СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТЕСТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА
METHOD AND DEVICE FOR ACOUSTIC TESTING OF OBJECTS

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу ультразвукового тестирования объекта, в котором в по меньшей мере один момент тестирования ультразвуковой сигнал тестирования передается в объект.
Предшествующий уровень техники
Способ ультразвукового тестирования известен из практики обнаружения дефектов, присутствующих в объекте, для измерения толщины объекта и т.п. (см., например, патент США 6055862). Способ пригоден для обнаружения дефектов в железнодорожных рельсах и/или износа железнодорожных рельсов. Измерительный поезд движется по рельсам с определенной скоростью измерения. Измерительный поезд снабжен несколькими преобразователями, предназначенными для передачи ультразвуковых тестирующих импульсов перпендикулярно и под определенными углами к рельсам. Кроме того, поезд снабжен детекторами для приема эхо-сигналов, приходящих от импульсов тестирования. На основании картины эхо-сигнала, полученной от этих эхо-сигналов, можно определить, есть ли в рельсе дефекты, каковы позиции найденных дефектов и какова высота пути. Определение, в целом, осуществляется посредством соответствующих электронных устройств для обработки сигналов, в частности посредством одного или нескольких надлежащим образом запрограммированных компьютеров. Преимущество известного способа - в возможности быстрой и неразрушающей проверки объекта на наличие дефектов.
Недостаток известного способа состоит в том, что достаточно трудно детектировать эхо-сигнал, соответствующий звуковому сигналу, переданному в объект. Через объект могут распространяться, например, разные сигналы помехи, имеющие источник, отличный от источника сигналов тестирования. Когда измерения осуществляются на рельсах, сигналы помехи могут содержать, например, шум, создаваемый самим измерительным поездом, например, шум, создаваемый колесами поезда. Такие сигналы помехи могут сделать невозможным обнаружение эхо-сигналов от сигнала тестирования. Кроме того, сигналы помехи могут быть ошибочно интерпретированы как эхо-сигналы от сигналов тестирования, что приводит к неправильному результату тестирования.
Другим источником помехи измерения являются сами сигналы тестирования, в случае, когда способ осуществляется с использованием более одного сигнала тестирования. В этом случае оказывается трудно отличить друг от друга разные сигналы тестирования, в частности, когда сигналы тестирования последовательно передаются вдоль части тестируемого объекта в течение относительно короткого периода времени.
Краткое изложение существа изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является усовершенствование способа ультразвукового тестирования объекта. В частности, задачей изобретения является создание способа, позволяющего достаточно точно производить тестирование.
Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания способа, характеризующегося признаками пункта 1.
В по меньшей мере один момент тестирования ультразвуковой сигнал тестирования передают в объект. По истечении заданного периода проверки, измеренного от момента тестирования, ультразвуковой сигнал проверки передают в объект. Возможный эхо-сигнал этого сигнала тестирования принимают в заданный первый момент измерения. Этот эхо-сигнал принимают как эхо-сигнал упомянутого сигнала тестирования только, если эхо-сигнал ультразвукового сигнала проверки принимают во второй момент измерения. Таким образом возможно осуществлять весьма точное ультразвуковое тестирование объекта. На основании сигнала проверки затем производят определение, действительно ли ультразвуковой сигнал, принятый от объекта, является эхо-сигналом сигнала тестирования. Если принятый сигнал не пришел от сигнала тестирования, то эхо-сигнал от сигнала проверки не будет принят. В этом случае принятый сигнал можно игнорировать. Возможные эхо-сигналы от сигналов тестирования воспринимают только после приема эхо-сигналов от сигналов проверки. Этот способ позволяет эффективно отделять сигналы помехи от сигналов тестирования.
Прием сигнала тестирования также можно рассматривать как прием сигнала проверки. В этом случае эхо-сигнал сигнала тестирования служит для проверки эхо-сигнала сигнала проверки, излученного позже. Затем части сигнала проверки и сигнала тестирования меняют местами.
Согласно изобретению, способ можно осуществлять эквивалентным образом, сначала передавая в объект сигнал проверки, а затем сигнал тестирования. Изобретение характеризуется тем, что в по меньшей мере один момент тестирования ультразвуковой сигнал проверки передают в объект, а по истечении конкретного периода времени проверки, измеренного от упомянутого момента тестирования, ультразвуковой сигнал тестирования передают в объект, при этом возможный эхо-сигнал от этого сигнала тестирования принимают от объекта в конкретный второй момент измерения, а возможный эхо-сигнал принимают как эхо-сигнал сигнала тестирования только, если эхо-сигнал сигнала проверки принимают в конкретный первый момент измерения.
Этот способ, заявленный в пункте 2, использует ту же концепцию изобретения, что и способ, заявленный в пункте 1, и потому обеспечивает вышеупомянутые преимущества.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, предполагаемый эхо-сигнал упомянутого сигнала тестирования воспринимают как эхо-сигнал этого сигнала тестирования только, если разность между первым и вторым моментами измерения, по существу, равна периоду проверки.
Каждый сигнал тестирования и соответствующий сигнал проверки передают в объект с конкретным промежуточным периодом времени проверки. Когда, после этого, эхо-сигналы, имеющие, по существу, такой же промежуточный период времени проверки, принимают от объекта, эти эхо-сигналы можно принимать как эхо-сигналы этого сигнала тестирования и этого сигнала проверки. Посредством периода времени проверки эхо-сигнал сигнала проверки доказывает, что конкретный эхо-сигнал принадлежит конкретному сигналу тестирования.
Согласно изобретению предложено также устройство, охарактеризованное в пункте 9.
С помощью этого устройства можно эффективно осуществлять способ согласно изобретению, что дает вышеупомянутые преимущества. Устройство можно использовать различным образом, например, для тестирования объектов, элементов, рельсов, деталей автомобиля, деталей судна и/или самолета и т.п.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1А изображает временную диаграмму сигналов тестирования способа, известного из уровня техники, в котором несколько сигналов тестирования периодически передаются в объект;
фиг.1В - временную диаграмму, аналогичную изображенной на фиг.1А, сигналы тестирования передаются в объект с вдвое меньшим периодом;
фиг.2 - диаграмму эхо-сигнала известного способа тестирования;
фиг.3 - временную диаграмму сигналов тестирования способа, согласно настоящему изобретению;
фиг.4 - диаграмму эхо-сигнала, согласно изобретению;
фиг.5 - схему устройства для осуществления способа ультразвукового тестирования объекта, согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1 и 2 показаны диаграммы сигналов способа, известного в технике, в котором несколько ультразвуковых импульсов периодически передаются в объект. Способ осуществляется, например, с помощью устройства 1, схематически изображенного на фиг.5. Измерительное устройство 1, например часть измерительного поезда, перемещается по объекту 2, например по рельсам. Устройство 1 снабжено системой 3 измерения и детектирования, которая предназначена для подачи ультразвуковых импульсов в объект 2 и приема эхо-сигналов от этих импульсов. Система 3 может надлежащим образом входить в контакт с объектом 2, например, непосредственно или опосредованно, через жидкость, воздух или иным образом. Система 3 измерения и детектирования содержит один или несколько преобразователей (не показаны) для генерирования ультразвуковых импульсов и подачи их в объект и один или несколько детекторов (не показаны) для приема эхо-сигналов ультразвуковых импульсов. Система 3 измерения и детектирования подключена к блоку 4 управления, предназначенному для обработки сигналов, принятых детекторами. Предпочтительно блок 4 управления предназначен для определения на основании полученной картины эхо-сигнала, имеются ли и где возможные ошибки, повреждения, дефекты и другие нарушения в объекте. Кроме того, блок 4 управления предназначен, например, для определения толщины объекта на основании упомянутых эхо-сигналов. Такое измерительное устройство 1 известно из патента US 6055862.
При тестировании объекта измерительное устройство 1 передает несколько сигналов тестирования в объект 1, например, согласно шаблону тестирования, представленному на фиг.1А и 1В. На фиг.1 показана временная диаграмма, на которой указан ряд ультразвуковых импульсов точками координат S1, S2, S3. Импульсы S1, S2, S3 имеют одинаковый частотный спектр и одинаковую длительность импульса. В описываемом варианте осуществления импульсы S1, S2, S3 последовательно передаются в объект 2 с, по существу, фиксированным периодом Т тестирования от момента t=0. Поэтому первый импульс S1 передается в первый момент тестирования t=0, второй импульс S2 передается во второй момент тестирования t=T, и третий импульс S3 передается в третий момент тестирования t=2T. Когда измерительное устройство 1 перемещается вдоль объекта 2 с известной скоростью V измерения, импульсы S1, S2, S3 вводятся в объект 2 с, по существу, фиксированными промежутками между ними. После увеличения скорости V измерения, например, вдвое, период тестирования подлежит уменьшению, например, наполовину, для передачи импульсов S1, S2, S3 в объект с теми же промежутками (фиг.1В). Для передачи импульсов с требуемыми промежутками в объект 2 период Т тестирования может, например, содержать заданное время измерения и заданное время ожидания. Конечно, в ходе испытаний период Т тестирования также может изменяться тем или иным образом. Например, период тестирования может изменяться в зависимости от конкретной скорости V измерения измерительного устройства 1. Кроме того, период тестирования может, например, зависеть от ускорения и/или замедления измерительного устройства 1. Устройство измерения и детектирования может, например, быть подключено к тахометру (не показан) устройства 1.
Эхо-сигналы, поступающие от импульсов тестирования S1, S2, S3, принимаются измерительным устройством 1. Соответствующая диаграмма эхо-сигналов E1, E2, E3 представлена на фиг.2. Первый эхо-сигнал Е1, приходящий от первого импульса S1 тестирования, принимается в конкретный первый момент измерения, спустя период времени измерения М после первого момента тестирования t=0. Длина этого периода измерения М зависит, помимо прочего, от скорости звука в материале тестируемого объекта 2, от размеров объекта 2, от скорости звука в материалах и средах, присутствующих между объектом 2 и детекторами устройства 1. Из фиг.1В и 2 следует, что эхо-сигнал Е1 первого импульса S1 может, например, поступать на детектор только после того, как был передан второй импульс S2. В этом случае второй импульс S2 может создавать помеху при приеме эхо-сигнала Е1 первого импульса. Кроме того, результат, получаемый известным способом, чувствителен к другим сигналам помехи, распространяющимся через объект 2.
На фиг.3 и 4 показаны временные диаграммы иллюстративного варианта осуществления способа, согласно настоящему изобретению, который относительно нечувствителен к сигналам помехи. Как показано на фиг.3, несколько ультразвуковых сигналов S1, S2, S3, S4 тестирования передают в объект 2 в конкретные моменты времени тестирования, с промежуточным периодом Т тестирования. Период Т тестирования между последовательными сигналами тестирования S1, S2, S3, S4, например, меньше около 1 мс и, в частности, находится в диапазоне 0,5-0,01 мс. Естественно, период тестирования может составлять около 1 мс или более, в зависимости от режима работы и/или скорости измерения. Периоды Т тестирования сигналов тестирования S1, S2, S3, S4 могут, например, быть такими, что сигналы тестирования передаются в объект 2 приблизительно через каждый миллиметр или несколько миллиметров, когда устройство перемещается вдоль объекта 2 с конкретной скоростью V. Предпочтительно, в ходе испытаний, устройство 1 перемещается вдоль объекта со скоростью V измерения, которая больше 10 м/с, в частности больше около 20 м/с. Это позволяет сравнительно быстро тестировать большую часть объекта. Это предпочтительно, когда скорость V измерения по меньшей мере равна около 30 м/с, а сигналы тестирования передаются в объект через каждые 2-3 мм.
1
2
1
2
2
1
1
2
Совместно с некоторыми сигналами тестирования S1, S2 и S4 в объект 2 также передают ультразвуковые сигналы проверки S1', S2', S4', S4'', в частности, после конкретных периодов проверки Δt, Δt, измеренных от упомянутых моментов тестирования. Согласно описываемому варианту осуществления, один сигнал проверки S1' передают спустя один первый период проверки Δt после первого момента тестирования t=0. Сигнал проверки S2' передается спустя второй период проверки Δt после второго момента тестирования t=T. Второй период проверки Δt длиннее первого периода проверки Δt, что позволяет отличить соответствующие эхо-сигналы друг от друга. Два сигнала проверки S4' и S4'' передают с заданными периодами проверки после третьего момента тестирования t=2T. Для проверки третьего сигнала тестирования S3 сигнал проверки не передается. В объект 2 можно вводить дополнительные сигналы тестирования с соответствующими сигналами проверки или без них. Кроме того, сигналы проверки можно, например, передавать до соответствующих сигналов тестирования, что не представлено на чертежах. Кроме того, периоды Т тестирования между сигналами тестирования могут быть больше периодов проверки Δt, Δt.
Предпочтительно каждый сигнал тестирования S1, S2 и один или несколько соответствующих сигналов проверки S1', S2' вводятся близко друг к другу в объект 2, так что эхо-сигналы этих сигналов приходят, по существу, от одной и той же части объекта 2, что делает проверку сигналов тестирования исключительно точной. Каждый сигнал тестирования может, например, передаваться в объект 2 в первой точке координаты, тогда как соответствующий сигнал проверки S1', S2' передается в объект 2 во второй точке координаты, соседней с первой точкой координаты. Предпочтительно расстояние между первой и второй точками координаты меньше около 1 мм и, в частности, около 0,5 мм или предпочтительнее 0,1 мм или меньше.
1
2
1
2
Предпочтительно каждый период проверки сравнительно мал относительно периода Т тестирования сигналов тестирования. Например, период проверки Δt, Δt предпочтительно меньше около 100 мкс, в частности меньше около 50 мкс, еще предпочтительнее меньше около 20 мкс. Период проверки может, например, находиться в диапазоне около 1-20 мкс. При использовании разных периодов проверки Δt, Δt, например, они могут отличаться от друг от друга на одну или несколько мкс. Один период проверки может, например, быть длиннее другого на около 10 мкс или наоборот.
На фиг.4 показана часть диаграммы эхо-сигнала шаблона тестирования, представленного на фиг.3, после приема эхо-сигналов E1, E2, E1', E2', приходящих от сигналов тестирования S1, S2 и сигналов проверки S1', S2'. Каждый эхо-сигнал каждого сигнала тестирования принимается в первый соответствующий момент измерения. Согласно изобретению, принятый эхо-сигнал E1, E2 каждого сигнала тестирования S1, S2 проверяют на основании приема и, в частности, момента приема эхо-сигнала E1', E2' соответствующего сигнала проверки S1', S2'. Эхо-сигнал каждого сигнала тестирования S1, S2 принимают только, если эхо-сигнал E1', E2' соответствующего сигнала проверки S1', S2' принимают в заданный второй момент измерения, и если разность между первым и вторым моментами измерения, по существу, равна указанному периоду проверки. Дело в том, что, согласно по меньшей мере описываемому варианту осуществления изобретения, после правильного приема, эхо-сигнал проверки принимают, если соответствующий период проверки быстрее, чем эхо-сигнал соответствующего сигнала тестирования. В случае, если сигнал проверки передают до соответствующего сигнала тестирования, после правильного приема, эхо-сигнал проверки принимают, если соответствующий период проверки быстрее, чем эхо-сигнал соответствующего сигнала тестирования. Когда никакой сигнал проверки не принимают, или принимают в момент времени, отличный от ожидаемого, принятый соответствующий предполагаемый эхо-сигнал сигнала тестирования игнорируют.
Предпочтительно используют сигналы тестирования и сигналы проверки, которые, по существу, равны друг другу, что обеспечивает достаточную точность обработки сигнала. В частности, каждый сигнал тестирования и каждый соответствующий сигнал проверки имеют, по существу, одинаковую длительность сигнала, по существу, одинаковую амплитуду и, по существу, одинаковый частотный спектр, что позволяет производить точную проверку. С другой стороны, каждый сигнал тестирования и сигнал проверки могут отличаться друг от друга, например, длительностью сигнала, амплитудой и/или частотным спектром. Кроме того, сигналы тестирования могут быть взаимно одинаковыми или разными в отношении длительности импульса, амплитуды и/или частоты.
1
2
Для осуществления настоящего изобретения предусмотрено устройство, которое предпочтительно содержит блок управления, в частности компьютерное средство, причем блок управления предназначен для приема эхо-сигнала, полученного в заданный момент измерения, как эхо-сигнала E1, E2 сигнала тестирования S1, S2 только, если эхо-сигнал E1', E2' сигнала проверки S1', S2' принимают в другой момент измерения. Предпочтительно блок управления также предназначен для приема полученного эхо-сигнала только, если разность между одним и другим моментами измерения, по существу, равна упомянутому периоду проверки Δt, Δt, что делает устройство особо точным и нечувствительным к сигналам помехи.
Очевидно, что изобретение не ограничивается описанным вариантом осуществления. В рамках изобретения возможны различные модификации, указанные в нижеследующей формуле изобретения.
Например, преобразователи, детекторы и т.д. могут быть сконструированы и размещены по-разному. Измерительное устройство 1 также может быть сконструировано по-разному, например, в зависимости от тестируемого объекта.
Кроме того, разные сигналы тестирования можно хорошо отличать друг от друга, когда длина периода проверки изменяется в зависимости от количества сигналов тестирования, подлежащих последовательной передаче. Кроме того, например, некоторые сигналы тестирования могут быть снабжены сигналами проверки, а другие - нет. Кроме того, для проверки сигнала тестирования можно генерировать, например, несколько соответствующих сигналов проверки, с легко распознаваемыми промежуточными периодами проверки.
Сигналы тестирования могут содержать другие сигналы, например сигналы с относительно короткой длительностью импульса порядка нескольких мкс или менее. Кроме того, сигналы могут передаваться перпендикулярно и/или под другими углами в тестируемый объект.
Кроме того, один или несколько сигналов проверки могут, например, передаваться в объект до и/или после по меньшей мере одного сигнала тестирования для проверки возможного эхо-сигнала этого сигнала тестирования.