專利名稱：用于超聲波檢測的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
用于超聲波檢測的方法和裝置。
背景技術(shù)：
借助超聲波可檢測構(gòu)件或技術(shù)元件體積中和表面上的缺陷或不完善。在超聲波檢測中優(yōu)選使用的脈沖回波技術(shù)的優(yōu)勢在于可非常好地檢測出面的分離、如裂縫?？煽繖z測的前提是存在于試樣中的缺陷被聲波適當(dāng)?shù)貟呙璧?。超聲波檢測既可在制造中用作以保證質(zhì)量為目的的集成檢測也可在維修和保養(yǎng)以確保檢測對象的繼續(xù)使用適宜性的范疇中用作定期檢測。原則上，在脈沖回波方法的超聲波檢測中僅檢測到其超聲波回波被接收的缺陷。是否能借助所使用的檢測裝置檢測到被缺陷反射的超聲波回波的問題在很大程度上取決于傳感器、接收器和存在于試樣中的缺陷之間的幾何布置以及該缺陷的反射特性。 為了得到待檢測エ件或試樣的盡可能完整的損傷圖像，將用于檢測的聲場在許多不同的點(diǎn)上從許多不同的入射方向上射入到待檢測的體積中。通過這種方式，可以在很大程度上測量到待檢測的體積范圍和表面。為此目的通常借助探頭對檢測對象的表面進(jìn)行掃描，由此可移動過許多不同的入射點(diǎn)。此外，為了覆蓋盡可能多的不同的入射方向，這種探頭通常具有多個(gè)朝不同方向定向的超聲波換能器。用于檢測的超聲波場通常垂直于試樣的表面和與其呈45°角地被射入到試樣中。但上述掃描方法導(dǎo)致相對長的檢測時(shí)間。如檢測自動進(jìn)行，則需要昂貴的用于實(shí)現(xiàn)這種掃描運(yùn)動的操縱器。最后，在檢測評估時(shí)始終存在一定的不確定性，因?yàn)椴荒苓@樣覆蓋或者說移動過所有可想到的入射點(diǎn)和所有可想到的入射方向，以致始終能夠可靠地推導(dǎo)出缺陷類型和缺陷形狀。檢測結(jié)果評估的這種不確定性可導(dǎo)致制造中不必要的廢品或技術(shù)安全性的降低。原則上，根據(jù)所面臨的檢測任務(wù)來優(yōu)化在檢測系統(tǒng)中所使用的超聲波傳感器的類型和數(shù)量。在此，不僅要注意檢測表面的可接近性也要注意檢測在潛在的錯(cuò)誤配置方面的效力。超聲波技術(shù)中的ー種已知的技術(shù)進(jìn)步是所謂的成組探頭技術(shù)。在該技術(shù)中，成組探頭執(zhí)行多個(gè)超聲波傳感器的功能。借助成組探頭可電子控制聲場的入射角度和聚焦。但是，成組探頭技術(shù)對于檢測電子裝置的要求很高，且檢測時(shí)間仍舊較長。檢測時(shí)間之所以長，是因?yàn)榻柚山M探頭技術(shù)通過使用成組探頭僅可減少所需的單個(gè)傳感器的數(shù)量，而檢測周期的數(shù)量卻原則上保持不變。當(dāng)今的超聲波檢測的目標(biāo)除了試樣的損傷圖像的定性評估外，也在于關(guān)于試樣的損傷圖像的定量評估。除了缺陷的位置外，缺陷類型以及其維數(shù)也是很重要的。根據(jù)定量檢測的結(jié)果能夠以更大的確定性來判斷檢測對象的繼續(xù)使用適宜性。根據(jù)缺陷的嚴(yán)重程度，考慮不再繼續(xù)使用、維修或繼續(xù)使用檢測對象。此外，在定量的非破壞性的檢測的范疇中追求檢測圖像的三維化顯示。借助成組探頭技術(shù)已經(jīng)可以以這種方式來顯示檢測結(jié)果，所產(chǎn)生的檢測圖像借助已知的層析X射線照相法通常以橫截面或俯視圖顯示為B和C圖。但是，目前尚不能進(jìn)行真正的三維成像。取而代之，只是將ニ維圖像組合成三維圖像，在此，基于有限數(shù)量的入射方向而必須忍受這樣的缺點(diǎn)，即，系統(tǒng)對于任意傾斜于測量平面定向的面的分離不敏感超聲波檢測的ー個(gè)重要的組成部分是鉆孔檢測(Boresonic inspection)。此外，超聲波檢測還用于鉆空心的渦輪軸或鐵路輪組的軸。用于鉆孔檢測的超聲波系統(tǒng)在市場上可以買到。在這些已知的超聲波系統(tǒng)中，將旋轉(zhuǎn)的檢測槍插入存在于試樣中的腔中、通常是存在于試樣中心的鉆孔中。代替旋轉(zhuǎn)檢測槍，可使待檢測的エ件圍繞檢測槍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這種超聲波系統(tǒng)根據(jù)超聲波多通道技術(shù)原理工作。多個(gè)位于探頭系統(tǒng)中的超聲波傳感器從エ件的內(nèi)側(cè)、即從鉆孔的方向在不同的入射角度下將用于檢測的超聲波場入射到試樣的材料中。通常，除了其超聲波場垂直于試樣的縱軸線定向的傳感器外，還使用離散的傳感器，其超聲波場以45°角相對于縱軸線傾斜。借助后一種傳感器可通過所謂的角鏡面效果主要檢測出在試樣圓周方向上延伸的外部裂縫。例如DE19952407A1公開了ー種方法，借助其可檢測出在エ件的縱向方向上延伸的外部裂縫。借助參考反射體-己知其在エ件中的位置-對所檢測到的缺陷進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，且對其大小和維數(shù)進(jìn)行評估。作為參考反射體或代替反射體例如使用位干與檢測對象同種的試樣外側(cè)上的凹槽或嵌入試樣體積中的圓盤反射體，其理想地相對于相應(yīng)的入射方向定向。這種已知的檢測方法的缺點(diǎn)在于相對長的檢測時(shí)間，因?yàn)橐獙︺@孔表面進(jìn)行例如螺旋形的掃描。此外，經(jīng)由代替反射體的狀況檢測導(dǎo)致只能很弱地甚至不能檢測到真正的具有其它反射特性的缺陷。該檢測在其類型和范圍方面的定量評估同樣是也只在非常特定的條件下才是可能的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于給出ー種用于超聲波檢測的方法和裝置，該方法/裝置在所需的檢測時(shí)間以及缺陷檢測和缺陷評估方面相對于現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法或裝置得以改善。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求I的方法和具有權(quán)利要求13的特征的裝置來解決。從屬權(quán)利要求的技術(shù)方案構(gòu)成有利的方案。在根據(jù)本發(fā)明的用于超聲波檢測的方法中，在第一步驟中，將探頭設(shè)置在位于試樣中的、在軸向方向上延伸的孔中。探頭在軸向方向上延伸并且具有多個(gè)在軸向方向上依次設(shè)置的并且彼此間隔開的傳感器環(huán)。所述傳感器環(huán)分別在ー個(gè)垂直于軸向方向的平面中延伸并且分別具有多個(gè)彼此間隔開的超聲波換能器。所述超聲波換能器在相應(yīng)的傳感器環(huán)的ー個(gè)扇形段中設(shè)置，該扇形段在該相應(yīng)的傳感器環(huán)的圓周方向上在該相應(yīng)的傳感器環(huán)的圓周的至少ー個(gè)局部段上延伸。不同傳感器環(huán)的超聲波換能器在此-在軸向方向上觀察-既可依次設(shè)置又可彼此稍微錯(cuò)置地設(shè)置。在下ー個(gè)方法步驟中，將由ー個(gè)傳感器環(huán)的扇形段的超聲波換能器出發(fā)的超聲波檢測脈沖射入到試樣中，在此所述超聲波換能器同步或順序地被激發(fā)以發(fā)出同種類型的單個(gè)脈沖。同步在此是指位于ー個(gè)傳感器環(huán)的扇形段中的多個(gè)、尤其是所有的超聲波換能器同時(shí)被激發(fā)。單個(gè)脈沖的疊加形成超聲波檢測脈沖。在下ー個(gè)方法步驟中，借助探頭的第一超聲波換能器接收第一回波信號并且借助探頭的第二超聲波換能器接收第二回波信號，這適用于整個(gè)探頭的任意第一和第二超聲波換能器。第一和第二回波信號都通過射入到同一個(gè)存在于試樣中的缺陷上的超聲波檢測脈沖的反射所引起。第一和第二超聲波換能器在空間上彼此間隔開。優(yōu)選這樣確定在此所使用的超聲波換能器的大小，使得其在軸向方向上具有直至120°的聲場張角，因此,該聲場張角明顯超出傳統(tǒng)的超聲波方法中所使用的超聲波換能器的聲場張角直至約20°。通過超聲波換能器的這種設(shè)計(jì)，使得由超聲波換能器所產(chǎn)生的超聲波檢測脈沖可檢測更大的范圍，且以更大的視界角范圍探測存在于エ件中的缺陷。此外，通過更大的聲場張角可同時(shí)產(chǎn)生縱波或/和橫波。 在下ー個(gè)方法步驟中，評估第一和第二回波信號的測量值以便確定缺陷在試樣中相對于第一和第二超聲波換能器的方位和/或位置。探頭中所使用的第一和第二超聲波換能器越多，則該方位/位置確定就越精確。探頭在當(dāng)前情況下并不是傳統(tǒng)的僅具有ー個(gè)向固定的發(fā)射方向進(jìn)行發(fā)射的超聲波換能器的探頭。更多地，探頭被看作是ー個(gè)具有多個(gè)超聲波換能器的探頭系統(tǒng)。盡管如此，為了提高可讀性，仍保留定義“探頭”。根據(jù)本發(fā)明的用于超聲波檢測的方法基于如下認(rèn)識由于超聲波場在エ件中的疊加原則上涉及線性問題，因此，所提及的超聲波檢測脈沖是否通過超聲波換能器的同步還是順序的運(yùn)行被射入到試樣中無關(guān)緊要。如果超聲波換能器順序運(yùn)行，則所接收的信號可隨后通過純粹的計(jì)算進(jìn)行疊加。在設(shè)置于相應(yīng)的傳感器環(huán)的扇形段中的超聲波換能器用于將超聲波檢測脈沖射入到試樣中時(shí)也是如此。在以該扇形段的大小定義的張角射入到試樣內(nèi)的超聲波檢測脈沖可通過純粹的計(jì)算與另ー個(gè)在探頭轉(zhuǎn)動后由該相應(yīng)的扇形段發(fā)射出的檢測脈沖疊加。因此，根據(jù)第一種實(shí)施方式，在兩個(gè)連續(xù)的超聲波檢測脈沖入射之間，將探頭圍繞軸向方向L轉(zhuǎn)動。根據(jù)ー種擴(kuò)展方案,多個(gè)用于掃描試樣的檢測脈沖被射入到試樣中，且探頭沿在軸向方向上定向的檢測路線運(yùn)動。優(yōu)選探頭這樣轉(zhuǎn)動或運(yùn)動，使得第一檢測脈沖的聲場和第二檢測脈沖的聲場彼此部分地重疊。由于超聲波場的疊加原則上涉及線性問題，所以用于檢測的超聲波場可隨后通過純粹的計(jì)算進(jìn)行疊加。特別有利的是，將各單個(gè)在探頭圍繞軸向方向轉(zhuǎn)動期間被發(fā)射出的檢測脈沖通過純粹的計(jì)算疊加，使得用于檢測的超聲波場形成環(huán)波。優(yōu)選超聲波檢測以這樣的方式進(jìn)行，S卩，首先超聲波探頭沿孔的軸向方向移動，且僅掃描試樣的ー個(gè)扇形段，例如在軸向方向上僅掃描試樣的四分之一扇形段。緊接著，探頭轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度并重新掃描試樣，這次是在相鄰的扇形段中進(jìn)行掃描。在相應(yīng)數(shù)量的掃描行程后，通過將各個(gè)彼此待關(guān)聯(lián)的超聲波檢測脈沖疊加為ー個(gè)環(huán)波來疊加結(jié)果并且評估回波信號。根據(jù)ー種替換的方法方案，超聲波探頭在發(fā)射出一個(gè)檢測脈沖后轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度、例如45°，并且緊接著發(fā)射出另ー檢測脈沖。在完整轉(zhuǎn)動一周后，可通過純粹的計(jì)算由發(fā)射出的超聲波檢測脈沖重建ー個(gè)環(huán)波。根據(jù)另ー種實(shí)施方式，探頭這樣轉(zhuǎn)動，使得在ー個(gè)垂直于軸向方向的平面中在發(fā)出第一超聲波檢測脈沖的第一位置和發(fā)出第二超聲波檢測脈沖的第二位置之間測得的轉(zhuǎn)動角度小于同樣在ー個(gè)垂直于軸向方向的平面中測得的第一或第二超聲波檢測脈沖的聲場的張角。換句話說，剛好這樣選擇在第一和第二超聲波檢測脈沖發(fā)射之間實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)動角度，使得在相應(yīng)的位置中所發(fā)射出的超聲波檢測脈沖彼此重疊。由于這種重疊，可確保計(jì)算疊加超聲波檢測脈沖。 代替?zhèn)鞲衅鳝h(huán)在扇形段上設(shè)有超聲波換能器的設(shè)計(jì)，根據(jù)另ー種實(shí)施方式，可這樣構(gòu)造探頭，使得至少ー個(gè)傳感器環(huán)的超聲波換能器在相應(yīng)的傳感器環(huán)上沿整個(gè)圓周設(shè)置。特別優(yōu)選超聲波換能器均勻地沿相應(yīng)的傳感器環(huán)的圓周進(jìn)行分布?，F(xiàn)在，優(yōu)選這樣同步或順序控制探頭的超聲波換能器，使得超聲波檢測脈沖形成垂直于軸向方向傳播的環(huán)波的形式。在順序的控制中，再次通過計(jì)算疊加單個(gè)脈沖來形成環(huán)波。可將已經(jīng)多次提到過的定義“環(huán)波”理解為ー種從孔的表面出發(fā)的、垂直于軸向方向朝試樣中傳播的超聲波。環(huán)波在軸向方向上是發(fā)散的?？紤]在孔具有任意小的直徑的極限情況下，這種環(huán)波的聲源萎縮成沿軸向方向延伸的具有線孔徑(Linienapertur)的聲源，該孔徑等于傳感器元件在軸向方向上的孔徑。即使在物理方面不理想的波也應(yīng)被稱為環(huán)波。這種不理想的環(huán)波例如通過使用多個(gè)這樣的超聲波換能器來形成，其孔徑和在圓周方向上的間距大于通過采樣定理所規(guī)定的。有利的是，借助規(guī)定的環(huán)波來均勻地掃描試樣的體積。由此可提高檢測到存在于試樣體積中或表面上的缺陷的概率。此外，由于設(shè)置多個(gè)超聲波接收器用于接收由缺陷發(fā)出的回波信號，可根據(jù)超聲波層析X射線照相法(Ultraschalltomographie)的已知規(guī)則，在試樣體積中進(jìn)行反射體的位置和大小的三維重建。這種三維重建也可以是相位敏感方法，其提供在存在的缺陷的結(jié)構(gòu)或幾何形狀方面特別精確的圖像。根據(jù)ー種擴(kuò)展實(shí)施方式，激活ー個(gè)單個(gè)的傳感器環(huán)的超聲波換能器來發(fā)射出環(huán)波，且多個(gè)傳感器環(huán)的超聲波換能器設(shè)置用來接收回波信號。由于現(xiàn)在多個(gè)超聲波換能器準(zhǔn)備好接收回波信號，所以在發(fā)射位置確定的情況下也實(shí)際提高了借助至少ー個(gè)超聲波換能器接收附屬的回波信號的概率。根據(jù)ー種擴(kuò)展方案，為了超聲波檢測試樣，使用多個(gè)超聲波檢測脈沖，且探頭在兩個(gè)超聲波檢測脈沖發(fā)射之間的時(shí)間中沿軸向方向移動。優(yōu)選探頭在此移動ー個(gè)步寬，其等于用于檢測的超聲波檢測脈沖的半個(gè)波長，該波長在試樣材料中測得。通過使探頭移動半個(gè)波長，可通過計(jì)算増大超聲波換能器的有效孔徑。根據(jù)另ー種方法方案，在軸向方向上依次激活設(shè)置用于發(fā)射環(huán)波的傳感器環(huán)。在此，毎次僅設(shè)置一個(gè)傳感器環(huán)用于發(fā)射環(huán)波，而所有的傳感器環(huán)(必要時(shí)也包括設(shè)置用于發(fā)射環(huán)波的傳感器環(huán))的超聲波換能器均設(shè)置用于接收回波信號。換句話說，探頭的傳感器環(huán)如同移動光(Lauflicht) —祥被依次激活。反射的接收始終借助所有的傳感器環(huán)進(jìn)行，所有傳感器環(huán)的所有的超聲波換能器的同步接收在檢測速度方面帶來特別的優(yōu)點(diǎn)。此外，在所述方法方案中特別有利的是此外，在軸向方向上測量的傳感器環(huán)之間的間距相當(dāng)于雙倍波長。在ー個(gè)或多個(gè)傳感器環(huán)、在極限情況下為探頭所有的傳感器環(huán)都被激發(fā)一次用于發(fā)射之后，探頭在軸向方向上移動半個(gè)波長。在探頭移動了若干數(shù)量的步距(其相當(dāng)于傳感器環(huán)間距)之后，根據(jù)采樣定理，孔徑被進(jìn)ー步填補(bǔ)并且測量數(shù)據(jù)集的合成孔徑在軸向方向上測量時(shí)增大一個(gè)環(huán)分段、即增大一個(gè)傳感器環(huán)的延伸長度。在接下來的步驟中，可建立幾乎任意大的合成孔徑，其包含足夠數(shù)量的用于三維高分辨率圖像構(gòu)建的數(shù)據(jù)。有利的是，也可通過這種方式以高分辨率測量遠(yuǎn)離測量表面的缺陷，因?yàn)榛诖蟮暮铣煽讖?，聲場也可在長距離上合成聚焦。
另ー優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)高的檢測速度，同時(shí)存在以層析X射線照相法進(jìn)行三維重建的可能性。優(yōu)選可為重建使用由各單個(gè)超聲波換能器接收的、不同定向的信號、A圖像，其在數(shù)學(xué)公式中構(gòu)成信息矩陣。該信息矩陣描述用于以層析X射線照相法進(jìn)行重建的測量信息。具有η個(gè)既用于發(fā)射又用于接收的超聲波換能器的探頭最大構(gòu)成具有η乘η個(gè)元素的信息矩陣，其中，基于互易定理，元素i，j具有和元素j，i相同的信息。有利的是，當(dāng)ー個(gè)傳感器環(huán)的m個(gè)超聲波換能器同時(shí)被激發(fā)且所有的超聲波換能器分別進(jìn)行接收時(shí)，則矩陣減小為(n/m) · η個(gè)元素，其分別包含在材料中通過聲場疊加模擬產(chǎn)生的信息總和。當(dāng)僅ー個(gè)傳感器環(huán)在探頭的ー個(gè)位置中進(jìn)行發(fā)射時(shí)，該系統(tǒng)可進(jìn)一步被減小。于是，矩陣僅具有I · η個(gè)元素。在此極限情況下，有利的是可以以最大速度進(jìn)行檢測。根據(jù)本發(fā)明的用于超聲波檢測具有在軸向方向上延伸的孔的試樣的裝置包括探頭和用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求I至12之一所述的方法的處理單元。所述探頭和孔ー樣在軸向方向上延伸并且具有多個(gè)在軸向方向上依次設(shè)置的并且彼此間隔開的傳感器環(huán)。設(shè)置在傳感器環(huán)上的超聲波換能器在此-在軸向方向上觀察-既可依次設(shè)置又可彼此稍微錯(cuò)開地設(shè)置。傳感器環(huán)在垂直于軸向方向的平面中延伸并且具有多個(gè)在傳感器環(huán)圓周方向上設(shè)置的超聲波換能器。關(guān)于方法所提到的優(yōu)點(diǎn)同樣適用于該裝置。根據(jù)第一種實(shí)施方式，至少ー個(gè)傳感器環(huán)的超聲波換能器在該傳感器環(huán)上沿整個(gè)圓周設(shè)置。優(yōu)選超聲波換能器在該傳感器環(huán)上均勻地沿整個(gè)圓周設(shè)置。有利的是，這種裝置能夠發(fā)射環(huán)波。根據(jù)另ー種實(shí)施方式，所述發(fā)射元件在該傳感器環(huán)的圓周方向上彼此間隔開這樣的間距，其大于由這些發(fā)射元件可發(fā)射的檢測脈沖的半個(gè)波長，該波長在試樣的材料中測得。換句話說，發(fā)射元件的在傳感器環(huán)的圓周方向上觀察的間距的值可以大于通過采樣定理確定的值。通過利用適合的過濾算法，可在評估所獲得的測量數(shù)據(jù)時(shí)補(bǔ)償由此引起的圖像干擾。根據(jù)ー種擴(kuò)展方案，在軸向方向上依次相繼的各傳感器環(huán)的超聲波換能器-從探頭的軸向方向的投影中看-在探頭的ー個(gè)共同的圓周方向上彼此錯(cuò)開布置。優(yōu)選，依次相繼的各傳感器環(huán)的發(fā)射元件在圓周方向上分別以ー個(gè)相同的轉(zhuǎn)動角度彼此錯(cuò)開布置。


接下來參考附圖進(jìn)一歩解釋本發(fā)明。相同部件在此使用相同的附圖標(biāo)記。附圖如下圖I為試樣局部以及探頭的縱向剖面圖；圖2為圖I中已知的試樣和探頭的橫截面圖；圖3a_f為檢測脈沖在試樣中在不同的時(shí)間點(diǎn)上的模擬傳播；圖4為試樣的圓柱形區(qū)段的三維重建；圖5-7分別為圖4所示的三維重建在xy平面、yz平面或xz平面中的2D投影。
具體實(shí)施方式
圖I以縱向剖面圖示出位于孔26中的探頭2。借助檢測槍的桿4將探頭2插入孔26中。作為替換方案，借助推/拉裝置在使用柔性軸的情況下將探頭2插入孔26中。檢測對象例如應(yīng)為空心軸6，其具有軸向中心孔26。探頭2具有八個(gè)在軸向方向L上依次設(shè)置的傳感器環(huán)81至88。在所示實(shí)施例中，孔的軸向方向L與探頭2的中心縱軸線重合。每個(gè)傳感器環(huán)81至88具有八個(gè)既用作超聲波發(fā)射器又用作超聲波接收器的超聲波換能器10。超聲波換能器10在傳感器環(huán)81至88圓周方向上的位置從ー個(gè)傳感器環(huán)81至88到下一個(gè)傳感器環(huán)進(jìn)行變化。這導(dǎo)致在圖I所示的橫截面中僅能看到傳感器環(huán)82、85和88的超聲波換能器10。傳感器環(huán)81至88、更準(zhǔn)確地說其超聲波換能器10這樣彼此錯(cuò)置地設(shè)置，使得ー個(gè)傳感器環(huán)81至88通過圍繞軸向方向L旋轉(zhuǎn)15°即可轉(zhuǎn)移到在軸向方向L上接下來的傳感器環(huán)81至88。例如，傳感器環(huán)82在三次15°旋轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)移到傳感器環(huán)85。位于傳感器環(huán)81至88中的超聲波換能器10例如在彈簧加載下被壓到空心軸6的內(nèi)側(cè)12上。為了引入超聲波場，一種適合的耦合介質(zhì)、如油附加地位于探頭2和空心軸6內(nèi)側(cè)12之間的空隙14中。為了檢測空心軸6上的示例示出的一處缺陷16，環(huán)波形式的超聲波檢測脈沖被射入到試樣、即空心軸6中。射入借助于其中ー個(gè)傳感器環(huán)81至88的同步工作的超聲波換能器10來進(jìn)行，例如傳感器環(huán)85用來發(fā)射通過超聲波換能器10的同步運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)波。也可順序運(yùn)行各超聲波換能器10，且可隨后通過計(jì)算疊加所獲取的測量信號。在ー個(gè)傳感器環(huán)81至88的超聲波換能器10的順序控制方案的進(jìn)ー步發(fā)展中，代替圖I中所示的實(shí)施例，可將這樣的傳感器環(huán)81至88集成到探頭2中，即，這些傳感器環(huán)81至88分別僅沿其圓周的ー個(gè)局部段設(shè)有超聲波換能器10。在此情況下所述超聲波換能器10組成ー個(gè)扇形段。圖2示出空心軸6和探頭2在傳感器環(huán)85高度上的橫截面圖。沿傳感器環(huán)85的圓周設(shè)置8個(gè)超聲波換能器10，其可同步或順序地運(yùn)行。作為替換方案，可這樣構(gòu)造探頭2的傳感器環(huán)85，使得其僅在扇形段30中具有三個(gè)超聲波換能器10。在該實(shí)施例中，其它的傳感器環(huán)81至84、86至88的相應(yīng)的扇形段具有相同數(shù)量的超聲波換能器。但數(shù)量也可不相同。借助于根據(jù)這樣的實(shí)施例的探頭2 (其僅在各個(gè)傳感器環(huán)81至88的相應(yīng)的在圓周上設(shè)置的扇形段上配備超聲波換能器10)，可根據(jù)下述方法方案對空心軸6進(jìn)行檢測借助上述探頭2首先僅對ー個(gè)局部區(qū)域、在所示實(shí)施例中為空心軸6沿軸向方向L的大約四分之一進(jìn)行掃描。在該檢測行程后，探頭2圍繞軸向方向L轉(zhuǎn)動例如90°且掃描空心軸6的相鄰的四分之一扇形段。在四個(gè)檢測行程后，由探頭2的扇形段30在彼此對應(yīng)的軸向位置上發(fā)射出的超聲波檢測脈沖通過計(jì)算被疊加為ー個(gè)環(huán)波。由此借助通過計(jì)算疊加產(chǎn)生的環(huán)波完成對空心軸6的完整掃描。作為替換方案，在扇形段30的超聲波換能器10被激發(fā)從而發(fā)射出超聲波檢測脈沖之后-這與上述實(shí)施例相同，探頭2可旋轉(zhuǎn)90°，以便可將另ー超聲波檢測脈沖發(fā)射到空心軸6的相鄰的四分之一扇形段中。在借助探頭2的完整旋轉(zhuǎn)一周來掃描空心軸6之后(這允許將發(fā)射的檢測脈沖計(jì)算疊加為環(huán)波)，探頭2才在軸向方向L上移動。為了進(jìn)一歩進(jìn)行說明，現(xiàn)在重新參考圖1，重新從ー個(gè)包含多個(gè)傳感器環(huán)的探頭2 出發(fā)，所述傳感器環(huán)沿其整個(gè)圓周設(shè)有超聲波換能器10。探頭2的傳感器環(huán)81至88尤其應(yīng)沿其整個(gè)圓周均勻地設(shè)有超聲波換能器10。此外，出發(fā)點(diǎn)還在于環(huán)波形式的超聲波檢測脈沖通過同步或順序地激活這種傳感器環(huán)81至88的超聲波換能器10實(shí)現(xiàn)。僅其中ー個(gè)傳感器環(huán)81至88用于發(fā)射環(huán)波，而所有的傳感器環(huán)81至88、包括進(jìn)行發(fā)射的傳感器環(huán)85均用于接收回波信號。圖I中僅示出由傳感器環(huán)85的超聲波換能器10發(fā)出的檢測脈沖的發(fā)射方向E。從傳感器環(huán)85的超聲波換能器10出發(fā)，環(huán)波形式的檢測脈沖在作為試樣的空心軸6中傳播。在此，該環(huán)波基于超聲波換能器10在軸向方向L上的小的尺寸而在該方向上強(qiáng)烈發(fā)散。通過超聲波檢測脈沖碰撞到缺陷16上，產(chǎn)生回波信號20，其被彼此間隔開的超聲波換能器10接收，在所示實(shí)施例中是指傳感器環(huán)82、85和88的超聲波換能器10。與公知的脈沖回波技術(shù)相似,可確定空心軸6中的缺陷16相對于超聲波接收器、即傳感器環(huán)82、85和88的超聲波換能器10的位置及方位，與公知的脈沖回波技術(shù)的區(qū)別僅在于對多個(gè)回波信號20而不是對僅ー個(gè)回波信號進(jìn)行處理。借助處理單元28來激活探頭2的超聲波換能器10，所述處理単元通過適合的電線與超聲波換能器10連接。處理單元28激活超聲波場向空心軸6中的射入并且還用于評估 由超聲波換能器10接收的回波信號20。圖2示出結(jié)合圖I所描述的位置的橫截面圖，示出空心軸6和探頭2在傳感器環(huán)85高度上的橫截面圖?，F(xiàn)在，例如由此出發(fā)這樣同步運(yùn)行傳感器環(huán)85的八個(gè)超聲波換能器10，使得其發(fā)射環(huán)波，該環(huán)波在徑向上在發(fā)射方向E上傳播到作為試樣的空心軸6中。圖2中示意性示出該環(huán)波的兩個(gè)波面18。超聲波檢測脈沖被位于空心軸6中的缺陷16反射，回波信號20被傳感器環(huán)85的在空間上間隔開的各超聲波換能器10檢測到。借助這些回波信號20可確定缺陷16在圖2所示的剖面、即垂直于軸向方向L的平面中的位置。由于現(xiàn)在既可確定缺陷16在平行于軸向方向L的平面(參見圖I)中的位置又可確定其在垂直于該軸向方向L的平面中的位置，因此可唯一地確定缺陷16相對于探頭2的空間位置。接下來擬說明另ー具體的實(shí)施例。為此目的，例如由此出發(fā)待檢測的空心軸6由鋼制成并且以4MHz檢測頻率被檢測。空心軸6的內(nèi)孔的直徑也例如應(yīng)為30mm。從傳感器環(huán)81至88的圓周方向上觀察，圖I和2中所示的超聲波換能器10的孔徑應(yīng)為兩個(gè)波長。該值為可根據(jù)具體的技術(shù)檢測任務(wù)優(yōu)化的參數(shù)，其決定檢測通道的數(shù)量和檢測圖像的質(zhì)量。由于在鋼中在4MHz檢測頻率下縱向波的波長約為I. 5_，所以超聲波換能器10在圓周方向上的孔徑約為3mm。傳感器環(huán)81至88的兩個(gè)超聲波換能器10在圓周方向上的間距A約為9mm(參見圖2)。每個(gè)傳感器環(huán)81至88分別具有八個(gè)超聲波換能器10，其均勻地分布在相應(yīng)的傳感器環(huán)81至88的圓周上。間距A的大小與兩個(gè)波長的振動器孔徑的結(jié)合違反采樣定理。但由此產(chǎn)生的失真可通過利用適合的過濾算法在很大程度上從測量結(jié)果中消除。在軸向方向L上依次相繼的各傳感器環(huán)81至88的超聲波換能器10在圓周方向上分別相對偏移I. 5mm。這相當(dāng)于相應(yīng)的傳感器環(huán)81至88轉(zhuǎn)動約5. 6° (與圖1、2所示的實(shí)施方式不同)。換句話說，傳感器環(huán)81至88這樣相對偏移，使得在假設(shè)的第九個(gè)傳感器環(huán)時(shí)，其超聲波換能器10再次位干與第一個(gè)傳感器環(huán)中的超聲波換能器相同的位置上。由于超聲波換能器的孔徑為3mm且超聲波換能器之間的間距A為9mm，所以在12mm之后出現(xiàn)下ー個(gè)振動器。因此，傳感器環(huán)81至88分別彼此轉(zhuǎn)動I. 5mm(I. 5mmX8 = 12mm)。當(dāng)元件孔徑在軸向方向上為半個(gè)波長時(shí)，傳感器環(huán)81至88的間距AS(參見圖I)為三個(gè)半波長，即，每六毫米設(shè)置ー個(gè)傳感器環(huán)81至88。為了超聲波檢測空心軸6，依次激發(fā)所有的傳感器環(huán)81至88來發(fā)射環(huán)波，從缺陷16出發(fā)的回波信號 20分別被所有的傳感器環(huán)81至88所接收。在依次接通探頭2的傳感器環(huán)81至88后(該過程應(yīng)被稱為檢測周期)，將探頭2在軸向方向L上移動半個(gè)波長。在八個(gè)這樣的檢測周期之后，可得到探頭2整個(gè)長度上的完整的接收孔徑，傳感器環(huán)81至88在該探頭中延伸。當(dāng)以IkHz脈沖重復(fù)頻率運(yùn)行超聲波系統(tǒng)且探頭2在ー個(gè)發(fā)射過程后已經(jīng)在軸向方向L上移動時(shí)，那么這相應(yīng)于每秒750mm的檢測速度。如果全部八個(gè)傳感器環(huán)81至88都用于發(fā)射，則檢測速度減小8倍，且因此在毎秒IOOmm的范圍中。借助該檢測速度可在約20s內(nèi)檢測2m長的空心軸6。通過較低的檢測速度可在傳感器位置重疊時(shí)記錄穩(wěn)定的冗余數(shù)據(jù)集。圖3a_f示出一種以常見的用于環(huán)波在聲學(xué)各向同性的固體中的傳播的彈性動力學(xué)(elasto-dynamisch)代碼為基礎(chǔ)的模型計(jì)算。環(huán)波22從聲波24出發(fā)傳播到固體中(參見圖3a和b)。當(dāng)環(huán)波到達(dá)缺陷16時(shí)，產(chǎn)生回波信號20(參見圖3c)。環(huán)波22經(jīng)過缺陷16，而被散射的回波信號20則根據(jù)缺陷16的幾何形狀或多或少地在相反的方向上在固體中傳播。圍繞在此為簡單起見僅以點(diǎn)來表示的聲波的方位，還設(shè)有用于接收回波信號20的超聲波接收器，由此根據(jù)回波信號的行進(jìn)時(shí)間且借助多個(gè)彼此間隔開的接收器可確定缺陷16在固體中的位置(參見圖3d-f)。通過利用常見的層析X射線照相法的重建算法可在試樣的真正的三維圖像中顯示出所檢測到的缺陷16的位置和形狀。由此為用戶提供了三維的損傷圖像，如圖4中所示。圖4示出作為試樣的空心軸6的圓柱形區(qū)段的示意性透視圖。除了作為腔的中心孔26外可見存在于體積中的缺陷161至165。除了圖4中所示的損傷圖像的三維視圖外，可顯示如圖5至7所示的各種投影。圖5示出圖4中已知的三維重建在xy平面中的投影。圖6和7示出該三維重建在yz或Xz平面中的其它投影。
權(quán)利要求
1.用于超聲波檢測試樣(6)的方法，該試樣具有在軸向方向(L)上延伸的孔(26),所述方法包括下述步驟 a)將具有下述特征的探頭(2)設(shè)置在孔(26)內(nèi)部 al)所述探頭(2)在軸向方向(L)上延伸并且具有多個(gè)在軸向方向(L)上依次設(shè)置的并且彼此間隔開的傳感器環(huán)(81-88)， a2)所述傳感器環(huán)(81-88)在垂直于軸向方向(L)的平面中延伸并且具有多個(gè)彼此間隔開的超聲波換能器(10)， a3)所述超聲波換能器(10)設(shè)置在相應(yīng)的傳感器環(huán)(81-88)的ー個(gè)扇形段(30)中，該扇形段在該相應(yīng)的傳感器環(huán)(81-88)的圓周方向上在該傳感器環(huán)(81-88)的圓周的至少ー個(gè)局部段上延伸， b)將ー個(gè)從ー個(gè)傳感器環(huán)(81-88)的ー個(gè)扇形段(30)的多個(gè)超聲波換能器(10)出發(fā)的超聲波檢測脈沖射入到試樣(6)中，各超聲波換能器(10)被同步地或順序地激發(fā)以發(fā)出同種類型的各單個(gè)脈沖，這些單個(gè)脈沖疊加形成所述超聲波檢測脈沖， c)借助探頭(2)的第一超聲波換能器(10)接收第一回波信號(20)并且借助探頭的第ニ超聲波換能器(10)接收第二回波信號(20)，所述第一超聲波換能器和第二超聲波換能器(10)在空間上彼此間隔開，并且所述第一回波信號和第二回波信號(20)通過射入到同ー個(gè)存在于試樣(6)中的缺陷(16)上的超聲波檢測脈沖的反射所引起， d)評估第一回波信號和第二回波信號(20)的測量值以便確定缺陷(16)在試樣(6)中相對于第一超聲波換能器和第二超聲波換能器(10)的位置的方位和/或位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，在射入兩個(gè)依次相繼的超聲波檢測脈沖之間，將所述探頭⑵圍繞軸向方向(L)轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，將多個(gè)用于掃描試樣(6)的檢測脈沖射入到該試樣中，并且在射入兩個(gè)依次相繼的超聲波檢測脈沖之間，將探頭(2)沿一個(gè)在軸向方向(L)上定向的檢測路線運(yùn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，將所述探頭(2)這樣轉(zhuǎn)動或運(yùn)動，使得第一檢測脈沖的聲場和第二檢測脈沖的聲場彼此部分地重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4之一所述的方法，其中，將所述探頭(2)這樣轉(zhuǎn)動，使得在ー個(gè)垂直于軸向方向(U的平面中在發(fā)出第一超聲波檢測脈沖的第一位置和發(fā)出第二超聲波檢測脈沖的第二位置之間測得的轉(zhuǎn)動角度小于同樣在ー個(gè)垂直于軸向方向(L)的平面中測得的第一超聲波檢測脈沖的第一聲場的張角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，至少ー個(gè)傳感器環(huán)(81-88)的超聲波換能器(10)在相應(yīng)的傳感器環(huán)(81-88)上沿整個(gè)圓周設(shè)置，并且這樣激活探頭(2)的超聲波換能器(10)，使得超聲波檢測脈沖形成垂直于軸向方向(L)傳播的環(huán)波的形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，激活ー個(gè)單個(gè)的傳感器環(huán)(81-88)的超聲波換能器(10)以發(fā)射環(huán)波，并且多個(gè)傳感器環(huán)(81-88)的超聲波換能器(10)設(shè)置用來于接收回波信號(20)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，為了超聲波檢測試樣(2)，發(fā)射出多個(gè)超聲波檢測脈沖，并且將探頭(2)在兩個(gè)超聲波檢測脈沖發(fā)射之間的時(shí)間內(nèi)沿一個(gè)在軸向方向(L)上定向的檢測路線運(yùn)動。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述探頭(2)沿所述檢測路線移動ー個(gè)這樣的步寬，其大小相當(dāng)于用于檢測的超聲波檢測脈沖的半個(gè)波長，該波長在試樣出)的材料中測得。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，為了評估測量值，考慮通過多個(gè)不同的超聲波檢測脈沖所引起的回波信號(20)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9和10所述的方法，其中，在評估多個(gè)不同的超聲波檢測脈沖時(shí)考慮所述步寬。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，基于所接收的回波信號(20)，計(jì)算試樣(6)的三維的層析X射線圖像。
13.用于超聲波檢測試樣(6)的裝置，該試樣具有在軸向方向(L)上延伸的孔(26)，所述裝置包括 a)探頭(2)，該探頭具有多個(gè)在軸向方向(L)上依次設(shè)置的并且彼此間隔開的傳感器環(huán)(81-88)，所述傳感器環(huán)在垂直于軸向方向(L)的平面中延伸并且具有多個(gè)在傳感器環(huán)(81-88)的圓周方向上彼此間隔開地設(shè)置的超聲波換能器(10)，所述超聲波換能器(10)設(shè)置在相應(yīng)的傳感器環(huán)(81-88)的ー個(gè)扇形段(30)中，該扇形段在該相應(yīng)的傳感器環(huán)(81-88)的圓周方向上在該相應(yīng)的傳感器環(huán)(81-88)的圓周的至少ー個(gè)局部段上延伸， b)用于實(shí)施根據(jù)上述權(quán)利要求I至12之一所述的方法的處理單元(28)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，至少ー個(gè)傳感器環(huán)(81-88)的超聲波換能器(10)在該傳感器環(huán)(81-88)上沿整個(gè)圓周設(shè)置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述超聲波換能器(10)在傳感器環(huán)(81-88)的圓周方向上彼此間隔開這樣的間距(A)，該間距大于能由這些發(fā)射元件(10)發(fā)射的檢測脈沖的半個(gè)波長，該波長在試樣出)的材料中測得。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的裝置，其中，在探頭(2)的軸向方向的投影中觀察，在縱向方向(U上依次相繼的各傳感器環(huán)(81-88)的超聲波換能器(10)在探頭(2)的ー個(gè)共同的圓周方向上分別彼此相對偏移一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)動角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于超聲波檢測試樣(6)的方法，該試樣具有在軸向方向(L)上延伸的孔(26)，其中，探頭(2)設(shè)置在孔(26)內(nèi)部并且在軸向方向(L)上延伸。探頭(2)具有多個(gè)在軸向方向(L)上依次設(shè)置的并且彼此間隔開的傳感器環(huán)(81-88)，所述傳感器環(huán)在垂直于軸向方向(L)的平面中延伸并且具有多個(gè)彼此間隔開的超聲波換能器(10)。所述超聲波換能器(10)設(shè)置在相應(yīng)的傳感器環(huán)(81-88)的一個(gè)扇形段(30)中，該扇形段在該相應(yīng)的傳感器環(huán)(81-88)的圓周方向上在該傳感器環(huán)(81-88)的圓周的至少一個(gè)局部段上延伸。為了超聲波檢測試樣(6)，將由一個(gè)傳感器環(huán)(81-88)的扇形段(30)的超聲波換能器(10)出發(fā)的超聲波檢測脈沖射入到試樣(6)中。緊接著，借助在空間彼此間隔開的第一和第二超聲波換能器(10)接收多個(gè)回波信號(20)。所述回波信號(20)通過射入到同一個(gè)存在于試樣(6)中的缺陷(16)上的超聲波檢測脈沖的反射所引起。
文檔編號G01N29/22GK102648408SQ201080044610
公開日2012年8月22日 申請日期2010年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月1日
發(fā)明者F·莫爾, G·恩格爾, K·M·雷迪, M·克勒寧 申請人:智能Ndt系統(tǒng)服務(wù)有限公司