СПОСОБ КАЛИБРОВКИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ, УСТАНОВЛЕННОЙ НА ПРИЗМУ Российский патент 2014 года по МПК G01N29/30 

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля.

Известен способ калибровки ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму, осуществляемый за счет измерения скорости распространения ультразвуковых сигналов и их времени пробега в призме, реализованный в ультразвуковом дефектоскопе «OmniScan MX2» (См. официальный сайт фирмы OLYMPUS - http://www.olympus-ims.com/ru/omniscan-mx2/).

Недостатком способа является многоэтапное выполнение процедур измерения скорости распространения ультразвуковых сигналов и их времени пробега в призме, использование трех образцов, один из которых имеет сложную конструкцию, а также невозможность определения следующих параметров ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму: стрела призмы, расстояние пробега в призме по центральному лучу, угол наклона призмы, время задержки в согласующем слое антенной решетки.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ калибровки ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму, осуществляемый за счет измерения скорости распространения ультразвуковых сигналов и их времени пробега в призме, реализованный в ультразвуковом дефектоскопе «OmniScan MX2» (См. официальный сайт фирмы OLYMPUS - http://www.olympus-ims.com/ru/omniscan-mx2/).

Известный способ не позволяет определять следующие параметры ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму: стрела призмы, расстояние пробега в призме по центральному лучу, угол наклона призмы, время задержки в согласующем слое антенной решетки.

Предложен способ калибровки ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму, заключающийся в излучении ультразвуковых сигналов с помощью множества элементов антенной решетки в образец известной толщины и прием ультразвуковых сигналов, отраженных от отверстия бокового сверления известного диаметра на заданной глубине, регистрации множества ультразвуковых эхосигналов для выбранной конфигурации излучения и приема, определяемой списком пар излучающих и принимающих элементов, расчета оценки эхосигналов, зависящей от скорости звука в призме и ее геометрических параметров, сравнении между собой измеренных и рассчитанных эхосигналов, и поиска таких значений скорости звука в призме и ее геометрических параметров, которые обеспечивают минимальную разницу и которые будут считаться результатом калибровки, отличающийся тем, что в результате калибровки ультразвуковой антенной решетки определяются значения скорости продольной волны в призме, ее геометрические параметры и время пробега в протекторе антенной решетки.

Предлагаемый способ позволяет одновременно определять следующие параметры ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму: скорость продольной волны в призме, стрелу призмы, расстояние пробега в призме по центральному лучу, угол наклона призмы, время задержки в согласующем слое антенной решетки. Определяемые параметры необходимы для расчета реальных координат центров пьезоэлементов с точностью одной восьмой длины волны с целью их дальнейшего введения в алгоритмы восстановления изображения и минимизации смещения координат восстановленного изображения от координат реального положения отражателей, что позволяет повысить эффективность применения методов когерентного восстановления изображения от отражателей, а значит повысить точность определения координат отражателей.

Для пояснения описываемого способа:

на фигуре 1 приведена фотография образца с установленной на него призмой без антенной решетки,

на фигуре 2 приведены результаты калибровки антенной решетки PE-5.0М32Е0.8Р №0334 на призме X-42-R420 №1,

на фигуре 3 приведены изображения отверстия бокового сверления в образце, восстановленные по паспортным данным и восстановленные по параметрам, определенным по итогам калибровки.

Предложенный способ калибровки осуществляется следующим образом.

Для проведения калибровки нужен специальный образец с отверстием бокового сверления. В качестве такого образца может выступить стальной образец (см. Фиг.1) толщиной 18 мм, в котором на глубине 12 мм просверлено отверстие бокового сверления диаметром 2 мм. Для фиксации призмы на калибровочном образце имеется упор. Для того чтобы расстояние x_w от передней грани призмы до центра отверстия было калиброванной величиной, между упором образца и призмой можно вставлять вкладыши длиной 10 мм. Стенки образца должны быть параллельны с точностью не менее чем 0.01 мм на 100 мм, а скорости продольной и поперечной волны в образце должны быть измерены с точностью не менее 0.5%.

Антенная решетка на призме устанавливается на образец вплотную, либо к упору, либо к краю вкладыша. Рекомендуемое расстояние x_w должно быть примерно равно расстоянию, при котором центральный луч попадает на дно под отверстием бокового сверления. Эхосигналы следует измерять с усилением, не допускающим возникновения нелинейных искажений. Способ калибровки основан на достижении максимального совпадения по заданному критерию измеренных эхосигналов $$p(r_t,r_r,t)$$ и их оценки $$\widehat{p}(r_t,r_r,t;v)$$ при вариации таких параметров как стрела призмы а_w, расстояние пробега в призме р_w, скорость звука в призме c_w,l. Вектор, по которому происходит оптимизация, обозначим как v=(a_w,p_w,c_w). Его размеры могут быть увеличены за счет включения дополнительных параметров для оптимизации, например угла наклона призмы β_w, или времени пробега в протекторе t_prot. Критерием максимального совпадения измеренных эхосигналов $$p(r_t,r_r,t)$$ и их оценки $$\widehat{p}(r_t,r_r,t;v)$$ может служить достижение минимума целевой функции D(v)

$$v=\underset{v=(a_w,p_w,c_w)}{argmin}D(p(r_t,r_r,t),\widehat{p}(r_t,r_r,t;v))$$ .

Далее целевую функцию $$D(p(r_t,r_r,t),\widehat{p}(r_t,r_r,t;v))$$ будем обозначать как D(v). Если работать с комплексными сигналами, которые можно получить из обычных эхосигналов с помощью преобразования Гильберта, то целевую функцию можно представить в виде величины обратной функции корреляции $$D_c(v)=\frac{1}{\left|\int \int p(x,t){\widehat{p}}^{\ast }(x,t;v)dtdx\right|}$$ , где значок * означает операцию комплексного сопряжения.

В качестве примера работы предложенного способа приведем результаты калибровки антенной решетки PE-5.0М32Е0.8Р №0334 на призме X-42-R420 №1. Антенная решетка имеет рабочую частоту 5 МГц, расстояние между элементами равно 0.8 мм. Призма с углом наклона β_w=42 градусов изготовлена из плексигласа. Оценка поля $$\widehat{p}(x,t;v)$$ проводилась для прямого луча и однократно отраженного от дна образца. Результаты калибровки приведены (см. Фиг.2.).

Для оценки эффективности предложенной процедуры калибровки изображение отверстия бокового сверления в образце для калибровки восстанавливались методом M-C-SAFT по шести акустическим схемам на поперечных волнах по паспортным параметрам Ошибка! Источник ссылки не найден, и по параметрам, полученным после выполнения процедуры калибровки. Изображения, восстановленные по параметрам определенным по итогам калибровки, точнее соответствуют границе отверстия (см. Фиг.3.).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать восстановленные изображения отражателей с отклонениями от мест реального расположения меньше четверти длины волны на эффективной части антенной решетки.

Использование: для калибровки ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму. Сущность изобретения заключается в том, что излучают ультразвуковые сигналы с помощью множества элементов антенной решетки в образец известной толщины и принимают ультразвуковые сигналы, отраженные от отверстия бокового сверления известного диаметра на заданной глубине, регистрируют множество ультразвуковых эхосигналов для выбранной конфигурации излучения и приема, определяемой списком пар излучающих и принимающих элементов, рассчитывают параметры эхосигналов в зависимости от скорости звука в призме и ее геометрических параметров, сравнивают между собой измеренные и рассчитанные эхосигналы и производят поиск такого значения скорости продольной ультразвуковой волны в призме и ее геометрические параметры, которые обеспечивают минимальную разницу и которые будут считаться результатом калибровки, при этом в результате калибровки ультразвуковой антенной решетки определяется также время пробега в протекторе антенной решетки. Технический результат: обеспечение возможности определения реальных координат центров пьезоэлементов с точностью одной восьмой длины волны. 3 ил.

Способ калибровки ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму, заключающийся в излучении ультразвуковых сигналов с помощью множества элементов антенной решетки в образец известной толщины и прием ультразвуковых сигналов, отраженных от отверстия бокового сверления известного диаметра на заданной глубине, регистрации множества ультразвуковых эхосигналов для выбранной конфигурации излучения и приема, определяемой списком пар излучающих и принимающих элементов, расчета оценки эхосигналов, зависящей от скорости звука в призме и ее геометрических параметров, сравнении между собой измеренных и рассчитанных эхосигналов, и поиска таких значений скорости звука в призме и ее геометрических параметров, которые обеспечивают минимальную разницу и которые будут считаться результатом калибровки,
отличающийся тем, что в результате калибровки ультразвуковой антенной решетки определяются значения скорости продольной волны в призме, ее геометрические параметры и время пробега в протекторе антенной решетки.