[发明专利]一种带温度补偿的阵列超声探伤方法与系统

说明书

技术领域

本发明属于超声波探伤的技术领域，具体涉及一种带温度补偿的用超声波换能器阵列对被测工件进行探伤的方法和装置。

背景技术

工业探伤利用物质的声、光等特性，检测被测工件内是否存在裂缝、细纹等缺陷，并给出缺陷的位置、大小、形状等信息。随着无损检测技术的发展，超声波检测以其不介入被测工件、不影响设备正常工作的优点，得到越来越广泛的应用。超声波检测一般采用脉冲反射法，发射端发射短时脉冲波到被测工件内，若被测工件没有裂缝、细纹等缺陷，则发射波只会传播到被测工件底面并产生反射回波；若被测工件存在裂缝、细纹等缺陷，则发射波和底面的反射回波之间会出现一个或几个缺陷反射回波。测量缺陷反射回波相对于发射波的时延，结合已知的超声波在被测工件中的传播速度（如声波在16MnR钢中的理想传播速度：纵波是5920m/s，横波是3220m/s），就可以很容易地得到缺陷与发射端之间的距离，即是估算出了缺陷的位置，而对缺陷反射回波的细致分析又可以得到缺陷的大小、形状等信息。

传统超声波检测的方法是采用单通道超声波检测，此方法每次的探测范围有限，所以需要经常移动探头；而且其聚焦区域固定，不利于探测。

最近出现的多通道超声波检测方法，是通过控制相位延迟，调节超声波换能器阵列中各阵元的工作次序，获得所需要的发射声场，并进行选区接收，有助于对缺陷进行更灵活准确的定位。相控阵超声技术，其特点是使用超声波换能器阵列，各阵元具有独立的发射和接收电路，通过控制各阵元的发射和接收延时，可以实现对超声波束的控制。其中，相控阵发射时，设置好各个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，得到声束聚焦和声束偏转以及偏转与聚焦的组合控制等效果。相控阵接收时，超声波换能器阵列接收回波信号，经过信号预处理以后，对各阵元接收到的回波信号进行延时补偿，然后叠加合成，就能将某个方向的回波信号聚焦，而其他方向的回波信号会因为相消干涉而减弱或抵消。

对于工业探伤而言，被测工件的缺陷往往都在毫米级以下，对缺陷的判断、准确定位要求非常高。而一些外在环境如温度会对缺陷的判断和准确定位产生影响。例如声波在16MnR钢中的理想传播速度：纵波是5920m/s，横波是3220m/s，这是在常温（20^oC---30^oC）的声速，当温度发生改变后，声速也会发生改变，就不再是理想值。研究人员在16MnR钢中测试超声波传播速度的实验中发现，温度变化会对16MnR钢的弹性模量、泊松比和密度的变化产生影响，进而对超声波在16MnR钢的传播速度产生影响。这说明，声速会随温度的变化发生变化。而声速的变化会造成缺陷空间位置的误判。举例说明，如温度为50 ^oC时，16MnR钢中存在一条与发射端垂直距离为5cm的裂缝，此温度下声速在16MnR钢中的准确值应该为3150m/s(横波)，但如果继续使用声速在16MnR钢中的理想值3220m/s(横波)，就会把裂缝的深度位置误判为5.5cm。这样，声速在16MnR钢中5920m/s(纵波)，3220m/s(横波)的理想取值就不再适用了，此时需要测量温度，对声速做出一定的修正。

 于2005年3月2日公开的中国发明专利申请CN1588036A，提出了一种超声波探伤系统，该装置由超声波换能器、处理系统、图像显示装置及信号处理软件组成，超声波换能器采用了旋转体结构，优选采用球形结构或圆柱体结构，利用信号处理软件将得到的信息进行实时的二维，三维成像。但这种装置仍存有一些不足：

1、采用旋转体结构的超声波换能器阵列对耦合剂的要求很高，通常只能采用液浸探伤的方法，不利于现场探伤应用。

2、计算缺陷位置所使用的被测工件内声速被视为一个恒定数值，并没有考虑到温度对被测工件内声速的影响，从而对缺陷的定位造成偏差。

发明内容

本发明的目的是针对现有方法没有考虑到温度对被测工件内声速的影响和对耦合剂要求高的不足，提出一种带温度补偿的阵列超声探伤方法与系统。根据温度和被测工件内声速的理论关系函数计算被测工件内声速的准确值，再采用二维面形结构的超声波换能器阵列得到缺陷的大致区域，进而用波束成形技术发射动态聚焦和偏转的超声波以得到微小缺陷的精确位置，而对缺陷反射回波的细致分析又可以得到缺陷的大小、形状等信息。这样可以提高检测的准确度，提高对复杂结构件和微小缺陷的检测能力。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：