用于扫描冶金物体的包括双EMAT/激光脉冲矩阵阵列的敏捷UNDT装置的制作方法

本发明大体上涉及无损超声检测(undt)技术，用于调查冶金工业中物体的不连续。具体而言，它涉及一种用于扫描冶金物体的敏捷双矩阵emat/激光脉冲undt装置、其实现方法和工业应用。本发明具体涉及冶金工业中的无损检测(ndt)技术类别，用于使用超声波(也称为声波)调查或分析冶金物体的材料。因此，本发明属于用于undt调查的国际专利类别int.cl.g01n 29。本发明特别涉及应用于冶金工业的undt调查的这一子类，使用非振动型换能器。它们不机械振动，而是通过电磁装置感应和/或接收超声波机械振动。所实施的方法包括使用合适的发射和/或接收装置来研究或分析材料，以通过电磁装置在导电测试体中感应超声波，或从测试体接收超声波，用于测试目的。这使得能够通过传输和/或通过物体接收这样发射的超声波来可视化物体的内部。因此，本发明属于国际专利类别int.cl.g01n29/24和/或美国专利类别u.s cl.73/643。本发明的技术具体涉及一种用于扫描冶金物体的具有双矩阵(leaundt)的混合激光emat-undt装置，其实现将a)通过脉冲激光束发射超声机械振动和b)通过在接收模式下操作的被称为emat的多个电磁声学换能器接收超声机械振动相结合的技术。

背景技术：

1、冶金产品中的缺陷的检测和表征通常使用无损超声检测(undt)系统进行。

2、传统的无损压电超声检测(cundt)使用超声波来定位和确定冶金产品中潜在的关键不连续(例如裂纹和内部缺陷)的尺寸，已成为一种广泛使用的工业工具。cundt方法采用由超声波发射探头(uwe)传输通过测试材料并由相同或不同的超声波接收探头(uwr)检测的短波长、高频机械波束。这样做是为了识别产品中的结构缺陷。由于这种cundt技术使用压电换能器，因此需要紧密的表面接触和使用耦合流体。因此，传统的cundt技术的主要缺点是，它很难用在处于高温或具有挑战性的条件下的表面上。通常，传统的压电cundt技术不能在100℃以上的温度下操作。

3、现有技术中描述的cundt技术的替代方案是基于磁耦合机构的电磁声学换能器(emat)方法。声波是在材料中产生的，而不是通过接触测试材料的表面产生的。与压电cundt换能器相比，emat具有显著优势。emat可以作为uwe发射器和/或作为uwr接收器在导电材料中产生和/或接收各种模式的超声波，而无需物理接触，也无需使用与测试件的液体耦合。这种非接触和无耦合特性提高了测试可靠性。此外，超声波传输路径的物理性质不会由于接触而改变。此外，测试产品相对于emat探头的位置和推进所需的公差规范非常宽松。这使得emat探头特别适合工业应用，例如涉及中温检查(高达600℃)和测试件的表面条件差的那些工业应用。

4、在作为uwe发射器和/或uwr接收器操作的emat中有两个主要的基本组件。一个是磁体，另一个是高频(hf)线圈电路。磁体可以是永磁体或电磁体，产生静态或准静态磁场。hf电流穿过线圈电路。它要么作为uwe发射器发射，要么被高频磁场感应作为uwr接收器。emat现象是可逆的。因此，当在其hf线圈电路中被电激活以引起超声振动时，相同的emat探头可以用作朝向被检查材料的超声波的uwe发射器，和/或用作接收由超声波在材料中的传播引起的电磁场的变化和干扰的uwr接收器，或者以两种操作模式的组合。现有技术在广泛的应用中使用emat，包括测量金属产品的厚度、检测管道和轨道缺陷以及检测钢产品中的局部缺陷等。

5、emat undt技术在现有技术中长期使用，无论是在使用单个uwe-uwr emat的双脉冲/回波模式中，还是在将充当uwe发射器或uwr接收器的emat与互补地充当uwr接收器或uwe发射器的不同类型的另一个undt装置耦合的混合节距捕获模式中。

6、现有技术中已知emat是一种低效率的超声波uwe发射器，但却是一种相当有效的超声波uwr接收器。

7、现有技术中描述的cundt技术的另一种替代方案是激光超声无损检测(lundt)。它结合了脉冲激光发射器(luwe)和干涉式激光接收器(luwr)。如果这种lundt系统能够实际实现，它将提供非接触式远程超声波检测的装置。事实上，一方面，脉冲激光器可以有效地用作冶金产品中超声波的uwe发射器。这是因为聚焦在冶金产品表面某一点的脉冲激光束的功率会导致产品表面的材料的快速热膨胀(热弹性生成)、烧蚀和等离子体微爆炸，从而产生冲击波。这在物体的本体中感应出强大而有效的uw超声波。不幸的是，干涉式激光器通常是较差的超声波luwr接收器。此外，luwr激光接收器的性能在很大程度上取决于冶金产品的检查区域内的表面变化。

8、完全基于激光的lundt检查系统的一种替代方案是用电磁声学换能器(emat)代替有问题的超声波luwr激光接收器。通过脉冲luwe激光发射器进行的超声波生成和通过ematuwr声学接收器进行的超声波检测被结合到用于检查冶金产品中的不连续的混合激光emat超声技术(hleundt)中。由此产生的hleundt混合技术从技术角度来看仍然是非接触式的。emat放置在产品表面附近，但不需要耦合或特殊的表面处理。emat可以被配置为在高温下操作。因此，现有技术的混合激光emat hleundt系统为冶金产品的无损超声检测提供了一种优越的组合，而无需表面接触。

9、这种混合激光/emt hleundt技术的主要优点之一，除了非接触式之外，还能够同时检测表面缺陷(使用瑞利波)和深层次表面缺陷(利用纵波和横波)。使用luwe激光发射器代替emat发射器，允许生成不同类型的倾斜超声波，其频率(10mhz)和强度比使用emat发射器所能实现的更高。此外，激光发射器的激光冲击可以在距离材料表面更大的深度和距离处产生超声波。相反，emat发射器的效率随着与材料表面的距离和与缺陷的距离而显著降低。通常，允许2至3mm的最大距离来维持emat发射器的效率。另一方面，使用luwr干涉式激光接收器来检测金属材料中的返回超声波被证明在效率方面远不如emat接收器有效。

10、根据现有技术undt，可以对产品中不连续的拓扑结构的超声波数据进行数字处理，并以各种不同的格式显示。最常见的格式被称为a-scan(a扫描)、b-scan(b扫描)和c-scan(c扫描)，或它们的等效拓扑表示。每种显示模式，a-scan、b-scan和c-scan，都提供了不同的方式来查看和评估被检查产品的材料上和/或内部的不连续。按照惯例，扫描和/或以所有三种呈现形式显示undt测试结果。

11、根据现有技术undt，当单个超声接收器uwr定位在产品表面上的某个点上并由超声发射器uwe感应时，由单个uwr接收器查看和提供的所接收的超声波的形状数据的最基本呈现形式为显示所接收的波的波形的a-scan。在a-scan中，回波的幅度和单个uwr接收器从不连续的传输时间被绘制在简单的图表上。纵轴表示信号幅度，横轴表示传输时间。来自uwe发射器的声能被感应并以超声波的形式传播通过材料。当产品的本体中存在不连续时，波路能量的一部分被这种不连续的反射器反射向uwr接收器。a-scan显示所接收的超声能量的量作为传输时间的函数。所接收的能量的相对量沿着纵轴绘制。经过的传输时间与材料内行进的距离有关，沿着横轴显示。在a-s显示中，可以通过将从不连续的未知反射器获得的信号幅度与不连续的已知反射器的信号幅度进行比较来估计不连续的相对大小。

12、根据现有技术的undt，当沿着物体表面上属于横向扫描平面的检测线对物体进行线性扫描时，b-scan显示了产品沿着穿过检测线的扫描平面的数字化横截面图。b-scan结合了多个a-scan数据，其由以下提供：i)沿着由沿着检测线的连续接收器点组成的线性接收器阵列逐步地移动的单个uwr接收器、ii)沿着检测线布置在线性接收器阵列的分离接收器点处的多个固定uwr接收器，或iii)由沿着线性发射器阵列的脉冲线布置在分离发射器点的多个固定超声发射器uwe引起的单个固定uwr接收器。在b-scan中，沿着纵轴显示不连续的反射器的深度。沿着横轴显示uwr接收器(在上述情况i和ii中)或uwe发射器(在上述情况iii中)的线性位置。根据b-scan，可以确定不连续的反射器的深度及其在扫描线方向上的近似线性尺寸。

13、c-scan显示是一种当沿着垂直于产品的轴线定位的连续且独立的平行检测(扫描)线进行多个二维b-scan时可能的显示类型。c-scan是不连续的三维位置和尺寸的平面状视图。c-scan图像表示平行于多条检测线的扫描图案的产品的自上而下的视图。通常，在a-scan上执行数字数据的数字阈值处理。相对幅度和/或传输时间显示为灰色阴影，或在平面图中显示为每个位置的数字标识符。c-scan显示提供了产品不连续特征的3d视图，这些不连续在产品表面和内部反射和散射声波。

14、根据现有技术undt，已知在产品上实现超声激光脉冲阵列(lea)。还已知实现布置在产品上的超声emat接收器阵列(era)。

15、在现有技术的undt中，还已知组合混合超声undt装置(hleundt)中的超声激光发射器和emat接收器和双emat/激光脉冲阵列矩阵，包括超声激光脉冲阵列(lea)和超声emat接收器阵列(era)。

16、在现有技术中，已知使用衍射分束器(lbs)将脉冲激光输入光束(ilb)及其功率并行地分成一束n个出射脉冲激光输出光束(olbk)，其并行地聚焦在超声激光脉冲阵列(lea)的n个分离脉冲点(epk)上。由于并行分离，每个输出脉冲激光输出光束(olbk)的能量除以n以上。

17、从现有技术中还已知使用连续光束扫描器(lss)将入射脉冲激光束(ilb)连续移动到聚焦的出射脉冲激光输出光束(olbk)的连续切片中，连续但不顺序地聚焦在沿着穿过超声激光脉冲阵列(lea)的可能n个脉冲点的聚焦线的各个位置上。“光束转向”技术通常指具有连续变化的任何光学元件，包括例如移动透镜、可变棱镜、可变焦距透镜、可变形反射镜、振荡反射镜、空间相位调制器等。连续重定向脉冲激光输入光束(ilb)的最常见方法是将其从反射镜上反射，或使用安装在机械扫描仪(例如旋转棱镜或振荡反射镜扫描仪)上的全息光栅对其进行衍射。然而，传统的lss技术不适合有效的undt应用，因为出射脉冲激光束(olbk)的位置和能量不断地向材料移动，并且不聚焦于离散的分离脉冲点(spk)。

18、敏捷矩阵激光发射器(ablat)在现有技术中是已知的。脉冲激光输入光束(ilb)的敏捷聚焦包括将其顺序地且不连续地衍射成多个连续的角度分离的脉冲激光输出光束(olbk)，其被导向超声激光脉冲阵列(lea)的n个分离的分散脉冲点(spk)，而不是将它们导向连续的扫描线。ablat用于现有技术中的高科技领域，例如激光通信、目标捕获和跟踪、激光显微镜和干涉测量。主要应用领域包括激光雷达，它需要能够快速指向大量大间距物体进行目标跟踪和识别，以及用于监视和跟踪空间物体的传感器。目前，它们在现有技术中未用于或已知用于undt应用和/或冶金工业。在shaw等人于2010年2月25日公布的美国专利2010/0046953a1中描述了这种ablat技术的示例，该ablat技术没有实施超声接收器矩阵(era)。

19、根据undt中的现有技术，当使用a)在超声激光脉冲阵列(lea)的脉冲点(spk)处生成超声波的脉冲激光输入光束源(ilb)，或b)在emat接收器阵列(era)中布置的一组emat时，现有技术仅已知和描述以下配置或其等效物：

20、a.使用一组n个双emat探头，既起发射器的作用，又起接收器的作用。这些emat探头定位在单个emat阵列中。不使用脉冲激光输入光束源(ilb)或激光脉冲阵列(lea)。在lopez-jauregui于2012年5月3日公布的的美国专利2012/0103097a1中描述了该undt/emat技术的具体实施方式的第一示例。在zeeland refinery n.v.(nl)于2018年9月21日公布的荷兰专利2017403b1中描述了该undt/emat技术的具体实施方式的第二示例。

21、b.或者脉冲激光输入光束(ilb)由衍射分束器(lbs)分成一组并行分割的脉冲激光输出光束(olbk)，其聚焦在超声激光脉冲阵列(lea)的n个脉冲点(spk)的矩阵上。emat接收器的阵列可选地布置成emat接收器阵列(era)。然而，在这种配置中，每个出射脉冲激光输出光束(olbk)的功率除以n以上。

22、c.或者脉冲激光输入光束(ilb)由连续光束扫描器(lss)沿着穿过超声激光脉冲阵列(lea)的n个分离脉冲点的连续聚焦线连续移动到可移动且连续聚焦的脉冲激光输出光束(olbk)的连续切片中。emat接收器的阵列可选地布置成emat接收器阵列(era)。然而，在这种配置中，导向连续移动的脉冲点的每个聚焦脉冲激光输出光束(olbk)的功率显著降低。

23、d.或者脉冲激光输入光束(ilb)由敏捷矩阵多光束激光发射器(ablat)不连续地且顺序地衍射，生成导向超声激光脉冲阵列(lea)的n个分离脉冲点的连续的角度分离的脉冲激光输出光束(olbk)。然而，在该配置中，根据现有技术，仅使用单个uwr接收器并将其定位在物体的表面上。这种现有技术配置将具有n(n x 1)单元的激光脉冲阵列(lea)与具有单个单元的emat接收器阵列(era)相结合。这两个阵列具有不同的单元配置。这种现有技术配置对于大型冶金物体的高分辨率b-scan或c-scan是低效的。dixon等人发表在ultrasonics,ipc science and technology press ltd,guildford,gb，第51卷，第1期，2011年1月1日，第7-11页的“使用脉冲激光生成的超声波和emat检测检测金属板中的裂纹”中描述了这种undt技术的具体实施方式的示例。

24、技术问题

25、根据现有技术的分析，很明显，由于上述限制，混合激光ematundt装置存在以下缺点，特别是对于冶金物体的a-scan和b-scan，本发明旨在解决这些缺点：

26、a.沿着检测线位于物体深度的内部不连续的每个竖直视图主要从对应于emat接收器的单个a扫描视角进行检查。这导致表征内部不连续的分辨率较差。

27、b.超声波信号受到不连续附近和分离反射器问题的影响。由内部不连续形成的波反射器被较大或较近的不连续中间反射器或其他不连续内部反射器成角度地遮蔽。这导致b-scan的分辨率较差且不可靠。

28、c.处理a-scan信号的复杂分量和降低噪声的问题仍未解决。

29、d.激光源的所需数量和/或功率，以及在靠近接收emat的位置获得一定脉冲点功率，从而获得undt装置的一定分辨率所需的配置的复杂性，导致工业应用的成本过高，特别是在冶金工业中。

30、e.来自每个emat接收器的信号中的有效噪声消除仍未解决。

31、f.每个emat接收器提供的信噪比较低。

32、g.混合激光emat undt装置的分辨率和灵敏度较低。

33、因此，现有技术没有提出任何3d钢板扫描仪的工业配置，该扫描仪设计用于大截面钢板的连续c-scan 3d扫描，并用于在温度超过1000℃的钢厂中连铸期间对其表面和次表面不连续进行客观检测和表征。

技术实现思路

1、总之，本发明的一个目的是提供一种新的敏捷undt装置，包括双emat/激光脉冲矩阵阵列，用于沿着扫描线向表面控制区域执行导电金属物体的超声扫描，其中材料的表面和/或次表面不连续将被表征。

2、在其主要新颖特征中，本发明具有一种敏捷undt装置，该敏捷undt装置具有双emat/激光脉冲矩阵，与被调查的导电金属物体相结合，包括：

3、a.导电金属物体，导电金属物体具有沿着扫描线布置的其表面的控制区域；

4、b.产生脉冲激光输入光束的脉冲激光输入源；

5、c.敏捷矩阵多光束激光发射器类型的矩阵多光束激光发射器，矩阵多光束激光发射器由脉冲激光输入源供能，包括光束移动装置，并且被配置为：i)根据特定的扫描周期，周期性地并且不连续地将脉冲激光输入光束衍射成多个连续的脉冲激光输出光束，并且ii)将脉冲激光输出光束聚焦到属于表面并且位于不同脉冲单元内部和中心的多个脉冲点中，每个脉冲点在其中心填充有空间上周期性地布置的脉冲点，形成激光脉冲阵列，激光脉冲阵列定位在表面的控制区域上；

6、d.接收器组件，接收器组件由多个emat接收器类型的电磁声学换能器组成，被配置为接收超声波，几何地布置成使得：i)emat接收器几何地分布在多个传感器组中，每个传感器组由一个或多个emat接收器组成；并且ii)这些传感器组中的至少三个传感器组中的多个分别定位在emat接收器阵列的空间上周期性地布置的n个检测单元中的一个检测单元内部，emat接收器阵列具有带有n个单元的矩阵大小(n)，沿着平行于扫描线的检测线定位在表面的控制区域上；

7、除其他新颖特征外，本发明还具有以下组合特征，即敏捷矩阵多光束激光发射器和接收器组件被配置为使得：

8、a.emat接收器阵列与激光脉冲阵列平行；

9、b.激光脉冲阵列由n个脉冲单元组成，并且emat接收器阵列也由n个检测单元组成，使得两者都由相同共同数量(n)的单元组成；

10、c.emat接收器阵列的两个相邻检测单元的中心之间的距离的传感器空间周期性与激光脉冲阵列的两相邻脉冲单元的中心之间的距离的脉冲空间周期性相似；

11、d.每个脉冲单元在几何上与相邻的检测单元相关联，并且每个检测单元i)与其相关联的脉冲单元相邻、重叠或ii)至少部分地覆盖其相关联的脉冲单元。