用于借助超声波检测工件的方法
【专利摘要】本发明涉及用于在工件(2)表面(4)的弯曲区域(6)中借助超声波检测工件的方法，包括以下步骤：(a)借助至少一个超声波转换器(10a?10f)，在不同的、处于转动范围(16a、16b)内的转动角(Sa、Sb)下将多个超声波信号(14a、14b)从多个发射位置(Pa?Pf)发射出并投射在工件(2)中，(b)对每个超声波信号(14a、14b)接收对应的超声波回波信号(18a、18b)并确定进入工件(2)时或在工件(2)的后壁上产生的超声波回波(E)的振幅，(c)为每个发射位置(Pa?Pf)确定显示局部极大值的振幅的超声波回波(E)，(d1)如果在步骤(c)中为发射位置(Pa?Pf)确定了显示局部极大值的振幅的单个超声波回波(E)，则选择单个超声波回波的所属超声波回波信号(18a、18b),(d2)如果在步骤(c)中为发射位置(Pa?Pf)确定了显示局部极大值的振幅的多个超声波回波(E)或者如果为发射位置(Pa?Pf)预先定义了这个，则实施超声波回波信号(18a、18b)的选择，在以在步骤(c)中为相邻的发射位置(Pa?Pf)仅确定具有显示局部极大值的振幅的单个超声波回波信号(E)的情况下，方式是选择这样的超声波回波信号(18a、18b)，其处于相邻的发射位置(Pa?Pf)的具有超声波回波(E)的最大振幅的超声波回波信号(18a、18b)的相应转动角(Sa、Sb)周围的一定角范围(24)内并且具有最大振幅的超声波回波(E)，(e)至少对所选择的超声波回波信号(18a、18b)进行评估。
【专利说明】用于借助超声波检测工件的方法
[0001]本发明涉及一种用于在工件表面的弯曲区域中借助超声波检测工件的方法。
[0002]特别是由纤维复合材料例如玻璃纤维增强或碳纤维增强的塑料(GFK或CFK)制成的工件，可能由于每次选择的制造方法或根据其应用会有材料缺陷。这特别是在承受高机械应力和安全相关的组件中成为显著的问题。这种材料的检测通过超声波检测技术来实现无损检测，特别是通过非接触的检测来实现，其中，产生超声波信号的超声波转换器不与工件直接接触。实际上超声波例如经由液体路段投射到工件中。此外，非接触的检测方法具有的优点是，它能够实现最佳的检测覆盖。但缺点是，超声波转换器必须根据工件被精确定位，以获得令人信服的测量或检测结果。但是，由于工件自身和使用的超声波转换器或超声波转换器布置受到一定的机械定位误差的影响，因此特别是在具有带弯曲表面的区域的工件中可能也会导致关于工件的特性方面可能没有明确说明的测量。然后，必须通过校正超声波转换器相对于工件的位置再次检测工件。
[0003]因此，本发明的任务在于提出一种方法，通过该方法来避免上述缺点。
[0004]根据本发明，该任务将通过具有权利要求1的特征的方法得以解决。因此，用于在工件表面的弯曲区域中借助超声波检测工件的方法具有以下步骤:
[0005]在步骤(a)中，借助至少一个超声波转换器，在不同的、处于转动范围的转动角下，将多个超声波信号从多个发射位置发射出去并投射到工件中。转动角被理解成这样的角，它包围在超声波转换器表面上的垂线和超声波信号的传播方向之间。
[0006]在步骤(b)中，对每个超声波信号均接收到对应的超声波回波信号并确定在进入工件时或在工件的后壁上产生的超声波回波的振幅。因此，每个超声波回波信号包括全部接收的超声波回波，该超声波回波通过相应发射出来的超声波信号例如在其进入工件时、在工件的后壁上的反射产生，或由于材料缺陷产生。
[0007]在步骤(C)中，为每个发射位置确定显示局部极大值的振幅的超声波回波并选择其超声波回波信号。因此，在步骤(b)中测定的全部超声波回波信号的振幅在整个转动范围来看进行定量估计。从而确定超声波回波，该超声波回波相对于其他振幅显示局部极大值。因此，可能发生这种情况，即对于一个或多个发射位置存在多个局部极大值。随后，从多个超声波回波信号中确定呈现具有显示局部极大值的振幅的超声波回波的超声波回波信号，因此，也可在这种情况下在一个或多个发射位置选择多个超声波回波信号。如果例如由于过调制，一个发射位置的多个相邻的超声波回波信号在动态范围的上限时具有相同的最大振幅值，则总是选择这样的超声波回波信号，其转动角与相关超声波回波信号的转动角的整数平均值的偏差最小。
[0008]随后在步骤(dl)中，如果在步骤(C)中为发射位置确定了显示局部极大值的振幅的单个超声波回波，则选择该单个超声波回波的超声波回波信号。
[0009]如果在步骤(C)中为发射位置确定了显示局部极大值的振幅的多个超声波回波或者如果为发射位置预先定义这个，则在步骤(d2)中进行超声波回波信号的选择，在以在步骤(C)中为相邻的发射位置仅确定具有显示局部极大值的振幅的单个超声波回波的条件下，方式是选择这样的超声波回波信号，它们处于相邻发射位置的具有超声波回波的最大振幅的超声波回波信号的相应转动角周围的一定角范围内，而且它们具有最大振幅的超声波回波。那么，在步骤(C)中确定在具有最大振幅的超声波回波方面没有明确的结果时，或者从一开始就确定了这一点的话，则实施步骤(d2)。后者例如可以在这种情况下实施，即某些条件早就已知，因此可将超声波回波信号的后续选择限制在已知的角范围内。然后，根据有关一个或多个相邻的发射位置的所选择的超声波回波信号的几何角度进行额外选择。从而将选择的超声波回波信号的转动角传递到观察的发射位置，并且扩大一定的角度范围。接着选择这样的超声波回波信号，其在所述角度范围内具有最大振幅。如果例如由于过调制，在角范围内的一个发射位置的多个相邻的超声波回波信号在动态范围的上限时具有相同的最大振幅值，则总是选择这样的超声波回波信号，其转动角与相关超声波回波信号的转动角的整数平均值的偏差最小。
[0010]随后在步骤(e)中，至少对所选择的超声波回波信号进行评估。因此，所选择的超声波回波信号为进一步的评估方法和工件材料质量的评估提供了基础。在极端情况下可丢弃剩余的超声波回波信号。但是也可将其他的超声波回波信号列入进一步的评估中。
[0011]本发明基于这样的认识，即当指向超声波信号的传播方向的入射声轴(Einschal Iachse)在声音切入点被定向为垂直于工件表面的切线时，超声波回波的振幅在进入工件时最大并且对于评估最理想。因此，在这种情况下，反射的超声波，即进入工件时产生的具有相对于超声波源最低偏转的超声波回波也被反射到超声波转换器。
[0012]通过检测多个超声波回波信号(其基于不同的、处于转动范围的转动角下的多个超声波信号的入声(Einschal Iungen))，紧接着确定并评估超声波回波的振幅，该超声波回波在进入工件时或由于工件的后壁所引起，并通过根据本发明选择理想的超声波回波信号，有可能的是，通过几乎不依赖于超声波转换器的定位至少对这些选择的超声波回波信号进行评估，获得有效的检测结果。
[0013]在这种情况下，从多个不同的超声波回波信号中仅选择在进入工件时或从工件的后壁获得的局部最大超声波回波信号。如果在步骤(C)中为发射位置确定了显示出局部极大值的振幅的多个超声波回波或者为发射位置预先定义了这点，则根据相邻标准(Nachbarschaftskriterium)为该发射位置实施选择。在这种情况下，在步骤(C)中选择的回波信号被定向，该回波信号已经为相邻的发射位置确定。随后，为超声波信号或超声波回波信号定义一定的角范围，最有利的超声波回波信号得位于其中且仅选择它。
[0014]该方法的优点在于，仅通过唯一的检测过程在不同的转动角度下从事先确定定义的发射位置进行不同的入声。不需要重新定位超声波转换器，使得检测费用减少。该方法允许对于工件和超声波转换器有大的误差定位公差，因为通过选择合适的超声波回波信号，在评估时至少观察到这样的超声波回波信号，其中存在理想的超声波回波信号。
[0015]在本发明的优选实施方案中，将单个超声波转换器移动到多个发射位置中。但是也可使用多个超声波转换器的布置，使得在工件检测期间不需要改变单个超声波转换器的定位。通过多个超声波转换器固定的几何布置，通过相对于工件来定位整个布置也同时定义了每个发射位置。
[0016]这样的布置可以具有至少一个相控阵超声波转换器(Phased-Array-Ultraschallwandler)。在此，为发射位置改变转动角可以通过电子方式进行。超声波转换器不必围绕转动轴物理地转动。为此可将超声波转换器设计得更加紧凑，因为不需要用于机械调整机构的空间。从而提高难以接近的工件的可检测性或检测覆盖。检测时间也可缩短，因为物理转动例如在液体中比电子转动需要的时间更多。
[0017]优选地，为了检测工件的内径使用这种布置，其指向工件的表面是凹形弯曲的。在这种情况下，相比于平坦表面的布置可将该布置构造得更紧凑。
[0018]优选地，在步骤(a)中分别连续发射出超声波信号。
[0019]在本发明的另一优选的实施方案中，实现非接触地对工件进行超声波检测。例如通过浸入技术进行检测，这意味着，将工件和一个或多个超声波转换器浸入液体中并将超声波转换器的超声波经过液体路段投射到工件中。在这种情况下，关于超声波信号的入声，在超声波转换器和待检测的工件之间没有机械连接。借助该技术也可检测工件难以接近的区域。此外，不需要使超声波转换器与表面的几何形状精确匹配。
[0020]参照附图的实施例来进一步阐述本发明。图中示出:
[0021 ]图1示出了多个超声波转换器的布置和在第一发射位置用第一超声波转换器检测时的工件，
[0022]图2示出了多个超声波转换器的布置和在另一发射位置用另一超声波转换器检测时图1所示工件，
[0023]图3所示附图示出了根据转动角在进入工件时产生的回波的振幅，
[0024]图4示出了多个超声波转换器的布置和工件，具有第一发射位置的所选择的超声波回波信号，
[0025]图5示出了多个超声波转换器的布置和工件，具有另一发射位置的所选择的超声波回波信号，
[0026]图6示出了多个超声波转换器的布置和工件，具有第一发射位置的处于角范围内的超声波回波信号，
[0027]图7示出了多个超声波转换器的布置和工件。具有第一发射位置的所选择的超声波回波信号。
[0028]图1示出了待检测的工件2，其表面4具有弯曲的区域6，本文中具有大约90°角的凹曲率。但是，该方法也适于其他种类的弯曲表面4并且特别适于具有其他角度的凹形弯曲表面4。表面4也可具有不同的曲率，如凸的和凹的曲率。
[0029]工件2的检测借助浸入式技术通过超声波进行，其中工件2浸入在未示出的液体浴中。此外，图1还示出了多个(在这个案例中为6个)超声波转换器10&、1013、10(3、10(1、106、1(^的布置8，它们集成在探头中。这些超声波转换器也浸入在液体浴中。超声波转换器1a-1Of分别以相控阵技术(Phased-Array-Technik)驱动。超声波探头或布置8的指向工件2的表面12是凹形弯曲的。
[0030]通过超声波转换器1a-1Of在布置8内的固定几何布置和布置8或超声波探头相对于工件2的相应定位来同时定义多个发射位置Pa-Pf。这意味着，超声波转换器1a定位在发射位置Pa、超声波转换器1b定位在发射位置Pb以及其他超声波转换器lOc-f定位在相应的发射位置Pt=-Pf。
[0031]在第一步骤(a)中，现在首先借助超声波转换器10a，在不同的、处于转动范围16a内的转动角SaT，将多个超声波信号14a从发射位置Pa发射出并投射到工件2中。多个超声波信号14a在此穿过液体，优选穿过水。在这种情况下，转动范围16a包括总共24°的范围，其具有从-12°到12°的转动角53。具有0°转动角的超声波信号14a以虚线显示。在本实施例中，每个超声波信号14a各以2°的间隔发射出去。
[0032]在步骤(b)中，对每个超声波信号14a接收到对应的超声波回波信号18a，在这种情况下由超声波转换器1a来接收。但是还有可能的是，相应的超声波回波信号18a也由另一接收元件接收。在此，超声波回波信号18a具有多个超声波回波E，例如一个在超声波信号进入工件2时引起的超声波回波E、由于工件2的材料缺陷引起的其他超声波回波E、或者也具有由于超声波信号14a在工件2的后壁上反射引起的另一超声波回波E。随后确定在进入工件2时或在工件2的后壁上产生的超声波回波E的振幅。
[0033]随后在步骤(c)中，首先为发射位置Pa确定具有显示局部极大值的振幅的超声波回波E，并选择其超声波回波信号18a。
[0034]接着，根据步骤(a)通过超声波转换器1b进一步发出多个超声波信号14b，其中重新在不同的、处于转动范围16b内的转动角Sb下，将它们发射出来并投射到工件2中。转动范围16b在此可包括与转动范围16a相同的转动范围，即在本实施例中为24°。但是，转动范围也可与之不同。每个转动角Sb也可相当于转动角Sa，但是也可与它们不同，即转动角Sb的间隔可大于或小于每个转动角Sa的间隔。随后为发射位置Pb相应地执行步骤(b)和(C)。图2详细地说明了该情况。然后，为所有其他的发射位置SfSf执行全部的步骤(a)、(b)和(C)。同样在此，可单独改变每个参数，如转动角Sc-Sf或转动范围16c-16f。
[0035]现在在图3中显示这样的图，其中画有曲线20以及曲线22。曲线20在此示出了依赖于转动角33的超声波回波信号18a的超声波回波E的振幅，该超声波回波E在超声波信号14a进入工件2时产生。类似地，曲线22示出了超声波回波信号18b的超声波回波E的振幅。曲线20对于-8°和+9°的转动角具有两个局部极大值。而曲线22仅在+10°的转动角Sb处具有局部极大值。因此，根据步骤(c)为发射位置Pa确定多个具有显示局部极大值的振幅的超声波回波E，即对应于具有-8°和+9°的转动角53的相应超声波信号18a的那些超声波回波E。为发射位置Pb唯一确定具有显示局部极大值的振幅的超声波回波E，其属于具有+10°的转动角Sb的超声波回波信号18b。在这种情况下，分别涉及相应的超声波信号18a、18b，其相应的超声波信号14a、14b正交于工件的表面4。
[0036]因为为发射位置Pb仅确定了显示局部极大值的振幅的单个超声波回波E，所以根据步骤(dl)选择其所属的超声波回波信号18b，即具有+10°的转动角Sb的超声波回波信号。
[0037]确定的或选择的超声波回波信号18a、18b显示在有关布置8和工件2的图4和图5中。在图4中可见，属于步骤(c)中确定的回波信号E的超声波回波信号18a中的一个投射进工件表面4的弯曲区域6中，而另一超声波回波信号18a位于该区域的上面。但是，对于进一步的评估而目仅投射进弯曲区域中的超声波回波?目号18a是相关的。
[0038]现在为了能够执行相关的超声波回波信号18a的选择，在步骤(d2)中观察相邻的发射位置Pb的选择的超声波回波信号18b。现在，如图6中详细阐明的那样，从所有超声波回波信号18a的整群中选择出这样的超声波回波信号，其处于相邻的发射位置Pa的具有超声波回波E的最大振幅的超声波回波信号18b的相应转动角Sb周围的一定的角范围24内，在此例如在+-2°内。具有超声波回波E的最大振幅的超声波回波信号18b的转动角Sb在步骤(c)中在+10°处被确定。角范围24预先确定为+-2°。因此，相关角范围24包括+10°+_2°，即从+8°到+12°的转动角53，如图6中所示。现在，在该角范围24内观察所有的超声波回波信号18a并选择这样的超声波回波信号18a，其超声波回波E具有最大的振幅。在这种情况下，选择具有+9°的转动角53的超声波回波信号18a。图7中示出了该选择过程的结果。
[0039]在这种情况下，仅观察相邻的发射位置Sb的具有超声波回波E的最大振幅的超声波回波信号18b。但是在个别情况下也可观察多个相邻的发射位置S，条件是在步骤(C)中确定了具有多个选择的超声波回波信号18a_f的发射位置S。
[0040]紧接着，至少对所选择的超声波回波信号18a_f进行评估。而剩余的超声波回波信号可丢弃。
[0041]因此，通过这样的处理方法几乎不依赖于超声波探头8布置的定位而实现工件2初始以大量的超声波信号14在不同的几何条件下入声，并且随后选择适合评估的超声波回波信号18a_f。
[0042]参考标记列表
[0043]2 工件
[0044]4 表面
[0045]6弯曲的区域
[0046]8超声波探头
[0047]10a、10b、10c、10d、10e、10f 超声波转换器
[0048]12 表面
[0049]14a、14b超声波信号
[0050]16a、16b 转动范围
[0051 ] 18a、18b超声波回波信号
[0052]20 曲线
[0053]22 曲线
[0054]24角范围
[0055]E超声波回波
[0056]Pa、Pb、Pc、Pd、Pe、Pf 发射位置
[0057]Sa、Sb 转动角
【主权项】
1.一种用于在工件(2)表面(4)的弯曲区域(6)中借助超声波检测所述工件的方法，所述方法具有以下步骤: (a)借助至少一个超声波转换器(1a-1Of)，在不同的、处于转动范围(16a、16b)内的转动角(Sa、Sb)下，将多个超声波信号(14a、14b)从多个发射位置(Pa-Pf)发射出并投射在所述工件(2)中， (b)对每个超声波信号(14a、14b)接收对应的超声波回波信号(18a、18b)并确定在进入所述工件(2)时或在所述工件(2)的后壁上产生的超声波回波(E)的振幅， (c)为每个发射位置(Pa-Pf)确定具有显示局部极大值的振幅的所述超声波回波(E)， (dl)如果在步骤(c)中，为发射位置(Pa-Pf)确定了具有显示局部极大值的振幅的单个超声波回波(E)，则选择所述单个超声波回波的所属超声波回波信号(18a、18b)， (d2)如果在步骤(c)中，为发射位置(Pa-Pf)确定了具有显示局部极大值的振幅的多个超声波回波(E)或者如果为发射位置(Pa-Pf)预先定义了这个，则实施超声波回波信号(18a、18b)的选择，在以在步骤(c)中为相邻的发射位置(Pa-Pf)仅确定具有显示局部极大值的振幅的单个超声波回波(E)的条件下，所述实施超声波回波信号(18a、18b)的选择的方式是选择这样的超声波回波信号(18&、1813)，该超声波回波信号(18&、1813)处于所述相邻的发射位置(Pa-Pf)的具有超声波回波(E)的最大振幅的超声波回波信号(18a、18b)的相应转动角(Sa、Sb)周围的一定角范围(24)内并且具有最大振幅的超声波回波(E)， (e)至少对所选择的超声波回波信号(18a、18b)进行评估。2.根据权利要求1所述的方法，其中将单个超声波转换器(1a-1Of)移动到所述多个发射位置(Pa-Pf)中。3.根据权利要求1所述的方法，其中使用多个超声波转换器(1a-1Of)的布置(8)。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述布置(8)由至少一个相控阵超声波转换器(1a-1Of)构成。5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述布置(8)的指向所述工件(2)的表面(4)是凹形弯曲的。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(a)中分别依次发射出所述超声波信号(14a、14b)。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对所述工件(2)进行非接触的超声波检测。
【文档编号】G01N29/26GK106062549SQ201580010289
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月23日
【发明人】菲利克斯·科伯, 克斯廷·肖尔兹, 埃德加·扎乌斯
【申请人】阿海珐有限公司