專利名稱：用于陶瓷蜂窩式結構的超聲測試方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及用于檢測陶瓷蜂窩式結構中的內部不連續性的方法，具體來 講，涉及一種超聲測試方法和設備，其能快速且有效地確定這種結構內是否存在內 部不連續性。
背景技術：
陶瓷蜂窩式結構被用于車輛排氣系統，以減少污染物。這種結構一般包括網 狀的互連網壁，這些壁構成了細長的導氣單元的矩陣，這些單元可以是例如方形、 八邊形或六邊形的。網狀的網壁最好由圓柱形外皮包圍著，該外皮一體地連接到這 些網壁的外邊緣，以形成罐形結構或橢圓形結構，這樣的結構具有相對的入口和出 口，以便通過這些單元的矩陣接收廢氣并且排出廢氣。
這種陶瓷蜂窩式結構可被用作柴油動力汽車或其它裝備的排氣系統中的粒子 過濾器或汽車的催化轉化器。當被用作粒子過濾器時，最好以"棋盤"方式塞緊這種 結構的入口端和出口端上的單元的開口端，使得進入該結構的入口端的廢氣必須穿 過多孔的陶瓷網壁，才能允許它們從該結構的出口端的單元的開口中排出。當被用 作催化轉化器時，這些單元保持未塞緊的狀態，使得廢氣可以直接流過這些單元， 并且這些單元壁都涂有貴金屬催化劑，其中包含例如鉑、銠、或鈀。在這些網壁達
到起燃(light-off)溫度之后，網壁上所浸漬的催化劑會使C02氧化，并且使NOx 分離成N2和02。陶瓷蜂窩式結構的這兩種應用對于減少污染物而言都是重要的， 否則這些污染物就被排放到環境中了 。
這種陶瓷結構最好是這樣形成的通過一模具，擠出堇青石、莫來石、碳化 硅、或鈦酸鋁的膏狀陶瓷前體，以同時形成網狀的網壁以及一體連接的外皮。所得 擠出的生坯陶瓷體被切割、干燥且被移到爐子中，該爐子將生坯陶瓷體轉換成燒過 的陶瓷體。接下來，按上述圖案塞緊燒過的陶瓷體以形成柴油機粒子過濾器，或者 對其進行催化劑洗滌涂敷以使貫流(flow-through)單元的壁浸漬了催化劑。不幸的是，在擠出、處理和燒制的過程中，陶瓷基板之內可能會出現內部損 壞，這會有損陶瓷體除去來自汽車排氣系統(該陶瓷體最終就被安裝在該系統中) 中的污染物的性能。這種損壞可能包括沿該結構旋轉軸取向的裂紋；以及與該軸
橫向相交的裂紋，在下文中被稱為軸向裂紋和"環向(ring-off)"裂紋。在該結構的
網狀網壁與外皮之間的局部分離，會使其它損壞顯現出來。最終，在該結構表面上 可能出現外部細線裂紋或其它有損強度的劃痕和變形。
在現有技術中，已知有若干種用于測試各種制造部件有沒有不連續性的方法。
這些方法包括X射線檢測和CT掃描。然而，這種X射線檢測對蜂窩式陶瓷結構 內部可能存在的內部裂紋不敏感，除非該缺陷大于某一尺寸。即使當該缺陷足夠大 到能夠被檢測時，也必須仔細地檢查該X射線圖像的精細細節，才能區分這種缺 陷。完整地檢査一個蜂窩式結構可能會花幾個小時，這對于實際制造工藝而言太長 了。與X射線檢查的原理相同的其它技術(比如X射線分層攝影法和層析成像術) 也都具有相同的缺點，它們需要長得多的時間和多得多的努力，從而不能在適合實 際制造工藝的時幀內有效且可靠地檢測到裂紋和其它不連續性。
很明顯，需要一種用于檢測陶瓷蜂窩式結構的方法，它能夠快速且可靠地檢 測有沒有軸向裂紋或"環向"裂紋等不連續性、外皮分離、外部細線裂紋、或其它變 形或故障，這些缺陷可能嚴重有損陶瓷結構在排氣系統中的作用。理想情況下，這 種方法是快速的、非入侵式的，且能夠很好地納入標準制造工藝中。最終，期望這 種方法適用于生坯陶瓷結構或燒制的陶瓷結構，使得使用該檢測方法時可不再需要 燒制有缺陷的生坯陶瓷體，并且對完成的、燒制的成品進行最終的檢查。
發明內容
一般說來，本發明是一種用于檢測經燒制或生坯陶瓷蜂窩式結構中的不連續 性或非均勻性的方法，該方法能避免或至少改善與現有技術的測試方法相關聯的所
有缺陷。為此，該方法包括如下步驟將超聲發射器置于蜂窩式結構上的第一外 部位置附近；將超聲接收器置于蜂窩式結構上的第二外部位置附近；驅動發射器 以產生超聲波，該超聲波傳導穿過蜂窩式結構的內部；在接收器處接收穿過蜂窩 式結構傳導過來的超聲波；然后基于該超聲波產生一響應信號。接下來，除去出現在響應信號中的噪聲以產生經過濾的響應信號，對其進行分析以確定是否存在內部 不連續性或非均勻性。
較佳地，驅動發射器以產生小于約5MHZ的超聲波，使得傳導穿過蜂窩式結
構的超聲波具有相對較高的信噪比。更佳地，發射器產生介于約150和700kHz之 間的超聲波，介于150和500kHz之間則最佳。
上述超聲頻率特別有益于敏銳地分辨出由選自堇青石、碳化硅、莫來石、或 鈦酸鋁的陶瓷材料所構成陶瓷蜂窩式結構中的不連續性，這種結構的多孔率介于 15%和85%之間，介于20%和45%之間則更佳。該方法可用于檢測網狀的網壁之 內的軸向裂紋或環向裂紋，還可用于檢測網壁和外皮之間的分離。該方法也能夠檢 測表面劃痕和變形。
超聲發射器和接收器可以位于陶瓷蜂窩式結構上不同的位置或相同的位置 處。當發射器和接收器位于陶瓷蜂窩式結構上的同一位置時，發射器和接收器可以 包括一種組合式超聲收發器，并且傳導穿過該結構的超聲波可以是一種脈沖回波。 當超聲接收器和發射器位于蜂窩式結構上不同的位置時，它們可以位于該結構相對 兩側上彼此相對的位置處，并且傳導穿過蜂窩式結構的超聲波可以是一種透射超聲 波。
陶瓷蜂窩式結構可以是一種貫流結構，它具有多個空氣通路和基板通路，并 且傳導穿過蜂窩式結構的超聲波可以是穿過空氣通路或穿過基板而傳導的。當陶瓷 結構是生坯陶瓷體時，超聲波最好是穿過該結構的空氣通路而傳導的。當陶瓷結構 未被燒制時，超聲波最好是穿過基板通路而傳導的。
超聲發射器和接收器可以被定位成與陶瓷蜂窩式結構相接觸，或者位于該結 構外壁附近的非接觸位置處。在經過濾的第一響應信號被分析之后，超聲發射器和 接收器可以相對于蜂窩式結構而重新定位，并且再次驅動，以使得任何內部不連續 性或非均勻性最終都被檢測到。若不使用按順序重新定位的單個超聲發射器和接收 器，則可以使用陣列式超聲發射器和接收器來更迅速地"掃描"整個陶瓷體從而確定 是否存在任何不連續性或非均勻性。在本發明的較佳方法中，超聲發射器和接收器 的陣列位于陶瓷體外壁附近但不與之接觸，以使得可以迅速且有效地掃描該陶瓷體 以檢測有沒有缺陷。本發明還包括一種用于實現本發明的非接觸掃描方法的設備，該設備包括 超聲發射器陣列，位于蜂窩式結構附近但并不與之接觸；以及超聲接收器陣列，其 與超聲發射器陣列相對，用于接收穿過該結構傳播的超聲波。超聲發射器陣列和超 聲接收器陣列可以定位成彼此相對，并且該設備可包括用于在這兩個陣列之間移動 陶瓷蜂窩式結構的傳送帶或其它裝置。或者，超聲發射器和接收器的陣列可包括單 個超聲收發器陣列，當蜂窩式結構相對于收發器陣列移動時該收發器陣列發射并接 收超聲脈沖，以便于通過脈沖回波技術來確定有沒有不連續性或其它非均勻性。
圖1A是現有技術的催化劑的貫流陶瓷基板的透視圖，它具有內部不連續性。 圖1B是圖1A的陶瓷基板沿著1B-1B線的平面局部視圖(％段)。 圖1C是圖1A的陶瓷基板沿著1C-1C線的部分側面橫截面圖。 圖2A是本發明的接觸透射超聲測試方法應用于貫流陶瓷基板的示意圖。 圖2B是上述方法的接觸透射實施方式應用于用作粒子過濾器的被塞緊的基 板的示意圖。
圖2C是上述方法的脈沖-回波實施方式應用于比如粒子過濾器的被塞緊的陶 瓷基板的示意圖。
圖3A是示出了本發明的方法的透射實施方式的原理的示意圖。
圖3B和3C分別示出了穿過沒有內部不連續性的基板和有內部不連續性的基 板而透射的超聲波的振幅。
圖3D示出了穿過具有很大的(阻擋的)內部不連續性的基板而透射的超聲波 的振幅。
圖4A是示出了本發明的方法的脈沖回波實施方式的原理的示意圖。 圖4B是示出針對無裂紋柴油機粒子過濾器基板脈沖回波的振幅隨時間而變 化的圖形軌跡。
圖4C是示出針對有裂紋的柴油機粒子過濾器脈沖回波的振幅隨時間而變化 的曲線圖。
圖5A、 5B和5C分別示出了在具有單個小裂紋、兩個小裂紋以及兩個裂紋(其 中第二個裂紋被遮擋了)的陶瓷基板中反射的脈沖回波的"振幅-時間"曲線圖。圖6A是本發明的非接觸裝置的第一實施方式的示意圖，該裝置具有超聲發射和接收 換能器的相對線性陣列，用于實現本發明的非接觸方法。
圖6B是本發明的非接觸裝置的第二實施方式的示意圖，該裝置具有超聲發射
和接收換能器的環形陣列，用于實現本發明的非接觸方法，并且進一步示出了本實 施方式的操作。
圖6C示出了圖6B的陣列所產生的超聲信號的振幅在含內部不連續性的基板 的長度X上產生的變化。
圖7是本發明的非接觸測試裝置的實施方式的示意圖，其中兩個相對的超聲 換能器同時在基板末端上進行掃描以檢測不連續性。
圖8是圖7的非接觸測試裝置的實施方式的局部橫截面圖。
圖9A和9B是用于貫流基板的、圖7所示非接觸測試裝置的實施方式所產生 信號的軌跡。
圖10A和10B是用于蜂窩式過濾器的、圖7所示非接觸測試裝置的實施方式 所產生信號的軌跡。
圖11和12分別是根據非接觸測試方法的各個實施方式的IR和TOF圖像的 光柵掃描圖像。
具體實施例方式
現在，參照圖1A、 1B和1C，本發明的方法和設備特別適合用于檢測柴油機 和汽車排氣系統中所使用的陶瓷蜂窩式結構1中可能存在的不連續性或其它非均 勻性。這種結構包括網壁5的網格3，用于限定沿著結構1的旋轉軸的導氣單元7。 網壁5的網格3被外皮9包圍。外皮9具有內邊緣11，它一般一體地(除了在缺 陷處)連接到網壁5的網格3的外邊緣，圖1B給出最佳示出。所得的罐形結構具 有入口端13，用于接收來自柴油機或汽車引擎的廢氣；以及出口端15，用于排 出這些氣體。
被用作貫流催化劑基板的陶瓷蜂窩式基板1具有介于入口端13和出口端15 之間完全開放的單元7。單元7的密度可以介于約100-900個單元/平方英寸。單元 密度可以最大化，以使直接吹過導氣單元7的汽車廢氣與網壁5的接觸面積達到最大。為了減小貫流基板1施加于廢氣上的壓力降，網壁5通常很薄，即為2-10密
耳甚至2-6密耳的量級。
當這種蜂窩式結構1被用作壁流過濾器(比如柴油機粒子過濾器)時，按"棋
盤"圖形塞緊入口端13和出口端15處的單元7的開口端，以迫使柴油機排氣穿過 多孔的網壁5，再從出口端15出來。與被用作催化特征的基板中的情況相比，單 元7的密度較低，即一般介于約100-400個單元/平方英寸，并且網壁5通常較厚， 達到10-25密耳甚至12-16密耳厚的量級。不管結構1被用作催化載體還是粒子過 濾器，外皮9的厚度大約是網壁5的四倍。
通過擠出模具擠出堇青石、莫來石、碳化硅、或鈦酸鋁的可塑性陶瓷形成前 體，就制造出這種結構l。這種擠出的"生坯陶瓷體"接下來被切割和干燥。這種生 坯陶瓷體相當易碎，必須被運送到爐子中，熱量將相對較軟且易碎的生坯陶瓷體轉 變成硬化的經燒制的蜂窩體。
不幸的是，擠出工藝以及對所得的易碎的生坯陶瓷體進行后續必需的處理(包 括切割和燒制)都可能導致結構1內部出現不連續性和非均勻性17。即使生坯陶 瓷體被燒制之后，蜂窩式結構中相對較薄的脆壁也有可能因機械沖擊和壓力而破 裂。這種不連續性17可包括環向裂紋19，其取向與結構1的旋轉軸橫向交叉； 以及軸向裂紋21，其取向平行于該軸。另外，在網壁5的網格3的外邊緣與外皮9 的內邊緣ll之間，可能出現分離23。當所得的結構l被用作粒子過濾器時，這種 不連續性17可使廢氣完全流過結構1而不進行過濾。當結構1被用作催化劑載體 時，這種不連續性17形成了局部的快速流動區域，這可使廢氣中的污染物不發生 催化分解。非均勻性包括尺寸變化(與基板內部壁厚、壁取向和/或波紋有關的 幾何尺寸)；以及微結構變化，比如該結構內的密度差異、多孔率的變化和微裂紋 的量的變化。
圖2A示出了本發明的方法的第一實施方式，該方法應用于貫流陶瓷結構25， 其單元7限定了在該結構的入口端13和出口端15處具有開口 29a、 29b的空氣通 道27。該模式在本文中被稱為"接觸透射"方法。在本發明的這個實施方式中，發 射超聲信號使之穿過在入口端13和出口端15之間延伸的網壁5。為此，測試超聲 設備32設置有發射換能器33，用于發射超聲波34 (由波狀箭頭來表示)；以及 接收換能器35，用于接收這些波34。在本發明的這個實施方式中，發射和接收換能器33、 35保持相對的關系，并且與結構25相接觸，并且在結構25的入口端13 和出口端15上周期性地重新定位并重新驅動，以使得接收換能器35周期性地接收 直接從發射換能器33中發射的超聲波34。每一次，換能器33、 35都基本上橫跨 該結構彼此直接對準。發射和接收換能器33、 35可以是本領域公知的壓電換能器。 接收壓電換能器35響應于從發射換能器33中發射的超聲信號34而諧振，這使它 產生一電信號。該信號轉而被傳導至數字處理器37。數字處理器37過濾由接收換 能器35所接收到的信號34中的噪聲(該噪聲是超聲波34在換能器33、 35之間多 次反射而導致的)，并且將過濾后的信號發送給顯示器39。或者，也可以使用其 它合適的超聲測試換能器。
發射和接收換能器的組合輸出產生了一種在基板25的直徑或弦上的線性掃 描。當基板25是如圖2A所示的貫流基板時，換能器33、 35可在發射換能器33 直接位于縱向網壁5之一的上方時被驅動，以使得波34被傳導穿過基板自身。
較佳地，發射換能器33所產生的超聲波34的頻率小于約5 MHz。更佳地， 用于接觸透射方法的超短波34的頻率介于約150和700 KHz之間，介于150和500 KHz之間最佳。申請人發現，當在這些范圍中產生超聲波34時，信噪比達到最大。 作為對比，當使用更高頻率的超聲輻射時，申請人發現，用于形成基板25的材料 所固有的多孔率使得很難(若非不可能的話)分辨結構1內部的不連續性17，這 是因很大的噪聲因子所導致的。
圖2B示出了本發明的應用于濾波器類型的陶瓷基板40的接觸方法。這種基 板40具有位于各個導氣單元7的一端的端部塞子42，以限定塞緊的通道43。先前 所描述的操作模式也可在這里使用。同樣，在本發明的此特定模式中，發射和接收 換能器33、 35保持相對的關系，并且沿著基板40的直徑或弦按順序地重新定位， 并且按順序地驅動，以便于產生基板40的一系列線性掃描。
圖2C示出了本發明方法的備選實施方式，其中系統32包括發射和接收換能 器，它們被用到單個超聲收發器45中，并且超聲波的反射回波被檢測到。該模式 在本文中被稱為"脈沖回波"方法。上述方法的這種特定實施方式以"聲納"方式操 作，其中收發器45所產生的超聲波在基板40的相反一端被反射彈回來。在上述方 法的這種特定實施方式中，使用了透射過程，其中透射波34和反射波47穿過基板 40的縱向網壁5而透射。在上述方法的本實施方式中，超聲收發器45放置成在入口端13和出口端15處與結構40相接觸，并且按照與圖2A和2B所示方法相同的 方式按順序地重新定位和重新驅動，以使得在基板40的直徑或弦上進行掃描的操 作得以實現。通過使用這種脈沖回波方法，用經反射的回波就可以檢測并定位不連 續性和/或非均勻性17 (比如內部裂紋)。此外，內部均勻性也可以被檢測到。這 種脈沖回波方法同樣可應用于如圖所示包括塞子42的過濾器40，但是也可用于檢 測貫流基板中的不連續性和非均勻性17。
圖2A、 2B和2C所示的方法可通過市場上買得到的超聲測試裝備來實現(比 如美國麻薩諸塞州Waltham的Panametrics-NDT公司制造的型號EPOCH 4 PLUS 系列)。使用20-80 dB (最好為40-60 dB)的增益以及介于約100 KHz和1 MHz 之間(最好為300 KHz到800 KHz之間)的過濾器設置。發射器和接收器最好是 保護性的隔膜換能器或干燥-耦合劑換能器。這種換能器可具有順應的表面或彈性 的隔膜，其被設置成與基板相接觸。任選地，隔膜可被設置成和基板相接觸，并且 在隔膜和所使用的標準超聲換能器之間可涂敷凝膠。
圖3A-3C示出了圖2A-2B所示方法的接觸透射實施方式是如何操作的。特別 是，圖3B是當沒有不連續性時沿長度方向透射穿過基板1的超聲波34的振幅的 曲線圖。如圖3A所示，當驅動發射換能器33以產生超聲波34時，該超聲波透射 穿過基板1的整個長度。因此，接收換能器35在接收到略有衰減的波34時就記錄 相對較高的振幅脈沖36A、 36B (圖3B)。作為對比，當沿著發射和接收換能器33 和35之間的路徑存在小裂紋或不連續性時，該軌跡按定時選通的方式產生了一個 或多個峰值36C、 36D。當基板1中存在顯著的裂紋或不連續性時，如圖3D所示， 接收換能器35沒有接收到或記錄超聲波的高振幅脈沖。相反，接收換能器35所產 生的電信號36E仍然保持圖示的平坦。因此，該軌跡中的平坦線條表示在所測試 的位置處基板1之內有顯著的內部裂紋或其它缺陷。當然，通過在許多其它位置重 新測試，可將每次測試的圖像組合起來，從而提供關于任何所存在缺陷的空間圖像。
圖4A-4C示出了圖2所示方法的脈沖回波實施方式是如何操作的。當超聲收 發器45產生超聲波脈沖34時，它從基板1的入口端13透射穿過網壁，其中它在 出口端15所限定的基板-空氣界面處被反射。如果在超聲波34的路徑中沒有不連 續性(比如裂紋)，則收發器45所接收到的唯一的反射波47就是在本示例中由出 口端15所限定的基板的后壁所反射掉的波。圖4B示出了在沒有明顯破裂的情況下接收到的信號的振幅與時間的圖形軌跡。特別是，在定時選通48之內沒有明顯
的峰值。然而，當在超聲波或脈沖34的路徑中存在內部裂紋或其它不連續性19 時，被反射的波47在定時選通48之內的軌跡中產生了額外的尖峰20，就像圖4C 所示的那樣。具體來講，被反射的波47產生位于該圖端部附近的后壁尖峰49A， 它來自于蜂窩式結構的后壁處所反射的超聲回波；還產生位于該圖左側的主重擊尖 峰49B，該信號表示入口面13處的反射情況。本發明的這種脈沖回波實施方式的 一個優點是，可以基本上確定裂紋19沿著圓柱形基板1的旋轉軸的位置。缺陷19 的相對位置是通過定時選通48之內的峰值20的相對位置來確定的。當環向裂紋或 不連續性足夠大時，它可完全阻擋入射的超聲波。在這種情況下，被反射的波47 可能只產生來自裂紋的回波，并且沒有"后壁"回波從而后壁峰值49A的振幅將處 于背景噪聲的量級上。
圖5A、 5B和5C示意性地示出了與陶瓷蜂窩式基板1中可能存在的不同圖案 的裂紋或其它類型的不連續性相關聯的脈沖回波特性圖。圖5A是圖4C所示脈沖 回波特性圖的示意性等價物，其中在該圖左側和右側處的超聲換能器45的"主重 擊"脈沖49B以及后壁回波脈沖49A之間分別產生了單個尖峰20。它表示蜂窩式 基板1中的單個裂紋19。圖5B示出了兩個不同的裂紋19a、 19b是如何產生兩個 不同的尖峰信號20a、 20b的，這兩個裂紋并沒有沿著陶瓷蜂窩式基板1的旋轉軸 而彼此對齊。這些峰值的相對振幅表示這兩個裂紋19a、 19b的相對大小。此外， 聲納原理不僅可以用于確定裂紋20a和20b沿著該軸的相對位置，還可以確定它們 的絕對位置。它們的位置與峰值20a、 20b到峰值49A、 49B的相對位置有關。最 終，圖5C示出了在相對較大的裂紋19c沿著蜂窩式基板l的軸遮住了相對較小 的裂紋19d的罕見情況下，較大裂紋的特性圖會遮住較小裂紋19d的特性圖。通常， 這種遮擋在實踐中不是問題，因為在質量控制檢測過程中單個相當大的不連續性的 存在就足以將該基板棄用。然而，如果必須要避免這種不期望有的遮蔽，則通過沿 著兩個軸(而非僅一個軸)即從另一端對基板l進行掃描就可以實現這一點。
圖6A示出了本發明的裝置的第一實施方式50，它可以被用于實現本發明的 非接觸方法。該方法和裝置被設計成以一種非接觸方法快速地掃描陶瓷蜂窩式基板 l的整個橫截面，以尋找內部缺陷或不均勻性。該裝置50包括發射換能器33的陣 列或行52，它們相對于接收換能器35的陣列或行54而以相對關系排列。在操作中，在陶瓷蜂窩式基板以及接收和發射換能器的頂部和底部陣列52、 54之間有相 對的移動，同時，換能器發射器的頂部一行52周期性地且同時地發射超聲脈沖波 34。對于圖6A的配置而言，上述相對移動按逐漸遞增的方式在進出紙面的方向上 進行，其中針對該掃描中的每一次遞增都產生一個新的脈沖。接收器行54接收這 些波，并且將它們轉換成電信號，該電信號轉而被傳導至數字處理器37。處理器 37轉而產生多個平行的圖，它們共同在其整個橫截面上產生蜂窩式基板1的完整 掃描，然后它們可以被顯示在監視器39上。在較佳的實施方式中，通過傳送帶(未 示出)，陶瓷基板1可以相對于換能器發射器和接收器的行52、 54而移動。發射 器52、 54的陣列最好像蜂窩式基板1的寬度那么大，以使得掃過一次就可以提供 關于該基板的合適完整篩選。當然，在每一次掃過之后經重新定位，就可使用更小 的陣列來提供完整的掃描覆蓋。
圖6B示出了本發明的裝置的第二實施方式60，它用于實現本發明方法的非 接觸實施方式，并且包括換能器61的陣列，這些換能器從蜂窩式基板1的圓周外 圍的皮9向外徑向地定位，并且最好按圓形圖案來排列。陣列61最好沿著半圓62、 64定位，陣列61可包括例如以相對的方式成對地排列的四個換能器發射器33和 四個換能器接收器35。較佳地，發射器33位于第一半圓62中，四個接收器35位 于第二半圓64中。換能器陣列61的電輸入和輸出被連接到處理器和顯示器，出于 簡化的目的，它們在圖5B中沒有示出。在操作過程中，通過所示的傳送帶66，移 動陶瓷蜂窩式基板1使其穿過陣列61，以使得在蜂窩式基板1的整個長度X上直 徑掃描其圓周，以確定是否存在內部不連續性17 (比如環向裂紋19、軸向裂紋21、 和/或皮分離23)。當然，根據蜂窩式基板1的尺寸或想要的分辨率，可增多或減 少上述換能器對的個數。該方法和裝置也可用于檢查干燥的生坯蜂窩式結構，比如 蜂窩式圓木結構，它包括兩段或多段未切割的蜂窩式結構。
圖6C示意性地示出了換能器陣列61相對于蜂窩式基板1的縱軸的組合式輸 出。在該圖的C,段，蜂窩式基板l中含軸向裂紋21的那一部分被置于換能器陣列 61之內，由此使該陣列所產生的超聲信號的組合式振幅發生衰減。該振幅再次上 升到表示正常內部結構的頂部基線，直到換能器陣列61被置于環向裂紋19和皮分 離23的周圍。如圖6C所示，當該陣列與環向裂紋19對齊時，由換能器陣列61
所發射的信號的組合式振幅落在區域C2中，并且進一步落在區域C2 + C3中，其中換能器陣列61同時限制環向裂紋19和皮分離23。當該陣列被設置成僅圍繞皮分 離23時，振幅再次上升到區域C3中，接下來， 一旦環形換能器陣列61越過皮分 離23的端部，則恢復到其正常基線以便于基板的軸向長度X的平衡。
圖7示意性地示出了本發明的裝置的第三實施方式69，該裝置用于實現本發 明的非接觸方法。在本實施方式69中，蜂窩式基板1被安裝在合適的固定平臺65 上，它可包括兩個導軌或其它合適的夾具，使得輸入面13和輸出面15被露出。換 能器發射器33和換能器接收器35定位在蜂窩式結構1的相反的兩端處，并且與輸 入面13和輸出面15相鄰。換能器應該被安排成緊靠基板1，最好接近端部13、 15。 換能器33、 35與基板1之間的間距最好介于約X英寸(約13 mm)和2英寸(約 51mm)之間。換能器33、 35可以被安裝在機械支撐系統66上，它們彼此保持相 對的位置。機械支撐系統66可以被連接到平移工作臺67，該工作臺控制換能器33、 35沿著X和Y坐標的位置。通過驅動平移工作臺67，使換能器33、35按約0.01-0.1 英寸/秒(0.025-2.5 mm/s)的速度和約0.03-0.1英寸(0.76-2.5mm)的增量沿著X 軸移動，就可從預定的起始位置起對平移工作臺67進行光柵掃描。在換能器33、 35已前進一段大于或等于蜂窩式基板1的直徑的距離之后，可使平移工作臺67按 大約0.03-0.1英寸(0.76-2.5mm)的增量前進，并且重復在X軸上移動的過程。該 過程繼續下去，直到蜂窩式基板1的整個面13、 15都己被掃描。X和Y的長度在 遞增，并且工作臺移動速率取決于所需的分辨率。
參照圖8，描述了用于貫流基板的圖6A和圖7的裝置的操作方法。在操作過 程中，換能器33將超聲波發送到蜂窩式基板25和換能33之間的氣隙26a中，該 超聲波然后進入基板25。該超聲波的測試頻率可以是lOOKHz -1 MHz，最好是 150-700 KHz。因為基板25的蜂窩式結構的緣故，所以有兩個路徑，其一穿過空 氣通道27中的空氣，另一個穿過基板壁5。因為通道27內的空氣中與軸向基板壁 5中相比聲速是大不相同的(空氣中聲速約為340m/s)，所以處理器37可被編程 為具有一種在時域中鎖定的"門"，以區分上述兩個路徑(穿過空氣34和穿過基板 壁34')從而檢查該基板。圖9A示出在開放空氣中(測試裝置中沒有基板)信號 振幅與時間的所得軌跡，并且顯示出DTA峰值70，該峰值反應了上述兩個換能器 33、 35之間的距離L的范圍(圖8)。用于DTA峰值的飛行時間(TOF)由下式 給出TOFDTA = L/C 空氣
其中C w是聲音在空氣中的速度。
圖9B示出了在測試裝置中有基板的情況下信號振幅與時間的所得軌跡。圖8 的距離H是基板25的相應高度。在圖9B的軌跡中，顯示了經調制的DTA峰值 72和DTS峰值74。減小的DTA峰值72具有減小的振幅，但是通常與峰值70同 時出現(圖9A) 。 DTS峰值74的飛行時間(TOF)是由下式給出的
TDTS = (L-H)/C空氣+ (H/Cmat)
其中Cmat是基板的超聲速度。
因為聲音穿過空氣和穿過壁材的速度是大不相同的，所以峰值72、 74將在時 間上很好地區分開。為了解釋這些軌跡的數據，可設置兩個門76a、 76b，以選擇 DTA信號72或DTS信號74。 在蜂窩式基板檢査方法中，DTS信號74可以被 用于構造表示不連續性的光柵掃描圖像。當測量網在上述結構25的旋轉軸上的環 向裂紋或其它不連續性時，DTS圖像可以產生關于內部缺陷或非均勻性的更佳表 示。
圖IOA和IOB示出了在測試裝置中有(圖10B)和沒有(圖10B)塞緊的蜂 窩式過濾器的情況下信號振幅與時間的所得軌跡。圖10A示出了在開放的空氣中 (測試裝置中沒有基板)信號振幅與時間的所得軌跡，并且顯示出DTA峰值78， 該峰值反應了上述兩個換能器33、 35之間的距離L的范圍(圖8)。在圖10B的 軌跡中，顯示出DTS峰值79。峰值80和81是來自該過濾器端部的多次反射，并 且可以被有效地忽略。DTS峰值79具有可以根據過濾器中有沒有不連續性或非均 勻性而在各個位置處變化的振幅。對于非接觸的方法和裝置而言，所使用的系統必 須是非接觸的超聲測試系統，例如，可從VN Instruments公司購買的型號SIA7以 及Ultran公司的型號iPASS。也可以使用單個元件換能器對或陣列。在非接觸的情 況下，可以使用更廣的頻率范圍。例如，換能器的驅動頻率可以介于150 KHz和 1.5 MHz之間，介于200 KHz到700 KHz之間則更佳。
在完成光柵掃描之后，可以產生兩個圖像。 一個圖像是表示該基板中的DTS 信號的綜合響應(IR)或信號強度的變化的圖像。另一個圖像是用于表示該基板中 DTS信號的TOF的變化的圖像。在光柵掃描圖像中，將形成用于表示內部不連續 性或內部非均勻性的圖案。圖11示出了 DTS強度的光柵掃描IR圖像，它顯示出在具有600/4幾何尺寸的堇青石蜂窩式基板中具有分叉的軸向裂紋。圖12示出了
光柵掃描TOF圖像，它也顯示出存在同樣的分叉的軸向裂紋。
在DTS信號太弱的情況下，可以用門76來選擇DTA信號72，并且可以使用 上述相同的過程。來自同一基板的DTA和DTS信號的相對強度受單元密度影響， 即基板的900/2與400/6或600/4，還受超聲換能器的工作頻率影響。換句話說， 與單元尺寸和單元壁厚度有關的空氣中的聲波會影響波的傳播，即DTS 74或DTA 72。因此，基于在本文所列的頻率范圍中執行最佳實驗的結果，需要調節最佳的測 試頻率。
因為非接觸超聲測試固有的限制，即空氣和固體之間存在顯著的聲學阻抗失 配，所以DTS信號一般都相當微弱。為了對DTS信號提供足夠的信噪比，每一個 掃描位置處最好具有多個信號平均。所得的光柵掃描圖像即IR或TOF圖像將更容 易地揭示細微的特征(裂紋和/或非均勻性)。通過使用本文所定義的脈沖回波方 法或透射方法，可以驗證是否存在所揭示的特征(裂紋和/或非均勻性)。相應地， 可以使用本文所描述的方法的組合。
盡管已結合較佳實施方式描述了本發明，但是各種修改和添加對于本領域的 技術人員而言應該是明顯的。所有這些添加、變化和修改都被包括在本發明的范圍 中，該范圍由權利要求書及其等價方案來限定。
權利要求
1. 一種用于檢測經燒制或生坯陶瓷蜂窩式結構中的內部特征的方法，包括如下步驟(a)將超聲發射器置于蜂窩式結構上的第一外部位置附近；(b)將超聲接收器置于蜂窩式結構上的第二外部位置附近；(c)驅動發射器以產生超聲波，所述超聲波傳導穿過蜂窩式結構的內部；(d)在接收器處接收經調制的超聲波；(e)基于經調制的超聲波產生一響應信號；(f)從所述響應信號中過濾掉噪聲以便產生經過濾的響應信號；以及(g)分析經過濾的響應信號以確定有沒有內部不連續性或非均勻性。
2. 如權利要求l所述的檢測方法，其特征在于，所述第一位置處的超聲發射器和第二位置處的接收器被定位成與蜂窩式結構 接觸嚙合。
3. 如權利要求2所述的檢測方法，其特征在于，所述第一位置處的超聲發射器和第二位置處的接收器被定位成與蜂窩式結構 的相反的端面接觸嚙合。
4. 如權利要求3所述的檢測方法，其特征在于，所述第一位置處的超聲發射器和第二位置處的接收器被定位成與蜂窩式結構 的同一端面接觸嚙合。
5. 如權利要求3所述的檢測方法，其特征在于，所述第一位置和第二位置是同一位置，并且發射器和接收器包括超聲收發器。
6. 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述第一位置處的超聲發射器和第二位置處的接收器被定位成在基本上同一位置處與蜂窩式結構嚙合，以及其中當超聲波在蜂窩式結構的一部分處發生內部反射時產生經調制的超聲波。
7. 如權利要求l所述的檢測方法，其特征在于， 驅動所述發射器以產生小于約5 MHz的超聲波。
8. 如權利要求7所述的檢測方法，其特征在于， 驅動所述發射器以產生介于約150-700 kHz之間的超聲波。
9. 如權利要求8所述的檢測方法，其特征在于，所述蜂窩式結構包括塞緊的通道和透氣壁，并且驅動所述發射器以產生介于 約150-500 kHz之間的超聲波。
10. 如權利要求8所述的檢測方法，其特征在于，所述蜂窩式結構包括貫流基板，并且驅動所述發射器以產生介于約500-700 kHz之間的超聲波。
11. 如權利要求1所述的檢測方法，還包括如下步驟 將發射器和接收器相對于蜂窩式結構重新定位到與第一和第二位置間隔開的重新測試位置處，并且重復步驟(c)-(g)。
12. 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于， 所述蜂窩式結構是包括塞緊通道的粒子過濾器。
13. 如權利要求l所述的檢測方法，其特征在于，所述蜂窩式結構是選自堇青石、碳化硅、莫來石和鈦酸鋁的材料，或者若 所述蜂窩式結構是生坯陶瓷體則在被燒制時就形成選自堇青石、碳化硅、莫來 石和鈦酸鋁的材料。
14. 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，用于形成蜂窩式結構的材料在被燒制時具有介于約15% 85%之間的總多孔率。
15. 如權利要求l所述的檢測方法，其特征在于，所述發射器和接收器按相對的關系被定位成在蜂窩式結構的分開的相對位置 處接觸嚙合。
16. 如權利要求l所述的檢測方法，其特征在于， 所述發射器和接收器被定位成在蜂窩式結構上彼此相對驟使發射器和接收器按相對的關系重新定位到與第一和第處，并且重復步驟(c)-(g)。
17. 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述發射器被包括在發射器陣列中，并且所述接收器被包括在接收器陣列中。
18. 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述發射器和接收器按相對的關系被定位到蜂窩式結構上相對的位置附近而 并不與之接觸。
19. 如權利要求18所述的檢測方法，還包括如下步驟 使發射器和接收器相對于蜂窩式結構相對地移動，并且重復步驟(c) - (g)。
20. 如權利要求l所述的檢測方法，其特征在于，所述陶瓷蜂窩式結構具有空氣通路和基板通路，并且所述超聲發射器和接收 器被定位在所述結構中的空氣通路上，并且所述結構是生坯陶瓷體。
21. 如權利要求l所述的檢測方法，其特征在于，，并且還包括如下步 二位置間隔開的位置所述陶瓷蜂窩式結構具有空氣通路和基板通路，并且所述超聲發射器和接收 器被定位在所述結構中的空氣通路上，并且所述結構是經燒制的陶瓷。
全文摘要
提供了一種用于檢測在經燒制或生坯陶瓷蜂窩式結構中有沒有內部不連續性或非均勻性的方法和設備。在該方法中，超聲發射器(33)和接收器(35)被定位在蜂窩式結構的外部位置處，并且驅動發射器以產生一超聲波，該超聲波傳導穿過蜂窩式結構(40)的內部，并且被超聲接收器接收到。接收到的超聲波經過濾，然后被分析，以確定有沒有內部不連續性(17)。發射器產生其頻率為5MHz或更小的超聲波，以便在超聲接收器所接收到的傳播的波中維持很高的信噪比。本發明的設備包括超聲發射器和接收器的陣列，當陶瓷基板相對于該陣列移動時這些發射器和接收器同時被驅動，從而迅速且有效地對陶瓷體進行全面的非接觸掃描以查看有沒有不連續性。
文檔編號G01S15/00GK101438150SQ200680054599
公開日2009年5月20日 申請日期2006年5月16日 優先權日2006年5月16日
發明者L·E·漢普頓, Z·史 申請人:康寧股份有限公司