用于借助超声波对试件进行无损检测的方法及装置的制作方法

专利名称：用于借助超声波对试件进行无损检测的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明的主题内容涉及一种用于借助超声波对试件进行无损检测的方法，其中在 该方法的范围内，通过使用在该方法的范围内所记录的超声波回波信号来确定位于试件体 积中的缺陷的等效反射体大小。此外，本发明的主题还涉及一种适用于实施根据本发明的 方法的装置。
背景技术：
所述类型的方法在现有技术中是公知的。试件体积中的借助基于将脉动的超声波 辐照入试件的脉冲回波方法所检测出的缺陷(例如，缩孔、夹杂物或裂缝)是通过给出其等 效反射体大小ERG(英文ERS "equivalent reflector size”)的值表征出来的。此等效 反射体大小的值是通过将由试件体积中的检出缺陷引起的回波信号的振幅与已知大小的 模型化的比较缺陷相比较的方式确定的。在所谓的参考标准样品方法中，检测者将被检测 的试件的回波信号与该检测者在等效于该试件的被插入一个或多个参考反射体的参考标 准样品处获得的回波信号相比较。为此，例如可以将具有已知尺寸的圆柱体形的孔引入该 参考标准样品。随后，将在超声波反射期间在该孔处出现的回波信号与在检测试件时获得 的回波信号相比较。在参考标准样品方法中，检测者因此用例如可以是合适的斜探头的探 头来对待检测的试件以及对准备好的参考标准样品进行测量。与之相反，在所谓的AVG方法中，将因试件体积中的缺陷导致的回波信号的振幅 与模型化的参考缺陷的根据理论计算出的和/或根据经验确定的回波信号相比较，该参考 缺陷通常被假定为平坦的圆盘并且在试件中的深度与在对试件执行检测期间所检测出的 缺陷的深度相同。为此，预先为在检测时所使用的探头提供所谓的AVG图，该AVG图包含探 头的特性。AVG图中所包含的曲线指示在用所使用的探头进行测量时由参考缺陷产生的回 波振幅。在实际的检测任务中，检测者随后可以通过对试件进行声衰减校正(因材料而异 的声衰减)和传输校正(因试件而异的耦合损失)的方式直接从AVG图读取试件体积中的 检出缺陷的等效反射体大小。在根据AGV方法的传统检测方法中，检测者相对于检出缺陷改变探头位置和取向 并尝试由此使结果得到的回波信号最大化。此过程在借助超声波的材料检测时亦被称为超 声波信号的“饲育(ZUchten) ”。随后为了最大化的超声波回波而进行检出缺陷的等效反射 体大小的实际确定。AVG方法的其他细节可以例如从专利文献US 5，511，425A得到，该专利文献属于 本申请申请人的法律前任人。此外，在J. Krautkramer和H. Krautkramer所著的“利用超声
波进行材料检测”第五版，Springer出版社，ISBN3-540-15754-9，章节19. 1，第343-349页 中详细描述了 AVG方法。此处所公开的关于AVG方法的技术细节的全部公开内容通过援引 纳入本申请。当前流行形式的AVG方法的缺点在于，为了对试件体积中的缺陷进行有意义的表 征，必须用多个探头来执行检测。其原因在于，对于给定的缺陷而言，辐照入试件的垂直声可获得最大回波信号的声照射角取决于试件 体积中的缺陷的取向。为了真正获得检出缺陷的等效反射体大小的、合理地与该缺陷的实 际大小相关的值，通常在基于AVG方法的标准化检测规程的范围内使用不同的斜探头，这 些斜探头实现不同的声照射角。实践中，此方法对于检测者而言意味着较高的检测耗费和 记录耗费，以使得通常仅在较少的声照射角情况下进行检测。此外，声照射角的改变要求更 换探头，这由于决不是百分之百明确的校准并且由于探头的耦合特性而会导致其他问题。 由此使得对在缺陷处检测出的ERS值的解读变得困难。

发明内容
因此，本发明的任务在于，提出一种用于借助超声波来对试件进行无损检测的方 法，该方法向检测者提供了对试件体积中检测出的缺陷的新颖描绘。此外，还应当提供一种 适用于执行根据本发明的方法的装置。此任务是通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求16的特征的装置 解决的。根据本发明的方法是为借助超声波来对试件进行无损检测所拟定的。该方法包括 以下方法步骤a)将声照射角β下的定向超声波脉冲辐照入试件，其中电子地设定该声照射角 β ,b)记录由辐照入试件的超声波脉冲导致的回波信号，c)从可以与试件体积中的缺陷相关联的回波信号确定该缺陷的关于多个声照射 角β的ERS值，以及d)创建对该缺陷的图形描绘，从该图形描绘中可至少定性地读出该缺陷的所计算 出的ERS值与声照射角β的相关性。在昂贵检测的范围内已发现，缺陷的ERS值往往呈现出与辐照该缺陷的角度的极 大相关性。此角度与声照射角β直接相关，根据本发明方法辐照入试件的超声波在该声照 射角β下输入耦合到该试件中。在此已证明，所观察到的缺陷ERS值的角度相关性允许推 断出缺陷的重要特性，例如缺陷的几何形状(如扁平的或体积大的)尤其是缺陷的对称性。尤其已发现，可以根据试件体积中检测出的缺陷的ERS值的角度相关性来对该缺 陷进行分类。相应地，如果检测者具有对其在试件体积中检测到的缺陷的图形描绘，检测者 从该图形描绘可以至少定性地推断出该缺陷的ERS值与辐射角或声照射角β的相关性，那 么这可以显著减轻检测者的工作。在根据本发明的方法的一个有利的改进方案中，在执行该方法期间检测输入耦合 点的位置变化，用于检测的超声波脉冲在该输入耦合点处辐照入试件。此类位置检测尤其 提供了以下优点可以将位置信息用于创建试件的B扫描(X轴试件表面上的位置，Y轴 试件中的深度)或者C扫描。此外，该位置检测允许特别高效率地测量缺陷的ESR值的角 度相关性。在根据本发明的方法的另一个优选的设计方案中，在计算缺陷的ERS值时自动地 补偿声照射角的电子设定对该缺陷的待确定的ERS值的影响。相应的算法可以不费力地整 合到用于超声波探头的控制单元中。
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优选地，为了将定向超声波脉冲辐照入试件而使用发射探头，该发射探头的超声 波发射器包括多个可独立控制的超声波换能器。随后，为了电子地设定声照射角β，个体地 且相位准确地控制该多个超声波换能器，以便改变超声波发射器的辐射角α。由此直接得 到辐照入试件的声照射角β的改变。优选地，在根据本发明的方法的范围内提出，在从可以与试件体积中检测出的缺 陷相关联的回波信号计算该缺陷的ERS值时自动地通过计算来补偿辐射角α的电子设定 对该缺陷的所确定的ERS值的影响并且由此补偿声照射角β的电子设定对该缺陷的所确 定的ERS值的影响。辐射角和声照射角β在本发明的范围内被认为是等效的，因为它们在 物理上彼此紧密相联系。特别地，这意味着在根据本发明的方法的范围内自动地进行以下 校正中的至少一个校正，但是优选进行多个校正·在变化的辐射角α或声照射角β的情况下补偿虚拟的超声波换能器大小的变 化或者超声波换能器的与超声波换能器大小相联系的孔径的变化， 在变化的辐射角α或声照射角β的情况下补偿由超声波换能器发射的超声波 辐照入试件的输入耦合点的位置的变化， 在变化的辐射角α的情况下补偿引导体中的声路径的变化，以及 在变化的辐射角α或声照射角β的情况下补偿试件中的焦点的位置变化。对于声照射角β的电子设定而言，已提及的相控阵探头具有特殊的优点。但是这 并不意味着，在根据本发明的方法的范围内，在给定能够电子地设定并且还能够量化声照 射角的前提下不能够使用带有可变的声照射角的其他超声波探头。在根据本发明的方法的范围内，使用至少一个AVG图以从由试件体积中的缺陷所 反射的回波信号来确定该缺陷的ERS值。在此情况下，此AVG图是因超声波的来源而异的， 即尤其是因所使用的发射探头而异的。此外，AVG图可以是因试件的材料而异的。在第一设 计方案中，AVG图还具有与超声波辐照入试件的声照射角β的相关性或者与等效的角度大 小的相关性。在一个替换的办法中，AVG图不具有与声照射角β的相关性，而是在本发明 方法的范围内通过计算来补偿声照射角β对登记的回波振幅的影响或者对缺陷的ERS值 的影响。在对试件进行检测的范围内，还优选执行至少一个校准步骤。在该校准步骤中，检 测由参考缺陷引起的回波的振幅。参考缺陷优选是试块的后壁或检测孔，其中尤其在后壁 回波的情形中还可以省去分开的试块并且直接在试件本身处执行校准步骤。优选地，为多 个声照射角和/或参考缺陷执行校准步骤，但是这并不是强制的。适用于执行根据本发明的方法的、以下还将详细描述的装置在此优选地提供执行 标准化的校准步骤的可能性，其中还可以例如在多个预设定的标准化的试块中进行选择。在本发明方法的一个优选的设计方案中，在所创建的图形描绘中显示以下缺陷特 性中的至少一个缺陷特性a)在其下缺陷的ERS值最大的那个声照射角β，b)关于缺陷的ERS值对于不同的声照射角β而言基本上是恒定的还是在不同的 声照射角下是变化的信息。特别地，在所创建的B扫描中可以通过条纹来表示检测出的缺陷，该条纹的沿着 其纵轴的延伸与检出缺陷的ERS值相关。有利地，为了描绘ERS值并且为了描绘试件表面上的X位置而使用相同的标度。在本发明的上下文中，条纹应当被理解为任意的关于两个 彼此正交的轴线镜像对称的几何图形，例如线段、矩形、椭圆、等等。在此情况下，在本发明 的上下文中，将条纹的两个对称轴中的一个表示为其纵轴。为了提高在根据本发明的方法的范围内所创建的B扫描的可解读性，尤其是改善 所创建的B扫描的直观的可理解性，经证明有利的是，在所创建的B扫描中以合适的方式来 显示检出缺陷的以下其他特性中的至少一个特性a)缺陷回波的相对振幅，b)得到检出缺陷的最大ERS值的声照射角β，这例如是通过将缺陷描绘为垂直于 得到最大缺陷回波的声照射方向的条纹的方式达成的，c)相对缺陷大小，d)关于回波的声路径的信息，例如发出缺陷回波的支线(Bein)，以及e)关于检出缺陷的ERS值对于预定的缺陷界限范围内的所有经检测的声照射角 β而言是相同的还是不同的信息。对相对值的指示可以例如涉及结合对试件的检测所测得的参考值。为此，可以在B扫描中有利地使用以下显示参数中的一个或多个显示参数a)条纹的颜色，b)条纹横向于其纵轴的尺寸(条纹宽度B)，c)条纹的纵轴相对于试件表面的角度，以及d)条纹的基本几何形状。作为示例，以下进一步解释关于不同缺陷特性的一些显示可能性。在本发明的范围内，缺陷回波的相对振幅应被理解为关于因试件体积中的缺陷导 致的超声波回波(即，回波的振幅)是否超过确定的预定阈值的信息。此类阈值可以例如 涉及测得的缺陷回波振幅与参考缺陷的振幅的比较。特别地，可以按“毫米ERS”的形式来 说明阈值，例如ERS应当大于或等于例如2毫米或5毫米的登记界限。如果声照射角β在根据本发明的方法的范围内发生变化并且确定了得到缺陷的 最大ERS值的那个声照射角β，那么可以通过相对于试件表面倾斜地描绘表示B扫描中的 缺陷的条纹的纵轴的方式来向检测者提供关于试件体积中的缺陷的取向的指示。有利地， 此处如此描绘条纹，以使得其纵轴线垂直于在得到缺陷的最大ERS值的那个角度α下辐照 的超声波的声轴。另一个与检测者和文档记载有关的信息是检出缺陷的ERS值是在预定的登记界 限以上还是以下。因此，例如可以在所创建的B扫描中完全抑制确定的阈值以下的缺陷信 号。替换地，此类缺陷信号还可被色彩编码或者被描绘为透明的条纹，以便指示与登记界限 的(例如，以“mm ERS”或dB计的)距离。特别是后两种描绘变型方案提供了以下优点可 以向检测者指出虽然在检测位置处在试件体积中存在缺陷，但是该缺陷相对于其ERS值而 言较小，从而由于有关的测试规范而不需要记载该缺陷。此外，对于检测者感兴趣的可以是关于从哪个声路径(即，辐照入的超声波束的 “支线”)产生缺陷回波的信息。此信息尤其是在对具有共平面的表面的试件执行检测时是 令人感兴趣的，因为此处通常出现如下情况直到超声波束在试件的后壁处至少反射一次 之后才由超声波束检测到缺陷。此信息可以从缺陷回波的传播时间来确定并且在B扫描中
8例如通过对条纹的色彩编码来图形地显示给检测者。此外，关于试件体积中的检出缺陷被认为是平面延伸的缺陷还是三维延伸的缺陷 的信息对于检测者是重要的。三维延伸的缺陷通常是缩孔或缺陷点，该缩孔或缺陷点是由 于制造导致的并且通常不会带来疲劳断裂的危险。与之相反，平面延伸的缺陷通常与试件 中的裂缝相关，该裂缝可能是疲劳症状并且具有扩展的强烈趋势，这可能会导致疲劳断裂。 在根据本发明的方法的范围内，试件体积的三维延伸的缺陷的特征在于，缺陷的结果得到 的ERS值基本上与声照射角无关。与之相反，二维延伸的缺陷表现出与声照射角的极大依 赖性。因此，此处可以将关于更可能是平面延伸的缺陷还是三维缺陷的信息编码到所示的 条纹中。这可以例如通过匹配所示的条纹的长度和宽度来实现或者通过选择表示缺陷的对 称性的几何形状来实现。但是在此处也可以有利地使用色彩编码。取代以上广泛描述的创建B扫描，还可以创建C扫描(X轴试件表面上沿X方向 的位置，Y轴试件表面上沿Y方向的位置)或者创建扇形扫描(亦被称为S扫描，X轴与 声照射点的距离/试件中的深度，Y轴方位角声照射角)并且该C扫描和扇形扫描在特 殊的应用场合是有利的。所有以上用于描述B扫描中所确定的缺陷特性的实施例均可直接 转移到进一步提供的C扫描和S扫描。根据本发明的方法现在允许用现代的超声波探头来执行在许多检测规范中规定 的AVG方法，这些现代的超声波探头允许例如在使用相控阵技术的情况下对辐照入试件的 声照射角进行电子设定。根据本发明的装置是为借助超声波来对试件进行无损检测所提供的。此类装置包 括具有超声波发射器的发射探头，该超声波发射器被设置成将声照射角β下的定向超声 波脉冲辐照入试件。此外，该装置包括超声波接收器，其被设置成记录辐照入试件的超声波 脉冲的回波信号。进一步设置的控制和分析单元被配置成控制发射探头的超声波发射器， 以便激励超声波发射器发射超声波脉冲。此外，该控制和分析单元被设置成处理由超声波 接收器记录的回波信号并且从可以与试件体积中的缺陷相关联的回波信号确定该缺陷的 ERS 值。根据本发明，本发明装置的超声波发射器现在具有多个可独立控制的超声波换能 器。此外，控制和分析单元被设置成个体地且相位准确地控制这些超声波换能器，以使得能 够电子地调节超声波发射器的辐射角α并且由此电子地调节辐照入试件的声照射角β。 此外，控制和分析单元被设置成从可以与试件体积中的缺陷相关联的回波信号来确定该缺 陷的关于多个声照射角的ERS值。最后，控制和分析单元被设置成创建对以上所提及的缺 陷的图形描绘，从中可至少定性地读取缺陷的所确定的ERS值与声照射角β的相关性。特别地，所创建的图像描绘可以反映缺陷的ERS值与声照射角β的直接相关性。 检测者可以——如以上已详细讨论的那样——从缺陷的ERS值的角度相关性推断出缺陷的 重要特性。在一个替代的办法中，所创建的对缺陷的图形描绘是对试件的B扫描、C扫描或 者扇形扫描，其中以合适的方式记录缺陷的与角度相关的ERS值。在根据本发明的装置的一个特别优选的设计方案中，该设计方案在特别结合对试 件的B扫描、C扫描或扇形扫描的情况下是有利的，该装置还包括路径检测单元，其被设置 成检测探头在试件表面上的位置的变化。此类路径检测单元可以例如借助布置在探头自身 处的机械的位移传感器来实现。但是也可以使用根据光学鼠标的原理光学地工作的位移传
9感器。最后，在使用相控阵超声波发射器的情况下还可以将探头在试件表面上的位置发生 变化时所出现的超声波信号变化用来确定位置。已指出了相应的文献出处。此外，除了检 测探头在试件表面上朝阵列的纵轴方向的位置变化之外，线性阵列的使用还允许通过相继 地操作不同的换能器子群的方式来朝此纵轴方向执行电子扫描。二维相控阵列的使用尤其 允许检测两个空间方向上的位置变化，并且此外还允许检测探头在试件表面上的旋转。已结合根据本发明的方法详细讨论了关于在所创建的对缺陷的图形描绘中反映 重要的缺陷特性的可能性。根据本发明的装置优选被设置成创建结合本发明方法所说明的 对缺陷的描绘。最后特别有利的是，控制和分析单元被设置成在计算缺陷的ERS值时自动地补偿 声照射角β的电子设定对该缺陷的待确定的ERS值的影响。如结合根据本发明的方法已说明的，可以例如自动地通过与多个所存储的参考值 的比较来确定缺陷的ERS值，其中这些参考值可以例如是一个或多个AVG图。在此方面应 当指出，为了借助根据本发明的方法来确定检出缺陷的ERS值，对于辐照缺陷的每个角度 而言，除了 AVG图之外还必须提供例如来自试块的参考回波。在一个特别优选的设计方案中，在控制和分析单元中存储例如成群地与不同的声 照射角β相关的AVG图形式的多个参考值。在此情况下，这些参考值可以继续是因探头而 异的。特别地，这些参考值可以是因探头而异数量的关于不同声照射角β的AVG图。优选 地，探头进一步设有电子标识，该电子标识允许控制单元在连接探头时独立地识别探头类 型或者甚至识别个体的探头并且选择所存储的因探头(类型)而异的参考值。然而在所有的设计方案中，对检出缺陷的(因声照射角而异的)ERS值的确定通常 具有以下前提存在例如在相应的角度下在试块处检测到的参考值或者来自不同的测得角 度之间的内插的参考值。特别有利的是，控制和分析单元被设置成在计算缺陷的ERS值时自动地补偿声照 射角β的电子设定对该缺陷的待确定的ERS值的影响。在根据本发明的装置的一个特别优选的设计方案中，其控制和分析单元被设置成 自动地将超声波发射器的辐射角α换算成在试件中结果得到的声照射角β，以便自动地 补偿声照射角β的电子设定对缺陷的待确定的ERS值的影响。特别地，此补偿可以被设计 成是因探头而异的。此外，控制和分析单元实际上被设置成考虑引导段和试件的材料的因 超声波而异的特性，例如声速。如果为了自动地补偿声照射角β的电子设定对缺陷的待确定的ERS值的影响，根 据本发明的装置的控制和分析单元被设置成自动地补偿随着声照射角β的电子变动所带 来的虚拟的超声波发射器大小的变化并且自动地补偿由此造成的探头的孔径的变化，那么 可以达成进一步的改进。虚拟的超声波发射器大小是从超声波发射器的实际的几何尺寸在 垂直于超声波发射器的电子设定的辐射方向上的投影得到的。如果超声波发射器在不等于 0°的辐射角α下进行辐射，那么这会直接导致实际的超声波发射器大小的下降。由于超 声波发射器大小在必要时被纳入对检出缺陷的ERS值的计算，因而此处在必要时必须进行 相应的自动补偿。如果控制和分析单元被设置成自动地补偿输入耦合位置Xtl的与辐射角α或声照 射角β的调节相关联的位移对缺陷的待确定的ERS值的影响，那么得到进一步的改进。
最后，还可以提供对试件中的焦点的位置变化的自动补偿，该位置变化是在辐射 角α发生变化时由于引导体中的声路径长度的由此产生的变化所造成的。最后还应当指出，可以基于所存储的AVG图按两种不同的方式来根据本发明自动 地补偿声照射角β的电子调节对缺陷的待确定的ERS的影响。一方面，控制和分析单元可 被设置成在考虑声照射角β的调节的影响下标准化实际的测量值(即，时间分辨的回波信 号)，即例如换算换到具有固定的声照射角β的常规探头的结果。随后，将这些结果与标准 化的AVG图相比较。另一方面，可以在创建存储在控制和分析单元中的AVG图时就已考虑电子的角度 调节对回波信号的因探头而异的影响，即已在所存储的AVG图中就考虑了待进行的补偿。 此实现也应当被包括在根据本发明的方法以及根据本发明的装置中。


从从属权利要求及以下根据附图详细说明的实施例中得到根据本发明的装置和 根据本发明的方法的其他优点和特征。附图中示出图1 根据本发明的用于对试件进行无损检测的装置的示意图，图2a_2c 在不同的声辐照位置χ处和在不同的声照射角β下记录的试件的A扫 描，以及对于给定的声照射角β而言取决于试件中的深度d的最大振幅的变化，图3 取决于声照射角β的最大回波振幅的图示，图4 角度分辨的因探头而异的AVG图，图5 探头处的波束几何形状的示意图，图6 表示试件的B扫描的图示，其中通过相关联的ERS值来表示缺陷，图7 对应于图6的具有多个缺陷的试件的图示，该多个缺陷具有不同的反射特 性，图8 用于检测试件体积中的缺陷的ERS值的角度相关性的方法的示意图，以及图9a、9b 试件体积中的两个不同缺陷的取决于角度的ERS值的示意图。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的用于借助超声波来对试件100进行无损检测的装置1的 实施例。装置1包括发射探头10，该发射探头10在它那边包括引导段16和布置在引导段 16上的超声波发射器12。超声波发射器12在此情况下如此布置在引导段16上，以便激励 超声波发射器12发射超声波脉冲时这些超声波脉冲基本上输入耦合到引导段16中。引导 段16在此可以例如由来自Plexiglas 的物体形成，如原则上在现有技术中已知的那样。 优选地，发射探头10的诸元件被放置到共同的壳体中，出于简明的目的而未在附图中示出 该壳体。所示的发射探头10是斜探头，该斜探头被设置成将由超声波发射器12在相对于 试件100的入射面的表面法线所测得的声照射角β下发射的超声波脉冲输入耦合到试件 100中。斜探头的使用是可选的并且不是强制的，根据应用场合还可以将探头用于垂直的声 照射(即，β =0° )。在发射探头10中所使用的超声波发射器12是相控阵类型的超声波发射器，即超声波发射器12包括形成至少一个线性布置的且个体可控制的多个超声波换能器14。该至 少一个线性的超声波换能器14阵列的纵轴在此被定向在用X表示的方向上。通过有针对 性地调节各个超声波换能器14之间的相位，可以在宽泛的界限内动态地影响辐射角α，即 辐射方向。在所示的实施例中，发射探头10包括机械的位移传感器18，该位移传感器18机 械地感测发射探头10在试件100的表面上的运动并且将相应的位置信息例如提供给与发 射探头10相连接的控制单元50。替换地，位移传感器18还可以例如根据光学鼠标的原理 以非接触的方式工作。位移传感器18 (无论其类型如何)优选能够检测发射探头10在试 件100的表面上的沿两个彼此独立的方向的运动。如果能够检测发射探头10在试件表面 上的旋转运动，那么可以得到特别的优点。基于在专利文献US 7，324，910Β2中公开的技术 以及在2007年6月26日提交的德国专利申请10 2007 028 876. 1中公开的对该技术的改 进方案，可以完全省去单独设计的位移传感器，因为可以自行从超声波发射器12的信号获 得全部位置信息。控制单元50与发射探头10相连接，该控制单元50被设置成个体地且相位准确地 控制布置在发射探头10的超声波发射器12中的超声波换能器14。此外，控制单元50被设 置成与超声波接收器40相连接，以便接收从试件10反射回来的回波信号，这些回波信号是 由超声波发射器12辐照入的超声波脉冲造成的。在此处所示的实施例中，布置在发射探头 10中的超声波发射器12还充当超声波接收器40。为此，包含在超声波发射器12中的、分 开形成的、且个体可控制的超声波换能器14在发射了发射脉冲之后电气地互连成大面积 的随后起超声波接收器40作用的超声波发射器12。当然，还可以使用分开形成的超声波接 收器40，其例如可以被布置在分开形成的接收探头中。在本实施例中，此类分开的接收探头 同样还包括对应于发射探头10的引导段16的引导段。为了对试件100进行无损检测以例如发现隐藏在试件100的体积中的缺陷102， 发射探头10与控制单元50相连接并且被放置到试件100的表面上。发射探头10与试件 100的声耦合通常是在使用合适的耦合剂的情况下实现的，该耦合剂可以例如是水、油或者 基于水的凝胶。试件100优选是机械的工件或工具，但是也可以是生物试件。现在，检测者沿着图1中用X表示的方向使发射探头10在试件100的表面上往复 移动。该检测者同时观察与控制单元50相关联的显示装置52上的显示，该显示装置52 在所示的实施例中作为显示器整合在控制单元50中。在所示的实施例中，在显示装置52上 显示A图像，其中根据时间示出关于给定声辐照位置X的经反射的超声波脉冲的振幅。如 果由发射探头10发射的声束遇到试件100的体积中的缺陷102，即遇到诸如缺陷点、缩孔或 裂缝之类的反射超声波的结构，那么辐照入的声束中的一部分会反射回来并且沿着相同的 路径返回到发射探头的超声波发射器12。如所提及的，超声波发射器12同时起超声波接收 器40的作用，该超声波接收器40将反射的声信号转换成电信号，该电信号随后在必要时以 合适的方式被放大并且被输出给控制单元50。在控制单元50中，以合适的方式来处理通 常作为电信号存在的、但是必要时也可以例如由发射探头10以光信号的形式传输的收到 回波信号，该处理可以例如是通过高时间分辨的AD转换和信号处理来实现的。随后，在显示装置52上以上述A扫描的形式显示信号。如果辐照入的超声波束遇到缺陷102，那么就 由此得到在A扫描中直接可见的回波信号。上述处理方法在此有利地是在固定的声照射角 β下进行的。如果检测者通过使用上述处理方法发现了缺陷102，那么检测者尝试通过改变发 射探头10在试件100的表面上的X位置来使结果得到的缺陷信号的振幅最大化，即饲育该 信号。此对信号的饲育也是为固定的声照射角β 1进行的。图2a中示出了在不同的声照 射位置Xp X2和X3处饲育回波信号时得到的A扫描。清晰可见，由于试件100中的传播路 径的变化，因而在不同的时间出现回波信号，此外在其最大振幅方面也是变化的。其原因在 于，当发射探头10在试件100的表面上移动时，声锥体的在其中最高声压占优势的中心在 缺陷102上移动。通常，当声束中央地碰到缺陷102时，得到最大的回波信号振幅。如果在 改变声照射位置X的情况下确定关于固定的声照射角β 1的所有回波信号的包络，则得到 对由传播时间或者缺陷102在试件100中的深度决定的回波振幅的描绘，如在图2a的右侧 示图中所示的那样。从此图示能够确定关于所选择的声照射角β 1所得到的最大回波振幅
A最大⑷)。此后，检测者可以改变声照射角β，以使得检测者再次为经改变的声照射角β 2 执行相同的检测。替换地，在部分自动化的检测方法的范围内可以进行自动的角度变化。由 此同样得到关于由时间或缺陷102在试件100中的深度决定的振幅变化的图示。此类图示 被示出在图2b中的右侧。此处在声照射角β 2下得到的最大回波振幅不必强制对应于首 先选择的声照射角β 1下的回波振幅，只要不是规则形状的缺陷，通常此处甚至存在偏差。如果补偿了由于不同的声照射角β 和β 2而导致的不同的传播时间，那么在所 提及的对包络的图示中的峰值(β)基本上在相同的位置Dtl处。然而，如果省去此类传 播时间补偿，则这些峰值将位于不同的位置。在图2c中示例性地示出了用于再次改变的声照射角β 3的相同方法的结果。在上述处理方法中，声照射角β是在充分利用相控阵类型的超声波发射器12的 有利发射特性的情况下电子地调谐的。在一个替换的设计方案中，控制单元50被设置成通过改变声照射角β来为给定 的声照射位置X自动地优化可能得到的回波信号。如果在相应的声照射角β上标绘关于不同的声照射角β所得到的最大振幅Ae λ，那么得到如图3中可见的图示。现在可以从此图示或者基于此图示的回波数据确定对于 其而言检出缺陷102呈现出最大回波振幅的那个声照射角β。由此还可以容易地说 明并分析缺陷102的超声波反射率的角度相关性。以上已描述了对关于缺陷102的类型所 达成的特性的可能的解说。在对试件进行以上所说明的实际检测的准备过程中(如现有技术中关于具有固 定的声照射角β的探头所已知的那样)确定所谓的AVG图。在此，AVG图根据距离(即根 据试件中的深度d)示出不同直径的圆盘反射体的回波振幅以及延伸的平面反射体(后壁 回波)的回波振幅。与现有技术中已知的AVG图和用于超声波测量的装置不同(其中因探 头而异的AVG图例如是以数字形式存储的)，而在本发明的范围内，附加地以角度分辨的方 式记录或生成AVG图并且在必要时将这些AVG图存储在控制单元50中。图4根据距离d 和角度β示例性地示出了关于圆盘反射体的预定直径的AVG图。
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为了借助允许电子地改变辐照入试件100的声照射角β的相控阵探头来确定缺 陷的ERS值，在各种方面可能要求对现有技术中已知的基于理论考虑的普通AVG图(参考 US 5，511，425Α)进行匹配。一方面，对一般情况下因探头而异的AVG图的校准是必需的，以 便考虑试件的材料的超声波特性以及补偿诸如超声波换能器的老化或者发射探头与试件 的耦合发生变化之类的因探头而异的效应。为此，在对试件100进行真正的检测之前，在大 多数检测规程中要求执行校准步骤，以便校准可能已存储在装置1中的普通AVG图。此外，在借助相控阵探头来电子地改变声照射角β时必须考虑，探头的超声波特 性会直接通过角度变化而自行改变。出于此原因，必须将已为特地的声照射角确定的普通 AVG图换算到其他(经电子设定的)声照射角β。特别地，还可以在本发明装置本身中进行 这种换算，以使得不需要为不同的声照射角β存储大量因探头而异的AVG图。在替换的办 法中，当然还可以在装置1中存储大量例如因探头而异的涉及多个声照射角β的AVG图。 此处也可以根据经验来确定或者根据理论来计算这些AVG图。如以上已说明的，可以在使用根据本发明的装置时电子地调谐声照射角β。如从 图5可见，例如在具有引导段的斜探头中，当电子地调谐声照射角β时，声波辐照入试件的 输入耦合点变化了 ΔΧ并且声束的直径在该声束从引导段转移入试件时发生变化。这也可 以被解读为超声波发射器12的尺寸的虚拟变化(D- > D')，在记录以上提及的AVG图时 同样必须考虑此变化。借助简单的几何考量以及声折射定律可以容易地计算出声照射角β 的电子变动对输入耦合点的变化以及虚拟的超声波发射器12的大小的影响。为了现在确定关于在试件体积中检测出的缺陷的等效反射体大小ERS，检测者 (如在现有技术中已知的具有带有固定的声照射角β的探头的装置情况下)在控制单元 50的显示装置52上显示与经电子调节的在其下得到最大回波信号的声照射角β对 应的那个AVG曲线。在此情况下，在真正测量可以例如被插入试块的参考缺陷之前检定 (eichen)该AVG曲线。“检定”是指对所使用的探头的灵敏度的校准。通常，(根据所使用 的探头的频率)从标准化的所谓的“K1试块或“K2”试块处的后壁回波获得进行检定所需 要的参考回波。由于在此情形中不涉及平坦的后壁，因而还必须执行(通常由探头的生产 商指出的)圆弧校正。与之相反，来自部件的参考反射体是相当罕见的。屏幕上示出的AVG曲线对应于预定的等效反射体大小，该等效反射体大小对应于 由检测规程规定的登记界限。如果找到其回波超过屏幕上显示的AVG曲线的缺陷，那么例 如自动地由控制单元50(以超过登记界限的dB为单位或者直接以毫米为单位)指示得到 的等效反射体大小ERS。在AVG曲线中，检测者还可以在移去脉冲直至检出缺陷的传播时间 的情况下直接读取该缺陷的等效反射体大小ERS。在广泛自动化的检测规程中，检测者使 用上述处理方式来扫描试件100的表面直至检测者检测到据其看来缘于试件100的体积中 的缺陷102的回波。必要时，在检测者将根据本发明的装置1的控制和分析单元50转换到 自动测量模式之前，检测者手动地对缺陷信号进行一定的优化。其中，控制单元50如此控 制超声波发射器12，以使得声束辐照入试件的输入耦合点朝试件100的表面上的X方向偏 移。同时，控制单元50检测结果得到的缺陷回波的由输入耦合点决定的振幅并且确定最大 回波振幅。在此情况下，声照射角β保持不变。在后续的方法步骤中，控制单元50改变声照射角，以使得在另一角度β 2下辐照 试件100的体积中的待测量的缺陷102。同样，控制单元50在此处通过对超声波发射器
1412的恰当控制来改变所发射的声波辐照入试件的输入耦合点，其中同时检测得到的回波振 幅。同样，为经设定的声照射角β 2确定最大回波振幅β 2)，即检测者“饲育”回波信号。随后，通过与一个或多个因探头而异并且因角度而异的AVG图的比较，根据本发 明的装置的控制单元50自动地确定经测量的缺陷102的ERS值。为此，控制单元50自动 地补偿超声波发射器12的辐射角α的电子变动对超声波束辐照入试件的输入耦合点的影 响并且由此对超声波脉冲从超声波发射器12直至缺陷102的传播时间的影响。此外，控制 单元50同样如以上所描述的那样自动地补偿超声波发射器12的辐射角α的电子变动对 虚拟的发射器大小的影响。控制单元50还自动地补偿由于引导体中改变的声路径所导致 的试件中的焦点的位置变化。最后，控制单元50自动地将辐射角α换算成声照射角β，其 中必要时还考虑试件的材料特性。结果，既从手动执行的检测方法又从自动执行的检测方法获得在试件100的体积 中检测到的缺陷102的ERS值以及得到最大缺陷信号的那个声照射角β。随后，可以 记录这些数据。如果附加地存在关于探头的位置信息，那么还可以直观地进一步在如图6中示例 性呈现的B扫描中或者还在C扫描或S扫描中显示检测结果。因此可以在B扫描中显示长 度为L的条纹，该条纹的在试件表面上的X位置对应于缺陷所处的根据计算得到的位置Xtlt5 在Y方向上，条纹位于深度Dtl处，该条纹对应于试件100的体积中的缺陷的根据计算得到 的深度。此外，描绘测得缺陷102的条纹的长度L直接与该缺陷的在根据本发明的检测方 法的范围内所确定的等效反射体大小ERS相联系。此外有利地，条纹的取向直接与得到最 大回波信号的那个声照射角β相关。为此，可以相对于X轴倾斜地描绘条纹的纵轴， 以使得该条纹被定向成垂直于声传播方向，该声传播方向对应于得到最大回波信号的那个 声照射角β。图6中所示的B扫描中的条纹的取向因此直接向检测者给出关于试件中的测 得缺陷的取向的信息，同样可以记录并存储该信息。另外，优选同样在与控制单元50相连 接的显示装置52上向检测者显示图6中示意性示出的B扫描。优选地，控制单元50被设 置成向PC传输所存储的数据，在该PC中能够进一步分析这些数据。最后，图7示出了试件100的另一个B扫描，从中可见到试件100的体积中的三个 缺陷102。这些缺陷位于位置X1J2以及Χ3。在位置X1和X3处检测到的缺陷102呈现出回 波信号与声照射角的极大相关性，即在声照射角β发生变化的情况下所得到的最大缺陷 回波振幅的变动要超过特定的阈值。由此可推断，这些缺陷更可能是平面延伸的缺陷 102，相应地在图7的B扫描中将这些缺陷示为基本上一维的符号。与之相反，在位置X2处检测到的缺陷102呈现出基本上与声照射角β无关的回 波振幅，即产生的回波振幅变化保持低于预定的阈值。由此可以推断该缺陷102更可能是 均勻的三维延伸，其在图7的B扫描中是通过二维的缺陷符号(例如，如所示的圆盘)表示 的，该缺陷符号的直径与此缺陷的等效反射体大小ERS相关。现在根据图8来解说一个新颖的方法，其同样被实现在根据本发明的装置1中。在 第一方法步骤中，由装置1控制发射探头10，以使得发射探头10在固定的声照射角β下将 超声波脉冲辐照入试件100。如果检测者检测到试件100的体积中的缺陷102，那么检测者 饲育缺陷信号直至信号振幅变成最大。在下一步骤中，检测者激活“扫描”功能，其中由装
15置1控制探头10，以使得辐照入试件100的声照射角β在预定的区间内电子地变化。装 置1还被设置成从不同的声照射角β下接收到的缺陷回波来确定最大的缺陷回波以及与 之相关联的声照射角β Λλ。如果发射探头10在试件100的表面上的位置发生变化，那么 就得到在其下缺陷回波最大的那个经改变的声照射角β，因为最大的缺陷回波一般情况下 是在缺陷由超声波束中央地检测到的情况下获得的。如果如先前所描述的那样执行电子的 角度扫描，那么装置1可以完全自动地找到对于其而言缺陷回波变得最大的那个经改变的 声照射角β。通过改变发射探头10在试件100的表面上的位置，可以借助上述方法自动地 确定关于不同声照射角β的最大缺陷回波。在此情况下，一方面可以通过发射探头10的 机械运动来改变发射探头10在试件100的表面上的位置，但是也可以通过在超声波发射器 12中的大量个体的超声波换能器14内执行线性扫描的方式(所谓的“电子线性扫描”)来 虚拟地改变该位置。如果在设备中存储有至少一个例如根据图4的、例如可能已经根据理论计算出的 或者借助实际测量确定的AVG图，那么可以从该AVG图中、从为特定的声照射角β确定的 最大缺陷回波振幅来确定该缺陷的关于此角度的ERS值。必要时可能必需的是，在对试件 100执行真正的检测之前，根据在试块处获得的、可能在不同声照射角下记录的参考回波来 因探头而异地或因材料而异地校准存储在设备中的AVG图。AVG方法因此尤其允许自动地 补偿试件中由于不同的声照射角所得到的声路径。替换地，在确定试件100的体积中的缺陷102的与角度有关的ERS值时，装置1还 可以利用由路径检测单元18提供的位置信息。如以上所描述的，在第一步骤中为固定的声 照射角β寻找发射探头10在试件100的表面上的对于其而言缺陷回波振幅最大的那个位置。随后，由检测者激活装置1处的“跟踪”功能。如果激活了此功能，那么装置1被 设置成在发射探头10的位置发生变化的情况下借助合适的几何计算来调节发射探头10处 的声照射角β，以该声照射角β甚至在发射探头位置发生变化的情况下也能够由超声波 束中央地检测到试件中的缺陷102。当发射探头10在试件100的表面上移动时，借助所提 及的跟踪功能，检出缺陷102在任何时候均由超声波束中央地检测到，以使得到的缺陷回 波可被认为是关于经设定的声照射角β的最大缺陷回波。因此，可以直接通过改变发射探 头10在试件100的表面上的位置来记录由声照射角β决定的最大缺陷回波并且由此根据 角度β来确定缺陷102的与角度相关的ERS值。最后，图9a和图9b示例性地示出了试件100的体积中的两个不同缺陷102的ERS 值的与角度有关的变化。在此，图9a示出了 ERS值仅随着声照射角β微弱变化的缺陷102。 因此，这显然是超声波反射率实际上与在其下缺陷由超声波束碰到的那个角度无关的缺陷 102。因此可以认为，至少就发射探头10的位置在上述检测期间发生变化的那个空间方向 而言，该缺陷在很大程度上是各向同性的。与之相反，图9b示出了 ERS值与声照射角β极其有关的缺陷。即，缺陷102的超 声波反射率与在其下缺陷102由超声波束检测到的那个角度极其相关。至少就为了检测 ERS值的角度相关性而朝其移动发射探头的那个空间方向而言，待分类的缺陷102可被认 为是极其各向异性的。该缺陷可以例如是裂缝，必须以较高的概率来登记该裂缝并且因此 应当以恰当的方式例如在由装置1创建的B扫描、C扫描或扇形扫描中图形地强调该裂缝，
16如以上已说明的那样。
权利要求
一种用于借助超声波来对试件(100)进行无损检测的方法，包括以下方法步骤a.将声照射角β下的定向超声波脉冲辐照入所述试件(100)，其中电子地设定所述声照射角β，b.记录由辐照入所述试件(100)的所述超声波脉冲导致的回波信号，c.从可与所述试件的体积中的缺陷(102)相关联的回波信号确定所述缺陷(102)的关于多个声照射角β的ERS值，以及d.创建对所述缺陷(102)的图形描绘，从所述图形描绘中可至少定性地读出所述缺陷的所计算出的ERS值与所述声照射角β的相关性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测输入耦合点的位置变化，超声波脉冲在 所述输入耦合点处辐照入所述试件。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述创建的图形描绘根据所述声照射角β 来反映所述缺陷(102)的所述ERS值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述创建的图形描绘是B扫描、C扫描或者 扇形扫描。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算所述缺陷(102)的所述ERS值时自动 地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所述缺陷(102)的所述待确定的ERS值的影响。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，a.将发射探头(10)用于辐照入所述定向超声波脉冲，所述发射探头(10)的超声波发 射器(12)包括多个可独立控制的超声波换能器(14)，以及b.为了电子地设定所述声照射角β，个体地且相位准确地控制所述多个超声波换能 器(14)，以便改变所述超声波发射器(12)的辐射角α。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用至少一个AVG图来从所述回波信号确定 所述缺陷的所述ERS值。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述AVG图是因所述超声波脉冲的来源而异的。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述AVG图与所述声照射角β具有相关性。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述AVG图独立于所述声照射角β，并且 通过计算来补偿所述声照射角β对登记的回波振幅的影响。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述试件(100)进行检测的范围内，执 行至少一次校准步骤，在所述校准步骤中检测由参考缺陷引起的回波的振幅。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述参考缺陷是试块的后壁或检测孔。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述校准步骤是为多个声照射角β执行的。
14.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在对所述缺陷(102)创建的所述图形描绘 中显示所述缺陷(102)的以下特性中的至少一个特性a.在其下所述缺陷(102)的所述ERS值最大的声照射角β，b.关于所述缺陷(102)的所述ERS值对于不同的声照射角β是否基本恒定的信息。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，a.在所创建的描绘中将所述缺陷(102)描绘为条纹，2b.将以下显示参数中的至少一个显示参数用于对要被显示的缺陷特性进行编码 i.色彩， .所述条纹的纵轴相对于所述试件(100)的表面的角度， iii.所述条纹的基本几何形状。
16.一种用于借助超声波来对试件(100)进行无损检测的装置(1)，包括a.具有超声波发射器(12)的发射探头(10)，所述超声波发射器(12)被设置成将声照 射角β下的定向超声波脉冲辐照入所述试件(100)，b.超声波接收器(40)，设置成记录辐照入所述试件(100)的所述超声波脉冲的回波信号，c.控制和分析单元(50)，设置成i.控制所述发射探头(10)的所述超声波发射器(12)，以便激励所述超声波发射器 (12)发射超声波脉冲， .处理由所述超声波接收器(40)记录的所述回波信号，以及 iii.从可与所述试件(100)的体积中的缺陷(102)相关联的回波信号确定所述缺陷 (102)的 ERS 值，， 其特征在于，d.所述超声波发射器(12)包括多个可独立控制的超声波换能器(14)，以及e.所述控制和分析单元(50)被设置成i.个体地且相位准确地控制所述多个超声波换能器(14)，以便能够电子地调节所述 超声波发射器(12)的辐射角α并且由此电子地调节辐照入所述试件(100)的所述声照射 角β， .从可与所述试件的体积中的缺陷(102)相关联的回波信号确定所述缺陷(102)的 关于多个声照射角β的ERS值，以及iii.创建对所述缺陷(102)的图形描绘，从所述图形描绘中可至少定性地读出所述缺 陷的经确定的ERS值与所述声照射角β的相关性。
17.如权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述创建的图形描绘根据所述声照射 角β来反映所述缺陷(102)的所述ERS值。
18.如权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述创建的图形描绘是B扫描、C扫 描或者扇形扫描。
19.如权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述控制和分析单元(50)被设置成 在计算所述缺陷(102)的所述ERS值时自动地补偿所述声照射角β的所述电子设定对所 述缺陷(102)的所述待确定的ERS值的影响。
20.如权利要求16所述的装置(1)，其特征在于，所述装置还包括路径检测单元(18)， 所述路径检测单元(18)被设置成检测所述试件(10)在所述试件(100)的表面上的位置的 变化。
21.如权利要求18所述的装置(1)，其特征在于，在所述创建的扫描中通过条纹来表示 缺陷(102)，所述条纹的沿着其纵轴的延伸与所述缺陷(102)的所述ERS值相关。
22.如权利要求18所述的装置(1)，其特征在于，在所述创建的扫描中显示缺陷(102) 的以下其他特性中的至少一个特性a.所述缺陷回波的相对振幅，b.在其下所述缺陷(102)的所述ERS值最大的声照射角β，c.相对缺陷大小，d.引起所述缺陷回波的支线，以及e.关于所述缺陷(102)的所述ERS值对于不同的声照射角β是否基本恒定的信息。
23.如权利要求22所述的装置(1)，其特征在于，将以下显示参数中的至少一个显示参数用于对要被显示的其他缺陷特性进行编码a.色彩，b.所述条纹横向于其纵轴的尺寸，c.所述条纹的所述纵轴相对于所述试件的表面的角度，d.所述条纹的基本几何形状。
全文摘要
本发明的主题内容是一种用于借助超声波来对试件(100)进行无损检测的方法，包括以下方法步骤a.将声照射角β下的定向超声波脉冲辐照入试件(100)，其中电子地设定该声照射角β，b.记录由辐照入试件(100)的超声波脉冲导致的回波信号，c.从可与试件的体积中的缺陷(102)相关联的回波信号计算该缺陷(102)的关于多个声照射角β的ERS值，以及d.创建对缺陷(102)的图形描绘，从该图形描绘中可至少定性地读出该缺陷的所计算出的ERS值与声照射角β的相关性。此外，本发明还涉及一种适用于执行该方法的装置。
文档编号G01N29/06GK101971018SQ200880126452
公开日2011年2月9日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年1月4日
发明者W-D·克莱纳特, Y·奥伯多弗 申请人:通用电气传感与检测科技有限公司