CN104792866A - 一种基于tofd和相控阵的超声波检测定位方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法、装置包括TOFD检测单元和相控阵检测单元，所述TOFD检测单元，用于使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置；所述相控阵检测单元，用于使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。超声波相控阵检测可以精确确定缺陷的水平方向和深度方向的位置信息，在与TOFD检测配合定位的过程中，以TOFD扫查为主、相控阵扫查为辅对焊缝缺陷进行精确定位，克服了TOFD扫查定位精度差、非平行扫查时横向缺陷难以检出的问题。

Description

一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法、装置

技术领域

本发明涉及超声波探伤技术领域，尤其涉及一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法、装置。

背景技术

TOFD(Time Of Flight Diffraction、超声波衍射时差法)是一种依靠从待检试件内部结构(主要是指缺陷)的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，主要应用于缺陷的检测、定量和定位。TOFD技术作为近几年来新发展应用起来的检测技术，对于一些危害性的缺陷(如裂纹)有很好的检出效果，对提高产品质量有积极的意义。但是另一方面，它还存在定位精确度不足(横向位置及纵向深度)和非平行扫查时难以检出横向缺陷的问题。

传统的超声波检测对缺陷的水平位置以及深度测量有较高的精度，但它存在声束扩散角过窄，无法在定距离(探头前端距焊缝边缘距离保持不变)扫查的情况下将焊缝区域全覆盖扫查进行定位，只能作为TOFD检测过程中表面和底面盲区的检测的补充。

所以，如何克服上述两种超声波检测方法的缺陷，解决上述两个问题对提高超声波检测质量、保证产品寿命、减少工程事故发生和减少人民生命财产损失有着重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法、装置，以TOFD扫查为主、相控阵扫查为辅对焊缝缺陷进行精确定位，克服了TOFD扫查定位精度差、非平行扫查时横向缺陷难以检出的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，提供一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，包括：

使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置；

使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。

其中，所述使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置，包括：

在焊缝的一侧放置发射探头，焊缝的另一侧放置接收探头；

将所述接收探头接收到的从所述发射探头发出、经过缺陷的超声波衍射信号，代入预设的椭圆数学模型，计算求出缺陷位置；

其中，所述椭圆数学模型的椭圆焦点分别为发射探头位置和接收探头位置。

其中，所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束位于同一条直线上、且该直线与所述焊缝成30-75°夹角，或所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束成90°夹角。

其中，所述标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位之后，还包括：在相控阵扇扫图或相控阵线扫图中显示标识出的缺陷。

其中，所述使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，包括：

将相控阵超声波探头设置于确定出的缺陷位置对应的发射探头的位置，使用相控阵超声波检测方法对焊缝进行扫查。

第二方面，提供一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，包括：

TOFD检测单元，用于使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置；

相控阵检测单元，用于使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。

其中，所述TOFD检测单元，具体用于：

在焊缝的一侧放置发射探头，焊缝的另一侧放置接收探头；

将所述接收探头接收到的从所述发射探头发出、经过缺陷的超声波衍射信号，代入预设的椭圆数学模型，计算求出缺陷位置；

其中，所述椭圆数学模型的椭圆焦点分别为发射探头位置和接收探头位置。

其中，所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束位于同一条直线上、且该直线与所述焊缝成30-75°夹角，或所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束成90°夹角。

其中，所述基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，还包括显示单元，所述显示单元，用于在相控阵扇扫图或相控阵线扫图中显示标识出的缺陷。

其中，所述使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，包括：

将相控阵超声波探头设置于确定出的缺陷位置对应的发射探头的位置，使用相控阵超声波检测方法对焊缝进行扫查。

本发明的有益效果在于：一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法、装置包括TOFD检测单元和相控阵检测单元，所述TOFD检测单元，用于使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置；所述相控阵检测单元，用于使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。超声波相控阵检测可以精确确定缺陷的水平方向和深度方向的位置信息，在与TOFD检测配合定位的过程中，以TOFD扫查为主、相控阵扫查为辅对焊缝缺陷进行精确定位，克服了TOFD扫查定位精度差、非平行扫查时横向缺陷难以检出的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法第一个实施例的方法流程图。

图2是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法进行检测的结构示意图。

图3是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法第二个实施例的方法流程图。

图4是本发明提供的TOFD超声波检测的原理图。

图5是本发明提供的椭圆数学模型的原理图。

图6是本发明提供的进行TOFD超声波检测的结构示意图。

图7是本发明提供的进行TOFD超声波检测的检测结果示意图。

图8是本发明提供的相控阵超声波检测的原理图。

图9是本发明提供的利用TOFD超声波进行横向缺陷检测第一个实施例的结构示意图。

图10是本发明提供的利用TOFD超声波进行横向缺陷检测第二个实施例的结构示意图。

图11是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置第一个实施例的结构方框图。

图12是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置第二个实施例的结构方框图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，其是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法第一个实施例的方法流程图。本发明实施例的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，可结合各类相控阵超声波探伤仪和TOFD超声波探伤仪使用。

该基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，包括：

步骤S101、使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置。

步骤S102、使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。

请参考图2，其是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法进行检测的结构示意图。

其中，PAUT Probe表示相控阵超声波探头，TOFD Tx2表示发射超声波的发射探头，TOFD Rx2表示接收超声波的接收探头。弧形阴影区域分别表示焊缝及焊缝的镜像。斜线阴影区域分别表示相控阵超声波扇形扫查区域及TOFD超声波的扫查区域。

本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，超声波相控阵检测可以精确确定缺陷的水平方向和深度方向的位置信息，在与TOFD检测配合定位的过程中，以TOFD扫查为主、相控阵扫查为辅对焊缝缺陷进行精确定位，克服了TOFD扫查定位精度差、非平行扫查时横向缺陷难以检出的问题。

请参考图3，其是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法第二个实施例的方法流程图。本实施例与基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法第一个实施例的主要区别在于，增加了TOFD超声波检测和显示标识缺陷的具体步骤。

该基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，包括：

步骤S201、在焊缝的一侧放置发射探头，焊缝的另一侧放置接收探头；

将所述接收探头接收到的从所述发射探头发出、经过缺陷的超声波衍射信号，代入预设的椭圆数学模型，计算求出缺陷位置；

其中，所述椭圆数学模型的椭圆焦点分别为发射探头位置和接收探头位置。

在钢结构工程无损检测领域，TOFD(衍射时差法)的工作原理为，应用超声波能量扫查探伤区域，若该区域存在缺陷则中断超声波能量的传播，从而在缺陷端部或端角引起所谓的衍射信号。该衍射信号是定向的，且可以在TOFD中、利用按照一发一收原则布置的相应的探头进行接收。

请参考图4，其是本发明提供的TOFD超声波检测的原理图。

根据经过缺陷所产生的衍射信号到达接收探头的到达时间，可计算出该缺陷对应的深度和自身高度信息。但是在非平行扫查过程中，虽然能够精确测量缺陷的长度信息，却无法对缺陷的位置、深度和自身高度进行直接测定。一般情况下，若在TOFD超声波检测过程中采用非平行扫查，最终根据缺陷的衍射信号的时间关系得到的位置信息都是建立在假定缺陷位于焊缝的中心线的基础之上。

请参考图5，其是本发明提供的椭圆数学模型的原理图。

TOFD超声波探伤仪记录发射探头发射超声波和接收探头接收到超声波衍射信号的时间，分别为t1和t2。基于t1和t2，相等时间的轨迹为t1+t2＝c^t。分别以两个探头为焦点、相等时间轨迹c^t为到两焦点的距离之和，建立椭圆数学模型，缺陷就可能位于该椭圆上的任意一点。

基于该椭圆数学模型的TOFD超声波检测方法最终确定的缺陷都位于焊缝的中心线上，且缺陷的深度为dmax。但实际上，缺陷有可能并不位于该中心线上，而位于椭圆轨迹上的其他位置。在整个焊缝区域比较大的时候，基于上述定位方法确定的缺陷定位结果会降低后期钢件的合格率。

请参考图6，其是本发明提供的进行TOFD超声波检测的结构示意图。基于该结构，利用TOFD超声波检测方法进行非平行扫查，可以获得焊缝的超声波检测结果图。请参考图7，其是本发明提供的进行TOFD超声波检测的检测结果示意图。该检测结果示意图中标示的1点、2点、3点分别对应结构示意图的焊缝的1点、2点、3点的实际位置。

步骤S202、将相控阵超声波探头设置于确定出的缺陷位置对应的发射探头的位置，使用相控阵超声波检测方法对焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。

传统的常规超声检测方法对缺陷的水平位置以及深度测量有较高的精度，但它存在声束扩散角过窄，无法在定距离(探头前端距焊缝边缘的距离保持不变)扫查的情况下将焊缝区域全覆盖扫查，以便对缺陷进行定位的问题。所以只能作为TOFD超声波检测过程中表面和底面盲区的检测的补充。

相控阵超声波检测方法与常规超声波检测方法一样，也是依靠反射信号进行缺陷位置以及大小的测量，同样能得到缺陷准确的水平方向和深度方向的位置信息。不过相控阵超声波检测方法具有较大的扩散角，所以用相控阵超声波检测方法作为TOFD超声波检测过程之后的检测补充，相对传统的常规超声检测方法是更好地选择。

请参考图8，其是本发明提供的相控阵超声波检测的原理图。

超声波相控阵扫查包括线扫阵扫查和扇形扫查。其中，扇形扫查又称超声波相控阵S扫查，对壁厚在10mm以下薄壁的对接焊缝或母材作单次扇形扫查，相控阵超声波束就可以覆盖整个被检焊缝或母材。对于中厚壁和厚壁的焊缝或母材以及更为复杂的结构，则需要作多次扇形扫查，相控阵超声波束才能覆盖整个被检焊缝或母材。

进行相控阵超声波扫查之前，需要对相控阵超声波探伤仪校准，校准的过程需要使用标准超声波探伤试块，相控阵超声波探伤过程中所有得出的缺陷当量值都是与标准相控阵超声波探伤试块比对而来的。绝大多数的标准相控阵超声波探伤试块都是符合国家标准的强制性规定的指定试块。

进行相控阵超声波扫查时，相控阵超声波扇扫区域可覆盖焊缝，相控阵超声波探伤仪可根据扇扫图，精确得出缺陷的水平方向和深度方向的位置信息。在实际的焊缝超声波检测过程中，以TOFD超声波扫查(非平行扫查和横向缺陷扫查)为主，以相控阵超声波扫查为辅进行缺陷精确定位，克服了TOFD超声波扫查定位精度差的问题，同时又能兼顾解决横向缺陷扫查难以检出的问题。

优选地，所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束位于同一条直线上、且该直线与所述焊缝成30-75°夹角，或所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束成90°夹角。

请参考图9和图10，其分别是本发明提供的利用TOFD超声波进行横向缺陷检测第一个实施例的结构示意图和第二个实施例的结构示意图。

为了解决TOFD超声波检测方法非平行扫查时对横向缺陷的检出率低和难以判断的问题，我们提供了两个方案进行横向缺陷的检测，分别为对边斜线扫查和V型扫查。

对边斜线扫查对应本发明提供的利用TOFD超声波进行横向缺陷检测第一个实施例。在对边斜线扫查过程当中，发射探头Tx2发射的超声波束和接收探头Rx2接收的超声波束位于同一条直线上、且该直线与所述焊缝成30-75°夹角。该夹角最好不小于45°，优选为45°。采用对边斜线扫查能够保证在发射探头Tx2发射的超声波束和接收探头Rx2接收的超声波束的连线方向上，探测的横向缺陷不再是一条线状，而具有一定面积，这样就能有较大的面产生较强的衍射信号，且缺陷有了一定的长度显示，更便于发现缺陷。

V型扫查对应本发明提供的利用TOFD超声波进行横向缺陷检测第二个实施例。经过多次试验，发现发射探头Tx2发射的超声波束和接收探头Rx2接收的超声波束的夹角为90°，任一超声波束与焊缝成45°夹角时，发射探头Tx2发射的超声波束与缺陷界面作用的时间最长，缺陷最易识别。

另外，采用上述两种方式进行超声波扫查时，还可以增设一套常用的非平行扫查。如图中所示的，发射探头Tx1和接收探头Rx1，通过对边斜线扫查或V型扫查与常用的非平行扫查的结合，我们能发现各个方向上的缺陷，再辅助相控阵超声波扇扫或线扫阵检测，可以保证相控阵超声波束覆盖整个所要检测的焊缝区域，在检测过程中实现稳定、全面的缺陷扫查与定位。

步骤S203、在相控阵扇扫图或相控阵线扫图中显示标识出的缺陷。

优选的，显示标识出的缺陷包括缺陷、缺陷的个数、缺陷间相对位置、缺陷类型、缺陷的高度及宽度等信息。

本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，可自动查找缺陷并直观的查阅缺陷。且该方法确定的缺陷位置精确，极大的减少了对操作人员主观判断的依赖，降低误判率。

以下为本发明实施例提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置的实施例。基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置的实施例与上述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法实施例属于同一构思，基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法实施例。

请参考图11，其是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置第一个实施例的结构方框图。

该基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，包括：

TOFD检测单元10，用于使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置；

相控阵检测单元20，用于使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。

本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，超声波相控阵检测可以精确确定缺陷的水平方向和深度方向的位置信息，在与TOFD检测配合定位的过程中，以TOFD扫查为主、相控阵扫查为辅对焊缝缺陷进行精确定位，克服了TOFD扫查定位精度差、非平行扫查时横向缺陷难以检出的问题。

请参考图12，其是本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置第二个实施例的结构方框图。本实施例与基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置第一个实施例的主要区别在于，增加了显示单元30。

该基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，包括：

TOFD检测单元10，用于使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置；

相控阵检测单元20，用于使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。

其中，所述TOFD检测单元10，具体用于：

在焊缝的一侧放置发射探头，焊缝的另一侧放置接收探头；

将所述接收探头接收到的从所述发射探头发出、经过缺陷的超声波衍射信号，代入预设的椭圆数学模型，计算求出缺陷位置；

其中，所述椭圆数学模型的椭圆焦点分别为发射探头位置和接收探头位置。

其中，所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束位于同一条直线上、且该直线与所述焊缝成30-75°夹角，或所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束成90°夹角。

其中，所述基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，还包括显示单元30，所述显示单元30，用于在相控阵扇扫图或相控阵线扫图中显示标识出的缺陷。

其中，所述使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，包括：

将相控阵超声波探头设置于确定出的缺陷位置对应的发射探头的位置，使用相控阵超声波检测方法对焊缝进行扫查。

本发明提供的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，可自动查找缺陷并直观的查阅缺陷。且该方法确定的缺陷位置精确，极大的减少了对操作人员主观判断的依赖，降低误判率。

一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法、装置，以TOFD扫查为主、相控阵扫查为辅对焊缝缺陷进行精确定位，克服了TOFD扫查定位精度差、非平行扫查时横向缺陷难以检出的问题。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括存储器、磁盘或光盘等。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，其特征在于，包括：

使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置；

使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。

2.根据权利要求1所述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，其特征在于，所述使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置，包括：

在焊缝的一侧放置发射探头，焊缝的另一侧放置接收探头；

将所述接收探头接收到的从所述发射探头发出、经过缺陷的超声波衍射信号，代入预设的椭圆数学模型，计算求出缺陷位置；

其中，所述椭圆数学模型的椭圆焦点分别为发射探头位置和接收探头位置。

3.根据权利要求2所述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，其特征在于，所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束位于同一条直线上、且该直线与所述焊缝成30-75°夹角，或所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束成90°夹角。

4.根据权利要求1所述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，其特征在于，所述标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位之后，还包括：在相控阵扇扫图或相控阵线扫图中显示标识出的缺陷。

5.根据权利要求1所述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位方法，其特征在于，所述使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，包括：

将相控阵超声波探头设置于确定出的缺陷位置对应的发射探头的位置，使用相控阵超声波检测方法对焊缝进行扫查。

6.一种基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，其特征在于，包括：

TOFD检测单元，用于使用TOFD超声波检测方法对焊缝进行扫查，确定出缺陷位置；

相控阵检测单元，用于使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，标识出尺寸超过预设尺寸阈值的缺陷，并对标识出的缺陷进行定位。

7.根据权利要求6所述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，其特征在于，所述TOFD检测单元，具体用于：

在焊缝的一侧放置发射探头，焊缝的另一侧放置接收探头；

将所述接收探头接收到的从所述发射探头发出、经过缺陷的超声波衍射信号，代入预设的椭圆数学模型，计算求出缺陷位置；

其中，所述椭圆数学模型的椭圆焦点分别为发射探头位置和接收探头位置。

8.根据权利要求7所述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，其特征在于，

所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束位于同一条直线上、且该直线与所述焊缝成30-75°夹角，或所述发射探头发射的超声波束和接收探头接收的超声波束成90°夹角。

9.根据权利要求6所述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，其特征在于，所述基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，还包括显示单元，所述显示单元，用于在相控阵扇扫图或相控阵线扫图中显示标识出的缺陷。

10.根据权利要求6所述的基于TOFD和相控阵的超声波检测定位装置，其特征在于，所述使用相控阵超声波检测方法对确定出的缺陷位置附近的焊缝进行扫查，包括：

将相控阵超声波探头设置于确定出的缺陷位置对应的发射探头的位置，使用相控阵超声波检测方法对焊缝进行扫查。