专利名称：非破坏性超声测试方法以及用于实现该方法的设备的制作方法
非破坏性超声测试方法以及用于实现该方法的设备本发明涉及用于超声材料测试的脉冲-回声方法。由此，这是一种用于发现材料 瑕疵的声学方法，其中使用了超声。超声测试属于非破坏性测试方法。由此，也可以测试处 于内置状态中的多种部件，例如，飞机的轴承元件。对于声音传导材料(包括大多数金属)， 比如焊缝、锻件、铸件、半成品或管子，超声测试是一种用于发现内部和外部瑕疵的合适的 测试方法。在机器构造过程中，检查部件的质量是一项重要的要求，为的是确保乘用运输设 备或有毒材料管路的安全。测试火车定期地测试铺设的铁轨。因此，目标是增大这种方法 的可靠性。像所有的测试方法那样，超声检测也是标准化的并且根据一些指南来执行(比如 DIN EN 10228-3 1998-07, "Non-Destructive Testing of Forgings of Steel-Part 3 Ultrasonic Testing of Forgings of Ferritic and Martensitic Steel，，,该指南弓|用在 此作为参考)。对于用超声对测试工件进行非破坏性测试而言，已知有合适的测试装置和方 法。通常会参考 J.和H. KrautkrSmer教科书"Materials Testing with Ultrasound”(第 六版)。这种方法通常基于声波到边界面的反射。作为声源，大多数情况下使用超声换能 器或探头，其辐射处于IOkHz到IOOMHz的频率范围中。使用脉冲-回声方法时，超声换能 器不发射任何连续的辐射，而是发射非常短的声学脉冲，其持续时间是1 μ s和更小。从发 射机发出的脉冲按照合适的声速穿过待测的测试工件，并且被几乎完全地反射到金属-空 气界面。这种声换能器一般可以不仅发出脉冲，也还能将输入的脉冲转换成电学测量信号； 由此，它也用作接收机。用示波器或计算机单元来测量声学脉冲从发射机穿过工件再返回 所需要的时间，模数转换器在上游连接到该示波器或计算机单元。使用该材料中已知的声 速c，可以按照这种方式来测试样品的厚度。对于工件与超声换能器之间的耦合，将耦合剂 (例如，膏(溶液)、胶、水或油)涂到待测工件的表面。大多数情况下，使用这种探头会使 待测表面报废。这可以手动地实现，或按照机械化的方式实现，或自动地实现(在装配线路 之内)。对于后者，测试工件通常被浸入到合适的流体中(浸入技术)，或者被局部弄湿，为 的是传送声学信号。边界面(即用于限定测试工件的外表面)以及内部边界面(即内部的瑕疵，比如 腔(中空的空间)、内含物、裂纹或待测工件内部结构中的另一处分离)处的声学性质的变 化反射该声学脉冲并且将其发送回给该探头中的振荡器，该探头既用作发射机又用作接收 机。发射和接收之间的时差允许计算该路径。通过测得的时差，产生了信号图像，并且在监 视器或示波器上显示出该信号图像。通过该图像，可以确定位置，并且如有必要，可以通过 与替换反射器(平底洞(圆形盘状反射器)、沟槽、横钻孔)进行比较，来评估瑕疵(用技术 术语称之为“不连续之处”)的尺寸。一般，可以检测其尺寸约为0.6mm的不连续之处，使用 特殊的方法也可以检测达到0. Imm或更小的不连续之处。使用自动测试装备时，存储该信 息，针对该测试工件而综合地考虑该信息，并且立刻或随后按照不同的方式对该信息进行 存档。上述探头所产生的超声脉冲通常都按照固定的脉冲重复频率被重复地照射到该工件中。因为工件的侧壁表面或侧壁表面部分通常取向成垂直于传播方向并彼此平行，所 以这些侧壁表面处发生多重反射(多个回声)，由此脉冲在工件中来回穿行，这些反射与其 它可能的反射都穿过不连续之处而被探头接收到。因高反射系数的缘故，这些多重反射的 脉冲是清晰可辨的。如果这些脉冲接在清晰的时间-延迟之后，如果脉冲重复频率是相对 较低的，则通过信号图像中的时间分离，多重反射可以很容易地归因于相关联的脉冲。如果 脉冲重复频率如此之高(即脉冲之间的时间-延迟如此之小)，则看起来很不同的是多重 反射(由此，那些被不止一次反射到工件侧壁表面的多个脉冲)是在发射下一个或后续脉 冲之后才被首次检测到的。然后，下列危险是存在的在后续脉冲之后发生的在先脉冲的 多重反射没有被这样检测，而是被错误地视为紧接在前面的脉冲的反射(即回到后者的反 射)，这可能是通过工件中存在的不连续之处产生的。这导致了工件测试过程中的错误的警 报，使得该工件被重新检查或者有可能被错误地丢弃。这种生产成本就增大了。上述配置 问题因脉冲重复频率的石英稳定性而增大了。本发明的发明人已认识到这个问题并看到了 他的任务。此外，发明人已提供了针对这个问题的解决方案。本发明的任务是使工件测试的脉冲-回声方法更可靠，并指定一种超声测试设 备，该设备允许更可靠地测试工件。该任务是通过权利要求1的方法和权利要求7的设备 来实现的。从属权利要求涉及到各种有优势的实施方式。本发明涉及一种非破坏性超声测试方法，其中，具有脉冲重复频率的超声脉冲通 过超声发射机而在待测工件中反复回荡，该待测工件主要由声音传导材料构成。根据本发 明，超声脉冲被反射到工件中的多个边界面。在本发明中，边界面这一概念可以被宽泛地解 释。例如，它可以是外部边界面(即工件限定性侧壁表面)，然而，它也可以是内部边界面 (即工件内部瑕疵，比如腔(中空的空间)、内含物、裂纹或该结构中的另一处分离)。被反 射的超声取决于边界面的反射行为，在大多数情况下，被反射的超声也是脉冲形式的信号， 根据本发明通过超声接收机来记录被反射的超声。关于超声接收机和超声发射机，它可以 是一个即同一个超声换能器；然而，并非必须如此。按照与时间或位置有关的描绘方式，通 过示波器或计算机程序产品来显示所记录的信号，计算机程序产品是在带有显示设备的计 算机上执行的。例如，通过传播速度，将与位置有关的描绘以及与时间有关的描绘连起来。根据本发明，上述方法的特征在于，在该方法的实现过程中，脉冲重复频率f至少 突然变化一次，即较佳地，脉冲重复频率f至少有一次增大或减小预设的跳变量值Δι。由 此，该方法变得更可靠，因为脉冲重复频率f的变化允许将多重反射清晰可见地分配给它 们的相关联的脉冲。尽管脉冲重复频率f有变化，但是特别是在具有共平面侧壁的工件中 按规则出现的多重反射(多个回声)在与时间有关的描绘中保持它们的相互距离。然而， 通过改变脉冲重复频率f，脉冲及其经描绘的多重反射发生了时间偏移；使用与时间有关 的或与位置有关的描绘方式，这种偏移是可辨识的和可标识的。这种标识是有优势的，特别 是在先前发射的脉冲的多重反射在时间上落在发射后续脉冲之后并由此被错误地视为后 续脉冲被工件中的不连续之处的反射的时候。在这种情况下，根据本发明的程序方法是特 别有用的。通过改变脉冲重复频率f，在先脉冲的这种多重反射改变了其在关于后续脉冲或 关于后续脉冲的反射的、与时间有关的或与位置有关的描绘中的距离。如果不是这样，则它 一定是后续脉冲的反射，并且如有必要，根据时序，它是可归因于工件中的不连续之处的反 射。由此，根据本发明的方法增大了使用超声脉冲的这种测试方法的可靠性，使反射达到最少，并减小了生产成本。较佳地，脉冲重复频率f落在500Hz到1. 5kHz的范围中，落在900Hz到1. IkHz的 范围中更佳，落在990到IkHz的范围中尤佳。例如，它等于994Hz。已经显示出，使用这种 脉冲重复频率f时，可以执行特别快的且可靠的测试。在更有利的实施方式中，跳变Δ ·(脉冲重复频率f改变了这个量值)即跳变宽度 是在0. 25到IOHz的范围中，在0. 5Hz到5Hz的范围中更佳。尤佳地，跳变宽度等于1Hz。 在扩大的采样过程中，已显示出，在按不同时序排列的脉冲的反射之间如此选择的频率跳 变Δ f足以在使用通常出现的脉冲半宽的情况下使其多重反射保持清晰可辨地分离状态。较佳地，根据已定义的时间间隔，重复地(比如来回地)改变脉冲重复频率。由此， 已定义的时间间隔落在100到500ms的范围中并且最好等于400ms。如果脉冲重复频率f是石英稳定化的，则该方法经证明是特别有优势的。因为如 此一来比较稳定地产生连续的脉冲的频率f，所以相关联的反射的时序可以比较精准地确 定。根据本发明的方法在一个实施方式中是自动地启用的，其中，在400ms的持续时 间到期之后通过定时器电路使脉冲重复频率f从994Hz减小IHz达到993Hz，为的是在 400ms的持续时间到期之后再次增大至994Hz。这被周期性地重复，一直到根据本发明的方 法中断为止。在另一个实施方式中，例如，使用了 CA 211a类型的超声换能器(由GE Inspection Technologies GmbH 公司提供，公司地址是 Robert Bosch 大街 3 号，50354 Htoth，德国)，该超声换能器与同一公司提供的USLT 2000类型的超声测试装置结合着使 用。例如，用厚度大于200mm的待测不锈钢单元来实现该方法，其中，按垂直进入的方式来 注入该超声。其它有优势的实施方式源自根据本发明的下述设备的各种方法装备，它们也可以 被完整地画出来以进一步开发本发明的方法。提供了一种根据本发明的设备，用于对有生命的或无生命的待测单元进行非破坏 性超声测试。它具有超声发射器，配备成产生超声脉冲并使声音进入待测单元。提供了超 声接收机，它也可以与超声发射机完全一样，以接收进入到待测单元中的超声脉冲的回声 信号。此外，提供了控制单元，配备成激发该超声发射机，以便发射具有已定义的脉冲重复 频率f的一系列超声脉冲。由此，提供了最好在参考振荡器上稳定化的时钟脉冲发生器，以 使脉冲重复频率f稳定，例如，一种石英稳定化的振荡电路。根据本发明，现在进一步提供频率变化单元，最好该频率变化单元是在控制单元 中，配备成使脉冲重复频率f改变了预设的量值Δι。在该过程中，变化量值Af可以被调 节或改变，较佳地由操作人员手动地进行调节或改变。在特别好的实施方式中，在控制单元 中提供了一种(机械)调节元件(像机械旋转调节旋钮那样)，通过这种元件，可以连续地 或准连续地改变频率变化Δ f(例如，使用超声发射机的数字启动)。或者，变化量值Af可以被如此调节(最好自动地进行调节)，使得与有用的回声 (即与待测单元的真实结构相关连的回声)相比，调节至评估单元的显示器的成像区域的 3-5%的幻影回声的移动是可分辨的。在执行示例的框架中，讨论了一种合适的算法。在另一个有优势的实施方式中，例如，在控制单元中提供了软件-实现的检测单元，配备成检测这种回声信号，在脉冲重复频率f改变了 Δ f期间，这种回声信号从在先激 发脉冲起的时滞T明显发生了变化。特别是，检测单元可以配备成获取检测到的回声信号 的时滞T的明显变化Δ T，并且将其与脉冲重复的变化量Af进行比较。若配备检测单元， 则产生了特别的优点，以标记和/或抑制进一步处理检测到的回声信号，特别是那些其时 滞T随频率Af而变化的回声信号。这样，例如，可以从分配给该设备的显示单元的显示中 排除掉被标识为“幻影回声”的信号，或者以特殊方式(比如彩色标记)指出这种信号。在备选或补充的实施方式中，检测单元配备成改变脉冲重复频率f，直到不再检测 到任何回声信号，在脉冲重复频率f变化期间，这种回声信号从在先激发脉冲起的时滞T明 显发生了变化。在该过程中，脉冲重复频率f的变化可以是连续地发生的，或者按多个分立 的阶段发生变化的。较佳地，向本发明的设备分配一个显示单元，或者显示单元集成到本发明的设备 中，在显示单元上，按照与时间或位置有关的分辨率显示由超声接收机记录的回声信号。尤佳地，本发明的设备相当普遍地配备成在不同的实施方式中以(半)自动方式 执行本发明的方法。在下文中，通过附图，更为详细地解释了本发明，但并不限于所示的那样。在附图 中
图1是根据本发明的设备的示意图，图2-4是根据本发明的方法的框架的典型信号运行的示意图(“A-扫描”)，以及图5是评估单元的显示器上所描绘的回声连续序列的示意图，用于说明脉冲变化 频率Af的自动调节。例如，图1示意性地示出了根据本发明的设备1的实施方式。根据本发明的设 备1包括控制单元20，控制单元20电连接到超声发射机10，超声发射机10同时用作超声 接收机。超声发射机10包括超声换能器，超声换能器被安排在启动主体12上(例如，由 plexiglas 制造)，其中，这两者都被安排在同一外壳中。控制单元20配备成激发超声发 射机10，用于发射一系列超声脉冲，这些脉冲具有规定的脉冲重复频率f，该频率f通常落 在约为IkHz的范围中。为了使脉冲重复频率f稳定化，在控制单元20中提供了石英稳定 化时钟脉冲发生器22，其中，最好将温度稳定化石英晶体用作参考振荡器。超声发射机10配有启动主体12，启动主体12位于待测单元100的输入表面101 上，超声发射机10将这些具有声频(该声频落在IOkHz到IOMHz的范围中，落在1到5MHz 的范围中则更佳)的超声脉冲按上述脉冲重复频率f送入到待测单元100中。这些超声脉 冲在待测单元中沿着声音路径S传播，被待测单元100的底面102反射，并且在声音路径S 上返回至超声发射机10，超声发射机10由控制单元20驱动且交替地用作超声发射机和超 声接收机。由超声接收机10记录的来自待测单元100的回声信号(其中包括输入表面的 回声、底面回声以及回声信号可能是源自待测单元的体积中的缺陷10 在控制单元20中 被强化、数字化且随后在控制单元20中所提供的显示单元30上被显示。图1示出了接收 回声信号的时间-分辨的描绘(A-扫描)。为了确定，也可以产生一种全面深入分辨的描 绘。在根据图1的执行示例中，大多数峰被描绘在显示单元30上，由此，以Pl所标示的峰 是被送入到待测单元100的脉冲的入口处回声。而另外描绘的峰Pl'、P1"和Pl〃 ‘则是 第一、第二和第三底面回声。
现在，如果待测单元100的几何尺寸使得脉冲沿着声音路径S从超声发射机10到 底面102再回到超声接收机10的声音行走时间落在两个连续的发射脉冲Pl的时滞的大 小的量级中，特别是，如果该行走时间远远大于两个连续的发射脉冲的时滞，则这是有问题 的，关于图1中用“P ？ ”标识另一个峰值，究竟它是因待测单元100的体积内的瑕疵103所 导致的回声信号，还是先前的激发脉冲Pl的更高阶的底面回声信号呢？然而，为了能够做 出这种区分，在用“P ？ ”标记的峰值的分类过程中至少要给检查员一些辅助，图1所描绘的 设备1配备成实现本发明的方法，下文会详细描述。通常，在本发明的设备的控制单元20中，设计了频率变化单元40，可以用硬件或 软件方式来实现该频率变化单元40。这种频率变化单元40配备成使激发脉冲的脉冲重复 频率f改变了一个预设的量值Δ f。较佳地，它被配备成周期性地改变脉冲重复频率并改变 上述量值Af，由此这种频率变化量值最好落在0. 1和IOOHz的范围中，落在1和IOHz之间 尤佳。在所示的执行示例中，控制单元20包括机械调节元件42，它被设计成控制标度盘。 这种调节元件42允许操作人员手动地改变频率变化Δ f，借此频率变化单元40周期性地改 变了发射脉冲的脉冲重复频率f。此外，在控制单元20中，设计了检测单元50，可以用硬件或软件方式来实现检测 单元50。这种检测单元50配备成检测这种回声信号，这种回声信号从先前的激发脉冲Pl 起的时滞T明显地随脉冲重复频率f的变化而变化。特别是，检测单元50可以配备成获取 检测到的回声信号的时滞T的明显变化ΔΤ，并且将这种明显变化ΔΤ与脉冲重复频率f的 变化量Af进行比较。如果时滞T的明显变化ΔT基本上对应于(即落在预设的误差限度 之内)脉冲重复频率f的变化量Δ f，则配备上述频率变化单元，以将这种回声信号分辨为 “幻影回声”并且将它们标记为适于进一步处理。特别是，可以配备检测单元50，例如，通过 启动控制单元20中所提供的机械开关20从而启动相应的“屏蔽功能”，从显示单元30上的 描绘中排除掉用上述方式标识的回声信号。图2示意性地示出了在具有共平面的厚工件中由超声接收机10测量的信号运 行。从第一超声脉冲P获得的反射(1.R，第一底面回声)以及用于限定工件的侧壁表面上 的多重反射(2.R，3.R，4.R……)在每一种情况下都是用连续的线条描绘的。从第二超声 脉冲P'获得的反射(1.R')以及用于限定工件的侧壁表面上的多重反射(2. R'，3.R'， 4. R'……)在每一种情况下都是用虚线描绘的。为了简化，入口处回声被抑制了，并且直 接选择多重反射的信号强度。事实上，随着反射增加信号变弱了，例如，这是因反射损耗造 成的。如图2所示，在密集的脉冲序列中，第一脉冲P'的反射可以出现在第二脉冲P"的 第一底面回声之后。在所示的情况下，第一脉冲P的第四次反射(4.R)按时间顺序排在第 二脉冲P的第一次反射(1.R')之后。由此，提出了这样一个问题究竟该峰值实际上是 可归因于第二脉冲P'并由此可能归因于工件中的不连续之处的反射，还是它实际上是第 一脉冲P的一个多重反射4. R0这可以通过本发明的方法的脉冲重复频率f的频率跳变Af来澄清；参见图3、4 通过减小频率f，第二脉冲P'在时间上相对于第一脉冲P而移动，同样地，相关联的反射 和多重反射1.R'到4. R'也发生移动，然而，因工件几何尺寸未变而保留了它们的相互距 离。因为现在在图3所示的情况中峰值4. R保留了其到第一脉冲P的反射和多重反射(1.R 到3.R)的时滞，所以峰值4.R可以被清晰地识别为第一脉冲P的又一个多重反射。推定为不连续之处的幻影回声由此作为“简单的”(第四)多重反射(4.R)而出现。相反，如果使用如图3所示的脉冲重复频率f的跳变，则出现峰值F的移动，这对 应于受频率跳变影响的第二脉冲P'的移动，这种反射必须归因于第二脉冲P'并且可以 被清晰地识别为工件的不连续之处。如上所述，变化量值Af可以被自动地调节，使得与有用的回声(即与待测单元的 真实结构相关的回声)相比，调节至评估单元的显示器的成像区域的3到5%的幻影回声的 移动是可分辨的。图5描绘了用于这种显示器的示例。此处，Pl描绘了具有脉冲重复频率 (PRF) fl = 1000Hz的幻影回声以及具有PRF f2 = f 1-Δ f的第二幻影回声。然后，幻影回 声Pl和P2之间的时滞被确定如下
权利要求
1.一种用于非破坏性超声测试的方法，其中，超声发射机10将具有脉冲重复频率f的 超声脉冲照射到待测工件100中，并且，超声脉冲被反射至工件100中的边界面，并且，通 过超声接收机10记录经反射的超声，并且，按照与时间或位置有关的分辨率来显示这些信 号，其特征在于，在所述方法中脉冲重复频率f改变至少一次。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 脉冲重复频率f是突然地和连续地改变的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，脉冲重复频率f落在500Hz到1. 5kHz的范围中，落在900Hz到1. IkHz的范围中更佳， 落在990到IkHz的范围中尤佳。
4.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，脉冲重复频率f变化的跳变Δ f落在0. 25到IOHz的范围中，落在0. 5Hz到5Hz的范 围中更佳，最好等于1Hz。
5.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在已定义的时间间隔之后，重复地改变脉冲重复频率f。
6.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，已定义的时间间隔是选自100到500ms的范围中，等于400ms更佳。
7.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于， 以石英稳定化的方式来产生脉冲重复频率f。
8.一种用于非破坏性超声测试的设备(1)，该设备具有a.超声发射器(10)，配备成产生超声脉冲并将声音送入到待测单元(100)；b.超声接收机(10)，配备成排除掉被送入到待测单元(100)中的超声脉冲的回声信号；c.控制单元(20)，配备成激发超声发射机(10)，以便发射具有已定义的脉冲重复频率 f的一系列超声脉冲，由此，提供了经稳定化的时钟脉冲发生器0 以使脉冲重复频率f稳 定化，其特征在于，d.进一步提供了频率变化单元(40)，配备成使脉冲重复频率f改变一个预设的量值Af。
9.如权利要求8所述的设备(1)，其特征在于，频率变化单元(40)配备成使脉冲重复频率f周期性地改变Af。
10.如权利要求9所述的设备(1)，其特征在于，脉冲重复频率f的周期性变化是按频率F出现的，频率F等于0. IHz到IKHz之间，在 IHz到IOOHz之间较佳，在IHz到IOHz之间尤佳。
11.如权利要求8所述的设备(1)，其特征在于，提供了检测单元(50)，配备成检测这种回声信号，这种回声信号从先前的激发脉冲起 的时滞T明显地随脉冲重复频率f的变化而变化。
12.如权利要求11所述的设备(1)，其特征在于，检测单元(50)配备成获取检测到的回声信号的时滞T的明显变化ΔΤ，并且与脉冲重 复频率f的变化量Δ f进行比较。
13.如权利要求11或12所述的设备(1)，其特征在于，检测单元(50)配备成标记以便进一步处理和/或抑制检测到的回声信号，特别是那些 其时滞T随频率Af而变化的回声信号。
14.如权利要求11或12所述的设备(1)，其特征在于，检测单元(50)配备成改变脉冲重复频率f，直到不再检测到任何回声信号，这种回声 信号从前面的激发脉冲起的时滞T明显地随脉冲重复频率f的变化而改变。
15.如权利要求14所述的设备(1)，其特征在于，脉冲重复频率f是连续地变化的或者是在很多分立的阶段中变化的。
16.如权利要求8所述的设备(1)，其特征在于，提供了显示单元(30)，其上按照与时间或位置有关的分辨率显示了由超声接收机 (10)记录的回声信号。
全文摘要
本发明涉及一种非破坏性超声测试方法，其中，超声发射机将具有一脉冲重复频率的超声脉冲照射到待测工件中，并且超声脉冲被反射至工件里的边界面，并且超声接收机记录经反射的超声，并且按照与时间或位置有关的分辨率显示这些信号。该方法的特征在于，在该方法期间脉冲重复频率至少改变一次。
文档编号G01S7/52GK102124327SQ200980122405
公开日2011年7月13日 申请日期2009年6月10日 优先权日2008年6月13日
发明者P·伦泽尔 申请人:通用电气传感与检测科技有限公司