专利名称：测量实体截面图的超声系统的制作方法
技术领域：
本发明是与实体的探伤有关的，例如发电机的卡环这样的物体探伤，特别是它可以沿着一个给定轴线间接测定一个物体的截面图。
在工业生产中，对机器中由于磨损或其它原因而容易产生故障的部分，需要做经常的检查。例如，安装在发电机轴端部使绕组固定就位的发电机轴卡环，必须对它做定期的检查，以确定在那里是否产生裂缝。因为大型发电机的使用寿命也取决于卡环的状况，所以对卡环的检查越来越重要。一般说来，裂缝都在与发电机绕组相接触的卡环表面上产生，这些裂缝通常还起源于卡环内径出现变化的地方。如果裂缝发展到一临界尺寸，环将破裂，并有可能扩大致使发电机及其周围设备损坏。
为了防止这类事件的发生，许多电力公司对发电机的卡环进行周期性的检查。最常用的检查方法是用超声波检测，即用高频超声信号从环的外周向环的内周径向发射。通过对超声波能量传播时间的测量，以及对环的外形的精确了解，综合上述因素，就可探测到那起源于环内周的小裂缝。
这样一种方法的成功取决于对环断面的精确了解。而要精确地了解发电机上卡环的断面，在发电机安装现场并不总是可行的。将环取下来测量它的断面，从经济上讲也是不可取的，並且环的设计图纸也不一定总能得到。
本发明的主要目的是在不需要把物体(例如发电机卡环)从它的正常位置上移开的情况下，对其断面进行测定。
本发明的另一个目的是用一种快速而简便的方法测定物体的断面信息。这种方法是使用一个超声波传感器在所要测定断面的物体的一个面上移动。
按照本发明，上述的或其它的目的可通过一个系统来实现，该系统可对具有两个相对表面的物体的横断面图进行测定。这套系统包括具有一个参考表面的超声波传感器，它用来发射和接收通过参考面的超声波能量;一个厚度测量装置，它与传感器相连，使传感器发射出穿过参考面的超声波能量，並检测穿过参考面的被传感器接收的反射超声波能量，由此可以得到参考面与面对参考面的超声波能量反射面之间的距离;一个支撑传感器的支架;一个导向装置，它决定了一个具有某固定参考点的直线轨迹，并使支架沿此轨迹运动;一个位置测定装置，它可操作地与支架相配合，以用来得到支架沿运动轨迹相对于参考点的位置;一个用来把导向装置固定在物体上的装置，它可以使直线运动轨迹沿着物体两相对平面之一的一个方向延伸;一个信号处理装置，它与位置测量装置及厚度测量装置耦合连接，当参考面与物体两相对平面之一接触时，相应于支架与参考点之间的相对位置，可产生两相对表面之间的距离指示。
当采用上述系统测定具有两相对表面的物体的断面时，按照下述方法可进一步实现此发明的目的。该方法包括将这些装置与物体连接固定好，以使直线运动轨迹可沿平行于物体两相对平面之一的一个方向延伸;操作厚度测量装置和位置测定装置，沿着运动轨迹移动支架並保持参考面与两相对表面之一相接触;同时操作信号处理装置，以测出沿运动轨迹方向上的两相对面之间的距离。
图1所示为此发明的一个较佳实施例中的厚度监测传感器组件的透视图;
图2所示为此发明的测量系统侧剖面图，包括图1中的传感器组件;
图3所示为此发明的测量系统电路组成部分框图。
图1所示的组件主要是由一个通过轴承(6)可滑动地安装在导管(4)上的支架(2)组成的。
支架(2)主要是由两个装在相应的轴承(6)上，並各自与相应的定位架(10)相连的臂(8)组成的。固定在两个定位架(10)之间的是一个磁性靶(12)，它的功能将在本文后面详细描述。
臂(8)的活动端带有一个传感器夹持器(14)。夹持器(14)与臂(8)是这样安装的，即它的枢轴与管(4)的轴线平行，並且在沿枢轴的方向上被固定在与两个臂(8)相关的位置上。夹持器(14)以这种方式支持着一个超声波传感器(16)，传感器(16)相对于夹持器(14)可围绕一轴线(18)转动，且轴线(18)与夹持器(14)的枢轴延伸成一直角。
传感器(16)有一个参考面(20)，它用于保持传感器与其断面要被测量的物体的一个面相接触。
在管(4)内安装了能传播电磁能量的电磁波导管(22)。磁性靶(12)的作用是把至少一部分的电磁能量反射回波导管(22)的输入端，这样，根据所测得的该电磁辐射沿波导管(22)的传播时间就可得到支架(2)在管(4)上的位置指示。
图2表示了本发明的测量装置，包括支架组件(2)，连同一个物体(24)，该物体具有两个可决定其被测断面的相对表面(26)和(28)。
图2中的物体是一个具有上述特征的发电机卡环。当然，应该理解，本发明所述的系统可以适用于测量包括管子、圆柱体和平板在内的各种物体，並且不限于此。
图2所示系统包括两个支撑部件(32)和(34)，它们各自安装在被测物体(24)的端部。
支撑部件(32)包括一个安装板(36)和一个固定在安装板(36)上的固定架(38)。固定架(38)通过销钉或螺栓(40)固定在物体(24)上的孔中。支撑平台(42)固定在板(36)上，它的作用是支撑管(4)的一个端部以及与波导管(22)相连的位置传感器(44)，(图2中波导管(22)是看不见的)。
平台(42)还带有一个校准块(46)，该校准块至少有两个被精确测定过厚度尺寸的区域。
支撑部件(34)包括一个支靠在表面(26)和物体(24)的相关轴端部的支撑件(50)，该支撑件通过螺母或卡环(54)来支撑管(4)的另一端。
图(2)中所示的物体(24)是具有代表性的发电机卡环，它有一个一般为圆柱形的外表面(26)，及具有一些直径转折点(56)的阶梯形内表面(28)。
图(3)用图解的形式画出了本发明中用以获得物实断面信息的电路，它包括一个超声波传感器电路(60)，电路(60)与传感器(16)相连，用来将信号送至传感器(16)或接收从传感器(16)返回的信号;还包括一个位置传感器电路(62)，对于位置传感器(44)来讲，它具有与上述相类似的作用。
电路(60)是以众所周知的方法来获得表示物体(24)的(26)和(28)两表面之间距离的信号。即物体(24)的壁厚的，这个方法就是根据超声波能量传送至表面(28)，然后反射至表面(26)的传播时间来算出这个距离。与此同时，电路(62)也给出一个沿管(4)方向的传感器(44)与磁靶(12)之间的距离信号。因此，电路(60)的输出端在任何给定时间所产生的厚度信号都表示物体24在由电路(62)给出的信号所确定的位置上的厚度。
电路(60)和(62)所产生的测量信号将送至数据处理器(64)，它存储顺序获得的厚度信号以及相应的位置信号。
最后的信息可按常规方法处理，即将结果或提供给显示设备(66)，或送至绘图仪(68)，以画出物体(24)的断面图。
为了使用本发明的装置测得物体的断面，这装置需如图2所示那样装在被测物体(24)上，然后，随着信号提供给超声传感器(16)和位置传感器(44)从传感器接收信号，使传感器(16)沿着校准块(46)移动。从校准块的两个区域取得读数，並且调节电路(60)，使之正确地显示厚度尺寸。然后，把传感器从校准块移到板(36)作为参考，考虑到板(36)的厚度;把支架(2)沿管(4)移动，同时获得厚度读数。操作员要使参考面(20)与外表面(26)保持平齐，同时握住夹持器(14)和传感器(16)，手动控制滑动架(2)沿管(4)运动。
当电路(60)显示出的厚度发生变化时，操作员应暂停朝前移动支架(2)，而使传感器横跨这个转折点並测得转折处每个侧面的厚度和相应的距离数据。
这个操作一直要持续到传感器检查完物体(24)的全部长度才结束。
在这个操作结束时，最终的数据将被汇总起来，用以显示或画出被测物体的断面图。
虽然这套装置按目前的设计是人工控制的，但应理解，本发明也可以按一套自动装置实施，用马达带动支架(2)沿管(4)移动，而且夹持器(14)的结构可自动保持参考面(20)与物体的表面相贴。这样，采用这套装置时，仅需在固定的间隔收集厚度和位置数据就可以了。
这样，最后所得到的断面就可以被用来确定若干位置，在这些位置应对物体表面进行超声波探查以探明裂缝的构造。
上述所讨论的是本发明的特定的实施例。显然，可以在不违反其精神实质的原则下对它进行许多改进。特别是任何合适的距离测量设备都可以用来指示支架(2)沿管(4)方向上所在的位置。附加的权利要求将尽可能地包含属于本发明范围和精神的这类修改。
因此，目前所披露的实施例，无论从哪一点来看都仅仅是说明性的，而不是限定性的。本发明的范围是由所附的权利要求书来指明，而不受上述的限定。在此权利要求书意义和范围内的所有改动都将被其包括。
权利要求
1.一套用于测定具有两个相对表面的物体横断面图的系统包括具有一个参考表面的超声波传感器，用于发射和接收通过上述参考面的超声波能量；厚度检测装置，它与上述传感器相连，可使该传感器通过上述参考面发射超声波能量，並检测被该传感器接收的、通过该参考面的反射超声波能量，由此可以得到参考面与面对该参考面的超声波能量反射面之间的距离；一个支撑上述传感器的支架；导向装置，它决定了一条具有一个参考点的直线运动轨迹，並支撑上述支架沿这条运动轨迹运动；位置测定装置，它可操作地与上述的支架相关联，以获得该支架沿上述运动轨迹相对于上述参考点的位置；用来将导向装置固定在物体上的装置，它将使直线运动轨迹沿着两相对平面之一延伸；还有信号处理装置，它与上述位置测定装置及上述的厚度测量装置相连接，当上述参考面与物体的两相对面之一接触时，与上述支架相对于上述参考点的位置相关，可产生两相对面之间的距离指示。
2.由权利要求1所限定的一套系统，其中上述信号处理装置包括图形显示装置，用来显示出沿着直线运动轨迹的方向上，物体两相对面间的断面。
3.由权利要求1所限定的一套系统，其中上述位置测定装置包括一个用于发射和接收电磁波能量的电磁波传感器;电磁波传播装置，它与上述电磁波传感器相连，用于使电磁波沿直线运动轨迹传播;还有能量反射装置，安装在前述的支架上，並可操作地与上述电磁波传播装置相连系，用来将上述电磁波传感器发射出的能量反射回该波传感器，利用这一点，可知波能量从上述波传感器至该反射装置的传播时间是与上述的支架到参考点之间的距离成正比的。
4.由权利要求3所限定的一套系统，其中上述波传播装置包括一个波导管，而上述的能量反射装置可以产生一个磁场，该磁场对于在这个波导管中传播的能量具有反射作用。
5.由权利要求1所限定的这套系统进而还包括定位装置，它连接在前述的支架和超声波传感器之间，当前述的导向装置固定在物体上时，定位装置使上述的参考面保持与物体的一个表面相平行。
6.根据权利要求5所限定的一套系统，其中，所述的导向装置支撑着支架，並在一定程度上允许该支架绕第一轴线旋转，该轴是沿上述的直线运动轨迹方向延伸的;而所述的定位装置具有一个允许上述超声波传感器绕第二轴线和第三轴线旋转的机构，第二轴线与第一轴线是平行的，而第三轴线是横截第二轴线的。
7.由权利要求1所限定的系统进而还包括一个校准块，配置该校准块与上述的超声波传感器相配合，用来校准上述厚度测量装置。
8.用于测定具有两个相对表面的物体的横截面图的系统，它包括具有一个参考表面的超声波传感器，用于发射和接收通过上述参考面的超声波能量;厚度检测装置，它与上述传感器相连，可使该传感器通过上述参考面发射超声波能量，並检测被该传感器接收的，通过该参考面的反射超声波能量，由此可以得到参考面与面对该参考面的超声波能量反射面之间的距离;一个支撑上述传感器的支架;导向装置，它决定了一条具有一个参考点的直线运动轨迹，並支撑该支架沿此轨迹移动，並在一定程度上允许该支架第一轴线旋转，第一轴线沿所述直线运动轨迹延伸;位置测定装置，它可操作地与支架相关联，用来测定该支架沿上述运动轨迹相对于所述参考点的位置;这个位置测定装置包括一个用来发射和接收电磁波能量的电磁波传感器，一个用来沿直线运动轨迹传播波能量，且与波传感器相连的电磁波波导管;还包括安装在支架上，并可操作地与波导相连系的能量反射装置，它用来将波传感器发射的能量反射回波传感器，这个能量反射装置产生一个磁场该磁场对于在波导管中传播的能量具有反射作用，而波能量在波传感器至反射装置之间的传播时间是与支架至上述参考点之间的距离成正比的;用来把导向装置固定在物体上的装置，它使直线运动轨迹沿物体的两相对平面之一的方向上延伸;定位装置，它被连接在上述支架与超声波传感器之间，以便当上述导向装置固定在物体上时，可使所述的参考面与物体的一个面保持平行，而所说的定位装置具有一种机构，它允许上述超声波传感器绕第二轴线和第三轴线旋转，第二轴线与第一轴线平行，第三轴线是横截第二轴线的;还有信号处理装置，它与上述的厚度检测装置及位置测定装置相连，当所述参考面与物体两相对面之一接触时，相应于所述支架与其参考点之间的相对位置，可产生物体两相对面之间的距离指示;该信号处理装置还包括图形显示装置，用来画出沿直线运动轨迹方向上，物体两相对面间的断面。
9.一种使用权利要求1所限定的系统来测定具有两相对表面物体的截面图的方法包括将所述的装置连接到物体上，以使直线运动轨迹沿平行于物体两相对面之一的方向延伸;在操作所述的厚度测量装置及位置测定装置的同时，沿上述的运动轨迹移动支架，並保持参考面与两相对面之一接触;操作上述信号处理装置，以沿着上述运动轨迹得到两相对平面间的距离。
10.权利要求9所限定的方法中，其中移动的步骤是手动执行的。
11.权利要求10中所限定的方法中提到的移动步骤包括每当厚度测量装置显示出两个相对面间的距离有变化时，都要停止移动支架，並且在厚度变化位置处的每一侧都要测出两相对面间的距离。
全文摘要
一套测定具有两个相对表面物体横截面图的系统由以下几部分组成具有参考面的超声波传感器；厚度测量装置，使传感器发射和接收超声波能量，确定参考面与反射面之间的距离；支撑传感器的支架；使支架沿直线路径运动的导向装置；位置测定装置，可确定支架相对于参考点的位置；将导向装置固定在物体上的部件；信号处理装置，相应于支架的位置产生相对面之间的距离指示。
文档编号G01B17/02GK1050085SQ9010746
公开日1991年3月20日 申请日期1990年9月4日 优先权日1989年9月7日
发明者迈克尔·约瑟夫·米塔拉, 李·韦恩·伯特内尔, 迈克尔·弗朗西斯·费尔 申请人:西屋电气公司