Ультразвуковой зонд и ультразвуковая система тестирования
Зонд (100) для ультразвуковой системы неразрушающего тестирования материала в процессе относительного движения тестируемого объекта и зонда в направлении тестирования содержит корпус (110), который задает продольное направление (L), совпадающее с направлением тестирования, и поперечное направление (Q), перпендикулярное к направлению тестирования. Зонд содержит также группу приемопередающих блоков (150-1, 150-2, 150-3). Каждый приемопередающий блок содержит передающий компонент (Т1, Т2, Т3) и соответствующий ему приемный компонент (R1, R2, R3) и задает эффективную ширину (РВ1, РВ2, РВ3) тестирования в поперечном направлении (Q) с обеспечением, в процессе относительного движения тестируемого объекта и зонда в направлении тестирования, возможности тестирования трека с шириной, равной эффективной ширине тестирования. Приемопередающие блоки образуют по меньшей мере два ряда (155-1, 155-2), расположенных в продольном направлении (L) друг за другом и имеющих протяженность в поперечном направлении (Q). Приемопередающие блоки из различных рядов взаимно смещены в поперечном направлении (Q) таким образом, что приемные компоненты (R1, R2, R3) взаимно смещенных приемопередающих блоков расположены с взаимным перекрытием в зоне (U1-2, U2-3) перекрытия, так что совокупность приемопередающих блоков обеспечивает общую эффективную ширину (РКРВ) тестирования посредством зонда, не имеющую зазоров. Все приемопередающие блоки размещены в корпусе (110) зонда. Все передающие компоненты (Т1, Т2, Т3) электрически подсоединены к общему терминальному передающему компоненту (AT) зонда. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
[0001] Изобретение относится к зонду для ультразвуковой системы неразрушающего контроля (тестирования) материала в процессе относительного движения тестируемого объекта и зонда в направлении тестирования.
Уровень техники
[0002] Ультразвуковое тестирование - это акустический процесс, осуществляемый для обнаружения, посредством ультразвука, структурных дефектов материала (именуемых неоднородностями) и для определения их размеров. Подобное тестирование относят к методам неразрушающего тестирования. В процессе неразрушающего тестирования материала с применением ультразвука (УЗ) звуковая волна проходит от зонда к тестируемому объекту через связывающую среду, например через пленку жидкости. Передача ультразвуковых волн, несущих информацию о состоянии тестируемого материала, от тестируемого объекта к приемному зонду обычно происходит через ту же связывающую среду. Для испускания и приема ультразвуковых волн или ультразвуковых импульсов могут использоваться отдельные передающие и приемные зонды. В контексте изобретения под зондом понимается переносной прибор, в котором используются один или более ультразвуковых преобразователей. Ультразвуковой преобразователь представляет собой компонент, который преобразует электрический сигнал в звуковой (акустический) сигнал или звуковой сигнал в электрический сигнал. Обычно излучающие и приемные ультразвуковые преобразователи объединяют в один зонд. В случае использования отдельных передатчиков и приемников они также рассматриваются как приемопередающие зонды (зонды-трансиверы). Такие зонды являются предпочтительными, например, если требуется высокое разрешение в ближнем поле. Если одни и те же ультразвуковые преобразователи используются и для передачи, и для приема, они именуются импульсными эхо-зондами.
[0003] Приемопередающие зонды (зонды-трансиверы) используются, например, при ультразвуковом контроле (тестировании) металлических плит. В типичном случае эти плиты имеют ширину 1-5 м, длину 3-30 м и толщину 5-150 мм. В работе A. Weber et al. "Betriebliche Erfahrungen mit einer neuen 
" [Опыт работы с ультразвуковой системой тестирования, имеющей цельное основание], DGZfP Annual Conference 2013 - DL2.B.2, Seiten 1-8, описана ультразвуковая система тестирования, установленная на прокатном стане непосредственно за холодильником, на входе в секцию резки. В данной ультразвуковой системе тестирования имеются 76 держателей зонда с индивидуальными пневмоприводами. При этом используются зонды-трансиверы с номинальной частотой 5 МГц. Использованные осцилляторы шириной 50 мм разделены по 4 каналам, т.е. всего имеется 304 тест-канала, требующие индивидуальной обработки результатов. Держатели зондов размещены на двух каретках для тестирования поверхности, установленных одна за другой в направлении тестирования, и взаимно смещены в поперечном направлении на ширину зонда. В результате, как отмечено в работе, обеспечивается тестирование всей поверхности (стопроцентное тестирование).
[0004] Известный зонд-трансивер, разделенный на четыре части (четыре канала), содержит расположенные в ряд внутри прямоугольного (в поперечном сечении) корпуса четыре приемных компонента, следующие непосредственно один за другим, и единственный передающий компонент, имеющий протяженность по всей ширине зоны, перекрываемой приемными компонентами. Такое выполнение позволяет, например, детектировать, с высокой степенью надежности, стандартные референтные дефекты типа плоскодонных отверстий (Flat Bottom Hole, FBH) класса FBH-3 (FBH с диаметром 3 мм). Однако в случае тестирования, например, металлических плит, существует растущая потребность в детектировании, с высокой степенью надежности, также и более мелких дефектов, например эквивалентных FBH-2 или FBH-1,2.
[0005] В выложенной патентной заявке DE 19533466 А1 описан ультразвуковой зонд для неразрушающего тестирования материала, содержащий группу эхо-импульсных ультразвуковых преобразователей, передающие/приемные поверхности которых расположены в первой плоскости по меньшей мере двумя параллельными рядами и отделены одна от другой зазорами таким образом, что каждый зазор между ультразвуковыми преобразователями, находящимися в одном ряду, перекрыт ультразвуковым преобразователем из другого ряда. Это позволяет получить зонд с большой шириной тестирования, который имеет, по существу, постоянную чувствительность по всей ширине тестирования.
[0006] В выложенной патентной заявке DE 3442751 А1 представлена система тестирования металлических листов, использующая ультразвук и содержащая группу зондов, которые могут устанавливаться на лист и которые расположены в виде последовательных рядов, ориентированных поперечно относительно направления подачи листа с взаимным перекрытием рядов в направлении подачи. Каждый зонд содержит передатчик и приемник.
[0007] В выложенной патентной заявке DE 19642072А1 описаны комбинированные зондирующие устройства, которые содержат множество приемных осцилляторов, расположенных в шахматном порядке по обе стороны от общего передающего осциллятора. Передающий и приемные осцилляторы используют общую пьезоэлектрическую пластину, причем один из их электродов выполнен разделенным. Приемные осцилляторы из различных рядов расположены с частичным перекрытием в поперечном направлении, так что тестирование без каких-либо разрывов возможно по всей длине, которая перекрыта передающим осциллятором.
[0008] В выложенной патентной заявке DE 102008002859 А1 представлено устройство для неразрушающего тестирования листовых изделий посредством ультразвука, использующее матричную фазированную решетку зондов.
Раскрытие изобретения
[0009] Изобретение решает задачу создания зонда, который пригоден, например, для применения в ультразвуковой системе контроля (тестирования) металлических плит и который, являясь удобным в обращении и легко монтируемым в системе тестирования, обеспечивает большую ширину тестирования без каких-либо зазоров и с высокой надежностью даже для малых дефектов в тестируемом объекте.
[0010] Для решения этой задачи изобретение предлагает зонд, обладающий признаками, включенными в п. 1 прилагаемой формулы. Полезные усовершенствования раскрыты в зависимых пунктах. Содержание всех пунктов формулы поясняется в данном описании.
[0011] Зонд содержит корпус, который задает продольное направление и ортогональное ему поперечное направление. Продольное направление параллельно, насколько это возможно, направлению тестирования в процессе функционирования зонда. Соответственно, поперечное направление, перпендикулярное продольному направлению, ориентировано перпендикулярно, насколько это возможно, указанному направлению тестирования. Зонд содержит группу приемопередающих блоков, так что представляет собой ультразвуковой мультизонд. Каждый из приемопередающих блоков содержит передающий компонент и соответствующий ему приемный компонент. При этом эффективная ширина тестирования в поперечном направлении задается таким образом, что в процессе относительного движения тестируемого объекта и зонда в направлении тестирования приемопередающий блок способен тестировать трек с эффективной шириной тестирования. Размер эффективной ширины тестирования несколько меньше, чем физическая протяженность приемопередающего блока в поперечном направлении, поскольку чувствительность такого блока обычно резко падает вблизи его поперечных краев, так что эффективное тестирование может осуществляться только в пределах немного меньшей ширины. Приемопередающие блоки образуют по меньшей мере два ряда, расположенных друг за другом в продольном направлении и имеющих протяженность в поперечном направлении. Приемопередающие блоки из различных рядов взаимно смещены в поперечном направлении таким образом, что приемные компоненты взаимно смещенных приемопередающих блоков расположены с взаимным перекрытием в зоне перекрытия. В результате совокупность приемопередающих блоков обеспечивает общую эффективную ширину тестирования посредством зонда, не имеющую зазоров. Все приемопередающие блоки размещены в корпусе зонда.
[0012] Все передающие компоненты электрически подсоединены к общему терминальному передающему компоненту зонда. Передающие компоненты электрически соединены последовательно и могут быть легко синхронно активированы посредством общего сигнала. Таким образом, синхронность сигналов обеспечивается конструкцией зонда и не требует применения сложной электроники.
[0013] Хотя можно использовать более двух рядов с одним или более приемопередающих блоков в каждом ряду, приемопередающие блоки предпочтительно разместить в два ряда, расположенных в продольном направлении друг за другом.
[0014] Поскольку все приемопередающие блоки должны находиться в одной зоне корпуса зонда, обеспечена возможность разместить эти блоки в процессе изготовления зонда внутри корпуса зонда точно в предназначенных для них положениях и, соответственно, точно обеспечить взаимное позиционирование приемопередающих блоков. Заданная геометрическая конфигурация совокупности приемопередающих блоков в корпусе зонда, как правило, обеспечивается с помощью несущих элементов, причем она является постоянно фиксированной и защищенной от проникновения связывающей среды с помощью подходящего заливочного компаунда, такого как, например, эпоксидная смола.
[0015] Взаимное наложение эффективных ширин тестирования индивидуальных приемопередающих блоков фактически могло бы быть достигнуто также путем помещения приемопередающих блоков в корпус зонда по отдельности с размещением сформированных таким образом индивидуальных зондов в держателе зонда в виде двух или более взаимно смещенных рядов. Однако соответствующие тесты показали, что в случае такой комбинации индивидуальных зондов может оказаться затруднительным обеспечить, с требуемой точностью, желательный связывающий зазор по отдельности для каждого зонда в держателе. Если же все приемопередающие блоки находятся в одном и том же корпусе зонда, взаимное расположение приемопередающих блоков может быть точно зафиксировано в процессе изготовления зонда, так что задание связывающего зазора может быть осуществлено быстро и прецизионно одновременно для всех приемопередающих блоков, когда зонд будет установлен в держателе. В результате достигается возможность прямого сопоставления амплитуд сигналов от референтных дефектов для всех приемопередающих блоков зонда.
[0016] Путем взаимного перекрытия приемопередающих блоков, которые смещены в поперечном направлении относительно друг друга в перекрывающиеся зоны, можно достичь того, что каждый приемопередающий блок использует только ту область теоретически доступной ширины тестирования, в которой обеспечивается достаточно высокая чувствительность. Ширина зоны взаимного наложения в этом случае предпочтительно выбирается таким образом, что зоны падения чувствительности в непосредственной близости к поперечным краям приемопередающих блоков накладываются одна на другую так, что заметное падение чувствительности между приемопередающими блоками, смежными в поперечном направлении, исключается или существенно уменьшается по сравнению с известной группой осцилляторов, расположенных только в один ряд. В некоторых предлагаемых вариантах зоны перекрытия имеют ширину, составляющую по меньшей мере 10% эффективной ширины тестирования для индивидуальных приемопередающих блоков и предпочтительно лежащую в интервале от 20% до 30% эффективной ширины тестирования. Выполнение этих условий, с одной стороны, гарантирует, что перекрытие является достаточным для предотвращения существенных падений чувствительности в зонах перекрытия. С другой стороны, не делая зоны перекрытия слишком широкими, можно достичь эффекта, состоящего в обеспечении требуемой эффективной ширины тестирования посредством зонда с использованием относительно небольшого количества индивидуальных приемопередающих блоков.
[0017] В некоторых вариантах конфигурация выбрана такой, что расстояние между смежными приемопередающими блоками в одном ряду превышает 30% или 50% эффективной ширины тестирования приемопередающего блока. Тем самым можно гарантировать, что не происходит "потери" возможной, в принципе, ширины тестирования или эта "потеря" мала.
[0018] Каждый из передающих и приемных компонентов предпочтительно снабжен пластиной (например прямоугольной) из пьезоэлектрического материала, которая в случае передающего компонента действует как излучающий ультразвуковой преобразователь, а в случае приемного компонента - как приемный ультразвуковой преобразователь. Эти пластины выполнены отдельно одна от другой и снабжены электрическими контактами. В предпочтительных вариантах данные пластины расположены наклонно по отношению одна к другой, так что формируется двускатная конфигурация ("крыша"), зеркально симметричная относительно плоскости, разделяющей пластины. Разделяющая плоскость имеет протяженность в поперечном направлении. Угол "крыши" может составлять, например, 6°, хотя возможны также большие или меньшие значения.
[0019] Между ультразвуковыми преобразователями, в разделяющей их плоскости (плоскости симметрии конфигурации в форме крыши), предпочтительно установлена перегородка из материала, поглощающего ультразвук. Одно из назначений перегородки заключается в акустическом развязывании передающего и приемного компонентов приемопередающего блока, так что передача звука может иметь место только непрямым путем, через материал тестируемого объекта, который в процессе тестирования связан с данными компонентами. Перегородка может также служить для электрического развязывания ультразвуковых преобразователей на передающей стороне и на приемной стороне.
[0020] Преимущества новой концепции могут быть реализованы, даже если используются только два приемопередающих блока, находящихся в одном ряду с взаимным смещением в поперечном направлении, а в корпусе зонда установлены только два ряда таких блоков, взаимно смещенных в продольном направлении. Однако можно использовать и значительно большие количества приемопередающих блоков, например от пяти до десяти. Вместе с тем, в предпочтительных вариантах в корпусе зонда находятся, конкретно, три, четыре или пять приемопередающих блоков. При этом первый и третий приемопередающие блоки расположены смежно в первом ряду, а второй приемопередающий блок расположен во втором ряду со смещением вдоль ряда, симметричным относительно первого и третьего приемопередающих блоков. В случае использования четырех приемопередающих блоков четвертый приемопередающий блок предпочтительно устанавливается во втором ряду на расстоянии, в поперечном направлении, от второго приемопередающего блока. При наличии пятого приемопередающего блока он может быть помещен в первый ряд.
[0021] При оптимизации количества, размеров и распределения приемопередающих блоков следует учитывать, с одной стороны, что индивидуальная амплитуда сигнала приемника в случае дефекта определенного размера будет тем выше, чем меньше эффективная ширина тестирования или чем больше отношение размера дефекта к эффективной ширине тестирования. Соответственно, для получения большой амплитуды сигналов желательно увеличить количество приемопередающих блоков, например до 6-10 или более. С другой стороны, при увеличении количества приемопередающих блоков возрастают и технологические трудности, которые нужно преодолеть, чтобы правильно позиционировать их, а также провести соответствующее тестирование и оценку электроники. Если же, по контрасту, имеются только два приемопередающих блока, размещенные двумя взаимно смещенными рядами, требуемая индивидуальная эффективная ширина тестирования может оказаться относительно большой, так что амплитуда сигнала может оказаться недостаточно высокой, особенно в случае мелких дефектов. Поэтому количество приемопередающих блоков в зонде, составляющее именно три, четыре или пять, представляется в настоящее время предпочтительным.
[0022] Все приемопередающие блоки, находящиеся в различных рядах, могут иметь одинаковую ориентацию их передающих и приемных компонентов относительно продольного направления (направления тестирования). Таким образом, все передающие компоненты могут излучать в одном направлении, например наклонно вперед или наклонно назад (вдоль направления тестирования). По контрасту, в некоторых вариантах предусматривается, что приемопередающие блоки зонда распределены между первым рядом и вторым рядом, причем передающие компоненты приемопередающих блоков, находящиеся в различных рядах, обращены один к другому и расположены в срединной (относительно продольного направления) области зонда. Благодаря использованию двускатной конфигурации пластины передающих компонентов расположены наклонно по отношению одна к другой таким образом, что передающие компоненты излучают изнутри наружу в направлениях, расходящихся, как следствие наличия угла крыши, под углом одно к другому. В результате лучшее акустическое развязывание приемопередающих блоков, находящихся в различных рядах, может быть достигнуто просто благодаря тому, что главные направления излучения являются расходящимися. В принципе имеется возможность сконструировать корпус зонда таким образом, чтобы для взаимно смещенных приемопередающих блоков в корпусе зонда имелись соответственно адаптированные секции, в которые их можно было вставить. В результате мог бы потребоваться корпус зонда со сложным контуром, имеющим наружные и внутренние углы. Однако корпус зонда предпочтительно имеет прямоугольное поперечное сечение. В частности, размеры и конструкция корпуса зонда могут быть выбраны такими, чтобы он соответствовал поперечному сечению и размерам корпусов зондов, использующих множество разделенных осцилляторов, так что зонды согласно изобретению могут легко заменять в процессе модернизации известные зонды с множеством осцилляторов.
[0023] Имеется также возможность электрически соединить некоторые или все приемные компоненты и подсоединить их к общему терминальному приемному компоненту. Однако желательно электрически соединить каждый из приемных компонентов с отдельным терминальным приемным компонентом зонда. Как следствие, становится возможной точная привязка индивидуальных сигналов о дефектах к локализации дефекта или к узкому треку в поперечном направлении, позволяющая повысить точность локализации дефектов в поперечном направлении.
[0024] Терминальный передающий компонент и терминальные приемные компоненты могут быть размещены в общем коннекторном блоке. Это обеспечивает легкое электрическое подключение зонда после его установки в держатель. Более того, применение данного зонда в существующих системах тестирования, возможно, не потребует никакой адаптации электрических кабелей.
[0025] Между передающим и приемным компонентами предпочтительно помещается, для их акустического развязывания, перегородка (акустический экран) из материала, поглощающего ультразвук, например из пробки, пенопласта и т.д. В некоторых вариантах с этой же целью, альтернативно или дополнительно, между приемопередающими блоками, расположенными смежно в одном ряду, установлена по меньшей мере одна перегородка из материала, поглощающего ультразвук, например из пробки. В результате могут быть существенно уменьшены или исключены перекрестные наводки в поперечном направлении. Если имеются два или более приемопередающих блока, расположенных друг за другом, они могут иметь общую перегородку, обеспечивающую акустическое развязывание передающих и приемных компонентов в составе приемопередающих блоков. Такое решение уменьшает производственные затраты, необходимые для акустического развязывания.
[0026] С целью акустической оптимизации зонда каждый приемопередающий блок может быть снабжен звукопоглощающим элементом, расположенным на стороне зонда, противоположной той его стороне, которая должна приводиться в акустический контакт с поверхностью тестируемого объекта. Хотя каждый приемопередающий блок может быть снабжен собственным звукопоглощающим элементом, корпус зонда предпочтительно содержит единственный звукопоглощающий элемент, который действует как звукопоглощающий элемент для всех приемопередающих блоков. Одним из результатов такого выполнения является упрощение изготовления.
[0027] Изобретение относится также к ультразвуковой системе неразрушающего тестирования объекта в процессе относительного движения тестируемого объекта и зонда в направлении тестирования, которая содержит один или более зондов согласно изобретению. Данная система может являться, в частности, ультразвуковой системой тестирования металлических плит.
Краткое описание чертежей
[0028] Другие преимущества и свойства изобретения станут ясны из прилагаемой формулы и нижеследующего описания предпочтительных вариантов изобретения, рассматриваемых со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлен, на виде в плане, с его активной стороны, ультразвуковой зонд согласно варианту изобретения.
На фиг. 2 показан, в разрезе, зонд по фиг. 1, установленный в держатель зонда.
На фиг. 3 схематично, на виде в плане, представлен вариант с другим расположением звукопоглощающих перегородок.
На фиг. 4 схематично, на виде в плане, представлен еще один вариант с другим расположением звукопоглощающих перегородок.
На фиг. 5 показан, в разрезе, зонд по фиг. 2 с другой последовательностью передающих и приемных компонентов.
Осуществление изобретения
[0029] На фиг. 1 схематично изображен, на виде в плане, зонд 100 согласно одному из вариантов изобретения. Зонд показан со своей активной стороны, т.е. со стороны, которой он подводится к поверхности объекта, подлежащего тестированию. На фиг. 2 тот же зонд показан в разрезе вертикальной плоскостью. Данный зонд предназначен для использования в полностью автоматической ультразвуковой системе тестирования металлических плит, в которой используется группа номинально идентичных зондов. Зонд предпочтительно функционирует на номинальной частоте около 4 или 5 МГц и в представленном варианте использует комбинацию из трех излучающих и трех приемных ультразвуковых преобразователей, т.е. представляет приемопередающий зонд (зонд-трансивер).
[0030] Зонд предпочтительно использует фрезерованный металлический корпус 110, который имеет в сечении, как показано на фиг. 1, по существу, прямоугольную форму с шириной (измеряемой в поперечном направлении Q), более чем вдвое превышающей длину (измеряемую в продольном направлении L). Как пример, ширина корпуса составляет около 65 мм, тогда как его длина (измеряемая в направлении, перпендикулярном ширине) составляет 24-25 мм. Корпус зонда открыт со стороны активной поверхности 120 (см. фиг. 2). На задней стороне, противоположной активной поверхности, корпус зонда является закрытым, за исключением проходов для вывода электрических линий.
[0031] Как схематично проиллюстрировано на фиг. 2, в процессе установки и настройки системы тестирования зонд 100 вводится в держатель 200, который вместе с группой других, номинально идентичных, держателей зондов закреплен на поверхности тестирующей каретки в составе системы тестирования. На нижней стороне держателя 200, обращенной к тестируемому объекту 290, закреплена так называемая износостойкая подложка 210 (wear sole) в виде пластины из износостойкого материала, например из высококачественной стали с твердыми металлическими включениями или из закаленной стали. Для проведения тестирования держатели зондов подводятся к тестируемому объекту 290 так, чтобы износостойкие подложки пришли в контакт с поверхностью 292 тестируемого объекта и скользили по ней, если тестируемый объект движется относительно держателя зонда в направлении 295 тестирования. Зонд в этом случае устанавливается в держатель зонда таким образом, чтобы продольное направление L зонда, насколько это возможно, было параллельно направлению 295 тестирования. Соответственно, направление Н по высоте, ортогональное по отношению к продольному и поперечному направлениям, будет отходить от поверхности объекта, насколько это возможно, в вертикальном направлении. Типичная скорость движения в процессе тестирования после подведения всех держателей зондов составляет, например, 0,5-1 м/с.
[0032] Износостойкая подложка 210 имеет прямоугольный вырез или просвет 215, который отходит от ее контактной поверхности 212 к внутренней стороне и имеет такие размеры в продольном направлении L и в поперечном направлении Q, что зонд 100 может быть введен через него с малым зазором относительно держателя зонда. На заднем конце зонда, т.е. на стороне, обращенной от активной поверхности 120, имеется несущая пластина 220, которая служит для закрепления и настройки вертикального положения зонда в держателе 200 зонда. Зонд, установленный в держатель, расположен таким образом, что между планарной активной поверхностью 120 зонда и плоскостью, образованной контактной поверхностью 212 износостойкой подложки 210, остается так называемый связывающий зазор (coupling gap) SP, толщина D которого является постоянной, насколько это возможно, по ширине зонда и часто составляет примерно 0,25-0,35 мм. В процессе тестирования этот зазор заполняют связывающей жидкостью, обычно водой. Точное выдерживание не имеющего клиновидности связывающего зазора, особенно в продольном направлении, является существенным предварительным условием для надежного ультразвукового тестирования.
[0033] Зонд 100 сконструирован таким образом, что он обладает относительно однородной высокой чувствительностью без каких-либо значительных локальных падений чувствительности по всей эффективной ширине РКРВ тестирования посредством зонда. С этой целью в рассматриваемом примере во внутреннем объеме корпуса зонда установлены три номинально идентичных приемопередающих блока, т.е. первый, второй и третий приемопередающие блоки 150-1, 150-2, 150-3. Каждый из приемопередающих блоков содержит единственный передающий компонент Т1, Т2, Т3 и единственный приемный компонент R1, R2, R3, соответствующий передающему компоненту в том же блоке. Каждый из передающих и приемных компонентов снабжен тонкой прямоугольной пластиной из пьезоэлектрического материала, которая в случае передающего компонента действует как излучающий ультразвуковой преобразователь, а в случае приемного компонента - как приемный ультразвуковой преобразователь. На передней и задней сторонах пластины имеются неизображенные контакты. Прямоугольные пластины ориентированы параллельно одна другой в поперечном направлении Q и имеют взаимный наклон в продольном направлении, так что образуется двускатная конфигурация (конфигурация в форме крыши), зеркально симметричная относительно разделяющей плоскости, например, с углом 6° (фиг. 2). В разделяющей плоскости (в плоскости симметрии конфигурации в форме крыши) между ультразвуковыми преобразователями введена разделяющая стенка (перегородка) 152-1 из материала, поглощающего ультразвук. Перегородка, предпочтительно выполненная из пробкового материала, служит для акустического развязывания передающего и приемного компонентов приемопередающего блока, так что передача звука может происходить только непрямым путем, через материал тестируемого объекта, который связан с данным блоком в процессе тестирования. Перегородка служит также для электрического развязывания ультразвуковых преобразователей на передающей и приемной сторонах.
[0034] Представленный порядок расположения передающего и приемного компонентов приемопередающего блока в направлении тестирования может быть изменен на обратный. Соответствующие примеры обсуждаются со ссылками на фиг. 5.
[0035] Над приемопередающими компонентами во внутреннем объеме корпуса 110, закрытого на своей задней стороне, помещен единственный звукопоглощающий элемент 260, который служит для подавления распространяющихся назад звуковых волн от всех приемопередающих блоков. Свободные пространства внутри корпуса между передающими компонентами, приемными компонентами и перегородками заполняют заливочным компаундом из пластика до уровня активной поверхности 120. Тем самым обеспечивается водонепроницаемая герметизация электрических компонентов зонда.
[0036] Каждый из приемопередающих блоков имеет эффективную ширину РВ тестирования, которая измеряется в поперечном направлении и которая несколько (примерно на 10%-20%) меньше, чем физическая протяженность передающего компонента Т1 и приемного компонента R1 в том же направлении. Чтобы пояснить понятие эффективной ширины РВ1 тестирования для первого приемопередающего блока 150-1, на фиг. 1 представлена кривая Е1, которая иллюстрирует типичный профиль амплитуды сигнала по длине компонента (измеренной в поперечном направлении Q) применительно к референтному дефекту FBH-2. Амплитуда сигнала является мерой чувствительности. Данный профиль чувствительности характеризуется наличием довольно широкого плато, симметричного относительно середины приемопередающего блока, довольно высокой наблюдаемой амплитудой сигнала с пологим локальным падением чувствительности в середине компонента, двумя локальными максимумами М1, М2, смещенными к наружным краям компонента, а также резким падением чувствительности в непосредственной близости к поперечным краям компонента. Эффективная ширина РВ1 тестирования может быть определена, например, таким образом, что она соответствует области, в которой амплитуда сигнала меньше, чем в локальных максимумах, не более, например, чем на 4 дБ. Каждый из остальных приемопередающих блоков имеет эффективную ширину РВ2 и РВ3 тестирования соответственно. Значения эффективной ширины тестирования могут составлять, например, 20 мм или более. В процессе движения тестируемого объекта 290 относительно зонда в направлении 295 тестирования каждый из приемопередающих блоков сканирует тестируемый трек с шириной (в поперечном направлении), которая соответствует эффективной ширине тестирования для этого приемопередающего блока.
[0037] Приемопередающие блоки расположены относительно друг друга таким образом, что имеет место частичное наложение в поперечном направлении между их эффективными ширинами тестирования и между тремя тестируемыми треками, которые сканируются приемопередающими блоками. В результате сканирование может производиться с высокой чувствительностью по всей суммарной ширине тестирования, обеспечиваемой зондом. С этой целью приемопередающие блоки установлены двумя прямыми рядами 155-1, 155-2, расположенными друг за другом в продольном направлении L и ориентированными в поперечном направлении Q. В этом варианте первый и третий приемопередающие блоки 150-1, 150-3 находятся в первом ряду 155-1 с расстоянием (зазором) между ними в поперечном направлении Q, равным DQ. При этом разделяющие плоскости между передающими компонентами Т1, Т3 и приемными компонентами R1, R3 соответственно совпадают одна с другой. Расстояние DQ между двумя приемопередающими блоками одного ряда (измеряемое в поперечном направлении) составляет от 40% до 60% размера приемопередающих блоков в этом направлении (т.е. от их ширины).
[0038] Второй приемопередающий блок 150-2 находится во втором ряду 155-2, т.е. он смещен в продольном направлении относительно первого и третьего приемопередающих блоков. Этот блок расположен симметрично относительно других приемопередающих блоков таким образом, что зазор между приемопередающими блоками первого ряда полностью перекрыт.Второй приемопередающий блок 150-2 расположен в поперечном направлении по обе стороны от средней плоскости так, что на виде вдоль продольного направления наружные части этого блока находятся позади соответствующих наружных частей приемопередающих блоков, расположенных в первом ряду. В результате приемопередающие блоки из различных (т.е. из первого и второго) рядов взаимно смещены в поперечном направлении Q таким образом, что приемные компоненты приемопередающих блоков, смещенные друг относительно друга, а также тестируемые треки, сканируемые этими приемопередающими блоками, имеют взаимное наложение в зоне U1-2 или U2-3. Как следствие, приемопередающие блоки совместно перекрывают суммарную эффективную ширину РКРВ тестирования без каких-либо зазоров и без существенного падения чувствительности. Ширина зон U1-2 и U2-3 взаимного наложения, измеряемая в поперечном направлении Q, составляет примерно 15-20% каждой эффективной ширины РВ1, РВ2, РВ3 тестирования, обеспечиваемой соответствующими индивидуальными приемопередающими блоками. Тем самым гарантируется, во-первых, что тестирование с высокой чувствительностью обеспечивается также в зоне тестируемого объекта, соответствующей указанному наложению, и, во-вторых, что полная эффективная ширина тестирования посредством зонда может быть обеспечена относительно небольшим количеством (только тремя) приемопередающими блоками.
[0039] На фиг. 1 наглядно показано, что все передающие компоненты Т1, Т2 и Т3 зонда 100 подсоединены к общему терминальному передающему компоненту AT зонда. От каждого приемного компонента R1, R2, R3 проложена отдельная электрическая линия к отдельному терминальному приемному компоненту AR1, AR2, AR3. Терминальный передающий компонент AT и терминальные приемные компоненты AR1, AR2 и AR3 находятся в общем коннекторном блоке, так что зонд может быть удобным образом подсоединен к электронике ультразвуковой системы тестирования путем подключения к соответствующей розетке.
[0040] Существуют различные возможности для акустического и электрического развязывания передающих и приемных компонентов. В варианте по фиг. 1 и 2 каждый приемопередающий блок имеет перегородку 152-1, установленную между передающим и приемным компонентами. Перегородки не соединены одна с другой. В варианте зонда 300 по фиг. 3 используется перегородка 352, общая для двух приемопередающих блоков, находящихся в одном (первом) ряду. Этим можно упростить изготовление зонда. В варианте зонда 400 по фиг. 4 используется перегородка 452, ориентированная в поперечном направлении и расположенная между приемопередающими блоками первого ряда и приемопередающим блоком второго ряда. Имеются также другие перегородки, ориентированные в продольном направлении и находящиеся на узких сторонах приемопередающего блока. Более конкретно, перегородки находятся на обращенных одна к другой сторонах приемопередающих блоков первого ряда. Это обеспечивает лучшее подавление перекрестных наводок в зонде, чем в вариантах, не имеющих таких перегородок.
[0041] В вариантах по фиг. 1-4 передающие компоненты Т1, Т2 и др. в составе различных приемопередающих блоков расположены таким образом, что все передающие компоненты находятся во взаимно параллельных плоскостях, под углом к плоскости L-Q, благодаря чему все передающие компоненты из рядов, расположенных последовательно в продольном направлении L, излучают в одном направлении. Следовательно, в варианте по фиг. 1 три передающих компонента Т1, Т2 и Т3 в процессе движения зонда в продольном направлении L будут излучать в направлении наклонно вперед.
[0042] На фиг. 5 представлена, в разрезе, аналогичном использованному на фиг. 2, модификация варианта по фиг. 1, 2. Для большей понятности используются те же обозначения. Единственное различие по сравнению с вариантом по фиг. 2 состоит в том, что передающие компоненты Т1 и Т2 приемопередающих блоков, расположенных друг за другом во взаимно параллельных рядах, не находятся во взаимно параллельных плоскостях, а установлены под углом друг к другу. Аналогичным образом расположены приемные компоненты R1, R2. Один из эффектов такого расположения состоит в том, что излучающие поверхности передающих компонентов Т1, Т2 в составе приемопередающих блоков, расположенных в продольном направлении непосредственно друг за другом, развернуты одна относительно другой и стыкуются в зоне взаимного наложения в продольном направлении. В результате такого взаимно развернутого положения главные направления излучения (отмеченные косыми стрелками) ориентированы таким образом, что передающие компоненты излучают ультразвук в направлении изнутри наружу. Следовательно, главные направления излучения имеют в продольной плоскости противоположно направленные компоненты. Как результат, по сравнению с ориентацией, представленной на фиг. 1, может быть обеспечено улучшенное акустическое развязывание передающих компонентов, находящихся в различных рядах. Таким образом, в вариантах с двухрядным расположением, использующих указанный разворот, можно установить передающие компоненты, взаимно смещенные в продольном направлении, в срединной области зонда и, благодаря их развернутому положению, испускать звуковые волны в направлениях наружу, от продольной оси.
[0043] Соответствующие модификации возможны также в отношении вариантов по фиг. 3 и 4. Например, применительно к варианту по фиг. 3 расположение передающих компонентов Т2 и приемных компонентов R2 можно изменить так, чтобы передающий компонент Т2 непосредственно примыкал к передающим компонентам Т1 и Т3 двух приемопередающих блоков из другого ряда. Применительно к варианту по фиг. 4 соответствующая модификация может состоять в том, что передающий компонент Т2 непосредственно примыкает к перегородке 452, тогда как приемный компонент R2 смещен в наружном направлении, т.е. находится вблизи корпуса зонда.
[0044] Как известно, ультразвуковое тестирование основано на различии в уровнях звуковых волн, распространяющихся в различных средах. Так, эти волны испытывают частичное отражение на границах сред, имеющих различное волновое сопротивление. С ростом разности волновых сопротивлений возрастает также отраженная компонента. Изменение акустических свойств на границе в зоне дефекта или неоднородности внутри тестируемого объекта приводит к отражению звуковых импульсов, испущенных передающим компонентом, которые поступают к приемному компоненту в составе зонда. Под дефектами (неоднородностями) понимаются, например, полости, включения, трещины или другие разрывы микроструктуры. В эхо-импульсном методе измеряется время, прошедшее между передачей и приемом импульса, причем выходной сигнал может генерироваться по результатам измерений указанного времени. При этом положение и размер дефекта (неоднородности) могут быть определены путем сравнения таких сигналов с сигналами от эквивалентного отражателя (например от стандартного плоскодонного отверстия, FBH), канавки или поперечного канала. В случае автоматических систем тестирования информация сохраняется, соотносится с тестируемым объектом и документируется, в различных вариантах, немедленно или с задержкой.
[0045] Тестирования посредством обычных приемопередающих зондов, разделенных на 4 канала, показали, что эти зонды имеют достаточную чувствительность по всей эффективной ширине тестирования для эквивалентных отражателей вплоть до класса FBH-3 (плоскодонное отверстие с диаметром 3 мм). Было, однако, обнаружено, что детектировать референтные дефекты класса FBH-2 или более мелкие с достаточной воспроизводимостью часто оказывается невозможно. Одна из причин, со ссылкой на которую объясняют указанное ограничение чувствительности, состоит в наличии зон пониженной чувствительности на стыках между смежными приемными компонентами в одном ряду. Предложенное новое расположение приемопередающих блоков в зонде с взаимным наложением тестируемых треков, т.е. с эффективной шириной тестирования согласно рассмотренным вариантам изобретения, позволяет детектировать, с высокой воспроизводимостью, референтные дефекты класса FBH-2 или более мелкие (например, вплоть до FBH-1.2 или FBH-1 или еще более мелкие).
1. Зонд (100) для ультразвуковой системы неразрушающего тестирования материала при движении тестируемого объекта (290) относительно зонда в направлении (295) тестирования, содержащий:
корпус (110), который задает продольное направление (L), совпадающее с направлением тестирования, и поперечное направление (Q), перпендикулярное к направлению тестирования, и
группу приемопередающих блоков (150-1, 150-2, 150-3), каждый из которых содержит передающий компонент (Т1, Т2, Т3) и соответствующий ему отдельный приемный компонент (R1, R2, R3) и задает в поперечном направлении (Q) эффективную ширину (РВ1, РВ2, РВ3) тестирования с обеспечением, в процессе относительного движения тестируемого объекта и зонда в направлении тестирования, возможности тестирования трека с шириной, равной эффективной ширине тестирования, при этом:
приемопередающие блоки образуют по меньшей мере два ряда (155-1, 155-2), расположенные в продольном направлении (L) друг за другом и имеющие протяженность в поперечном направлении (Q);
приемопередающие блоки из различных рядов взаимно смещены в поперечном направлении (Q) таким образом, что приемные компоненты (R1, R2, R3) взаимно смещенных приемопередающих блоков расположены с взаимным перекрытием в зоне (U1-2, U2-3) перекрытия, так что совокупность приемопередающих блоков обеспечивает общую эффективную ширину (PKPB) тестирования посредством зонда, не имеющую зазоров;
все приемопередающие блоки размещены в корпусе (110) зонда, причем каждый из передающих компонентов (Т1, Т2, Т3) и приемных компонентов (R1, R2, R3) снабжен пластиной из пьезоэлектрического материала и пластины в составе одного приемопередающего блока расположены наклонно по отношению одна к другой с формированием двускатной конфигурации, зеркально симметричной относительно разделяющей их плоскости, и
все передающие компоненты (Т1, Т2, Т3) электрически подсоединены к общему терминальному передающему компоненту (AT) зонда.
2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что зоны (U1-2, U2-3) перекрытия имеют в поперечном направлении ширину, составляющую по меньшей мере 10%, предпочтительно от 20% до 30%, эффективной ширины (РВ1, РВ2, РВ3) тестирования.
3. Зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что смежные приемопередающие блоки (150-1, 150-2), находящиеся в одном ряду (155-1), разделены расстоянием (DQ), превышающим 30% эффективной ширины (РВ1, РВ2, РВ3) тестирования для приемопередающего блока.
4. Зонд по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что между пластинами, в разделяющей их плоскости, предпочтительно установлена перегородка (152-1) из материала, поглощающего ультразвук.
5. Зонд по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в корпусе (110) зонда размещены три или четыре приемопередающих блока (150-1, 150-2, 150-3), причем первый и третий приемопередающие блоки расположены смежно в первом ряду (155-1), а второй приемопередающий блок (150-2) расположен во втором ряду (155-2) со смещением вдоль ряда, симметричным относительно первого и третьего приемопередающих блоков.
6. Зонд по п. 4 или 5, отличающийся тем, что приемопередающие блоки (150-1, 150-2, 150-3) распределены между первым рядом (155-1) и вторым рядом (155-2), при этом передающие компоненты приемопередающих блоков, находящиеся в различных рядах, обращены один к другому и расположены в срединной области зонда, а пластины указанных компонентов, входящие в состав двускатной конструкции, расположены наклонно по отношению одна к другой так, что передающие компоненты способны, при их активации, излучать в направлениях, расходящихся под углом одно к другому.
7. Зонд по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что его корпус (110) имеет в поперечном сечении прямоугольную форму.
8. Зонд по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что каждый из приемных компонентов (R1, R2, R3) электрически подсоединен к отдельному терминальному приемному компоненту (AR1, AR2, AR3) зонда.
9. Зонд по п. 8, отличающийся тем, что терминальный передающий компонент (AT) и терминальные приемные компоненты (AR1, AR2, AR3) размещены в общем коннекторном блоке.
10. Зонд по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что внутри корпуса (110) зонда имеется единственный звукопоглощающий элемент (260), функционирующий как звукопоглощающий элемент для всех приемопередающих блоков.
11. Зонд по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что снабжен по меньшей мере одной перегородкой из материала, поглощающего ультразвук, которая расположена между смежными приемопередающими блоками одного ряда.
12. Ультразвуковая система неразрушающего тестирования объекта в процессе относительного движения тестируемого объекта и зонда в направлении тестирования, которая содержит один или более зондов, выполненных согласно любому из предыдущих пунктов.
