CN102221579A - 基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法，它采用具有N个晶片的超声探头对被测对象进行扫查，多个所述的晶片均匀排列，每个所述的晶片具有发射和接收功能，在扫查过程中，控制各晶片的发射和接收状态，以得到探头采样的数据矩阵，通过该数据矩阵以重构缺陷的特征。本发明采用阵列晶片扫查时，形成一个晶片发射多个晶片接收的方式，也即在反射体表面上任意一个点，有多个的测量信息以供该点的重构，最终合成并得到整个反射体重构信息，从而提高了分辨率及灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法。
背景技术
超声波检测的缺陷定量评定方法是无损检测专业人士和应用物理学家不断努力攻克的一个难题。尽管很多文献对缺陷评定技术和方法进行了探讨，如无损检测定量评定会议期刊，但是迄今为止，仍未见到定量评定超声缺陷显示的技术和方法。超声波检测的缺陷定量评定方法需要精确测量缺陷显示的位置和几何形状，以利于进一步判断缺陷类型(裂纹、夹杂、未融合等)和形状(取向、尺寸)。超声检测得到的缺陷数据，对于评估运行期间的系统失效风险和计算设备剩余寿命，至关重要。
为了精确测量缺陷显示的位置和几何形状，常采用可实现远距离高分辨率的大孔径聚焦探头。这些种大孔径聚焦探头的性能可通过常规小探头的合成孔径技术来实现，即合成孔径聚焦技术。超声检测合成孔径聚焦技术，可将较小的超声探头在大范围内的声束参数集中起来，从而达到大口径聚焦探头的性能。
当采用单晶探头对工件进行扫查时，若A扫信号采样间距小于半波长，那么扫查长度即为合成孔径的尺寸，采用合成孔径聚焦技术时A扫数据就能用来重构缺陷反射体。
合成孔径的长度取决于探头发射声场的发散和反射体的特性。当采用单晶探头对点状反射体进行扫查时，可得到最大的合成孔径，进而实现最佳的分辨率。然而，这种最佳的分辨率仅能在单晶探头对点状缺陷的扫查中取得。对于平面反射体(如裂纹、未融合等)，由于探头发射声场与平面反射体反射声场的叠加，可用于生成反射体合成孔径的信号就非常有限；因此，面状缺陷高分辨率的合成声场仅能在近场区实现，而无法在远场区实现。图1说明了点状缺陷合成孔径聚焦技术的重构过程；而图2则揭示了平面反射体合成孔径在远场区无法实现的原因，即在反射体表面没有交叉超声信号可用于信号重构。
发明内容
本发明目的是提供一种分辨率较高且可实现面状缺陷信息采集方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法，它采用具有N个晶片的超声探头对被测对象进行扫查，多个所述的晶片均匀排列，每个所述的晶片具有发射和接收功能，在扫查过程中，控制各晶片的发射和接收状态，以得到探头采样的数据矩阵，通过该数据矩阵以重构缺陷的特征。
对上述技术方案所进一步变换和解释如下：
在扫查过程中，将每个所述的晶片用于发射，依次向被测对象发射超声波，所有的晶片都作为接收晶片接收反射超声信号，以形成所述数据矩阵。
也可以在扫查过程中，设定其中一个晶片作为发射晶片，当该晶片向被测对象发射超声波时，所有的晶片都作为接收晶片接收超声信号，以形成所述数据矩阵。
优化地，所述超声探头的N个晶片按照线性排列形成线性阵列。
改变两晶片的合成孔径以获得稀疏数据矩阵，所述的合成孔径定义为两晶片中心之间的距离。
所述的改变探头的孔径包括在阵列孔径一定的前提下减少晶片的个数或者在晶片尺寸一定的前提下改变阵列孔径的大小。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：本发明采用阵列晶片扫查时，形成一个晶片发射多个晶片接收的方式，也即在反射体表面上任意一个点，有多个的测量信息以供该点的重构，最终合成并得到整个反射体重构信息，从而提高了分辨率及灵敏度。
附图说明
附图1为合成孔径聚焦测量及图像重构的原理；
附图2为单晶探头对平面反射体扫查及重构示意图；
附图3为本发明多晶探头扫查原理图；
附图4为本发明检测试样平面示意图；
附图5为本发明采用全部晶片发射全部晶片接收时的信息矩阵构成图；
附图6为本发明采用晶片间隔为3时一个晶片发射全部晶片接收时的信息矩阵构成图；
附图7为本发明采用晶片间隔为6时一个晶片发射全部晶片接收时的信息矩阵构成图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明：
如图3所示，本发明缺陷信息采集方法，其采用多晶探头，即探头由多个晶片均匀分布排列。每个晶片具有接收和发射功能。本实施例中，多个晶片排成一列，从而形成线性排列。
该探头可形成合成孔径，平面反射体图像可通过包含反射体信息的矩阵被重构，对于平面反射体的灵敏度，该扫查方式比大孔径的单晶探头大得多。该探头所采集的信息可以用一个信息数据矩阵A表示，如下表1。Aij表示相控阵中的i晶片发射时，j晶片接收到的超声信号。
表1：
| A11 | A12 | A13 | A14 |
| A21 | A22 | A23 | A24 |
| A31 | A32 | A33 | A34 |
| A41 | A42 | A43 | A44 |
在具体实施时，针对上述原理，可对晶片的发射和接收进行控制，下面将分别进行说明：
1)、每个晶片都用作发射晶片和接收晶片
在扫查过程中，当将超声探头的每个晶片都用作发射晶片和接收晶片时，其中一个晶片发射超声波，所有晶片都接收反射的超声信号。同时，由于扫查过程中，探头位置不断移动，故每个位置分别形成一个数据矩阵。本实施例中，给出8晶片的多晶探头的矩阵信息，如表2所示：
表2：
| X | X | X | X | X | X | X | X | ||||
| X | X | X | X | X | X | X | X | 2 | |||
| X | X | X | X | X | X | X | X | 2 | 3 | ||
| X | X | X | X | X | X | X | X | 2 | 3 | 4 | |
| X | X | X | X | X | X | X | X | 2 | 3 | 4 | 5 |
| X | X | X | X | X | X | X | X | 2 | 3 | 4 | 5 |
| X | X | X | X | X | X | X | X | 2 | 3 | 4 | 5 |
| X | X | X | X | X | X | X | X | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | 5 | ||
| 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | |||
| 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
由上表可以看出，处于矩阵对角线上下两侧的信息是对称的，根据互易原理，所得到的整体数据信息存在冗余。关键是，按照上述方式进行采样，扫查的速度较低。
作为对上述情况的进一步改进，设定只选取一个晶片作为发射晶片，所有晶片仍作 为接收晶片以接收反射体的超声信号，因此，在进行混合扫查时，可得到下表3的数据矩阵信息：
表3：
| T | r | r | r | r | r | r | r | ||||
| X | 2 | r | r | r | r | r | r | r | |||
| X | X | 3 | r | r | r | r | r | r | r | ||
| X | X | X | 4 | r | r | r | r | r | r | r | |
| X | X | X | X | 5 | r | r | r | r | r | r | r |
| X | X | X | X | X | 6 | r | r | r | r | r | r |
| X | X | X | X | X | X | 7 | r | r | r | r | r |
| X | X | X | X | X | X | X | 8 | r | r | r | r |
| X | X | X | X | X | X | X | 9 | r | r | r | |
| X | X | X | X | X | X | X | 10 | r | r | ||
| X | X | X | X | X | X | X | 11 | r | |||
| X | X | X | X | X | X | X | 12 |
由上表可以看出，当只以一个晶片作为发射晶片时，所得到的数据位于矩阵对角线的上侧，但由奥尔特互易原理，仍可得到如表2一样的数据矩阵信息。
对于信息矩阵内的所有信息，在使用互易定理的情况下，N晶片的多晶探头在同一位置需要进行N×(N+1)/2次测量。因此，为了提高扫查速度，需要对信息矩阵进行简化以减少晶片数量。如将上述8晶片探头改为4晶片探头，当整个探头阵列孔径不变的前提下，可知相邻两晶片之间的间距增大了一倍。仍设定其中一个晶片作为发射晶片，所有晶片作为接收晶片，扫查可得到如表4所示的数据矩阵信息，由于该矩阵元素是通过间隔的增大得到，称其为稀疏矩阵：
表4：
| T | r | r | r | ||||||||
| 2 | r | r | r | ||||||||
| X | 3 | r | r | r | |||||||
| X | 4 | r | r | r | |||||||
| X | X | 5 | r | r | r | ||||||
| X | X | 6 | r | r | r | ||||||
| X | X | X | 7 | r | r | ||||||
| X | X | X | 8 | r | r | ||||||
| X | X | X | 9 | r | |||||||
| X | X | X | 10 | r | |||||||
| X | X | X | 11 | ||||||||
| X | X | X | 12 |
由于稀疏矩阵中晶片的间距大于半波长，采集到的信息在重构图像会产生假的缺陷显示即伪影。为了克服上述问题，可通过改变晶片个数、尺寸以及其分布等进行优化。
上述对本发明采用多晶片探头采用的方法进行了说明，下面将给出具体试验信息：采用2.25MHz、64个晶片的多晶探头，如图4所示，被检试样在半径30mm的圆周上分布4个Φ1mm的横孔，测试时探头位于试样的中间。当将所有晶片都作为发射晶片和接收晶片进行采样时，得到的数据矩阵生成图像如图5所示。当晶片间隔设置为3或6时，生成图像分别如图6和图7所示。
对比图5和图6可以看出，采用全部晶片进行发射，全部晶片接收得到的矩阵信息构成的图像信息，参见图5；相比较于晶片间隔设置为3时，单个晶片发射，全部晶片接收时得到的信息矩阵构成的图像信息，参见图6；横孔图像周围存在明显的噪声，使得灵敏度和分辨率要小于晶片间隔为3时得到的分析结果；并且增大的信息量也降低了扫查速度。当采用晶片间隔为6时得到的信息矩阵构成的图像，参见图7；相比晶片间隔为3时得到的信息矩阵构成的图像分辨率和灵敏度有明显下降，但是对于采集的信息量要比前两者小很多。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了更详细的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法，其特征在于：它采用具有N个晶片的超声探头对被测对象进行扫查，多个所述的晶片均匀排列，每个所述的晶片具有发射和接收功能，在扫查过程中，控制各晶片的发射和接收状态，以得到探头采样的数据矩阵，通过该数据矩阵以重构缺陷的特征。
2.根据权利要求1所述的基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法，其特征在于：在扫查过程中，将每个所述的晶片用于发射，依次向被测对象发射超声波，所有的晶片都作为接收晶片接收反射超声信号，以形成所述数据矩阵。
3.根据权利要求2所述的基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法，其特征在于：在扫查过程中，设定其中一个晶片作为发射晶片，当该晶片向被测对象发射超声波时，所有的晶片都作为接收晶片接收超声信号，以形成所述数据矩阵。
4.根据权利要求3所述的基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法，其特征在于：所述超声探头的N个晶片按照线性排列形成线性阵列。
5.根据权利要求4所述的基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法，其特征在于：改变两晶片的合成孔径以获得稀疏数据矩阵，所述的合成孔径定义为两晶片中心之间的距离。
6.根据权利要求5所述的基于多晶探头的超声检测缺陷信息采集方法，其特征在于：所述的改变探头的孔径包括在阵列孔径一定的前提下减少晶片的个数或者在晶片尺寸一定的前提下改变阵列孔径的大小。
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
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Address after: 215004 West Ring Road, Jiangsu, Suzhou, No. 1788 Patentee after: Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd. Patentee after: China General Nuclear Power Corporation Patentee after: CGNPC Inspection Technology Co., Ltd. Address before: 215004 West Ring Road, Jiangsu, Suzhou, No. 1788 Patentee before: Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd. Patentee before: China Guangdong Nuclear Power Group Co., Ltd. Patentee before: CGNPC Inspection Technology Co., Ltd. |