专利名称：用于陶瓷蜂窝式结构的超声测试方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于检测陶瓷蜂窝式结构中的内部不连续性的方法，具体来 讲，涉及一种超声测试方法和设备，其能快速且有效地确定这种结构内是否存在内 部不连续性。
背景技术：
陶瓷蜂窝式结构被用于车辆排气系统，以减少污染物。这种结构一般包括网 状的互连网壁，这些壁构成了细长的导气单元的矩阵，这些单元可以是例如方形、 八边形或六边形的。网状的网壁最好由圆柱形外皮包围着，该外皮一体地连接到这 些网壁的外边缘，以形成罐形结构或椭圆形结构，这样的结构具有相对的入口和出 口，以便通过这些单元的矩阵接收废气并且排出废气。
这种陶瓷蜂窝式结构可被用作柴油动力汽车或其它装备的排气系统中的粒子 过滤器或汽车的催化转化器。当被用作粒子过滤器时，最好以"棋盘"方式塞紧这种 结构的入口端和出口端上的单元的开口端，使得进入该结构的入口端的废气必须穿 过多孔的陶瓷网壁，才能允许它们从该结构的出口端的单元的开口中排出。当被用 作催化转化器时，这些单元保持未塞紧的状态，使得废气可以直接流过这些单元， 并且这些单元壁都涂有贵金属催化剂，其中包含例如铂、铑、或钯。在这些网壁达
到起燃(light-off)温度之后，网壁上所浸渍的催化剂会使C02氧化，并且使NOx 分离成N2和02。陶瓷蜂窝式结构的这两种应用对于减少污染物而言都是重要的， 否则这些污染物就被排放到环境中了 。
这种陶瓷结构最好是这样形成的通过一模具，挤出堇青石、莫来石、碳化 硅、或钛酸铝的膏状陶瓷前体，以同时形成网状的网壁以及一体连接的外皮。所得 挤出的生坯陶瓷体被切割、干燥且被移到炉子中，该炉子将生坯陶瓷体转换成烧过 的陶瓷体。接下来，按上述图案塞紧烧过的陶瓷体以形成柴油机粒子过滤器，或者 对其进行催化剂洗涤涂敷以使贯流(flow-through)单元的壁浸渍了催化剂。不幸的是，在挤出、处理和烧制的过程中，陶瓷基板之内可能会出现内部损 坏，这会有损陶瓷体除去来自汽车排气系统(该陶瓷体最终就被安装在该系统中) 中的污染物的性能。这种损坏可能包括沿该结构旋转轴取向的裂纹；以及与该轴
横向相交的裂纹，在下文中被称为轴向裂纹和"环向(ring-off)"裂纹。在该结构的
网状网壁与外皮之间的局部分离，会使其它损坏显现出来。最终，在该结构表面上 可能出现外部细线裂纹或其它有损强度的划痕和变形。
在现有技术中，已知有若干种用于测试各种制造部件有没有不连续性的方法。
这些方法包括X射线检测和CT扫描。然而，这种X射线检测对蜂窝式陶瓷结构 内部可能存在的内部裂纹不敏感，除非该缺陷大于某一尺寸。即使当该缺陷足够大 到能够被检测时，也必须仔细地检查该X射线图像的精细细节，才能区分这种缺 陷。完整地检査一个蜂窝式结构可能会花几个小时，这对于实际制造工艺而言太长 了。与X射线检查的原理相同的其它技术(比如X射线分层摄影法和层析成像术) 也都具有相同的缺点，它们需要长得多的时间和多得多的努力，从而不能在适合实 际制造工艺的时帧内有效且可靠地检测到裂纹和其它不连续性。
很明显，需要一种用于检测陶瓷蜂窝式结构的方法，它能够快速且可靠地检 测有没有轴向裂纹或"环向"裂纹等不连续性、外皮分离、外部细线裂纹、或其它变 形或故障，这些缺陷可能严重有损陶瓷结构在排气系统中的作用。理想情况下，这 种方法是快速的、非入侵式的，且能够很好地纳入标准制造工艺中。最终，期望这 种方法适用于生坯陶瓷结构或烧制的陶瓷结构，使得使用该检测方法时可不再需要 烧制有缺陷的生坯陶瓷体，并且对完成的、烧制的成品进行最终的检查。
发明内容
一般说来，本发明是一种用于检测经烧制或生坯陶瓷蜂窝式结构中的不连续 性或非均匀性的方法，该方法能避免或至少改善与现有技术的测试方法相关联的所
有缺陷。为此，该方法包括如下步骤将超声发射器置于蜂窝式结构上的第一外 部位置附近；将超声接收器置于蜂窝式结构上的第二外部位置附近；驱动发射器 以产生超声波，该超声波传导穿过蜂窝式结构的内部；在接收器处接收穿过蜂窝 式结构传导过来的超声波；然后基于该超声波产生一响应信号。接下来，除去出现在响应信号中的噪声以产生经过滤的响应信号，对其进行分析以确定是否存在内部 不连续性或非均匀性。
较佳地，驱动发射器以产生小于约5MHZ的超声波，使得传导穿过蜂窝式结
构的超声波具有相对较高的信噪比。更佳地，发射器产生介于约150和700kHz之 间的超声波，介于150和500kHz之间则最佳。
上述超声频率特别有益于敏锐地分辨出由选自堇青石、碳化硅、莫来石、或 钛酸铝的陶瓷材料所构成陶瓷蜂窝式结构中的不连续性，这种结构的多孔率介于 15%和85%之间，介于20%和45%之间则更佳。该方法可用于检测网状的网壁之 内的轴向裂纹或环向裂纹，还可用于检测网壁和外皮之间的分离。该方法也能够检 测表面划痕和变形。
超声发射器和接收器可以位于陶瓷蜂窝式结构上不同的位置或相同的位置 处。当发射器和接收器位于陶瓷蜂窝式结构上的同一位置时，发射器和接收器可以 包括一种组合式超声收发器，并且传导穿过该结构的超声波可以是一种脉冲回波。 当超声接收器和发射器位于蜂窝式结构上不同的位置时，它们可以位于该结构相对 两侧上彼此相对的位置处，并且传导穿过蜂窝式结构的超声波可以是一种透射超声 波。
陶瓷蜂窝式结构可以是一种贯流结构，它具有多个空气通路和基板通路，并 且传导穿过蜂窝式结构的超声波可以是穿过空气通路或穿过基板而传导的。当陶瓷 结构是生坯陶瓷体时，超声波最好是穿过该结构的空气通路而传导的。当陶瓷结构 未被烧制时，超声波最好是穿过基板通路而传导的。
超声发射器和接收器可以被定位成与陶瓷蜂窝式结构相接触，或者位于该结 构外壁附近的非接触位置处。在经过滤的第一响应信号被分析之后，超声发射器和 接收器可以相对于蜂窝式结构而重新定位，并且再次驱动，以使得任何内部不连续 性或非均匀性最终都被检测到。若不使用按顺序重新定位的单个超声发射器和接收 器，则可以使用阵列式超声发射器和接收器来更迅速地"扫描"整个陶瓷体从而确定 是否存在任何不连续性或非均匀性。在本发明的较佳方法中，超声发射器和接收器 的阵列位于陶瓷体外壁附近但不与之接触，以使得可以迅速且有效地扫描该陶瓷体 以检测有没有缺陷。本发明还包括一种用于实现本发明的非接触扫描方法的设备，该设备包括 超声发射器阵列，位于蜂窝式结构附近但并不与之接触；以及超声接收器阵列，其 与超声发射器阵列相对，用于接收穿过该结构传播的超声波。超声发射器阵列和超 声接收器阵列可以定位成彼此相对，并且该设备可包括用于在这两个阵列之间移动 陶瓷蜂窝式结构的传送带或其它装置。或者，超声发射器和接收器的阵列可包括单 个超声收发器阵列，当蜂窝式结构相对于收发器阵列移动时该收发器阵列发射并接 收超声脉冲，以便于通过脉冲回波技术来确定有没有不连续性或其它非均匀性。
图1A是现有技术的催化剂的贯流陶瓷基板的透视图，它具有内部不连续性。 图1B是图1A的陶瓷基板沿着1B-1B线的平面局部视图(％段)。 图1C是图1A的陶瓷基板沿着1C-1C线的部分侧面横截面图。 图2A是本发明的接触透射超声测试方法应用于贯流陶瓷基板的示意图。 图2B是上述方法的接触透射实施方式应用于用作粒子过滤器的被塞紧的基 板的示意图。
图2C是上述方法的脉冲-回波实施方式应用于比如粒子过滤器的被塞紧的陶 瓷基板的示意图。
图3A是示出了本发明的方法的透射实施方式的原理的示意图。
图3B和3C分别示出了穿过没有内部不连续性的基板和有内部不连续性的基 板而透射的超声波的振幅。
图3D示出了穿过具有很大的(阻挡的)内部不连续性的基板而透射的超声波 的振幅。
图4A是示出了本发明的方法的脉冲回波实施方式的原理的示意图。 图4B是示出针对无裂纹柴油机粒子过滤器基板脉冲回波的振幅随时间而变 化的图形轨迹。
图4C是示出针对有裂纹的柴油机粒子过滤器脉冲回波的振幅随时间而变化 的曲线图。
图5A、 5B和5C分别示出了在具有单个小裂纹、两个小裂纹以及两个裂纹(其 中第二个裂纹被遮挡了)的陶瓷基板中反射的脉冲回波的"振幅-时间"曲线图。图6A是本发明的非接触装置的第一实施方式的示意图，该装置具有超声发射和接收 换能器的相对线性阵列，用于实现本发明的非接触方法。
图6B是本发明的非接触装置的第二实施方式的示意图，该装置具有超声发射
和接收换能器的环形阵列，用于实现本发明的非接触方法，并且进一步示出了本实 施方式的操作。
图6C示出了图6B的阵列所产生的超声信号的振幅在含内部不连续性的基板 的长度X上产生的变化。
图7是本发明的非接触测试装置的实施方式的示意图，其中两个相对的超声 换能器同时在基板末端上进行扫描以检测不连续性。
图8是图7的非接触测试装置的实施方式的局部横截面图。
图9A和9B是用于贯流基板的、图7所示非接触测试装置的实施方式所产生 信号的轨迹。
图10A和10B是用于蜂窝式过滤器的、图7所示非接触测试装置的实施方式 所产生信号的轨迹。
图11和12分别是根据非接触测试方法的各个实施方式的IR和TOF图像的 光栅扫描图像。
具体实施例方式
现在，参照图1A、 1B和1C，本发明的方法和设备特别适合用于检测柴油机 和汽车排气系统中所使用的陶瓷蜂窝式结构1中可能存在的不连续性或其它非均 匀性。这种结构包括网壁5的网格3，用于限定沿着结构1的旋转轴的导气单元7。 网壁5的网格3被外皮9包围。外皮9具有内边缘11，它一般一体地(除了在缺 陷处)连接到网壁5的网格3的外边缘，图1B给出最佳示出。所得的罐形结构具 有入口端13，用于接收来自柴油机或汽车引擎的废气；以及出口端15，用于排 出这些气体。
被用作贯流催化剂基板的陶瓷蜂窝式基板1具有介于入口端13和出口端15 之间完全开放的单元7。单元7的密度可以介于约100-900个单元/平方英寸。单元 密度可以最大化，以使直接吹过导气单元7的汽车废气与网壁5的接触面积达到最大。为了减小贯流基板1施加于废气上的压力降，网壁5通常很薄，即为2-10密
耳甚至2-6密耳的量级。
当这种蜂窝式结构1被用作壁流过滤器(比如柴油机粒子过滤器)时，按"棋
盘"图形塞紧入口端13和出口端15处的单元7的开口端，以迫使柴油机排气穿过 多孔的网壁5，再从出口端15出来。与被用作催化特征的基板中的情况相比，单 元7的密度较低，即一般介于约100-400个单元/平方英寸，并且网壁5通常较厚， 达到10-25密耳甚至12-16密耳厚的量级。不管结构1被用作催化载体还是粒子过 滤器，外皮9的厚度大约是网壁5的四倍。
通过挤出模具挤出堇青石、莫来石、碳化硅、或钛酸铝的可塑性陶瓷形成前 体，就制造出这种结构l。这种挤出的"生坯陶瓷体"接下来被切割和干燥。这种生 坯陶瓷体相当易碎，必须被运送到炉子中，热量将相对较软且易碎的生坯陶瓷体转 变成硬化的经烧制的蜂窝体。
不幸的是，挤出工艺以及对所得的易碎的生坯陶瓷体进行后续必需的处理(包 括切割和烧制)都可能导致结构1内部出现不连续性和非均匀性17。即使生坯陶 瓷体被烧制之后，蜂窝式结构中相对较薄的脆壁也有可能因机械冲击和压力而破 裂。这种不连续性17可包括环向裂纹19，其取向与结构1的旋转轴横向交叉； 以及轴向裂纹21，其取向平行于该轴。另外，在网壁5的网格3的外边缘与外皮9 的内边缘ll之间，可能出现分离23。当所得的结构l被用作粒子过滤器时，这种 不连续性17可使废气完全流过结构1而不进行过滤。当结构1被用作催化剂载体 时，这种不连续性17形成了局部的快速流动区域，这可使废气中的污染物不发生 催化分解。非均匀性包括尺寸变化(与基板内部壁厚、壁取向和/或波纹有关的 几何尺寸)；以及微结构变化，比如该结构内的密度差异、多孔率的变化和微裂纹 的量的变化。
图2A示出了本发明的方法的第一实施方式，该方法应用于贯流陶瓷结构25， 其单元7限定了在该结构的入口端13和出口端15处具有开口 29a、 29b的空气通 道27。该模式在本文中被称为"接触透射"方法。在本发明的这个实施方式中，发 射超声信号使之穿过在入口端13和出口端15之间延伸的网壁5。为此，测试超声 设备32设置有发射换能器33，用于发射超声波34 (由波状箭头来表示)；以及 接收换能器35，用于接收这些波34。在本发明的这个实施方式中，发射和接收换能器33、 35保持相对的关系，并且与结构25相接触，并且在结构25的入口端13 和出口端15上周期性地重新定位并重新驱动，以使得接收换能器35周期性地接收 直接从发射换能器33中发射的超声波34。每一次，换能器33、 35都基本上横跨 该结构彼此直接对准。发射和接收换能器33、 35可以是本领域公知的压电换能器。 接收压电换能器35响应于从发射换能器33中发射的超声信号34而谐振，这使它 产生一电信号。该信号转而被传导至数字处理器37。数字处理器37过滤由接收换 能器35所接收到的信号34中的噪声(该噪声是超声波34在换能器33、 35之间多 次反射而导致的)，并且将过滤后的信号发送给显示器39。或者，也可以使用其 它合适的超声测试换能器。
发射和接收换能器的组合输出产生了一种在基板25的直径或弦上的线性扫 描。当基板25是如图2A所示的贯流基板时，换能器33、 35可在发射换能器33 直接位于纵向网壁5之一的上方时被驱动，以使得波34被传导穿过基板自身。
较佳地，发射换能器33所产生的超声波34的频率小于约5 MHz。更佳地， 用于接触透射方法的超短波34的频率介于约150和700 KHz之间，介于150和500 KHz之间最佳。申请人发现，当在这些范围中产生超声波34时，信噪比达到最大。 作为对比，当使用更高频率的超声辐射时，申请人发现，用于形成基板25的材料 所固有的多孔率使得很难(若非不可能的话)分辨结构1内部的不连续性17，这 是因很大的噪声因子所导致的。
图2B示出了本发明的应用于滤波器类型的陶瓷基板40的接触方法。这种基 板40具有位于各个导气单元7的一端的端部塞子42，以限定塞紧的通道43。先前 所描述的操作模式也可在这里使用。同样，在本发明的此特定模式中，发射和接收 换能器33、 35保持相对的关系，并且沿着基板40的直径或弦按顺序地重新定位， 并且按顺序地驱动，以便于产生基板40的一系列线性扫描。
图2C示出了本发明方法的备选实施方式，其中系统32包括发射和接收换能 器，它们被用到单个超声收发器45中，并且超声波的反射回波被检测到。该模式 在本文中被称为"脉冲回波"方法。上述方法的这种特定实施方式以"声纳"方式操 作，其中收发器45所产生的超声波在基板40的相反一端被反射弹回来。在上述方 法的这种特定实施方式中，使用了透射过程，其中透射波34和反射波47穿过基板 40的纵向网壁5而透射。在上述方法的本实施方式中，超声收发器45放置成在入口端13和出口端15处与结构40相接触，并且按照与图2A和2B所示方法相同的 方式按顺序地重新定位和重新驱动，以使得在基板40的直径或弦上进行扫描的操 作得以实现。通过使用这种脉冲回波方法，用经反射的回波就可以检测并定位不连 续性和/或非均匀性17 (比如内部裂纹)。此外，内部均匀性也可以被检测到。这 种脉冲回波方法同样可应用于如图所示包括塞子42的过滤器40，但是也可用于检 测贯流基板中的不连续性和非均匀性17。
图2A、 2B和2C所示的方法可通过市场上买得到的超声测试装备来实现(比 如美国麻萨诸塞州Waltham的Panametrics-NDT公司制造的型号EPOCH 4 PLUS 系列)。使用20-80 dB (最好为40-60 dB)的增益以及介于约100 KHz和1 MHz 之间(最好为300 KHz到800 KHz之间)的过滤器设置。发射器和接收器最好是 保护性的隔膜换能器或干燥-耦合剂换能器。这种换能器可具有顺应的表面或弹性 的隔膜，其被设置成与基板相接触。任选地，隔膜可被设置成和基板相接触，并且 在隔膜和所使用的标准超声换能器之间可涂敷凝胶。
图3A-3C示出了图2A-2B所示方法的接触透射实施方式是如何操作的。特别 是，图3B是当没有不连续性时沿长度方向透射穿过基板1的超声波34的振幅的 曲线图。如图3A所示，当驱动发射换能器33以产生超声波34时，该超声波透射 穿过基板1的整个长度。因此，接收换能器35在接收到略有衰减的波34时就记录 相对较高的振幅脉冲36A、 36B (图3B)。作为对比，当沿着发射和接收换能器33 和35之间的路径存在小裂纹或不连续性时，该轨迹按定时选通的方式产生了一个 或多个峰值36C、 36D。当基板1中存在显著的裂纹或不连续性时，如图3D所示， 接收换能器35没有接收到或记录超声波的高振幅脉冲。相反，接收换能器35所产 生的电信号36E仍然保持图示的平坦。因此，该轨迹中的平坦线条表示在所测试 的位置处基板1之内有显著的内部裂纹或其它缺陷。当然，通过在许多其它位置重 新测试，可将每次测试的图像组合起来，从而提供关于任何所存在缺陷的空间图像。
图4A-4C示出了图2所示方法的脉冲回波实施方式是如何操作的。当超声收 发器45产生超声波脉冲34时，它从基板1的入口端13透射穿过网壁，其中它在 出口端15所限定的基板-空气界面处被反射。如果在超声波34的路径中没有不连 续性(比如裂纹)，则收发器45所接收到的唯一的反射波47就是在本示例中由出 口端15所限定的基板的后壁所反射掉的波。图4B示出了在没有明显破裂的情况下接收到的信号的振幅与时间的图形轨迹。特别是，在定时选通48之内没有明显
的峰值。然而，当在超声波或脉冲34的路径中存在内部裂纹或其它不连续性19 时，被反射的波47在定时选通48之内的轨迹中产生了额外的尖峰20，就像图4C 所示的那样。具体来讲，被反射的波47产生位于该图端部附近的后壁尖峰49A， 它来自于蜂窝式结构的后壁处所反射的超声回波；还产生位于该图左侧的主重击尖 峰49B，该信号表示入口面13处的反射情况。本发明的这种脉冲回波实施方式的 一个优点是，可以基本上确定裂纹19沿着圆柱形基板1的旋转轴的位置。缺陷19 的相对位置是通过定时选通48之内的峰值20的相对位置来确定的。当环向裂纹或 不连续性足够大时，它可完全阻挡入射的超声波。在这种情况下，被反射的波47 可能只产生来自裂纹的回波，并且没有"后壁"回波从而后壁峰值49A的振幅将处 于背景噪声的量级上。
图5A、 5B和5C示意性地示出了与陶瓷蜂窝式基板1中可能存在的不同图案 的裂纹或其它类型的不连续性相关联的脉冲回波特性图。图5A是图4C所示脉冲 回波特性图的示意性等价物，其中在该图左侧和右侧处的超声换能器45的"主重 击"脉冲49B以及后壁回波脉冲49A之间分别产生了单个尖峰20。它表示蜂窝式 基板1中的单个裂纹19。图5B示出了两个不同的裂纹19a、 19b是如何产生两个 不同的尖峰信号20a、 20b的，这两个裂纹并没有沿着陶瓷蜂窝式基板1的旋转轴 而彼此对齐。这些峰值的相对振幅表示这两个裂纹19a、 19b的相对大小。此外， 声纳原理不仅可以用于确定裂纹20a和20b沿着该轴的相对位置，还可以确定它们 的绝对位置。它们的位置与峰值20a、 20b到峰值49A、 49B的相对位置有关。最 终，图5C示出了在相对较大的裂纹19c沿着蜂窝式基板l的轴遮住了相对较小 的裂纹19d的罕见情况下，较大裂纹的特性图会遮住较小裂纹19d的特性图。通常， 这种遮挡在实践中不是问题，因为在质量控制检测过程中单个相当大的不连续性的 存在就足以将该基板弃用。然而，如果必须要避免这种不期望有的遮蔽，则通过沿 着两个轴(而非仅一个轴)即从另一端对基板l进行扫描就可以实现这一点。
图6A示出了本发明的装置的第一实施方式50，它可以被用于实现本发明的 非接触方法。该方法和装置被设计成以一种非接触方法快速地扫描陶瓷蜂窝式基板 l的整个横截面，以寻找内部缺陷或不均匀性。该装置50包括发射换能器33的阵 列或行52，它们相对于接收换能器35的阵列或行54而以相对关系排列。在操作中，在陶瓷蜂窝式基板以及接收和发射换能器的顶部和底部阵列52、 54之间有相 对的移动，同时，换能器发射器的顶部一行52周期性地且同时地发射超声脉冲波 34。对于图6A的配置而言，上述相对移动按逐渐递增的方式在进出纸面的方向上 进行，其中针对该扫描中的每一次递增都产生一个新的脉冲。接收器行54接收这 些波，并且将它们转换成电信号，该电信号转而被传导至数字处理器37。处理器 37转而产生多个平行的图，它们共同在其整个横截面上产生蜂窝式基板1的完整 扫描，然后它们可以被显示在监视器39上。在较佳的实施方式中，通过传送带(未 示出)，陶瓷基板1可以相对于换能器发射器和接收器的行52、 54而移动。发射 器52、 54的阵列最好像蜂窝式基板1的宽度那么大，以使得扫过一次就可以提供 关于该基板的合适完整筛选。当然，在每一次扫过之后经重新定位，就可使用更小 的阵列来提供完整的扫描覆盖。
图6B示出了本发明的装置的第二实施方式60，它用于实现本发明方法的非 接触实施方式，并且包括换能器61的阵列，这些换能器从蜂窝式基板1的圆周外 围的皮9向外径向地定位，并且最好按圆形图案来排列。阵列61最好沿着半圆62、 64定位，阵列61可包括例如以相对的方式成对地排列的四个换能器发射器33和 四个换能器接收器35。较佳地，发射器33位于第一半圆62中，四个接收器35位 于第二半圆64中。换能器阵列61的电输入和输出被连接到处理器和显示器，出于 简化的目的，它们在图5B中没有示出。在操作过程中，通过所示的传送带66，移 动陶瓷蜂窝式基板1使其穿过阵列61，以使得在蜂窝式基板1的整个长度X上直 径扫描其圆周，以确定是否存在内部不连续性17 (比如环向裂纹19、轴向裂纹21、 和/或皮分离23)。当然，根据蜂窝式基板1的尺寸或想要的分辨率，可增多或减 少上述换能器对的个数。该方法和装置也可用于检查干燥的生坯蜂窝式结构，比如 蜂窝式圆木结构，它包括两段或多段未切割的蜂窝式结构。
图6C示意性地示出了换能器阵列61相对于蜂窝式基板1的纵轴的组合式输 出。在该图的C,段，蜂窝式基板l中含轴向裂纹21的那一部分被置于换能器阵列 61之内，由此使该阵列所产生的超声信号的组合式振幅发生衰减。该振幅再次上 升到表示正常内部结构的顶部基线，直到换能器阵列61被置于环向裂纹19和皮分 离23的周围。如图6C所示，当该阵列与环向裂纹19对齐时，由换能器阵列61
所发射的信号的组合式振幅落在区域C2中，并且进一步落在区域C2 + C3中，其中换能器阵列61同时限制环向裂纹19和皮分离23。当该阵列被设置成仅围绕皮分 离23时，振幅再次上升到区域C3中，接下来， 一旦环形换能器阵列61越过皮分 离23的端部，则恢复到其正常基线以便于基板的轴向长度X的平衡。
图7示意性地示出了本发明的装置的第三实施方式69，该装置用于实现本发 明的非接触方法。在本实施方式69中，蜂窝式基板1被安装在合适的固定平台65 上，它可包括两个导轨或其它合适的夹具，使得输入面13和输出面15被露出。换 能器发射器33和换能器接收器35定位在蜂窝式结构1的相反的两端处，并且与输 入面13和输出面15相邻。换能器应该被安排成紧靠基板1，最好接近端部13、 15。 换能器33、 35与基板1之间的间距最好介于约X英寸(约13 mm)和2英寸(约 51mm)之间。换能器33、 35可以被安装在机械支撑系统66上，它们彼此保持相 对的位置。机械支撑系统66可以被连接到平移工作台67，该工作台控制换能器33、 35沿着X和Y坐标的位置。通过驱动平移工作台67，使换能器33、35按约0.01-0.1 英寸/秒(0.025-2.5 mm/s)的速度和约0.03-0.1英寸(0.76-2.5mm)的增量沿着X 轴移动，就可从预定的起始位置起对平移工作台67进行光栅扫描。在换能器33、 35已前进一段大于或等于蜂窝式基板1的直径的距离之后，可使平移工作台67按 大约0.03-0.1英寸(0.76-2.5mm)的增量前进，并且重复在X轴上移动的过程。该 过程继续下去，直到蜂窝式基板1的整个面13、 15都己被扫描。X和Y的长度在 递增，并且工作台移动速率取决于所需的分辨率。
参照图8，描述了用于贯流基板的图6A和图7的装置的操作方法。在操作过 程中，换能器33将超声波发送到蜂窝式基板25和换能33之间的气隙26a中，该 超声波然后进入基板25。该超声波的测试频率可以是lOOKHz -1 MHz，最好是 150-700 KHz。因为基板25的蜂窝式结构的缘故，所以有两个路径，其一穿过空 气通道27中的空气，另一个穿过基板壁5。因为通道27内的空气中与轴向基板壁 5中相比声速是大不相同的(空气中声速约为340m/s)，所以处理器37可被编程 为具有一种在时域中锁定的"门"，以区分上述两个路径(穿过空气34和穿过基板 壁34')从而检查该基板。图9A示出在开放空气中(测试装置中没有基板)信号 振幅与时间的所得轨迹，并且显示出DTA峰值70，该峰值反应了上述两个换能器 33、 35之间的距离L的范围(图8)。用于DTA峰值的飞行时间(TOF)由下式 给出TOFDTA = L/C 空气
其中C w是声音在空气中的速度。
图9B示出了在测试装置中有基板的情况下信号振幅与时间的所得轨迹。图8 的距离H是基板25的相应高度。在图9B的轨迹中，显示了经调制的DTA峰值 72和DTS峰值74。减小的DTA峰值72具有减小的振幅，但是通常与峰值70同 时出现(图9A) 。 DTS峰值74的飞行时间(TOF)是由下式给出的
TDTS = (L-H)/C空气+ (H/Cmat)
其中Cmat是基板的超声速度。
因为声音穿过空气和穿过壁材的速度是大不相同的，所以峰值72、 74将在时 间上很好地区分开。为了解释这些轨迹的数据，可设置两个门76a、 76b，以选择 DTA信号72或DTS信号74。 在蜂窝式基板检査方法中，DTS信号74可以被 用于构造表示不连续性的光栅扫描图像。当测量网在上述结构25的旋转轴上的环 向裂纹或其它不连续性时，DTS图像可以产生关于内部缺陷或非均匀性的更佳表 示。
图IOA和IOB示出了在测试装置中有(图10B)和没有(图10B)塞紧的蜂 窝式过滤器的情况下信号振幅与时间的所得轨迹。图10A示出了在开放的空气中 (测试装置中没有基板)信号振幅与时间的所得轨迹，并且显示出DTA峰值78， 该峰值反应了上述两个换能器33、 35之间的距离L的范围(图8)。在图10B的 轨迹中，显示出DTS峰值79。峰值80和81是来自该过滤器端部的多次反射，并 且可以被有效地忽略。DTS峰值79具有可以根据过滤器中有没有不连续性或非均 匀性而在各个位置处变化的振幅。对于非接触的方法和装置而言，所使用的系统必 须是非接触的超声测试系统，例如，可从VN Instruments公司购买的型号SIA7以 及Ultran公司的型号iPASS。也可以使用单个元件换能器对或阵列。在非接触的情 况下，可以使用更广的频率范围。例如，换能器的驱动频率可以介于150 KHz和 1.5 MHz之间，介于200 KHz到700 KHz之间则更佳。
在完成光栅扫描之后，可以产生两个图像。 一个图像是表示该基板中的DTS 信号的综合响应(IR)或信号强度的变化的图像。另一个图像是用于表示该基板中 DTS信号的TOF的变化的图像。在光栅扫描图像中，将形成用于表示内部不连续 性或内部非均匀性的图案。图11示出了 DTS强度的光栅扫描IR图像，它显示出在具有600/4几何尺寸的堇青石蜂窝式基板中具有分叉的轴向裂纹。图12示出了
光栅扫描TOF图像，它也显示出存在同样的分叉的轴向裂纹。
在DTS信号太弱的情况下，可以用门76来选择DTA信号72，并且可以使用 上述相同的过程。来自同一基板的DTA和DTS信号的相对强度受单元密度影响， 即基板的900/2与400/6或600/4，还受超声换能器的工作频率影响。换句话说， 与单元尺寸和单元壁厚度有关的空气中的声波会影响波的传播，即DTS 74或DTA 72。因此，基于在本文所列的频率范围中执行最佳实验的结果，需要调节最佳的测 试频率。
因为非接触超声测试固有的限制，即空气和固体之间存在显著的声学阻抗失 配，所以DTS信号一般都相当微弱。为了对DTS信号提供足够的信噪比，每一个 扫描位置处最好具有多个信号平均。所得的光栅扫描图像即IR或TOF图像将更容 易地揭示细微的特征(裂纹和/或非均匀性)。通过使用本文所定义的脉冲回波方 法或透射方法，可以验证是否存在所揭示的特征(裂纹和/或非均匀性)。相应地， 可以使用本文所描述的方法的组合。
尽管已结合较佳实施方式描述了本发明，但是各种修改和添加对于本领域的 技术人员而言应该是明显的。所有这些添加、变化和修改都被包括在本发明的范围 中，该范围由权利要求书及其等价方案来限定。
权利要求
1. 一种用于检测经烧制或生坯陶瓷蜂窝式结构中的内部特征的方法，包括如下步骤(a)将超声发射器置于蜂窝式结构上的第一外部位置附近；(b)将超声接收器置于蜂窝式结构上的第二外部位置附近；(c)驱动发射器以产生超声波，所述超声波传导穿过蜂窝式结构的内部；(d)在接收器处接收经调制的超声波；(e)基于经调制的超声波产生一响应信号；(f)从所述响应信号中过滤掉噪声以便产生经过滤的响应信号；以及(g)分析经过滤的响应信号以确定有没有内部不连续性或非均匀性。
2. 如权利要求l所述的检测方法，其特征在于，所述第一位置处的超声发射器和第二位置处的接收器被定位成与蜂窝式结构 接触啮合。
3. 如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述第一位置处的超声发射器和第二位置处的接收器被定位成与蜂窝式结构 的相反的端面接触啮合。
4. 如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述第一位置处的超声发射器和第二位置处的接收器被定位成与蜂窝式结构 的同一端面接触啮合。
5. 如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述第一位置和第二位置是同一位置，并且发射器和接收器包括超声收发器。
6. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述第一位置处的超声发射器和第二位置处的接收器被定位成在基本上同一位置处与蜂窝式结构啮合，以及其中当超声波在蜂窝式结构的一部分处发生内部反射时产生经调制的超声波。
7. 如权利要求l所述的检测方法，其特征在于， 驱动所述发射器以产生小于约5 MHz的超声波。
8. 如权利要求7所述的检测方法，其特征在于， 驱动所述发射器以产生介于约150-700 kHz之间的超声波。
9. 如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述蜂窝式结构包括塞紧的通道和透气壁，并且驱动所述发射器以产生介于 约150-500 kHz之间的超声波。
10. 如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述蜂窝式结构包括贯流基板，并且驱动所述发射器以产生介于约500-700 kHz之间的超声波。
11. 如权利要求1所述的检测方法，还包括如下步骤 将发射器和接收器相对于蜂窝式结构重新定位到与第一和第二位置间隔开的重新测试位置处，并且重复步骤(c)-(g)。
12. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于， 所述蜂窝式结构是包括塞紧通道的粒子过滤器。
13. 如权利要求l所述的检测方法，其特征在于，所述蜂窝式结构是选自堇青石、碳化硅、莫来石和钛酸铝的材料，或者若 所述蜂窝式结构是生坯陶瓷体则在被烧制时就形成选自堇青石、碳化硅、莫来 石和钛酸铝的材料。
14. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，用于形成蜂窝式结构的材料在被烧制时具有介于约15% 85%之间的总多孔率。
15. 如权利要求l所述的检测方法，其特征在于，所述发射器和接收器按相对的关系被定位成在蜂窝式结构的分开的相对位置 处接触啮合。
16. 如权利要求l所述的检测方法，其特征在于， 所述发射器和接收器被定位成在蜂窝式结构上彼此相对骤使发射器和接收器按相对的关系重新定位到与第一和第处，并且重复步骤(c)-(g)。
17. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述发射器被包括在发射器阵列中，并且所述接收器被包括在接收器阵列中。
18. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述发射器和接收器按相对的关系被定位到蜂窝式结构上相对的位置附近而 并不与之接触。
19. 如权利要求18所述的检测方法，还包括如下步骤 使发射器和接收器相对于蜂窝式结构相对地移动，并且重复步骤(c) - (g)。
20. 如权利要求l所述的检测方法，其特征在于，所述陶瓷蜂窝式结构具有空气通路和基板通路，并且所述超声发射器和接收 器被定位在所述结构中的空气通路上，并且所述结构是生坯陶瓷体。
21. 如权利要求l所述的检测方法，其特征在于，，并且还包括如下步 二位置间隔开的位置所述陶瓷蜂窝式结构具有空气通路和基板通路，并且所述超声发射器和接收 器被定位在所述结构中的空气通路上，并且所述结构是经烧制的陶瓷。
全文摘要
提供了一种用于检测在经烧制或生坯陶瓷蜂窝式结构中有没有内部不连续性或非均匀性的方法和设备。在该方法中，超声发射器(33)和接收器(35)被定位在蜂窝式结构的外部位置处，并且驱动发射器以产生一超声波，该超声波传导穿过蜂窝式结构(40)的内部，并且被超声接收器接收到。接收到的超声波经过滤，然后被分析，以确定有没有内部不连续性(17)。发射器产生其频率为5MHz或更小的超声波，以便在超声接收器所接收到的传播的波中维持很高的信噪比。本发明的设备包括超声发射器和接收器的阵列，当陶瓷基板相对于该阵列移动时这些发射器和接收器同时被驱动，从而迅速且有效地对陶瓷体进行全面的非接触扫描以查看有没有不连续性。
文档编号G01S15/00GK101438150SQ200680054599
公开日2009年5月20日 申请日期2006年5月16日 优先权日2006年5月16日
发明者L·E·汉普顿, Z·史 申请人:康宁股份有限公司