CN1602424A - 用于冶金产品的无损检验的超声波传感器 - Google Patents

用于冶金产品的无损检验的超声波传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无损检验金属管(T)的设施，其中超声波传感器(3)包含可在选择的时间分别激发的换能器元件(Ci)。处理检测信号的下游电路(2，4，5)分析超声波激发时管子的整体响应(7)。本发明的特征在于只激发换能器元件产生单一发射，下游电路恢复(4)均通过换能器元件(Ci)检测的信号的样本(Sij)，与之相关联(5)各连贯时间(tj)的偏移，以便通过修改所述连续时间之间的偏移，计算单一发射时，管子的数个整体响应。

Description

用于冶金产品的无损检验的超声波传感器
技术领域
本发明涉及无损检验，尤其是冶金学无损检验，更具体地说，涉及管子的无损检验。
背景技术
只要可能，管子的生产完全实现自动化。当生产结束时，用超声波对管子进行无损检验，其目的是利用下述测试有选择地检测其上的一种或多种缺陷：在内部或外部，具有纵向和/或横向取向的表面缺陷；厚度和/或厚度方面的缺陷；还检验内径和外径。
为了检验整根管子，使管子关于超声波传感器作螺旋相对运动，在称为“复发”频率的点火频率下，快速地脉冲发出超声波。
在液体，通常在水中实现传感器相对于管子的间接耦接。实际上，为了检测上面提及的各种缺陷，设置具有纵向超声波的传感器，所述传感器根据不同的入射角，“sonify”(insonifient)管子。根据各种参数(包括管子的尺寸，其超声波透射性，寻找的缺陷的类型等)，调整入射角。
脉冲串的复发频率受在耦合液体中及在管子的金属中，超声波的外出传播时间和返回传播时间限制。于是，较长的传播时间使得必需降低复发频率，从而降低无损检验的生产率。
根据一些已知的实施例，传感器被固定就位，使管子作螺旋运动。
根据其它已知的实施例，围绕以线性速率运动的管子，以每分钟数千转的速率旋转驱动超声波检测器或传感器，所述线性速率约为1米/秒。
在另一些已知的实施例中，使用由环绕管子的许多超声波换能器元件构成的传感器。一组换能器元件的连续激发使得能够继续进行管子上的入射角与之相关的超声波束的“形成”。激发还使得能够通过开关元件的受激发组，围绕管子旋转超声波束，从而可用电子扫描代替传感器的上述机械旋转(FR-A-2796153)。
一种特殊的检验情况是通过在液压缸之间热“钻孔”棒材获得的无缝管的检验。这种生产工艺导致称为“倾斜(oblique)”的缺陷或者螺旋形的缺陷，所述螺旋相对于管子的轴线稍微倾斜。倾斜度可为正或负，取决于螺旋的方向。
缺陷的倾斜度取决于使用的生产范围，在一些情况下，取决于缺陷的形成阶段。从而，相同的检验装置不得不检验其倾斜度可从-20°变到+20°，或者更大的缺陷。
当波束的入射角被优化，以便严格检测纵向缺陷时，最小的倾斜度造成缺陷反射的回波的较大衰减。
专利US 3924453描述了常规的传感器，所述传感器使超声波束在穿过管子轴线的平面中机械发散(所谓的“环形发散”过程)。但是，可检测的倾斜度的范围有限。
另外，使用允许形成其偏转适合于检测指定缺陷倾斜度的超声波束的多元件传感器，理论上能够解决上述问题。于是有利的是按照使指定倾斜度的最佳入射角对应于每个脉冲串的方式，调整每个脉冲串。
每个脉冲串包括在水中向外传播的传播时间，管子中的传播时间(一次或多次往返旅程)，以及水中的返回传播的传播时间。虽然能够根据所需入射次数放大脉冲串，但是该技术事实上难以在工业上实际应用，尤其是由于脉冲串的放大使其大得吓人的累积传播时间的缘故。这些累积传播时间是不能随时间而降低的物理特征。
发明内容
本发明通过提高检验设施的生产率，同时保持缺陷，尤其是相对于管子的轴线倾斜的缺陷的高水平可检测性，改善了这种情形。
为此，本发明提出一种尤其是在存在间接耦接的情况下，冶金产品的无损检验设施，包括：
-包括一组有选择地可使用的超声波换能器元件(Ci)的超声波传感器装置；
-能够在选择的时刻，有选择地激发换能器元件的上游电路，
-能够收集换能器元件检测的返回信号的下游电路，和
-能够作为冶金产品对超声波激发的整体响应分析检测的信号的处理组件(它可包含在下游电路中)。
根据所述设施的一个特征：
-上游电路被安排成由脉冲串操纵，所述脉冲串与换能器元件的激发的相同时间规律相关，
-下游电路包含一个存储器，并被安排成按照选择的时间深度，对应于每个脉冲串，保存每个换能器元件检测的信号的样本(Sij)，和
-处理组件适合于与存储器合作，以便：
*对于每个脉冲串，根据选择的时间处理规律，反复读取和合计每次重复特有的对应于不同换能器元件(Ci)以及对应于一个元件与另一元件之间交错的时刻(tj)的各组样本，使得能够关于每个脉冲串计算多个重构响应(ST，αT)，每个重构响应对应于一个偏转角αT(多重处理)，
*分析由这些重构响应的组构成的整体响应。
从而，可从单一脉冲串，得到分别对应于事后选择的“模拟”入射的许多超声波响应。
根据本发明提供的优点之一，冶金产品的分析的快速性现在只局限于必需的处理时间。
在一个有利的实施例中，下游电路包含检测信号的数字化单元，存储器被安排成与所述数字化单元合作，以便一方面根据连续时刻的，另一方面，根据现用换能器元件保存每个换能器元件检测的信号的幅度。
在一个实施例中，下游电路包括计算装置，所述计算装置能够定义将分别应用于检测信号的延迟的分布，以便根据选择的波束偏转，获得和发射对应的整体响应。
有利的是，计算装置还被安排成在将应用的延迟的分布的定义中，考虑到换能器元件的发射特性，例如每个元件发射的波束的会聚。
本发明可以有不同的变型，尤其是下述变型，这些变型可以被组合：
-在每个发射脉冲串，时间激发规律可不包含换能器元件之间的任意相移；它也可包含这样的相移；还可同时具备这两者，即，一个脉冲串无相移，一个或数个脉冲串有相移，只要保持每个脉冲串的多重处理即可。
-具有相移的脉冲串可被用于简化关于其应考虑超声波的衰减的大波束偏转的事后(多重处理之后)的定义。
-通过移动管子或传感器或者这两者，在管子和超声波传感器装置之间提供螺旋相对运动。
-传感器可以是一维的，即，基本上平行于管子的移动轴线布置的一条直线的换能器元件，或者至少部分弧形(例如呈截柱或圆柱的截断扇形的形状)并环绕管子的条带。
-处理组件可被安排成利用所述条带的不同元件组处理返回信号。在所有情况下，借助传感器的换能元件的亚组，这构成“虚拟传感器”。从而，传感器的所有元件被同时发射，同时在每个脉冲串，关于一种(或每种)所需的相移规律，事后分析各个虚拟传感器接收的信号。
-超声波传感器装置可包括换能器元件的二维网络(不必是平直的)。其中可区别各列和各行。各列和/或各行可被用作上述一维传感器。传感器的这种二维网络被称为“镶嵌”网络。
-镶嵌传感器可被用于检测倾斜缺陷，而不需要物理螺旋相对运动，因为它允许波束的“电子旋转”。“电子旋转”意味着能够扫描产品的圆周的各个虚拟传感器的处理(至少部分地，如果需要，由物理移动补充电子旋转)。于是，下游电路被安排成计算同行元件之间，以及同列元件之间的延迟的分布。
附图说明
根据下面的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点将显而易见，其中：
图1表示具有倾斜缺陷D的管子T；
图2A表示在管子T的纵剖面中选择入射的超声波检验装置，所述纵剖面穿过管子T的轴线；
图2B表示在管子T的横剖面中选择入射的超声波检验装置；
图3表示传感器Ci和为事先产生一道超声波R1的偏转角α，要施加的延迟τi；
图4表示对于存在于管子中的缺陷的倾斜度β，要施加的超声波束入射角；
图5表示在水柱CE体现传感器C和管子T之间的界面情况下的超声波脉冲，所述超声波脉冲首先通过水柱，随后通过管子T的金属；
图6表示根据本发明的检测缺陷的设施；
图7表示由给定长度L的超声波传感器C发出的波束的扩散角δ；
图8表示在没有考虑对超声波束应用聚焦的情况下(垂直阴影)和考虑到所述聚焦的情况下(水平阴影)，接收的信号中的选择强度；
图9表示了根据现有技术(长短虚线)和根据本发明(连续线)及根据本发明的一个优化方法(虚线)，随着能够检测的缺陷倾斜度(横坐标)的数目而变化的超声波的整体传播时间及计算时间(用微秒表示的纵坐标)；
图10表示关于利用根据图6的传感器和常规技术中使用的标准传感器(虚线)检测的缺陷的数种倾斜度β，(从非偏离初始波束)接收的信号的幅值；
图10B和10A是分别利用根据本发明的技术，和利用现有技术的倍减脉冲串的技术，在倾斜缺陷上获得的A-SCAN信号曲线；
图11表示利用倍减脉冲串技术(实线)和根据本发明的单脉冲串技术(虚线)，关于所针对的大倾斜度，(由声衰减引起的)灵敏度的降低；
图12表示利用弧形传感器的实施例中的超声波检验装置；
图13表示利用“镶嵌”传感器的实施例中的超声波检验装置；
图14表示关于并置并且由8个元件组成的虚拟传感器，随着缺口和条带的相对位置而变化的缺口响应；
图15表示关于由8个元件组成的50％重叠的虚拟传感器，随着缺口和条带的相对位置而变化的缺口响应。
具体实施方式
下面的附图和说明基本上包含了既定本性的各个要素。于是它们不仅可用于使本发明更易于理解，而且还有助于阐明本发明。
首先参见图1，其中离开生产线的管子T具有相对于管子纵轴的倾斜角为β的倾斜缺陷D。具体地说，就其中在液压缸之间对金属棒材进行热钻孔，而不存在焊接的管子生产工艺来说，管子T偶尔具有这种螺旋形的缺陷，相对于管子轴线的倾斜度为β。
参见图2A，管子T的无损检验设备包括传感器装置C，传感器装置C由一个或多个超声波换能器元件构成，并且借助约4KHz的点火频率(称为复发频率)下的超声波发射，“sonifies”管子T。原理上，超声波传感器和金属管T之间的耦合是间接的。在传感器C和管子之间产生液柱，具体地说水柱，从而传感器发射的超声波首先在水中传播，随后在管子中传播。
空间上，传感器C发射的超声波束的入射可由两个入射角限定。参见图2A，入射线R1与管子的法线N在管子T的纵剖面中形成角αT(轴向或纵向偏转)，所述截面包含管子的轴线。能够定义超声波束入射的第二个角是图2B的角αL。传感器C发出的射线R1相对于管子T的法线N形成角αL。在垂直于管子T的轴线的横向截面中定义角αL(横向偏转)。
缺陷D原则上位于管子T的外表面或内表面上，或者位于外表面或内表面附近。它包含纵向部分，又包含横向部分，纵向部分和横向部分的比例是缺陷的角度β的函数。平行于管子的轴线，相对于圆柱形管子T的母线定义倾斜度β，倾斜度β可以为正或为负。
管子本身一般具有相对于传感器C的相对螺旋运动，以便基本上检验管子的整个表面。沿着管子的轴线，相对螺旋运动的分量是直线性的，速度约为1米/秒，并且基本恒定不变。相对螺旋运动的旋转分量可由传感器围绕管子轴线的旋转而产生，或者在传感器固定就位的情况下，由管子围绕其轴线的旋转产生，或者由这两种旋转组合产生。在这两种情况下，按照这样的方式确定传感器的方向，以致传感器按照约17°的横向偏转αL对管子发射，以便检测纵向缺陷，或者按照约17°的轴向偏转αT对管子发射，以便检测横向缺陷。对于除水之外的传播介质，以及对于由除钢之外的材料制成的管子，这些偏转αL和αT具有不同的值。方向可以是固定的(不可调节)，或者在某种程度上可机械调节，但是调节费时并且麻烦。
就最新并且更先进的技术来说，使用其法线垂直于管子的许多换能器元件Ci(图3)。对换能器元件应用相应的发射延迟τi，以便在相应的发射的基本波Oi之间产生相移，所述相移转换成相应发射波Ri之间的传播差异。起源于发射的所有波的波束于是具有和偏转α相符的最大能量，通过控制换能器元件Ci发射的时刻，以电子方式管理偏转α。从而，应用的延迟τi的总数定义传感器Ci网络上延迟的分布(称为相位规律或时间规律)，从而定义源于发射的各个超声波Ri的发射波束的偏转α。
换能器元件被排列成一排。由于每个元件Ci之间的间距pe已知，因此能够构成将对各个元件上的发射施加的延迟的分布(相位规律)，从而根据公式(1)获得指定的偏转α：
sinα＝V·dt/pe
其中dt是将在两个相邻元件之间应用的延迟，v对应于水中纵向超声波的速度(V＝1490m·s-1)。这样形成并被偏转α的波束按照入射角α到达管子，换句话说，产品上的入射角实际上是波束的偏转角。
为了按照最佳方式，即沿着发射的入射方向监听信号，对缺陷反射的，并在返回时由各个元件Ci接收的信号应用相同的相位规律。
如果元件Ci呈圆弧形或者类似形状，则还可激发连续多组元件Ci，以便围绕管子进行电子扫描。
一般来说，难以和纵向缺陷同时地检测倾斜缺陷，特别是因为用于检验较长缺陷的超声波束的最佳入射在倾斜(即使是稍微倾斜)的缺陷上产生较大的衰减响应。例如，对于5°的缺陷倾斜度来说，衰减通常超过2倍。这里正在进行同时检测纵向缺陷和倾斜缺陷的尝试(如果可能，倾斜度至少从+35°～-35°，而不会显著降低灵敏度)。
于是，倾斜缺陷的检测要求适应随着缺陷的倾斜度而变化的角度αL和αT。参见图4，看来对于检测纵向缺陷(β＝0)来说，角度αL最好为17°，而角度αT为0°。对于90°的缺陷倾斜度(横向缺陷)来说，αL和αT的这些值当然被颠倒。例如对于45°的倾斜度β来说，角αL和αT在横向平面和纵向平面(图2A和图2B)中，分别对应于约12°的偏转。
事实上，对于小于30°的倾斜度，角αL的变化相当小，可被忽略(根据倾斜度β，αL开始降低时角度的变化最多为3°)。另一方面，角αT的引入允许检测倾斜度的绝对值小于30°的倾斜缺陷。
从而，当试图检测倾斜缺陷时，αL的值将被固定为17°，αT将在管子T的纵向截面中变化，例如在从-10°～+10°的许可范围内变化，以便检测各种可能的倾斜度，包括倾斜度0(纵向缺陷)。
为了检测倾斜缺陷，专利US 3924453提出一种光学方法(称为环形发散方法)，该方法包括借助透镜，使波束在管子的纵向平面中发散，另一方面，在垂直平面(图2B的平面)中聚焦该波束。从而，在所针对的倾斜度(-10°＜αT＜+10°)的附近，达到约10°的相当有限的检测范围。另外，该方法存在灵敏度随着倾斜度变化的缺陷。从而可能检测出可接受的瑕疵，而放过不能接受的缺陷。
根据本发明的另一种方法在于借助包括许多换能器元件的条状传感器，形成偏转角度αT的波束，而角度αL由单元的结构固定(最好约为17°)。
参见图7，传感器C发出超声波束F1，其外缘与传感器C的法线形成称为扩散角(或张角)的角度δ。扩散角δ由公式(2)给出：
sinδ＝1.22λ/L           (2)
这里λ是水中波束的波长，L是传感器的换能器元件的宽度(图7)。在任意情况下，扩展角大于用于检测β＝30°的倾斜度的最大角αT(11°)。该扩散角用于获得所需的值αT。
例如，对于利用线性条的宽度1.4毫米的元件Ci，以5MHz在水中发射的超声波来说，δ约为15°。
利用适合于根据公式(1)和图3的元件Ci的发射的相位规律，能够形成偏转角度αT的波束，只要αT的值小于由公式(2)给出的扩散角δ。随后能够通过修改相位规律，以电子方式调节αT，而不必使传感器沿该方向定向。随后对接收的返回信号应用相同的相位规律，并把接收的已按照这种方式进行移相的返回信号加起来，获得最大的整体响应。
申请人设想的这种方法使得能够以正确并且已知的灵敏度针对指定的倾斜度，并且对于各种可能倾斜度的管子缺陷，能够具有同样的响应。附表A1包含其目的在于检测倾斜缺陷，关于波束的偏转角αT的预测试的结果(多脉冲串方法)。
更准确地说，所述结果和关于缺陷的不同倾斜度，以及波束的偏转角αT的不同值，获得的回波的幅度相关，并且与信号的放大增益值相关。粗体值对应于将用于检测指定倾斜度的偏转值。要认识到关于放大增益获得的结果是令人满意的(对于25°下的切口，为23.5dB)。
还可补偿作为使用的偏转角的函数的检测灵敏度的变化，于是为缺陷检测提供统一的灵敏度，而和缺陷的倾斜度无关。
另一方面，对于针对的每种倾斜度，必须进行传感器的换能器元件的分组发射。从而，如果寻找数种缺陷倾斜度，则必须提供相同数目的超声波脉冲串，因为必须为所针对的每种倾斜度提供特定于发射和接收的延迟规律。
参见图5，超声波脉冲R1由水中传播Te及其后的管中传播Tm(有效传播)组成，这些传播具有和所通过材料的厚度成比例的持续时间。出于声学原因，覆盖传感器C和管子T之间的界面的水柱CE使得在水中的传播时间大于在管子的金属中的传播时间。
具体地说，超声波脉冲的总时间Tt由下述关系式给出：
Tt＝Te+Tm，Te＞Tm
应用于倾斜缺陷的多脉冲检测，如果n是针对的倾斜度的总数，则总时间Tt变成：
Tt＝n·(Te+Tm)
对于常规的工业发射速率(接近于4KHz，以便实现纵向缺陷的简单检验)，考虑到超声波束的传播时间，就较厚的管子(约36毫米厚)来说，除了纵向缺陷之外，多脉冲技术只能检测大约1种或2种倾斜度。
根据本发明的倾斜缺陷的检测还基于另一原理。
根据本发明，按照这样的方式控制与管子的轴线平行布置的线性条的换能器元件Ci，以致发射时，所有元件同时被激活(基本上不存在相移)。换句话说，“发射时的物理偏转”为0。另一方面，通过交错对于每个元件Ci，把接收信号加起来的时刻，对返回的信号构成波束的“虚拟”偏转。
参见图6，在所述例子中，传感器的换能器元件Ci沿着横条3排列。横条在检验设施中被固定就位，其方向一般与要检验的管子T的轴线平行。在管子T的横向截面(图2B的平面)中，横条相对于管子的法线倾斜大约17°的角度αL，使管子T沿其轴线进行螺旋运动。17°的角度αL对应于检测具有较小倾斜度(β小于约30°)的缺陷的最佳角度αL。
各元件Ci由控制电路1激发，分别发出超声波频率约为5MHz的脉冲超声波Ri。最好，各元件Ci被控制成同时发射超声波，即基本上不存在相移。缺陷反射、并在返回时由每个元件Ci检测到的各超声波被转换成各电信号Si(t)。这些模拟信号Si(t)分别由例如在超声波频率的10倍，即50MHz下工作的模-数转换器2转换。
模-数转换器2与存储器4连接，存储器4在数十微秒的时间深度上保存数字数据，所述数字数据构成信号样本Sij(例如关于幅度)，并且分别与时刻tj相关。符号Sij中，下标i对应于横条3中元件Ci的标识符，而下标j对应于时刻tj的标识符。
设施中的计算模块从存储器4中选择一方面根据元件Ci的下标i错开的，另一方面根据连续时刻tj错开的多个信号样本Sij，并把错开的信号样本加起来。可按照瞬时幅度，或者按照任意其它恰当的方式实现所述加法。
图6中附图标记为5的画面举例说明进行计算的方式，还图解说明存储器4的结构。部件5可被看作处理电路或组件(或者作为处理模块，不存在暗示任何个性化的字模块)。
存储器4最好排列在与列下标i(对应于元件Ci)和与行下标i(对应于连续时刻tj)相关的地址中。
处理模块5依据偏转角αT，根据公式(1)计算将在连续列i之间应用的延迟dt：
dt＝pe·sinαT/V
延迟值dt约为数十纳秒。
处理模块随后以纳秒级的精度，从时间上错开的一组多列元件Ci中，选择Sij的值。处理模块随后把每个时刻tj的那些样本加起来，以便定义关于偏转角αT的重新构成的响应信号：
Stj(αT)＝S1，j+S2，j+2dt+S3，j+4dt+............+S n，j+2(n-1)dt
这种加法使得在换能器元件，可使同时发射的已经历在两个元件之间传播时间相差外出行程上的dt和返回行程上的dt的传播的信号恢复同相。
在根据公式(1)计算dt的值之后，如上进行的加法被用于使沿着偏转角αT的方向的波束的能量达到最大。
附表A2包含依据根据本发明的方法，检测倾斜缺陷的波束的偏转角αT的测试结果。它使得能够确定和外出行程上及返回行程上的(2dt)相移对应的两倍偏转值(2αT)。对于不同的倾斜度来说，将使用的值(2αT)对应于表中用粗体表示的幅度值。该表还提供不同αT值的增益值。即使对于较大的αT值，这些值也是可接受的。
上面，考虑了连续时刻tj之间的恒定时间差dt，它对应于dt恒定的线性延迟规律NF(图8)。但是，该规律没有考虑管子上可应用于超声波束的聚焦。为了在延迟规律中考虑聚焦，相移dt减小到最小值，随后增大到初始值。参见图8，在列Ci和行tj的矩阵5中，对于时间tj，选择的强度Sij形成曲线FOC。
该处理方法使得能够计算不同偏转角αT的重构响应。
设施的模块6恢复重构响应的信号St(αT)，以便对信号整形，所述信号可被显示装置7(显示屏等)直接使用。装置7随后表现称为“A-SCAN”的信号，所述信号包含超声回波的脉冲，关于一个或多个选择的偏转角αT，以时间函数的形式重构所述脉冲。
根据本发明带来的优点之一，利用上面使用的符号，针对n种倾斜度所用的总时间T由下式给出：
Tt＝Te+Tm+n·Tcalc
Tcalc是可表示成Tm的函数的计算时间，从而
Tt＝Te+n·G·Tm
这里G是代表包含模-数转换器、存储器4，从一组保存的强度中选择强度等的链系的处理速率。从而，G越小，则处理速率越高。
根据本发明带来的优点之一，从而抑制了关于(n-1)种倾斜度水中的传播时间。
借助现有的电子和计算机装置，G总是小于1，并且借助超高速电子***，G可以小于0.5。从而，限制不再是声学限制，而不电学限制，因为在本发明中，限制因素变成上述处理操作所必需的计算时间。于是，限制不再是物理的，而是随着电子电路速度的提高而变化的。
图9表示了对于给定的管厚，检测倾斜缺陷的总时间Tt，所述总时间Tt是检验的倾斜度的数目n的函数。在脉冲串倍减(demultiplication)情况下(关于每个偏转角，发射时元件Ci之间的相移，它对应于用长短虚线表示的曲线)，利用现有技术绘制该图。根据本发明的技术也被这样使用，相对于标准电子***因子G为1(实线曲线)、以及相对于超高速电子***因子G为0.5(点线曲线)。
从而要认识到因子G越小，则针对数种倾斜度所需的时间越短，这能够提高管子检验速度，尤其是在机械加工管子之后，检验管子的链系(chain)中。
传感器装置的长度适合于设施的检验间距，即本例中约100毫米的长度。要检测的缺陷的长度显然较短，例如20毫米。长度100毫米的缺陷，即长度等于横条(3)的缺陷在横条的每个元件上产生一个信号，于是，通过相加产生强烈的重构信号。另一方面，20毫米的缺陷在横条的20％元件上产生信号，于是，产生强度为100毫米缺陷产生的信号的强度的1/5的重构信号。
于是可检测到长度100毫米的相容瑕疵，稍微或者根本不能检测到20毫米的缺陷。
为了弥补这种缺陷，使用一种解决方案，所述解决方案包括对于横条上的所有元件的相同发射，只在横条的少数元件上进行处理。例如，可在64个元件中的一组8个元件上进行处理，可在这64个元件中的另外一组8个元件上再次开始所述处理。该组8个元件被称为“虚拟传感器”。
在把8个元件上的信号Sij加起来之后，每组正确地给出关于偏转角αT的基本重构响应的信号。各组的重构信号中，具有最大峰值幅度的基本重构信号可被保持为整体重构响应。每组“虚拟传感器”元件由在先一组平移称为覆瓦间距的间距pi而来。
假定NT是横条中单元的总数，Nv是虚拟传感器中换能器元件的数目。当覆瓦间距为1～Nv，同时严格小于Nv时，存在各组虚拟传感器的重叠或覆盖。当覆瓦间距pi等于Nv时，各组传感器并肩布置。当覆瓦间距大于Nv，并且小于NT时，各组并不完全覆盖传感器的元件。
 最大次数地执行虚拟传感器的Nv个元件上的信号的处理。可能的组数由公式(3)给出：
N＝舍位{(NT-Nv)/pi}+1
例如，
-如果NT＝64，Nv＝8，pi＝1，则N＝57。这种情况下，连续的两组具有公有的7个元件。
-如果NT＝64，Nv＝8，pi＝8，则N＝57。这种情况下，连续的两组不具有公有的元件。
-如果NT＝64，Nv＝8，pi＝4，则N＝57。这种情况下，连续的两组具有公有的4个元件，这对应于连续各组的50％覆盖。
在关于寻找的偏转角αT具有最大峰值幅度的重构响应保持为N组的整体重构响应之后，可按照相同的方式对偏转角αT的其它值进行计算。
作为变型，可以首先关于不同的角度αT和某一虚拟传感器组，确定基本重构响应的不同信号，随后对其它各组进行相同的计算。
总之，确定关于指定偏转角的整体重构响应，保持为该偏转角提供最大峰值幅度的基本响应。
当处理位于横条两端的虚拟传感器组时，由于在虚拟传感器的两侧不存在元件，因此响应信号受到干扰。这是为什么最好从不同虚拟传感器组中除去位于横条两端的(Nv/2)个元件的理由。
于是，最大组数被减小为：
N′＝舍位{(NT-2Nv)/pi}+1
如附表A2所示，对于αT的每个值，按照不同的方式放大整体重构信号，从而对于αT的各个值，检验操作的严格性是相同的。
作为变型，放大增益可以是相同的，而缺陷的触发阈值适合于每个值αT。
申请人对直径96毫米，厚度12毫米的钢管进行了检验倾斜缺陷的“静态”测试。形成约为钢管厚度5％的缺口，以便模拟倾斜缺陷。缺口的倾斜度为0°～25°，纵向方向上其长度约为12毫米。
使用的传感器是Imasonic公司销售的Imasonic(注册商标)传感器。元件之间的间距pe为1.5毫米(一个元件的宽度L为1.4毫米)。该传感器装置包括总共32个元件，在水中的机械聚焦为50毫米。在使用的cell的例子中，偏转角αL可被机械固定为17°。使用的电子***是RDTech制造的Focus 32/128型电子***，该***能够并行管理32个元件。
考虑到换能器元件的几何形状，它们的扩散角δ约为15°，完全适合于将用于检测倾斜度-25°～+25°的倾斜缺陷的偏转值。
利用8个元件的虚拟传感器分析返回信号，进行静态测试。缺陷被布置成与虚拟传感器成直角。这种虚拟传感器具有约9毫米的监听长度，该长度非常适合于正在研究的缺陷的长度(12毫米)。
参见图10，作为其倾斜度(0°、5°或10°)函数的缺口响应的衰减小于利用单个元件宽度约为10毫米的常规传感器获得的响应的衰减。一般来说，对于常规的传感器，5°缺口的衰减至少为5dB，而对于相同的缺口倾斜度，这里使用的传感器的衰减小于1dB。
但是，对于大于+20°或小于-20°的倾斜度β来说(图11)，申请人注意到和在横条类型相同、并且在所有情况下存在和寻找的优选倾斜度相应的脉冲串(这产生“适合的发射-接收传播”)条件下使用多脉冲设施的情况相比，重构响应的信号稍微不太灵敏(根据本发明的设施)。
事实上，在根据本发明的设施中，事先(发射中)偏转优选角α的波束不会如同在多脉冲设施中实现的那样被传送到缺陷上；当信号到达换能器元件时，仅仅通过接收信号的相位恢复继续进行本发明。这些接收的信号包括缺陷反射(严格地说，反向散射)的分量；正是相位恢复使得能够为指定的偏转角αT重构基本响应，从而重构整体响应。
但是，接收时的相位恢复和发射时未相应地使之同相的信号相联系。从而它与未准确经历“适合的发射-接收传播”的接收信号相联系。作为一般规则，申请人进行的测试已表明在正常操作条件下，起码在倾斜度的特定范围内，起源于传播行程差异的相对衰减(从一个传感器元件到另一传感器元件)足够小，可以忽略。
但是，将在根据本发明的设施中使用的增益不相容，另外，关于数种倾斜度的检验生产率方面的增益大大弥补了不太灵敏的缺陷。
图10A和10B分别表示了在多脉冲设施上，以及在根据本发明的所谓的“采集后”处理设施上，倾斜度20°的相同缺陷的A-SCAN记录。图10A和10B表示这两种设施能够按照相似的方式检测20°倾斜缺陷；在这些图中，信号EI表示水-钢界面回波，信号ED表示缺陷回波。幅值30％的直线段对应于缺陷标准(时间门和强度)。
申请人还进行了动态测试，以便确定虚拟传感器的有效检测区域。在如上所述相同的管子上进行动态测试，不过所述管子具有倾斜度β＝0°的长20毫米的缺口，以便确定探测缺孔(detection hole)。从而，缺陷的倾斜度对测量没有影响。利用和静态测试相同的设备和具有角度αL的调节的那类机械设施单元进行测试。关于来源于外部纵向缺陷(β＝0°)的信号优化了角度αL。申请人还使用频带4-12MHz的Sofranel 5052GPD门电路。
图14和15表示关于由8个元件组成的两系列多组虚拟传感器，根据缺口以及总长度48毫米的一列32个元件的相对位置的20毫米缺口的响应。
对于覆瓦间距pi＝8个元件来说，紧邻的虚拟传感器组不会相互覆盖，也不会相互重叠，如同在具有直径15毫米的检测器的常规结构中那样。
图14表示在-2dB下，31毫米(即横条长度65％)的有效传感器区域；探测缺孔(hole)小于1.5dB，并且长度足够小，不会影响长25毫米长缺口的检测。
对于覆瓦间距pi＝4个元件来说，紧邻的虚拟传感器组50％地相互覆盖或者相互重叠。不再存在探测缺孔，但是虚拟传感器组的数目和计算时间也被加倍。
进行的静态测试和动态测试表明根据本发明的具有采集后(post-acquisation)处理的设施能够检测-20°～20°的倾斜缺陷。
为了实现大于20°的倾斜度值，通过对传感器装置的所有元件的单一发射进行移相，以便形成具有非零的“发射时物理偏转角”(例如5°)，能够使用具有采集后处理的设施和方法。
返回时检测到的信号的处理和上面描述的处理相似，它包括Sii样本的存储，根据延迟规律交错的Sij值的选择，和这些交错值的相加，以便用于在偏转角αT下重构响应的各个计算。对于较大的偏转角αT来说，缺陷返回的信号从而较少被衰减，能够按照最佳方式利用横条的元件Ci的扩散角δ的容量(capacity)。
但是，该方法存在缺陷，因为不再关于平直缺陷(β＝0°)，而是关于倾斜度为20°的缺陷实现偏转角αL的优化。另外，该方法不能检测较大的正负倾斜度，发射时具有相移的脉冲串的利用，会使虚拟传感器组的平移更复杂。
图12表示了根据本发明的设施的另一实施例，该设施意图检验管子上的纵向缺陷。根据图12，传感器装置由呈圆弧的线性条带13构成，传感器的各个元件沿着圆弧排列。要检验的管子T沿着其轴线移动，条带的平面垂直于管子的轴线。在元件之间存在或不存在相移的情况下，在传感器的所有NT个元件上进行发射。进行如上所述相同的采集后处理，以便确定关于指定偏转角αL以及关于条带中各个虚拟传感器的重构响应，以便如前所述实现围绕管子的波束的电子旋转。
图13表示了根据本发明的另一实施例。图13中，传感器装置排列在圆柱面上，由相互平行排列的多行元件(13-1，...13-i，...13-n)的镶嵌结构或网络构成，如图所示。本例中，每一行是传感器的圆柱面的母线。沿着与传感器的圆柱面共轴的轴线移动要检验的管子。
图12和13中，控制电路(或者上游电路，用于发射)被标记为10，接收组合件(或下游电路)被标记为13。
上游电路10被安排成在相邻单元之间存在或不存在相移的情况下，产生所有换能器元件的相同发射。例如在图13的情况下，能够在相邻行之间实现相移，以便形成在管子的横截面中按照最佳方式倾斜的波束(约17°的偏转角αL)，但是在同一行的元件之间不存在相移，并且能够利用不同的虚拟传感器，实现波束围绕管子的电子旋转。
根据本发明，对已保存的返回信号进行采集后处理，以便关于优化角度αL(约17°)和-5°～+5°的角度αT，重构响应信号。
在管子在设施中直线前进的情况下，这种具有镶嵌传感器的设施能够快速检验数种缺陷倾斜度(-20°～20°)，和先前描述的使用螺旋前进检测倾斜缺陷的设施不同。
在该设施中，还能够根据管子的横截面，或者根据管子的纵向平面，选择以可变但是选定的方式偏转返回波束的规律，以便优化角度αT和αL(例如αT＝17°，同时αT＝0°，αT＝13°，同时αT＝11°)。
在该设施中可以使用两维虚拟传感器。这种情况下，传感器被移动具有轴向分量和圆周分量的覆瓦间距pi。
上述设施都具有通过实现返回信号的单一采集后处理，提高检验速率的能力。能够共同地或者单独地简化说明的例子，以及同样地简化说明的特征和例子的组合，尤其是随着希望进行的检验的类型而变化。
附录
A1
 偏转角α1(°)   增益(dB)     和倾斜度相应的缺口上的回波的幅值(％)
    0     5     10     15     20     25     45
    0     14.4     90     50     10
    1     15.4     70     90     40     15
    3     15.8     10     55     90     55     20
    4     16.8     20     75     90     30     10
    5     20     55   ＞100     90     30
    7     23.5     10     40     83     90
A2
 双偏转角2αT(°) 增益(dB)     和倾斜度相应的缺口上的回波的幅值(％)
    0     5     10     15   20   25   45
    0     11     90     53     10
    3     12     20     90     20
    6     15.5     20     90     10
    8     20.5     25     20     35     90   10
    11     32.2     80     50     35     50   90
    16     40    ＞100   ＞100     90     65   65     70

Claims (23)

1、一种尤其是在存在间接耦接的情况下，用于无损检验冶金产品的设施，包括：
-包括一组有选择地可使用的超声波换能器元件(Ci)的超声波传感器装置(3)；
-能够在选择的时刻，有选择地激发换能器元件的上游电路(1)，
-能够收集换能器元件检测的返回信号的下游电路(2、4)，和
能够作为冶金产品对超声波激发的整体响应(7)分析检测的信号的处理组件(5)，
其特征在于上游电路(1)被安排成由脉冲串操纵，所述脉冲串与换能器元件的激发的相同时间规律相关，
所述下游电路(2、4)包含一个存储器(4)，并被安排成按照选择的时间深度，对应于每个脉冲串，保存每个换能器元件检测的信号的样本(Sij)，
处理组件适合于与存储器合作，以便：
-对于每个脉冲串，根据选择的时间处理规律，反复读取和合计(5)每次重复特有的对应于不同换能器元件(Ci)以及对应于一个元件与另一元件之间交错的时刻(tj)的各组样本，使得能够关于每个脉冲串计算多个重构响应(ST，αT)，每个重构响应对应于一个发射偏转角αT，
-以及，分析由这些重构响应的组构成的整体响应。
2、按照权利要求1所述的设施，其特征在于对于每个重构响应，超声波换能器元件(Ci)具有至少等于最大偏转角的扩散角(δ)。
3、按照权利要求2所述的设施，其特征在于下游电路包含用于传感器装置(3)的每个元件(Ci)检测的信号的数字化单元(2)。
4、按照权利要求3所述的设施，其特征在于存储器(4)被安排成与所述数字化单元(2)合作，以便一方面根据连续时刻，另一方面根据现用换能器元件保存每个换能器元件检测的信号(Sij)的样本。
5、按照上述任一权利要求所述的设施，其特征在于处理组件包括计算装置(5)，所述计算装置(5)能够定义将分别应用于检测信号的延迟的分布，以便根据选择的波束偏转角(αT)，关于每个分布获得和脉冲串对应的重构响应。
6、按照权利要求4或5所述的设施，其特征在于处理组件包含使其能够关于每个换能器元件根据与样本相关的时间访问存储器的选择装置。
7、按照前述任一权利要求所述的设施，其特征在于上游电路(1)具备时间激活规律，所述时间激发规律对应于其间基本上不存在相移的换能器元件(Ci)的激发。
8、按照前述任一权利要求所述的设施，其特征在于上游电路(1)具备时间激活规律，所述时间激发规律对应于在换能器元件之间存在定义发射时偏转的波束的相移的情况下所述换能器元件(Ci)的激发，并且鉴于所述时间激发规律，处理组件(5)被安排成考虑到激发时换能器元件之间的相移，定义将被应用于检测信号的延迟的分布，从而重构响应，各响应分别对应于以发射时波束的物理偏转角为中心的偏转角αT。
9、按照前述任一权利要求所述的设施，其特征在于加起来的每组样本(Sij)对应于选择的称为虚拟传感器的换能器子组。
10、按照权利要求9所述的设施，其特征在于处理组件(5)被安排成对于传感器装置的不同子组，计算在相同的偏转角αT下产品对相同脉冲串的数个基本重构响应。
11、按照权利要求10所述的设施，其特征在于处理组件(5)被安排成以对于传感器装置的不同子组在相同的偏转角αT下基本重构响应的函数的形式，计算重构响应。
12、按照权利要求11所述的设施，其特征在于在偏转角αT下，产品对脉冲串的重构响应是具有最大峰值幅度的基本响应。
13、按照权利要求9-12任一所述的设施，其特征在于处理组件(5)被安排成对于传感器装置的不同子组，计算在不同偏转角αT下的重构响应。
14、按照权利要求9-13任一所述的设施，其特征在于用于计算在偏转角αT下产品对脉冲串的重构响应的传感器装置的各个子组包括基本上相同数目(Nv)的换能器元件。
15、按照权利要求14所述的设施，其特征在于传感器装置的子组选自传感器装置，同时排除位于两端的保护带，所述保护带的换能器单元的数目约为子组的换能器数目的一半(Nv/2)。
16、按照权利要求14或15所述的设施，其特征在于通过平移称为覆瓦间距的间距pi，相互产生两个相邻的子组。
17、按照权利要求16所述的设施，其特征在于相邻的两个子组包含公共的元件。
18、按照权利要求9-17任一所述的设施，其特征在于选择的用于计算偏转角αT下的重构响应的传感器装置的子组的数目基本上对应于关于选择的覆瓦间距pi以及关于从(NT-Nv)个元件选择的元件的数目Nv的可能子组的最大数目。
19、按照前述任一权利要求所述的设施，所述设施意图用于检验钢管(T)类型的冶金产品，其特征在于它包含根据围绕管子轴线的螺旋运动驱动管子的装置，超声波传感器装置被构造成换能器元件的直线条带(3)的形式，所述直线条带(3)平行于管子(T)的轴线布置，并且被布置成使发射时的超声波束在管子(T)的横截面中具有选择的偏转角(αL)，从而使得尤其能够检测倾斜缺陷。
20、按照权利要求1-18任一所述的设施，所述设施意图用于检验钢管类型的冶金产品，其特征在于它包含根据沿管子轴线的直线运动驱动管子(T)的装置，超声波传感器装置被构造成换能器元件的直线条带(3)的形式，所述直线条带(3)平行于管子(T)的轴线布置，并且被布置成使发射时的超声波束在管子(T)的横截面中具有选择的偏转角(αL)，所述条带被设置成围绕管子旋转，从而使得尤其能够检测倾斜缺陷。
21、按照权利要求1-18任一所述的设施，所述设施意图用于检验钢管类型的冶金产品，其特征在于它包含根据沿管子轴线的直线运动驱动管子(T)的装置，超声波传感器装置被构造成围绕管子(T)排列的换能器元件的条带(3)的形式，所述条带(3)呈圆弧形，从而使得尤其能够检测纵向缺陷。
22、按照权利要求1-18任一所述的设施，其特征在于它包含根据沿管子轴线的直线运动驱动管子(T)的装置，超声波传感器装置包含换能器元件(13)的网络，基本上按照与管子(T)共轴的圆柱面把换能器元件(13)排列成数行元件，所述数行元件相互平行，并且与管子(T)的轴线平行，下游电路及其处理组件能够确定由网络的某一子组元件或全部元件检测的返回信号上的延迟的分布，从而使得尤其能够检测倾斜缺陷。
23、按照前述任一权利要求所述的设施，其特征在于处理组件包含在下游电路中。
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