで前記アークアレイ形探触子と超音波が伝搬
する部材として一体化される部材を前記アークアレイ形
探触子により電子スキャンにて超音波探傷し、前記アー
クアレイ形探触子の複数の圧電素子のそれぞれ対応して
得られる前記垂直断面が半円形の部材の底面エコーのピ
ーク値を検出してこれを所定の基準値と比較してその比
あるいは逆比を補正係数として前記各圧電素子対応に記
憶し、被検体を探傷して前記圧電素子のそれぞれに対応
して得られるエコー受信信号またはそのピーク値をそれ
に対応する前記補正係数により補正することを特徴とす
るアークアレイ形探触子を用いる超音波測定装置の感度
に対する測定値補正方法。