NO801962L - Fremgangsmaate til ikke destruktiv materialproevning med ultralydpulser. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til ikke destruktiv materialprøvning med ultralydpulser som forplantes inn i ar-beidsstykket som skal prøves, og reflekteres av et feilsted hvis beliggenhet utledes fra ultralydpulsenes og ekkopulsenes forplantningstid.

Ved ikke destruktiv materialprøvning er der allerede kjent metoder som beror på spredning eller refleksjon av ultralydpulser i materialet og gjør det mulig å bestemme og lokali-sere variasjoner i strukturen, særlig feilsteder. Ultralyd sendes inn rettet i overflaten av materialstykket som skal undersøkes, og blir under konstante sendebetingelser flyttet på overflaten langs materialstykket. Ekkospredningsstrålingen fra materialstykket blir detektert, og amplituden av de suksessive ekkopulser blir gjort synlig på en billedskjerm. Under forskyvningen langs overflaten blir endringene i amplituden av de ekkopulser som resulterer av de forskjellige suksessive ultralydpulser, registrert eller lagret. På billedskjermen kan ekkopulsenes amplitude gjøres synlig som funksjon av stråle-buntens forskyvning. I anordningen til gjennomførelse av fremgangsmåten kan senderne for ultralydpulsene tillike tjene som mottagere for ekkopulsene (DE-OS 2 600. 720) ..

Ved en annen metode til kontinuerlig prøvning av faste legemer ved hjelp av ultralyd blir materialstykket dyppet

i et flytende koblingsmedium og resultatet av prøvningen likeledes synlig tilkjennegitt ved hjelp av et katodestrålerør med lyshetsmodulasjon for katodestrålen. Under hensyntagen til innflytelsen av forskjellige lengder av utbredelsesveiene for ultralydpulsene, dels i koblingsmediet og dels i materialstykket, bestemmes da tidsintervallet mellom utsendelsen av en ultralydpuls og dennes ankomst ved et innfallspunkt på legemet som skal prøves, på grunnlag av et ekosignal tilordnet dette innfallspunkt (DE-OS 1 698 518). Prøvningen av forholdsvis store arbeidsstykker krever ved denne metode imidlertid en tilsvarende stor påkostning. Hertil kommer at alle flytende koblingsmidlér i alminnelighet har vesentlig mindre motstand mot lydforplantningen enn materialstykket som skal prøves.

Særlig vanskelig blir den akustiske tilkobling når tall-rike transducer.elementer blir forenet til en såkalt array. Derfor er man ved materiålprøvning begrenset til små arrays, f.eks. 20 svingningskilder. Ved en sektorscanner kan man ved faseforskjøvet påstyring oppnå en fokusering og sveiping, så det blir mulig å avsøke et visst vinkelområde. Men selv med en sektorscanner kan der bare frembringes et snittbilde, dvs. et todimensjonalt bilde. På grunn av problemene med akustisk tilkobling ved på forhånd gitte krumme overflater lar store arrays seg ikke anvende.

Til grunn for oppfinnelsen ligger nå den oppgave å gi anvisning på en fremgangsmåté til ikke destruktiv materialprøv-ning med ultralyd, hvormed det blir mulig i et relativt stort volum, ca. 0,5<*>0,5 ° 0,5 m 3, å finne en feil nesten uavhengig av overflatestruktur og form og dessuten å avbilde den tredimen-sjonalt. Detektering og avbildning av feilen skal være mulig på kort tid, fortrinnsvis vesentlig mindre enn et minutt. ;Ved en fremgangsmåte av deri innledningsvis angitt art blir denne oppgave ifølge oppfinnelsen løst ved at der fra materialstykkets overflate tilføres feilstedet minst én ultralydpuls, at ekkopulsene tas opp på tre forskjellige punkter av overflaten og omformes til elektroniske ekkosignaler, og ;at disse ekkosignaler i samsvar med sine forskjellige forplantningstider blir overlagret i fasekoinsidens, elektronisk addert og via et elektronisk tidsvindu tilført et lager. Forplantningstiden er avhengig av feilstedet koordinater og av lydhastigheten i stykkets materiale. ;Volumelementene blir etter tur aktivert med ultralydsving-ninger, og de reflekterte signaler blir detektert med ultralydomformere anordnet i fastlagte punkter på overflaten, samt addert i korrekt fase. Ved hjelp av et elektronisk tidsvindu hvis åpningstidspunkt er en funksjon av volumelementets koordinater, og hvis bredde er en funksjon av volumelementets stør-relse, blir der sammen med sende- og ekkopulsenes forsinkelser definert et volumelement med hensyn til beliggenhet og stør-relse. Et feilsted i dette volumelement ytrer seg som øket amplitude av det adderte signal i tidsvinduet. Størrelsen av denne amplitude blir etter analog-digitalomformning lagret i et elektronisk lager. Metoden gjør det mulig å avbilde materialstykket i tre dimensjoner uten å endre ultralydomformernes posisjon under den samlede avsøkning av det på forhånd bestemte volum, som bestemmes med hensyn til form og størrelse ved valg av ultralydsende- og ultralydekkopulsenes forplantningstider. Et konstatert feilsted blir avbildet med hensyn til størrelse, form og beliggenhet i det avsøkte volum. ;Ultralydpulser fra tre punkter anordnet i på forhånd bestemt innbyrdes avstand på overflaten, kan tilføres feilstedet i slik tidsavstand at de blir reflektert samtidig på feilstedet. Ekkopulsen vil da ved sendepunktene igjen bli tatt opp med ;tilsvarende forskjellige tidsavstander og behandlet elektronisk. Overlagring av ekkosignalene i korrekt fase skjer ved hjelp ;av elektroniske forsinkelsestrinn hvis forsinkelsestider er de samme som ved sendingen. De opptrer etter addisjonen i tidsvinduet, hvis åpningstid velges slik at ekkosignalene bare kan være reflektert fra et på forhånd bestemt volumelement i materialstykket dersom dette inneholder et feilsted. Volumelementet er entydig bestemt ved forsinkelsestidene og vinduets åpningstidspunkt. Varigheten av vinduets åpningstid bestemmer størrelsen av volumelementet. ;Disse, signaler blir etter A/D-omformning tilført et lager. En avbildning av lager innholdet kan så vises, fortrinnsvis perspektivisk, på en billedskjerm. De anvendte tre ultralydomformere blir til dette formål bare en gang tilkoblet akustisk på definerte steder og må ikke beveges under avsøkningen. ;Da tre punkter alltid definerer et plan, inngår bare de abso-lutte avstander mellom ultralydbmformerne i beregningen av koordinatene. ;I en anordning til gjennomførelse av fremgangsmåten;blir en sender og tre mottagere anordnet i på forhånd bestemt innbyrdes avstand på overflaten av materialstykket. Senderen tilsluttes en elektronisk pulsgiver som via et elektronisk forsinkelsestrinn åpner det elektroniske tidsvindu. Mottagerne er tilordnet hvert sitt elektroniske forsinkelsestrinn, og disses forsinkelsestider velges slik at de elektronisk adderte ekkosignaler i samsvar med senderpulsens og ekkopulsens forplantningstid bare kan være reflektert av et på forhånd bestemt volumelement av materialstykket. Dette volumelement inneholder et feilsted når der i tidsvinduet blir registrert ekkosignaler. ;Den elektroniske addisjon skjer i en sumforsterker som etter-følges av det elektroniske tidsvindu, ;I en særlig gunstig anordning til gjennomførelse av fremgangsmåten med tre ultralydomformere (transducere), som tjener både som sendere for ultralydpulser og som mottagere for ekkopulser og fortrinnsvis kan utgjøres av piezoelektriske svingkrystaller, inneholder de kanaler som er tilordnet transducerne, foruten de elektroniske forsinkelsestrinn også hver sin elektroniske omkobler. Denne overfører i én stilling sende-pulsen fra en pulsgiver via forsinkelsesleddene til transducerne. Den blir så omkoblet og overfører derpå av transducerne opptatte ekkosignaler via de samme forsinkelsestrinn og den elektroniske sumforsterker til tidsvinduet. ;På grunn av de relativt kompliserte sammenhenger mellom koordinater og.forsinkelsestider blir alle koblingsfunksjoner styrt av en elektronisk computer. Som computer benyttes fortrinnsvis en mikroprosessor. Computeren får koordinatene til de forskjellige volumelementer som skal avsøkes, foreskrevet i henhold til et fritt velgbart skjema. Ut fra disse koordinater beregner computeren de nødvendige forsinkelsestider for forsinkelsestrinnene og overtar i utførelsesformen for feillokaliseringssystemet med tre ultralydomformere som sendere og mottagere omkoblingen av kanalene etter overføringen av senderpulsene, såvel som åpningen av tidsvinduet på et tids-punkt som er en funksjon avVolumelelementets koordinater. ;Til hvert volumelement hører en lagercelle. Lageret;kan fylles ved innskrivning i vilkårlig rekkefølge. For å;finne en feil kan det være hensiktsmessig først å avsøke volumet grovt og i løpet av tilsvarende kort tid ved at volumelementene' velges forholdsvis store. Så snart der ved denne grov-avsøkning er konstatert en feil, kan feilstedets umiddelbare omgivelser avsøkes ved minskning av de akustisk bestrålte volumelementer, hvorved feilens form, størrelse og beliggenhet kan bestemmes. Ved denne grov- og finavsøkning oppnår man en slags lupevirkning. Da lageret inneholder en tredimensjonal informasjon, kan man velge en hvilken som helst form for visning av feilen, fortrinnsvis perspektivisk. ;Systemets følsomhet kan økes, vesentlig når man anvender sektorscanners som muliggjør vinkelsveiping i tre dimensjoner, istedenfor de tre ultralydomformere. ;Oppfinnelsen vil i det følgende bli belyst nærmere under ;henvisning til tegningen.;Fig. 1 er et blokkoblingsskjerna for en anordning til ;gjennomførelse av fremgangsmåten.;Fig.- 2 anskueliggjør anordningens virkemåte i et diagram. Fig. 3 viser en spesiell utførelsesform for en anordning til gjennomførelse av fremgangsmåten, likeledes ved et blokk-skjerna, og ;fig. 4 anskueliggjør virkemåten av denne anordning i;et diagram.;På fig. 1 ses tre ultralydomformere S^, S2, S^ som er anordnet på overflaten av et materialstykke 2 og tjener både som sendere for en ultralydpuls og som mottagere for én ekkopuls, reflektert fra et feilsted P (x, y,2) i volumet av materialstykket 2, hvor x, y, z betegner kartesiske koordinater. Ultralydomformerne S^-S^kan f.eks. være piezoelektriske svingekrystaller med kulekarakteristikk. Ultralydomformerne er anordnet i på forhånd bestemte, ikke nærmere betegnede avstander fra hverandre på overflaten av materialstykket 2. Ultralydomformerne S^-S^har hver sin på forånd bestemte avstand a^, a2, a-j fra et volumelement av materialstykket 2 som skal inneholde feilstedet P. Ultralydomf ormerne S-^-Sj er via hver sin elektroniske kanal inneholdende et elektronisk forsinkelsestrinn 4, 6, 8 og en summeringsforsterker 16 tilkoblet en lineær port 20, som tjener som tidsvindu. Forsinkelsestidene t for forsinkelsestrinnene 4, 6, 8 er avhengige av feilpunktets koordinater x, y, z og forplantningstiden for ultralydpulsene Ug i materialstykket 2. Kanalene inneholder dessuten hver sin elektroniske omkobler ;10, 12, 14, som forbinder de respektive ultralydomformere Sj-S^med en elektronisk pulsgiver 22. I én koblingsstilling av omkoblerne 10-14 påstyrer denne pulsgiver 22 via forsinkelsestrinnene 4-8 ultralydomf ormerne S-^-S^, og dessuten via et elektronisk forsinkelsestrinn 24 porten 20. Utgahgssignalené fra porten 20 blir fortrinnsvis via en analog-digitalomformer 26 tilført et lager 28. Forsinkelsestrinnene 4, 6, 8, 24 er ;forbundet med en elektronisk computer 30. Computeren 30 fore-skriver i samsvar med sitt program koordinatene x, y, z for feilpunktet P og styrer etter avgivelsen av sendepulsene Ug også omkoblingen av omkoblerne 10, 12, 14 og via forsinkelsestrinnet 24 portens åpningstidspunkt, som er avhengig av feilpunktets koordinater x, y, z, og av forplantningstiden for ultralydpulsene i materialstykket 2. ;I diagrammet på fig. 2 er oppført forskjellige signaler;U som opptrer i anordningen på fig. 2, såvel som ultralydpulsene og ekkosignalene, alle som funksjon av tiden t. På tidspunktet t^skal der f.eks. fra pulsgiveren 22 avgis en puls Uj2sora v*a omkobleren 10 og forsinkelsestrinnene 4, tilføres ultralydomformeren S^, hvor den med en forsinkelse t-^= 0,

altså uten forsinkelse, utløser en ultralydpuls Ug^. Pulsen U22blir via omkobleren 12 og forsinkelsestrinnet 6 også til-ført ultralydomformeren 2. Forsinkelsestrinnet 6 er innstilt slik at en ultralydpuls Ug2først med en forsinkelseT2blir utløst av ultralydomformeren S2på tidspunktet t2»På samme måte blir pulsen U22via omkobleren 14 og. forsinkelsestrinnet 8 tilført ultralydomformeren S3 med en forsinkelse t 3 for å utløse en ultralydpuls Ug3på tidspunktet t^. Forsinkelsen t2 for ultralydpulsen Ug2 ved.hjelp av forsinkelsestrinnet 6

blir valgt svarende til den korte avstand a2fra ultralydomformeren S 2 og til forplantningstiden av ultralydpulsen Ug2 i materialstykket 2. Tilsvarende større velges forsinkelsen t 3

av ultralydomformeren S 3 fra feilpunktet P. Med pulsen U22aktiveres dessuten også forsinkelsestrinnet.24, som etter

en forsinkelsestid t 4 åpner porten 20 på tidspunktet ty. Etter

at ultralydpulsen S3 er avgitt, på tidspunktet t3, blir omkoblerne 10, 12 og 14 omkoblet av computeren 30 via en interface 34.

Ultralydpulsen Ug^fra den sender S-^som sitter lengst borte fra feilstedet P, har lengst forplantningstid. Tidspunktet. ty for åpning av porten 20 velges slik at den av feilstedet P reflekterte ekkopuls UEj som via forsinkelsestrinnet 4 og omkobleren 10 samt summeringsforsterkeren, ankommer med forsinkelsen ti = 0,. opptrer i porten 20 på tidspunktet tg når vinduet er åpnet. Ultralydpulsen Ug2 blir svarende til den kortere avstand aj reflektert tidligere og ville inntreffe ved porten på tidspunktet tg, slik det er antydet stiplet på figuren. Den blir imidlertid av forsinkelsestrinnet 6, med samme forsinkelse % 2 som i tilfellet av sending, via omkobleren 12 og summeringsforsterkeren 16 tilført porten 20 og opptrer der overensstemmende hermed på tidspunktet tg i tidsvinduet. På samme måte blir ekkopulsen UE3etter å ha inntruffet ved ultralydomformeren S^ på tidspunktet t^, ved hjelp av forsinkelsestrinnet 8 gitt videre med forsinkelsen t., via omkobleren 14 og summeringsforsterkeren 16 til porten 20, hvor den likeledes på tidspunktet tg opptrer i tidsvinduet. På billedskjermen 32 er beliggenheten av feilpunktet P bestemt ved koordinatene x, y, z som er foreskrevet computeren 30 ved program, og hvor computeren beregner forsinkelsestidene Ti-T3 samt og styrer omkoblingen av omkoblerne 10-14. Tidsvinduet åpningstid t 5 bestemmer størrelsen av de enkelte volumelementer og dermed refleksjons- lokaliseringssystemets oppløsningsevne.

I anordningen på fig. 3 er der som sender S benyttet en spesiell ultralydsomformer som har kulekarakteristikk, og som får en sendepuls U 22 tilført direkte fra pulsgiveren 22, slik det er anskueliggjort i diagrammet på fig. 4, hvor forskjellige pulser U er oppført som funksjon av tiden t. Pulsen U22blir gitt videre uten forsinkelse til senderen

S og utløser på tidspunktet t^en sendepuls Ug. Ultralydomformerne S^-S^tjener bare som mottagere for de fra feilstedet P reflekterte ekkopulser. Senderen S og mottagerne S-^-S^er anordnet i på forhånd bestemt avstand fra hverandre på overflaten av materialstykket 2. Den av senderen S avgitte ultralydpuls tilbakelegger i materialstykket 2 i løpet av tiden xg i strekningen a.^ til feilstedet P og blir der reflektert på tidspunktet t4. Ekkosignalene behøver for å tilbakelegge strekningene a-j, & 2 °9 ai Pa forhånd bestemte forskjellige tidsrom svarende til lydhastigheten i materialstykket 2. De ekkosignaler<U>El'<U>E2°9UE3som overføres av mottagerne S^-S^, blir av forsinkelsestrinnene 4, 6, 8 med forskjellige forsinkelsestider i = 0, resp.Tjrresp. t-j, gitt videre slik forsinket at de når summeringsforsterkeren 16 og dermed porten 20 samtidig på tidspunktet tg, som er åpnet i tidsrommet t5. Åpningen

av porten 20 skjer via forsinkelsestrinnet 24, som startes av pulsgiveren 22.Innstillingen av forsinkelses-tidene ved de elektroniske forsinkelsestrinn 4, 6, 8 og 24 skjer ut fra computeren 30 via interface 34.

Anordningen til gjennomførelse av fremgangsmåten ifølge fig. 3 har den fordel at der med den spesielle sender S som bare tjener til påtrykning av ultralydpulser for sending,

kan stråles inn forholdsvis stor energi i materialstykket 2, med andre ord at der kan anvendes en ultralydsender som har en særlig god elektromekanisk virkningsgrad i tilfellet av sending. Ultralydomformerne S^-S^, som her bare tjener som mottagere, kan da være utført for spesielt stor følsomhet og fortrinnsvis bestå av polyvinylidenfluorid PVFj eller også av polyvinylidenklorid PVC2 eller polykarbonat.

Som sender S kan der f.eks. også tjene en pulset laser, særlig en halvlederlaser. Som mottagere kan der f.eks. også være anordnet interferometre som arbeider etter prinsippet Michelson-interferometer. Videre kan der som ultralydomformere være benyttet sektorscanners.

I utførelsesformen for refleksjons-lokåliseringssystemet på fig. 3 med den ekstra sender S blir denne senders avvik fra det plan som er definert ved de tre anleggspunkter for mottagerne S-^-S-j, utmålt, og dette avvik blir forhåndslevert til computeren 30, som tar hensyn til det ved beregningen av sine styresignaler.

Hvis et av ekkosignalene på grunn av feilstedets form, f.eks. et riss i retningen for en av strekningene a^-a-j eller med bare liten skråning i forhold til en av disse strekninger, bare har forholdsvis liten amplitude, blir disse forskjellige signalamplituder delvis utlignet ved summeringen i forsterkeren 16, dvs. at feil-anisotropien tilnærmelsesvis blir kompensert. Åpningstiden for porten 20 velges slik at der bare dekkes

et tidsområde som tilsvarer den ønskede oppløsning. En refleksjon av de påtrykte signaler på den motsatte overflate av materialstykket eller på feilsteder som ligger utenfor det bestrålte volumelement, vil bare komme med forsåvidt som den tilfeldigvis skulle gi de riktige tidsbetingelser.

Disse bakgrunnsforstyrrelser i bildet kan reduseres ytterligere ved at man krever minimalamplitude i de enkelte grener. Denne tilleggsfordring kan være realisert som dobbelt eller tredobbelt koinsidens.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte til ikke destruktiv materialprøvning med ultralydpulser som innstråles i materialstykket som skal prøves, og reflekteres av et feilsted hvis beliggenhet utledes fra ultralydsendepulsenes og ultralydekkopulsenes forplantningstid, karakterisert ved at den ultralydekkopuls som reflekteres på feilstedet (P) i materialstykket (2), tas opp på tre forskjellige punkter av overflaten, og at de elektroniske ekkopulse <r> ( <u> E <i> ~uE3 ) med en forsinkelse (x2 resp. x3 ) avhengig av deres forplantningstid (t^ -tg resp. t^ -tg resp. t^ -tjj ) adderes elektronisk i fasekoensidens og via et elektronisk tidsvindu (20) tilføres et .elektronisk lager (28).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at ekkopulsene (uEi~UE3 ) omformes til digi- . tale signaler og gjøres synlige på en billedskjerm (28).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at der foreskrives feilstedet (P) ultralydpulser (usi~<u> s3 ^ ^ra tre i Pa forhånd bestemt innbyrdes avstand anordnede overflatepunkter i slik tidsavstand (T2 resp.T^ ) at de blir reflektert samtidig på feilstedet (P), og at forsin-kelsene (t2/T3 ) av de på de samme overflatepunkter opptatte ekkopulse <r> ( <u> E <i-> uE3 ) velges lik tidsavstandene (x2 resp. x3 ) mellom ultralydpulsene (ugi~us3^ *

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at der ved valget av ultralydpulsenes (ugi~ <ug> 3) tidsavstander ( <x>2, x3 ) og ekkopulsenes (uEi~ UE3 ) tidsforsinkelser (x2, x3) først avsøkes i større innbyrdes avstand beliggende volumelementer av materialstykket (2), og der så snart et feilsted (P) er konstatert, foretas en videre avsøkning av dette feilsteds (P) omgivelser.

5. Anordning til gjennomførelse av en fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at en ultralydomformer er anordnet som sender (S) og tre ultralydomformere som mottagere (S^ -S^ ) i på forhånd gitt innbyrdes avstand på materialstykkets (2) overflate, og at senderen (S) er tilsluttet en elektronisk pulsgiver (22) og mottagerne (S-^ -S^ ) over hvert sitt elektroniske forsinkelsestr inn (4,

6, 8) samt en sumforsterker (16) er tilsluttet et elektronisk tidsvindu (20) som kan styres av pulsgiveren (22) <:> via et elekr tronisk forsinkelsestrinn (24).

6. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at der i på forhånd gitt innbyrdes avstand på materialstykkets (2) overflate er anordnet tre ultralydomformere (S^ -S^ ) som tjener både som sendere for ultralydpulser (ugi~ ug3 )°9 som mottagere for ekkopulsen <e> (uei~ue3^ ' °^ at ^e fo^inkel8©8-trinn (4, 6, 8) som er tilordnet ultralydomf ormerne (S^S^) , kan tilsluttes pulsgiveren (22) eller tidsvinduet (20) via hver sin elektroniske omkobler (10 resp. 12 resp. 14).

7. Anordning som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert ved at der til styring av de elektroniske forsinkelsestrinn (4, 6, 8 og 24) er anordnet en elektronisk computer 30.

8. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at der som sender (S) tjener en pulset laser.

9. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at der som mottagere er anordnet Michelson-interferometre.

10. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at der som mottagere er anordnet piezoeletriske omformere på basis av en folie av polyvinylidenfluorid PVFj .

11. Anordning som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert ved at der som ultralydomformere er anordnet sektorscanners.