CN101650171B - 钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法和系统，伤波闸门设定器和底波闸门设定器分别设定伤波闸门和底波闸门；伤波搜索器和底波搜索器分别在伤波闸门内搜索伤波和在底波闸门内搜索底波；判断器判断伤波底波均未搜索到则判断失耦；并在有伤波时底波幅度高于伤波幅度和有底波时伤波幅度高于底波幅度时，计算器分别计算耦合层厚度。从而提供一种实时监测耦合层厚度和失耦的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法和系统。

Description

钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法和系统

技术领域

本发明涉及一种超声无损检测领域，特别是一种中厚钢板超声无损检测中探头耦合层厚度的实时监测方法和系统。

背景技术

中厚钢板超声无损检测中超声波要有效地从探头进入被检钢板，必须通过耦合层。对于采用脉冲反射式探伤方法的中厚钢板超声探伤来说，通常的耦合方法是水膜法，它要求被检钢板的表面必须完全均匀地浸润耦合水。如果耦合层中间有空气隙，则将产生全反射，阻碍声能进入被检钢板。当考虑耦合层间隙的声学谐振效应时，耦合层厚度直接影响由探头透射入工件的超声波声能强度，进而影响探伤的灵敏度；同时，当耦合层太薄时，还将加大探头的磨损，甚至损坏探头；耦合层太厚时，则将增加失耦的几率，造成检测中的误判。因此，要使探头的声能最大限度的进入被检钢板并且保证探伤过程的顺利进行，需要精心保持水膜厚度在一定范围内，以获得稳定的耦合效果。实时监测水膜厚度是实现的关键。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种实时监测耦合层厚度和失耦的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法和系统。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法，包括以下步骤：

伤波闸门设定器和底波闸门设定器分别设定伤波闸门和底波闸门；

伤波搜索器和底波搜索器分别在伤波闸门内搜索伤波和在底波闸门内搜索底波；

判断器判断伤波底波均未搜索到则判断失耦；并在有伤波时底波幅度高于伤波幅度和有底波时伤波幅度高于底波幅度时，计算器分别计算耦合层厚度。

本发明的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法，其中所述判断器判断伤波底波均未搜索到则判断失耦的步骤，还包括向系统发出调整耦合层厚度的指令。

本发明的钢板超声自动探头的探头耦合层厚度实时监测方法，其中有伤波时底波幅度高于伤波幅度时，计算器计算耦合层厚度的步骤，还包括：在底波幅度高于伤波幅度或者有底波但伤波闸门内搜索不到伤波时，通过如下公式计算耦合层厚度：H_C＝H_B1-H，H_B1为钢板底面的超声第一次回波位置、H为钢板厚度、H_C为耦合层厚度。

本发明的钢板超声自动探头的探头耦合层厚度实时监测方法，其中有底波时伤波幅度高于底波幅度时，计算器计算耦合层厚度的步骤，还包括：在伤波幅度高于底波幅度或者有伤波但底波闸门内搜索不到底波时，通过如下公式进行计算：H_C＝H_F1-H_F，H_F1为伤波闸门中的一次伤波位置，H_F为第一次回波位置H_F1、第二次回波位置H_F2和第三次回波位置H_F3之间距离的平均值，H_C为耦合层厚度。

一种钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，包括伤波闸门设定器、伤波搜索器、底波闸门设定器、底波搜索器、判断器以及计算器；

所述伤波闸门设定器根据钢板标称厚H_S、钢板厚度允许误差ε和耦合层标称厚度H_CS、耦合层厚度变化允许的范围δ、钢板检测下表面盲区σ_B以及伤波闸门宽度W_F设定好合适的伤波闸门；

所述伤波搜索器连接所述伤波闸门设定器，在伤波闸门内搜索伤波，获得伤波一次回波的真实幅度；

所述底波闸门设定器，并根据钢板标称厚H_S、钢板厚度允许误差ε和耦合层标称厚度H_CS、耦合层厚度变化允许的范围δ、钢板检测下表面盲区σ_B设定好合适的底波闸门；

所述底波搜索器连接所述底波闸门设定器，在底波闸门内搜索底波，获得底波一次回波的真实幅度；

所述判断器连接所述伤波搜索器和所述底波搜索器，判断所述伤波搜索器和所述底波搜索器搜索到的伤波和底波的幅度；

所述计算器连接所述判断器，进行耦合层厚度计算。

本发明的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其中所述判断器分别判断底波幅度高于伤波幅度或者有底波但伤波闸门内搜索不到伤波的情况，或者伤波幅度高于底波幅度或者有伤波但底波闸门内搜索不到底波的情况，或者伤波和底波闸门内均未发现伤波和底波情况。

本发明的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其中所述判断器判断伤波底波均未搜索到，则为失耦，向系统发出调整耦合层厚度的指令。

本发明的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其中所述计算器在底波幅度高于伤波幅度或者有底波但伤波闸门内搜索不到伤波时，通过如下公式计算耦合层厚度：H_C＝H_B1-H，H_B1为钢板底面的超声第一次回波位置、H为钢板厚度、H_C为耦合层厚度；在伤波幅度高于底波幅度或者有伤波但底波闸门内搜索不到底波时，通过如下公式进行计算：H_C＝H_F1-H_F，H_F1为伤波闸门中的一次伤波位置，H_F为第一次回波位置H_F1、第二次回波位置H_F2和第三次回波位置H_F3之间距离的平均值，H_C为耦合层厚度。

本发明的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其中所述钢板厚度H通过计算二次和三次底波位置H_B2、H_B3之间距离的平均值得到H＝[(H_B2-H_B1)+(H_B3-H_B2)]/2。

本发明的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其中所述底波二次回波和三次回波的搜索范围为：(H_B1+H_S-ε，H_B1+H_S+ε)、(H_B1+2H_S-2ε，H_B1+2H_S+2ε)，其中H_B1为底波一次回波位置、H_S为钢板标称厚度、ε为钢板厚度允许误差；所述伤波二次回波和三次回波的搜索范围为：(2H_F1-H_CS-δ，2H_F1-H_CS+δ)、(3H_F1-2H_CS-2δ，3H_F1-2H_CS+2δ)，其中H_F1为伤波一次回波位置、H_CS为耦合层标称厚度、δ为耦合层厚度变化允许的范围。

利用本方法和系统监测耦合层厚度和耦合状况，不受钢板厚度变化和钢板上下表面检测盲区要求的影响。通过实时监测耦合层厚度，可以防止耦合层厚度太小时，探头磨损加剧；也可防止耦合层厚度太大时，检测超声能量的损失。对于失耦的实时监测，可以防止失耦时仪器产生错误检测结果。

附图说明

图1是本发明钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法的流程图；

图2是本发明有底波且底波高于伤波幅度时耦合层厚度计算原理图；

图3是本发明有伤波且伤波高于底波幅度时耦合层厚度计算原理图；

图4是本发明钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测系统的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法和系统的实施方式进行详细说明。

本发明的基本原理是通过两个独立的伤波和底波闸门，分别在各自的闸门内实时监测伤波和底波位置，在已知探头固有延时的情况下，按照一定的规则可依据底波或者伤波位置实时计算得到耦合层厚度或判断是否失耦。

参见图1，一种钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法，包括以下步骤：

步骤101，伤波闸门设定器设定伤波闸门，底波闸门设定器设定底波闸门；

步骤102，伤波搜索器在伤波闸门内搜索伤波，底波搜索器在底波闸门内搜索底波；

步骤103，判断器判断是否伤波底波均未搜索到，否则执行步骤105；

步骤104，判断失耦，并向系统发出调整耦合层厚度的指令；

底波和伤波的位置是确定耦合层厚度的依据，为了正确判别底波和伤波，设置合适的底波闸门和伤波闸门是本方法的关键。对于不同厚度、不同检测盲区要求的钢板，底波和伤波闸门的确定方法如下：

根据钢板标称厚度H_S、钢板厚度允许误差ε和耦合层标称厚度H_CS、耦合层厚度变化允许的范围δ，钢板检测下表面盲区σ_B，确定搜索钢板底面一次回波的初始位置，称为初始底波闸门，其前后沿分别为(H_S+H_CS)-σ_B、(H_S+H_CS)+(ε+δ)。在检测过程中，由于钢板厚度和耦合层厚度均为变化的，因此为保证底波总能位于底波闸门之间，底波闸门公式中的钢板厚度H和耦合层厚度H_C需要根据实际钢板厚度和耦合层厚度实时调整。

伤波闸门的后沿与底波闸门的前沿重合，位置为(H_S+H_CS)-σ_B；为防止耦合层中的杂波进入伤波闸门，伤波闸门的前沿根据闸门宽度W_F和闸门后沿位置来确定，以便其适应检测中钢板厚度和耦合层厚度的变化，伤波闸门前沿为：(H_S+H_CS)-σ_B-W_F。

步骤105，判断器判断底波的幅度是否大于伤波，否则执行步骤107；

步骤106，计算器计算耦合层厚度；

参见图2，能正确得到底面一次回波位置，有伤波时底波幅度高于伤波幅度，通过实时计算钢板底面一次回波位置和钢板厚度之间的差值来监测耦合层厚度的变化。根据检测中超声波在探头、耦合层和钢板中的传播路径可知，钢板底面的超声一次回波位置H_B1、钢板厚度H和耦合层厚度H_C之间满足如下关系式：H_C＝H_B1-H。此时直接依据公式可得到耦合层厚度。钢板厚度H通过计算二次和三次底波位置H_B2、H_B3之间距离的平均值得到H＝[(H_B2-H_B1)+(H_B3-H_B2)]/2。

步骤107，计算器计算耦合层厚度；

参见图3，能正确得到伤波一次回波位置，且有底波时伤波幅度高于底波幅度，获得伤波闸门中的一次伤波位置H_F1后，依次获得二次伤波和三次伤波的位置H_F2、H_F3，计算H_F1、H_F2和H_F3之间距离的平均值得到H_F＝[(H_F2-H_F1)+(H_F3-H_F2)]/2，应用公式H_C＝H_F1-H_F，可得到耦合层厚度。

参见图4，一种钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，包括伤波闸门设定器401、伤波搜索器402、底波闸门设定器403、底波搜索器404、判断器405以及计算器406。

检测系统需要具备相互独立但通道指标完全相同的伤波和底波监视通道，即探头的检测回波信号进入两个相互独立的A/D数据采样通道，分别监视伤波和底波。两个通道的放大倍数(增益)是不同的，以保证伤波和底波均不失真。

伤波闸门设定器401和底波闸门设定器403分别连接伤波搜索器402和底波搜索器404，并根据钢板标称厚H_S、钢板厚度允许误差ε和耦合层标称厚度H_CS、耦合层厚度变化允许的范围δ、钢板检测下表面盲区σ_B以及伤波闸门宽度W_F分别设定好合适的伤波和底波闸门。

伤波搜索器402和底波搜索器404连接判断器405，同时在伤波和底波闸门内搜索伤波和底波，分别获得伤波和底波一次回波的真实幅度。

判断器405连接计算器406，判断伤波搜索器402和底波搜索器404搜索到的伤波和底波的幅度：

当底波幅度高于伤波幅度，或者有底波但伤波闸门内搜索不到伤波时，

计算器406进行耦合层厚度计算：根据检测中超声波在探头、耦合层和钢板中的传播路径可知，钢板底面的超声一次回波位置H_B1、钢板厚度H和耦合层厚度H_C之间满足如下关系式：H_C＝H_B1-H。钢板厚度H通过计算二次和三次底波位置H_B2、H_B3之间距离的平均值得到H＝[(H_B2-H_B1)+(H_B3-H_B2)]/2。这里的关键是底波二次和三次回波搜索范围的确定：根据底波一次回波位置H_B1、钢板标称厚度H_S、钢板厚度允许误差ε来分别设定搜索底波二次和三次回波的范围，(H_B1+H_S-ε，H_B1+H_S+ε)、(H_B1+2H_S-2ε，H_B1+2H_S+2ε)。

当伤波幅度高于底波幅度，或者有伤波但底波闸门内搜索不到底波时，

计算器406进行耦合层厚度计算：获得伤波闸门中的一次伤波位置H_F1后，依次获得二次伤波和三次伤波的位置H_F2、H_F3，计算H_F1、H_F2和H_F3之间距离的平均值得到H_F＝[(H_F2-H_F1)+(H_F3-H_F2)]/2，应用公式H_C＝H_F1-H_F，可得到耦合层厚度。这里的关键是伤波二次和三次回波搜索范围的确定：根据伤波一次回波位置H_F1、耦合层标称厚度H_CS、耦合层厚度变化允许的范围δ来分别设定搜索伤波二次和三次回波的范围，(2H_F1-H_CS-δ，2H_F1-H_CS+δ)、(3H_F1-2H_CS-2δ，3H_F1-2H_CS+2δ)。

当程序在伤波和底波闸门内均未发现伤波和底波时，可直接判别为失耦，此时耦合层厚度H_C＞H_CS+δ，判断器405向系统发出调整耦合层厚度的指令，以避免该通道出现错误的检测结果。

利用本方法和系统监测耦合层厚度和耦合状况，不受钢板厚度变化和钢板上下表面检测盲区要求的影响。通过实时监测耦合层厚度，可以防止耦合层厚度太小时，探头磨损加剧；也可防止耦合层厚度太大时，检测超声能量的损失。对于失耦的实时监测，可以防止失耦时仪器产生错误检测结果。

该方法和系统对保证中厚钢板超声自动探伤工艺的顺利完成具有重要的意义。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

伤波闸门设定器和底波闸门设定器分别设定伤波闸门和底波闸门；

伤波搜索器和底波搜索器分别在伤波闸门内搜索伤波和在底波闸门内搜索底波；

判断器判断伤波底波均未搜索到则判断失耦；并在有伤波时底波幅度高于伤波幅度和有底波时伤波幅度高于底波幅度时，计算器分别计算耦合层厚度。

2.根据权利要求1所述的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法，其特征在于，所述判断器判断伤波底波均未搜索到则判断失耦的步骤，还包括向系统发出调整耦合层厚度的指令。

3.根据权利要求2所述的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法，其特征在于，有伤波时底波幅度高于伤波幅度时，计算器计算耦合层厚度的步骤，还包括：在底波幅度高于伤波幅度或者有底波但伤波闸门内搜索不到伤波时，通过如下公式计算耦合层厚度：H_C＝H_B1-H，H_B1为钢板底面的超声第一次回波位置、H为钢板厚度、H_C为耦合层厚度。

4.根据权利要求3所述的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测方法，其特征在于，有底波时伤波幅度高于底波幅度时，计算器计算耦合层厚度的步骤，还包括：在伤波幅度高于底波幅度，获得伤波闸门中的一次伤波位置H_F1后，依次获得二次伤波和三次伤波的位置H_F2、H_F3，计算H_F1、H_F2和H_F3之间距离的平均值得到H_F＝[(H_F2-H_F1)+(H_F3-H_F2)]/2，应用公式H_C＝H_F1-H_F，可得到耦合层厚度HC。

5.一种钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其特征在于，包括伤波闸门设定器(401)、伤波搜索器(402)、底波闸门设定器(403)、底波搜索器(404)、判断器(405)以及计算器(406)；

所述伤波闸门设定器(401)根据钢板标称厚H_S、钢板厚度允许误差ε和耦合层标称厚度H_CS、耦合层厚度变化允许的范围δ、钢板检测下表面盲区σ_B以及伤波闸门宽度W_F设定好合适的伤波闸门；

所述伤波搜索器(402)连接所述伤波闸门设定器(401)，在伤波闸门内搜索伤波，获得伤波一次回波的真实幅度；

所述底波闸门设定器(403)，并根据钢板标称厚H_S、钢板厚度允许误差ε和耦合层标称厚度H_CS、耦合层厚度变化允许的范围δ、钢板检测下表面盲区σ_B设定好合适的底波闸门；

所述底波搜索器(404)连接所述底波闸门设定器(403)，在底波闸门内搜索底波，获得底波一次回波的真实幅度；

所述判断器(405)连接所述伤波搜索器(402)和所述底波搜索器(404)，判断所述伤波搜索器(402)和所述底波搜索器(404)搜索到的伤波和底波的幅度；

所述计算器(406)连接所述判断器(405)，进行耦合层厚度计算。

6.根据权利要求5所述的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其特征在于，所述判断器(405)分别判断底波幅度高于伤波幅度或者有底波但伤波闸门内搜索不到伤波的情况，或者伤波幅度高于底波幅度或者有伤波但底波闸门内搜索不到底波的情况，或者伤波和底波闸门内均未发现伤波和底波情况。

7.根据权利要求6所述的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其特征在于，所述判断器(405)判断伤波底波均未搜索到，则为失耦，向系统发出调整耦合层厚度的指令。

8.根据权利要求7所述的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其特征在于，所述计算器(406)在底波幅度高于伤波幅度或者有底波但伤波闸门内搜索不到伤波时，通过如下公式计算耦合层厚度：H_C＝H_B1-H，H_B1为钢板底面的超声第一次回波位置、H为钢板厚度、H_C为耦合层厚度；在伤波幅度高于底波幅度或者有伤波但底波闸门内搜索不到底波时，获得伤波闸门中的一次伤波位置H_F1后，依次获得二次伤波和三次伤波的位置H_F2、H_F3，计算H_F1、H_F2和H_F3之间距离的平均值得到H_F＝[(H_F2-H_F1)+(H_F3-H_F2)]/2，应用公式H_C＝H_F1-H_F，可得到耦合层厚度HC。

9.根据权利要求8所述的钢板超声自动探伤的探头耦合层厚度实时监测的系统，其特征在于，底波二次回波和三次回波的搜索范围为：(H_B1+H_S-ε，H_B1+H_S+ε)、(H_B1+2H_S-2ε，H_B1+2H_S+2ε)，其中H_B1为底波一次回波位置、H_S为钢板标称厚度、ε为钢板厚度允许误差；伤波二次回波和三次回波的搜索范围为：(2H_F1-H_CS-δ，2H_F1-H_CS+δ)、(3H_F1-2H_CS-2δ，3H_F1-2H_CS+2δ)，其中H_F1为伤波一次回波位置、H_CS为耦合层标称厚度、δ为耦合层厚度变化允许的范围。

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