專利名稱：超聲波檢查方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及零部件的檢査，尤其是零部件的超聲波檢査。
背景技術：
具有復雜形狀表面的零部件通常遍及于產(chǎn)業(yè)和政府操作中。很多時間，這些 表面的精確形狀在需要進行檢査之前都是未知的。例如，在商用核反應堆工業(yè)中， 就有許多復雜曲線的零部件和焊接。目前，從外部表面來進行管道焊接的超聲波 檢測的高效高質量的方法和流程僅僅只適用于一般較為平整和平滑的幾何形狀。 然而，現(xiàn)場的經(jīng)歷表明到目前為此，這些流程都顯示出這些焊接的相當奪得部 分既不是平整的也不是平滑的。 一般來說，超聲波檢查所遇到的現(xiàn)場條件包括在 焊接頂部條件中的變化以及在諸如直徑焊接收縮之類的其它表面不規(guī)則的范圍內(nèi) 的變化。
工業(yè)零部件的相位陣列超聲波測試已經(jīng)在過去的二十年內(nèi)得到了廣泛的應 用。相位陣列超聲波測試是一種超聲波測試方法，在該方法中，換能器是由一個 小的單個元件的陣列所組成，其中各個元件都具有它們各自的脈沖發(fā)生器和接收
器通道。各個元件都很小，從而確保了較寬的波束擴散。在發(fā)射的過程中，各個 元件都以精確確定的時間來產(chǎn)生脈沖的發(fā)生，使得各個元件所發(fā)出的超聲波在相 同的時間內(nèi)到達零部件體積中的聚焦點。在接收方面，來自各個元件的信號延遲 精確的時間，使得從零部件體積中的聚焦點反射的信號都是同相的。隨后，將延 遲接收到的信號累加在一起，當形成聚焦點的反射時就產(chǎn)生最大幅值的信號。由 于適用于發(fā)射和接收的這些時間延遲是電子應用的，所以它們可以快速變化。這
就允許相位陣列波束具有可編程和快速改變的特性，例如，可以高于每秒20,000 次的速率來改變，使用這些技術，超聲波束的聚焦點可以角度變化進行電子掃描， 可以通過一定深度的范圍進行掃描，可以沿著并行于探頭進行線性掃描，或者可 以任何其它所需圖案進行掃描，這種多功能性引起了相位陣列超聲波在工業(yè)測試
中得到廣泛的應用。
具有各種不同曲線、波形或者不規(guī)則表面的零部件一直是超聲波測試的挑戰(zhàn)。 如果表面具有已知的規(guī)則幾何形狀(例如，圓柱形)，在某種情況下，超聲波探 頭可以設計和制造成便于零部件的檢査。使用相位陣列超聲波，有可能(在許多 情況下)通過調整在發(fā)射和接收所使用的延遲時間來彌補已知的表面幾何形狀。 聚焦法則計算器可以在商業(yè)上大大便于將相位陣列超聲波波束設計成具有簡單的 有規(guī)則的表面幾何形狀。然而，當表面輪廓在檢查之前沿著表面以一種未知的方 式變化時，這就沒有方法可以有效的進行超聲波檢查。例如，當管道己經(jīng)焊接好 并且焊接接地是平滑的收口但不是平整的時，就會出現(xiàn)這種情況。時常將水管道 用在換能器和將超聲波導入和導出的部分之間，從而能夠很容易地進行自動掃描 并獲得可靠的耦合。
圖1和圖2圖示說明了表面不規(guī)則對超聲波脈沖的影響。圖1顯示了在平整 表面上的超聲波波束是如何快速聚焦在所希望的區(qū)域內(nèi)的。圖2顯示了由于曲線 表面使得超聲波波束如何發(fā)散的。很顯然，如果要保持超聲波檢測的真實性，就 必須適應表面輪廓的變化。
美國專利公報No.US2005/0150300、題為"使用輪廓表數(shù)據(jù)進行超聲波檢查的 設備禾口方法(Device and Method for Ultrsonic Inspection Using Profilometry Data)"
披露了一種在滑板結構上使用幾個超聲波探頭且在換能器和零部件表面之間采用 水耦合的方法。該結構提供一種確定表面輪廓的能力，以便于通過補償由不平整 表面所引起的反射器位置上的誤差來校正零部件的檢査。然而，它不能包括校正 在超聲波波束寬度方向上由于不平整表面輪廓所引起的超聲波波束的能力。于是， 它的應用僅僅限制于波束所進入表面的波束寬度方向上被認為是平整的表面。這 種限制是非常有限的，正如圖2所示，因為即使1.5英寸半徑的曲線也會使典型的 超聲波波束產(chǎn)生嚴重的波束失真。
已經(jīng)研發(fā)出柔性相位陣列探頭，它能夠適用于復雜幾何形狀零部件的表面進 行超聲波檢查。這在題為"適用于具有復雜幾何形狀的零部件的接觸檢查的柔性 相位陣歹U換能器(A Flexible Phased Array Transducer for Contact Examination of Components with Complex Geometry)"(關于非破壞性檢測的第16屆世界大會上 提出的，蒙特利爾，加拿大，8/30-9/3， 2004)的文獻中進行討論。在該項實驗工
作中，已經(jīng)研發(fā)了一種柔性壓電式探頭，它可以將測試設備貼近各個單獨的元件。 單獨的元件被壓緊，使之適應于不平整的表面輪廓。通過測量各個單獨元件與位 置傳感器的垂直位置，就可以計算出相位陣列延遲，從而可以彌補和消除由于不 規(guī)則表面所產(chǎn)生的波束失真。然而，保持探頭元件和耦合超聲波導入部分的部分 表面之間的密切接觸將會成為問題。為了確保在元件和部分之間良好的超聲波耦 合，就需要使用耦合液體或者膠體來填充不大于千分之一英寸厚的間隙。在許多 特殊的情況下，表面條件不可能這樣做。
C.Holmes， B.Drinkwater和P.Wilcox署名的文章(Insight, Vol.46， No.ll, 677-680 (2004))討論了單片(單個元件)超聲波換能器的使用。超聲波波束特 性可以設置但不可改變。 一個探頭可以水的路徑來工作以測量表面輪廓，并且另 一個用于內(nèi)部檢查的不同探頭與零部件的表面相接觸。由于在該文章中所討論的 超聲波探頭不是柔性的，因此只能在平坦的表面上工作。探頭的平坦表面必須是 在探頭的整個面積上與零部件的平坦表面相接觸，并且在探頭和零部件表面之間 采用液體耦合劑來實現(xiàn)不大于千分之一英寸厚的耦合，從而便于適當?shù)夭僮?。?此，該設備只能對包括平坦表面部分的零部件進行工作。在從一個平坦區(qū)域到另 一個平坦區(qū)域的過渡區(qū)間，內(nèi)部檢査探頭就不能工作。這種方法只能適合于具有 較大曲率半徑的曲線表面，這些曲線表面在探頭的區(qū)域中基本上是平坦的。對于
典型的換能器來說，為了使用這種方法，曲率半徑必須大于幾英尺。這種方法所 提供的校正只限制于從用于表面輪廓變化的超聲波數(shù)據(jù)中來校正內(nèi)部反射的位 置。由于從各個探頭到反射器的波束角度和距離都是已知的，并且通過知道探頭 對表面和表面輪廓的精確位置，就能夠采用該文章所討論的方法來計算反射器在 全局座標系統(tǒng)中的位置。然而，這種方法只能適用于現(xiàn)有的不平整表面零部件中 相對較小的一部分。這種方法并不能根本解決由于在探頭區(qū)域中的不平坦表面所 引起的波束失真的問題。這就強調了這種方法只能應用于在探頭區(qū)域中表面部分 是平坦的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對在現(xiàn)有技術中的不足，提出了一種適用于超聲波檢查具有紋波或 不平整表面的零部件的方法。多元件陣列超聲波換能器可采用實質流體層來工作，
比如諸如至少幾個超聲波波長的厚度的水且設置在陣列換能器和零部件表面之 間。該流體層可以通過將零部件浸漬在液體中或者通過在探頭和零部件表面之間 使用附著的耦合劑柱來保持。掃描零部件，使用機械式劃針、激光或者超聲波技 術來測量兩維的表面輪廓。 一旦獲得了零部件表面的精確表面輪廓之后，就計算 數(shù)據(jù)處理參數(shù)以便處理從零部件內(nèi)部反射的超聲波信號。
具有本發(fā)明新穎性特征的各項性能將在附屬于本發(fā)明并構成本發(fā)明部分內(nèi)容 的權利要求中特別指出。為了更好地理解本發(fā)明，以及通過它的使用所帶來的操 作優(yōu)點，參考構成本發(fā)明部分內(nèi)容的附圖和描述材料來詳細說明本發(fā)明的較佳實 施例。


在附圖中，構成了本發(fā)明的部分內(nèi)容，并且在附圖中所顯示的標號都設計成 在全文都是相同的或者指定相同部分，附圖包括
圖1圖示說明了通過平整表面引入到零部件中的超聲波脈沖的效應； 圖2圖示說明了通過不平整表面引入到零部件中的超聲波脈沖的效應； 圖3圖示說明了超聲波波束在兩個不同材料界面上的折射和反射；以及 圖4是多元件陣列探頭射線軌跡的實例。
具體實施例方式
在本發(fā)明的檢查方法采用至少三種不同的方式來實現(xiàn)的同時，各種方法都存 在著一些相同的地方。
第一個相同的地方是較佳地使用了多元件的陣列超聲波探頭。 另一個相同的地方是采用實質液體路徑將探頭與被檢査的零部件相分離的， 該液體可以是水，也可以是膠體，但是較佳的是水，因為它對于工作是最方便的。 目前超聲波換能器檢査一般所采用的方法都是換能器與被測零部件采用液體或者 膠體來耦合，其中液體或膠體的厚度為小于幾千分之一英寸，這就意味著換能器 是基本上幾乎接觸著被測零部件。于是，對于本發(fā)明而言，旨在使實質液體路徑 在換能器和零部件之間至少有幾個超聲波波長的程度，從而在換能器和零部件之 間有著一個空間，這就允許在零部件上的相當小的曲率半徑的不平整表面不會導
致在換能器和零部件之間的接觸。這一水的路徑一般是在3mm至25mm的范圍之 間。
另一個相同的地方是掃描零部件，從而獲得被測零部件的兩維表面輪廓。然 而，所使用的掃描方式可以是不同的并且將在下文中作進一步討論。
另一個相同的地方是基于被測零部件的表面輪廓，利用超聲波探頭位置的函 數(shù)來計算信號處理參數(shù)，從而校正由于反射超聲波脈沖所引起的超聲波波束的失 真。
在較佳實施例中，被測零部件通過每次只發(fā)射多元件陣列探頭中的各個單個 UT探頭并且記錄所接收到的在陣列中的各個元件反射超聲波波形來進行掃描，使 得完整數(shù)據(jù)集可以適用于每一個發(fā)射和接收的獨立組合的各個探頭位置來記錄。 對超聲波波形的可控陣列進行處理，以便于測量零部件的表面輪廓?；谒鶞y量 到的表面輪廓，利用校正不平整表面的探頭位置函數(shù)來計算信號處理參數(shù)，并且 消除在零部件內(nèi)部反射器的反射信號中所產(chǎn)生波束失真。處理數(shù)據(jù)的收集陣列， 利用在先前步驟中所計算的編碼探頭位置函數(shù)來改變信號處理參數(shù)，以便于基于 來自零部件內(nèi)部的反射信號來分析(檢查)部件的內(nèi)部。
在較佳的實施例中，較為熟悉的合成孔徑聚焦技術(SAFT)可以用于形成立 體點聚焦所需的兩維孔徑，從而提高靈敏度和改善精確度。SAFT技術較為容易應 用于矩陣發(fā)射/聚焦方案，因為來自各個元件的所有波形都被存儲了。隨后，使來 自多個探頭位置的波形聚焦在一個聚焦點從而獲得SAFT效益就是一件十分容易 的事情。
在另一實施例中，掃描被測零部件，從而使用機械式劃針、基于激光的技術、 超聲波技術或者類似技術中的任意一種技術以編碼探頭位置作為函數(shù)來測量兩維 的表面輪廓?；谒鶞y量到的表面輪廓，以探頭位置作為函數(shù)來計算信號處理參 數(shù)。這些信號處理參數(shù)用于校正不平整的表面，從而消除在反射信號中所產(chǎn)生的 波束失真效應。隨后，將所計算的信號處理參數(shù)下載到連接著兩維超聲波陣列換 能器的商用相位陣列儀器中。之后，使用下載到相位陣列儀器中的信號處理參數(shù) 采用多元件陣列超聲波探頭來掃描零部件。這就可以通過電子選擇基于超聲波陣 列探頭位置的信號處理參數(shù)并且使用這些探頭來接收、處理和記錄從零部件內(nèi)部 的反射器所反射回來的脈沖。
在另一實施例中，被測零部件可采用上述方法進行掃描，以便于測量表面輪 廓。在掃描零部件測量表面輪廓的同時，具有各個單個陣列元件的多元件超聲波 探頭每次之發(fā)射一個。記錄從陣列中的各個元件所接收到的超聲波波形，從而記 錄發(fā)射元件和接收元件的每一個唯一組合在各個探頭位置上的完整數(shù)據(jù)集?；?上述指示的測量表面輪廓來計算信號處理參數(shù)。隨后，使用最新計算的信號處理 參數(shù)來處理從各個元件的單獨反射中所接收到的數(shù)據(jù)收集陣列，從而校正表面的 不規(guī)則和消除重零部件中的內(nèi)部反射器反射信號中所發(fā)生的波束失真效應。
各個實施例都可以在單個陣列探頭具有反射器和接收器的作用或者兩個多元 件陣列探頭可以用于其中一個探頭作為反射器使用和第二個探頭作為接收器使用 的條件下來實現(xiàn)。使用雙探頭作為分離的反射器和接收器減小了來自液體和零部 件表面之間界面反射的幅值，這會使系統(tǒng)對來自零部件內(nèi)部的近表面反射"失盲"。 使用雙探頭的信號處理參數(shù)的操作和計算與使用一個單獨組合反射器/接收器探頭 時相同，除了害需要考慮兩個探頭的相對位置。在這種情況下，通過在分離接收 器探頭接收到來自零部件內(nèi)部的反射超聲波的同時以脈沖/回聲模式(在這個探頭 中的相同元件上發(fā)射和接收)來操作反射器探頭就可以獲得表面輪廓信息。兩個 探頭是在橫向上分離的。反射器(第一)探頭將超聲波脈沖發(fā)射到耦合液體和零 部件的內(nèi)部并且接收來自零部件表面的超聲波反射，以便于映射零部件的表面輪 廓。接收器(第二)探頭接收來自零部件內(nèi)部的超聲波反射。
使用本發(fā)明采集和處理數(shù)據(jù)的方法，就有可能處理這些數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)建等效 于具有在感興趣區(qū)域內(nèi)的各個點上聚焦的超聲波波束的圖像。也有可能處理來自 不同數(shù)量元件的數(shù)據(jù)，以便于適用于零部件的不同區(qū)域，從而有效地改變孔徑。 例如，有效孔徑可以隨著聚焦距離的增加而增加，從而保持使用檢測區(qū)域的恒定 的聚焦寬度，因為聚焦寬度由下式給出
聚焦寬度~=(焦距)(超聲波波長)/ (有效探頭寬度)
這主要意味著本發(fā)明的方法可以以下所討論的方式來完成。
零部件的表面輪廓可以使用陣列探頭超聲波來精確測量。這是通過在零部件 部分進行掃描，在以角度電子掃描波束的同時，收集超聲波表面反射數(shù)據(jù)，并隨 后，當認為數(shù)據(jù)已經(jīng)創(chuàng)建了部分表面的精確輪廓時，使用已知的波束角度和探頭 位置來組合已經(jīng)收集到的數(shù)據(jù)。當超聲波波束垂直于表面時，就能獲得來自表面
上一點的最大反射。當組合各個波束角度和探頭位置的數(shù)據(jù)時，來自表面給定一 點上的最高幅值的反射就被用于測量從探頭到表面該點的距離。知道了適用于最 大反射的探頭位置和波束角度，就能夠確定表面該點的位置。通過進行柵格點的 測量來定義表面就能夠獲得整個表面的輪廓。對于陣列發(fā)射收集數(shù)據(jù)而言，可以 進行等效于上述相位陣列處理的信號處理，從而提供相同的獲得表面輪廓的功能。 為了使得整個表面輪廓化，可以在掃描部分的同時超聲波波束是以角度來掃 描的。在適當采集時，所獲得的信號就給出各個探頭位置各個波束角度峰值信號 到達的幅值和時間的信息。相對于探頭的，反射源的空間位置可以利用下式從該 信息中計算出來
<formula>formula see original document page 11</formula>式中roF是反射飛行的測量，F(xiàn),是在液體中聲的速度，^是聚焦波束的角度。 在記錄反射時，這些相對位置數(shù)值都附加到已知的探頭位置上，從而提供精確的 反射器的x、 y位置并存儲于陣列中。通過以x位置位函數(shù)來處理該陣列就可以發(fā) 現(xiàn)對各個x位置都具有最大幅值的反射的y位置，從而可以發(fā)現(xiàn)這一部分的輪廓。 通過沿著零部件的長度方向增加，采用多個掃描線來重復這一處理，零部件的整 個表面輪廓就能夠產(chǎn)生。
為了精確地計算用于處理來自零部件內(nèi)部的數(shù)據(jù)所需的時間延遲數(shù)值，就必 須確定從換能器元件到零部件感興趣的點超聲波飛行所需的路徑。從源元件通過 在零部件表面上的液體/固體界面所傳輸?shù)贸暡ǖ牟ㄔ诮缑嫔闲纬裳苌?。圖3圖 示說明了這種衍射。入射的超聲波的波以角度^撞擊表面。該波在界面上衍射， 并且以Snell定律所給出的角度^進入到部件中
<formula>formula see original document page 11</formula>
式中^是在第一種材料(液體)中的入射角度，^是在第二種材料(固體零 部件)中的衍射角度，^是在第一種材料(液體)中的聲的速度；以及K是在第 二種材料(固體零部件)中的聲的速度。
K可以是固體的剪切波速度或者縱向速度，從而導致剪切波的波束或者衍射縱 向波的波束。計算用于檢查具有不平整表面的零部件所需的時間延遲需要發(fā)現(xiàn)在 源元件和通過不平整表面且滿足Snell定律的所需聚焦點之間的衍射路徑。 一般來 說，這是通過數(shù)值根發(fā)現(xiàn)來進行的。當發(fā)現(xiàn)從各個元件的中心、通過在不平整表 面中的一點、到達滿足Snell定律的所需聚焦點的路徑時，誤差函數(shù)可以定義為零。
該誤差函數(shù)可以由下式給出
<formula>formula see original document page 12</formula>
義/。③是從入射射線與表面的交叉位置到聚焦點X的水平距離，&。皿是從入射 射線與表面的交叉位置到聚焦點X的表面下的深度，^是相對于表面法線的入射 角度，^是耦合液體的超聲波速度，以及K是固體零部件的超聲波速度。誤差函 數(shù)作為沿著部分表面的x函數(shù)來估算。當發(fā)現(xiàn)X的數(shù)值使得E (X)等于零且在相 同的預定容差內(nèi)時，就己經(jīng)找到了滿足Snell定律的聲路徑的解法并且波束以改x 數(shù)值通過表面。發(fā)現(xiàn)滿足Snell定律的其它解法也可以使用。 一旦發(fā)現(xiàn)超聲波路徑 的解法，直接的計算提供信號沿著該路徑傳輸?shù)娘w行時間，從中能夠計算出信號 處理的延遲。
ToF =(在液體中的路徑長度)/ + (在固體中的路徑長度)/ FMM
在圖4中，顯示了多元件(32)陣列探頭通過復雜幾何形狀表面的軌跡實例。 在界面上的材料是水，以及在界面下的材料是鋼。
當使用2D陣列探頭時，這種方法旨在提供三維的。2D陣列探頭一般都包含舉 行的兩維陣列元件。采用這些探頭，通過不平整表面的聚焦涉及到以三維x、 y和 z來求解超聲波路徑。
本發(fā)明提供了幾個優(yōu)點。
主要優(yōu)點之一是通過在部分和探頭之間使用水路徑，可以使用簡單的陣列探頭
并且在可以相對容易地掃描部分表面，以便于進行檢查。水路徑可以通過零部件 浸漬液體水箱中來提供，以便于進行檢查。水路徑也可以通過在探頭周圍使用小 的容器以便于柔性密封零部件的表面并將液體諸如容器，以便于填充在探頭表面 和部分表面之間的區(qū)域。耦合液體的使用通常都能提供可靠的耦合，并使得它自 身能夠進行自動掃描。水路徑也提供了一種測量上述部分的表面輪廓的常規(guī)部件。 本發(fā)明的另一優(yōu)點是允許消除檢查超聲波的波束失真以及精確定位在零部件 內(nèi)部的反射器。正如早先所討論的那樣，即使相當小的偏離平坦表面也會引起超 聲波通過該表面時的嚴重失真。這就證實了這種方法對于較寬范圍內(nèi)的不平整表 面條件都具有良好的魯棒性，包括在表面具有臺階的條件下。由于具有這一優(yōu)點，
這一技術可解決較寬范圍那的不平整表面檢査的問題。
為了實現(xiàn)采用陣列發(fā)射和陣列聚焦的這一技術，在該技術中，來自每一個反射 和接收元件的獨特組合的超聲波波形都進行數(shù)字化并存儲以備后期處理，從而有 可能采用相同的數(shù)據(jù)或者另外采用從一個零部件表面光柵掃描所同時采集到的分 離數(shù)據(jù)來確定表面輪廓和進行零部件的內(nèi)部檢查。這是十分有利的，因為它消除 了需要執(zhí)行兩次掃描來分別獲得表面輪廓數(shù)據(jù)和零部件內(nèi)部的檢査數(shù)據(jù)。另外， 表面輪廓測量必須是十分精確的，以便于能夠對不平整的表面來精確地校正超聲 波波束。通過使用相同的數(shù)據(jù)或者同時獲得的表面輪廓和內(nèi)部檢查數(shù)據(jù)，就可以 確保兩次測量都是在探頭相同的位置上進行的精確采集。采用這種方法有可能使 得表面輪廓的精確測量都在幾千分之一英寸或者小于幾千分之一英寸的范圍內(nèi)。 這就允許由于不平整表面所引起的失真能夠消除并且提供在零部件內(nèi)部反射器的 十分精確的位置。
本發(fā)明有可能采用先進信號處理技術，而在商用行為陣列儀器中是不可能的。 特別是，有可能處理數(shù)據(jù)，從而提供已經(jīng)聚焦在檢査區(qū)域中的每一個點上的圖像， 土工改善的圖像精度。另外，有可能改變檢查探頭的有效孔徑(寬度)，從而提 供恒定的聚焦寬度，并因此提供整個檢查區(qū)域的精度。由于"行"數(shù)據(jù)可以存儲， 所以該數(shù)據(jù)可以任何時間采用任何數(shù)量的不同聚焦參數(shù)來重新處理，從而提供反 映反射器更好特征的其它信息。在具有明顯缺陷的確定零部件的修理或替代非常 昂貴的情況下，在這一改善特征可以十分有益的。
另一優(yōu)點是使用非常簡單的硬件來采集數(shù)據(jù)的能力。例如，最佳實施方式的想
象是使用簡單脈沖發(fā)生器電路和簡單的接收器電路的陣列連接成所有的工作都能 并行的高速數(shù)字化儀，從而實現(xiàn)接收波形的數(shù)字化并將其轉發(fā)給計算機進行處理。 這就需要一些參數(shù)來定義該硬件的工作。相反，商用相位陣列硬件包括，除了上 述的脈沖發(fā)生器/接收器和數(shù)字化儀之外，用于提供發(fā)射脈沖和接收信號兩者可編 程快速切換電子延遲的器件。它們還包括用于累加各個接收天線的延遲信號的電 路。所有這些都需要大量的可編程參數(shù)來滿足它的工作。
另一優(yōu)點是也采用合成孔徑聚焦技術(SAFT)來增加用于從探頭的固定位置 采集數(shù)據(jù)的有源元件所提供的檢查。采用SAFT，從探頭的多個位置上，由各個元 件所收集到的波形中的數(shù)據(jù)可以在經(jīng)過施加給數(shù)據(jù)的適當延遲之后累加在一起。 這基本上是等同于陣列聚焦的相同處理，除了 SAFT的數(shù)據(jù)是來自探頭的多個精確 已知位置。采用陣列聚焦，每一種反射器和接收器元件的獨特組合所產(chǎn)生的數(shù)據(jù) 都可以用于處理中，并且可以顯示為等效于在商用相位陣列儀器所執(zhí)行的處理， 只要刪除所產(chǎn)生的波形即可。采用SAFT，在大的區(qū)域上收集數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生較大的 有效孔徑，這比在探頭的單個位置上所收集到的數(shù)據(jù)在精確度和靈敏度方面都有 所改善。然而，由于數(shù)據(jù)僅僅只收集探頭的物理元件，所以SAFT處理的數(shù)據(jù)實不 能精確地等效于具有較大面積的有源探頭。SAFT在改善檢査的精確度和靈敏度方 面十分顯著。
具有充分小的元件和足夠數(shù)量的元件來提供良好的波束特征的完全2D陣列探 頭的使用在對2D變化表面的工作時會出現(xiàn)問題。具有大量2D元件的換能器制造 十分困難。相當昂貴，并且如果元件變得太小則靈敏度就很差。發(fā)射、收集和處 理來自大量元件的數(shù)據(jù)所化的時間量也可能是矩陣發(fā)射方法所禁止的。能支持大 量元件(>32)的硬件并不一定有效。避免在2D探頭中使用大量元件的一種方法 是使用合成孔徑聚焦技術(SAFT)，以便于提供兩維陣列波形數(shù)據(jù)集所需的一維 數(shù)據(jù)。采用SAFT，可以制造具有較窄橫向寬度的1D陣列探頭，從而在各個單獨 元件的橫向方向上提供良好的波束擴散性。1D陣列探頭采用在部分表面上的光柵 掃描，像矩陣聚焦方法所討論的那樣來收集數(shù)據(jù)。隨后，使用矩陣聚焦和SAFT 的組合來處理數(shù)據(jù)。這具有非常直截了當?shù)挠布嵤┓椒ǖ膶崿F(xiàn)優(yōu)點。盡管顯示 出在某些情況下它不能提供像完全2D陣列那樣的良好靈敏度，但是這是一種非常 使用的設計方法，它能夠使零部件檢查的表面可以兩維變化。SAFT可以用于增加
在任意方向上或者兩個方向上所收集到的數(shù)據(jù)的處理。
在以上已經(jīng)顯示和討論特殊實施例和/或本發(fā)明的細節(jié)來說明本發(fā)明原理的應 用的同時，應該理解的是本發(fā)明在權利要求書中作了更加全面的描述，或者本領 域中的熟練技術人員應該知道，這些都不背離本發(fā)明的原理。
權利要求
1.一種用超聲波檢查具有不平整表面的零部件的方法，該方法包括a.在多元件陣列超聲波換能器和零部件之間設置厚度至少是幾個超聲波波長的流體耦合；b.掃描所述零部件，使各個單獨的超聲波元件每次發(fā)射一個；c.記錄從所述陣列中的各個元件處接收到的反射的超聲波波形；d.處理所收集到的超聲波波形數(shù)據(jù)陣列，以測量所述零部件的表面輪廓；e.基于所測量到的表面輪廓，作為探頭位置的函數(shù)，來計算信號處理參數(shù)，從而消除波束的失真；以及f.使用最新計算的信號處理參數(shù)來處理所收集到的數(shù)據(jù)陣列，從而校正所述零部件的表面不規(guī)則并獲得所述零部件內(nèi)部反射器的檢查。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，a. 使用橫向上相互分離的第一和第二多元件陣列超聲波探頭來進行檢查；b. 第一超聲波探頭被用于將超聲波脈沖發(fā)射到所述耦合液體和所述零部件的 內(nèi)部，并且接收來自所述零部件表面的超聲波反射，從而映射出所述零部件的表 面輪廓；以及c. 第二超聲波探頭被用于接收來自所述零部件內(nèi)部的超聲波反射。
3. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，在處理所收集到的數(shù)據(jù)陣列的步 驟中，采用合成孔徑聚焦技術。
4. 一種用超聲波檢查具有不平整表面的零部件的方法，該方法包括a. 在多元件超聲波陣列換能器和零部件之間設置厚度至少是幾個超聲波波長 的流體耦合；b. 作為編碼的超聲波探頭位置的函數(shù)來測量所述零部件的兩維表面輪廓；c. 基于所測量到的表面輪廓，作為編碼的超聲波探頭位置的函數(shù)來計算信號 處理參數(shù)，從而消除波束失真；d. 將所計算的信號處理參數(shù)下載到超聲波儀器中；以及e. 在使用下載的信號處理參數(shù)的情況下根據(jù)編碼的超聲波陣列探頭位置，用 超聲波陣列換能器來掃描零部件，從而檢査零部件的內(nèi)部。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使 用機械式劃針來確定的。
6. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使 用基于激光的技術來確定的。
7. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使用檢查零部件內(nèi)部所用的相同的超聲波換能器儀器來確定的。
8. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所使用的超聲波儀器是多元件相位陣列超聲波儀器。
9. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，a. 使用橫向上相互分離的第一和第二多元件陣列超聲波探頭來進行檢查；b. 第一超聲波探頭被用于將超聲波脈沖發(fā)射到耦合液體和零部件的內(nèi)部，并 且接收來自零部件表面的超聲波反射，從而映射出零部件的表面輪廓；以及c. 第二超聲波探頭被用于接收來自零部件內(nèi)部的超聲波反射。
10. —種用超聲波檢査具有不平整表面的零部件的方法，該方法包括a. 在多元件陣列超聲波換能器和零部件之間設置厚度至少是幾個超聲波波長 的流體耦合；b. 根據(jù)編碼的超聲波探頭位置來測量零部件的兩維表面輪廓；c. 在測量零部件的兩維表面輪廓的同時，使超聲波換能器中的各個單獨的元 件每次發(fā)射一個；d. 針對超聲波換能器中的各個單獨的元件，記錄所反射的超聲波波形；e. 基于所測量到的表面輪廓，作為編碼的超聲波探頭位置的函數(shù)，來計算信 號處理參數(shù)，從而消除波束失真；以及f. 使用最新計算的信號處理參數(shù)來處理所收集到的來自各個單獨的換能器元 件的數(shù)據(jù)陣列，從而校正零部件中的表面不規(guī)則。
11. 如權利要求IO所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是 使用機械式劃針來確定的。
12. 如權利要求IO所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使用基于激光的技術來確定的。
13. 如權利要求IO所述的方法，其特征在于，所述零部件的兩維表面輪廓是使用超聲波技術來確定的。
14. 如權利要求IO所述的方法，其特征在于，a. 使用橫向上相互分離的第一和第二多元件陣列超聲波探頭來進行檢査；b. 第一超聲波探頭被用于將超聲波脈沖發(fā)射到耦合液體和零部件的內(nèi)部，并 且接收來自零部件表面的超聲波反射，從而映射出零部件的表面輪廓；以及c. 第二超聲波探頭被用于接收來自零部件內(nèi)部的超聲波反射。
15. 如權利要求IO所述的方法，其特征在于，在處理所收集到的數(shù)據(jù)陣列的 步驟中，采用合成孔徑聚焦技術。
全文摘要
一種適用于超聲波檢查具有波紋或不平整表面的零部件的方法。多元件陣列超聲波換能器采用在陣列換能器和零部件表面之間的實質流體層(例如，水)工作。該流體層可以通過將零部件浸漬在液體中或者通過在探頭和零部件表面之間使用附著的耦合劑柱來保持。掃描零部件，使用機械式劃針、激光或者超聲波技術來測量兩維的表面輪廓。一旦獲得了零部件表面的精確表面輪廓之后，就計算用于處理從零部件內(nèi)部反射的超聲波信號的數(shù)據(jù)處理參數(shù)，以便于消除由于不平整表面所產(chǎn)生的波束失真效應和反射器錯位。
文檔編號G01N29/26GK101191786SQ200710196418
公開日2008年6月4日 申請日期2007年11月28日 優(yōu)先權日2006年11月29日
發(fā)明者B·E·考克斯, D·T·麥克勞什蘭 申請人:Bwx技術股份有限公司