專利名稱:超聲相位探傷儀的制作方法
本發(fā)明一般涉及非破壞性的超聲測(cè)試，具體涉及通過感知超聲脈沖回波的相位變化來探測(cè)材料中裂縫的大小、深度、走向和位置的一種新型有效的儀器和方法。
常規(guī)的超聲測(cè)試給出時(shí)間、幅度和空間信息，由機(jī)械的和電子的儀器把它們結(jié)合起來，形成探測(cè)裂縫和確定裂縫尺寸的A、B、C型掃描。最常用的技術(shù)是時(shí)間一振幅型掃描，即A型掃描的超聲測(cè)試。所有這些技術(shù)或者使用連續(xù)波激勵(lì)，或者使用脈沖激勵(lì)，并使用時(shí)間參考信號(hào)。這些技術(shù)的主要局限性在于，它們僅通過信號(hào)幅度、時(shí)間間隔或空間間隔來判別。要獨(dú)立地確定一個(gè)裂縫的大小、深度、走向和位置，單用這些參數(shù)是不夠的。
在粗晶粒材料中，超聲能量被晶粒邊界反向散射，在接收脈沖回波的整個(gè)過程中給出一個(gè)連續(xù)信號(hào)。這些反向散射信號(hào)有可能完全淹沒脈沖回波。有跡象表明，如果存在一個(gè)缺陷反射超聲能量，那末即使在上述噪聲背景上沒有出現(xiàn)一個(gè)特征脈沖，也可以用混合回波的相位來指明該缺陷的存在。這樣的噪聲通常稱為“毛草”(grass)?？上?，用于發(fā)送和接收超聲波的傳感器對(duì)被測(cè)材料表面掃描時(shí)，信號(hào)幅度在衰落之前只達(dá)到一個(gè)至多幾個(gè)峰值。相反，信號(hào)相位將隨傳感器的移動(dòng)向一個(gè)方向連續(xù)變化，當(dāng)傳感器處于最近點(diǎn)時(shí)，相位停止變化，然后再返回來。單一的相位測(cè)量是不夠的。需要有一個(gè)裝置去感知相位隨傳感器位置的變化。它還必須指明只由晶粒邊界反射所產(chǎn)生的隨機(jī)相位變化和由裂縫之類的反射源所產(chǎn)生的特殊的相位變化圖象之間的區(qū)別。
瓦西爾(Vasile)的美國(guó)專利U.S，4，253，337公開了一種利用超聲材料的相位測(cè)量和/或相移的超聲測(cè)試方法。瓦西爾(Vasile)公開了一種計(jì)算物體中的缺陷或突變的方法。該專利使用的方法是，發(fā)送一個(gè)超聲波進(jìn)入物體，并在它通過突變處后再加以檢測(cè)。把探測(cè)到的超聲波的相位與幅度同在沒有突變的地方傳播的超聲波的相應(yīng)值進(jìn)行比較，由其改變量決定突變的深度。然而，瓦西爾沒有檢測(cè)脈沖回波的相位隨傳感器位置的變化，也沒有使用利用同相參考信號(hào)和正交參考信號(hào)的兩個(gè)相位探測(cè)器。另外，它也沒有使用本發(fā)明中用到的轉(zhuǎn)動(dòng)向量顯示法，這將在以后詳細(xì)解釋。
奧布里恩(O′ Brien)等的美國(guó)專利U.S，4，003，244公開了一個(gè)超聲脈沖回波厚度儀，其中把搜索信號(hào)與回波信號(hào)放大，使它們?cè)诜壬舷嗟?，還移動(dòng)相位，使它們彼此同相。用這種方法，增加了整個(gè)系統(tǒng)的精度。這樣，這個(gè)專利涉及了信號(hào)的相位，然而，它沒有講授檢測(cè)回波脈沖的相位隨傳感器位置的變化。奧布里恩也沒有使用本發(fā)明的其它特殊技巧。
本發(fā)明描述了一種探測(cè)材料中裂縫的大小、深度、走向和位置的儀器和方法。本發(fā)明甚至可用于具有反向散射噪聲干擾的粗晶粒材料。
按照本發(fā)明，要檢測(cè)回波脈沖的相位隨傳感器位置的變化。使用兩個(gè)相位探測(cè)器，一個(gè)用同相參考信號(hào)，另一個(gè)用正交參考信號(hào)。這兩個(gè)相位探測(cè)器可以在一個(gè)陰極射線管上顯示一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)向量。用這種方法，可以監(jiān)視相位變化的圖案來探測(cè)突變，并確定材料中突變的深度和位置。突變或者是分立的缺陷，或者是影響彈性波傳播速度的材料變化。
本發(fā)明是對(duì)一種更為一般性的概念的特殊應(yīng)用。
下述關(guān)系式給出了回波相位與初始脈沖相位之間的關(guān)系φ＝2KR-б其中φ是探測(cè)到的相位量值;
K＝2π/脈沖波長(zhǎng);
R是從傳感器到反射源(裂縫)的距離;
б是反射過程中的相移(低阻抗反射為π)。
這樣，相位是R的單調(diào)函數(shù)。
本發(fā)明利用特殊相移圖案的組合，它們是使用利用同相參考信號(hào)和正交(相位差90°)參考信號(hào)的兩個(gè)相位探測(cè)器，在一個(gè)向量顯示器上得到的。根據(jù)本發(fā)明，要用相位變化圖案，而不是用隨機(jī)相位變化圖案來指明缺陷的存在。
用其它技術(shù)確定被測(cè)信號(hào)相位、激勵(lì)頻率和反射源位置之間的關(guān)系，也是可能的。從標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)部件進(jìn)行適當(dāng)標(biāo)定可以建立被探測(cè)相位、激勵(lì)頻率和反射源位置之間唯一確定的關(guān)系。
頻率、相位和距離之間的關(guān)系可寫為(dφ)/(df) ｜R· (df)/(dR) ｜φ(dR)/(dφ) ｜f＝-1此關(guān)系式稱為循環(huán)鏈?zhǔn)椒▌t，它成立的原因在于，被測(cè)的相位是頻率以及從傳感器到反射源距離的函數(shù)。
φ＝F(f，R)其中f是頻率，R是距離。
可用固定傳感器的位置而變動(dòng)激勵(lì)頻率f的方法來確定因子 (dφ)/(df) ｜R。隨著f變動(dòng)，回波相位也將變動(dòng)，它表現(xiàn)為相位探測(cè)器的輸出在最大值與最小值之間振蕩。當(dāng)頻率改變△f時(shí)，相位經(jīng)歷一個(gè)周期，這里△f＝ (C)/(2R) ，其中C是試驗(yàn)材料中的聲速。
這通過關(guān)系式R＝ (C)/2 · 1/(△f)提供了深度測(cè)量方法，它等價(jià)于時(shí)間t的測(cè)量。
可以確定平面型反射源相對(duì)于傳感器波束軸線的走向。當(dāng)傳感器在表面上沿一個(gè)方向連續(xù)掃描時(shí)，回波信號(hào)的相位將首先按一個(gè)方向變化，停止變化，然后向相反方向變化。相位變化率為零時(shí)的傳感器位置就是最近點(diǎn)。傳感器相對(duì)于缺陷的最近點(diǎn)可能不是得到最大幅度的點(diǎn)。相位變化率為零的位置與最大幅值位置之間的差別依賴于超聲波束軸線的方向和反射面的走向。對(duì)于出現(xiàn)邊緣衍射或波型變化的超聲波，這也成立。
因而，本發(fā)明的目的是為測(cè)試材料提供一種超聲儀器和方法，它包括(或使用)一個(gè)在超聲范圍內(nèi)選定的頻率上產(chǎn)生振蕩信號(hào)的振蕩器;與該振蕩器相聯(lián)，將超聲信號(hào)施加到材料上，并接收從材料返回的回波信號(hào)的傳感器裝置;與該傳感器裝置和該振蕩器裝置相聯(lián)，將同相振蕩信號(hào)與回波信號(hào)混合以產(chǎn)生第一顯示信號(hào)，并將與同相信號(hào)差90°相位的正交振蕩信號(hào)與回波信號(hào)混合以產(chǎn)生第二顯示信號(hào)的相位探測(cè)混合裝置;以及與所說的相位探測(cè)混合裝置相聯(lián)，用于由上述第一、第二顯示信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)視覺圖象的顯示裝置，該圖象代表施加于材料上的超聲信號(hào)與回波信號(hào)之間相移的程度，而且可用來確定材料中裂縫或邊界的存在及其深度。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)強(qiáng)固且成本低廉的超聲儀器。
在本說明書所附并作為本說明書一部分的權(quán)利要求
中，詳細(xì)指出了作為本發(fā)明特征的各種新穎特點(diǎn)。為了更好地理解本發(fā)明、它的工作優(yōu)點(diǎn)和使用它所達(dá)到的具體目的，本說明書提供了附圖和描述本發(fā)明較佳實(shí)施例的說明材料作為參考。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種相敏超聲儀的方塊圖;
圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一種相敏超聲儀的方塊圖。
現(xiàn)在具體參照附圖，示于圖1的本發(fā)明包括一個(gè)振蕩器，它輸出一個(gè)頻率為f的連續(xù)信號(hào)給選通放大器2，該選通放大器將放大了的脈沖經(jīng)過發(fā)送一接收(TR)開關(guān)3送給與試驗(yàn)材料相耦合的傳感器1。來自試驗(yàn)材料內(nèi)部反射源的回波由傳感器1探測(cè)，并經(jīng)過TR開關(guān)3送給接收放大器4，然后把放大了的回波信號(hào)送給兩個(gè)相位探測(cè)器5和6。頻率為f的同相參考信號(hào)和正交參考信號(hào)由相位分解器7產(chǎn)生，并分別送給兩個(gè)相位探測(cè)器5和6。相位探測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)附加放大后，用來在兩個(gè)相互垂直的方向上偏轉(zhuǎn)陰極射線管8的電子束。
當(dāng)傳感器1在沒有反射源(例如，沒有裂縫或邊界)的試驗(yàn)材料上移動(dòng)時(shí)，在顯示器8上顯示的是無規(guī)則的圖象。而當(dāng)傳感器在一個(gè)反射源上面經(jīng)過時(shí)，將顯示一個(gè)螺旋狀圖案。繞顯示中心的旋轉(zhuǎn)代表相位變化，而螺旋離開屏幕中心的距離表示回波幅度。
圖2給出了用于確定缺陷位置的另一種儀器。重復(fù)率控制器14起動(dòng)斜波電壓發(fā)生器16，后者使振蕩器10掃過一段頻率。該重復(fù)率控制器14還觸發(fā)選通電路12使來自振蕩器10的一串脈沖到達(dá)功率放大器18，并接著到達(dá)傳感器20。一個(gè)超聲脈沖被送進(jìn)試驗(yàn)材料中，從材料來的回波又回到傳感器。這些回波信號(hào)被送到同時(shí)還接收從振蕩器10來的參考信號(hào)的混合器24，還被送到多通道顯示器22?；旌掀鞯妮敵鲆蕾囉诨夭ㄐ盘?hào)與振蕩信號(hào)相比較的相對(duì)相位。這個(gè)與相位有關(guān)的信號(hào)作為斜波電壓的函數(shù)顯示在多通道顯示器22上。該混合器的輸出還送給由重復(fù)率控制器14控制的數(shù)控門電路26，門電路的輸出信號(hào)送給相位速率測(cè)定電路28。
這樣，基于對(duì)頻率f進(jìn)行掃描以及使用前述計(jì)算裂縫深度R的方程，可以利用圖2所示的實(shí)施例確定材料中裂縫的深度。
已經(jīng)詳細(xì)地指明和描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，以說明如何應(yīng)用本發(fā)明的原理，應(yīng)該理解，在不偏離這些原理的條件下，本發(fā)明還可以用別的方法來實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)試材料的超聲儀器，包括一個(gè)在超聲范圍內(nèi)的選定頻率上產(chǎn)生振蕩信號(hào)的振蕩器；與所述振蕩器相聯(lián)，在選定頻率上將超聲信號(hào)送入材料中，并接收從材料返回的回波信號(hào)的傳感器裝置；與所述傳感器裝置和所述振蕩器相聯(lián)，用于將一個(gè)同相振蕩信號(hào)與回波信號(hào)混合以產(chǎn)生一個(gè)第一顯示信號(hào)，并將一個(gè)正交振蕩信號(hào)與回波信號(hào)混合以產(chǎn)生一個(gè)第二顯示信號(hào)的相位控測(cè)裝置；以及與所述相位探測(cè)裝置相聯(lián)，產(chǎn)生一個(gè)有一定形狀的圖象的顯示裝置，該圖象依賴于所述第一和第二顯示信號(hào)，且隨產(chǎn)生所述回波信號(hào)的材料中反射結(jié)構(gòu)的存在與深度而變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種儀器，其中所說的顯示裝置包括一個(gè)利用相互垂直的信號(hào)產(chǎn)生圖象的陰極射線管，而所述第一和第二顯示信號(hào)即作為所述的相互垂直的信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的一種儀器，其中所說的相位探測(cè)裝置包括一個(gè)與所述振蕩器相連，產(chǎn)生一個(gè)同相信號(hào)和一個(gè)相位差90°的信號(hào)的相位分解器;一個(gè)與所述相位分解器相聯(lián)，接收所述同相信號(hào)的第一相位探測(cè)器;以及一個(gè)與所述相位分解器相聯(lián)，接收所述相位差90°的信號(hào)的第二相位探測(cè)器，所述第一和第二探測(cè)器分別產(chǎn)生所述第一和第二顯示信號(hào)，并與所述陰極射線管相聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的一種儀器，包括一個(gè)與所述振蕩器相聯(lián)，接收并放大所述振蕩信號(hào)的選通放大器;一個(gè)與所述選通放大器和所述傳感器相聯(lián)，交替地向所述傳感器提供振蕩信號(hào)并接收從上述傳感器返回的回波信號(hào)的發(fā)送一接收開關(guān);以及一個(gè)與所述開關(guān)相聯(lián)，接收并放大該回波信號(hào)的接收放大器，所述接收放大器與所述第一和第二相位探測(cè)器相聯(lián)，向所述第一和第二相位探測(cè)器提供放大了的回波信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種儀器，包括與所述振蕩器相聯(lián)，在一個(gè)選定的頻率范圍對(duì)所述振蕩信號(hào)的所述選定頻率進(jìn)行掃描的頻率掃描裝置，從而所述第一和第二顯示信號(hào)隨頻率而變化，并且由所述顯示裝置產(chǎn)生的所述圖象的形狀也隨頻率而變化，所述圖象形狀的變化可用于確定在所述材料中產(chǎn)生所述回波信號(hào)的構(gòu)造的深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5的一種儀器，其中所述頻率掃描裝置包括一個(gè)用于重復(fù)掃描選定頻率的周期的重復(fù)率控制器;一個(gè)與所述重復(fù)率控制器相聯(lián)，按照頻率掃描的要求產(chǎn)生一個(gè)斜波電壓的斜波電壓發(fā)生器，所述斜波電壓發(fā)生器與所述振蕩器相聯(lián)，對(duì)所述振蕩器選定頻率進(jìn)行掃描;一個(gè)與所述振蕩器相連，接收所述振蕩信號(hào)且產(chǎn)生超聲脈沖的選通輸出單元，所述選通輸出單元(經(jīng)過功率放大器)與所述傳感器相聯(lián)，使所述傳感器向材料內(nèi)部發(fā)送超聲脈沖，且接收從材料返回的回波信號(hào)脈沖。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6的一種儀器，其中所述相位探測(cè)裝置包括一個(gè)混合器，它為接收所述振蕩信號(hào)而與所述振蕩器相聯(lián)，且為接收所述回波信號(hào)而與所述傳感器相聯(lián)，該混合器形成所述第一和第二顯示信號(hào)中的一個(gè)，而所述傳感器直接與所述顯示裝置相聯(lián)，產(chǎn)生與所述回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的，所述第一和第二顯示信號(hào)中的另一個(gè)信號(hào)。
8.一種超聲測(cè)試材料的方法，包括
產(chǎn)生一個(gè)在超聲范圍內(nèi)的選定頻率上的振蕩信號(hào);向材料內(nèi)部發(fā)送該超聲范圍內(nèi)選定頻率的振蕩信號(hào)，當(dāng)該振蕩信號(hào)遇到材料內(nèi)的突變時(shí)，形成從材料返回的回波信號(hào);接收從材料返回的回波信號(hào);將該振蕩信號(hào)與該回波信號(hào)混合以產(chǎn)生一個(gè)第一顯示信號(hào);將該振蕩信號(hào)移相90°形成正交信號(hào)，與該回波信號(hào)混合以產(chǎn)生一個(gè)第二顯示信號(hào);以及用第一和第二顯示信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)視覺圖象，它的形狀依賴于該振蕩信號(hào)和該回波信號(hào)之間的相移，而該回波信號(hào)又依賴于該材料中突變的存在及其深度。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8的一種方法，包括使振蕩信號(hào)對(duì)選定的頻率范圍進(jìn)行掃描，以改變第一和第二顯示信號(hào)，從而改變圖象的形狀，可以利用振蕩信號(hào)的掃描和頻率計(jì)算材料中形成回波信號(hào)的突變的深度。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8的一種方法，包括使該振蕩信號(hào)進(jìn)入該材料的進(jìn)入點(diǎn)沿該材料的表面移動(dòng)，以改變材料中固定突變反射的回波信號(hào)。
專利摘要
一種測(cè)試材料的超聲儀器和方法包括一個(gè)在超聲范圍內(nèi)的選定頻率上振蕩的振蕩器，一個(gè)傳感器與該振蕩器相聯(lián)，向材料發(fā)送超聲信號(hào)并接收回波信號(hào)；兩個(gè)相位探測(cè)器，一個(gè)接收回波信號(hào)和同相振蕩信號(hào)，產(chǎn)生第一顯示信號(hào)，另一個(gè)接收回波信號(hào)和正交信號(hào)，產(chǎn)生第二顯示信號(hào)。用第一和第二顯示信號(hào)在視覺顯示器如陰極射線管上產(chǎn)生圖象。該圖象隨超聲信號(hào)與回波信號(hào)間的相移而變化，可用來確定材料中裂縫或邊界的存在和深度。
文檔編號(hào)G01N29/36GK86104884SQ86104884
公開日1987年2月18日 申請(qǐng)日期1986年8月4日
發(fā)明者威廉姆·E·勞里, 索馬斯·W·波爾斯, 約瑟夫·W·布羅費(fèi) 申請(qǐng)人:巴布考克和威爾科斯公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan