TWI471559B

TWI471559B - Ultrasonic sensor, the use of its inspection methods and inspection devices

Info

Publication number: TWI471559B
Application number: TW101133966A
Authority: TW
Inventors: Hirohisa Mizota; Naoyuki Kono; Masahiro Koike; Hidetaka Komuro; Katsumi Isaka
Original assignee: Hitachi Ge Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2015-02-01
Also published as: TW201331580A; JP5963253B2; JP2013083627A

Description

超音波感測器、使用其之檢查方法及檢查裝置

本發明係有關超音波感測器，使用其之檢查方法及檢查裝置，特別是有關使用於適合在表層部或淺部之超音波檢查之雙探針法的超音波感測器，使用其之檢查方法及檢查裝置。

對於在工業領域之代表性之非破壞檢查方法之一，使用超音波檢查。超音波檢查係由賦予電壓於具有電性機械變換效率之壓電元件者，使從感測器產生之超音波傳播於檢查對象物中，利用超音波在物質的邊界面等反射之性質，將經由其一部分之反射波的振動，再次經由壓電元件而變換成電壓，作為收錄，圖表化，或影像化進行檢查之方法。

目前，超音波檢查係從200mm程度之厚度構造物至數mm程度之薄構造物為止，為了證明種種構造物之健全性所適用。例如，對於對發電場等之構造物而言之超音波檢查，一般使用傾斜地使超音波傳送在檢查對象物中而進行檢查之斜角探傷法。為了進行斜角探傷，係有使用靴體，水，其他接觸介體，利用檢查對象物與靴體的音響阻抗的不同而使超音波的傳送折射的方法，或由使電性信號或由對於從複數的元件所構成之陣列感測器之各元件，使電性信號，僅特定時間延遲傳達者，從各元件產生之超音波則在被檢體中形成焦點於任意的位置，更且，經由以高速使延遲對於各元件之電性信號之圖案(延遲圖案)變化之時，作為呈可控制對於被檢查體中之超音波的傳送‧接收信號角度(折射角)，焦點位置等之稱為相位陣列法之方法，或組合此等之方法等。

適用斜角探傷法於薄的構造物或比較淺範圍之檢查的情況，主要由經由無感帶與多重反射之雜訊，有著檢測來自缺陷的信號之情況變為困難之問題。無感帶係由同一元件進行超音波的傳送‧接收信號之情況，於超音波振盪時，殘留振動於元件本身之間係因無法接收由元件本身反射回來的超音波之故，產生有無法檢測反射信號之時間帶，或路程範圍之現象。多重反射係接收超音波在接觸介體中或薄的材質之上面下面反覆反射之超音波，成為雜訊的現象。因而對於SN佳地進行探傷，係必須以無感帶與出現有多重反射之範圍外的傳播距離(路程)來判斷有無缺陷。對於可解決此問題之以往技術，係知道有分別使用使用於傳送信號的元件(傳送信號元件)，與使用於接收信號之元件(接收信號元件)，進行檢查之稱作雙探針法之手法(例如，參照專利文獻1)。

由得到來自缺陷角隅部的反射波而評估有無缺陷之雙探針法係可由傳送信號元件與接收信號元件缺陷的位置關係而區分。知道有對於所預測之缺陷進展方向而言，於成為平行的方向排列元件之方法，對於所預測之缺陷進展方向而言，成為垂直的方向且未橫跨缺陷地排列元件之方法，其他，橫跨缺陷而配置元件之方法，於缺陷正上方配置單方元件之方法。

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平11-14608號公報

複數的雙探針法之中，對於所預測之缺陷進展方向而言，於成為平行之方向排列元件進行檢查之方法(以下，稱作「並聯配置型雙探針法」)係例如，如記載於專利文獻1將元件中心，與出自元件中心的音線的交點，作為元件之配置基準而思考，來自元件中心的音線彼此產生交叉之開口角則為重要。

對於提昇缺陷檢測之敏感度，係為了擴展考慮音的擴張之傳送‧接收信號的範圍，而盡可能使元件中心彼此接近，有必要縮小音線的開口角。但如縮小開口角，當然，元件係具有一定尺寸之故，而必須作為呈元件彼此不干擾。因此，對於盡可能使元件中心彼此接近，係有必要縮小元件幅度，互相盡可能使其接近。但如縮小元件，當然，指向性或超音波的振盪強度則下降，結果，缺陷檢測的分解能力或敏感度則下降。另外，相反地，如加大元件，元件的指向性或振盪強度係提昇，但無法充分接近元件彼此而開口角則變大，依然有著分解能力或敏感度下降的問題。

本發明之目的係提供保持分解能力與振盪強度同時，可高敏感度之缺陷檢測之超音波感測器，使用其之檢查方法及檢查裝置者。

為了達成上述目的，本發明係具有各使用於傳送‧接收信號之複數的元件，和為了使超音波傳播於斜角方向而保持前述元件之保持部，和遮音材，分割超音波之傳送‧接收信號之超音波感測器，其中，作為前述保持部之靴體形狀，保持前述元件之靴體的面為二以上，前述靴體的面之傾斜則為相互鏡像對稱，作為對於前述靴體的面上之前述元件的配置，對於前述鏡像面而言對稱地將元件配置成非平行，作為前述元件的形狀，將位置於前述靴體的中心部附近之元件，調整未改變感測器開口的範圍者。

經由有關之構成，保持分解能力與振盪強度同時，成為可高敏感度之缺陷檢測。

如根據本發明，在使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器中，保持分解能力與振盪強度同時，成為可高敏感度之缺陷檢測。

以下，使用圖1~圖7，對於經由本發明之第1實施形態之超音波感測器的構成加以說明。

最初，使用圖1及圖2，對於經由單探針法之斜角探傷的情況之超音波感測器的構成加以說明。

圖1係經由單探針法之斜角探傷情況之超音波感測器的構成圖。圖1(A)係顯示XZ平面之狀態，圖1(B)係顯示XY平面之狀態。圖2係超音波感測器之指向角的說明圖。

於被檢體(試驗體)30之上方設置有靴體20，於其靴體20上方設置有一個超音波感測器10。此情況係為單探針法。另外，靴體20的上面，即超音波感測器10之設置面，和靴體20的下面，即與被檢體30之接觸面係並非平行，而此等的面之所成角度係成為角度α 。角度α 係從超音波感測器10所傳送信號之超音波則對於被檢體30而言入射時之入射角。

經由單探針法之斜角探傷情況，在從試驗體30所視之XZ平面的外觀之超音波感測器10的元件寬度(稱作「有效感測器開口」)係當做於與折射後之音線垂直交叉的方向投影元件長軸的寬度之構成。將原本的感測器開口作為A，有效感測器開口作為Aeff，入射角作為α ，折射角作為θ 時，可經由以下的式(1)而表示者。

另外，對於從超音波感測器10所發射的波束之擴張，使用有效感測器開口Aeff，和試驗體中波長λ ，可經由以下的式(2)而表示者。在此，ω _1/2 係稱作指向角。

在此，使用圖2，對於指向角與半高寬度加以說明。

指向角係指在從一元件(一超音波感測器)所釋放之主要音波之空間的角度分布(主極)之中，與音壓最強的方向(中心音線)作比較，音壓成為一半之角度者。另外，具有指向角ω _1/2 之超音波則前進距離D，將音壓成為一半之間隔Fw稱作波束的半高寬度。此等指向角ω _1/2 或半高寬度Fw係使用於與傳播方向垂直交叉的方向之分解能力(空間分解能力)的評估，為值越小越銳利之波束分布(高指向性)，隨之成為高空間分解能力。

另一方面，如圖1(B)所示，在從試驗體所視之XY平面的感測器開口係如作為與XZ平面同樣的想法，在折射前後未有變化，而可看作與元件端軸的寬度(M)相等者。

隨之，顯示在XY平面的音波之擴張的指向角係可從式(2)，經由以下的式(3)而表示者。

接著，使用圖3及圖4，對於在經由本實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之開口角的影響加以說明。

圖3及圖4係在經由本發明之第1實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之開口角的影響之說明圖。圖3(A)係上面圖，圖3(B)係側面圖，圖3(C)係在本實施形態之模式的說明圖。

如圖3所示，為了調查在並聯配置型雙探針法之開口角的影響，將檢查對象之試驗體10作為平板，於平板上，為了簡單，將在傳送信號方向及接受信號方向之感測器開口成為一定之長方形的傳送信號元件10A與接受信號元件10B，考量沿著對稱線而配置成八字之模式。然而，圖3(A)所示之符號40係遮音板。

實際上，來自配置成八字之兩元件10A，10B之中心音線係具有3次元的交點。作為將此等稱作交叉點CP者。將此模式之元件長軸的長度作為2L，元件短軸的長度作為2M，來自元件的對稱線的開口角作為θ ，從元件中心至交叉點的距離作為R，平板內波長作為λ 。距離R係作為一定。元件短軸的長度係如適用在一元件之想法，有效開口係保持2M而無改變之故，在此模式上的音波擴張係可認為為二次元者。

圖4係對於縮小開口角情況而示之構成，如縮小開口角，考量將從傳送信號元件10A傳播音波之範圍AA與接受信號元件10B具有感受性之範圍BB作為相等時，在開口角為45度以下，可擴大此等重疊的範圍CC，而擴展高敏感度的範圍。

接著，使用圖5及圖6，對於在經由本實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之指向角的影響加以說明。

圖5及圖6係在經由本發明之第1實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之指向角的說明圖。

如圖5所示，將交叉點CP，於座標原點設定將來自傳送信號元件10A的中心音線之傳播方向作為Y’軸，而將與Y’軸垂直交叉的方向作為X’軸的座標系，另外，同樣將交叉點CP，於座標原點設定將對稱線作為Y軸，而將垂直交叉於Y軸的方向作為X軸的座標系。

假設作為於X軸上有無限長之反射源之構成，經由傳送信號元件10A而從相當遠方使超音波傳播，再經由接收信號元件接收來自反射源之反射波者。顯示經由傳送信號元件10A之在X’軸上的音波之擴張的指向角係可從式(2)，經由以下的式(4)而表示者。

另外，將從元件中心相離距離R之交叉點作為原點，考量X軸上與X’軸上之半高寬度時，X軸上之半高寬度Fw(θ )係因投射在X’軸上之半高寬度Fw’之構成之故，依存於開口角θ ，而可經由以下之式(5)而表示。

隨之，如開口角為小，R一定之情況，了解到X軸上之空間分解能力為佳。

但如圖6所示，元件的開口角為相當小之情況，元件超出對稱線，有著由元件彼此產生干擾之情況。圖6(A)係元件的開口較為大，有著無干擾之情況。對於此，圖6(B)係較圖6(A)開口角為小，而產生有干擾之元件範圍JJ。

在此，對於超出對稱線之元件範圍係呈未由元件彼此產生干擾地，有必要調整使用於傳送‧接收信號之兩元件。即，對於傳送信號元件10A係調整產生干擾之元件範圍JJ。另外，對於傳送信號元件10A而言對於對稱線對稱地加以配置之接收信號元件，亦有必要調整產生干擾之元件範圍。

此時，僅只調整產生干擾之元件範圍JJ時，失去元件形狀之對稱性，如圖6(B)所示，元件中心的位置則從位置C1變為位置C2，開口角亦改變。

隨之，如圖6(C)所示地，有必要為了消除干擾的影響而作調整之元件範圍JJ，和將元件中心作為中心而成為點對稱之元件範圍KK亦進行調整，而維持元件中心之位置。

然而，如圖3(A)所示，實際上，係於對稱線部分設置有具有某種程度厚度(0.5mm程度)之遮音板40，此等則成為元件彼此之接近界線。然而，在以下的說明中，遮音板40之厚度係作為未考慮之構成加以說明。但在實際之元件形狀的上方，係考慮遮音板的厚度。

考慮元件彼此之干擾的半高寬度與開口角之關係係作為區分情況，滿足(0°<θ<arctan(M/R))之情況，係成為以下之式(6)。

對此，滿足(arctan(M/R)<θ<90°)之情況係成為以下之式(7)。

接著，考量經由傳送信號元件之音響輸出。將從元件面積S的元件共振時所釋放的音壓作為P，成為傳播對象之物質密度作為ρ ，速度作為c時，音響輸出W係可經由以下之式(8)而表示者。

隨之，音響輸出與開口角的關係係可作為經由元件彼此之干擾的元件面積之變化而掌握者。因此，當求取元件面積與開口角的關係時，滿足(arctan(M/(R-L))<θ<90°)之情況，可經由以下之式(9)而表示者。

[數9]S(θ)=4ML…(9)

產生有干擾的情況係在元件形狀為6角形之情況與4角形之情況作為區分情況，滿足(arctan(M/(R+L))<θ<arctan(M/(R-L)))，元件為6角形之情況，成為以下之式(10)。

另外，滿足(0°<θ<arctan(M/(R+L)))，元件為4角形之情況，成為以下之式(11)。

[數11]S(θ)=4LR tan θ…(11)

接著，使用圖7，對於在經由本實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之開口角加以說明。

圖7係在經由本發明之第1實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之開口角的說明圖。

從以上，對於指向角與元件面積的開口角依存性(式(6)，(7)，(9)~(11))，例如將M、L、R、λ 設定為適當的值，作為圖表化時，成為如圖7所示。

適合於並聯配置型雙探針法之開口角係元件形狀則未改變原本之元件寬度(長軸與短軸之長度)，而開口角成為最小時則最佳。在圖7所示的例中，作為元件形狀，以開口角14度而設置6角形元件於路程R之距離時，未變更元件之感測器開口(長軸與短軸之長度)而元件面積的減少為少之故，成為充分得到分解能力，與傳送信號強度，而感測器性能則變高。

然而，如圖3所示，雖使用靴體20，但靴體20係成為對於檢查對象而言為了將超音波感測器10(傳送信號元件10A，接受信號元件10B)作為特定之斜角之保持部。例如，水浸法之情況，作為對於檢查對象而言為了將超音波感測器而作為特定之斜角之保持部，係相當在水中，支持超音波感測器之構件。

如以上說明，如根據本實施形態，由考慮開口角而將使用於並聯配置型雙探針法之感測器的元件形狀作為最佳化者，保持分解能力與振盪強度同時，可高敏感度之缺陷檢測，可提昇感測器性能。即，在經由並聯配置型雙探針法之表層檢查中，可實現高分解能力，高敏感度之非破壞檢查者。

接著，使用圖8~圖11，對於經由本發明之第2實施形態之使用於並聯配置型雙探針法的超音波感測器之其他元件形狀加以說明。

圖8~圖10係經由本發明之第2實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器之其他元件形狀之說明圖。圖11係經由本發明之第2實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器的配置說明圖。圖11(A)係斜視圖，圖11(B)係平面圖。

在斜角探傷中，考慮有效感測器開口，對於長方形狀的元件以外，使用橢圓形狀之元件之情況為多。

如與使用長方形狀的元件而檢討之方法同樣地考量，認為呈沿著如圖8所示之接近界限地加以調整之元件形狀為最佳。

但如圖9所示，以未使感測器開口變化之形式，對於改變元件形狀部分，係未那麼對於探傷性能帶來影響。

更且，經由提昇元件形狀之對稱性之時，作為次要的效果，可提昇SN比者。即，如圖10所示，將原本的元件作為長方形狀或作為橢圓形狀之情況，加上於干擾範圍A與干擾範圍則於元件中心點對稱之範圍A’，調整將此等兩範圍對於中心音線而言成為線對稱(鏡像對象)之範圍B及B’的元件形狀為最佳。A與A’同樣，從中心音軸離開之B與B’的範圍係未產生干擾，但傳播音波於從交叉點離開的範圍，另外，音具有感受性之故，經由調整此等，作為探傷結果而可降低雜訊者。

圖11係顯示將具有圖8~圖10所示之形狀的傳送信號元件10A及接受信號元件10B配置於靴體20上的狀態。在傳送信號元件10A與接受信號元件10B之間，對於其下方之靴體20內部係配置遮音板40。

在以上說明之本實施形態，亦由考慮開口角而將使用於並聯配置型雙探針法之感測器的元件形狀作為最佳化者，保持分解能力與振盪強度同時，可高敏感度之缺陷檢測，可提昇感測器性能。即，在經由並聯配置型雙探針法之表層檢查中，可實現高分解能力，高敏感度之非破壞檢查者。

接著，使用圖12，對於使用於經由本發明之第3實施形態之並聯配置型雙探針法的超音波感測器之其他元件形狀加以說明。

圖12係經由本發明之第3實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器之其他元件形狀之說明圖。

在圖12中，將使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器作為陣列化。將在至此圖7~圖10提示之元件形狀，例如如圖12，由呈沿著中心音線而配列有元件地作為陣列化者，經由相位陣列法等而可將表層部分作電子掃描。圖12(A)的元件10-1係中心音線方向的寬度相等，而將垂直交叉於中心音線之方向的各長度不同之12個之單位元件配列於中心音線方向而作為陣列。12個配列成陣列狀之全體形狀係作為對應於圖10(A)之橢圓形狀。圖12(B)的元件10-2係12個配列成陣列狀之全體形狀係作為對應於圖10(B)之八角形狀。圖12(C)的元件10-2係12個配列成陣列狀之全體形狀係作為六角形狀。

接著，使用圖13及圖14，對於經由本發明之第4實施形態之使用於並聯配置型雙探針法的超音波感測器加以說明。

圖13及圖14係經由本發明之第4實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器的說明圖。

至此，對於平板之並聯配置型雙探針法而作過說明，但此係對於具有配管等曲率之檢查對象亦可適用。關於對於具有曲率之檢查對象物之感測器加以說明。

對於將配管等之試驗體30’的表層，經由並聯配置型雙探針法，檢查進展至周方向之缺陷與進展至軸方向之缺陷之二個情況，各示於圖13，圖14。

如圖13所示，在檢查進展至周方向之缺陷情況之感測器構造中，假設將遮音板的插入部分，即傳送信號元件與接受信號元件之對稱面位於XZ平面時，如將元件形狀或中心音線投影於YZ面，可與圖1~圖7同樣地考量者。

另外，如圖14所示地，在檢查進展至軸方向之缺陷情況之感測器構造中，亦同樣地，如將元件形狀和中心音線投影於YZ面，可與圖1~圖7同樣地考量者。隨之，例如直接接觸法之情況，如圖13，圖14中所示之可經由具備沿著配管表面形狀之靴體，和前述之各實施形態之元件形狀的感測器而進行檢查者。

至此，主要對於將使用於直接接觸法之元件與靴體作為一體化之並聯配置型雙探針法的感測器作過記述，但在分離感測器與靴體之直接接觸法，水浸法，或對於元件形狀有曲率之情況等中，亦可廣泛適用。

接著，使用圖15至圖25，對於有關使用經由前述各實施形態之超音波感測器的表層或淺部之檢查方法之第5實施形態加以說明。在此，作為所使用之超音波感測器係使用圖13所示之構成。

最初，使用圖15而對於使用超音波感測器之檢查對象例加以說明。

圖15係經由本發明之第5實施形態之檢查方法的檢查對象例之說明圖。圖15(A)係側面圖，圖15(B)係正面剖面圖。

在此，作為適用超音波感測器之對象，有著目視困難之二重管構造物中的配管熔接部50。二重管構造物係由配置成同心狀之圓筒形狀的內管Pin，和外管Pout所構成。內管Pin係經由熔接部50而固定2個管之構成。熔接部50係形成於2個圓筒形狀之母材的核對接合部。對於熔接部50與母材之間係形成有熔接邊界WB-1，WB-2。

對於檢查熔接部50係使用感測頭SH。感測頭SH係在內管Pin之外周側，即外管Pout之內周側，配置於外管Pout與內管Pin間。然而，對於感測頭SH之構成係使用圖16後述之。

在此，於圖15(B)所示之掃描器Y軸方向，將感測頭SH進行掃描。掃描器Y軸係二重管的中心軸方向。另外，於圖15(A)所示之掃描器X軸方向，將感測頭SH進行掃描。掃描器X軸係二重管的周方向。因此，具備感測臂SA，和感測軌道SR。感測臂SA係延伸存在於掃描器Y軸方向，將感測頭SH掃描於掃描器Y軸方向。感測軌道SR係延伸存在於掃描器X軸方向，將感測頭SH掃描於掃描器X軸方向。即，感測軌道SR係配置成環狀於內管Pin與外管Pout之間。於感測臂SA之前端安裝有感測頭SH。感測臂SA係經由感測軌道SR而移動至配管的周方向。感測器SC係使用感測臂SA及感測軌道SR而將感測頭SH掃描於掃描器X軸方向及掃描器Y軸方向。

在此，熔接部的位置係在熔接施工後‧設置後，位置則若干伸縮。因此，目視困難之熔接部係有把握正確的位置之情形為困難的情況。對於如此之目視困難的配管熔接部與為了實施對於其周邊之熱影響部而言之表面檢查，係依據設計圖而預測熔接部的位置，呈確實地覆蓋作為檢查必要之範圍地，必須將較作為檢查必要之檢查範圍為廣範圍，作為感測器的掃描範圍而設定。因此，檢查時間變長。另外，對於判斷為無法覆蓋檢查範圍之情況，再次要求設定掃描範圍，插入‧掃描感測器，仍然檢查時間變長。對於如此的問題，由準確地訂定作為檢查必要之範圍者，可縮短檢查時間。

對於使用測定手段而準確地訂定作為檢查必要之表面範圍，係成為必須檢測感測器設置面表面之熔接部的熔接邊界(熔接線)者。對於熔接部之檢測係如例如記載於日本特開昭59-114460號公報，有著使用與超音波另外之發光器與受光器，或者電磁特性檢測探針的例。但如使用該手法，必要有與超音波產生裝置之另外的裝置部分，不僅成本變高，也產生檢查裝置之複雜化。

因此，在本實施形態中，如以下說明，使用與為了探傷所使用之超音波感測器相同之超音波產生裝置，作為效率佳地檢測感測器設置面表面之熔接部的熔接邊界(熔接線)而進行檢查。

作為使用超音波之熔接部的檢測方法，一般知道有經由垂直探傷之熔接部檢測。比較於母構件，熔接部係因有向異性或擴散的影響之故，而利用在底面反射所得到之信號強度變弱的特性之方法。但熔接部的形狀係有各式各樣形狀，又經由測定對象的形狀而未必侷限得到來自底面的信號之故，明確地判別熔接邊界情況為困難。

因此，利用對於母材部與熔接部的音響阻抗有若干的差之情況，而在本實施形態中，係利用使用超音波之表面波感測器，捕捉來自母材部與熔接部的邊界(熔接線)之反射信號而利用。即，經由與表面波感測器，和在先前實施形態說明之超音波感測器合併實施檢查之時，可準確地訂定作為檢查必要之範圍，以高效率達成高SN比的檢查。

接著，使用圖16而對於使用經由本實施形態之超音波感測器之檢查方法加以說明。

圖16係關於經由本發明之第5實施形態之使用於檢查方法之感測器配置的說明圖。圖16(A)係剖面圖，圖16(B)係上面圖。

如圖16(A)所示，內管Pin係具備熔接部50。於內管Pin之外周面設置有感測頭SH。內管Pin之外周係圓筒狀之故，使用於配置於內管Pin之外表面的感測頭SH之靴體20’係如圖13所示，具有可緊密於圓筒形狀之內管Pin的設置面者。於靴體20’上面設置有感測器S。

感測器S係如圖16(B)所示，由使用於探傷用之傳送信號元件10A與接受信號元件10B而成之並聯配置型雙探針法的超音波感測器，和使用熔接線的檢測用的超音波之表面波感測器12所成。傳送信號元件10A與接受信號元件10B係在圖13所說明之構成，另外，更詳細係在圖11所說明之構成。

在此，使用圖17~圖19，在本實施形態之檢查方法中，對於使用2種類之超音波感測器的理由加以說明。

圖17係對於二重管之熔接部的熔接線之檢查，利用雙探針法之超音波感測器情況之說明圖。圖18係對於二重管之熔接部的熔接線之檢查，利用使用超音波之表面波感測器情況之說明圖。圖19係經由圖18所示之方法所得到之超音波信號的說明圖。

圖17係顯示使用經由雙探針法的超音波感測器，利用音波的擴張，檢查表層部之情況。圖17(A)係剖面圖，圖17(B)係上面圖。

在圖17(B)所示之感測器位置(A)中，因於熔接邊界附近具有交叉點CP之故，音波的擴張之中，傳播在表層部的波之成分則在熔接邊界WB-1反射，可作為來自熔接邊界WB-1之信號而得到。

另一方面，在感測器位置(B)中係因於較交叉點CP遠的位置有熔接邊界WB-1之故，從傳送信號元件10A產生振盪的超音波係即使在熔接邊界WB-1產生若干反射，亦無法在接受信號元件10B進行接受信號者。即在經由本實施形態之雙探針並聯配置法之超音波感測器中，因只能在適當的感測器位置範圍檢測熔接線之故，對於檢測熔接邊界之情況，詳細的二次元掃描亦成為必要。

對此，圖18係顯示的到來自經由使用超音波之表面波感測器的熔接邊界之反射波的信號情況。圖18(A)係剖面圖，圖18(B)係上面圖。另外，圖19係來自實際所得到之熔接邊界之信號。

如圖18所示，利用產生未具有交叉點的單一型表面波之超音波感測器(表面波感測器)12，接收來自熔接邊界WB-1的信號。表面波感測器係由超音波感測器12與靴體20’加以構成。對於從超音波感測器12所發射的超音波則沿著內管Pin的表面而傳播，係將從靴體20’入射至內管時之超音波的入射角作為θ 1時，如在內管的超音波之橫波折射角未超出臨界值即可。在此，將在靴體20’內部之超音波的音速作為v1，在內管Pin之超音波的橫波音速作為v2時，如滿足(sinθ 1/sin90°≧v1/v2)之關係為佳之構成。即，sinθ 1≧v1/v2時，從超音波感測器12所發射的超音波係作為表面波而沿著內管Pin表面而傳播。一般而言，θ 1係設定為較臨界值少的高值。

表面波係與傾斜地傳播在介體中的波不同，因傳播在表面之故，波係對於熔接邊界WB-1而言採取三次元地成為垂直的傳播路徑。因此，表面波係具有在熔接邊界WB-1反射，容易再次由相同的元件12加以接收信號之性質，可得到如在圖19所示之信號。

接著，使用圖16及圖20~圖23，對於經由本實施形態之檢查方法加以說明。

如圖16所示，將表面波感測器12之入射點位置與經由圖13所示之雙探針法的超音波感測器10A，10B之入射點位置，呈對於熔接線WB-1而言成為相同Y軸上之距離地設計感測頭SH，將前述2種的感測器12，10A，10B，呈並聯於熔接線WB-1地組合而作為感測頭HS。經由使用此感測頭SH，再從經由表面波感測器12所得到之熔接邊界的表面(熔接線)反射之信號，確定掃描在經由雙探針法的超音波感測器10A，10B之範圍。

在此，將熔接部50之寬度(熔接組織的感測器接觸面側的寬度)作為Yw，對於其兩側係存在有經由熔接之熱影響部。當將熱影響部的寬度作為Yt時，表面檢查必要之範圍係成為(2×Yt+Yw)。

感測頭SH係從入射點位置至熔接線的距離則為-Yd(Yd係正值)之位置則作為初期值(將感測器插入側的熔接線作為掃描器Y軸上的原點)時，對於為了在經由雙探針法之超音波感測器10A，10B實施高SN比且高效率之檢查，將掃描之開始點設定呈成為Yd=Yc+Yt。在此，Yc係指呈亦顯示於圖17地，投射至從經由雙探針法之超音波感測器10A之入射點位置，至交叉點CP為止之掃描器Y軸的Y距離者。並且，從此-Yd之位置，2×Yt+Yw部分，掃描於掃描器Y軸方向。對於檢查配管表面全體，係沿著掃描器X軸偏移感測器係反覆檢查相同Y軸上之範圍(從-Yd至2×Yt+Yw-Yd為止)。

然而，於感測器之插入時，有著對於裝置或感測器之插入限制，即使無法將入射點位置對於熔接線而言呈成為平行(於掃描器Y軸上相同位置)之情況，亦考慮入射點位置之關係，確定掃描範圍。另外，在只能各一個插入表面波感測器12與經由雙探針法之超音波感測器10A，10B之情況，亦可說是同樣的情況。

接著，使用圖20~圖24，對於經由本實施形態之檢查方法的3個例加以說明。

圖20~圖22係顯示經由本發明之第5實施形態之檢查方法之詳細的流程圖。圖23係經由本發明之第5實施形態之檢查方法所得到的波形之說明圖。圖24係經由本發明之第5實施形態之檢查方法所得到的波形之說明圖。

最初，使用圖20，對於經由第1例之檢查方法加以說明。在例中，在設計圖等既知有熔接部之位置，熔接部之寬度Yw，呈可保持適用其值之情況。

本例係經由從步驟S001至步驟S005，測定於熔接線WB-1製造後有無變化，在步驟S006從熔接線WB-1之位置確定並聯配置型雙探針之感測器的掃描範圍，在從步驟S007至步驟S012，經由並聯配置型雙探針之感測器而實施詳細之表層部的檢查之構成。

具體而言，在步驟S001，作為掃描器之初期位置而進行依據經由設計值的值之輸入，在步驟S002，將感測頭設置於初期位置，在步驟S003，切換成使用容易檢測熔接邊界之表面波感測器的模式，在步驟S004，開始超音波之傳送接收信號。並且，在步驟S005，計測從表面波之接收信號波形至熔接線WB-1之距離。

接著，在步驟S006，依據計測值與設計值而確定感測器之掃描範圍。

接著，在步驟S007，移動感測頭至設定之初期位置，在步驟S008，將所使用之感測器切換成並聯配置型雙探針之感測器，在步驟S009，開始經由並聯配置型雙探針之感測器的超音波之傳送接收信號。在步驟S010，經由並聯配置型雙探針之感測器的接收信號波形之中，例如將在相當於交叉點附近之路程範圍出現之波高值之最大值，圖示於二次元座標上，在步驟S011，X-Y掃描感測器，在步驟S012，判定是否掃描所有的掃描範圍，掃描未結束之情況係返回至步驟S012。感測器掃描結束設定之所有檢查範圍之情況係測定結束。

在步驟S011中，由經由感測器進行X-Y掃描者，可得到於圖24如作為「賦予缺陷指示例」而示之缺陷之探傷結果者。在此，在並聯配置型雙探針之感測器中，檢測熔接線之情況係困難的情況為多。因此，熔接線係因經由熔接線檢測用之感測器12而另外檢測之故，依據其檢測結果所設定之掃描範圍之資訊，經由明示熔接線位置WB-1，WB-2之時，可明示檢查範圍，另外可更明確地作為對於檢查範圍之檢查結果者。

接著，使用圖21，對於經由第2例之檢查方法加以說明。在此例中，有著經由自重等而熔接部位置產生若干變化之可能性之情況。在圖15所示的例中，2重管之軸方向係作為水平方向而圖示。但亦有2重管的軸方向配置於垂直方向之情況。此情況，對於熔接部係因加上有其熔接部之下部的荷重之故，亦有產生有熔接部的位置偏移於下方之情況。即，有著較經由設計值的位置，而經由自重而產生變化之情況。

在本例中，於圖20所示之步驟S002~步驟S004，步驟S007~步驟S012，作為對於熔接線WB-1而言之檢測方法，加上步驟S101，和S105~S110。

首先，在步驟S101中，作為掃描器之初期位置而輸入經由設計值之位置及掃描範圍，之後，執行前述之步驟S002~S004。

接著，於在步驟S105，至可接收來自熔接邊界的信號之位置為止對於熔接線而言垂直交叉之Y軸方向，進行一次元掃描，如可接收在步驟S106認為是從熔接邊界的信號，在步驟S107，於在其位置對於熔接線而言平行之X軸方向，進行一次元掃描同時，將在各X軸方向之測定點的波形，在步驟S108輸出波形。

熔接線係因沿著內管表面而連續性地存在於圓周方向之故，由進行一次元掃描於X軸方向者，得到連續性地所檢測到之熔接線的波形。假設並非熔接線，而搞錯位於內管表面之缺陷而辨識為熔接線時係在進行一次元掃描於圓周方向時，此波形係因無法連續性地得到之故，可與熔接線作區別。

萬一，即使作為因形狀引起之信號，或來自缺陷的信號混入於來自熔接線的信號，如圖23所示，熔接線係因熔接部只要持續連續，在相同的路程出現有從熔接邊界反射的信號之故亦可判別。在圖23中，作為X方向之掃描點而僅例示5點。為了詳細地檢測熔接線，係增加X軸方向之測定點數，將波高值變化成濃淡作為二次元顯示時，更可容易判別。另外，對於在步驟S107之X軸方向的一次元掃描係指例如，圖15所示之熔接線延伸於周方向之情況，係相當於設置於表面波傳播至配管軸方向之方向同時，將表面波感測器進行1週一次元掃描於周方向之情況。移動至X軸方向同時進行測定，由將在各X方向之測定點所得到之波形圖示於二次元座標上者，可更明確地辨識熔接邊界者。

接著，在步驟S109，判定掃描是否結束，經由將在各X方向之測定點所得到之波形資料，在步驟S110進行資料處理之時，確定熔接線WB-1之位置。從步驟S111，與先前從在圖20說明之步驟S007開始的步驟相同。

接著，使用圖22，對於經由第3例之檢查方法加以說明。在此例中，係為無熔接部位置，或熔接部之寬度Yw之詳細資訊之情況。

在本例中，於圖20所示之步驟S002~S004，S007~S012，及作為對於圖21所示之熔接線WB-1之檢測方法的步驟S105~S109，加上步驟S201，S210~S214。

首先，在步驟S201中，輸入掃描器之初期位置及掃描範圍，之後，執行前述之步驟S002~S004。

並且，於在步驟S105將表面波感測器，於與熔接線垂直交叉的方向進行掃描，如檢測有在步驟S106認為是來自熔接線WB-1之反射信號之信號，在步驟S107將表面波感測器掃描於X軸方向同時，在步驟S108輸出接收信號波形，在步驟S109實施是否為熔接線WB-1之判別。

如判定為熔接線WB-1，接著在步驟S210移動於Y軸方向，表面波感測器的入射點超出熔接線WB-1之位置，在步驟S211如檢測認為是來自熔接線WB-2之反射信號的信號，在步驟S212將表面波感測器掃描於X軸方向同時，在步驟S213輸出接收信號波形，在步驟S214實施熔接線WB-2之判別。對於是否為熔接線WB-2之判別係同樣如圖23所示，如判別是否具有連續性即可。

更且，經由本實施形態，因實施有經由表面波之熔接線檢測之故，如圖24所示，經由對於使用經由本實施形態之超音波感測器而實施檢查之結果，明示熔接線位置WB-1，WB-2之時，可更明確地作為檢查範圍與檢查結果者。

然而，在以上之圖15~圖24之說明中，作為搭載於感測頭SH之超音波探傷用之超音波感測器，使用於傳送信號元件10A與接受信號元件10B所成之雙探針並聯配置法之超音波感測器，作為使用在圖13或圖11說明之構成者。在此，圖13所示之構成的超音波感測器係缺陷對於具有周方向的開口於圓筒體表面者而言為有效。對此，對於缺陷對於圓筒體表面而言具有開口於徑方向的情況，使用圖14所示之超音波感測器。另外，作為傳送信號元件及接受信號元件的形狀係不僅圖11所示之六角形的構成，而如圖8所示，亦可使用修整橢圓形之一部分的形狀者。另外，作為傳送信號元件及接受信號元件係除了如圖11所示之單一元件的構成以外，亦可使用如圖12所示之陣列狀的感測器。陣列狀的感測器情況，可容易地改變入射角者。另外，在此係由指出圓筒形狀之內管表面的缺陷之檢測，使用具有如圖13所示之沿著圓筒形狀表面之底面形狀的靴體，但對於平面形狀之被檢體情況，係亦可使用如圖11所示之底面為平面的靴體者。

然而，使用於雙探針並聯配置法之超音波感測器係對於被檢體表面或表面附近的缺陷之探傷為有效的構成。隨之，例如，對於被檢體之內管Pin厚度並未那麼厚的情況，係僅使用使用於雙探針並聯配置法之超音波感測器即可。但對於內管厚度為厚之情況，係例如交換2種類之探傷用的超音波感測器而進行缺陷的探傷。例如，使用使用於圖13所示之雙探針並聯配置法之超音波感測器，而進行表層的缺陷之檢測之後，交換成由可探傷更深部分之單一的探針進行傳送接收信號的元件，進行深部或內管背面(內周面)側的探傷。此時，圖16所示之感測頭SH係具備熔接線檢測用的元件12，而因經由此元件12而已經檢測完成熔接線的位置之故，將圖16所示之感測頭SH脫離，取而代之由安裝具備深部探傷用的傳送接收信號元件與靴體之感測頭者，可進行深部的探傷。

接著，使用圖25而對於為了實施經由本實施形態之檢查方法之檢查裝置的構成加以說明。

圖25係顯示為了實施經由本發明之第5實施形態之檢查方法之檢查裝置的構成之方塊圖。

作為探傷用超音波感測器，具備並聯配置型雙探針之超音波感測器10A，10B，和作為熔接部探測用之感測器而兼備表面波感測器12之感測頭SH。

感測頭SH的位置係經由掃描器SC加以掃描。掃描器SC係經由來自控制裝置100的指令，經由驅動控制裝置110加以控制。並聯配置型雙探針之超音波感測器10A，10B，和表面波感測器12係藉由感測器選擇裝置120而連接於探傷裝置130。感測器選擇裝置120係經由來自控制裝置 100的指令，將連接於探傷裝置130之感測器，切換並聯配置型雙探針之超音波感測器10A，10B，和表面波感測器12。經由感測器選擇裝置120而選擇表面波感測器12時，經由來自探傷裝置130之傳送信號之信號，表面波感測器12係將超音波，作為表面波而傳送信號至被檢體(圖16之內管Pin)之該表面，來自被檢體之熔接線的反射波則經由表面波感測器12而加以檢測。所檢測到之波形信號係記憶於波形記憶體140A。另外，經由感測器選擇裝置120而選擇並聯配置型雙探針之超音波感測器10A，10B時，經由來自探傷裝置130之傳送信號之信號，傳送信號元件10A係將超音波傳送信號至被檢體，來自被檢體的反射波係經由接收信號元件10B而加以檢測。所檢測到之波形信號係記憶於波形記憶體140B。

資料處理裝置150係依據記憶於波形記憶體140A之波形資料，判定熔接線的位置，設定掃描範圍。依據其設定範圍，經由控制裝置100之控制，並聯配置型雙探針之超音波感測器10A，10B則加以掃描，而得到其結果，依據記憶於波形記憶體140B之波形資料，探傷有熔接部之缺陷等。將此等結果係顯示於顯示設定裝置160。

然而，體積檢查為必要之情況，作為探傷用之超音波感測器，由使用為了檢查另外感測器接觸面之背面的感測器者，可適用經由本發明之方式的檢查手法。

10‧‧‧超音波感測器

12‧‧‧超音波表面波感測器

20‧‧‧靴體

30‧‧‧試驗體

40‧‧‧遮音板

100‧‧‧控制裝置

110‧‧‧驅動控制裝置

120‧‧‧感測器選擇裝置

130‧‧‧探傷裝置

140A，140B‧‧‧波形記憶體

150‧‧‧資料處理裝置

160‧‧‧顯示設定裝置

圖1係經由單探針法之斜角探傷情況之超音波感測器的構成圖。

圖2係超音波感測器之指向性與半高寬度之說明圖。

圖3係在經由本發明之第1實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之開口角的影響之說明圖。

圖4係在經由本發明之第1實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之開口角的影響之說明圖。

圖5係在經由本發明之第1實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之指向角與半高寬度之說明圖。

圖6係在經由本發明之第1實施形態之超音波感測器的並聯配置型雙探針法之指向角之說明圖。

圖8係經由本發明之第2實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器之其他元件形狀之說明圖。

圖9係經由本發明之第2實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器之其他元件形狀之說明圖。

圖10係經由本發明之第2實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器之其他元件形狀之說明圖。

圖11係經由本發明之第2實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器的配置說明圖。

圖12係在經由本發明之第3實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器之其他元件形狀之說明圖。

圖13係經由本發明之第4實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器的說明圖。

圖14係經由本發明之第4實施形態之使用於並聯配置型雙探針法之超音波感測器的說明圖。

圖15係經由本發明之第5實施形態之檢查方法的檢查對象例之說明圖。

圖16係關於經由本發明之第5實施形態之使用於檢查方法之感測器配置的說明圖。

圖17係對於二重管之熔接部的熔接線之檢查，利用雙探針法之超音波感測器情況之說明圖。

圖18係對於二重管之熔接部的熔接線之檢查，利用使用超音波之表面波感測器情況之說明圖。

圖19係經由圖18所示之方法所得到之超音波信號的說明圖。

圖20係顯示經由本發明之第5實施形態之檢查方法之詳細的流程圖。

圖21係顯示經由本發明之第5實施形態之檢查方法之詳細的流程圖。

圖22係顯示經由本發明之第5實施形態之檢查方法之詳細的流程圖。

圖23係經由本發明之第5實施形態之檢查方法所得到的波形之說明圖。

圖24係經由本發明之第5實施形態之檢查方法所得到的波形之說明圖。

10A‧‧‧傳送信號元件

Claims

一種超音波感測器，係具有各使用於送訊或收訊之複數的元件，和為了使超音波傳播於斜角方向而保持前述元件之保持部，和設於前述保持部內之遮音材，將超音波之送訊或收訊使用各別不同之元件加以進行之超音波感測器，其特徵為作為前述保持部之靴體形狀，保持前述元件之靴體與元件之接觸面為二以上，前述靴體的面之傾斜則為相互鏡像對稱，作為對於前述靴體的面上之前述元件的配置，對於前述鏡像面而言對稱地將元件配置成非平行，作為前述元件的形狀，將位置於前述靴體的中心部附近之元件，調整未改變於與折射後之音線正交之方向，影射元件時之感測器開口的範圍者。
如申請專利範圍第1項記載之超音波感測器，其中，前述元件係對於元件中心而言，前述調整之範圍與成為點對稱之關係的範圍均進行調整者。
如申請專利範圍第2項記載之超音波感測器，其中，前述元件係更且對於中心音線而言，複數之調整的範圍與成為線對稱之關係的範圍均進行調整者。
如申請專利範圍第1項記載之超音波感測器，其中，前述複數之元件係各沿著中心音線，作為陣列化，而為陣列感測器者。
一種檢查方法，使用具有各使用於送訊或收訊之複數的元件，和為了使超音波傳播於斜角方向而保持前述元件之保持部，和設於前述保持部內之遮音材，將超音波之送訊或收訊使用各別不同之元件加以進行之超音波感測器之檢查方法，其特徵為具有：使用具備探傷用超音波感測器與熔接部檢測用表面波感測器之感測頭，輸入安裝於掃描器之前述感測頭的位置之第1步驟，和前述感測頭之中，選擇熔接部檢測用之表面波感測器的第2步驟，根據經由該第2步驟所選擇之前述表面波感測器，在前述第1步驟所輸入之位置而實施超音波的傳送接收信號的第3步驟，和根據經由該第3步驟所得到之接收信號之信號，測定至熔接線之距離的第4步驟，將經由該第4步驟所得到之至前述熔接線之距離的測定值為依據，確定前述感測頭之初期位置與掃描範圍的第5步驟，具備：選擇前述探傷用超音波感測器之第6步驟，和在經由前述第5步驟所確定之前述感測頭之初期位置與掃描範圍，將前述感測頭進行掃描，經由前述探傷用超音波感測器而實施檢查之第7步驟者。
如申請專利範圍第5項記載之檢查方法，其中，在前述第1步驟中，輸入經由檢查對象之構造物的設計值而安裝於掃描器之感測頭的位置者。
如申請專利範圍第5項記載之檢查方法，其中，在前述第1步驟中，輸入經由檢查對象之構造物的設計值而安裝於掃描器之感測頭的位置與掃描範圍之同時，取代第4步驟而具備：經由進行一次元掃描於將前述表面波感測器與熔接線做垂直交叉之方向之時，檢測熔接線之第4A步驟，和經由進行一次元掃描於將前述表面波感測器與前述熔接線做平行之方向之時，判別熔接線之第4B步驟，在前述第5步驟中，將經由前述第4A步驟所得到之至前述熔接線之距離的測定值為依據，確定前述感測頭之初期位置與掃描範圍者。
如申請專利範圍第5項記載之檢查方法，其中，在前述第1步驟中，輸入安裝於掃描器之感測頭的位置與掃描範圍之同時，取代第4步驟而具備：經由進行一次元掃描於將前述表面波感測器與熔接線做垂直交叉之方向之時，檢測熔接線之第4A步驟，和經由進行一次元掃描於將前述表面波感測器與前述熔接線做平行之方向之時，判別熔接線之第4B步驟，和將至位於前述感測器初期值測之熔接線為止之距離的測定值為依據，移動前述感測頭，經由進行一次元掃描於將前述表面波感測器與熔接線做垂直交叉之方向之時，檢測位於深側之熔接線之第4C步驟，和經由進行一次元掃描於將前述表面波感測器與熔接線做平行之方向之時，判別位於前述深側之熔接線之第4D步驟，在前述第5步驟中，將經由前述第4D步驟所得到之至位於前述深側之熔接線為止之距離的測定值為依據，確定感測頭之初期位置與掃描範圍者。
如申請專利範圍第5項記載之檢查方法，其中，作為前述探傷用超音波感測器，使用如申請專利範圍第1項記載之超音波感測器者。
一種檢查裝置，具有各使用於送訊或收訊之複數的元件，和為了使超音波傳播於斜角方向而保持前述元件之保持部，和設於前述保持部內之遮音材，將超音波之送訊或收訊使用各別不同之元件加以進行之超音波感測器，之檢查裝置，其特徵為具備：探傷用超音波感測器，與作為熔接部檢測用之超音波感測器而兼備表面波感測器之感測頭，和將前述感測頭進行2次元掃描之掃描器，和控制經由前述掃描器之前述感測頭之2次元掃描的驅動控制裝置，和選擇前述探傷用超音波感測器，與前述熔接部檢測用之超音波感測器的切換裝置，和經由前述探傷用超音波感測器而進行缺陷的探傷，另外，經由前述熔接部檢測用之超音波感測器而檢測熔接部之探傷裝置，和控制前述切換裝置及前述探傷裝置之控制裝置，和處理經由前述感測頭之各感測器而取得之波形資料與感測頭位置資訊的資料處理裝置，和顯示前述取得之波形及前述資料處理之畫像與資料的顯示裝置者。