专利名称：超声波检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波检测系统，其具有至少一个发射单元和至少一个接收单元；还涉及一种用于对检测目标进行检测的超声波检测系统的发射装置，其具有至少一个发射单元；又涉及一种用于对检测目标进行检测的超声波检测系统的接收系统，其具有用于在检测目标表面照射至少两个测量区的激光器，还具有至少两个用于对检测目标表面的振动进行光学测量的接收单元；以及，涉及一种运行超声波检测系统的方法。
背景技术：
在钢和其它金属产品的质量管理领域，无损害超声波检测的方法和测量技术开启了显著改善质量的前景。在超声波检测过程中，在检测体中产生超声波，并且可以由声波信号的运行时间和必要时出现的错误信号、特别是晶格缺陷的回波来确定钢带厚度以及必要时材料中或检测体表面的晶格缺陷。这样的在生产过程中对内外表面上可能的缺陷的可靠的在线检测以及钢带厚度测量导致巨大的经济优势。关于产品状态的及早得出的信息不仅确保了成品质量，还允许了生产转向措施，由此在继续加工当中提高了产量和质量，并且能够改善生产过程中人员的安全。对于热的和快速运动的产品，不可能用传统的压电超声波检测探头来检测。替代的方法，例如激光超声或电磁声换能器(EMAT检测技术)，要么很贵，要么用自由超声波时不够敏感。对于冷材料的检测，例如厚钢板检测，传统上用许多压电检测探头通过水缝接合(ffasserspalt Ankopplung)来进行。在此，设备或电子耗费是很高的。通过在表面上的油脂或油污渍、或者其它污染或不平的表面，可以使上述接合断开或改变，而这样的断开或改变通常导致假相缺陷。典型的经轧制的厚钢板的参娄iI为
材料碳和低合金高强度钢
钢板厚度:5mm-80mm，特别是IM IOOmm 或 150mm
钢板宽度:1000mm-3600mm
钢板长度:5000mm-36000mm
钢板温度约 5°C -IlO0C
钢板折弯约 15mm/ lm-50mm/ Im
测试速率最大lm/s
表面特性在生产条件下会出现许多不同的表面损伤，例如粗糙位置、小凹陷的不
平处、油或油脂污渍、生锈位置等，这些会导致缺陷显示，特别是在采用压电检测技术的超声波检测中，直至约95%。为了对金属材料进行超声波材料检测或超声波壁厚测量，近来为确定的问题使用激光-光学超声发射和接收系统。激光超声可以理解为免接触的超声测量和检测方法，其特征为通过短激光脉冲、结合超声偏移的光学(在各种情况下光学干涉地)证据来进行超声刺激。如果典型的数个纳秒时长的激光脉冲落入材料表面，则它的能量被部分吸收，剩余部分透射或反射。吸收的能量绝大部分转化为热量，一小部分以超声波的形式被运走。可以区分不同的刺激机制热弹性刺激和脉冲传递刺激。热弹性超声刺激可以完全通过局部吸收、加热和热膨胀来解释。热弹性超声刺激在小激光脉冲强度的情况下确定了超声源。如果提高强度，就会导致粘附层的剥离，导致材料蒸发和等离子体生成。这对于刺激机制有很大的实际意义，其中，对于钢表面的影响限于微米范围的层。通过激光脉冲生成的超声波振动特征在于复杂的空间和时间结构。在用脉冲传递刺激时，主要生成大带宽的纵向脉冲，该纵向脉冲垂直于表面传播并在工件中以已知的方式和方法作为脉冲-回波结果而反射。在法线方向上的表面振动现在可以干涉地(通过多普勒效应)作为相位或者频率调制来测量。换言之，法线方向上的表面振动通过多普勒效应导致光的相位或频率调制，并且可以干涉地转化为调幅信号，该信号可以用光探测器测量。为证明典型地位于数埃至数纳米范围的超声波偏移，使用许多不同类型的干涉仪。然而，由于与激光射线必然相联系的污渍效应，选择很大程度限制于技术表面。对于快速运动的表面，迄今为止可以采用时效干涉仪(Laufzeitinterferometer)以及法布里-珀罗干涉仪。时效干涉仪非常大，并由此在实践中难以使用。相对于广泛使用的压电超声转化器，前述类型的超声转化提供了下述优势-检测或壁厚测量可以免接触地进行，-不需要耦合介质，-可以检测快速运动的材料，-可以用来研究热材料，-由于声波在材料表面生成，或者在表面探测到振动，避免了在使用传统压电超声转化器时存在的接合问题。相对于广泛使用的压电超声转化器，缺陷在于-发射重复率小，位于例如小于100Hz，-系统敏感度比使用压电超声转化器要小，-对于单通道检测系统，价格很高。
从光能到超声波能的转化效率很差。因此，在已知的系统中发射激光的功率很大，例如为360mJ/发射脉冲，或者脉冲重复率很小，例如为小于100Hz，这是因为存在的激光功率分布于生成的发射频率上。在使用激光-激光-超声波系统时，在低脉冲重复率下接收到的信号具有较差的信噪比。
发明内容
本发明的目的在于，开发新的检测和测量技术，一方面避免已知方法所发生的问题，另一方面可以相对廉价地制造。根据权利要求1的设计原理，实现了该目的。通过从属权利要求和下列描述给出了有利的实施方式。根据本发明可以看出，发射单元在超声波检测系统中生成火花隙，该火花隙在表面和/或在检测目标中生成超声波振动，而且，接收单元对检测目标表面的振动进行光学
5测量。为了生成超声波，需要生成火花隙，即为通过电荷卸载生成的等离子体。火花隙在发射单元和检测目标表面之间点燃并传递。在此，通过电荷卸载生成的火花隙的等离子体出现在表面，并在表面生成对超声波测量所必需的压力脉冲。另外，发射单元具有至少一个点火线圈和用于在预定的时间使点火线圈点火的控制电子元件。在此所必需的电子元件，特别是点火线圈或点火电容器和控制电子元件，可以很廉价地制造并可以因此设计为多路的。从电能至超声波能的转化效率比从光能转化至超声波能要好得多。因此可以采用多个发射单元，特别是多于100个发射单元，以达到足够大的检测宽度。在发射时生成的电磁脉冲并不对接收单元的光学系统产生负面影响，并且因此它可以与火花隙良好地结合。火花的光线可以优选通过适宜的在火花出现区域和光学接收单元的测量区之间的屏障受到遮挡，从而减小对测量的影响。为实现超声波接收，可以特别采用可商业获取的激光-超声波接收系统，其特征在于，设置照射激光，它的光照射了测量区的表面，其中，接收单元接收从测量区射入接收单元的光。特别可以设置多个接收单元，特别是多于100个接收单元。由此可以达到更大的检测宽度，其中，优选使多个接收单元与多个发射单元相匹配。优选的实施方式的特征在于设有照射激光器和测量区，其中，为每个接收单元分派测量区，从而使接收单元接收从测量区射入接收单元的光，其中，光线导引系统使激光器的光线在光线导引系统的第一位置射入第一测量区，而在光线导引系统的第二位置射入第二测量区。由此可以使用两个或多个，特别是约100个测量区，为这些测量区设置照射激光器和接收单元。如果使用了多个接收通道，例如对厚钢板检测，那么光线导引系统可以将激光器的光线分开并射入测量区和其它测量区，特别是射入许多不同的测量区。在此，激光-超声波接收系统经光学多路复用器或矩阵开关通过光导与许多接收镜头相连。以优选的方式，接收单元具有干涉仪，或者通过光线导引系统将射入接收单元的光线继续导引至干涉仪。如果使用更高效率的发射系统，例如火花隙，发射系统的初级功率可以明显减小，脉冲重复率提高而且系统费用显著降低。因此，在建立许多廉价的平行的发射系统时、以及连续运用激光-超声接收系统时，可以总地实现许多平行检测痕迹下高得多的抽样率和每个检测通道相对低的费用。激光光学超声接收系统与照射激光器(通常是Nd: YAG激光)在持续运行条件下以相对较小的约500mW-2W的功率一同工作。接收系统能够以单一检测通道，即观察单一测量区的接收单元，相对于传统超声技术而言是相对昂贵的。通过采用多路复用器可以使用用于N个接收位置或接收单元的激光光学超声波接收系统。由此可以实现廉价的超声波系统的构建，这是因为，每个接收通道或接收单元的价格都很低。对用于厚钢板检测的每个激光光学超声接收系统的接收通道的数量的估算如下声波路程最大2 X IOOmm
声波速度5920m/s待探测信号窗口 33. 8 μ s当单个的信号窗口在时间上彼此相关时，由此得到最大可能的约30kHz的信号重复率。当取每个检测轨迹采用IOOHz脉冲重复率时，即以lm/s的传递速度具有IOmm的分辨率，当忽略光学多路复用器的转换时间时，得到最多300个平行检测轨迹。在这种局面下，可以通过相应的对发射器的控制或对相应的光学多路复用器的入口的选择，利用激光光学超声波接收系统，分别以IOOHz脉冲重复率对300个检测轨迹进行处理。对照传统压电检测系统例如以观8 (GE Inspection Tech-nologies)或216(NDTSystems & Services)个接收轨迹，各个接收轨迹分别具有12. 5mm或16. 6mm的轨迹宽度。上面所述的法布里-珀罗干涉仪接收系统对激光-超声波的敏感度如下所述
权利要求
1.一种对检测目标进行检测的超声波检测系统，其具有至少一个发射单元和至少一个接收单元，其特征在于-所述发射单元生成火花隙，其中，所述火花隙在表面和/或在检测目标中生成超声波振动；而且-所述接收单元对所述检测目标的表面的振动进行光学测量。
2.根据权利要求1所述的超声波检测系统，其特征在于，设置多个发射单元，特别是多于100个发射单元。
3.根据权利要求1或2所述的超声波检测系统，其特征在于，所述发射单元具有点火线圈和用于在预定的时间使所述点火线圈点火的控制电子元件。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的超声波检测系统，其特征在于，设置照射激光器，该照射激光器的光照射测量区的表面，其中，所述接收单元接收从所述测量区射入所述接收单元的光。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的超声波检测系统，其特征在于，设置多个接收单元，特别是多于100个接收单元。
6.根据权利要求5所述的超声波检测系统，其特征在于，设有照射激光器和测量区，其中，为每个接收单元分派测量区，从而使所述接收单元接收从所述测量区射入所述接收单元的光，其中，光线导引系统使所述激光器的光线在该光线导引系统的第一位置射入第一测量区，以及在该光线导引系统的第二位置射入第二测量区。
7.根据权利要求5或6所述的超声波检测系统，其特征在于，设有照射激光器和测量区，其中，为每个接收单元分派测量区，从而使所述接收单元接收从所述测量区射入所述接收单元的光，其中，光线导引系统使激光器的光线分开并射入一个测量区和另一个测量区。
8.根据权利要求1至7的任意一项所述的超声波检测系统，其特征在于，所述接收单元具有干涉仪，或者通过光线导引系统将射入所述接收单元的光继续引至干涉仪。
9.一种用于对检测目标进行检测的超声波检测系统的发射装置，-其具有至少一个发射单元；其特征在于，-所述发射单元设有用于生成火花隙的工具，其中，所述火花隙在表面和/或在检测目标中产生超声波振动。
10.根据权利要求9所述的发射装置，其特征在于，所述发射单元具有点火线圈和用于在预定的时间使所述点火线圈点火的控制电子元件。
11.根据权利要求9所述的发射装置，其特征在于，所述发射单元具有点火电容器和用于在预定的时间对所述点火电容器加载或卸载的控制电子元件。
12.一种用于对检测目标进行检测的超声波检测系统的接收系统，-具有用于在检测目标表面将至少两个测量区照射的激光器；以及-具有至少两个用于对检测目标表面的振动进行光学测量的接收单元；其特征在于，-设置接收光线导引系统，该接收光线导引系统在不同位置分别将不同测量区的光引至干涉仪；-设有干涉仪；并且-所述干涉仪和所述接收光线导引系统在每个位置上都构成一接收单元。
13.根据权利要求12所述的接收系统，其特征在于，-设置至少两个光导，所述光导分别对应一个所述测量区；以及-设置光学开关，所述开关能够将光从每个光导引至干涉仪。
14.根据权利要求12或13所述的接收系统，其特征在于，所述光线导引系统使激光器的光线在不同位置射入不同测量区。
15.根据权利要求14所述的接收系统，其特征在于，-设置至少两条光导，所述光导分别分派给一个所述测量区；以及-设置光学开关，所述开关能够将激光器的光线分别弓I入各个光导。
16.根据权利要求1所述的超声波检测系统，其特征在于，-设置根据权利要求9至11任意一项所述的发射装置；而且-设置根据权利要求12至15任意一项所述的接收装置。
17.—种运行超声波检测系统的方法，-其中，在检测体内用具有至少两个平行工作的发射单元的发射装置通过火花隙生成超声波；-其中，通过具有至少两个光学接收单元的接收系统测量超声波信号；-其中，每个发射单元和接收单元相互对应分派；-其中，相互分派的发射单元和接收单元在时间上相互协调地得到激活；以及-其中，通过对发射装置和接收单元的连续控制，在测量体上测量测量点的光栅。
全文摘要
本发明涉及一种对检测目标进行检测的超声波检测系统，其具有至少一个发射单元和至少一个接收单元，其中，该发射单元生成火花隙，所述火花隙在表面和/或在检测目标中生成超声波振动，而且该接收单元对该检测目标的表面的振动进行光学测量。本发明还涉及用于超声波检测系统的发射装置和接收系统以及运行所述超声波检测系统的方法。
文档编号G01N29/24GK102395872SQ201080017114
公开日2012年3月28日 申请日期2010年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者吉多·弗洛尔, 迪特马尔·奥伯霍夫 申请人:吉多·弗洛尔, 迪特马尔·奥伯霍夫