超声波探伤传感器以及超声波探伤方法
【专利摘要】本发明提供一种超声波探伤传感器以及超声波探伤方法，能够实现三维超声波探伤的高灵敏度化和高S/N化，不需要对每个检查对象进行传感器的开发，降低了传感器开发成本。利用将超声波元件二维排列的超声波探伤传感器，在2dsinθ＝nλ中以n＝1～2的范围调整用一个激励器进行一并激励的元件的与超声波扫描方向平行的方向的长度d，其中，λ为超声波波长、n为整数、θ为超声波入射角。
【专利说明】超声波探伤传感器以及超声波探伤方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于三维超声波检查的超声波探伤传感器以及三维超声波检查的超声波探伤方法。
【背景技术】
[0002]已经开发出能够以非破坏方式对检查对象的内部进行检查的超声波探伤检查。在近年开发的超声波探伤检查中，一般是三维超声波探伤检查，其使用由二维排列为矩阵状的超声波元件(以下称为元件)构成的矩阵阵列传感器，调整延迟时间来对超声波进行三维扫描。在矩阵阵列传感器中能够在元件的分割方向上变更焦点方向，因此通过二维排列的元件构成的矩阵阵列传感器能够在2个方向扫描超声波。另外，也可以变更焦点距离，因此通过与二维扫描合并能够进行三维扫描。
[0003]专利文献I中记载了在这样的超声波探伤检查中，通过进行传感器孔径的大型化能够进行深部的检查，并且提高了 SN比的超声波传感器。在该文献中，在使矩阵阵列传感器的元件间距比λ/2宽时，除了主瓣以外还产生栅瓣，因此，通过元件的大型化而使阵列传感器大孔径化时，通过排列元件以便在探伤范围外出现噪音，从而降低噪音的影响。
[0004]现有的传感器使用使元件间隔为λ /2以下不产生栅瓣的传感器。与此相对，如上述的专利文献I那样开发了一种矩阵阵列传感器，其在三维超声波探伤(以下称为3D-UT)中为了扩大传感器的孔径口径使超声波元件间隔为λ/2以上。
[0005]但是，虽然在专利文献I中记载了在所记载的矩阵阵列传感器中使一并激励数增加时的旁瓣向超声波扫描范围外，但是没有考虑使弱的入射强度的旁瓣持续入射到超声波扫描范围内来提高信号强度的情况。另外，为了使一并激励数增加时的栅瓣向超声波扫描范围外，每次需要按照检查对象开发矩阵阵列传感器。
[0006]专利文献1:日本特开2012-117825
【发明内容】
[0007]因此在本发明中提供一种超声波探伤传感器以及超声波探伤方法，能够实现三维超声波探伤的高灵敏度化和高S/N化，不需要对每个检查对象进行传感器的开发，降低了开发成本。
[0008]为了达到上述目的，本发明的特征为使用矩阵阵列传感器，在2dsin0 =ηλ(λ:超声波波长、η:整数、Θ:超声波入射角)中在η = I?2的范围内调整通过一个激励器一并进行激励的超声波兀件的与超声波扫描方向平行的方向的长度d。
[0009]根据本发明，能够一边控制入射到超声波扫描范围内的栅瓣的产生强度，一边进行超声波探伤，因此能够实现三维超声波探伤的高灵敏度化和高S/N化。另外，能够通过相同的传感器和探伤器控制栅瓣的产生强度，因此不需要对每个检查对象进行传感器的开发，降低了开发成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是3D-UT方法的说明图。
[0011]图2是相控阵UT检查中的矩阵阵列传感器的元件间隔的制约因素的说明图。
[0012]图3是相控阵UT检查中的矩阵阵列传感器的高灵敏度化方法的说明图。
[0013]图4是3D-UT的扫描方向的定义的说明图。
[0014]图5是实施例1的栅瓣发生方向控制方法的说明图。
[0015]图6是表示栅瓣发生角的元件间隔依存性的图。
[0016]图7是表示实施例1的元件间隔决定的算法的图。
[0017]图8是实施例1的超声波探伤系统的框图。
[0018]图9是实施例1的激励器和元件之间的连接的切换器的结构图。
[0019]图10是实施例1的超声波探伤方法的流程图。
[0020]图11是实施例2的栅瓣发生方向控制方法的说明图。
[0021]图12是使栅瓣发生方向控制变得容易的元件排列的说明图。
[0022]图13是使栅瓣发生方向控制变得容易的其它元件排列的说明图。
[0023]图14是实施例2的超声波探伤系统的框图。
[0024]图15是实施例2的超声波探伤方法的流程图。
[0025]图16是表示实施例2的超声波扫描方向的关系的说明图。
[0026]符号的说明
[0027]1:矩阵阵列传感器、2:检查对象、3:超声波、5:元件、8:超声波探伤装置、9:个人计算机、10:连接元件切换器、21:CPU、22:硬盘驱动器(HDD)、23:随机存取存储器(RAM)、24:只读存储器(R0M)、25:1/0端口、26:键盘、27:记录介质、28:显示器、29:A/D转换器、30:D/A转换器、31:继电器开关、32:继电器电路、33:表示一并激励元件间隔的线、步骤101:超声波探伤条件和传感器信息的输入步骤、步骤102:激励模式的解析步骤、步骤103:连接元件切换步骤、步骤104:延迟时间解析步骤、步骤105:探伤步骤、步骤106:栅瓣强度评价步骤、步骤107:探伤结果显示、收录步骤、步骤201:超声波探伤条件和传感器信息的输入步骤、步骤202:激励模式的解析步骤、步骤203:激励器连接元件切换步骤、步骤204:延迟时间解析步骤、步骤205:探伤步骤、步骤206:栅瓣强度评价步骤、步骤207:探伤结果显示步骤、步骤208:数据收录步骤。
【具体实施方式】
[0028]图1 (a)表示相控阵法的原理。为了使超声波同时到达所设定的焦点，调整构成超声波探伤传感器的平行排列的一维排列的元件5的超声波的发送开始时间差(以下称为延迟时间)，由此通过使超声波从各个元件5同时到达焦点提高焦点的声压来进行探伤。通过按照焦点位置调整延迟时间来使超声波进行扫描。
[0029]图1(b)表示三维超声波探伤方法。使用由矩阵状二维排列的元件5所构成的矩阵阵列传感器1，调整延迟时间来进行探伤。能够在元件的分割方向变更焦点方向，因此通过二维排列的兀件5而构成的矩阵阵列传感器I能够在2个方向扫描超声波3。另外，由于焦点距离也能够变更，因此通过与二维扫描合并能够进行三维扫描。
[0030]图2表示该结构的传感器的元件间隔的制约因素。在使超声波聚焦于焦点时，在焦点以外也会产生超声波的相位对齐的栅瓣。用公式(I)表述栅瓣相对于焦点的发生方向Θ O
[0031]2d.sin Θ = η.λ (公式 I)
[0032]这里，
[0033]d表示超声波元件间隔[mm]
[0034]η表示整数
[0035]λ表不超声波波长[mm]
[0036]当栅瓣入射到检查的超声波扫描范围，并在入射方向上有反射源的情况下，产生伪信号。因此，在此之前的传感器的超声波元件间隔被限定为由公式(I)导出的公式(2)所记述的不产生栅瓣的范围。
[0037]η.λ +2d = sin θ > I
[0038]λ +2 > d (η = I)公式(2)
[0039]在使用了将元件5进行2维排列的传感器的二维超声波探伤中，超声波的扫描方向只是I个方向，所以关于公式(2)所记述的元件间隔，通过公式(2)限制与超声波扫描方向平行的方向的元件间隔。但是，与超声波扫描方向垂直的方向的元件间隔可以是任意的，看到设为4λ的例子。另一方面，在矩阵阵列传感器中，二维排列的元件的各边的长被制约为λ/2，因此存在传感器面积相对于上述的4 λ的传感器成为1/8，灵敏度下降的问题。
[0040]对此，在专利文献I中通过使用由多个元件组成的矩阵阵列传感器，使通过I个激励器一并进行激励的与超声波扫描方向垂直的方向的超声波元件数增加，从而增加有效的传感器面积。但是，专利文献I所记载的传感器如图3(b)所示是将一并激励数增加时的栅瓣设为超声波扫描范围外的，而没有考虑如图3(c)所示那样使弱的入射强度的栅瓣持续入射到超声波扫描范围内来提高信号强度的情况。
[0041]本发明提供一种在超声波扫描范围内容许一定强度以下的栅瓣的入射的超声波探伤方法，以下利用附图来说明本发明的实施例。
[0042][实施例1]
[0043]利用图4?图10以及公式⑴来说明本发明的实施例1。
[0044]图4表不实施例1的矩阵阵列传感器I的兀件5的排列和超声波扫描方向的定义。本发明中使用将长方形的元件5进行二维排列的现有的矩阵阵列传感器。将从上面看与长方形的I边平行且与上表面垂直的面定义为正面，将与另一边平行且与上表面垂直的面定义为侧面。通过正面上的角度(正面扫描角)和侧面上的角度(侧面扫描角)的2个角度来唯一决定扫描方向。
[0045]图5表示栅瓣发生方向的控制方法的概念图。图5(a)是现有的超声波探伤检查中的通过I个激励器激励I个元件的情况下的概念图，是正面、侧面都为大范围的超声波探伤范围时的激励模式。对图中的元件记载的带有〇的数字与激励该元件的激励器对应。这时，用I个激励器激励I个元件。图5(a)中，元件的间隔窄，因此栅瓣成为超声波扫描范围夕卜。图5(b)表不2个扫描范围都相对于图5 (a)窄的情况下的激励模式。这时，正面方向和侧面方向都使通过I个激励器进行一并激励的元件数增加到9倍，不降低S/N地提高灵敏度。收发强度与传感器面积的平方成比例，因此图5(b)的激励模式与图5(a)的激励模式比较，不增加噪音地使收发强度为81倍。但是，进行一并激励的元件的间隔变宽，因此与图5(a)的情况相比，发生栅瓣的角度变窄，因此为了在超声波扫描范围内不发生栅瓣，超声波扫描范围也随着变窄。
[0046]图5(c)是正面的扫描范围相对于图5(a)窄的情况下的激励模式，图5 (d)是侧面的扫描范围相对于图5(a)窄的情况下的激励模式。在图5(c)中将正面方向的通过I个激励器进行一并激励的元件数增加到3倍，在图5(d)中将侧面方向的通过I个激励器进行一并激励的元件数增加到3倍。这样对应于扫描范围变更一并激励元件，从而能够不增加噪音地使收发强度提高9倍。但是，正面方向和侧面方向各自的进行一并激励的元件的间隔变大，因此栅瓣的发生角度也随之变窄。
[0047]图6表示栅瓣发生方向的元件间隔依存性。深灰色的区域成为栅瓣相对于主瓣的相对强度为_20dB以上的强的范围。浅灰色的区域的相对强度为-20?-40dB相对深灰色下降。白色区域成为相对强度为_40dB以下可以不考虑栅瓣的范围。白色的区域用于现有的检查，浅灰色的区域成为通过来自缺陷的反射信号强度和缺陷信号检测时的通过栅瓣产生的噪音之间的强度比而知道可否使用的区域。在通过公式(I)记述的栅瓣发生方向的理论值的η = I到η = 2的范围内产生该知道可否使用的浅灰色的区域。因此，如图7所示，本发明中对依次变更一并激励元件数而使栅瓣发生角发生变化时的S/N进行测量，决定一并激励元件数以使所发生的栅瓣的强度在不影响探伤的值以下。
[0048]图7(a)在栅瓣不入射到扫描范围的一并激励数的情况下，这时对于超声波探伤范围的所有区域能够进行探伤。但是，进行一并激励的超声波元件数少，因此灵敏度降低。如图7(b)所示那样如果增加一并激励数则低强度的栅瓣入射到扫描范围。但是，由于能够使进行一并激励的超声波元件数增多，因此灵敏度提高。如图7(c)所示那样如果进一步增加一并激励数则高强度的栅瓣入射到扫描范围。本实施例中，通过图7(b)的入射情况进行一并激励，从而不降低S/N地提高缺陷信号强度。另外，如图6所示，如果元件间隔为2 λ以上则栅瓣发生方向的元件间隔依存性变小。即，在元件间隔为2λ以上时，与2λ以下的情况进行比较，即便使元件的间隔变化栅瓣发生角度的变化也变小。因此，如果不使2个相邻的元件大小的总和为2λ以下，则栅瓣发生方向的控制范围变窄。因此，在本实施例中将元件间隔设为2λ以下。这时由于将进行一并激励的多个元件的总和长度设为2 λ以下，因此I个元件的最大长度为λ以下。
[0049]利用图8所示的实施例1的超声波探伤系统的框图、图9所示的元件的激励器和元件的连接的切换器的结构图以及图10所示的实施例1的超声波探伤方法的流程图来说明本实施例的超声波探伤方法。
[0050]步骤101是超声波扫描方向和焦点距离这样的超声波探伤条件以及传感器的元件大小、结构元件数、元件排列、频率(波长)这样的传感器信息的输入步骤。使用个人计算机9的键盘26、记录介质27中的一个以上的装置来输入这些信息，经由个人计算机的I/O端口 25传达到CPU21，记录在随机存取存储器(RAM) 23、硬盘驱动器(HDD) 22中的一个以上的存储介质中。使用DVD、蓝光光盘等作为记录介质。另外，使用磁存储介质、SSD等作为HDD。
[0051]步骤102是通过一个激励器进行一并激励的元件的与超声波扫描方向平行的方向的长度d的解析步骤。将公式⑴的计算程序存储在只读存储器(ROM) 24、RAM、HDD中一个以上的记录介质中，在公式(I)中将d设为η= I?2的范围。将计算的d除以实际的元件间隔得到的商成为与超声波扫描方向平行的方向的一并激励元件数。该值为半整数，因此将小数点以下进行四舍五入，舍去或增加后的值成为初期的一并激励元件数。将计算结果存储在RAM、HDD中一个以上的记录介质中，并且经由I/O端口显示在显示器28上。
[0052]步骤103是根据步骤102的一并激励元件的解析，切换激励器和元件的连接的步骤。图9是表示激励器和元件之间的连接的切换器的结构的图，例示了在具有m个成为激励器的D/A转换器30的超声波探伤装置8的各个激励器上连接了由η个元件5构成的矩阵阵列传感器I的情况。经由连接元件切换器10的继电器开关31将元件与各个激励器进行连接。通过继电器开关的开和关来切换激励器和元件之间的连接。在步骤102根据显示器所显示的解析结果来切换该继电器开关的开和关。
[0053]步骤104是使用在步骤101中输入的扫描条件和步骤102的激励模式的解析结果来计算延迟时间的步骤。将解析延迟时间的程序存储在只读存储器、HDD中的一个以上的记录介质中，用CPU进行计算。将延迟时间的计算结果存储在RAM、HDD中的一个以上的存储介质中。
[0054]在步骤105实施超声波探伤。经由个人计算机的I/O端口、超声波探伤器的I/O端口通过D/A转换器将激励开始的数字信号转换为电压，对矩阵阵列传感器施加电压。电压变换为振动，在检查对象2内被反射的振动到达传感器。到达矩阵阵列传感器的振动再次变换为电压，通过A/D转换器29变换为数字信号，经由超声波探伤器的I/O端口、个人计算机的I/O端口被传达到CPU。用CPU将探伤数据记录到RAM、HDD中的一个以上的记录介质中，并且经由I/O端口在显示器上显示探伤结果。
[0055]步骤106是根据步骤105的探伤结果评价S/N的步骤。在根据缺陷检测数据和应力解析预测检测出缺陷的焦点距离和折射角的噪音为基准强度以下时，转移到步骤107，将所记录的探伤数据存储到RAM、HDD中的一个以上的存储介质中并结束探伤。根据为了维持完整性而容许的缺陷尺寸来计算缺陷信号强度。最好决定该基准S/N为缺陷信号的识别变得容易的6dB以上。另外，当通过栅瓣所产生的噪音比基准强度强时返回步骤102，减少一并激励元件数，当通过栅瓣所产生的噪音强度比基准强度弱时返回步骤102，增加一并激励元件数，再次实施到步骤106的步骤。另外，在事先评价栅瓣的强度成为容许范围的一并激励元件数时，可以省略步骤106。
[0056]步骤107是超声波探伤结果的数据收录步骤，在步骤106中S/N成为基准范围时，将在步骤105记录的数据记录为探伤结果。
[0057]关于折射角的扫描范围为±20°时的S/N提升的最大值，根据图6的赋予栅瓣的发生角20°的白色和浅灰色的边界即现有元件间距1.6 λ和成为浅灰色和深灰色的边界的本发明的最大元件间距2.2 λ，成为
[0058](2.2 + 1.6)2 = 1.9 倍。
[0059]另外，折射角的扫描范围为±40°时的S/N提升值的最大值根据现有的元件间距0.7 λ和本发明的最大元件间距1.3 λ，成为
[0060](1.3 + 0.7)2 = 3.4 倍。
[0061]这样构成本发明，通过容许一定强度以下的栅瓣的入射，能够扩大传感器的孔径，从而能够实现三维超声波探伤的高灵敏度化和高S/N化。另外，即使检查对象发生变化，可以用相同的传感器和探伤器检查，因此不需要对每个检查对象开发传感器，减低开发成本。
[0062][实施例2]
[0063]利用图11?图16、公式(I)以及公式(3)来说明本发明的实施例2。
[0064]图11是本实施例的激励模式决定的算法。本实施例中增加从上面看的与超声波扫描方向垂直的方向的同时激励元件数，使从上面看的与扫描方向水平的方向的一并激励的元件群的宽度为公式(I)中通过η = I?2所记述的范围，由此不降低S/N地提高灵敏度。
[0065]因此检查对象限制传感器可设置面积，所以在该发明的探伤中，也希望排列元件以使元件和元件之间不产生间隙。作为不产生间隙的元件形状，有4角形、6角形和3角形。
[0066]图12表示6角形的超声波元件排列。即使在从上面看的超声波扫描方向发生变化的情况下，超声波发送方向的一并激励元件间隔的变化相比4角形要小，因此相同元件间隔的单一元件的面积增加。因此，具有能够以相同元件数增大传感器面积的优点。另一方面，元件面积增加，表示多个超声波发送方向的一并激励元件间隔的线33(以下称为元件间隔线)通过相同元件的次数增加，因此即使在任意的一并激励元件群中进行激励，与超声波扫描方向平行的方向的一并激励元件间隔变长，栅瓣强度变强。
[0067]图13表示3角形的超声波元件排列。即使在从上面看的超声波扫描方向发生变化的情况下，超声波发送方向的同时激励元件间隔的变化相比4角形大，因此相同元件间隔的单一元件的面积减少。因此，具有相同元件数传感器面积缩小的缺点。但是，通过用2个三角形构成I个4角形、用6个三角形构成I个6角形来进行代替，即使在4角形或6角形中对于I个元件通过2个元件间隔线的情况下，在3角元件中多个元件间隔线通过相同元件的情况减少，因此具有对于4角形和6角形能够降低栅瓣的强度的优点。
[0068]利用图14的超声波探伤系统的框图以及图15的超声波探伤方法的流程图来说明使用这些元件排列的传感器依照图11的算法的超声波探伤方法。
[0069]步骤201是和步骤101同样的超声波探伤条件和旁瓣强度的容许值以及传感器信息的输入步骤。在该步骤可以将在步骤101没有输入的从上面看的超声波扫描方向加到超声波探伤条件的输入项目中。
[0070]步骤202是根据步骤201的输入条件决定同时激励模式的步骤。根据正面的扫描角Φ和侧面的扫描角Θ来解析公式(3)记述的从上面看的扫描方向α (参照图16)。
[0071]tan ( a ) = tan ( θ ) /tan ( Φ)公式(3)
[0072]将通过公式(3)计算α的程序存储在HDD、ROM中的一个以上的存储装置中，用CPU实施计算。另外，也可以将从上面看的扫描方向作为步骤201的输入条件来省略该计笪
ο
[0073]接着，是通过一个激励器进行一并激励的元件的与超声波扫描方向平行的方向的元件间隔线间距d的解析步骤。将公式(I)的计算程序存储在只读存储器(ROM) 24、RAM、HDD中的一个以上的存储介质中，在公式⑴中将d设为η = I?2的范围。将计算的d除以实际的元件间隔得到的商成为与超声波扫描方向平行的方向的一并激励元件数。该值为半整数，因此将小数点以下进行四舍五入，舍去或增加后的值成为初期的一并激励元件数。这样根据计算出的超声波扫描方向和超声波元件间隔由CPU来决定一并激励元件。
[0074]步骤203是激励器和元件的连接的切换器的操作步骤。本实施例中，将图9的继电器开关作为继电器电路，从个人计算机的CPU经由I/O端口将继电器电路开关的信号传达给切换器的D/A转换器33，将切换信号转换为电输出，控制继电器电路32的开和关。
[0075]步骤204是延迟时间解析步骤。解析方法与步骤104相同。
[0076]步骤205是探伤步骤。探伤顺序与步骤105相同。
[0077]步骤206是栅瓣强度评价(噪音评价)步骤。根据栅瓣强度的强弱来增减一并激励元件，直到栅瓣强度成为合适的强度为止重复202?206的步骤。
[0078]步骤207是探伤结果的显示和收录步骤。在实施例1对于每个测定显示探伤结果，比较栅瓣强度的大小，但在本实施例中自动调整栅瓣强度，只显示最终的探伤结果。
[0079]本发明如上所述那样构成，因此和第I实施例一样容许一定强度以下的栅瓣的入射，由此能够实现三维超声波探伤的高灵敏度化和高S/N化。另外，即使检查对象发生变化，也可以用相同的传感器和探伤器进行检查，因此不需要对每个检查对象进行传感器的开发，降低开发成本。并且，电气进行激励器和元件的连接切换，因此相对于第一实施例具有能够使探伤高速化的优点。
【权利要求】
1.一种超声波探伤传感器，通过二维排列长方形的超声波元件而构成，其特征在于， 使超声波元件的最长的边的长度为发送超声波的波长以下。
2.一种超声波探伤传感器，通过二维排列六角形的超声波元件而构成，其特征在于， 使超声波元件的最长的对角线的长度为发送超声波的波长以下。
3.一种超声波探伤传感器，通过二维排列三角形的超声波元件而构成，其特征在于， 使超声波元件的最长的边的长度为发送超声波的波长以下。
4.根据权利要求3所述的超声波探伤传感器，其特征在于， 使超声波元件的最长的边的长度为发送超声波的波长以下，用相邻的2个三角形构成权利要求1所述的长方形。
5.根据权利要求3所述的超声波探伤传感器，其特征在于， 使超声波元件的最长的边的长度为发送超声波的波长的一半以下，用相邻的6个三角形构成权利要求2所述的传感器的一个6角形。
6.一种超声波探伤方法，其特征在于， 使用权利要求1?5中的任意一项所述的超声波探伤传感器， 具有: 输入超声波探伤条件和传感器的元件形状、元件间隔、元件数、元件排列的步骤； 决定用一个激励器同时进行激励的元件的步骤； 收发超声波来实施探伤的步骤； 根据探伤结果的SN比来评价用一个激励器同时进行激励的元件排列的恰当性的步骤；以及 在SN比不合适的情况下，再次决定用一个激励器同时进行激励的元件的步骤， 在2dsin Θ = η λ中以η=1?2的范围调整用该一个激励器进行一并激励的元件的与超声波扫描方向平行的方向的长度山 其中，λ为超声波波长，η为整数、Θ为超声波入射角。
7.根据权利要求6所述的超声波探伤方法，其特征在于， 根据用一个激励器同时进行激励的元件的计算结果切换用一个激励器同时进行激励的元件。
8.根据权利要求6所述的超声波探伤方法，其特征在于， 根据栅瓣强度的测定值重复进行探伤直到使栅瓣强度为设定范围为止，变更用一个激励器同时进行激励的元件。
【文档编号】G01N29/44GK104422732SQ201410408782
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】铃木丰, 千叶弘明, 工藤健 申请人:三菱日立电力系统株式会社