[发明专利]超声无损检测

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于超声无损检测的设备和方法。 

已有技术的描述 

超声信号在材料无损检测中的使用是已知的。厚度测量可通过将超声信号发送到测试材料并测试其穿过样品的时差(time-of-flight)来进行。缺陷监测可通过将超声信号发送到测试材料中并观察其从缺陷结构的反射来执行。通常，超声换能器直接接触测试物放置。然后，发射的超声信号被发射换能器接收，发射换能器也作为接收换能器，或者可以使用第二接收换能器。这些程序在非恶劣(non-hostile)环境中是简单的，但是为了在恶劣(例如高温)环境中操作此换能器，必须克服重大的技术障碍。 

开发能够在很长时间段抵抗高温的超声换能器及其辅助部件是具有挑战性的。大部分换能器材料受到高温的不利影响，而且，弹性缓冲放大器(resilient buffer amplifier)需要转换信号，以沿同轴电缆传送，其本身必须能抵抗环境。还必须提供合适的连接器和动力供应。 

有吸引力的备选方案使用由能够抵抗恶劣环境的材料制成的声波导(acoustic waveguide)，来将超声信号从位于非恶劣区域的换能器和辅助部件发送到测试物。波导的端部直接连接到所关心的测试样品区域。但是，使用中间波导(intermediary waveguide)不是小任务。超声检测通常使用高频(＞1MHz)脉冲波形，由于频散、多模式及衰减，其很难高保真地沿长波导传播。另外，换能器和测试样品均必须有效地连接到波导，以避免过高的能量损失。 

要克服的主要问题是频散和存在的多模式。附图的图1显示了柱状杆波导(cylindrical rod waveguide)的频散曲线。所发射的信号能量的一些散 布是不可避免的，因此，例如以2MHz中心频率产生的信号通常具有1MHz和3MHz间的能量。因此，由于来自测试样品的超声信号的精确识别和计时对于上述无损检测程序极为重要，所以非常希望传送主要为非频散的信号，即，其速度与频率几乎是常数，且以单一模式为主导。 

波导中的频散及可能的模式主要是信号频率和波导最小尺寸的乘积的函数。而且，为了获得非常准确的超声厚度测量，通常需要在1MHz以上操作。但是，在较高的频率-尺寸积(frequency-dimension product)中，可传播更高阶的模式，因此必须限制波导的最小尺寸。因此，细杆波导的使用在本领域是已知的。因为很难将足够的能量传递到细杆来产生强信号，所以这类设备具有其自身的困难。同样，当细波导连接到较大结构时，具有强的表面反射，且相对较少的能量能进入结构。另外，连接到结构表面的细杆波导有效地作为点源，能量从该点源球状地分散，从而意味着甚至从较强反射体，例如结构的底表面，有很少能量返回到接收波导。 

US-A-5,962,790(例如，见参考文献1、2、3及4)公开了一种系统，该系统使用细线来使频散最小化，并通过采用一束细线来克服单根细线的某些问题。每根线在适当低的频率-直径积下操作，相当多的能量可通过成束的多根平行线传送，而不是通过单根线传送。但是，成束的线的生产相对较贵，且当其直径增大时变得非常不易弯曲，从而限制了其被配置的几何结构。而且，各个线之间的串扰可能使信号分析变得复杂，且将每个单独的线连接到测试结构，或用不引入频散问题的板端接束，存在实践难度。就模式激励(mode excitation)而言，膨胀模式(extensional mode)或扭转模式(torsional mode)可以在单根线中激励。扭转模式通常由与线侧面接触的换能器激励，或通过环形电磁线圈激励。此种技术对于成束的线不是切实可行的，成束的线实际上可仅使用膨胀模式是实际的。 

US-A-6,400,648(参考文献5)公开了线圈箔波导(coiled foil waveguide)作为杆束的替换物。箔的厚度设置成比传播的信号的最小波长小得多，从而满足用于非频散传递的低的频率-尺度积。箔围绕平行于信号传播方向的轴盘绕，所以如果被解开，其在垂直于信号传播方向将很长。但是，当线圈的直径增加时，由于层之间可能发生摩擦，所以波导变得刚性，并衰减。 与线束一样，线圈箔更适合于膨胀波而不是扭转波。