CN102426194A - 复杂曲面微缺陷的阵列超声检测技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速化检测复杂曲面构件内部微细小缺陷的阵列超声检测技术，可应用于航空、航天、武器、汽车、医疗等领域。本发明通过对复杂曲面构件的上下表面同时设置换能器且不同曲率部分设置不同数量换能器的方法，使超声传感器有效作用范围覆盖构件需要检测的所有部位。采用计算机技术控制传感器阵列快速提取复杂曲面构件内部信息，能够极大地提高检测效率，克服传统单探头扫描检测效率低、采集信息量少的弊端，有效提高对复杂曲面构件内部缺陷的检测精度。

Description

复杂曲面微缺陷的阵列超声检测技术

一、技术领域

本发明涉及阵列超声检测技术，具体说是通过阵列超声技术可实现一种快速化检测复杂曲面内部≤1mm微细小缺陷的超声波检测技术，可广泛应用于航空、航天、武器、汽车、医疗等大批量生产具有复杂曲面构件的领域。

二、背景技术

目前的检测技术对具有复杂曲面结构构件的检测效率不能适应自动化生产下的高速检测的需求。主要表现在：在检测操作过程中，仍以人工观察或单探头手工或单探头自动化检测为主。在人工观察情况下，不同检测人员对同一缺陷检测的结果往往存在较大差异，造成了人为因素影响大、误检率高、检测效率低，漏检等问题。在单探头自动化检测下，对复杂曲面构件的检测精度低、技术规范内微缺陷的检出率达不到100％。以上情况给产品质量造成了很大影响。

阵列超声检测技术是将阵列式探头技术与传统的超声探伤原理相结合而发展起来的一种新型无损探伤技术。所述阵列超声探伤技术与其他传统超声探伤相比，具有检测效率高、缺陷分辨率高、漏检率低、人为影响因素小等优点。

阵列超声检测技术的基本原理是：利用声波在介质内的声场与缺陷发生相互作用导致声波的声压、相位、速度等参数发生相应变化的规律，通过对多个超声换能器采用特定配置方式和控制方式对介质内的声波进行激励，并对相应的声波参数按照相应的接收控制方式进行提取，然后把声波参数转换为特定的电信号送入计算机进行分析，实现对物体内部微孔洞、微裂纹、夹杂、夹渣等状态的无损检测。

专利文献1(CN 101983334A)叙述了对无缝钢管倾斜裂纹进行阵列超声检测的方法。这种方法在原有日本检测无缝钢管倾斜裂纹的基础上提出了超声装置包含多个振子的超声波探头与管状被探伤件相对配置的步骤、阵子沿规则的环状曲面布置的方法以及超声阵子激励接收的方法。

专利文献2(CN 2675276Y)叙述了一种换能器，其辐射面为与构件安装面相匹配的复杂曲面，解决了换能器与构件安装面的接触问题，但没有提出如何检测复杂曲面构件内部缺陷。

经过专利检索，并没有发现任何涉及快速化检测不规则的复杂曲面的阵列超声检测技术的专利。

三、发明内容

本发明的目的是解决不规则的复杂曲面构件内部微缺陷的检测精度低、检测效率低、漏检等问题，实现对复杂曲面构件全方位、快速化、精确化检测，达到快速判定复杂曲面构件内部缺陷的位置、方向、大小的目的。

本发明的目的是这样实现的：对复杂曲面构件的上下表面同时设置换能器且不同曲率部分设置不同数量的换能器，通过计算机和相关电路对上述超声换能器阵列进行特定的收发控制，实现对介质内的声波的激励和接收，接收的信息经信号处理电路传输给计算机进行处理，从而获取内部缺陷深度、大小等信息。

上述复杂曲面构件是指在构件上下两面布置的传感器都能够接收到同面和异面布置的传感器激发的超声波信号的任何曲面构件。

上述换能器阵列所包含的换能器数量根据所检测构件的大小和阵列传感器在所检测构件上要达到的有效作用范围而定。

上述换能器的布置主要考虑曲面的曲率、曲面面积，使阵列传感器有效作用范围能够覆盖构件所要检测的所有部位。如图2所示，构件上换能器可以相互接收到邻近换能器激发的超声波，其作用范围相交，无检测盲区。而在实际应用中，换能器阵列的布置在保证有效作用范围对构件需要检测部位全覆盖的前提下，尽可能减少换能器的数量。

上述换能器辐射面可以是平面、曲面或复杂面。换能器与所检测构件的复杂曲面可以直接接触(若换能器辐射面与构件安装面相匹配)，也可不接触。由于所检测曲面复杂，为使换能器与构件耦合良好，此检测方法采用液浸法。

上述换能器的型式、频率、带宽、晶片尺寸等规格参数选择根据复杂曲面构件和所要检测的主要缺陷类型而定。

上述换能器在计算机或控制电路的控制下，相应的超声换能器阵元激励超声波，超声波在曲面构件内部传播并与微缺陷作用后，被某一或几个特定换能器按某一规则实现接收，如图3所示。

基于上述目的和特征，本发明提出了曲面微缺陷阵列超声检测系统，其主要包括计算机控制与处理系统、信号收发控制部分、超声信号激发部分、信号处理与缓存部分、换能器阵列五部分。计算机控制与处理系统通过预先编制的软件对脉冲激励周期、选通电路等进行设定，并对接收到的经过预先处理的超声电信号进行处理和输出；信号收发控制部分主要由信号收发控制电路以及选通电路构成，其接收计算机控制信号，在设定的时间间隔内完成换能器通道的开合以及激励或接收超声信号；超声信号激发部分主要由脉冲发生器和相关电路组成，激励和放大超声检测波形所需的电脉冲信号；信号处理与缓存部分主要完成弱电信号的放大、A/D转换处理、批量信号的缓存；换能器阵列由多个超声换能器组成，主要完成超声波与电信号的相互转换，具体是将脉冲激励的电信号转换成超声信号或者将接收到的超声信号转换成信号处理与缓存部分接收的弱电信号。如图4所示。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的复杂曲面微缺陷阵列超声检测技术，通过对换能器阵列布置的改变，能获得构件内部的大量信息，可实现对复杂曲面构件内部缺陷的位置、大小和方向的全方位检测，有效提高检测精度。

(2)本发明采用计算机技术控制多探头阵列快速提取复杂曲面构件内部信息，不仅可以实现对关键部位的有效检测，而且能够极大地提高检测效率。

(3)本发明根据所要检测构件的几何形态布置换能器阵列的形式，对批量和大批量生产的工件可达到一次布置多次使用，节约了大量人力和物力。

(4)本发明的检测系统分为五个部分，各部分相互联系又各自独立，可模块化加工，便于实际推广应用。

结合以上优点，在采用阵列超声检测技术时，通过选择合适的高频率换能器、合理布置换能器位置，在计算机控制下快速提取构件内部缺陷的大量信息，可实现对复杂曲面构件内部≤1mm微细小缺陷的全方位、高效率的检测。

四、附图说明

图1表示复杂曲面构件上下表面同时设置换能器且不同曲率部分设置不同数量换能器的示意。

图2表示阵列传感器作用范围的剖面图；图中箭头表示声波可作用的范围，1～8表示换能器；换能器2和换能器3激发超声波，上下两面安装的换能器都可以接收到；同理，其他换能器激发的超声波，也可以被所有的换能器接收。

图3表示阵列传感器布置以及收发控制示意；图中1～8表示换能器，A表示缺陷，箭头表示超声波传播方向。

图4表示阵列超声检测系统简图，包括计算机控制与处理系统、信号收发控制部分、超声信号激发部分、信号处理与缓存部分、换能器阵列等部分。

五、具体实施方式

本发明提出的复杂曲面微缺陷阵列超声检测技术的实施方式一般包括如下步骤：

(1)根据所检测构件的材料性质、加工方法以及内部缺陷的主要特点(深度、位置等)，设定检测信号波形；

(2)根据所检测构件的外形以及检测精度要求，设定符合检测要求的换能器阵列布置形式(主要是确定换能器布置的数量和位置)；

(3)根据所选定的检测信号波形选择探头型式，计算出相应的电激励信号的激发模式、探头的布置角度，利用该电激励信号激励超声换能器生成需要的超声信号并向待测的构件发射该超声信号；

(4)根据检测信号波形、换能器收发模式要求，确定换能器的激励和接收控制方式；

(5)利用所有的超声换能器接收具有步骤(1)中所设定波形及其转换波形的携带待测构件内部信息的超声检测信号；

(6)对所有的超声换能器激励和接收的数据采用多通道数据处理技术进行处理和表征，获取构件内部缺陷的位置、大小和方向等信息。

上述技术实施所述步骤(1)中，检测信号波形设定为与检测目的相匹配的波形(一般用于微缺陷的位置、大小以及方向等信息识别情况下的超声检测)。

上述技术实施所述步骤(3)中，换能器阵列的激励和接收控制方式设定为一发一收或者一发多收。

结合图2和图3，给出一个具体的实施方式。

按步骤(1)所述，所要检测构件为薄壁曲面铝合金锻件，要检测内部裂纹，选定某一特定波形检测。

按步骤(2)所述，构件为曲面结构，要求检测缺陷位置、深度、方向等信息，在构件上布置换能器(如图2)，其作用范围相交。

按步骤(3)所述，根据选定的波形，计算激励的电信号、超声波入射角等，设计合适的探头。

按步骤(4)和(5)所述，在同一时段八个换能器中有且只有一个换能器激发特定超声信号，经过一段时间延迟后，八个换能器依次接收与构件内部作用后的超声信号。如图3，换能器2激发特定超声波信号，与缺陷作用后，被反射同来的信号被换能器2接收；此时换能器7接收不到信号或者很弱的透射信号；而1、3、4、5、6、8可以接收到换能器2直接激发的信号。同理当换能器1、3、4、5、6、7、8在计算机控制下激发特定超声波信号后，换能器1～8也接收到不同特征的波信号。

按步骤(6)所述，计算机接收到经信号处理与缓存部分传过来的8×8组不同特征的数字信号，经过预先编制的处理程序进行处理和表征，可获取构件内部缺陷的位置、大小和方向等信息。

Claims (9)

1.一种快速化检测复杂曲面微缺陷的阵列超声检测技术，其特征在于：对复杂曲面构件的上下表面同时设置换能器且不同曲率部分设置不同数量的换能器，采用计算机技术控制传感器阵列快速提取复杂曲面构件内部超声波信息。

2.根据权利要求1所述的复杂曲面构件，其特征在于：曲面构件是指能够使上下表面布置的传感器接收到同面和异面布置的传感器激发的超声波信号的任何曲面构件。

3.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于：换能器辐射面根据构件的结构和曲面曲率等制作，保证传感器阵列有效作用范围能够覆盖构件所要检测的区域，因此其辐射面可以是平面、曲面或不规则曲面。

4.根据权利要求1所述换能器，其特征在于：每一个换能器均为收发两用专用探头，且在检测同一批构件情况下，其相互之间能够接收彼此的信号。

5.根据权利要求1所述的换能器在曲面构件上的布置方式，其特征在于：换能器同时布置在所要检测构件的上下表面；构件上下表面换能器的数量可相等也可不相等；在保证传感器阵列有效作用范围覆盖构件所要检测的区域前提下，合理布置换能器阵列，尽量减少换能器总数量。

6.根据权利要求1所述的换能器在曲面构件上的布置方式，其特征在于：换能器与所检测构件的复杂曲面可以直接接触，也可不接触，检测方法采用液浸法。

7.根据权利要求1所述的计算机和相应电路控制多探头阵列快速提取复杂曲面构件内部超声波信息的方法，其特征在于：在计算机和相应电路控制下，安装的所有超声换能器中在同一时刻有且只有一个换能器激励发射超声波；作为接收的超声换能器的数量不限甚至包括激励发射超声波的换能器本身，以至于所有的换能器都可以作为接收对象。

8.根据权利要求1所述的计算机技术控制多探头阵列快速提取复杂曲面构件内部超声波信息的方法，其特征在于：若超声传感器阵列换能器总数为N，其中一个超声换能器以一定的时间间隔在设定的时段内激励发射超声波n(n≤N)次，则n个超声换能器在计算机控制下依次在相应的时间间隔内接收构件内部的超声波信号；一定的时间间隔的长短应保证相邻激发的超声波在接收时不受或少受干涉。

9.根据权利要求1所述的计算机技术控制多探头阵列快速提取复杂曲面构件内部超声波信息的方法，其特征在于：若超声传感器阵列换能器总数为N，其中一个超声换能器在某一设定时刻激励发射超声波一次，n(n≤N)个超声换能器在计算机控制下同时在预设的时段内接收超声波信号。

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