专利名称：使用相控阵超声装置的焊缝跟踪系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无损测试和检验系统(NDT/NDI)，尤其涉及一种与NDT/NDI检验操作 相协作的使用相控阵(Phased array, PA)装置的自动焊缝跟踪系统。
背景技术：
焊接是长期以来一直采用的工艺，用于将单独的金属物体接合在一起以构建支撑 结构以及生产管、器皿和其它产品。存在很多类型的焊接技术，包括气焊、电弧焊和电阻焊 (ERff)。焊接物体的共同特性是焊接区域和非焊接区域之间的厚度有差异。由于焊接完整性的检验使得能够检测裂纹、气孔、未焊透、加渣、侧壁未融合以及 其它的有损焊接强度的缺陷，因而焊接完整性的检验一直被认为是至关重要的。许多现有 的NDT/NDI产品可用于焊接检验，例如超声和涡流仪器以及探头。对于一些焊接检验应用，挑战之一在于如何有效地和/或自动地跟踪焊接位置由 此引导紧靠在焊接位置附近的检验探头。例如，对于电阻焊(ERW)产品，管是通过将矩形金 属片给送到焊接机以使它们的相对边被焊接在一起而形成的。然后，在离开焊接和焊接确 认系统之前，对焊缝的外表面和内表面进行修整。在其中一项现有技术中，通过超声相控阵(PA)系统在传输通过焊接和焊接检验 系统的同时检测焊缝的完整性。长管上的焊缝位置有沿圆周漂移的倾向，同时在传输中需 要操作者从视觉上监视焊缝位置并调节管或PA探头位置以保持中心位于焊缝上。应该注 意，管轴向移动50米时焊缝位置仅少量漂移是常见的。上述手动跟踪方法的缺点之一在于由于操作者必须在场以监视和在需要时调节 焊缝位置，因此妨碍了焊接和焊接检验系统的完全自动化。为了克服焊缝跟踪的上述问题，申请人所能想到的一些现有技术包括英国的 Metavision所提供的解决方案。Metavision装置使用激光跟踪技术以引导NDI检验。该方 法的局限性在于其需要沿着管的可视标记线以引导PA探头跟随焊缝。在相对于焊缝的给 定距离处标绘可视线(还被称为导向线)在工业操作条件下存在相当的难度。为了精确， 导向线必须被标绘在温度较高的焊接处理位置附近，因而导致标记线没有标绘或被部分地 掩盖。激光跟踪装置等的光学装置用于监视管上的暗面和白线之间的对比，以建立适当的 位置。如果对比不足，则装置可能错过焊接位置。Metavision装置的其它缺点还包括使用激光传感器以及需要单独的两组传感器 和相关联的硬件/软件来执行焊缝跟踪和检验任务，由此导致了不期望的较高系统投入。另一解决方案在Girndt的美国专利申请(公开号2009/0132181A1)中进行了描 述。Girndt的专利申请通过采用两组超声传感器跟踪焊缝来解决焊缝跟踪问题，所采用的 两组传感器的其中一组用于跟踪焊缝，另一组用于检验焊缝，由此导致了材料和操作成本 的增加。Girndt也未能提及使用相控阵超声系统，由此妨碍了获得沿着焊缝及其附近覆盖 较宽的扫描区域带的能力。此外，Girndt存在需要扫描整个外部管面以获得焊缝位置的局限性，这与仅扫描焊缝和边界区域相比是极其低效的。

发明内容
这里公开的本发明的目的是解决与用于定位NDT/NDI装置以进行焊缝检验的焊 缝跟踪有关的问题，同时避免现有焊缝跟踪技术具有的上述缺点，例如避免手动跟踪或使 用除了 NDT/NDI检验装置以外的额外传感器/跟踪装置所引起的低效率和高成本问题。应该注意，在本发明中，传感器、探头和转换器是可以互换使用的。因此，本发明的总体目的是提供一种与NDT/NDI操作相协作直接使用NDT/NDI传 感器的焊缝跟踪装置。焊缝跟踪算法的处理能够容易地与现有的NDT/NDI检验装置的现有 数据处理元件集成或组合在一起。本发明的另一个目的是利用相控阵(PA)系统的检验传感器，利用诸如C-扫描等 的传统的PA处理数据，并从C-扫描中提取厚度变化信息，从而识别焊缝位置。本发明的另一个目的是利用PA探头的优点，其中，该PA探头提供了比单元件探头 或双元件探头的扫描区域宽的扫描区域，从而使得扫描区域能够覆盖焊缝及其附近的整个 宽度。这点很重要的原因在于在沿着焊缝方向的一次移动中使得能够平滑地进行焊缝跟踪 和检验。这从本质上使得不需要在测试对象的较大表面或整个表面上移动传感器以定位焊 缝。本发明的另一个目的是与焊接检验相协作进行焊缝跟踪，从而使得不需要诸如激 光或红外传感器等的任何额外传感器也不需要与额外传感器有关的任何额外数据处理能 力。所公开的新方法从本质上减少了材料和操作成本，并提高了操作效率。本发明的又一目的是在PA C-扫描中向操作者呈现实时焊缝位置图像，这使得能 够在焊接检验过程中进行焊缝的半自动跟踪或偶尔选择的手动跟踪。本发明的又一目的是提供一种软件或固件程序以使现有的PA检验系统能够在进 行焊接检验的同时进行焊缝跟踪。


图1是示出使用相控阵系统的当前所公开的焊缝跟踪装置的示意图。图IA是示出具有焊缝跟踪能力的当前所公开的相控阵系统的示意图。图2是示出如何使用当前所公开的装置跟踪焊缝的过程的功能框图。图3是示出相控阵系统如何通过经由TOF(Time of Flight,飞行时间)测量厚度 来识别焊缝的图。图4是示出相比于材料的正常无焊接部分具有明显厚度变化的焊缝的厚度/C-扫 描图像。图5是示出用于识别和跟踪焊缝的算法的流程图。图6是示出当任意部位的最大厚度变化被识别为焊缝位置时的焊缝宽度和PA探 头扫描覆盖面的关系的图。图7是示出用于识别和跟踪焊缝中心的算法的流程图。图8是示出当厚度变化的中心被识别为焊缝位置时的焊缝宽度和PA探头扫描覆 盖面的关系的图。
图9是示出使用商业计算机软件库识别焊缝的可替代算法的流程图。
具体实施例方式参照图1，当前所公开的使用相控阵系统的焊缝跟踪装置包括PA探头2、数据获 取模块8、焊缝识别模块10、可编程逻辑控制器(PLC)控制模块12以及机械控制模块14。使用传统的焊接系统生产过程作为例子，管4是使矩形金属片通过焊接机(未示 出)以将弯曲的矩形金属片的两个相对边焊接在一起而形成的，由此形成了焊缝6。然后， 在管远离焊接机朝向PA探头2移动时，焊缝6的外连接面6A和内连接面6B被焊接机修整， 由此产生了厚度变化的区域。在该过程期间，在每一个管4离开焊接机时，该管上的焊缝6 可能在传输机构(未示出)上沿圆周偏移。当前所公开的焊缝和/或修整区域跟踪装置优选使用传统的相控阵检验系统16， 以便利用同样的设备进行焊接跟踪和检验。例如，在检验焊缝的传统PA系统中，PA探头2 在其检验面沿圆柱弯曲并且经由水(未示出)被声学地耦合至管4。当管4沿轴向移动通 过探头2时，探头2沿圆周扫描焊缝及其附近。探头2通常检测由外连接面6A和内连接面 6B所限定的焊缝6的厚度，并且还检测焊缝6附近的厚度。继续利用图1，通过数据获取模块8、焊缝识别模块10和控制模块12和14集中控 制探头2的调焦、启用和定位以跟随焊缝6的轨迹。在本发明的焊缝跟踪过程中，需要重点 注意的是传统的PA检验过程可能被同时并行地或散开地进行。为了说明简单，本发明主要 关注焊缝跟踪过程。为了传统的PA检验和当前所公开的焊缝跟踪这两个目的，数据获取模块8优选使 用C-扫描方法接收焊缝6及其附近的厚度测量值。PA系统16经由数据获取模块8向焊缝 识别模块10给送针对C-扫描所提供的厚度信息。焊缝识别模块10对与管4的非焊接区 域相比的焊缝厚度的不同和/或图案进行分析。通过使用(稍后所述的)焊缝识别算法来 识别焊缝6的圆周位置，并且将该圆周位置提供给控制模块12和14。通过控制模块12和 14来控制对探头2的定位，以使得在管行进的同时探头2跟随焊缝6而移动。为了焊缝跟踪和检验这两个目的，焊缝跟踪系统优选使用由于强化PA扫描操作 的显著优点而由PA检验系统通常使用的诸如C-扫描等的数据呈现格式。然而，本领域技 术人员能够理解，只要实时提供来自焊缝及其附近的回波并且能够推断出所扫描的测试对 象的几何网格内的各单元的厚度或其它材料特性，则诸如B-扫描、A-扫描和S-扫描等的 许多类型的PA扫描也能够提供信息以实现焊缝跟踪的目的。至此，术语“厚度点”将被用 来表示在C-扫描中能够包含单个测量结果的最小区域，其中该最小区域在一些情况下可 以由多个实时测量值而得出。图4示出了示例的厚度点402。可选地，如图IA所示，为了获得使系统投入和操作成本降低的显著优点，可以使 用诸如当前所设计的数据获取模块8等的典型PA检验系统的数据获取模块。类似地，可以 修改现有设计的PA检验系统的处理器以实现根据本发明的焊缝识别模块10。因此，数据获 取模块8、焊缝识别模块10、PLC控制模块12以及现有的PA系统的其它组件15 —起构成 了集成相控阵系统18。此外，能够对通常输入手动观察和控制命令的现有的相控阵探头控制机构进行修 改，以实现这里所述的机械控制模块14的功能。
还应该注意，PA焊缝跟踪和检验系统能被设计成允许进行手动PA控制和自动PA 控制这两者，这也落入本发明的范围内。在本优选实施例中，C-扫描由于其在PA焊缝检验中的普遍使用而被采用。C-扫 描产生振幅、飞行时间(TOF)或厚度是用于得到焊缝及其附近的每个扫描厚度点402的实 时数据的三个示例方法。如何使用由PA操作所产生的C-扫描来推断测试对象的厚度的说明详 见"Introduction to Phased-Array Ultrasonic Technology Applications R/D Tech Guideline，，，First edition，Library and Archives Canada Cataloging-in-Publication, August2004, section 4.2.3C_scan0现在参考示出当前所公开的焊缝跟踪系统的闭环控制过程的图2。应该注意，该控 制过程中的步骤由数据获取模块8、焊缝识别模块10以及控制模块12和14来执行。在步骤202之前，焊缝6位于相对于PA探头2的传感器面的预定圆周位置，或反 之亦然。优选地，该位置将是如图3的角度Cis所示的PA探头2的线性扫描范围的圆周中 心。在步骤202中，PA探头2将超声回波信号提供给用于获取信号的数据获取模块8。在 步骤204中，为了焊缝跟踪和检验这两个目的，优选地对回波信号进行处理。然后在步骤 206中，以相对于典型PA焊缝检验系统的传统方式产生与测试目标相关联的C-扫描的厚 度信息。在步骤208中，焊缝识别模块10使用跟踪焊缝位置的(稍后所述的)算法来处理 C-扫描厚度信息。当管4被装载并且随后被给送通过探头2时，步骤210中确定出的焊缝 6的圆周位置被识别为稍后参照图4所述的“焊缝跟踪角” α s。在步骤212中，焊缝跟踪角位置α s被提供给可编程逻辑控制器(PLC)，然后在步 骤214中，机械地控制相控阵探头的位置以确保该位置与焊缝6对准。在图3中描述了用于获得焊缝及其附近的厚度的几何视图，并且在图5、7和9中 描述了用于使用这些视图确定焊缝位置的算法。对于图3应该注意，管4的外表面和内表 面被分别称为“表面A”和“表面B”。连接面6A是表面A的一部分，并且连接面6B是表面 B的一部分。如图3所示，由数据获取模块8电控制的相控阵探头2通过发送和接收多个声 束来进行线性扫描，以根据预定的一组聚焦法则(focal law)覆盖焊缝及其附近。由 数据获取模块8(图1和1A)所应用的聚焦法则确定束入射角、各孔径所使用的元件 数、电子线性扫描的元件的步以及管壁内的聚焦位置。结果，当管被焊接、修整以及通 过探头2下方时，对角度φ内的整个焊缝区域进行扫描。对于与相控阵操作和聚焦法则 有关的详细信息，可以参考"Introduction to Phased-Array Ultrasonic Technology Applications R/D Tech Guideline，，，First edition，Library and Archives Canada Cataloging-in—Publication，August 2004，sec.1.2。对于管轴向移动的每一步，系统通过在首先启用的聚焦法则34A和最后启用的聚 焦法则34B之间进行发送/接收来进行至少一个完整线性扫描周期。线性扫描周期的定时 与管的轴向移动同步。例如，对于焊接管每轴向移动1mm，就执行一周期的覆盖焊缝及其附 近的线性扫描。这样，对于整个管长度，电子线性扫描覆盖了由角度φ所表示的焊缝及其附 近。应该注意，当管在离散的轴向移动期间暂时停止时应用线性扫描测量也落在本发明的 范围内。
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继续参照图3，在图的左下半部分的坐标中，在时间-振幅坐标上示出两个波形， 其中波形38A表示从外表面6A反射的回波信号，并且波形38B表示从内表面6B反射的回 波信号。通过波形的两个峰值之间的时间差能够推导出6A和6B之间厚度的测量值，即为厚度[等式1]
2v其中，ta和tb分别是各自在来自内连接面6A和外连接面6B的回波的两个峰值处 测量出的T0F，并且ν是在管材中传播的回波的恒定速度。TOF除以2得到往返后壁的回波 传播时间。类似地，非焊接区域的厚度也能够通过外管壁7A和内管壁7B之间的回波TOF来 确定。还可以将非焊接区域的厚度作为预定值提供给焊缝跟踪系统。然后，通过稍后所述 的焊缝跟踪算法来分析通常细微的沿管轴向方向的焊接区域和非焊接区域之间的差异。应该注意，进行厚度测量不一定必须使用回波峰值。实际上，可以使用两个回波各 自的相同位置中的任意参考点来确定厚度。例如，厚度测量所使用的TOF还可以是如下时 间t' b，其中这两个时间被定义为当如图3所示信号幅度超过时间门限36A和36B 时的时间(参见等式2)。厚度[等式2]
2v针对覆盖管4的整体长度的焊缝及其附近的所有声束重复上述厚度测量。接下来，记录焊缝及其附近的厚度，从而如图4所示，形成二维C-扫描400内的厚 度点402。在本典型实施例中，图4所示的C-扫描400是二维图像，其中χ方向表示角度屮的 焊接管圆周扫描范围，并且y方向表示管4的轴向移动方向和C-扫描区域的长度L。C-扫 描400包括跨圆周角φ在长度L上获取到的所有厚度点402的值。焊缝在C-扫描400上表 现为一组厚度点，其中对比阴影(或颜色)表示与非焊接区域的厚度值相比不同的厚度值。 至此，多个厚度点402将被称为“厚度点”。重点注意，存在很多用以得到C-扫描400能够使用的厚度值的方法或其它数据表 示法，这些对于本领域技术人员来说是众所周知的。本发明描述了示例方法，但不局限此。在一些情况下，厚度点之间的对比是相当明显的，而在其它一些情况下，厚度点之 间的对比不明显。焊缝和非焊接管壁附近之间的对比可能由于厚度、噪声、缺陷检测或其它 测量异常的较小差异而变得较低。不管厚度点之间的对比程度如何，都将厚度数据提供给 焊缝识别模块10，以便计算通过探头2跟踪的焊缝线的角位置α s。对于优选实施例，值得注意的是示出焊缝位置的C-扫描图像并不典型地用于手 动引导探头2。识别实时焊缝位置的C-扫描信息被更适当地进行处理并给送到控制模块 12和14，以调节探头2的位置从而自动跟随焊缝。然而，操作者可以基于他/她对C-扫描 400信息的读取来手动地调节探头位置。现在参照图5，所示的流程图示出了焊缝识别模块10 (图1和1A)识别实时焊缝位 置的示例算法。该流程图也是对图2中的步骤208的详细描述。根据图5，该算法主要包括数据给送部分(步骤502和步骤504)和用于处理C-扫 描所提供的输入厚度的循环这两个功能部分。对轴向方向上的焊接部的连续部分进行后一 处理，以定位新的焊缝线位置α s (步骤506 522)。在执行该算法之前，沿着焊缝6确定相控阵探头2的中心，并且如图3和4所示在C-扫描上确定焊缝的中心。图4的示例角度 α s对应于与非焊接区域相比具有最大厚度差的圆周位置。该位置被认为是焊缝跟踪点。通 过操作者或其它方式来提供并存储初始跟踪点as,init，以表示参考角as。应该注意，在焊 接修整之后，焊缝将分别凸起或凹入，即与非焊接区域的材料相比更厚或更薄。在初始步骤504中，存储测量出的或已知的焊缝厚度以便随后使用。在步骤502 中，与在步骤504中输入的厚度相关联的初始识别出的α值被保存在内部存储器中作为 α s,init。在步骤502之后，当被步骤504调用时生产线能够开始，并且管4开始在轴向方向 上移动。在步骤504中得到厚度点402的新数据之后，循环从步骤506开始。在循环的第 一步即步骤506中，在管4沿着其轴向方向移动了距离Δ 1的情况下，当在角度φ的整个线
性扫描范围内在每个α⑴(即，α (0)、α (1).....α (η))处扫描焊缝及其附近时，累积实
时厚度C-扫描数据。继续执行步骤506，直到数据块(图4中的401c)满为止。数据块的 大小是由管移动了距离Δ1时出现的获取数量来确定的。值得注意的是初始跟踪点α s,init可被设置为焊缝上的任意圆周位置，但是优选地 位于焊缝的底点或顶点。如图4所示，数据块401c包括数据堆401a，其中数据堆401a各自与给定的聚焦
法则角α (i)相关联，并且包括轴向长度Δ 1(即，1(0)、1(1).....l(m))内的m个厚度点
402。继续参照图4和5，在步骤508，对于每个聚焦法则角α (i)，数据堆401a被简化为 一个值Ttea。k，其中Tteadt等于厚度点402的值在Δ 1上的总和、平均值或其它表示值。该步 骤抑制了噪声以及从焊缝及其附近的真实缺陷所反射的回波。应该注意的是对于传统的焊 接系统应用，焊缝的位置沿着管非常缓慢地偏移。例如，常见地，焊缝位置以每50m低程度 级地偏移，而数据块长度通常为几十毫米级，并且C-扫描的角度分辨率为同一程度级。因 此，如以上对步骤508的说明，将数据堆401a的值简化为一个代表值Tteaek 401b，这降低了 系统对噪声的灵敏度，由此增强了厚度变化的对比。在步骤510中，对Ttradi值进行排序并将其与相关联的聚焦法则角α (i) 一起进行 存储。在步骤512中，与其相关联的聚焦法则角α (i) 一起各自存储N个最大单元Tteadt值 和N个最小单元Tteadt值。要存储的值的数量N可由操作者预先确定为例如3。应该注意的 是对于步骤512，尽管未示出，如果焊缝6的轮廓已知为总是比非焊接区域厚，则用于跟踪 目的的Ttradi值可以仅是N个最大值。如果焊缝6的轮廓已知为总是比非焊接区域薄，则可 以使用N个最小值。可选地，无论焊接轮廓和非焊接区域之间的相对厚度已知与否，都可以 使用焊接和非焊接区域的Tteadt值之间的差的N个最大绝对值。在步骤514中，与先前已知的焊缝角as(其中第一焊缝角％为在步骤502中由 操作者确定出的初始焊缝角a s,init)相关联的值最接近的存储值提供了新的焊缝角as,Mw。 在步骤516中比较先前的角度％和as,new之间的差。在步骤520中，如果角度差不在预 先设置的值Δ α内，则意味着焊缝不符合实际地偏移，因此保持先前周期的角度as。如果 该差在Δ α内，则在步骤518中将新的角度as,MW存储为as。预先确定的Δ α取决于很 多因素，包括焊接片的大小、焊接管的直径以及所应用的聚焦法则。本发明优选设置与3 4聚焦法则位置a (i)相对应的Δ α值。应该注意，尽管图5未示出，然而还可以将厚度接受标准应用于厚度点402和Tteaek401b,以滤除由噪声、传感器接触不连续或其它情况所引起的值异常。可以这样做的原因是 由于焊接和非焊接区域的厚度公差在采用焊接检验和焊缝跟踪系统之前为已知的这一事 实。然后，将新的角度as,new与先前的α s进行比较。在步骤522中，将as,new与as 之间的差提供给控制模块12和14(图2中的步骤212)，其作用是通过再次以角度α 准探头2的中心或其它预定元件的圆周位置来消除该差。在步骤524结束当前循环的焊缝 跟踪，并且程序返回到步骤506以继续下一循环。应该注意，以上与图5相关联说明的算法可适用于识别焊缝内具有与针对焊缝角 α s所识别出的先前值最接近的Tteadt厚度值的感兴趣的任意点。也就是说，所识别出的点 可以是焊缝内的任意点并且不必是底点或顶点。由于进行识别的缘故，该算法在这里被称 为“焊缝上的任意点(Any Point on Seam)”算法。图6示出当使用“焊缝上的任意点”来利用上述算法识别焊缝位置时焊缝宽度和 PA探头的扫描覆盖面之间的关系。如图6所示，操作者在C-扫描时初始地确定焊缝6的中心。由于角度α s是使用 上述“焊缝上的任意点”算法进行跟踪的，因而其可以位于焊缝6宽度内的任意位置处。结 果，在如这里所示的一种极端示例情况下，所跟踪的角位置可能从构成焊缝跟踪线PQ的焊 缝一个边缘的P点漂移到焊缝另一边缘的Q点。这是由于沿着焊缝跟踪线PQ测量得到了 基本相等的Ttradi值的缘故。还注意到，在图6中，探头2可以位于相对于其中心元件具有偏移的角度α s处。 也就是说，在探头2的中心和设置到焊缝角Cis的元件之间具有角度偏移β是可以接受的。当使用上述“焊缝上的任意点”跟踪算法时需要注意。具体地，为了避免任意的跟 踪丢失，PA探头2的覆盖面优选地应该是焊缝宽度的至少3倍，而角度偏移β应该小于初 始识别出的焊缝宽度的一半。如图7所示，作为“焊缝上的任意点”算法的替代算法，可以使用这里被称为“焊缝 近似中心(Approximate Center of the Seam) ”的算法，从其名字可以看出，该“焊缝近似 中心”算法用于识别和跟踪焊缝的近似中心线。类似于“焊缝上的任意点”算法，在步骤702 中，对于数据块401c的每个长度，将块中覆盖的所有测量单元的厚度数据输入到焊缝识别 算法208。在步骤704中，对于每个特定的聚焦法则角α (i)，对数据块的各厚度堆中的来 自C-扫描的每个厚度点的所有值进行求和、求平均或进行其它表示。应该注意，步骤702 和704可以与图5所示的步骤502、506和508相同或非常类似。在步骤706中，识别焊缝 的左边缘和右边缘。在步骤708中，通过确定左边缘和右边缘之间的几何中心来找出焊缝 中心。在步骤710中，在一种情况下，将焊缝中心位置提供给控制模块12和14，以将探头2 的中心与识别出的焊缝中心对准。使用“焊缝近似中心”算法定位焊缝的左边缘和右边缘有很多方法。优选地通过 识别焊缝边缘相对于非焊接区域的边界来实现。例如，左边缘和右边缘可以与相比于非焊 接区域部分的Ttradi值表示焊接区域开始突变的Tteadt值相关。因此，在确定出左边缘和右 边缘之后，找出了各数据块的近似中心点。值得注意的是为了找出焊缝中的任意一点或焊缝中心，可以在本发明的范围内使 用许多其它计算方法。
图8是示出当探头2的中心元件跟踪焊缝的近似中心时的模拟结果的图。尽管“焊缝近似中心”跟踪算法在一旦识别出左焊缝边界和右焊缝边界的位置时 可以更精确地找出焊缝线的中心，然而该算法与“焊缝上的任意点”跟踪算法相比确有局限 性。具体地，当圆周焊缝漂移超过了线性扫描范围角φ时，探头2必须尽快重新机械定位于 焊接线上，这与“焊缝上的任意点”跟踪算法相比是更常要进行的。与进行电子线性扫描的 固定探头相比，对于探头移动的需求影响了焊缝扫描过程的效率。对此，原因在于对于“焊 缝近似中心”算法，必须扫描左焊缝边界点和右焊缝边界点这两者，而不是仅扫描一个狭窄 的焊缝点。因此，在需要调节探头2的位置之前，“焊缝上的任意点”算法将容忍更大程度的 焊缝漂移。值得注意的是，对于本发明的所有实施例，为了避免PA探头2的破坏性或过量角 (圆周的)重新定位，这种调节优选地被限定到焊缝的角(圆周)位置已至少漂移了预定量 的情况。此外可选地，可以使用商业上可用的计算机可视软件程序来处理诸如C-扫描数 据等的PA厚度数据。为此，作为例子，可以使用由英特尔程序库(Intel Library)所提供 的开放CV的软件包Hough Lines。在该软件包内，可以使用模式识别函数来检测C-扫描数 据的显著的标准偏差。还可以使用边缘检测函数来检测C-扫描数据的显著的导数。可能 需要对这些软件库进行特定修改以使它们适合于焊缝跟踪的目的。图9是示出商业计算机可视软件的示例使用的示意功能流程图。在步骤902，当焊 接生产要开始时，提供初始焊缝位置和计算所需参数作为程序的输入。然后紧接在焊接生 产开始之后，在步骤904，从PA系统提供实时C-扫描厚度或振幅数据。然后，在步骤906， 商业计算机可视软件或定制的程序库针对各聚焦法则束，计算厚度数据的标准偏差，并且 找出标准偏差最高例如为20%的区域的模式。可选地，在步骤906，软件可以找出由能够表 示基本连续轴线的导数模式所特征化的边缘。在步骤908，软件向控制模块12和14输出所 识别出的根据需要而改变的相对于PA探头2的位置的焊缝轨迹。另外值得注意的是，为了焊缝跟踪和检验这两个目的，优选地通过使用厚度或缺 陷检验PA探头来实现上述方法。尽管本发明已经与其特定典型实施例相关地进行了说明，但是许多其它变形和修 改以及其它用途对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，优选地，本发明并不局限于 上述具体内容。
权利要求
1.一种超声检验系统，包括相控阵探头，用于检验测试对象，所述测试对象具有沿着所述测试对象的长度方向的 焊缝，其中，所述超声检验系统还包括焊缝识别模块，所述焊缝识别模块用于当所述测试对 象正通过所述相控阵探头的测试区域下方时，从所述相控阵探头获得数据，确定所述焊缝 的位置，并定位所述相控阵探头以跟踪所述焊缝。
2.根据权利要求1所述的超声检验系统，其特征在于，所述焊缝的位置是通过识别所 述焊缝的几何属性而确定出的。
3.根据权利要求2所述的超声检验系统，其特征在于，所述几何属性是通过对由第一 测试对象面和第二测试对象面反射的超声回波信号进行分析而识别出的；所述焊缝的第一连接面是所述第一测试对象面的一部分，所述焊缝的第二连接面是所 述第二测试对象面的一部分；所述第一连接面是单个连续面；以及 所述第二连接面是单个连续面。
4.根据权利要求2所述的超声检验系统，其特征在于，所述几何属性包括与在所述测 试对象的非焊接部分所获得的厚度测量值相比的所述焊缝的厚度。
5.根据权利要求3所述的超声检验系统，其特征在于，所述几何属性是通过对由所述 第一连接面和所述第二连接面反射的回波信号的飞行时间进行分析而识别出的。
6.根据权利要求2所述的超声检验系统，其特征在于，所述几何属性的位置是通过对 连续C-扫描数据进行分析以针对测试区域中的各测量单元获得所述测试对象的厚度信息 而计算出的。
7.根据权利要求1所述的超声检验系统，其特征在于，所述焊缝是通过所述焊缝内的 所述焊缝的一个单位长度的任意部位而识别出的。
8.根据权利要求1所述的超声检验系统，其特征在于，所述焊缝是通过大致位于与所 述焊缝的宽度的中心点接近的部位而识别出的。
9.根据权利要求1所述的超声检验系统，其特征在于，还包括 超声信号获取模块，用于接收来自所述测试对象的超声回波信号；焊缝识别单元，用于分析所述超声回波信号，识别所述焊缝的几何属性，将所述几何属 性与所述测试对象的非焊接部分进行比较，并识别所述焊缝的位置；控制器，用于发出定位命令，以根据所述焊缝的位置来定位所述相控阵探头；以及 机械调节单元，其对所述控制器进行响应，并用于根据所述定位命令来调节探头位置。
10.根据权利要求9所述的超声检验系统，其特征在于，所述几何属性是通过对由第一 测试对象面和第二测试对象面反射的回波信号进行分析而识别出的；所述焊缝的第一连接面是所述第一测试对象面的一部分，所述焊缝的第二连接面是所 述第二测试对象面的一部分；所述第一连接面是单个连续面；以及 所述第二连接面是单个连续面。
11.根据权利要求9所述的超声检验系统，其特征在于，所述几何属性为与所述测试对 象的非焊接部分的几何属性相比的所述焊缝的厚度。
12.根据权利要求10所述的超声检验系统，其特征在于，所述几何属性是通过对由所述第一连接面和所述第二连接面反射的回波信号的飞行时间进行分析而识别出的。
13.根据权利要求9所述的超声检验系统，其特征在于，所述几何属性的位置是通过对 连续C-扫描数据进行分析以针对测试区域中的各数据块获得所述测试对象的厚度信息而 连续计算出的。
14.一种超声检验系统能运行的可执行计算机程序，所述超声检验系统具有用于检验 测试对象并用于跟踪沿着所述测试对象的长度方向的焊缝的相控阵探头，其中，所述计算 机程序进一步用于当所述测试对象正通过所述相控阵探头的测试区域下方时，从所述相控 阵探头获得数据，确定所述焊缝的位置，并发出命令以定位所述相控阵探头从而覆盖所述焊缝。
15.根据权利要求14所述的计算机程序，其特征在于，所述焊缝的位置是通过与所述 测试对象的非焊接部分相比连续识别所述焊缝的几何属性而确定出的。
16.根据权利要求14所述的计算机程序，其特征在于，所述几何属性是通过对由第一 测试对象面和第二测试对象面反射的超声回波信号进行分析而识别出的；所述焊缝的第一 连接面是所述第一测试对象面的一部分，所述焊缝的第二连接面是所述第二测试对象面的 一部分；所述第一连接面是单个连续面；以及所述第二连接面是单个连续面。
17.根据权利要求14所述的计算机程序，其特征在于，所述几何属性为所述焊缝的厚 度并且用于与所述测试对象的非焊接部分的几何属性相比。
18.根据权利要求14所述的计算机程序，其特征在于，所述几何属性是通过对由所述 第一连接面和所述第二连接面反射的回波信号的飞行时间进行分析而识别出的。
19.根据权利要求14所述的计算机程序，其特征在于，所述几何属性的位置是通过对 连续C-扫描数据进行分析以针对测试区域中的各测量单元产生所述测试对象的厚度信息 而连续计算出的。
20.一种能够利用超声相控阵检验系统工作的焊缝跟踪设备，所述超声相控阵检验系 统具有用于检验测试对象的相控阵探头，所述测试对象具有沿着所述测试对象的长度方向 的焊缝，所述相控阵探头从所述测试对象接收超声回波信号，所述焊缝跟踪设备包括超声信号获取模块，用于接收由所述超声相控阵检验系统处理的数据；焊缝识别单元，用于分析所述数据，识别与所述测试对象的非焊接部分相比的所述焊 缝的几何属性，并进一步识别所述焊缝的位置；可编程逻辑控制器，用于发出定位命令，以根据所述焊缝的位置来定位所述相控阵探 头；以及探头机械调节单元，用于根据所述定位命令来调节探头位置。
21.一种测试对象上的焊缝的跟踪方法，包括以下步骤将相控阵探头跨所述焊缝定位在所述焊缝上的初始长度位置处；相对于所述相控阵探头移动所述测试对象；通过调节通常相对于所述测试对象的移动方向而垂直的所述相控阵探头的定位位置， 来调节所述相控阵探头相对于所述焊缝的位置；以及将相对于所述焊缝所获得的测试数据提供给另一装置。
22.根据权利要求21所述的跟踪方法，其特征在于，所述相控阵探头利用超声脉冲来 产生C-扫描数据。
23.根据权利要求21所述的跟踪方法，其特征在于，利用所获得的C-扫描数据进行所 述相控阵探头相对于所述焊缝的定位，并获得和显示表示所述焊缝的结构完整性的数据。
全文摘要
一种使用相控阵超声装置的焊缝跟踪系统。用于跟踪管等上的焊缝的焊缝跟踪装置与诸如超声相控阵(PA)检验等的NDT/NDI操作相协作使用NDT/NDI传感器。将焊缝跟踪数据的处理与现有的NDT/NDI检验装置的现有数据处理元件集成或组合在一起。相控阵探头的宽扫描区域使得使用单组探头和数据处理元件就可以进行焊缝跟踪和检验，以利用PA扫描的单次运行实现缺陷扫描和焊缝跟踪。
文档编号G01N29/265GK102121923SQ20101057701
公开日2011年7月13日 申请日期2010年10月9日 优先权日2009年10月9日
发明者克里斯·克劳德·依姆博特, 张金驰 申请人:奥林巴斯Ndt公司