专利名称：利用多频相位分析的检查方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及检查技术，更具体地说，涉及利用多频相位分析涡流技术进行次表面缺陷检查的方法和系统。
背景技术：
已提出许多不同的非破坏性检查技术，例如超声测试(UT)、涡流检查技术、以及表面声波技术。示范性的涡流检查技术包括脉冲涡流技术和多频涡流技术。涡流技术用以检测材料表面的异常以及检测材料表面深部的异常。涡流检查技术也用于检查涂涂层材料。
需要利用非破坏性技术例如涡流技术来检查锻件。如本专业的技术人员所知，超声测试(UT)利用脉冲回波方法检测锻造材料中的缺陷。但即使使用特殊的探头和脉冲发生仪器，UT技术一般不能检测在被检查部件材料表面附近大约或小于1.5mm的区域中的缺陷。这个区域通常称为”UT盲区”。
为了克服UT检查的缺点并增加制造过程的灵活性，将0.050英寸(或大约1.27mm)的材料加到最终的部件结构上。但添加所述材料一般会因材料浪费和生产时间而增加制造成本。
另一方面，涡流检查技术能够检查表面和近表面缺陷，因为电磁能量集中在表面上很浅的区域中。但是，对于表面下的小缺陷，这些技术由于”电磁集肤效应”而通常呈现较差的信噪比(SNR)，这种效应限制涡流穿透到被测试材料内。脉冲涡流技术涉及在宽频谱上的涡流响应。但是，脉冲涡流技术通常需要复杂的信号处理新设备，以及高速数据获取和处理系统。
多频涡流技术将电磁能量集中在很少的频率上并利用锁定放大器产生很好的信噪比。所以，需要一种在被检查部件的较深位置中能提高信噪比并可改进近表面检测的次表面涡流多频检查技术。
说明内容本发明的实施例解决了这个和其它需要。在一个实施例中，提供一种检查部件的方法。所述方法包括将多个多频激励信号加到探头上以便产生用于被检查部件的多个多频响应信号。所述方法还包括对多频响应信号进行相位分析，以便检查部件的次表面。
在第二实施例中，提供利用涡流进行次表面缺陷检查的方法。所述方法包括将多个多频信号加到涡流探头上，并由所述多频信号产生多个多频响应信号。所述各多频响应信号被包括在多频响应数据集中。所述方法还包括识别包括至少两个频率响应信号的参考数据集。参考数据集是多频响应数据集的子集，并且所述至少两个频率响应信号包括截然不同的频率范围。于是，所述方法还包括混合所述至少两个频率响应信号，以便确定许多处理参数并将所述各处理参数加到多频响应信号数据集上，以便产生静噪滤波数据集。所述方法还包括对静噪滤波数据集进行相位分析。
在第三实施例中，提供一种检查系统。所述系统包括涡流探头、涡流测量仪器和处理器。将涡流探头配置成在部件中感生涡流，用于对部件进行检查。涡流测量仪器连接到涡流探头上，将涡流测量仪器配置成将多个多频激励信号加到涡流探头上，以产生多个多频响应信号。将处理器配置成通过进行相位分析来分析来自涡流测量仪器的多频响应信号，以检查部件的次表面。
参阅附图阅读以下详细说明后，就可更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在所有附图中相同的字符代表相同的部件，附图中图1是按照本发明的用于进行次表面缺陷检查的示范性检查系统的图解说明；图2是通过探头利用涡流穿过示范性检查部件的涂层表面的的检查过程的图解说明；图3是将多频激励信号加到探头上以便对示范性检查部件进行检查的图解说明；图4是照本发明的用于利用多频相位分析进行涡流次表面缺陷检查的包括示范性逻辑的示范性流程图的图解说明；图5是包括代表次表面缺陷的多个孔洞的示范性检查部件的图解说明；图6描绘在图5所示的示范性检查部件上施加单频涡流所产生的图像；图7描绘对图5所示的示范性检查部件应用多频相位分析所产生的图像；图8是利用多频相位分析对示范性检查部件上次表面裂缝的检测过程的图解说明。
元件表10检查系统；12涡流探头；14涡流测量仪器；15电缆；16处理器18检查部件；20扫描器；22金属涂层；24衬底材料；26缺陷；30检查部件；32上板；34基板；36平底孔；38图像；39图像；40图像；41图像；42图像；43图像；44图像；45图像；46图像；47示范性检查部件；48图像；49图像具体实施方式
图1是按照本发明的用于进行次表面缺陷检查的示范性检查系统的图解说明。如图1所示，检查系统10包括涡流探头12、涡流测量仪器14和处理器16。涡流探头12配置成在检查部件18中感生涡流，以便对部件18进行检查。探头12可以具有任何传统配置，并通过电缆15适当地连接到涡流测量仪器14上，以传统方式进行涡流检查。按照此实施例，涡流测量仪器配置成将多频激励信号加到涡流探头12上，以产生多个多频响应信号。
在某些实施例中，可以使对检查部件18的涡流检查自动化，方法是将检查部件18和涡流探头12安装在多坐标计算机数控扫描仪20上。扫描仪20通常可以配置成使探头12沿三个轴X、Y、Z作三正交平移轴向移动，并根据特定检查部件18的需要围绕三平移轴之一(或多个)作旋转运动。因此，探头可以相对于检查部件18精确定位，并按照扫描仪20中传统编程的软件以全部所需自由度向前移动。扫描仪20也可以由外部处理单元例如处理器16进行控制。
处理器16配置成分析来自涡流测量仪器14的多频响应信号。按照此技术的具体实施例，以下将作更详细的说明，处理器配置成进行多频相位分析，以检测检查部件18中的次表面缺陷。具体地说，将处理器配置成识别包括至少两个频率响应信号的参考数据集，参考数据集由多频响应数据集形成。在特定实施例中，所述两个频率响应信号包括截然不同的频率范围。处理器16还配置成混合这两个频率响应信号以便确定多个处理参数，将处理参数应用到整个多频响应信号数据集，以便产生静噪滤波数据集，并对静噪滤波数据集进行相位分析。
图2是示范性涂层部件的涡流检查过程的图解说明。参阅图2，探头1 2位于检查部件18之上。检查部件18包括在衬底材料24上形成的金属涂层22(或其它导电涂层)。衬底材料例如可以包括镍基合金或其它导电金属。标号26代表位于金属涂层22下面的缺陷。缺陷26可以代表检查部件18中因疲劳或腐蚀而引起的裂缝、空隙或脱焊，这些缺陷导致金属涂层22中或检查部件18的基底材料中可以检测到的改变。如本专业的技术人员所理解的，涡流技术是基于电磁感应原理。当探头移动到被测试材料附近时，在涡流探头线圈中形成的交变磁场就在被检查材料中感应出涡流。检查部件中存在有不连续处或裂缝，就会引起涡流流量的变化。这种改变的涡流产生次级磁场，所述次级磁场由涡流探头线圈或涡流探头中其它类型的传感器接收，所述线圈或传感器将此改变的次级磁场测量值改变为电输出，此电输出随后可以被记录在带形记录纸上。如果电信号超过预定电压阈值，就可指示有缺陷或缺陷。涡流测量仪器操作员可从记录在带形记录纸上或系统输出装置上的信号推断缺陷的大小。
图3是将多频激励信号加到探头上以便对示范性检查部件进行检查的图解说明。虽然图3使用了两个涡流频率，但本发明同样适用于其它多频组合。参阅图3，f1和f2代表两个涡流频率，用于对检查部件18进行双频涡流检查。检查部件18还包括缺陷或裂缝26。按照本技术的实施例，在检查部件上施加多频涡流，导致对不同频率产生不同幅度和相位的涡流响应。多频涡流提供的附加信息和相位信息一起用来减少不需要的信号，提高所需的信噪比，并提供附加的鉴别力，以减少错误的判定，其方式在以下详述。
图4是按照本技术的用于利用多频相位分析进行涡流次表面缺陷检查的包括示范性逻辑的示范性流程图。在步骤50，将多频激励信号加到涡流探头上，在检查部件中感生涡流。在步骤52，产生多频响应信号。可以根据待消除的不希望有的噪声特征的数目来选择产生多频响应信号所需的频率数目。在本发明的特定实施例中，所选的频率数目大于待消除的不希望有的噪声特征数目，这是假定被测试样品中的缺陷或待抑制的非相关指示在不同频率的涡流信号中不会引起相同的相位和幅度改变，或者，在相位角旋转后在不同频率的X-Y图中的涡流探头响应不是共线的。在一个实施例中，所产生的多频响应信号被包括在多频响应数据集中。在本文中所用的”多频响应数据集”是指以下数据集它包括在将多频激励信号加到涡流探头上之后，由于检查部件中感生的涡流而产生的整个响应信号集。
在步骤54，从多频数据集中识别参考数据集。按照此实施例，参考数据集是指相对来说没有缺陷但受不希望有的噪声特征支配的数据集。而且，按照此实施例，此参考数据集包括至少两个频率响应信号，且这两个频率响应信号包括截然不同的频率范围。两个频率响应信号可以表示如下f1:x→1(t)=Xd(t)∠θd(t)+Xn(t)∠θn(t)---(1)]]>f2:x→2(t)=kd(t)Xd(t)∠(θd(t)+Δθd(t))+kn(t)Xn(t)∠(θn(t)+Δθn(t))---(2)]]>式中f1和f2代表用于双频涡流检查的两个示范性涡流频率，x1(t)和x2(t)在位置(或时间)t时对应于频率f1和f2的涡流响应信号，Xd(t)代表响应信号中缺陷的幅度，Xn(t)代表响应信号中不希望有的噪声特征幅度，kd(t)代表反映响应信号中幅度变化的系数，kn(t)代表反映响应信号中噪声变化的系数，∠θd(t)代表响应信号中缺陷的相位角，∠θn(t)代表响应信号中不希望有的噪声特征的相位角，Δθd(t)代表响应信号中缺陷的相位变化，Δθn(t)代表响应信号中不希望有的噪声特征的相位变化。在一个实施例中，将两个频率f1和f2选择为使(Δθd(t)-Δθn(t))在大约135°到约225°的范围内。在特定实施例中，将两个频率f1和f2选择为使(Δθd(t)-Δθn(t))＝180°。此外，对应于多频激励信号的频率范围f1和f2的选择也可以基于在检查部件18中所需的表层穿透。
在步骤56，将方程(1)和(2)中所示的两个频率信号混合，以便确定一组处理参数。在一个实施例中，处理参数对应于系数kd(t)和kn(t)。如本专业的技术人员所理解的，每个频率响应信号x1(t)和x2(t)包括实数部分和虚数部分。在一个实施例中，混合这两个频率响应信号包括最初旋转所述频率响应信号之一的相位，并对所述频率响应信号之一的实数部分和虚数部分进行按比例缩放。如以下方程(3)所示，将响应矢量x2(t)旋转Δθn(t)，得到x2’(t)。
f2:x→2'(t)=kd(t)Xd(t)∠(θd(t)+Δθd(t))-Δθn(t))+kn(t)Xn(t)∠θn(t)---(3)]]>
当Δθd(t)＝Δθn(t)＝θ(t)且kd(t)＝kn(t)＝k(t)时，x2(t)成为具有相位旋转的k(t)x1(t)，这种情况代表”共线性”，亦即在相位角旋转后在不同频率的X-Y图中涡流响应是共线的。在一些实施例中，也可以对至少一个频率响应信号执行时移操作。
通过从旋转和定标的第二频率响应信号中减去第一频率响应信号，得到如方程(4)所示的混合频率响应信号。如下所示，在两侧按照系数1/kn(t)将旋转的第二频率响应信号 定标，并从中减去频率响应信号x1(t)，得到混合信号 混合f1和f2x→12(t)=x→2,(t)/kn(t)-x→1(t)]]>=kd(t)kn(t)Xd(t)∠(θd(t)+Δθd(t))-Δθn(t))-xd(t)∠θd(t)---(4)]]>可以看出，利用旋转和定标操作，方程(4)中的噪声系数在多频混合操作后被消除。旋转和定标操作的结果是，基于处理参数产生静噪滤波信号。一般来说，这个过程在混合操作后减小了两个频率响应信号中代表不希望有的噪声特征的残差。
在步骤58，将在步骤56中获得的处理参数应用于由方程(4)所产生的整个多频响应信号数据集，以产生静噪滤波数据集。如本专业的技术人员所理解的，结果静噪滤波数据集包括实数部分和虚数部分，具有改进的信噪比。
在步骤60，从静噪滤波数据集产生幅度信息和相位信息。而且在此步骤中，对静噪滤波数据集进行相位分析，其中对水平部分加偏置，以抑制噪声灵敏度。从相位分析中得到的数据含有与缺陷相关的信息，并提供附加的鉴别力，以减少错误的判定。如本专业的技术人员所理解的，当相位变化不同(Δθd(t)≠Δθn(t))且幅度变化不同(kd(t)≠kn(t))时，混合信号x12(t)代表缺陷信号，但不希望有的噪声特征已消除。按照一个实施例，相位θ(t)及其随频率的旋转Δθ(t)是在缺陷上扫描时探头位置的函数。结果，在多频混合后，方程(1)和(2)中噪声项之间的残差已显著减小，但在不同位置或时间(t)不一定是零，所以混合信号保留所需的缺陷信号并提供改进的信噪比。
利用按照本发明开发的多频相位分析技术进行次表面或盲区缺陷检查的技术提高了信噪比并改进了待检查部件中较深位置上的近表面检测。此外，上述技术可以用于各种应用，包括(但不限于)检测焊接处的缺陷，这种缺陷可以出现在在焊接处的整个厚度上，或者，进行涂层金属部件的检查，例如具有耐磨损涂层的密封齿形插口，此时部件的检查需在不去除导电涂层的情况下进行。上述技术还可用于测量钢坯盲区中的缺陷，此时盲区在0-0.0060英寸(或大约0-0.1524mm)范围内。
如本专业的技术人员所理解的，上述图示和说明的实施例和应用通常包括已编程计算机或硬件电子线路中的适用的可执行代码，或由上述可执行代码实施。这种编程包括对实施逻辑功能的可执行指令进行列表。这种列表可以用任何计算机可读介质来实施，供能够检索、处理和执行这些指令的基于计算机的系统使用，或和这种系统结合使用。
在本技术的上下文中，计算机可读介质是能够包含、存储、通信、传播、发送或传送这些指令的任何装置。计算机可读介质可以是电子的、磁的、电磁的、或红外的系统、装置或器件。说明性但非排他性的计算机可读介质列表可以包括一条或多条导线的电连接(电子的)、便携式计算机软盘(磁的)、随机存取存储器(RAM)(磁的)、只读存储器(ROM)(磁的)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)(磁的)、光纤(光学的)、以及便携式光盘只读存储器(CDROM)(光学的)。应当指出，计算机可读介质可以包括能将指令打印其上的纸张或其他适合的介质。例如，指令可通过光学扫描纸张或其它介质被电子捕获，然后必要时以适当方式进行编译、解释或其它处理，然后存储在计算机的存储器中。
对在本文中公开的利用多频相位分析技术进行次表面或盲区缺陷检查的技术，在以下非限制性实例中作进一步的说明。
实例如上所述，将多频相位分析技术用于检测示范性检查部件上的次表面缺陷。图5是包含代表次表面缺陷的许多孔洞的示范性检查部件的图解说明。检查部件30制造在钛6-4材料上并包括厚度为T的上板32和0.2”的基板34。将直径为1/64”，1.5/64”，2/64”，3/64”，4/64”的三行重复的平底孔36引入到上板32的底部，它们之间的间隔为半英寸。平底孔的高度为0.040”。上板厚度T为0.050”到0.10”，平底孔36位于上板32的上表面下0.010”到0.060”处。
图6示出在图5所示的示范性检查部件上施加单频涡流所产生的图像。单频涡流检查最初是利用超声检查基准进行的。观察到10MHz的传统超声对于0.060”或更深的所有大小的平底孔都具有很好的检测能力(示于图像39)。而对于0.010”深的平底孔，与在1MHz的涡流检查相比(示于图像40)，用超声来检查缺陷则表明不适当(示于图像38)。利用绝对探头的涡流检查仅可以检测出深度为0.050”处的0.023”的平底孔，甚至利用5mm的探头直径(示于图像41)。如本专业的技术人员所理解的，次表面缺陷的检测可以基于许多因素，例如加到检查部件上的特定频率范围、探头大小以及探头灵敏度。较低的频率和较大的探头通常能够在待检查部件中有更深的穿透。较高的频率产生较好的涡流灵敏度，而较低的频率产生较低的涡流响应。而且，探头的大小对灵敏度和分辨率也有影响。
图7示出在图5所示的示范性检查部件上应用多频相位分析所产生的图像。利用直径为5mm的探头对待检查部件进行多频涡流评估。使用500kHz和200kHz的频率对检查部件做了实验。基于检查部件的导电性质，在500kHz和200kHz时的相应表层深度大约分别为0.036”和0.058”，它们覆盖了盲区深度0∽0.050”的范围。对于深度在0.050”的缺陷，可以计算出这两个频率响应之间的相位差约为189度，它证实了上述准则，即Δθd(t)-Δθn(t)在从135°到225°的范围内。所述准则使方程(4)中的混合信号最大化。对于50密耳区域中的其它噪声特征，在较接近表面的位置中相位差较小，检测的能力开始相对地受到抑制。还可以观察到，与以单频(200kHz(示于图像42)或500kHz(示于图像43))运行的图像相比，多频实数成分图像44和虚数成分图像45中的信噪比都有改进。在图7所示的MFPA相位图像46中信噪比有改进，因为在用多频混合对实数和虚数成分降噪后获得了进一步的相位鉴别力，这与用单频涡流200kHz和500kHz所产生的相位图像42和43形成对照，如图7所示。还观察到，在50密耳的深度，500kHz涡流对那些平底孔具有较差的灵敏度。还观察到，在50密耳的深度，用200kHz的频率时较深的穿透可以比在500kHz时得出更好的检测结果。从图7可以观察到，按照本发明开发的多频相位分析技术降低了由于材料改变引起的整体噪声和其它噪声。在图7中还观察到，利用多频相位分析技术，可以检测到50密耳深度下面的最小0.016”的平底孔。
图8是利用多频相位分析对示范性检查部件中次表面裂缝的检测过程的图解说明。标号47表示示范性检查部件。标号48表示在检查部件47上施加单频涡流所产生的图像。标号49表示在检查部件47上应用多频相位分析所产生的图像。可以看出，与单频涡流图像48相比，MFPA图像49中的信噪比有改进。
虽然本文中仅对本发明的某些特征作了图示和说明，但是本专业的技术人员可以想出许多修改和变化。因此，应理解所附权利要求书用来覆盖属于本发明真实精神范围内的所有这些修改和变化。
权利要求
1.一种用于检查部件(18)的方法，所述方法包括将多个多频激励信号加到探头(12)上，以便产生用于被检查部件(18)的多个多频响应信号；以及对所述多个多频响应信号进行多频相位分析以便检查所述部件(18)的次表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中包括这样选择用于多频信号的多个频率，使得Δθd(t)-Δθn(t)在从大约135°到大约225°的范围内，式中Δθd(t)是缺陷响应的相位变化，而Δθn(t)是噪声特征的相位变化。
3.如权利要求1所述的方法，其中进行所述多频相位分析的步骤包括识别参考数据集，其中所述参考数据集包括至少两个频率响应信号，并且其中所述至少两个频率响应信号包括截然不同的频率范围；混合所述至少两个频率响应信号，以便确定多个处理参数；以及将所述处理参数加到多频响应信号数据集，以产生静噪滤波数据集。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述频率响应信号中的每一个包括实数部分和虚数部分，并且其中混合所述至少两个频率响应信号的步骤包括旋转至少一个频率响应信号的相位。
5.如权利要求4所述的方法，其中还包括定标至少一个频率响应信号的所述实数部分和虚数部分并且对所述频率响应信号中的至少一个进行时移操作。
6.如权利要求4所述的方法，其中还包括将对应于所述处理参数的残差减至最小，其中所述残差代表在所述至少两个频率响应信号中的不需要的噪声特征。
7.如权利要求4所述的方法，其中混合所述至少两个频率响应信号的步骤包括从旋转和定标的第二频率响应信号中减去第一频率响应信号。
8.如权利要求3所述的方法，其中还包括对静噪滤波数据集进行相位分析，其中所述相位分析包括获得与所述静噪滤波数据集相关联的相位信息和幅度信息。
9.一种利用涡流进行次表面缺陷检查的方法，所述方法包括将多个多频信号加到涡流探头(12)上；从所述多个多频信号产生多个多频响应信号，其中所述多个多频响应信号被包括在多频响应数据集中；识别包括至少两个频率响应信号的无缺陷参考数据集，其中所述无缺陷参考数据集是所述多频响应数据集的子集，并且其中所述至少两个频率信号包括截然不同的频率范围；混合所述至少两个频率响应信号，以便确定多个处理参数；将所述多个处理参数加到所述多频响应信号数据集，以便产生静噪滤波数据集；以及对所述静噪滤波数据集进行相位分析。
10.一种检查系统(10)，它包括涡流探头(12)，它配置成在部件中感生涡流，以便进行对所述部件(18)的检查；涡流测量仪器(14)，它连接到所述涡流探头(12)，其中所述涡流测量仪器(14)配置成将多个多频激励信号加到所述涡流探头(12)上，以便产生多个多频响应信号；以及处理器(16)，它配置成通过进行相位分析来分析来自所述涡流测量仪器(14)的所述多频响应信号，以便检查所述部件(18)的次表面，其中所述处理器还配置成识别参考数据集，其中所述参考数据集包括至少两个频率响应信号，并且其中所述至少两个频率响应信号包括截然不同的频率范围；混合所述至少两个频率响应信号，以便确定多个处理参数；以及将所述多个处理参数加到多频响应信号数据集上，以便产生静噪滤波数据集。
全文摘要
提供检查部件的方法。所述方法包括将多个多频激励信号加到探头(12)上，产生用于被检查部件(18)的多个多频响应信号。所述方法还包括对多频响应信号进行多频相位分析，以便检查部件(18)的次表面。提供一种检查系统(10)，它包括配置成在部件(18)中感生涡流的涡流(EC)探头(12)。系统(10)还包括连接到EC探头(12)上并配置成将多频激励信号加到EC探头(12)上以产生多频响应信号的涡流测量仪器(14)。系统(10)还包括处理器(16)，处理器(16)配置成通过进行多频相位分析来分析来自涡流测量仪器(14)的多频响应信号，以便检查部件(18)的次表面。
文档编号G06F17/00GK1841060SQ20061005956
公开日2006年10月4日 申请日期2006年3月9日 优先权日2005年3月9日
发明者C·王, W·S·麦奈伊特, U·苏哈, S·厄特金 申请人:通用电气公司