CN104865317B - 一种透射式空气耦合超声扫描成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透射式空气耦合超声扫描成像方法，用于被检测物体内部缺陷的无损检测，包括以下步骤：1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整并通电启动；2)调整探头：将被检试样固定在试样台上，并置于发射探头和接收探头之间，调整接收探头到被检试样表面的距离，使发射探头的焦点落在被检试样表面上；3)确定扫描范围；4)检测被检试样：通过扫描软件控制探头在扫描范围内自动扫描，并且实时显示超声回波，扫描结束后，发射探头和接收探头自动回到坐标零点。5)信号处理与分析：通过系统检测软件对超声回波信号进行分析和处理，并显示检测图像并显示。与现有技术相比，本发明具有对焦方便、发射效率高、信号处理和分析功能强等优点。

Description

一种透射式空气耦合超声扫描成像方法

技术领域

本发明涉及一种超声扫描成像方法，尤其是涉及一种透射式空气耦合超声扫描成像方法。

背景技术

超声检测是五大常规无损检测之一，由于它具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度快、成本低、设备相对简单、对人体无害等一系列优点，因此在工业领域得到了广泛的应用。常规超声检测的方法是接触式，即在超声探头和待测试样之间必须用水或其他液体作为声耦合剂。这些耦合剂的使用一方面给检测带来诸多不便，另一方面有些构件在检测时是不能使用这些耦合剂的，比如锂电池内部缺陷检测。空气耦合超声检测为非接触式无损检测，不需要这些耦合剂，检测过程简单、方便，已被应用于复合材料、轮胎、混凝土、锂电池等内部缺陷无损检测。空气耦合超声理论早在20世纪60年代提出，但由于超声波换能器技术的限制，使其进展缓慢。1995年，Grandia等的研究使空气耦合超声波换能器技术出现了重大突破，使得空气耦合超声检测技术进入了快速发展期。目前，国内外常用空气耦合超声检测方法采用一发一收的穿透法，发射探头和接收探头均采用聚焦探头，主要存在问题有发射效率低、穿透能力有限、对焦不方便、检测试样厚度受探头聚焦声场限制，且调节不便，以及使用两个聚焦探头造成高成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种对焦方便、发射效率高、信号处理和分析功能强的透射式空气耦合超声扫描成像方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

1.一种透射式空气耦合超声扫描成像方法，用于被检测物体内部缺陷的无损检测，其特征在于，包括以下步骤：

1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整并通电启动；

2)调整探头：将被检试样固定在试样台上，并置于发射探头和接收探头之间，调整接收探头到被检试样表面的距离，使发射探头的焦点落在被检试样表面上；

3)确定扫描范围，具体包括以下步骤：

31)在被检试样上确定一个扫描范围，并标记起点和终点，移动发射探头和接收探头，使探头中心对准扫描范围的起点标记点，并将起点定为坐标零点；

32)根据被检试样上的扫描范围，在水平方向和垂直方向上确定发射探头和接收探头的扫描距离，并将扫描距离数值输入到计算机内。

4)检测被检试样：控制探头在扫描范围内自动扫描，并且实时显示超声回波，扫描结束后，发射探头和接收探头自动回到坐标零点。

5)信号处理与分析：对超声回波信号进行分析和处理，并显示检测图像并显示。

所述的步骤2)中调整发射探头到被检测物表面的距离为20mm。

所述的步骤3)中的扫描范围为矩形扫描范围。

所述的步骤2)中的发射探头的中心频率包括50kHz、100kHz、200kHz和400kHz。

被检试样的厚度大于等于5mm。

被检试样的材质包括有机玻璃、金属。

一种透射式空气耦合超声扫描成像方法，该系统包括设置在试样台一侧的接收探头、设置在试样台另一侧的发射探头、固定在试样台上的扫描架、前置放大器、脉冲发射接收器、信号采集与处理模块和计算机，所述的扫描架分别与接收探头、发射探头、脉冲发射接收器、信号采集与处理模块和计算机连接，所述的发射探头与脉冲发射接收器连接，所述的前置放大器分别与接收探头和信号采集与处理模块连接，所述的信号采集与处理模块与计算机连接。

所述的发射探头为平面发射探头，所述的接收探头为聚焦接收探头，所述的平面发射探头和聚焦接收探头均为空气耦合探头。

所述的计算机设有扫描软件和系统检测软件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、对焦方便：采用平面发射探头和聚焦接收探头，代替了现有的双侧透射方法中采用一对聚焦空气探头的方式，完成了超声波激发和接收，对焦方便。

二、发射效率高：本发明中的平面发射探头的发射中心频率包括50kHz、100kHz、200kHz和400kHz，发射频率高，穿透能力强，采用空气耦合接收的分辨率和灵敏度高。

三、信号处理和分析功能强：本系统由基于MATLAB的系统检测软件完成对整个检测系统的控制和对超声波信号的处理和结果显示，该软件用于多通道数据采集、滤波、时域与频域分析及深度补偿，信号处理和分析功能强，便于两次开发。

附图说明

图1为本发明成像系统的结构示意图。

图2为实施例1中的有机玻璃试样结构示意图，其中，图(2a)为有机玻璃试样结构主视图，图(2b)为有机玻璃试样结构底视图。

图3为实施例1中有机玻璃试样检测结果图。

图4为为实施例2中的铝块试样结构示意图，其中，图(4a)为铝块试样结构主视图，图(4b)为铝块试样结构底视图。

图5为实施例2中铝块试样检测结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种透射式空气耦合超声扫描成像系统，该系统包括设置在试样台3一侧的接收探头1、设置在试样台3另一侧的发射探头2、固定在试样台3上的扫描架4、前置放大器5、脉冲发射接收器6、信号采集与处理模块7和计算机8，所述的扫描架4分别与接收探头1、发射探头2、脉冲发射接收器6、信号采集与处理模块7和计算机8连接，所述的发射探头2与脉冲发射接收器6连接，所述的前置放大器5分别与接收探头1和信号采集与处理模块7连接，所述的信号采集与处理模块7与计算机8连接。

首先计算机8发出扫描控制命令给扫描架4，扫描架4扫描同时发出同步脉冲信号到脉冲发射接收器6和信号采集与处理模块7，接着超声脉冲发射接收器6产生高压脉冲信号，并激励发射探头2产生超声波，通过空气耦合将超声波导入被检试样内，同时接收探头1将接收到穿透过试样的衰减超声波信号经过经前置放大器5放大调理后，由信号采集与处理模块7数字化，最后再通过USB接口输入计算机8，由基于MATLAB的系统检测软件完成对整个检测系统的控制和对超声波信号的处理和结果显示。该软件用于多通道数据采集、滤波、时域与频域分析及深度补偿，信号处理和分析功能强，便于两次开发。

利用一种透射式空气耦合超声扫描成像方法检测系统检测有机玻璃试样，如图2所示，图为5mm厚有机玻璃试样，加工Φ2和Φ3两个横孔人工缺陷。具体检测过程为：

1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整，通电；

2)调整探头：将被检试样固定在试样架上，并置于发射和接收两探头间，调整聚焦探头到试样表面的距离，使得聚焦探头的焦点落在试样表面上。调整平面发射探头到试样表面距离为20mm。

3)确定扫描范围：先在试样上确定一个矩形扫描范围10mm×30mm矩形，并做好起点和终点标记，然后移动探头使得探头中心对准扫描范围起点标记点，并定为坐标零点，根据试样上的扫描范围，确定水平方向和垂直方向上探头扫描距离，并将数值输入到扫描控制软件内。

4)检测被检试样：点击扫描控制开始，探头将在扫描范围内自动扫描，软件可实时显示超声回波，扫描结束，探头自动回到扫描零点。

5)信号处理与分析：通过系统检测软件对超声回波信号进行分析和处理，检测结果如图3所示，从图中可以看出，在Y坐标5mm处及20mm处有明显条状缺陷，宽分别为2mm和3mm，这与试样人工缺陷位置完全吻合，可反映该方法对缺陷检测灵敏度高，定位准确。

实施例2：

利用一种透射式空气耦合超声扫描成像方法检测系统检测铝块试样，如图4所示，图为30mm厚铝块试样，加工Φ5横孔人工缺陷，具体检测过程为：

1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整，通电；

2)调整探头：将被检试样固定在试样架上，并置于发射和接收两探头间，调整聚焦探头到试样表面的距离，使得聚焦探头的焦点落在试样表面上。调整平面发射探头到试样表面距离为20mm。

3)确定扫描范围：先在试样上确定一个矩形扫描范围20mm×30mm矩形，并做好起点和终点标记，然后移动探头使得探头中心对准扫描范围起点标记点，并定为坐标零点，根据试样上的扫描范围，确定水平方向和垂直方向上探头扫描距离，并将数值输入到扫描控制软件内。

4)检测被检试样：点击扫描控制开始，探头将在扫描范围内自动扫描，软件可实时显示超声回波，扫描结束，探头自动回到扫描零点。

5)信号处理与分析：通过系统检测软件对超声回波信号进行分析和处理，检测结果如图5所示，从图中可以看出，在Y坐标15mm到20mm之间有一明显条状缺陷，宽为5mm，这与试样人工缺陷位置完全吻合，进一步反映该方法对很厚金属试样的穿透能力，同时缺陷的分辨率不低。

Claims (5)

1.一种透射式空气耦合超声扫描成像方法，用于被检测物体内部缺陷的无损检测，其特征在于，该方法通过透射式空气耦合超声扫描成像系统实现，该系统包括设置在试样台(3)一侧的接收探头(1)、设置在试样台(3)另一侧的发射探头(2)、固定在试样台(3)上的扫描架(4)、前置放大器(5)、脉冲发射接收器(6)、信号采集与处理模块(7)和计算机(8)，所述的扫描架(4)分别与接收探头(1)、发射探头(2)、脉冲发射接收器(6)、信号采集与处理模块(7)和计算机(8)连接，所述的发射探头(2)与脉冲发射接收器(6)连接，所述的前置放大器(5)分别与接收探头(1)和信号采集与处理模块(7)连接，所述的信号采集与处理模块(7)与计算机(8)连接，所述的发射探头为平面发射探头，所述的接收探头为聚焦接收探头，所述的平面发射探头和聚焦接收探头均为空气耦合探头，该方法包括以下步骤：

1)连接系统：通过数据线将检测装置各部分连接完整并通电启动；

2)调整探头：将被检试样固定在试样台上，并置于发射探头和接收探头之间，调整接收探头到被检试样表面的距离，使发射探头的焦点落在被检试样表面上；

3)确定扫描范围，具体包括以下步骤：

31)在被检试样上确定一个扫描范围，并标记起点和终点，移动发射探头和接收探头，使探头中心对准扫描范围的起点标记点，并将起点定为坐标零点；

32)根据被检试样上的扫描范围，在水平方向和垂直方向上确定发射探头和接收探头的扫描距离，并将扫描距离数值输入到计算机内；

4)检测被检试样：控制探头在扫描范围内自动扫描，并且实时显示超声回波，扫描结束后，发射探头和接收探头自动回到坐标零点；

5)信号处理与分析：对超声回波信号进行分析和处理，并显示检测图像并显示。

2.根据权利要求1所述的一种透射式空气耦合超声扫描成像方法，其特征在于，所述的步骤2)中调整发射探头到被检测物表面的距离为20mm。

3.根据权利要求1所述的一种透射式空气耦合超声扫描成像方法，其特征在于，所述的步骤3)中的扫描范围为矩形扫描范围。

4.根据权利要求1所述的一种透射式空气耦合超声扫描成像方法，其特征在于，所述的步骤2)中的发射探头的中心频率包括50kHz、100kHz、200kHz和400kHz。

5.根据权利要求1所述的一种透射式空气耦合超声扫描成像方法，其特征在于，所述的计算机(8)设有扫描软件和系统检测软件。