专利名称：用于执行超声测试的方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及无损测试，更具体来说，涉及用于自动调整超声测试系统以考虑超声测试楔(ultrasonic testing wedge)中的温度变化的方法。
背景技术：
无损测试装置能够用于检验测试对象，以便在检验期间和之后识别和分析对象中的瑕疵和缺陷。无损测试允许操作人员在测试对象的表面处或者附近操纵探头，以便执行对象表面和下面的结构的测试。无损测试在某些行业会特别有用，例如航天、发电以及油和气回收及精炼，其中对象测试必须在没有从周围结构移开对象的情况下进行，并且其中能够定位通过视觉检验原本不可识别的隐藏缺陷。
无损测试的一个示例是超声测试。在进行超声测试时，超声脉冲能够从探头发射， 并且以那种特定材料的特性声速经过测试对象。给定材料的声速主要取决于材料的弹性模量、温度和密度。超声脉冲施加到测试对象则引起超声脉冲与测试对象结构之间的相互作用，其中声波反射回到探头。由探头所接收的信号的对应评估、即那些信号的幅度和飞行时间能够允许在没有对其进行破坏的情况下得出关于测试对象的内部质量的结论。
一般来说，超声测试系统包括探头，用于向测试对象发送信号和从测试对象接收信号；探头缆线，将探头连接到超声测试单元；以及屏幕或监视器，用于查看测试结果。超声测试单元能够包括电源部件；信号生成、放大和处理电子器件；以及装置控件，用于操作无损测试装置。一些超声测试单元能够连接到计算机，计算机控制系统操作以及测试结果处理和显示。电脉冲能够由发射器生成，并且能够馈送到探头，其中电脉冲能够由超声换能器变换为超声脉冲。超声换能器结合压电陶瓷，压电陶瓷能够电连接到采取超声测试单元形式的脉动接收单元(pulsing-receiving unit)。压电陶瓷表面的部分能够涂敷有金属，从而形成能够连接到超声测试单元的电极。在操作期间，将电波形脉冲施加到压电陶瓷的电极，从而引起陶瓷尺寸的机械变化并且生成声波，该声波能够被传输通过例如金属或塑料等材料(超声换能器与其耦合)。相反，当从处于检验中的材料所反射的声波接触压电陶瓷的表面时，它生成跨电极的电压差，该电压差由超声测试单元或其它信号处理电子器件作为接收信号而被检测。
由脉动单元所施加的电波形脉冲的幅度、定时和发射序列能够由结合到超声测试单元中的各种控制部件来确定。脉冲的频率范围一般在大约0. 5MHz至大约25MHz，因此将它称作超声波，设备名称得自于此。当超声脉冲经过对象时，称作回波的各种脉冲反射随脉冲与测试对象中的内部结构和测试对象的相对侧(后壁)进行相互作用而发生。回波信号能够在屏幕上显示，其中回波幅度表现为垂直轨迹，而飞行时间或距离表现为水平轨迹。通过跟踪电脉冲的传输与电信号的接收之间的时间差并且测量所接收波的幅度，能够确定材料的各种特性。因此，例如，超声测试能够用于确定材料厚度或者给定测试对象中的缺陷的存在和大小。
许多超声换能器是相控阵列，其中包括单行或多行电和声独立或隔离的换能器元件。独立换能器元件的线性阵列能够形成包括多个独立换能器元件的所谓换能器盘。在这些类型的换能器中，各换能器元件可以是分层结构，其中包括衬板(backing block)、柔性印刷电路板(“柔性电路”)、压电陶瓷层和声匹配层。这种分层结构常常称作声叠层。声叠层的各种组分能够在层叠过程中使用粘合材料(例如环氧树脂)和高压接合在一起。通常，一个或多个柔性电路能够用于实现从压电陶瓷到超声测试单元或者到最终与超声测试单元或其它信号处理电子器件连接的一束同轴电缆的电连接。
超声测试系统通常根据测试对象、测试对象材料成分以及其中执行该测试的环境来采用各种探头。例如，直射探头传输和接收与被测对象的表面垂直的声波。直射探头在测试金属片、锻件和铸件时特别有用。在另一个示例中，能够利用包含其中发射器和接收器功能彼此电和声分离的两个元件的TR探头。TR探头在检验薄测试对象和进行壁厚测量时特别有用。在又一个示例中，能够利用与材料表面成角度地传输和接收声波的斜射探头。斜射探头在测试焊接、金属片、管和锻件时特别有用。
在一些应用中，例如当测试管道焊接时，探头能够安装到楔上，楔提供探头与测试对象之间的中介物理接触。由于测试对象通常具有与楔不同的温度，所以楔的温度常常随检验进行而改变。楔的这种温度变化将误差引入超声测试过程，因为楔的温度变化改变穿过其中的声波的速度和衰减。这又能够使换能器声波错过预计感兴趣点并且产生错误结果。例如，在进行管道焊接检验时，楔温度的变化可引起超声脉冲错过已知内部焊接位置， 并且被导向管道中的另一个位置。
超声信号经过楔，并且在进入测试对象时折射。超声信号的折射角取决于斯内尔定律折射角的正弦与用于构造楔的材料中的声音速度除以测试对象的材料中的声音速度之比成正比。楔能够由具有与测试对象不同的声速的任何材料来制作，但是通常由例如普列玻璃(plexiglass)或聚苯乙烯材料等塑料来制造。这些材料中的声音速度随温度的变化而极大地改变，由此引起折射角的显著变化。只有几度的折射角的变化又能够引导超声束离开感兴趣点，从而引起错过的缺陷和错误结果。
当前，补偿楔的热变化是要求基于所测量环境条件的系统的校准的人工过程。为了校准系统，将超声测试系统从测试对象移开，并且使楔达到与测试对象相同的温度，通常在-40°c至100°C之间或更高。一旦这种情况已经发生，则具有已知缺陷的校准对象被附连和测试，并且探头的声角(sound angle)被调整，直到缺陷在其已知位置出现。为了执行这种校准，每次校准系统时，超声测试系统必须从测试对象移开并且与其重新附连。这种耗费时间和资源的校准过程必须在对实际检验目标进行数次测量之后重复进行，以便确保整个测试过程的准确结果。
此外，当前校准方式无法考虑楔中存在的温度梯度。因此，当前校准方式基于楔和测试对象的假定恒定温度，其每个的温度在给定时间点获得。实际上，楔和测试对象的温度随时间改变。另外，当前方式假定楔的温度在整个楔材料中是一致的，而实际上，它根据楔上或之内的哪一点获得温度来改变。因此，尽管尝试的校准，后续测试也可能具有某种程度的误差和不可靠性，因为换能器所发射并且引入测试对象的声束的角度或幅度可能略有歪斜，由此错过或错误表征对象中的缺陷。
有利的是提供一种设备和方法，用于自动调整换能器激发参数，以便调整楔中的温度梯度，由此减少和/或消除对耗费时间、资源密集和不可靠人工校准过程的需要。
发明内容
公开了执行超声测试的方法，包括下列步骤将超声楔放置在测试对象附近；测量测试对象的温度；测量测试对象周围的环境温度；以及至少部分根据环境温度和测试对象的温度来确定超声楔的温度梯度，其中温度梯度提供超声楔中的任何点的温度。
在本发明的一个实施例中，该方法还包括下列步骤至少部分根据给定楔材料在给定温度的已知声音速度以及温度梯度来确定超声楔的声速梯度，其中声速梯度提供超声楔中的任何点的声音速度；确定从附连到超声楔的多个超声换能器元件发出的声波到达测试对象中的感兴趣点所需的时间，其中该时间至少部分基于声速梯度；以及至少部分根据该时间按照定时序列来激发每个超声换能器元件，使得来自每个超声换能器元件的声波同时到达感兴趣点。
在本发明的另一个实施例中，该方法还包括下列步骤至少部分根据给定楔材料在给定温度的已知声音衰减以及温度梯度来确定超声楔的衰减梯度，其中衰减梯度提供超声楔中的任何点的声音的衰减；确定当从附连到超声楔的超声换能器元件发出的声波通过超声楔传播到测试对象中的感兴趣点并且通过超声楔返回到超声换能器元件时的该声波的总衰减，其中总衰减至少部分基于衰减梯度；以及至少部分根据总衰减来调整从超声换能器元件发出的声波的幅度，使得声波具有执行超声测试的充分幅度。
在本发明的又一个实施例中，该方法还包括下列步骤至少部分根据给定楔材料在给定温度的已知声音速度以及温度梯度来确定超声楔的声速梯度，其中声速梯度提供超声楔中的任何点的声速；至少部分根据声速梯度以及给定楔材料在给定温度的声音的已知声阻抗来确定超声楔的声阻抗梯度，其中声阻抗梯度提供超声楔中的任何点的声阻抗；确定当从附连到超声楔的超声换能器元件发出的声波通过超声楔传播到测试对象中的感兴趣点并且通过超声楔返回到超声换能器元件时的该声波的总声阻抗，其中总声阻抗至少部分基于声阻抗梯度；以及至少部分根据总声阻抗来调整从超声换能器元件发出的声波的幅度，使得声波具有执行超声测试的充分幅度。
图1是超声测试系统的框图。
图2是组成自动楔温度校正过程的步骤的框图。
图3是示出超声楔中的温度梯度的示范超声楔的透视图。
图4是示出作为给定材料的温度的函数的声速的示范图表。
图5是示出作为给定材料的温度的函数的声音衰减的示范图表。
图6是示出作为超声楔中的温度梯度的结果的超声楔中的声速的变化的示范图表。
图7是示出作为超声楔中的温度梯度的结果的超声楔内部的声音的入射角的变化的示范图表。
图8是具有用于换能器之一的示范声音路径的超声换能器阵列、超声楔和测试对象组合的框图。
图9是具有绘制到其上的来自超声换能器的示范声音路径的平面χ-y坐标系。
具体实施例方式图1是与包含感兴趣点550的测试对象500结合的超声测试系统100的框图。在一个实施例中，超声测试系统100能够包括超声楔120，超声楔120能够附连到探头110。探头110能够包括各种超声传输和接收部件、如超声换能器阵列130，并且能够为将要附连到超声楔120的换能器阵列提供支承结构。超声楔120能够由具有与测试件不同的声速的任何材料来制作，但是通常由声音在给定温度以已知速度穿过其中的例如普列玻璃或聚苯乙烯材料等塑料来制作。超声楔120能够提供超声换能器阵列130与测试对象500之间的物理连接，并且能够起作用以减少非预计噪声进入超声测试过程。超声换能器阵列130能够由一个或多个超声换能器元件135组成。能够控制单独超声换能器元件135的幅度和激发序列，以便调整发送到测试对象500中的超声束的角度和穿透强度。探头缆线185能够将探头110连接到超声测试单元170。超声测试单元170能够包括电源以及电信号生成和处理电子器件。超声脉冲发生器和接收器电子器件能够发射和接收超声信号。所接收信号通常通过某种类型的模数转换来处理，此后将它们作为A-scan来显示，其中幅度在y轴以及飞行时间在χ轴。这些数字信号形成可能异常的标识，通常存储在存储器中，并且经过后处理以提供附加视图，供操作人员协助确定异常是否确实为缺陷。一个或多个微处理器165 能够提供对整个过程的控制。
超声测试单元170能够通过脐带180电连接到计算机160。计算机160能够包括 电源162 ；微处理器165，用于运行系统软件和控制系统操作；存储器164 ；输入/输出控制器，用于管理其它部件之中发送给超声测试单元170从其中发送的数据、键盘(未示出)、操纵杆或鼠标(未示出)、打印机(未示出)；以及各种其它外设(未示出)。计算机160还能够包括监视器161，用于查看系统操作和检验结果。
环境温度传感器140和目标温度传感器150能够连接到超声测试单元170。目标温度传感器150能够定位成使得它与检验中的测试对象500的表面直接接触，作为超声楔 120的组成部分或者如图1所示作为安装到测试对象500的单独传感器。目标温度传感器 150能够通过传感器缆线155与超声测试单元170进行电通信。在其它实施例中，图1所示附连到超声楔120的上部的环境温度传感器140能够定位在任何位置，使得它能够准确测量测试对象500周围的环境空气的温度，而没有使那个测量受到极接近的热或冷测试对象500干扰。环境温度传感器140能够通过传感器缆线145与超声测试单元170进行电通信。在一个实施例中，例如热电偶、热敏电阻器、电阻温度检测器(RTD)或者这些元件的任何组合等市场销售的温度传感器能够用于进行环境和测试对象温度测量。环境温度传感器 140和目标温度传感器150能够通过超声测试单元170中的电连接以及到计算机160的脐带180与微处理器165进行通信。
图2是示出一个实施例中包括图1所示超声测试系统100的自动楔温度校正过程 200的步骤序列的框图。组成自动楔温度校正过程200的每个步骤能够由运行于超声测试系统100中的微处理器165的软件来控制。软件能够控制系统数据和关联计算的操纵以及系统参数的修改以调整超声测试系统100的操作，具体来说是超声换能器阵列130中的超声换能器元件135的激发序列和幅度。
在步骤205，来自环境温度传感器140和目标温度传感器150的温度读数能够输入到微处理器165，其中读数能够用于在步骤210确定超声楔120的温度梯度。图3示出示范超声楔120，其上重叠了在超声楔120放置在100°C测试对象500之上20分钟时的那个超声楔120中的温度梯度的数值模型。例如，楔层121，即超声楔120离测试对象500最远的部分能够处于30°C的温度，楔层122能够处于50°C的温度，楔层123能够处于70°C的温度，楔层1 能够处于90°C的温度，以及楔层125，即最接近测试对象500的超声楔120的部分能够处于100°C的温度。使用下式(1)，超声楔120的温度梯度能够通过计算在超声楔 120内的任何给定位置的超声楔120的温度来确定
权利要求
1.一种执行超声测试的方法，包括下列步骤 将超声楔放置在测试对象附近；测量所述测试对象的温度； 测量所述测试对象周围的环境温度；至少部分根据所述环境温度和所述测试对象的所述温度来确定所述超声楔的温度梯度，其中所述温度梯度提供所述超声楔中的任何点的温度；至少部分根据所述温度梯度和给定温度下的给定楔材料的已知声速来确定所述超声楔的声速梯度，其中所述声速梯度提供所述超声楔中的任何点的声速；确定从附连到所述超声楔的多个超声换能器元件发出的声波到达所述测试对象中的感兴趣点所需的时间，其中所述时间至少部分基于所述声速梯度；以及至少部分根据所述时间按照定时序列来激发所述超声换能器元件的每个，使得来自所述超声换能器元件的每个的声波同时到达所述感兴趣点。
2.如权利要求1所述的执行超声测试的方法，其中，所述超声楔的所述温度梯度使用下式来确定，其中Tn(X)是在第η层中沿所述超声楔的长度的位置χ的温度，Ts是在对象表面的测试对象温度，T00是环境温度，erf是误差函数，erfc是互补误差函数，Xn是第η层中的所述超声楔高度上的位置，t是时间，以及Cin(T)是作为温度的函数的第η层中的热扩散率。
3.一种执行超声测试的方法，包括下列步骤 将超声楔放置在测试对象附近；测量所述测试对象的温度； 测量所述测试对象周围的环境温度；至少部分根据所述环境温度和所述测试对象的所述温度来确定所述超声楔的温度梯度，其中所述温度梯度提供所述超声楔中的任何点的温度；至少部分根据所述温度梯度和给定温度下的给定楔材料的已知声音衰减来确定所述超声楔的衰减梯度，其中所述衰减梯度提供所述超声楔中的任何点的声音衰减；确定当从附连到所述超声楔的超声换能器元件发出的声波通过所述超声楔传播到所述测试对象中的感兴趣点并且通过所述超声楔返回到所述超声换能器元件时的所述声波的总衰减，其中所述总衰减至少部分基于所述衰减梯度；以及至少部分根据所述总衰减来调整从所述超声换能器元件发出的所述声波的幅度，使得所述声波具有执行所述超声测试的充分幅度。
4.一种执行超声测试的方法，包括下列步骤 将超声楔放置在测试对象附近；测量所述测试对象的温度； 测量所述测试对象周围的环境温度；至少部分根据所述环境温度和所述测试对象的所述温度来确定所述超声楔的温度梯
度，其中所述温度梯度提供所述超声楔中的任何点的温度；至少部分根据所述温度梯度和给定温度下的给定楔材料的已知声速来确定所述超声楔的声速梯度，其中所述声速梯度提供所述超声楔中的任何点的声速；至少部分根据所述声速梯度和给定温度下的给定楔材料的已知声阻抗来确定所述超声楔的声阻抗梯度，其中所述声阻抗梯度提供所述超声楔中的任何点的声阻抗；确定当从附连到所述超声楔的超声换能器元件发出的声波通过所述超声楔传播到所述测试对象中的感兴趣点并且通过所述超声楔返回到所述超声换能器元件时的所述声波的总声阻抗，其中所述总声阻抗至少部分基于所述声阻抗梯度；以及至少部分根据所述总声阻抗来调整从所述超声换能器元件发出的所述声波的幅度，使得所述声波具有执行所述超声测试的充分幅度。
5.如权利要求4所述的执行超声测试的方法，其中，所述超声楔的所述声阻抗梯度使用公式=ρη(Τ)νη(Τ)来确定，其中是第η层的声阻抗，队⑴是第η层的密度， 以及Vn(T)是第η层中的声速。
6.如权利要求4所述的执行超声测试的方法，其中，确定所述总声阻抗的步骤包括至少部分根据所述声阻抗梯度来确定所述超声楔的传输系数梯度的步骤，其中所述传输系数梯度提供所述超声楔中的不同层之间的传输系数。
7.如权利要求6所述的执行超声测试的方法，其中，所述超声楔的所述传输系数梯度使用公式
来确定，其中
dn是第η层的厚度，vn是第η层中的 声速，4是探头的频率，αn是第n层的入射角
是第n层的输入阻抗，以及
是层η与η+1之间的声音幅度之比。
8.如权利要求4所述的执行超声测试的方法，其中，确定所述总声阻抗的步骤包括至少部分根据所述声阻抗梯度来确定所述超声楔的反射系数梯度的步骤，其中所述反射系数梯度提供所述超声楔中的不同层之间的反射系数。
9.如权利要求8所述的执行超声测试的方法，其中，所述超声楔的所述反射系数梯度使用公式
来确定，其中
dn是第η层的厚度，νη是第η层中的 声速，fn是探头的频率，α n是第n层的入射角，
是第η层的输入阻抗，以及
是层η与η+1之间的传输和反射的声音幅度之比。
全文摘要
公开执行超声测试的方法，包括确定超声楔的温度梯度的步骤。在本发明的一个实施例中，该方法还包括下列步骤确定超声楔的声速梯度，以便确定从附连到超声楔的多个超声换能器元件发出的声波到达测试对象中的感兴趣点所需的时间；以及根据该时间按照定时序列来激发每个超声换能器元件，使得来自每个超声换能器元件的声波同时到达感兴趣点。在本发明的其它实施例中，确定传播通过超声楔的声波的总衰减和声阻抗，以便调整声波的幅度，使得声波具有执行超声测试的充分幅度。
文档编号G01N29/24GK102187214SQ200980142411
公开日2011年9月14日 申请日期2009年7月14日 优先权日2008年8月19日
发明者A·德赛 申请人:通用电气检查技术有限合伙人公司