CN101943680A

CN101943680A - 一种带温度补偿的阵列超声探伤方法与系统

Info

Publication number: CN101943680A
Application number: CN 201010270216
Authority: CN
Inventors: 韦岗; 梁永麟; 谭梁镌; 曹燕
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: CN101943680B

Abstract

本发明公开一种带温度补偿的阵列超声探伤方法与系统，所述系统包括超声波换能器阵列、发射模块、接收模块、测温电路和控制模块；控制模块分别与发射模块、接收模块、测温电路连接；发射模块和接收模块分别与超声波换能器阵列连接。所述方法采用测温电路对声速作修正，采用二维面形结构的超声波换能器阵列得到缺陷的大致区域，进而用波束成形技术发射动态聚焦和偏转的超声波以得到微小缺陷的精确位置，以及采用与缺陷数据库对照的方法，从而得到缺陷的大小、形状信息。本发明对耦合剂要求不高，可提高对复杂结构件和微小缺陷的检测能力和检测精度。

Description

一种带温度补偿的阵列超声探伤方法与系统

技术领域

本发明属于超声波探伤的技术领域，具体涉及一种带温度补偿的用超声波换能器阵列对被测工件进行探伤的方法和装置。

背景技术

工业探伤利用物质的声、光等特性，检测被测工件内是否存在裂缝、细纹等缺陷，并给出缺陷的位置、大小、形状等信息。随着无损检测技术的发展，超声波检测以其不介入被测工件、不影响设备正常工作的优点，得到越来越广泛的应用。超声波检测一般采用脉冲反射法，发射端发射短时脉冲波到被测工件内，若被测工件没有裂缝、细纹等缺陷，则发射波只会传播到被测工件底面并产生反射回波；若被测工件存在裂缝、细纹等缺陷，则发射波和底面的反射回波之间会出现一个或几个缺陷反射回波。测量缺陷反射回波相对于发射波的时延，结合已知的超声波在被测工件中的传播速度（如声波在16MnR钢中的理想传播速度：纵波是5920m/s，横波是3220m/s），就可以很容易地得到缺陷与发射端之间的距离，即是估算出了缺陷的位置，而对缺陷反射回波的细致分析又可以得到缺陷的大小、形状等信息。

传统超声波检测的方法是采用单通道超声波检测，此方法每次的探测范围有限，所以需要经常移动探头；而且其聚焦区域固定，不利于探测。

最近出现的多通道超声波检测方法，是通过控制相位延迟，调节超声波换能器阵列中各阵元的工作次序，获得所需要的发射声场，并进行选区接收，有助于对缺陷进行更灵活准确的定位。相控阵超声技术，其特点是使用超声波换能器阵列，各阵元具有独立的发射和接收电路，通过控制各阵元的发射和接收延时，可以实现对超声波束的控制。其中，相控阵发射时，设置好各个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，得到声束聚焦和声束偏转以及偏转与聚焦的组合控制等效果。相控阵接收时，超声波换能器阵列接收回波信号，经过信号预处理以后，对各阵元接收到的回波信号进行延时补偿，然后叠加合成，就能将某个方向的回波信号聚焦，而其他方向的回波信号会因为相消干涉而减弱或抵消。

对于工业探伤而言，被测工件的缺陷往往都在毫米级以下，对缺陷的判断、准确定位要求非常高。而一些外在环境如温度会对缺陷的判断和准确定位产生影响。例如声波在16MnR钢中的理想传播速度：纵波是5920m/s，横波是3220m/s，这是在常温（20^oC---30^oC）的声速，当温度发生改变后，声速也会发生改变，就不再是理想值。研究人员在16MnR钢中测试超声波传播速度的实验中发现，温度变化会对16MnR钢的弹性模量、泊松比和密度的变化产生影响，进而对超声波在16MnR钢的传播速度产生影响。这说明，声速会随温度的变化发生变化。而声速的变化会造成缺陷空间位置的误判。举例说明，如温度为50^oC时，16MnR钢中存在一条与发射端垂直距离为5cm的裂缝，此温度下声速在16MnR钢中的准确值应该为3150m/s(横波)，但如果继续使用声速在16MnR钢中的理想值3220m/s(横波)，就会把裂缝的深度位置误判为5.5cm。这样，声速在16MnR钢中5920m/s(纵波)，3220m/s(横波)的理想取值就不再适用了，此时需要测量温度，对声速做出一定的修正。

于2005年3月2日公开的中国发明专利申请CN1588036A，提出了一种超声波探伤系统，该装置由超声波换能器、处理系统、图像显示装置及信号处理软件组成，超声波换能器采用了旋转体结构，优选采用球形结构或圆柱体结构，利用信号处理软件将得到的信息进行实时的二维，三维成像。但这种装置仍存有一些不足：

1、采用旋转体结构的超声波换能器阵列对耦合剂的要求很高，通常只能采用液浸探伤的方法，不利于现场探伤应用。

2、计算缺陷位置所使用的被测工件内声速被视为一个恒定数值，并没有考虑到温度对被测工件内声速的影响，从而对缺陷的定位造成偏差。

发明内容

本发明的目的是针对现有方法没有考虑到温度对被测工件内声速的影响和对耦合剂要求高的不足，提出一种带温度补偿的阵列超声探伤方法与系统。根据温度和被测工件内声速的理论关系函数计算被测工件内声速的准确值，再采用二维面形结构的超声波换能器阵列得到缺陷的大致区域，进而用波束成形技术发射动态聚焦和偏转的超声波以得到微小缺陷的精确位置，而对缺陷反射回波的细致分析又可以得到缺陷的大小、形状等信息。这样可以提高检测的准确度，提高对复杂结构件和微小缺陷的检测能力。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带温度补偿的阵列超声探伤系统，包括超声波换能器阵列、发射模块、接收模块、测温电路和控制模块；控制模块分别与发射模块、接收模块、测温电路连接；发射模块和接收模块分别与超声波换能器阵列连接，发射模块用于驱动超声波换能器阵列发射超声波，接收模块用于接收和处理回波信号；所述超声波换能器阵列由多个超声波探头组成，超声波换能器阵列采用二维的面形结构；所述测温电路包括数字式温度传感器，用于测量环境的温度和被测工件的温度，再把所测得的温度数据发送到控制模块；所述控制模块根据测温电路测得的温度数据对声速作修正，并利用超声波换能器阵列测得缺陷的大致区域和精确位置。

上述的带温度补偿的阵列超声探伤系统，在超声波换能器阵列的平面上，阵元呈行列平行分布；所述发射模块包含若干个与超声波换能器阵列相连的发射单元，每个发射单元均由顺次连接的波形缓存器、D/A转换器和高频功率放大器组成；所述接收模块包含若干个与超声波换能器阵列相连的接收单元，每个接收单元均由顺次连接的程控放大器、滤波检波器、A/D转换器和采样缓存器组成。

上述的带温度补偿的阵列超声探伤系统，所述控制模块包括存储单元、运算单元和控制单元，存储单元中存有缺陷数据库和各种工件在不同温度下的声速理论关系函数；所述运算单元接收测温电路所测得的两组温度数据并加权平均得到实际温度，再结合实际温度，调用存储单元中的温度和被测工件内声速的理论关系函数，计算被测工件内声速的准确值；运算单元还根据设定的幅度阈值，利用超声波换能器阵列行列预扫描的回波信号判断是否存在缺陷，当存在缺陷时，则计算缺陷的大致区域；所述控制单元首先控制超声波换能器阵列分别按行和按列对被测工件进行预扫描，当存在缺陷时，再根据缺陷所在的大致区域计算每个阵元发射波的幅度和延时，控制每个阵元的发射来完成集中扫描，获得发射波与缺陷反射回波之间的时延，控制单元还根据集中扫描获得的缺陷反射回波搜索存储单元中的缺陷数据库，判断缺陷的实际大小和形状，控制单元同时控制运算单元，根据声速的准确值和发射波与缺陷反射回波之间的时延计算缺陷的精确位置。

本发明还提供一种带温度补偿的阵列超声探伤方法，其采用测温电路对声速作修正，采用二维面形结构的超声波换能器阵列得到缺陷的大致区域，进而用波束成形技术发射动态聚焦和偏转的超声波以得到微小缺陷的精确位置，以及采用与缺陷数据库对照的方法，从而得到缺陷的大小、形状信息。

上述的带温度补偿的阵列超声探伤方法具体包括如下步骤：

（1）测温电路分别测量环境的温度和被测工件的温度，把所测得的两组温度数据发送到控制模块；

（2）控制模块中的运算单元对所测得的两组温度数据作加权平均得到实际温度，再结合实际温度，调用存储单元中的温度与被测工件内声速的理论关系函数计算被测工件内声速的准确值；

（3）控制模块中的控制单元在超声波换能器阵列所在XY平面的基础上建立一个空间直角坐标系XYZ，使发射模块驱动超声波换能器阵列的每行依次预扫描被测工件内部的XZ面，得到被测工件沿XZ面上的回波信号；再使发射模块驱动超声波换能器阵列的每列依次预扫描被测工件内部的YZ面，得到被测工件沿YZ面上的回波信号；

（4）超声波换能器阵列分别接收被测工件在行和列这两个方向上的预扫描回波信号，经过接收模块处理后发送到控制模块；控制模块中的运算单元根据设定好的幅度阈值，利用行列两个方向上的所述预扫描回波信号判断是否存在缺陷，如果存在缺陷，则利用函数关系式L=C*T计算XZ面上缺陷点的大致位置坐标，从而得到一系列缺陷点的位置集合，确定缺陷所在大致区域；其中，L为缺陷点与发射端的大致距离，C为声速的准确值，T为发射波与缺陷反射回波之间的时延；

（5）控制模块中的控制单元采用根据缺陷所在的大致区域计算每个阵元发射超声波的幅度和延时，控制每个阵元对缺陷所在的大致区域发射动态聚焦和偏转的超声波来完成集中扫描，超声波换能器阵列接收集中扫描所获得的缺陷反射回波，经过接收模块的处理后输出到控制模块；

（6）控制模块根据集中扫描所获得的缺陷反射回波的回波特征，搜索存储单元中的缺陷数据库，利用相似缺陷的信息判断缺陷的实际大小和形状；同时配合运算单元，利用声速的准确值和函数关系式L′=C*T′计算缺陷的精确位置，其中L′为缺陷与发射端的精确距离，C为声速的准确值，T′为发射波与集中扫描所获得的缺陷反射回波之间的时延；最后把缺陷的精确位置、实际大小和形状一起输出到人机交互操作平台，并更新缺陷数据库；

（7）人机交互操作平台的显示单元接收控制模块的输出信息，采用三维成像技术，把缺陷的精确位置、实际大小和形状用三维立体图的形式显示出来。

上述的带温度补偿的阵列超声探伤方法，步骤（4）中，当发射波与底面反射回波之间存在其他回波，且该回波的幅度大于所述阈值时，则认为该回波是缺陷反射回波，被测工件内存在缺陷。

上述的带温度补偿的阵列超声探伤方法，步骤（1）之前还包括：选取若干试块，试块里面存在各种典型的缺陷，在不同温度下，超声波换能器阵列发射探测超声波，并接收反射回波，经过接收模块的处理后发送到控制模块；控制模块将缺陷的信息以及该种缺陷的反射回波的特征存进存储单元中的缺陷数据库，便于在以后探伤中能与实际的回波信号进行对照；所述缺陷的信息包括缺陷类型和缺陷大小；所述反射回波的特征包括回波形状和回波高度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

1、采用二维面形结构的超声波换能器阵列，在此基础上建立空间直角坐标系，声束可以在三维的空间内任意偏转和聚焦，而且对耦合剂的性质状态要求不高，具有很好的现场探伤适应性。这种面形结构的二维阵列是对采用线性结构的一维阵列和采用旋转体结构的三维阵列的一种折中选择，适合现场探伤的恶劣环境。

2、系统开始探伤前，先测量环境的温度和被测工件的温度，修正被测工件内的声速，从而克服了温度对被测工件内声速的影响。

3、系统先行列预扫描被测工件，确定缺陷大致区域，然后再采用阵列的波束成形技术，集中扫描缺陷所在的大致区域，能减少扫描时间和处理时间，且更容易对微小的缺陷进行准确定位。

4、采用建立缺陷数据库的形式将探测到的缺陷信息存储起来便于在以后探伤时提供参考，具有很好的实用性。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是采用二维面形结构的超声波换能器阵列探伤的坐标图。

图3是本发明的系统工作流程图。

图4是16MnR钢中不同温度与横波声速的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1所示，本发明所述的带温度补偿的阵列超声探伤系统包括超声波换能器阵列1、发射模块2（含若干个发射单元，此处取4*4个）、接收模块3（含若干个接收单元，此处取4*4个）、测温电路4、控制模块5、人机交互操作平台6。其中，每个发射单元均由高频功率放大器21，D/A转换器22，波形缓存器23组成；每个接收单元均由程控放大器31，滤波检波器32，A/D转换器33和采样缓存器34组成；测温电路4由DS18B20数字式温度传感器为核心构成；控制模块5由控制单元51，运算单元52，存储单元53组成。人机交互操作平台6向控制模块5发出指令，控制模块5首先根据接收到的测温电路4测量的温度数据计算被测工件内的声速的准确值，再使发射模块2驱动超声波换能器阵列1向被测工件发射超声波，进行行列预扫描。如果存在缺陷，控制模块5则计算缺陷所在的大致区域，并控制发射模块2集中扫描缺陷所在的大致区域，超声波换能器阵列1接收集中扫描所获的缺陷反射回波，经过接收模块3的处理后发送到控制模块5。控制模块5搜索存储单元53中的缺陷数据库，判断缺陷的实际大小和形状，同时结合声速的准确值计算缺陷的精确位置，再把缺陷的精确位置、实际大小和形状输出到人机交互操作平台6，并更新缺陷数据库，最后采用三维成像技术把缺陷的精确位置、实际大小和形状显示出来。所述人机交互操作平台包含控制面板和显示单元，通过控制面板发出控制指令（如开始指令，结束指令）；显示单元接收控制模块的输出信息，采用三维成像技术，把缺陷的精确位置、实际大小和形状用三维立体图的形式显示出来。

如图2所示，超声波换能器阵列1采用二维面形（如4*4）的结构。以超声波换能器阵列1所在的平面为基础建立空间直角坐标系，即先确定X轴和Y轴的方向后，Z轴方向指向被测工件的内部，此空间直角坐标系可对空间上任意点进行定位。

如图3所示，本实施例实现一种带温度补偿的阵列超声探伤方法与装置的工作流程包括以下步骤：

步骤一、选取若干试块，试块里面存在各种典型的缺陷，在不同温度下，超声波换能器阵列1发射探测超声波，并接收反射回波，经过接收模块的处理后发送到控制模块5。控制模块5将某种缺陷的信息（如缺陷类型、缺陷大小等）以及该种缺陷的反射回波的特征（如回波形状、回波高度等）存进存储单元53中的缺陷数据库，便于在以后探伤中能与实际的回波信号进行对照。

步骤二、测温电路4开始工作，分别测量环境的温度和被测工件的温度，把所测得的两组温度数据发送到控制模块5。

步骤三、控制模块5中的运算单元52对所测得的两组温度数据作加权平均得到实际温度，再结合实际温度，调用存储单元53中的温度与被测工件内声速的理论关系函数（举例说明，如16MnR钢中的温度与声速的理论关系函数为

，其中C为声速，T为实际温度，其曲线图见图4），计算被测工件内声速的准确值。

步骤四、控制模块5中的控制单元51在超声波换能器阵列1所在平面的基础上建立一个空间直角坐标系，使发射模块2驱动超声波换能器阵列1的每行依次预扫描被测工件内部的XZ面，得到被测工件沿XZ面上的回波信号；再使发射模块2驱动超声波换能器阵列1的每列依次预扫描被测工件内部的YZ面，得到被测工件沿YZ面上的回波信号。

步骤五、超声波换能器阵列1分别接收被测工件在行和列这两个方向上的预扫描回波信号，经过接收模块3的处理后均发送到控制模块5。控制模块5中的运算单元52根据其内部设定好的幅度阈值，利用行列预扫描的回波信号判断是否存在缺陷（当发射波与底面反射回波之间存在其他回波，且该回波的幅度大于阈值时，则认为该回波是缺陷反射回波，被测工件内存在缺陷）。如果存在缺陷，则利用函数关系式L=C*T（其中L为缺陷点与发射端的大致距离，C为声速的准确值，T为发射波与缺陷反射回波之间的时延）计算XZ面上缺陷点的大致位置，用(X1，Z1)，(X2，Z2)，……等一系列的点坐标来表示；同样的方法可判断在YZ面上反射回波出现的异常，用(Y1，Z1)，(Y2，Z2)，……等一系列的点坐标来表示YZ面上缺陷点的大致位置。对这些点合成，例如取Z值相等的两个点（X1,Z1）和（Y1，Z1）合成为(X1,Y1,Z1)，其它点也按照此方法合成，从而缺陷应该出现在点（X1,Y1,Z1），(X2,Y2,Z2),……附近的空间区域。

步骤六、控制模块5中的控制单元51采用波束成形技术，根据缺陷所在的大致区域计算每个阵元发射超声波的幅度和延时，控制每个阵元的发射，对缺陷所在的大致区域发射动态聚焦和偏转的超声波来完成集中扫描，超声波换能器阵列1接收集中扫描所获得的缺陷反射回波，经过接收模块3的处理后输出到控制模块5。

步骤七、控制模块5根据集中扫描所获得的缺陷反射回波的回波特征（如回波高度，回波形状等），搜索存储单元53中的缺陷数据库，利用相似缺陷的参考信息判断缺陷的实际大小和形状。同时配合运算单元52，利用声速的准确值和函数关系式L′=C*T′（其中L′为缺陷与发射端的精确距离，C为声速的准确值，T′为发射波与集中扫描所获得的缺陷反射回波之间的时延），计算缺陷的精确位置。最后把缺陷的精确位置、实际大小和形状一起输出到人机交互操作平台，并更新缺陷数据库。

步骤八、人机交互操作平台6的显示单元接收控制模块5的输出信息，采用三维成像技术，把缺陷的精确位置、实际大小和形状用三维立体图的形式显示出来。

步骤九、选择是否继续进行探伤，是则跳转至步骤四；否则结束。

本发明利用测温电路测量实际温度，修正被测工件内的声速；在超声波换能器阵列所在平面的基础上建立一个空间直角坐标系，能方便的在被测工件体内进行声束偏转与动态聚焦，更具灵活性；采用建立缺陷数据库的形式将探测到的缺陷信息存储起来便于以后探伤时对照，具有很大的实用性。关于探伤所用的超声波频率，以及超声波换能器阵列的参数，可根据具体情况进行选择。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种带温度补偿的阵列超声探伤系统，其特征在于包括超声波换能器阵列、发射模块、接收模块、测温电路和控制模块；控制模块分别与发射模块、接收模块、测温电路连接；发射模块和接收模块分别与超声波换能器阵列连接，发射模块用于驱动超声波换能器阵列发射超声波，接收模块用于接收和处理回波信号；所述超声波换能器阵列由多个超声波探头组成，超声波换能器阵列采用二维的面形结构；所述测温电路包括数字式温度传感器，用于测量环境的温度和被测工件的温度，再把所测得的温度数据发送到控制模块；所述控制模块根据测温电路测得的温度数据对声速作修正，并利用超声波换能器阵列测得缺陷的大致区域和精确位置。

2.根据权利要求1所述的带温度补偿的阵列超声探伤系统，其特征在于，在超声波换能器阵列的平面上，阵元呈行列平行分布；所述发射模块包含若干个与超声波换能器阵列相连的发射单元，每个发射单元均由顺次连接的波形缓存器、D/A转换器和高频功率放大器组成；所述接收模块包含若干个与超声波换能器阵列相连的接收单元，每个接收单元均由顺次连接的程控放大器、滤波检波器、A/D转换器和采样缓存器组成。

3.根据权利要求1或2所述的带温度补偿的阵列超声探伤系统，其特征在于，所述控制模块包括存储单元、运算单元和控制单元，存储单元中存有缺陷数据库和各种工件在不同温度下的声速理论关系函数；所述运算单元接收测温电路所测得的两组温度数据并加权平均得到实际温度，再结合实际温度，调用存储单元中的温度和被测工件内声速的理论关系函数，计算被测工件内声速的准确值；运算单元还根据设定的幅度阈值，利用超声波换能器阵列行列预扫描的回波信号判断是否存在缺陷，当存在缺陷时，则计算缺陷的大致区域；所述控制单元首先控制超声波换能器阵列分别按行和按列对被测工件进行预扫描，当存在缺陷时，再根据缺陷所在的大致区域计算每个阵元发射波的幅度和延时，控制每个阵元的发射来完成集中扫描，获得发射波与缺陷反射回波之间的时延，控制单元还根据集中扫描获得的缺陷反射回波搜索存储单元中的缺陷数据库，判断缺陷的实际大小和形状，控制单元同时控制运算单元，根据声速的准确值和发射波与缺陷反射回波之间的时延计算缺陷的精确位置。

4.一种带温度补偿的阵列超声探伤方法，其特征在于采用测温电路对声速作修正，采用二维面形结构的超声波换能器阵列得到缺陷的大致区域，进而用波束成形技术发射动态聚焦和偏转的超声波以得到微小缺陷的精确位置，以及采用与缺陷数据库对照的方法，从而得到缺陷的大小、形状信息。

5.根据权利要求4所述的带温度补偿的阵列超声探伤方法，其特征在于包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的带温度补偿的阵列超声探伤方法，其特征在于步骤（4）中，当发射波与底面反射回波之间存在其他回波，且该回波的幅度大于所述阈值时，则认为该回波是缺陷反射回波，被测工件内存在缺陷。

7.根据权利要求5所述的带温度补偿的阵列超声探伤方法，其特征在于步骤（1）之前还包括：选取若干试块，试块里面存在各种典型的缺陷，在不同温度下，超声波换能器阵列发射探测超声波，并接收反射回波，经过接收模块的处理后发送到控制模块；控制模块将缺陷的信息以及该种缺陷的反射回波的特征存进存储单元中的缺陷数据库，便于在以后探伤中能与实际的回波信号进行对照；所述缺陷的信息包括缺陷类型和缺陷大小；所述反射回波的特征包括回波形状和回波高度。