专利名称：校准试块以及方法
技术领域：
本申请涉及一种校准试块和校准方法。更具体地说，本发明涉及一种用于相控阵超声波测试扫描仪的信号灵敏度校准试块和用来校准相控阵超声波测试扫描仪的信号灵敏度的方法。
背景技术：
可使用超声波测试对材料的不可见区域例如零部件、焊点和复合材料的内部进行分析。这类无损测试使用声波的反射来检测故障和在过程中不损坏零部件很难检测的特征。在航空领域，超声波测试是在制造时和维护期间常用的测试材料完整性的技术。相控阵超声波测试扫描仪通常包括具有多个传感器元件的传感器。传感器元件的阵列可被选择性地激发以将多个单独的波阵面发射到测试材料中。这些波阵面构造上破坏性地结合到材料中，产生穿过材料并反射出其中的裂缝、间断等等的主波阵面。这种裂缝、间断等等在这里将被称为“目标特征”。主波阵面被认为限定出射束。通过以特定的顺序启动成组的传感器元件，可使该射束动态地穿过扫描包络。该顺序和有关参数(例如电压)有时被称为一“聚焦法则(focal law)”。主波阵面在多个连续射束角处的信号响应可通过扫描仪组合以形成与扫描包络对应的二维“S-Scan”图像。这类扫描仪在本领域内公认为“扇形”或者“角度”扫描。这种扫描仪的传感器具有中心传动轴线并且包迹线从该中心轴线伸出的量可以例如+50° >-50°或者+70° >+50°，不过该包迹线可以以例如中心面的平面或者测试目标的轴线为基准进行表不。扫描包迹线在正反两个方向上延伸时被称为“横向”扫描。虽然这有利于增加扫描包迹线的尺寸，但是由于由激发传感器产生的主波阵面的幅值在经过包迹线时改变，这样做是有问题的。因此，来自距中心轴线一个角度的目标特征的响应信号强度与来自距中心轴线另一角度的同一目标特征的响应信号强度不同。这会导致在使传递给扫描仪的使用者的信号响应可视化时来自值域的信号幅度损失，当实际上两个目标特征具有相同尺寸并且距传感器等距时，所述+50°的目标特征小于在所述+20°的目标特征。一些超声波测试扫描仪可以通过提供灵敏度校准功能来弥补上述问题。一个实施例是Olympus销售的Omniscan MX扫描仪。灵敏度校准方法一般情况下包括沿着设有横向钻孔的“校准用标准”试块移动传感器，以及使用来自横向钻孔的信号响应来校准传感器元件的控制信号。然而，即使按照这种灵敏度校准，经过宽扫描包迹线的信号响应比希望的更不规则。按照这个，使用传感器扫描单独的“检验标准”试块以设置超声波测试扫描仪的标准增益，使得该增益处于寻找目标特征的合适水平。
发明内容
本发明的第一方面提供一种用来校准角度扫描相控阵超声波测试扫描仪的信号灵敏度的校准试块。角度扫描相控阵超声波测试扫描仪被设置为在经过扫描包迹线的多个连续射束角处产生主波阵面。该校准试块可以由传声材料制成。该校准试块可包括具有外周边缘的第一主表面。该校准试块可以包括第二主表面。该校准试块可以包括设在第一和第二主表面的大体平面之间的校准表面。该校准表面可被配置为以大体圆弧状延伸，从而与中心轴线大体等距。第一主表面的外周边缘与中心轴线间隔开的距离比校准表面与中心轴线间隔开的距离大。该校准试块可以包括声学联接到超声波测试扫描仪的超声传感器的输入表面。该校准试块可以被设置为将传感器定位成使得主波阵面从传感器到校准表面的路径长度对于经过扫面包迹线的每个射束角都大体相等。因此，该校准试块可被用来校准具有信号灵敏度校准程序的角度扫描相控阵超声波测试扫描仪的信号灵敏度。可经过小于或等于校准表面的角度延伸的扫描包迹线进行校准。标准表面可被认为限定出声学反射“凸肩”，可设计该凸肩尺寸以使该校准试块可用作信号灵敏度校正以及另外用来设定合适增益水平的校准标准，因此简化校准过程。输入表面相对于校准表面的中心轴线可以是大体上平行的。输入表面相对于校准表面的切面可以是平行的。可以根据设置该扫描仪所要检测的缺陷选择该校准表面的尺寸。该标准表面具有半圆形轮廓。这有利于使根据本发明实施例的校准试块被用来校准经过扫描包迹线的信号灵敏度，扫描包迹线大于+50° >-50°并且在某些情况下可以接近+90° >-90°。第一主表面的外周边缘与中心轴线间隔开的距离比所述校准表面与中心轴线间隔开的距离大中心轴线和校准表面之间的距离的至少四分之一。本发明的第二方面提供一种根据第一方面的校准试块的用途，该校准试块用来校准信号灵敏度和相控阵超声波测试扫描仪的增益。本发明的第三方面提供一种用来校准角度扫描相控阵超声波测试扫描仪的信号灵敏度的方法，该方法包括:提供根据第一方面的校准试块；将超声波测试扫描仪的超声传感器联接到校准试块的输入表面；和操作该超声波测试扫描仪的灵敏度校准程序，以通过测量来自校准表面的信号响应来校准该超声波测试扫描仪的信号灵敏度。该方法可以包括通过测量来自该校准表面的信号响应来校准该超声波测试扫描仪的信号增益的步骤。扫描包迹线可以至少为90°，优选为至少110°。在其它实施例中，范围可以是位于该试块物理边界内的负和/或正角度的任一组合。该超声波测试扫描仪可以是Omniscan MX扫描仪或者具有信号灵敏度校准程序的其它角度扫描相控阵超声波测试扫描仪。
现在参考附图描述本发明的实施例，其中:图1是显示出根据本发明实施例的校准试块的正视图、侧视图和底视图的正交投影;图2是图1中校准试块的透视图，显示出联接到其输入区域的传感器；图3是一流程图，显示出根据本发明实施例的方法；和图4是示出灵敏度校准之后来自图1中校准试块的信号响应的曲线。
具体实施例方式图1和2示出根据本发明实施例的校准试块10。该校准试块10适合于校准具有信号灵敏度校准程序的角度扫描相控阵超声波测试扫描仪(未示出)、例如Olympus销售的Omniscan MX扫描仪的信号灵敏度。还提供用来设置校准增益的功能。这种校准程序在本领域中是众所周知的，因此为了简洁起见不再详细描述。对于更多信息，可以参考MXU程序手册4.3.3.1 (使用侧面钻孔的灵敏度校准)/程序手册4.3.3.2 (使用半径的灵敏度校准/OLYMPUS相控阵设备手册4.2章第59页/0MNISCAN校准技术第421页A.2.3步骤3)。该校准试块10是由被选择为匹配待测试材料的传声材料制成的。例如，在一些实施例中，该校准试块10可以由铝制成。该校准试块10大体呈半圆形并且具有在大体平的上表面14和大体平的下表面16之间延伸的大体平的前表面12。上表面14和下表面16都大体呈半圆形。上表面14大于下表面16，从而限定出以曲线方式在校准试块10周围延伸的台阶。曲线台阶或凸肩限定出声学反射表面或者距中心轴线A大体等距的“校准表面” 18。因此该校准表面18可以被认为形成圆柱形壁的一部分。在所示实施例中，从中心轴线A到校准表面18的径向距离Rl为110mm，但是可以具有任一合适的距离。校准试块10的外周边缘形成边界面24。从中心轴线A到边界面24的径向距离R2为125mm，但是可以具有任一合适的距离。该校准试块10具有20mm的厚度T，但是可以具有任一合适的厚度。优选的是，该校准试块具有大于或等于设置为与其一起使用的传感器的相应尺寸的厚度，优选为至少为相应尺寸的两倍。由于射束发散反射，比传感器短的试块会产生错误的信号响应。该校准表面18具有4mm的高度S，但是可以具有任一合适的高度；例如，校准表面的高度可以小于20mm、15mm、10mm、5mm或者1mm。在例如测试飞机零部件的应用中小于5mm是有利的，因为这往往代表目标特征(接下来更详细地进行解释)。优选的是，校准表面18的高度在0.5mm到5mm之间。前表面12具有大体平坦的输入区域12a，该区域被设置为联接到角度扫描超声波测试扫描仪的超声传感器22上，使得该传感器22可在整个扫描包迹线E上将超声波发射到校准试块10内。由传感器22发出的超声波射线围绕总射束轴线B成角度地移动。输入区域12a被设置为将传感器22定位成使得从传感器22到校准表面18的主波阵面的路径长度对经过扫描包迹线E的每个射束角是大体相同的。这在此被称为传感器22的“校准结构”。实际上，“大体相同”将表示传播路径变化小于或等于5%。在所示实施例中，输入区域12a被设置为直接联接到传感器，使得传感器22的发射面与平坦输入区域12a齐平并且传感器的中心轴线与试块10的中心线P对齐。在其他实施例中，输入区域12a可被设置为通过楔块或者滑靴(shoe)联接到传感器22上。射束轴线B在一些实施例中是与校准表面18的中心轴线A大体同轴的。在一些实施例中，输入表面12a可被成形为与传感器22、楔块或者滑靴的联接表面一致；例如，输入表面12a具有弧形轮廓。在一些实施例中，根据所寻找的可检测缺陷的尺寸来选择校准表面18的声学反射维度的尺寸；例如，校准表面的高度在尺寸上与目标特征相同或相似。这有利于使根据本发明的实施例的校准试块被用来灵敏度校准和增益校准。在所示实施例中，该校准表面18围绕中心轴线A延伸经过180°。这有利于在高达+90° >-90°的宽扫描包迹线范围内进行灵敏度校准。在其它实施例中，该校准表面18可以延伸至少40°、60。、90。,120°或者160。。在使用过程中，采用校准结构中的传感器22，可以使用来自校准表面18的信号响应操作角度扫描超声波测试扫描仪的灵敏度校准部件来校准该扫描仪的信号灵敏度。据此，扫描仪的使用者可以使用来自校准表面18的信号响应来校准信号增益并且随后在某些情况下进行基准校准以提高对信号形状和来自目标特征的响应的熟悉度。图3显示出一种根据本发明实施例的、用来校准角度扫描相控阵超声波测试扫描仪的信号灵敏度的方法。在步骤30，设置根据本发明实施例的校准试块10。在步骤32，将超声波测试扫描仪的超声波传感器联接到该校准结构中的校准试块10的输入区域12a。在传感器22和输入区域12a之间提供合适的耦合剂，例如触变凝胶以改进两者间的声耦合。在步骤34，操作超声波测试扫描仪的灵敏度校准部件以使传感器22通过扫描包
迹线E将超声波发射到校准试块10内，并且来自校准表面18的信号响应可以被测量以校
准该超声波测试扫描仪的信号灵敏度。在本发明的实施例中，包迹线E可以是位于该试块
物理边界内的正和/或负角度的任一组合。在一些实施例中，可以采用横向扫描方式操作
该超声波测试扫描仪。来自该校准表面18的信号响应还可被用来设置该扫描仪的校准增.、
Mo图4显示出灵敏度校准已经完成后来自该校准表面18的信号响应曲线。y轴表示信号响应而X轴表示射束角并且显示出至少一些扫描包迹线E。正如所看到的，经过扫描包迹线E的响应偏差目前已经改进，因为目前在+/-45°检测的相等尺寸的缺陷具有与所述+/-50°处的信号响应相等的信号响应，这是对在某些情况下只在较窄角度区域上有效的横向扫描相控阵超声波测试扫描仪的已知灵敏度校准的改进。根据本发明实施例的校准试块可以各种尺寸设置并且形成为满足操作需求。已经发现，与现有技术给出的试块支撑的方法相比，根据本发明实施例的灵敏度校准试块能够在较宽的角度范围上实现更容易、更快速的灵敏度校准方法。尤其是，在使用较大角度横向扫描，例如+/-45°时能够进行灵敏度校准。此外、根据本发明实施例的校准试块可以被用来灵敏度校准和增益校准两者。虽然在前已经参考一个或更多个优选实施例描述了本发明，应当理解的是，各种变化或者变形并未脱离所附权利要求所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种校准试块，用来校准角度扫描相控阵超声波测试扫描仪的信号灵敏度，所述超声波测试扫描仪被设置为在经过扫描包迹线的多个连续射束角处形成主波阵面，所述校准试块是由传声材料制成的， 并且所述校准试块包括:具有外周边缘的第一主表面；第二主表面；校准表面，位于第一主表面和第二主表面的大体平面之间并且被配置成以大体圆弧状延伸，使得距离中心轴线大体等距，所述第一主表面的外周边缘与所述中心轴线间隔开的距离比所述校准表面与所述中心轴线间隔开的距离更大；和输入表面，用于声学联接到所述超声波测试扫描仪的超声波传感器，并且被设置为将所述传感器定位成使得从所述传感器到所述校准表面的主波阵面的路径长度对于经过所述扫描包迹线的每个射束角都大体相等。
2.根据权利要求1所述的校准试块，其特征在于，所述输入表面相对于所述校准表面的中心轴线大体上平行。
3.根据前述任一权利要求所述的校准试块，其特征在于，所述输入表面相对于所述校准表面的切面大体上平行。
4.根据前述任一权利要求所述的校准试块，其特征在于，根据设置所述扫描仪所要检测的缺陷来选择所述校准表面的尺寸。
5.根据前述任一权利要求所述的校准试块，其特征在于，所述校准表面的高度小于或等于5mmο
6.根据前述任一述权利要求所述的校准试块，其特征在于，所述校准表面延伸过至少90°的弧。
7.根据权利要求6所述的校准试块，其特征在于，所述校准表面延伸过大致180°的 弧。
8.根据前述任一权利要求所述的校准试块，其特征在于，所述第一主表面的外周边缘与所述中心轴线间隔开的距离比所述校准表面与所述中心轴线间隔开的距离大所述中心轴线和所述校准表面之间的距离的至少四分之一。
9.根据前述任一权利要求所述的校准试块的应用，用于校准相控阵测试扫描仪的信号灵敏度和增益。
10.一种用于校准角度扫描相控阵超声波测试扫描仪的信号灵敏度的方法，该方法包括: 设置根据前述任一权利要求所述的校准试块； 将超声波测试扫描仪的超声传感器联接到所述校准试块的输入表面；和 通过测量来自所述校准表面的信号响应来校准所述超声波测试扫描仪的信号灵敏度。
11.根据权利要求10所述的方法，包括通过测量来自所述校准表面的信号响应来校准所述超声波测试扫描仪的信号增益的步骤。
12.根据前述任一权利要求所述的方法，由此所述扫描包迹线至少为90°。
13.根据前述任一权利要求所述的方法，由此所述扫描包迹线为横向扫描包迹线。
14.根据前述任一权利要求所述的方法，由此所述超声波测试扫描仪是OmniscanMX扫描仪。
15.在此大体参考图1和图2描述的校准试块。
16.在此大体参考图3描述的应用和方法。
全文摘要
用于灵敏度校准的校准试块(10)和方法。该校准试块(10)具有曲线形校准表面(18)，该表面具有中心轴线(A)和联接到角度扫描相控阵超声波测试扫描仪的传感器元件(22)的表面(12a)。该试块(10)配置成使得该表面(12a)将该传感器(22)定位成使其扫描轴线(B)与曲线形校准表面(18)的中心轴线(A)同轴。
文档编号G01N29/30GK103217484SQ20131001089
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月11日 优先权日2012年1月13日
发明者T·琼斯 申请人:空中客车运营有限公司