JP4402558B2 - 開口合成超音波探傷装置及びその方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属材料等の被検査体の内部に存在する傷等の欠陥に対し、その位置及び寸法等の分布状態を検出し画像表示する超音波探傷装置及びその方法に関する。
金属容器や金属溶接部の欠陥部を探傷する検査として、非破壊検査が広く行われている。非破壊検査は、製品の信頼性および製品運用時の安全性を確保する上で極めて重要なものである。
例えば、高温環境下において高圧力が負荷されるガスタービン燃焼器においては、非破壊検査による定期的な安全性の確認が必要不可欠である。
非破壊検査には、超音波探傷センサ（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ：ＵＴセンサ。以下探触子と言う。）を用いた超音波探傷装置が使用される。超音波探傷装置は、探触子と、探触子の動作を制御する制御部、探触子を送信状態又は受信状態とする為の切替部、探触子により取得したデータの処理を行う演算部、および演算部により処理された処理結果を表示する表示部を備えている。
超音波探傷の基本原理は、探触子から被検体に向けて超音波が送信される。そして、被検体中に欠陥が存在すると、発信された超音波信号が欠陥で反射され、その反射波が探触子により受信される。前記探触子は超音波信号の送信と受信とを兼ねており、この探触子により反射されてきた超音波が受信されることにより被検体中の欠陥が識別される。
特に、欠陥寸法の測定精度向上と近接欠陥の分解能向上が強く望まれており、これに加えて、それらの結果を画像化・視覚化して理解しやすく表示する技術の要求も高まっている。
上述した目的を達成するための代表技術の一つとして、開口合成超音波信号処理法が知られている。この方法は、垂直探傷法や斜角探傷法に適用可能としたもので、ここで垂直法による探傷装置として、図１１及び図１２へ示すように、広い音場特性を有する、即ち、比較的小口径で、被検体内部の広い範囲に対する欠陥情報を含む探傷波形を検出し得る探触子１と、通常の超音波探傷器２と、探触子走査中の各探触子位置での探傷波形をデイジタル値として収録するデータ収録系３と、この波形データを信号処理演算して画像表示する解析処理系４により構成されるものを例にとると、このものは開口合成信号処理演算により解析すべく指定された領域に対して、図１２（ａ）に示すごとく探触子位置Ｐ１に於ける欠陥エコーのビーム路程Ｌ１を半径とする円弧Ｃ１（即ち、推定される欠陥存在位置）上に欠陥エコー振幅を加算されるようになっており、これにより、ある欠陥が検出される探触子位置範囲Ｐ１からＰｎまでの探傷波形データによって円弧Ｃ１からＣｎ上に欠陥エコー振幅が加算されるようになる。この円弧Ｃ１からＣｎの交点の位置が欠陥位置であり、この交点の位置は加算された欠陥エコー振幅の値、即ち解析後の音圧分布の強度が交点周囲に較べて著しく高くなるので、この音圧分布の最大値を用いて全解析領域を規格化して表わせば図１２（ｂ）に示すごとく立ち上がりを示す欠陥像が再構成され、近接欠陥の分解能向上が得られる等の方法（特許文献１）が開示されている。
従来の開口合成を用いた超音波探傷は、超音波探触子から得られた超音波データをそのまま(補正無しで)開口合成処理していた為、前記超音波データ自身には、超音波探触子の測定時の被検体の表面形状の影響による高さ変動、同傾き変動などによって音路長等が変化及び影響し、探触子を走査させて、被検体全体の結果を開口合成処理する際に、超音波データの音路長等の違いによって、受信超音波データの遅延が生じるため、夫々の超音波データの相関がとれず、よって、開口合成処理結果に誤差が生じていた。本発明の目的は、探触子が接触する被検体表面の形状状態又は被検体の相対高さが変化し、探触子自身の高さ変動又は探触子自身の傾き角変動など外乱が存在した場合においても、言い換えれば、被検体の表面形状に影響されない高精度な検査結果を提供することである。
上記課題を解決する本発明の請求項1に係る開口合成超音波探傷装置は、超音波を送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する超音波探触子と、被検体の表面形状を測定する測定手段と、同測定手段からの測定値に基づいて前記超音波探触子で受信した超音波信号を前記超音波探触子の高さで補正する補正手段からなること、を特徴とする。
本発明の請求項２に係る開口合成超音波探傷装置は、超音波を送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する超音波探触子と、被検体の表面形状を測定する測定手段と、同測定手段からの測定値に基づいて前記超音波探触子で受信した超音波信号を前記超音波探触子の高さ及び傾き角の組合せにより補正する補正手段からなることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る開口合成超音波探傷装置は、超音波を送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する超音波探触子と、被検体の表面形状を測定する測定手段と、同測定手段からの測定値に基づいて前記超音波探触子で受信した超音波信号を前記超音波探触子の高さ及び傾き角の組合せにより補正する補正手段からなることを特徴とする。
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る開口合成超音波探傷装置は、請求項１又は請求項２記載の開口合成超音波探傷装置において、探触子位置検出器及び音速データベースを用いて補正されたデータ遅延処理部を具備すること、を特徴とする。
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る開口合成超音波探傷装置は、請求項３記載の開口合成超音波探傷装置において、探触子角度検出器を具備すること、を特徴とする。
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る開口合成超音波探傷装置は、請求項２ないし請求項４の何れかに記載の開口合成超音波探傷装置において、表面形状検出器及び高さ・角度計算部を具備すること、を特徴とする。
上記課題を解決する本発明の請求項６に係る開口合成超音波探傷方法は、超音波探触子から超音波を検査体の測定部に送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する工程、前記検査体の表面形状を測定する工程、測定した表面形状の測定値に基づいて前記超音波信号を前記超音波探触子の高さで補正する工程からなること、を特徴とする。
請求項７に係る発明は、超音波探触子から超音波を検査体の測定部に送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する工程、前記検査体の表面形状を測定する工程、測定した表面形状の測定値に基づいて前記超音波信号を前記超音波探触子の高さ及び傾き角の組合せにより補正する工程からなることを特徴とする開口合成超音波探傷方法である。
請求項７に係る発明は、超音波探触子から超音波を検査体の測定部に送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する工程、前記検査体の表面形状を測定する工程、測定した表面形状の測定値に基づいて前記超音波信号を前記超音波探触子の高さ及び傾き角の組合せにより補正する工程からなることを特徴とする開口合成超音波探傷方法である。
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下へ記載されるような効果を奏する。
超音波探傷検査時において、探触子自身の被検体の表面形状の影響による高さ変動又は探触子自身の同傾斜などが存在した場合においても、それらの高さ情報又は傾き角度情報を測定し、探触子から得られる超音波データ値を補正する事により、その真の音路長などによるデータ処理演算結果を出力表示する事が出来る。言い換えると、本発明の開口合成手法を用いた超音波探傷装置及び同方法において、探触子の傾斜・上下動など探触子を走査する際の外乱情報を測定し、前記外乱情報を用いて超音波データを補正することにより、探触子の外乱の影響を無くし、その結果、被検体表面の形状に影響されない高精度データの提供が出来、検査精度の向上、更には、検査対象物の安全性向上を提供することが出来る。
添付図面を参照して、本発明による開口合成超音波探傷装置及びその方法を実施するための最良の形態を以下に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施の形態１に係わる開口合成超音波探傷装置の構成を、図２は、前記同装置内探触子位置補正部１０の詳細構成を、図３は、前記探触子位置補正部処理機能説明図を、図４は、前記探触子位置補正部処理機能を表現する模式図を示している。本実施の形態の開口合成超音波探傷装置は、探触子１と信号処理部３０と信号処理演算部４０とデータ表示部１２より構成されている。信号処理部３０は、先ず、超音波探傷器２より、探触子１で超音波信号を送信させるに必要な電気信号を出力し、送受信切替器５を送信側（図示せず）へ切り替える。次に、被検体２０への探傷に必要な超音波信号を探触子１へ送信し、かつその信号を受信する為に送受信切替器５を受信側（図示せず）へ切り替える。更に、超音波探傷器２は、探触子１へ供給する為の超音波送信信号の増幅などの信号処理及び探触子１より得られる超音波受信信号の増幅等の同処理機能を有する。次に、超音波探傷器２で得られた、受信超音波信号は、Ａ/Ｄ変換器９によりデイジタル信号へ変換されデータ処理演算部４０へ送る。一方、被検体２０全体を検査する為に、探触子１を移動(走査)させる為にモータ及びギア等の部品で構成された探触子移動器６、その移動を制御する為の探傷制御器７、探触子１の移動(走査)位置を検出する為の探触子位置検出器８、及び前述の超音波信号をデイジタル信号へ変換する為のＡ/Ｄ変換器９より構成されている。また、データ処理演算部４０は、信号処理部３０より得られた超音波信号をＡ/Ｄ変換器９でデイジタル信号へ変換された超音波データ１０１及び探触子位置検出器８で得られた位置データ１０２を、探触子位置補正部１０へ入力し、探触子位置補正部１０で補正処理され、更に、その補正された信号を、開口合成処理部１１で処理し、データ表示部１２で探傷結果を表示する装置である。
図１は、本発明の実施の形態１に係わる開口合成超音波探傷装置の構成を、図２は、前記同装置内探触子位置補正部１０の詳細構成を、図３は、前記探触子位置補正部処理機能説明図を、図４は、前記探触子位置補正部処理機能を表現する模式図を示している。本実施の形態の開口合成超音波探傷装置は、探触子１と信号処理部３０と信号処理演算部４０とデータ表示部１２より構成されている。信号処理部３０は、先ず、超音波探傷器２より、探触子１で超音波信号を送信させるに必要な電気信号を出力し、送受信切替器５を送信側（図示せず）へ切り替える。次に、被検体２０への探傷に必要な超音波信号を探触子１へ送信し、かつその信号を受信する為に送受信切替器５を受信側（図示せず）へ切り替える。更に、超音波探傷器２は、探触子１へ供給する為の超音波送信信号の増幅などの信号処理及び探触子１より得られる超音波受信信号の増幅等の同処理機能を有する。次に、超音波探傷器２で得られた、受信超音波信号は、Ａ/Ｄ変換器９によりデイジタル信号へ変換されデータ処理演算部４０へ送る。一方、被検体２０全体を検査する為に、探触子１を移動(走査)させる為にモータ及びギア等の部品で構成された探触子移動器６、その移動を制御する為の探傷制御器７、探触子１の移動(走査)位置を検出する為の探触子位置検出器８、及び前述の超音波信号をデイジタル信号へ変換する為のＡ/Ｄ変換器９より構成されている。また、データ処理演算部４０は、信号処理部３０より得られた超音波信号をＡ/Ｄ変換器９でデイジタル信号へ変換された超音波データ１０１及び探触子位置検出器８で得られた位置データ１０２を、探触子位置補正部１０へ入力し、探触子位置補正部１０で補正処理され、更に、その補正された信号を、開口合成処理部１１で処理し、データ表示部１２で探傷結果を表示する装置である。
ここで、探触子位置補正部１０は、図２へ示すごとく、前記超音波データ１０１及び同位置データ１０２を入力とし、その位置データ１０２を音速データベース１０４(被検体自身の音速データ群)を用いて基準位置２００からの高さずれ量２０１相当の遅延時間差データ値２０２へ、図３の１０３０機能の通りに変換する。次に、変換された遅延時間差データ値２０２を用いて、探触子１の音路長補正、即ち、図４で詳細説明すると、基準位置２００に対して、同図中央部へ図示した探触子１は、基準位置２００からの高さの差（高さずれ量）２０１が生じている。従って、前記高さの差２０１によって生じた超音波データ１０１の基準位置データと前記図４の中央部へ図示した探触子１での超音波データとの時間差２０２が生じることとなる。この時間差２０２は、探触子１の高さが変化したことによる音路長が変化した結果生じたこととなり、よって、前記時間差２０２相当分の探触子１で得られた超音波データ１０１を、時間的に図３の１０３１機能の通り補正することにより、図３の１０５０機能の通り、探触子１の高さの影響（音路長の影響）が無くなり、図１２（ｂ）５０２に示すごとく、従来技術と比較して急峻な立ち上がりを示す欠陥像が得られる。
一方、開口合成処理を行う場合、データ表示部１２で画像化したい点は、探触子１を走査することで前記画像化したい点へ入射する超音波ビームを持った超音波送信位置からの探触子１を走査した際の、それぞれのデータを重ね合わせにより、これらのデータを用いて画像化する為、上述したように超音波送信高さを一致させることが重要となる。その、超音波送信位置の一致度合いを向上させる方法が、上述した手法により実現出来る。
以上記述したように、探触子１の高さの影響による超音波信号が被検査体２０の内部を通過する際の、音路長差によって生じた受信超音波信号の補正が出来、その結果、高精度な開口合成処理により、データの信頼性が向上する。
（第２の実施形態）
図５は、本発明の実施の形態２に係わる開口合成超音波探傷装置の構成を、図６及び図７は、前記探触子位置補正部処理機能を表現する模式図を示している。なお、本実施形態は、前述した第１の実施形態で記載した内容を一部改良した内容で、実施形態１と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図５は、本発明の実施の形態２に係わる開口合成超音波探傷装置の構成を、図６及び図７は、前記探触子位置補正部処理機能を表現する模式図を示している。なお、本実施形態は、前述した第１の実施形態で記載した内容を一部改良した内容で、実施形態１と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施の形態の開口合成超音波探傷装置は、探触子１と信号処理部３０と信号処理演算部４０とデータ表示部１２より構成されている。信号処理部３０は、探触子１への探傷に必要な信号を被検体２０へ送信し、かつ、その信号を受信する為の送受信切替器５、超音波を発生及び受信信号を増幅等処理する機能を有する超音波探傷器２、被検体２０全体を検査する為に探触子を移動(走査)させる為の、探触子移動器６、その移動を制御する為の探傷制御器７、探触子の位置を検出する為の探触子位置検出器８、探触子角度検出器８０及び超音波信号をデイジタル信号へ変換する為のＡ/Ｄ変換器９より構成されている。また、データ処理演算部４０は、信号処理部３０より得られた超音波信号を、Ａ/Ｄ変換器９でデイジタル信号へ変換された超音波データ１０１及び探触子位置検出器８で得られた位置データ１０２を、探触子位置補正部１０へ入力し、探触子位置補正部１０で補正処理され、更に、その補正された信号を開口合成処理部１１で処理し、データ表示部１２で探傷結果を表示する装置である。
ここで、探触子角度検出器８０により、探触子１の傾き角θが検出でき、探触子１の超音波ビーム送受信範囲１０８及び超音波ビーム送受信範囲内での超音波送信強度及び同受信強度(いずれも図示なし)は、既知であるため、前記探触子１の傾き角θがわかれば、前記超音波ビーム送受信範囲１０８で検出される披検体２０内の傷の位置情報が、反射超音波信号の時間情報及び反射超音波信号の強度などの情報により正確に把握できる。
一方、開口合成処理を行う場合、データ表示部１２で画像化したい点は、探触子１を走査することで前記画像化したい点へ入射する超音波ビームを持った超音波送信位置からの探触子１を走査した際の、それぞれのデータを重ね合わせにより、これらのデータを用いて画像化する為、上述したように超音波送信位置を一致(超音波ビーム送受信範囲を把握する)させることが重要となる。その、超音波送信位置を一致させる方法が上述した探触子１の傾き角θを検出することにより、超音波ビーム送受信範囲１０８が正確に得られ、その結果を用いて補正することにより、高精度な開口合成超音波探傷が実現出来る。
以上記述したように、探触子１の傾き角を補正を行うことにより、超音波ビーム送受信範囲の補正が出来、その結果、高精度な開口合成処理が実現出来、データの信頼性が向上する。
（第３の実施形態）
図８及び図９は、本発明の実施の形態３に係わる開口合成超音波探傷装置の構成を、図１０は、前記探触子位置補正部処理機能を表現する模式図を示している。なお、本実施形態は、前述した第１実施形態及び第２実施形態で記載した内容を一部改良した内容で、実施形態１及び実施形態２と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図８及び図９は、本発明の実施の形態３に係わる開口合成超音波探傷装置の構成を、図１０は、前記探触子位置補正部処理機能を表現する模式図を示している。なお、本実施形態は、前述した第１実施形態及び第２実施形態で記載した内容を一部改良した内容で、実施形態１及び実施形態２と同等の構成のものには同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施の形態の開口合成超音波探傷装置は、探触子１と信号処理部３０と信号処理演算部４０とデータ表示部１２より構成されている。信号処理部３０は、探触子１への探傷に必要な信号を被検体２０へ送信し、かつ、その信号を受信する為の送受信切替器５、超音波を発生及び受信信号を増幅等処理する機能を有する超音波探傷器２、被検体２０全体を検査する為に探触子を移動(走査)させる為の探触子移動器６、その移動を制御する為の探傷制御器７、探触子の位置を検出する為の探触子位置検出器８１、表面形状検出器８００及び超音波信号をデイジタル信号へ変換する為のＡ/Ｄ変換器９より構成されている。また、データ処理演算部４０は、信号処理部３０より得られた超音波信号をＡ/Ｄ変換器９でデイジタル信号へ変換された超音波データ１０１、探触子位置検出器８１で得られた位置データ１０２０及び表面形状検出器８００で得られた表面形状データ１２０を探触子位置補正部１０へ入力し、探触子位置補正部１０で補正処理され、更に、その補正された信号を開口合成処理部１１で処理し、データ表示部１２で探傷結果を表示する装置である。
ここで、探触子位置補正部１０は、図９へ示すごとく、前記超音波データ１０１、位置データ１０２０及び表面形状データ１２０を入力とし、その位置検出器８１及び表面形状検出器８００で得られた情報及び角度情報データを用いて、高さ・角度計算部１０９にて、高さ情報及び角度情報を得る為に、計算を実施し、かつ、音速データベース１０４(被検体自身の音速データ群)及び高さデータ１１１を用いて補正を行う。尚、ここで言う、表面形状検出器８００とは、例えば、接触式の表面倣い装置または非接触方式(例えば光学方式レーザ倣い装置又は発光ダイオード倣いセンサ等)の表面形状倣い装置である。
上述した方式により探触子１の高さ補正または探触子１の傾き角補正または前記探触子１の高さ補正及び同探触子１の傾き角が組合された複合補正をすることにより、探触子１の探傷時の表面状態の影響（音路長などの影響）を無くすることが出来る。
以上記述したように、探触子１の探傷時の表面状態の補正を行うことにより音路長の補正が出来、その結果、高精度な開口合成処理が実現出来、データの信頼性が向上する。
開口合成手法を用いた超音波探傷装置及び同方法において、探触子の傾斜・上下動など探触子
を走査する際の外乱情報を測定し、前記外乱情報を用いて超音波データを補正することにより、探触子の外乱の影響を無くし、よって、探傷状態に左右されない高精度データの提供が出来、検査精度の向上、更には、検査対象物の安全性向上に寄与出来るものと考える。
を走査する際の外乱情報を測定し、前記外乱情報を用いて超音波データを補正することにより、探触子の外乱の影響を無くし、よって、探傷状態に左右されない高精度データの提供が出来、検査精度の向上、更には、検査対象物の安全性向上に寄与出来るものと考える。
１、探触子
２、超音波探傷器
３、データ収録系
４、解析処理系
５、送受信切替器
６、探触子移動器
７、探傷制御器
８、探触子位置検出器（３次元位置検出：Ｘ、Ｙ、Ｚ）
９、Ａ/Ｄ変換器
１０、探触子位置補正部
１１、開口合成処理部
１２、データ表示部
２０、被検体
３０、信号処理部
４０、データ処理演算部
８０、探触子角度検出器
８１、探触子位置検出器（２次元位置検出：Ｘ、Ｙ）
１０１、超音波データ
１０２、位置データ（３次元位置データ：Ｘ、Ｙ、Ｚ）
１０３、遅延時間データ
１０４、音速データベース
１０５、データ遅延処理部
１０６、位置補正後の超音波データ
１０７、開口合成処理後の超音波データ
１０８、超音波ビーム送受信範囲
１０９、高さ、角度計算部
１１０、角度データ
１１１、高さデータ
１２０、表面形状データ
２００、基準位置
２０１、高さの差
２０２、時間差
２０３、傾き角θ
５０１、従来技術による開口合成処理表示結果
５０２、本発明による開口合成処理表示結果
８００、表面形状検出器
１０２０、位置データ（２次元データ：Ｘ、Ｙ）
１０３０、位置/高さ変換機能
１０３１、高さ/遅延時間変換機能
１０５０、位置補正機能
２、超音波探傷器
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５、送受信切替器
６、探触子移動器
７、探傷制御器
８、探触子位置検出器（３次元位置検出：Ｘ、Ｙ、Ｚ）
９、Ａ/Ｄ変換器
１０、探触子位置補正部
１１、開口合成処理部
１２、データ表示部
２０、被検体
３０、信号処理部
４０、データ処理演算部
８０、探触子角度検出器
８１、探触子位置検出器（２次元位置検出：Ｘ、Ｙ）
１０１、超音波データ
１０２、位置データ（３次元位置データ：Ｘ、Ｙ、Ｚ）
１０３、遅延時間データ
１０４、音速データベース
１０５、データ遅延処理部
１０６、位置補正後の超音波データ
１０７、開口合成処理後の超音波データ
１０８、超音波ビーム送受信範囲
１０９、高さ、角度計算部
１１０、角度データ
１１１、高さデータ
１２０、表面形状データ
２００、基準位置
２０１、高さの差
２０２、時間差
２０３、傾き角θ
５０１、従来技術による開口合成処理表示結果
５０２、本発明による開口合成処理表示結果
８００、表面形状検出器
１０２０、位置データ（２次元データ：Ｘ、Ｙ）
１０３０、位置/高さ変換機能
１０３１、高さ/遅延時間変換機能
１０５０、位置補正機能
Claims (7)
- 超音波を送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する超音波探触子と、被検体の表面形状を測定する測定手段と、同測定手段からの測定値に基づいて前記超音波探触子で受信した超音波信号を前記超音波探触子の高さで補正する補正手段からなることを特徴とする、開口合成超音波探傷装置。
- 超音波を送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する超音波探触子と、被検体の表面形状を測定する測定手段と、同測定手段からの測定値に基づいて前記超音波探触子で受信した超音波信号を前記超音波探触子の高さ及び傾き角の組合せにより補正する補正手段からなることを特徴とする、開口合成超音波探傷装置。
- 請求項１又は請求項２記載の開口合成超音波探傷装置において、探触子位置検出器及び音速データベースを用いて補正されたデータ遅延処理部を具備する、開口合成超音波探傷装置。
- 請求項３記載の開口合成超音波探傷装置において、探触子角度検出器を具備する、開口合成超音波探傷装置。
- 請求項２ないし請求項４の何れかに記載の開口合成超音波探傷装置において、表面形状検出器及び高さ・角度計算部を具備する、開口合成超音波探傷装置。
- 超音波探触子から超音波を検査体の測定部に送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する工程、前記検査体の表面形状を測定する工程、測定した表面形状の測定値に基づいて前記超音波信号を前記超音波探触子の高さで補正する工程からなることを特徴とする、開口合成超音波探傷方法。
- 超音波探触子から超音波を検査体の測定部に送信し反射して返ってくる超音波信号を受信する工程、前記検査体の表面形状を測定する工程、測定した表面形状の測定値に基づいて前記超音波信号を前記超音波探触子の高さ及び傾き角の組合せにより補正する工程からなることを特徴とする、開口合成超音波探傷方法。
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