超声无损检测制造技术

一种用于超声无损检测的设备和方法，其提供了在近端连接到测试物的超声传递材料的细长带。细长带具有给定宽高比大于一并与超声换能器匹配的横向截面宽度和厚度，使得激励引起基本上非频散的超声信号沿细长带传播到近端，并进入测试物。这些非频散脉冲特别适合于时差测量、厚度测量、裂纹测量等。细长带有助于将换能器和与测试物有关的潜在恶劣环境分离开。细长带也与测试物大面积接触，从而允许将能量有效传递到测试物。

【技术实现步骤摘要】
超声无损检测本申请是申请日为2006年9月14日，申请号为200680050234.0，专利技术名称为“超声无损检测”的申请的分案申请。专利
本专利技术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(resilientbufferamplifier)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(acousticwaveguide)，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(intermediarywaveguide)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(cylindricalrodwaveguide)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-dimensionproduct)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(modeexcitation)而言，膨胀模式(extensionalmode)或扭转模式(torsionalmode)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(coiledfoilwaveguide)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。US-A-5,828,274(参考文献6)公开了具有外层衰减覆层的锥形超声波导。覆层通过衰减并限制表面反射消除波导边界效应。这具有消除几乎所有尾回波的效应，但是不能整体消除频散效应，且信号略微延迟、略微失真，并大量衰减。后述缺点限制了这种波导的长度，其也是更加不可弯曲的。将非均匀螺纹杆作为波导使用是前述建议的改进(见参考文献7和8)。US-A-6,047,602公开了一种用于流体流动测量的超声波导，其是矩形截面杆，具有倾斜的端部部分。倾斜部分的表面将沿杆传递的能量反射到窄的定向束中，以进入测试流体。波导被设计成使通过导管传递的能量最大化。这种设备在厚度测量或缺陷监测领域具有明显不足，其不可弯曲且波传播对于清晰不失真信号形态不是最佳的，而这对于样品无损检测中的定时测量最为重要。本文是提供一种能够在恶劣环境中操作且能够解决上述问题的超声无损检测实用设备的技术问题。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种用于测试物的超声无损检测的设备，所述设备包括：超声传递材料细长带，所述细长带具有用于连接到所述测试物的近端和一远端；以及超声换能器，其连接到所述细长带；其中所述细长带具有给定高宽比大于一且与所述超声换能器匹配的横向截面宽度和厚度，使得所述超声换能器的激励引起基本上非频散的超声信号沿所述细长带传播到所述近端，并进入所述测试物。本专利技术考虑，有需要以基本上非频散方式传递的用于无损目的的超声信号，使得可以做出精确的定时测量。本专利技术还考虑，有需要为柔性的超声传递组件，使得设备可配置在不灵活的几何结构中。因此，通过沿具有宽度和厚度宽高比大于一的细长带传递超声信号，并通过激励基本上非频散的信号，测试物体的超声无损检测可以在传统超声换能器所处的恶劣环境中以及需要传递组件柔性地包围其间物体的构型中进行。细长带由具有剪切速度CS和剪切波长λB的材料形成，其中λB＝CS/F，且F是对应λB的频率，而所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λ短延伸到λ长的剪切波长的组分形成。一些超声波的剪切模式是有利于非频散，且具有短的波长。较短的波长为检测提供更好的空间分辨率。所述细长带以相似的方式由具有杆速度(barvelocity)C杆和杆波长(barwavelength)λ杆的材料形成，其中λ杆＝C杆/F，且F是对应λ杆的频率，而所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λ短延伸到λ长的杆波长的组分形成。压缩波可能更适合于相当多的场合。同时，细长带的尺寸可进行相当大地改变，在优选实施方式中，细长带的厚度将小于2.5倍λ短。在特别优选的实施方式中，细长带的厚度将小于λ短。这种尺寸限制有助于避免不需要的较高阶模式的激励。在优选实施方式中，所述宽度大于3.5λ长。在更优选的实施方式中，所述宽度大于5λ长。这种尺寸有助于使得超声波传播是基本上非频散的、在波导边缘具有低幅度、且模式形态近似不变。同时，可在优选实施方式中使用不同的超声模式，所述基本上非频散的超声信号包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
GB 2005-11-4 0522572.71.一种超声无损检测固体结构的方法，所述方法包括：将细长带的近端夹持到所述固体结构，所述细长带具有宽度和厚度，且宽度和厚度的宽高比大于一，所述夹持仅接触所述细长带的宽度的边缘；在所述细长带的远端使用换能器激励非频散的超声信号，所述非频散的超声信号沿所述细长带的长度从所述远端传播到所述近端，所述非频散的超声信号从所述近端进入所述固体结构，所述信号包括剪切波信号，所述剪切波信号在垂直于其传播方向的方向上偏振；以及从所述固体结构接收相应的返回信号；其中所述超声无损检测是厚度测量；以及其中所述非频散的超声信号包括垂直于传播方向并平行于所述细长带的宽度偏振的最低阶剪切模式振动。2.如权利要求1所述的方法，其中能量沿所述细长带的中心向下传播，在所述细长带的宽度的边缘处能量少。3.一种超声无损检测固体结构的方法，所述方法包括：将细长带的近端夹持到所述固体结构，所述细长带具有宽度和厚度，且宽度和厚度的宽高比大于一，所述夹持仅接触所述细长带的宽度的边缘；在所述细长带的远端使用换能器激励非频散的超声信号，所述非频散的超声信号沿所述细长带的长度从所述远端传播到所述近端，所述非频散的超声信号从所述近端进入所述固体结构，所述信号包括剪切波信号，所述剪切波信号在垂直于其传播方向的方向上偏振；以及从所述固体结构接收相应的返回信号；其中所述超声无损检测是厚度测量；以及其中所述细长带中所述剪切波信号的最低阶剪切水平模式的模式形状随频率改变，频率越高，模式越集中在所述细长带的中心，且在高频时，所述模式以几乎整体剪切速率沿所述细长带的中心传播能量，在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得考利，弗雷德里克伯特瑟格拉，
申请(专利权)人：帝国创新有限公司，
类型：发明
国别省市：GB