无损材料检测的制作方法

1.本发明涉及一种用于无损材料检测的装置的收发器探针系统(发射器-接收器探针系统，tr探针系统)。
2.此外，本发明涉及一种用于无损材料检测的装置。
3.此外，本发明涉及一种用于无损材料检测的方法。
4.此外，本发明涉及一种根据上述方法的计算机程序、一种用于传输上述计算机程序的数据载体信号以及一种用于使计算机执行上述方法的计算机可读介质。


背景技术：

5.到目前为止，用于金属板检测的tr探针是已知的。这里，利用超声来执行金属板检测。利用超声的检测是一种利用超声检测材料缺陷的声学方法，并且属于无损检测方法。


技术实现要素：

6.基于这种情况，本发明的目的在于提供一种用于无损材料检测的改进的解决方案。特别地，要实现较高的检测灵敏度，同时要实现深度方向上的非常好的检测范围。
7.本发明的目的通过独立权利要求的特征来实现。在从属权利要求中提供了有利的实施例。如果技术上可行，则从属权利要求的教导可根据需要与独立权利要求和从属权利要求的教导组合。
8.因此，该目的通过收发器探针系统(tr探针系统)来实现。所述系统旨在用于无损材料检测的装置，特别是用于检测金属板的装置。所述系统包括：发射器元件，具有被设计成将超声发射到金属板上的超声出射面；以及接收器元件，具有被设计成接收由所述金属板反射的超声的超声入射面，其中，所述发射器元件和所述接收器元件各自被划分成多个子元件。
9.所述系统可包括多个探针或利用一个探针一体地形成。例如，在多个探针的情况下，可使用共同形成收发器探针系统的两个成角度的探针。
10.所述发射器元件的子元件各自发射超声。所述接收器元件的子元件各自接收超声。因此，子元件是它们组合形成的发射器元件/接收器元件的功能上独立的单元。
11.本发明还涉及一种用于无损材料检测的装置，特别是用于检测金属板的装置，所述装置包括至少一个tr探针系统。所述装置可适用于待检测的工件。例如，可想到用于夹持工件的夹持装置。此外，用于待检测的工件的存放系统或输送系统可以是所述装置的一部分。本发明还涉及一种用于无损材料检测的方法，特别是用于检测金属板的方法。特别地，所述方法通过使用tr探针系统执行。所述方法包括以下方法步骤：经由发射器元件的多个子元件超声出射面将超声发射到金属板上；经由接收器元件的多个子元件超声入射面接收在所述金属板处反射的超声。
12.优选地，所述方法包括与根据下述变型实施例中的至少一个的tr探针的特征对应的方法步骤。
13.优选的是，除非在技术上需要按照明确的顺序，否则方法步骤的顺序可改变。然而，上述方法步骤的顺序是特别优选的。
14.此外，根据本发明，提供了一种用于执行根据本发明的所述方法或所述方法的有利实施例之一的计算机程序。
15.此外，根据本发明，提供了一种用于执行根据本发明的所述方法或所述方法的有利实施例之一的计算机可读存储介质。
16.此外，根据本发明，提供了一种由根据本发明的所述方法的步骤或所述方法的有利实施例之一生成的信号。
17.下面解释本发明的基本构思和本发明的要求保护的主题的各个方面，并且下面进一步描述本发明的优选变型实施例。解释，特别是关于特征的优点和定义的解释基本上是描述性的和优选的，而非限制性示例。如果解释是限制性的，则会明确提及。本发明的基本构思在于将发射器元件和接收器元件两者组合在若干子元件中。令人惊讶的是，已经发现这可显著增大检测灵敏度。发射器元件和接收器元件各自被称为换能器，且各个子元件则各自是子换能器。
18.子元件划分以及因此在发射器侧和接收器侧两者上的大量有源元件的设置意味着，与以前相比，可有利地检测并定位更小的材料缺陷。此外，与先前已知的方法相比，测量结果的可再现性更好。
19.tr探针系统使得能够对作为工件和组件的一部分的金属板进行无损检测。例如，组件可以是航空器的管道或机身部件。tr探针系统使得能够例如以0.9mm至15mm的范围内的近区分辨率检测金属板。此外，实现了与直径为1mm至2mm的圆盘形反射器对应的较高的检测灵敏度。
20.本发明特别适用于相控阵技术的应用。例如，在相控阵技术中，相应的子元件作为发射器元件的元件被单独地激励，以生成相应的波束。子元件可被不同地激励，特别是以使所生成的波束被枢转或聚焦这样的方式被激励。
21.本发明适用于罐底和管道中的腐蚀检测。
22.可检测工件/金属板的不连续性。不连续性使待检测的工件中的吸收、透射、反射或其他物理性质改变。不连续性可以是诸如微结构中的裂纹、夹杂物、孔隙、空隙、折叠或其他不连续性的材料缺陷。这还可包括例如深度上的折叠缺陷。
23.发射器元件/接收器元件的子元件可各自被设计成具有相同尺寸的超声出射面/超声入射面或具有不同尺寸的超声出射面/超声入射面。还可想到混合的解决方案：对于每个发射器元件/接收器元件，子元件中的一些配置有相同尺寸的超声出射面/超声入射面，并且子元件中的一些配置有不同尺寸的出射面/超声入射面。特别优选的是，所有子元件的超声出射面/超声入射面具有相同的尺寸，这具有简化控制和评价的优点。根据期望的分辨率，不同尺寸的超声出射面/超声入射面可以是有利的。
24.探针系统还可在其发射器元件/接收器元件处包括多个间隔开的子元件。此外，发射器元件/接收器元件可形成为具有不同的尺寸。
25.根据本发明的变型实施例，tr探针系统具有不同数量的发射器元件和接收器元件。特别优选地，接收器元件的数量大于发射器元件的数量。这具有增大所述系统检测待检测的工件中的缺陷的区域的优点。
26.tr探针系统是由发射器元件和与其分离的接收器元件组成的系统，所述发射器元件和所述接收器元件被布置为相对于彼此围成角度。所述角度用于确保发射波束瓣和接收波束瓣形成叠置区域。因此，发射器元件的超声出射面与接收器元件的超声入射面不位于共同的平面中。
27.特别地，发射器元件和接收器元件被布置成诸如围成钝角。特别地，发射器元件的超声出射面和接收器元件的超声入射面被布置成诸如围成钝角。该钝角也被称为屋顶角。换句话说，被设计成换能器的两个发射器元件/接收器元件相对于法线或分离平面以该钝角(屋顶角)倾斜。根据所实现的屋顶角，长度的倾斜引导区段粘在换能器下方，在给定深度范围内产生最大灵敏度。
28.除了换能器之外，tr探针系统还包括其上安装有换能器的楔形件。楔形件是例如由诸如聚甲基丙烯酸甲酯(缩写为：pmma)或聚苯乙烯(缩写为：ps)的声音传导塑料制成的引导区段。在换能器与楔形件之间可设置声学匹配层。所述匹配层的厚度可与探针系统的四分之一波长对应。特别地，它用于在发射器侧和接收器侧上匹配换能器与引导区段之间的阻抗和最佳声音传输。在tr探针系统的情况下，通过选择屋顶角、发射器与接收器之间的距离以及引导楔形件的长度，可在宽范围内改变近场分辨率。这会影响探针系统的死区，即工件中的不可检测区域。在大屋顶角的情况下，超声由于设计而以一定角度且不垂直于表面地发射到待检测的工件中。随着屋顶角的增大，出现所谓的“扩展的声音路径”，这反映在传输时间的增加方面，因此，例如，反映在壁厚测量的误差方面。该误差可通过调整超声系统来补偿，或者在数字装置的情况下通过计算来补偿。
29.在根据本发明的tr探针系统中，首先可显著减少死区。因此，在选择屋顶角时，折衷解决方案的问题较少。
30.根据本发明的变型实施例，接收器元件和/或发射器元件形成为长方体。特别优选的是，发射器元件和/或接收器元件形成具有三对相同尺寸的表面的立方体。在发射器元件的超声出射面和接收器元件的超声入射面的矩形设计的情况下，纵向轴线被定义为这样的轴线：位于超声入射面或超声出射面的平面中并且与矩形超声入射面或矩形超声出射面的较长边平行地延伸。换句话说，tr探针系统被设计为宽波束探针。
31.横向方向与从发射器元件开始指向接收器元件或相反地从接收器元件指向发射器元件的方向对应。纵向方向与横向于横向方向的方向对应。纵向方向可与接收器元件的超声入射面或发射器元件的超声出射面的最大延伸的方向对应，即在发射器元件或接收器元件的纵向轴线的方向上(即与纵向轴线平行)。横向方向可与垂直于超声入射面或超声出射面的最大延伸的方向对应，特别地，可与发射器元件或接收器元件的纵向轴线的方向正交地延伸。
32.根据本发明的变型实施例，提供的是，接收器元件在横向方向上(特别是与其纵向轴线横向地)被划分成多个子元件，并且/或者发射器元件在横向方向上(特别是与其纵向轴线横向地)被划分成多个子元件。特别优选地，接收器元件与其纵向轴线横向地被划分成若干子元件。横向方向上的划分提高了探针系统的分辨率。特别地，接收器元件的划分特别是在横向方向上有利地提高了横向检测分辨率。因为考虑了也可叠置的子元件组，所以接收器元件在横向方向上具有若干子元件的设计增大了横向方向上的分辨率。这样的接收器元件(也称为虚拟接收器元件)的数据可并行地并因此快速地评价。在纵向方向上划分的情
况下，特别是在接收器元件在纵向方向上划分的情况下，已经令人惊讶地发现，扩大了金属板中的可检测的深度范围。此外，进一步提高了测量的可再现性，并且可检测到较小的缺陷。
33.根据本发明的变型实施例，提供的是，接收器元件在纵向方向上(特别是沿着其纵向轴线)被划分成若干子元件，并且/或者发射器元件在纵向方向上(特别是沿着其纵向轴线)被划分成若干子元件。特别优选地，发射器元件平行于其纵向轴线被划分成若干子元件。由于可控的深度效应，发射器元件在纵向方向上具有若干子元件的设计增大了近区分辨率和远区分辨率。
34.根据本发明的特别的变型实施例，提供的是，接收器元件与发射器元件的子元件划分横向地(特别是与发射器元件的子元件划分正交地)被划分成若干子元件。因此，通过发射器元件和接收器元件的相互垂直的划分，可实现较好的分辨率，特别是在不同深度处的较好的分辨率。
35.根据本发明的更特别的变型实施例，提供的是，发射器元件沿着其纵向轴线(特别是与其纵向轴线平行地)被划分成若干子元件，并且其中，接收器元件与其纵向轴线横向地(特别是与其纵向轴线正交地)被划分成若干子元件。由此，例如，当改变入射角时，可实现较好的近区分辨率和远区分辨率。此外，增大了检测区域。如果探针系统被设计成相控阵系统，则可使用检测计划表来检测金属板，借助于所述检测计划表来检查金属板。此外，通过使用该变型实施例，可有利地实现改进的接收器叠置，这使得能够实现改善的检测均匀性。
36.根据本发明的变型实施例，提供的是，在探针系统的整个长度上以小于接收器元件子元件的总数的若干接收器元件子元件的小的叠置组执行检测。这在大检测轨道的情况下增大了灵敏度。
37.根据本发明的又一特别的变型实施例，提供的是，发射器元件沿着纵向方向被划分成多个条形子元件；并且接收器元件与纵向方向横向地被划分成多个条形子元件。换句话说，发射器元件的超声出射面形成为条形，即细长的，并且接收器元件的超声入射面形成为条形，即细长的。这增强了上述变型实施例的有益效果。
38.特别优选地，接收器元件的条形子元件沿着接收器元件的整个横向延伸方向延伸，并且发射器元件的条形子元件沿着发射器元件的整个纵向延伸方向延伸。这增强了上述两个变型实施例的有益效果。
39.根据本发明的变型实施例，提供的是，发射器元件被配置为使发射器入射角枢转。这里，特别地，使用相控阵技术。由此，有利地实现了在工件的若干区域中的检测。
40.根据本发明的变型实施例，提供的是，接收器元件的子元件在纵向方向上(特别是在其纵向轴线的方向上)的宽度大于发射器元件的子元件在横向方向上(特别是在与其纵向轴线横向的方向上)的宽度。特别优选地，接收器元件的所有子元件具有相同的宽度。
41.根据本发明的变型实施例，提供的是，tr探针系统包括控制单元，所述控制单元被设计成控制接收器元件，特别是控制接收器元件的各个子元件，以用于动态深度聚焦。换句话说，各个子元件可由所述控制单元单独驱动。因此，测量可适用于待检测的工件中的预期缺陷/现有尺寸。
42.根据本发明的变型实施例，提供的是，tr探针系统包括控制单元，所述控制单元被设计成控制接收器元件，特别是控制接收器元件的各个子元件，以用于动态变迹。变迹，即
各个子元件的加权，可例如以有针对性地驱动接收器元件的子元件的形式来实现。因此，也有利地实现了通过使用tr探针系统的测量过程对工件的性质的有针对性的适用。
43.在这种情况下，可动态地适用延迟特性。
44.根据本发明的变型实施例，提供的是，tr探针系统包括控制单元，所述控制单元被设计成控制发射器元件，特别是控制发射器元件的各个子元件，以用于动态变迹。变迹，即各个子元件的加权，可例如以有针对性地驱动发射器元件的子元件的形式来实现。因此，也实现了通过使用tr探针系统的测量过程对工件性质的有针对性的适用。
45.根据本发明的变型实施例，提供的是，tr探针系统包括控制单元，所述控制单元被设计成控制发射器元件，特别是控制发射器元件的各个子元件，以生成全息声场。例如，全息声场可通过有针对性地驱动具有合适的发射器类型的发射器元件的子元件来生成。全息声场有利地使得能够提高检测速度，特别是与漆刷工艺(paint-brush-verfahren)相结合的检测速度。
附图说明
46.在下文中，基于优选示例性实施例参照附图更详细地解释本发明。术语“附图”在附图中缩写为“图”。
47.在附图中：图1是根据本发明的优选示例性实施例的系统的示意图；
48.图2是示出根据本发明的优选示例性实施例的系统的操作的示意图；以及
49.图3是根据本发明的优选示例性实施例的方法的流程图。
具体实施方式
50.所描述的示例性实施例仅仅是示例，其可在权利要求的范围内以各种方式进行修改和/或补充。针对特定示例性实施例描述的任何特征可独立地使用或与任何其他示例性实施例中的其他特征组合使用。针对特定权利要求类别的示例性实施例描述的任何特征也可以以相应的方式用于另一权利要求类别的示例性实施例中。
51.图1示出了根据本发明的优选实施例的收发器探针系统(tr探针系统)1。系统1包括发射器元件2和接收器元件3。发射器元件2和接收器元件3分别连接到基体元件4，基体元件4被分离层5划分成两个子元件4a、4b。基体元件4包括可渗透超声的材料。另一方面，分离层5被设计成声屏障。
52.发射器元件2和接收器元件3是分别具有矩形超声出射面和矩形超声入射面(不可见)的长方体，发射器元件和接收器元件经由超声出射面和超声入射面邻接基体元件4。发射器元件2被划分成若干子元件(以下称为发射器子元件2a)。接收器元件3被划分成多个子元件(以下称为接收器子元件3a)。发射器元件2沿其纵向轴线被划分成子元件。接收器元件3垂直于其纵向轴线被划分成子元件。在本示例性实施例中，两个纵向轴线具有共同的延伸方向，它们与图1的箭头x平行地延伸。
53.图2示出了示出根据本发明的优选示例性实施例的系统1的操作的示意图。这里，针对由发射器元件2发射的波束的可能的波束路径示出了区域b1。此外，针对由接收器元件3接收的波束的可能的波束路径示出了区域b2。在区域b1和b2相交的交叉区域b3中，tr探针系统1可检测待检测的主体(未示出)上的缺陷。
54.探针系统1可与根据现有技术的相控阵(pa)电子系统一起操作。此外，特别是在接收器侧处(即在接收器元件3处)的pa电子系统与动态深度聚焦的组合是可行的。还可想到在接收器侧处的动态变迹。还可想到在发射器侧处(即在发射器元件2处)使用全息声场。
55.根据示例性实施例的tr探针系统1适合于检测厚度范围为5mm至120mm的厚板。例如，厚板检测根据标准iso 12094:1994、iso 10893-9:2011或iso 17577:2016执行，这些标准仅作为示例提及。
56.为了检测金属板，tr探针系统1可例如在待检测的金属板上以曲折的图案移动。这里，可使用一个或更多个tr探针系统1。也可在工厂中对作为材料流的一部分(例如，在生产线内)的金属板进行检测。例如，tr探针系统1可被设计成使用一个发射器元件2和四个接收器元件3的宽波束探针。例如，tr探针系统1可被设计成使得实现50mm的检测宽度，即可在单个测量过程中检测的工件宽度。来自各个探针系统1的信号被并行处理，并且例如经由tcp/ip连接传输到评价计算机。通过已知的方法进行数据评价。这里，例如，可使用标准din en iso 16827:2014-06来执行缺陷的尺寸确定。
57.tr探针系统1可以以例如5mhz的频率操作。
58.缺陷的范围可通过使用以下标准来确定，例如：
[0059]-6db法：该方法对于范围大于声波束的不均匀性/缺陷是有利的；
[0060]-基于圆盘形反射器的比较的振幅评价法：该方法对于范围小于声波束的不均匀性/缺陷是有利的。
[0061]
对于需要确定用于分类的区域的方法，必须组合相邻的检测迹线以形成具有相应扩展的整体指示。该组合还包含了各个不均匀性之间的空间距离。例如，具有深度层的足够间隔的不均匀性被识别为单独的不均匀性。此外，在细长的不均匀性的情况下，可经由幅度来确定附加参数(缺陷/不均匀性的宽度)。在检测到不均匀性之后，计算包围该区域的多边形。然后使用通过该多边形确定的区域的面积以用于分类。图3是根据本发明的优选示例性实施例的方法的流程图。该方法包括：在发射器元件2的若干子元件超声出射面上将超声发射到金属板上的方法步骤“100”；以及经由接收器元件3的多个子元件超声入射面接收从金属板反射的超声的方法步骤“200”。
[0062]
附图标记列表
[0063]
1 收发器探针系统
[0064]
2 发射器元件
[0065]
2a 发射器元件子元件
[0066]
3 接收器元件
[0067]
3a 接收器元件子元件
[0068]
4 基体元件
[0069]
4a、4b 基体元件的子元件
[0070]
5 分离层
[0071]
x 箭头
[0072]
b1 发射器元件的超声波区域
[0073]
b2 接收器元件的超声波区域
[0074]
b3 交叉区域
[0075]
100 经由发射器元件的若干子元件超声出射面将超声发射到金属板上
[0076]
200 经由接收器元件的多个子元件超声入射面接收从金属板反射的超声