CN105510442B - 多相控阵探头动态联动聚焦检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相控阵探头动态联动聚焦检测方法：使左、中、右三个相控阵探头位于待测轮轴的近轮座处，左右两探头相对于中探头对称分布，各探头波束从不同方向斜向穿过轮轴，使探测区域位于径向上与中探头相对的轮座区域上另一侧近表面区域，中探头发射波束的中线与轮轴轴线相交，左右探头的波束相对于中探头的波束对称，当中探头检测到缺陷回波时，如果左、右探头针对同一区域的回波中一个高于槽的回波而另一个低于槽的回波，则判定该区域为裂纹，如果左、右探头得到的同一区域的两个回波均低于槽的回波且波幅高度基本相同，则判定该区域不是裂纹。本发明能分辨出是压装损伤还是自然裂纹，因此可以减小漏检率，提高检出率，提高周向定量精度。

Description

多相控阵探头动态联动聚焦检测方法

技术领域

本发明涉及一种利用多个相控阵探头联动进行超声波检测的方法。

背景技术

机车轮轴是轨道机车的重要组成部分，机车的重量最终都压在轮轴上，在机车运行时轮轴两端（主要是指轮座处）受到变剪切力容易产生裂纹，危害极大，机车运行中一旦断轴将导致机车脱轨造成严重事故。针对轮座部位的裂纹检测主要通过超声检测实现。目前国内针对轮座裂纹的超声检测主要有两种，一种是采用固定角度的常规探头（非相控阵探头，例如，单晶探头或双晶探头），另一种是采用单只相控阵探头。由于裂纹主要为环向裂纹（即裂纹大体上位于轮轴的横截面内，包括周向、径向以及介于周向和径向之间的裂纹），而压装压痕基本上也呈环向延伸，二者的回波类似，根据回波难以分辨出是压装压痕还是裂纹，裂纹具有危害性，而压装压痕没有，如果将裂纹判定为压装压痕，则造成漏检，如果将压装压痕判定为裂纹，则将导致废品率提高。

发明内容

为了克服现有技术下的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，该方法可以减小漏检率，提高检出率，提高周向定量精度，分辨出是压装损伤还是自然裂纹，从而显著提高检测结果的可信度。

本发明的技术方案是：

一种多相控阵探头动态联动聚焦检测方法：所用超声扫查器设有左、中、右三个相控阵探头，使各个所述探头位于待测轮轴的近轮座处，左、右两个探头相对于中探头对称分布，各个所述探头的波束从不同方向斜向穿过轮轴，使探测区域位于径向上与所述中探头相对的轮座区域上的另一侧近表面区域，所述中探头发射的波束的中线与所述轮轴的轴线相交，所述左、右探头的波束相对于所述中探头的波束对称，当所述中探头检测到缺陷回波时，如果所述左、右探头针对同一区域的回波中一个高于槽的回波而另一个低于槽的回波，则判定该区域为裂纹，如果所述左、右探头得到的同一区域的两个回波均低于槽的回波且波幅高度基本相同，则判定该区域不是裂纹

进一步地，当所述中探头检测到缺陷回波时，如果所述左、右探头针对同一区域的回波中，一个高于裂纹判断上阈值而另一个低于裂纹判断下阈值，则判定该区域为裂纹，如果所述左、右探头得到的同一区域的两个回波均位于预设的压痕回波上下限之间，且两个回波的比值介于预设的压痕回波比值区间，则判定该区域不是裂纹。

各个所述探头的波束的可探测范围为径向上与所述中探头相对的轮座区域上的另一侧全部近表面区域，所述轮座区域是包含所述轮座、轮座前肩、轮座后肩和位于轮座前肩前方的防尘挡圈座与轮座之间过渡圆角在内的轴段。

所述左、右探头的波束与所述中探头的波束的夹角均优选为5-15度。

各个所述探头的工作频率优选为2.5MHz-5MHz。

各个所述探头优选采用一维线阵探头。

各个所述探头的波束偏转方向优选为所述中探头发射的波束的中线在所述轮轴的横截面上的投影所在的直径方向。使得本方法不仅能扫描轮轴近表面区域，而且能扫描靠近轮轴心部的区域。

对于前述任意一种所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，还包括：用所述检测设备的轮轴旋转驱动机构驱使所述轮轴定轴旋转，各个所述探头与所述轮轴作相对圆周运动以扫描所述轮座区域的全部表面。

各个所述探头分别固定安装在同一个有机玻璃楔块的上面。

所述有机玻璃楔块的折射角度可以为35-55度。

所述检测设备还可以设有超声相控阵检测仪、自动检测扫查器本体、轮轴进轮定位装置、轮轴出轮推动装置、水泵、水槽、耦合水收集装置和用于控制检测设备启停、轮轴进轮定位装置动作、轮轴出轮推动装置动作、轮轴旋转驱动机构动作以及水泵启停的运动控制装置，各个所述探头安装在所述自动检测扫查器本体上，各个所述探头的检测信号输出端通过相控阵电缆连接所述超声相控阵检测仪的检测信号输入端。

所述多相控阵探头动态联动聚焦检测方法可以采用如下步骤：

（1）将带有所述轮轴的轮对通过轨道移动到检测位置，将所述探头置于所述轮轴相应的探头放置位置；

（2）启动喷水耦合以及轮轴定轴旋转，所述探头相对于所述轮轴做周向运动，轮轴旋转过程中使各个所述探头对所述轮座进行扫描检测；

（3）各个所述探头的检测数据通过相控阵电缆传递给超声相控阵检测仪，所述检测数据保存到所述超声相控阵检测仪中；

（4）检测同时所述超声相控阵检测仪中的数据同步显示在计算机上，进行可疑信号分析，排除压装压痕，对检测缺陷进行标记报警。

本发明的有益效果为：

本发明用多个探头同时从不同方向发射波束指向并汇聚到同一个探测区域，各探头均采用自发自收工作方式，通过对多个探头针对同一探测区域的回波的综合分析，实现对同一个缺陷的更高精度的定位定量检测。该检测方法弥补了现有技术下采用固定角度的常规探头或单只相控阵探头检测时由于缺陷取向与探测方向之间角度的局限性导致的漏检、误报或检测精度低的不足，还利用左、右探头各自的回波实现了确定缺陷准确边界的目的。

尤其是在深入探究空间中裂纹的不规则特点和槽的规则特点的基础上，充分利用所述左、右探头针对同一探测区域的回波之间的差异性，实现了对裂纹还是表面槽的有效区分，既不会因为误将裂纹判定为表面槽导致漏检，也不会因为误将表面槽判定为裂纹导致的废品率增加，由此显著提高了超声探伤时的检出率，降低漏检率、误报率和轮轴报废率，提高周向定量精度，大幅度提高检测结果的精确性和可信度。

由于所述探头的波束是穿过轮径指向所述轮座对侧的探测区域，因此，该方法可以在车轮仍然安装在轮轴轮座上的状态下进行检测，降低维护成本。

由于三只探头均为相控阵探头，可使探测区域从轮座近表面位置一直深入到轮轴的心部，因此无论是区分裂纹和压装压痕还是检测裂纹的位置和尺寸等，在轮轴轮座的整体实体范围都能获得较高的探测精度和准确性。

附图说明

图1是本发明采用三只探头检测时各部分的纵向结构示意图；

图2是图1的横向结构示意图；

图3是各个所述探头在轮座周向展开平面上的投影示意图。

具体实施方式

参见图1-3，本发明公开了一种多相控阵探头动态联动聚焦检测方法：所用超声扫查器设有左、中、右三个相控阵探头，使各个所述探头位于待测轮轴4的近轮座43处，左、右两个探头2、3相对于中探头1对称分布，各个所述探头的波束从不同方向斜向穿过轮轴，使探测区域位于径向上与所述中探头相对的轮座区域上的另一侧近表面区域，所述中探头发射的波束的中线与所述轮轴的轴线42相交（二者所构成的面可以称为对称平面），所述左、右探头的波束相对于所述中探头的波束对称（也可以视为相对所述对称平面左右对称），综合各探头针对同一探测区域检测的结果实现对同一个缺陷的检测。各探头均为自发自收工作方式，当所述中探头检测到缺陷回波时，如果所述左、右探头针对同一区域的回波中一个高于槽的回波而另一个低于槽的回波，则判定该区域为裂纹，如果所述左、右探头得到的同一区域的两个回波均低于槽的回波且波幅高度基本相同，则判定该区域不是裂纹。

进一步地，对于某个区域是否存在裂纹的判断方法可以具体为：当所述中探头检测到缺陷回波时，如果所述左、右探头针对同一区域的回波中，一个高于裂纹判断上阈值而另一个低于裂纹判断下阈值，则判定该区域为裂纹，如果所述左、右探头得到的同一区域的两个回波均位于预设的压痕回波上下限之间，且两个回波的比值介于预设的压痕回波比值区间，则判定该区域不是裂纹，可能是表面槽或压装压痕。

所述裂纹判断上阈值、裂纹判断下阈值、压痕回波上限、压痕回波下限以及所述预设的压痕回波比值区间的两个端值可以参考正常的槽的回波根据经验确定。其目的是利用自然裂纹和槽（或压装压痕）由于边界规则与否的不同而在回波上表现出的差异性大小上的区别，当左右两侧回波一个明显高于正常的槽的回波，而另一个明显低于正常的槽的回波时，即可判定为裂纹，当左右两侧回波均低于一定值（即较弱）且二者差异较小（即二者基本相同）时，即可判定为压装压痕或槽。通常，压痕回波上限小于裂纹判断上阈值，所述预设的压痕回波比值区间是以1为中间值的一个窄区间。

通过对多个探头针对同一探测区域回波的综合分析实现缺陷定位定量检测，弥补了现有技术下由于缺陷取向与探测方向之间角度的局限性导致的漏检或误报，还使得定位定量检测精度显著提高。

由于裂纹是不规则的，而用于模拟裂纹的表面槽是规则的，当采用相对于所述裂纹或表面槽呈左右对称分布的两个探头同时探测同一区域时，对于裂纹，两个探头的回波波幅往往一高一低，而对于表面槽，两个探头的回波波幅往往均较弱且波幅高度基本相同。由于设置左右对称分布的两个探头，使裂纹和表面槽产生的回波出现了上述差异化，使得对于裂纹还是表面槽的分辨变得容易，解决了超声检测中长期以来存在的误检、漏检等技术难题。

为了实现各个探头的发射波束从不同方向指向所述轮座区域的同一探测区域，各个所述探头均需要倾斜设置，其中，所述中探头的中轴线倾斜指向所述轮座的内部，其发射的波束与所述轮轴轴线倾斜相交。所述左、右探头的中轴线也各自倾斜指向所述轮座的内部，如果所述对称平面位于铅垂方向，所述左、右探头在所述对称平面的水平垂直平面（图3所在纸面）上的投影各自位于相对所述中探头偏转一定角度（如图3所示的α角）的位置。

各个所述探头的排布位置（包括与探头前沿与轮座的距离，左、右探头间在周向上的距离，以及探头各自的前倾安装角度等相关联）需要根据实际情况确定，以使各探头的发射波束的可探测范围为径向上与所述中探头相对的轮座区域上的另一侧（如果将探头所在的径向的上侧作为“一侧”，则“另一侧”指径向上的下侧）全部近表面区域，所述轮座区域优选为包含所述轮座、轮座前肩44、轮座后肩45和位于轮座前肩前方的防尘挡圈座46与轮座之间过渡圆角47在内的轴段。

所述左、右探头的波束各自与所述中探头的波束的夹角优选为5-15度，探测区域为接近所述轮座或所述轮座区域的表面，使本发明尤其适用于近表面缺陷的检测。由于采用相控阵探头，探测区域可以深入到轮座区域径向上的心部。

各个所述探头的工作频率优选为2.5MHz-5MHz。

各个所述探头优选采用一维线阵探头。

对于前述方法，检测过程中还可以用轮轴旋转驱动机构驱使所述轮轴定轴旋转，各个所述探头与所述轮轴作相对圆周运动以扫描所述轮座区域的全部表面。由于采用相控阵探头，在探头与轮座相对圆周运动时，可以实现对整个轮座实体的扫描。

各个所述探头可以分别固定安装在同一个有机玻璃楔块上面。所述有机玻璃楔块的折射角度优选为35-55度。所述有机玻璃楔块的下表面可以为与所述轮轴的轴身41表面相贴合的内凹柱面。

所述多相控阵探头动态联动聚焦检测方法还包括利用所述左、右探头针对同一区域（特别是缺陷的两端）的两个回波获得较为准确的缺陷边界。

根据超声波反射定理，超声波反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。当探头发射的波束与裂纹夹角趋近于垂直，裂纹在波束垂直方向的投影基本不变，探测到的裂纹就会比较接近真实裂纹。当探头波束与裂纹夹角越小，裂纹在波束垂直方向的投影越小于裂纹本身，则探测到的裂纹就会比真实裂纹更小，如果裂纹本身特别小，那么它的投影基本显现不出来，这样就会造成对裂纹的危害程度判轻或漏判。本发明用多个不同方向的回波确定同一缺陷的边界可以弥补单一方向探测时的上述不足，相比只采用一个方向的回波得到的边界更为准确。

采用本发明的方法进行检测时通常需要配备其他检测仪器和其他配套机械设备，其他检测仪器还包括超声相控阵检测仪，其他配套机械设备包括轮轴进轮定位装置、轮轴出轮推动装置、水泵、水槽、耦合水收集装置和用于控制检测设备启停、轮轴进轮定位装置动作、轮轴出轮推动装置动作、轮轴旋转驱动机构动作以及水泵启停的运动控制装置，各个所述探头安装在所述自动检测扫查器本体上，各个所述探头的检测信号输出端通过相控阵电缆连接所述超声相控阵检测仪的检测信号输入端。所述水泵用于给超声相控阵探头检测时供耦合水，将水槽中的水输送到喷嘴处，水喷射到所述轮轴与所述相控阵探头的结合部位，所述耦合水收集装置用于收集检测后从轮轴流下的耦合水并将耦合水过滤后送回到水槽供循环使用。所述超声相控阵检测仪内存储有检测轮座部位的设置文件，所述轮轴进轮定位装置用于当轨道机车车轮行进到合适位置时会触发传感器，进轮定位装置启动，将轮轴固定；所述轮轴出轮推动装置是在检测完成后将轮轴推出检测区；所述轮轴旋转驱动机构是在轮轴定位后带动轮轴旋转，完成检测。

采用本发明的多相控阵探头动态联动聚焦检测前，先做好如下准备工作：将三只探头安装在检测设备的探头工装上，将所述探头的检测信号输出端通过相控阵电缆连接超声相控阵检测仪的检测信号输入端；其中，左右探头相对于中探头对称布置，探头之间按照一定位置关系排布，能够同时向所述轮座的同一探测区域发射波束。

检测时可以按照以下步骤施行：

（1）将带有所述轮轴的轮对通过轨道移动到检测位置，将所述探头置于所述轮轴相应的探头放置位置；

（2）启动喷水耦合以及轮轴定轴旋转，所述探头相对于所述轮轴做周向运动，轮轴旋转过程中使各个所述探头对所述轮座进行扫描检测；

（3）各个所述探头的检测数据通过所述相控阵电缆传递给所述超声相控阵检测仪，所述检测数据保存到所述超声相控阵检测仪中；

（4）检测同时所述超声相控阵检测仪中的数据同步显示在计算机上，进行可疑信号分析，排除压装压痕，对检测缺陷进行标记报警。

Claims (10)

1.一种多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于所用超声扫查器设有左、中、右三个相控阵探头，使各个所述探头位于待测轮轴的近轮座处，左、右两个探头相对于中探头对称分布，各个所述探头的波束从不同方向斜向穿过轮轴，使探测区域位于径向上与所述中探头相对的轮座区域上的另一侧近表面区域，所述中探头发射的波束的中线与所述轮轴的轴线相交，所述左、右探头的波束相对于所述中探头的波束对称，各探头均采用自发自收工作方式，当所述中探头检测到缺陷回波时，如果所述左、右探头针对同一区域的回波中一个高于槽的回波而另一个低于槽的回波，则判定该区域为裂纹，如果所述左、右探头得到的同一区域的两个回波均低于槽的回波且波幅高度基本相同，则判定该区域不是裂纹。

2.如权利要求1所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于当所述中探头检测到缺陷回波时，如果所述左、右探头针对同一区域的回波中，一个高于裂纹判断上阈值而另一个低于裂纹判断下阈值，则判定该区域为裂纹，如果所述左、右探头得到的同一区域的两个回波均位于预设的压痕回波上下限之间，且两个回波的比值介于预设的压痕回波比值区间，则判定该区域不是裂纹。

3.如权利要求2所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于各个所述探头的波束的可探测范围为径向上与所述中探头相对的轮座区域上的另一侧全部近表面区域，所述轮座区域是包含所述轮座、轮座前肩、轮座后肩和位于轮座前肩前方的防尘挡圈座与轮座之间过渡圆角在内的轴段。

4.如权利要求3所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于所述左、右探头的波束与所述中探头的波束的夹角均为5-15度。

5.如权利要求4所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于各个所述探头的工作频率均为2.5MHz-5MHz。

6.如权利要求5所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于各个所述探头均为一维线阵探头。

7.如权利要求1-6中任意一项权利要求所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于用所述检测设备的轮轴旋转驱动机构驱使所述轮轴定轴旋转，各个所述探头与所述轮轴作相对圆周运动以扫描所述轮座区域的全部表面。

8.如权利要求7所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于各个所述探头分别固定安装在同一个有机玻璃楔块上。

9.如权利要求8所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于所述有机玻璃楔块的折射角度为35-55度。

10.如权利要求7所述的多相控阵探头动态联动聚焦检测方法，其特征在于采用如下步骤：

（1）将带有所述轮轴的轮对通过轨道移动到检测位置，将所述探头置于所述轮轴相应的探头放置位置；

（2）启动喷水耦合以及轮轴定轴旋转，所述探头相对于所述轮轴做周向运动，轮轴旋转过程中使各个所述探头对所述轮座进行扫描检测；

（3）对各个所述探头的检测数据进行分析，获得检测结果，当存在缺陷时，对检测缺陷进行标记报警。