CN106198742A - 相控阵电磁超声方法和装置 - Google Patents

相控阵电磁超声方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵电磁超声方法和装置。其中，该方法包括：产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；通过相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；接收被检测对象的回波；以及根据回波生成被检测对象的检测结果。本发明解决了相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题。

Description

相控阵电磁超声方法和装置
技术领域
本发明涉及超声无损检测领域，具体而言，涉及一种相控阵电磁超声方法和装置。
背景技术
相控阵列超声检测技术对缺陷显示形象直观、检测精度较高，已经在工业无损检测中获得了广泛应用。目前，相关技术中的相控阵列超声检测主要采用压电传感器作为激励接收装置，仪器系统也是针对压电传感器设计的。尽管压电传感器在进行超声检测时具有换能效率高、检测信号信噪比强的优点，但也存在需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测的缺点。特别是在自动化在线检测系统、检测机器人应用中，往往需要开发辅助的打磨机构和喷水耦合机构，增加了系统的复杂性，也给使用带来了诸多不便。
近年来兴起的电磁超声传感器具有无需打磨材料表面、无需耦合剂、非接触检测、适用于高温检测的优点，可弥补压电传感器的许多缺点。然而电磁超声传感器具有换能效率低、检测信号能量弱、不易产生大范围的角度偏转产生斜入射声波等缺点。因此，目前电磁超声主要用于直入射测厚，且回波灵敏度低，难用于探伤，而且，还难以用于需要斜入射进行缺陷检测的场合，如焊缝检测。
针对相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种相控阵电磁超声方法和装置，以至少解决相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种相控阵电磁超声装置，包括：信号源，用于产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列激励电磁超声传感器产生超声波；通道选通器，与信号源和相控阵列电磁超声传感器连接，用于接通相控阵列电磁超声传感器中的阵元；以及相控阵列电磁超声传感器，与通道选通器连接，相控阵列电磁超声传感器包括多个阵元，在阵元被通道选通器接通之后，阵元在激励信号的作用下产生超声波以及接收被检测对象中的回波，其中，回波用于生成被检测对象的检测结果。
进一步地，通道选通器用于根据预先设定的激励和规则接通相控阵列电磁超声传感器中的阵元。
进一步地，还包括：集线器，连接在通道选通器和相控阵列电磁超声传感器之间，用于将通道选通器和相控阵列电磁超声传感器的阵元连通。
进一步地，还包括:多通道信号调理器，与相控阵列电磁超声传感器连接，用于阻断功率大于等于阈值的激励信号通过，允许相控阵列电磁超声传感器接收到的回波通过，并对回波进行放大处理。
进一步地，多通道信号调理器每个通道由双工器和前置放大器组成，其中，双工器用于阻断功率大于等于阈值的激励信号通过，允许相控阵列电磁超声传感器接收到的回波通过，前置放大器用于对回波进行放大处理。
进一步地，还包括:上位机，与多通道信号调理器连接，用于接收多通道信号调理器处理后的回波，并根据处理后的回波生成被检测对象的检测结果。
进一步地，上位机用于以下至少之一：控制信号源的激励和输出波形、回波接收记录、信号处理、检测成像。
进一步地，还包括：多通道信号采集器，分别与多通道信号调理器和上位机连接，用于对多通道信号调理器处理后的回波进行采集，并发送给上位机。
进一步地，超声波和回波分别包括以下至少之一：横波、纵波。
进一步地，被检测对象为导电材料或非导电材料，其中，非导电材料的被检测对象表面设置有用于激励产生超声波的辅助装置。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种相控阵电磁超声方法，包括：产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；通过相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；接收被检测对象的回波；以及根据回波生成被检测对象的检测结果。
进一步地，根据回波生成被检测对象的检测结果包括：根据回波生成被检测对象的检测区域的二维截面成像。
进一步地，根据回波生成被检测对象的检测区域的二维截面成像包括：将检测区域网格化，并对网格化后的检测区域生成像素坐标；计算每个网格的传播时间矩阵；根据传播时间矩阵在每个像素点以信号特征量分别进行叠加得到二维截面成像。
进一步地，将检测区域网格化，并对网格化后的检测区域生成像素坐标包括：将检测区域划分成X×Y个网格，其中，在横坐标方向上将检测区域划分为X份，在纵坐标方向上将检测区域划分为Y份，其中，每个网格对应一个像素点；获取每个像素点的坐标，其中，像素点的坐标为与像素点对应的网络在检测区域中的位置。
进一步地，计算每个网格的传播时间矩阵包括：获取信号矩阵，其中，信号矩阵中包括信号Sij，信号Sij为第i个发射阵元发射、第j个接收阵元接收的超声波传播信号；根据信号矩阵计算每个网络的传播时间矩阵，其中，传播时间矩阵中包括Tij，且其中，A为网格对应的像素点，v为波速，|TiA|和|RjA|分别为发射阵元Ti和接收阵元Rj到网格对应的像素点的距离。
进一步地，根据传播时间矩阵在每个像素点以信号特征量分别进行叠加得到二维截面成像包括：按照以下步骤分别计算每个像素点的色彩值，形成检测区域的二维截面成像：以像素点处的传播时间矩阵作为时间索引，提取信号矩阵中每个信号的对应量；将信号矩阵中每个信号的对应量进行叠加，计算像素点的色彩值。
进一步地，通过相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波包括：将激励信号分别输入到每个阵元，其中，N为阵元的数量；并接收被检测对象的回波包括：每输入到一个阵元中，则接收来自所有阵元的回波，得到N个信号；接收每个阵元输入激励信号后得到的N×N个信号。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种相控阵电磁超声装置，包括：产生单元，用于产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；发射单元，用于通过相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；接收单元，用于接收被检测对象的回波；以及生成单元，用于根据回波生成被检测对象的检测结果。
进一步地，生成单元包括：生成模块，用于根据回波生成被检测对象的检测区域的二维截面成像。
进一步地，生成模块包括：生成模块，用于将检测区域网格化，并对网格化后的检测区域生成像素坐标；计算模块，用于计算每个网格的传播时间矩阵；叠加模块，用于根据传播时间矩阵在每个像素点以信号特征量分别进行叠加得到二维截面成像。
进一步地，生成模块包括：划分模块，用于将检测区域划分成X×Y个网格，其中，在横坐标方向上将检测区域划分为X份，在纵坐标方向上将检测区域划分为Y份，其中，每个网格对应一个像素点；第一获取模块，用于获取每个像素点的坐标，其中，像素点的坐标为与像素点对应的网络在检测区域中的位置。
进一步地，计算模块包括：第二获取模块，用于获取信号矩阵，其中，信号矩阵中包括信号Sij，信号Sij为第i个发射阵元发射、第j个接收阵元接收的超声波传播信号；第一计算子模块，用于根据信号矩阵计算每个网络的传播时间矩阵，其中，传播时间矩阵中包括Tij，且其中，A为网格对应的像素点，v为波速，|TiA|和|RjA|分别为发射阵元Ti和接收阵元Rj到网格对应的像素点的距离。
进一步地，叠加模块包括：第二计算子模块，用于通过以下子模块分别计算每个像素点的色彩值，形成检测区域的二维截面成像：提取子模块，用于以像素点处的传播时间矩阵作为时间索引，提取信号矩阵中每个信号的对应量；叠加子模块，用于将信号矩阵中每个信号的对应量进行叠加，计算像素点的色彩值。
进一步地，发射单元包括：输入模块，用于将激励信号分别输入到每个阵元，其中，N为阵元的数量；接收单元包括：第一接收模块，用于每输入到一个阵元中，则接收来自所有阵元的回波，得到N个信号；第二接收模块，用于接收每个阵元输入激励信号后得到的N×N个信号。
在本发明实施例中，通过产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；通过相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；接收被检测对象的回波；以及根据回波生成被检测对象的检测结果的方式，解决了相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题，进而达到了无需打磨被检测对象表面，无需耦合剂，即可以实现高温检测，使用大角度斜入射检测，提高能量转换效率和回波灵敏度的效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种可选的相控阵电磁超声装置的示意图；
图2是根据本发明实施例的另一种可选的相控阵电磁超声装置的示意图；
图3是根据本发明实施例的一种可选的相控阵电磁超声方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的相控阵电磁超声方法的检测流程图；
图5是根据本发明实施例的相控阵列电磁超声检测成像原理图；
图6是根据本发明实施例的激励接收数据矩阵的示意图；
图7是根据本发明实施例的被检测对象的检测区域的成像流程图；以及
图8是根据本发明实施例的相控阵电磁超声装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种相控阵电磁超声装置的实施例。需要说明的是，该实施例的相控阵电磁超声装置能够实现对被检测对象进行超声无损检测。
图1是根据本发明实施例的一种可选的相控阵电磁超声装置的示意图，如图1所示，该相控阵电磁超声装置可以包括：信号源10、通道选通器20以及相控阵列电磁超声传感器30，具体地：
信号源10，可以用于产生预定波形的激励信号，例如脉冲信号、若干周期的方波、若干周期的正弦波、窗函数调制波形等。信号源10产生的激励信号可以用于激励相控阵列激励电磁超声传感器30产生超声波。此处需要说明的是，信号源10产生的激励信号的功率大于等于阈值，其中，阈值可以根据实际应用需求设定或调整，本发明实施例对阈值不做具体限定。
通道选通器20，可以与信号源10和相控阵列电磁超声传感器30连接。如图1所示，通道选通器20可以通过多个通道与相控阵列电磁超声传感器30相连接，其中，通道的个数可以与相控阵列电磁超声传感器30中包括的阵元个数相同，也即一个通道对应连接一个阵元。通道选通器20通过控制多个通道中的任意一个通道接通可以实现接通相控阵列电磁超声传感器30中与该接通的通道相对应的阵元。可选地，通道选通器20可以按照预先设定的激励、接收规则接通相控阵列电磁超声传感器30中的阵元，以激励接通的阵元产生超声波，其中，预先设定的激励、接收规则可以根据实际需求进行设定或调整，本发明实施例对其不做具体限定。
相控阵列电磁超声传感器30，可以与通道选通器20连接。相控阵列电磁超声传感器30可以包括多个阵元，每个阵元对应一个通道，在阵元被通道选通器20接通之后，阵元可以在信号源10产生的激励信号的作用下产生超声波，该超声波发射到被检测对象之后，被检测对象可以反射回波，阵元可以接收被检测对象中的回波，利用接收到的回波可以生成并分析被检测对象的检测结果。此处需要说明的是，本发明实施例对相控阵列电磁超声传感器30中所包括的阵元的个数不做具体限定。还需要说明的是，相控阵列电磁超声传感器30激励产生的超声波和接收的回波可以为纵波，也可以为横波，或者是横波、纵波两种模式。
作为一种可选的实施例，如图2所示，该实施例的相控阵电磁超声装置除了包括上述实施例中的信号源10、通道选通器20以及相控阵列电磁超声传感器30之外，还可以包括：集线器40、多通道信号调理器50、多通道信号采集器60以及上位机70，具体地：
集线器40，可以连接在通道选通器20和相控阵列电磁超声传感器30之间，主要用于将通道选通器20和相控阵列电磁超声传感器30的阵元对应连通。如图2所示，相控阵列电磁超声传感器30中包括的多个阵元中的每个阵元均可以通过集线器40与通道选通器20、多通道信号调理器50对应通道相联。此处需要说明的是，该实施例中的集线器40并非是本发明的相控阵电磁超声装置的必须部件，集线器40只是本发明的一种可选实施例，以任意方式只要能够实现通道选通器20、相控阵列电磁超声传感器30、多通道信号调理器50对应通道互联的装置均可以替代集线器40。
多通道信号调理器50，可以通过集线器40与相控阵列电磁超声传感器30对应通道连接，可以用于对相控阵列电磁超声传感器30接收到的回波进行调理。相控阵列电磁超声传感器30中各阵元接收到回波后，可以将回波输入多通道信号调理器50的对应通道。可选地，多通道信号调理器50可以包括多个通道，每个通道均可以包括双工器和信号放大器，其中，双工器可以用于允许功率小于上述阈值的信号通过；信号放大器可以用于对回波信号进行放大，信号放大器优选为前置放大器，如图2所示，多通道信号调理器50的每个通道均由双工器501和前置放大器502组成。双工器501可以具有限伏通过的功能，只允许小信号通过，使得激励时来自信号源10的大功率激励信号只有很微弱的信号进入前置放大器502，而相控阵列电磁超声传感器30接收的回波信号则能全部通过，从而对前置放大器502形成保护，并防止产生冲击饱和。前置放大器502可以为微弱信号线性放大器，可放大来自相控阵列电磁超声传感器30的几十到几百微伏的回波信号，前置放大器502输出的信号可以被多通道信号采集电路60有效采集到。
多通道信号采集器60，可以与多通道信号调理器50和上位机70连接。相控阵列电磁超声传感器30中各阵元接收到的回波信号经多通道信号调理器50调整放大后，可以输入至多通道信号采集器60。多通道信号采集器60可以对多通道信号调理器50调整后的回波信号进行采集，并发送给上位机，以实现对各个通道接收到的回波信号的记录。
上位机70，可以与信号源10和多通道信号采集器60相连接，可以用于接收多通道信号采集器60采集到的调整后的回波信号，并根据调整后的回波信号生成被检测对象的检测结果。除此之外，上位机70还可以用于控制信号源10的激励和输出波形、控制多通道信号调理器50对回波信号进行处理、控制多通道信号采集器60对回波信号的记录以及根据回波信号生成被检测对象的检测成像等。
需要说明的是，本发明实施例中的被检测对象可以为导电材料，也可以为非导电材料。若被检测对象为非导电材料时，需在被检测对象的表面增加可以激励产生电磁超声波的辅助装置，如采用带有磁滞伸缩材料片的相控阵列电磁超声传感器，并通过耦合剂耦合入被检测对象中，或直接在被检测对象表面局部区域喷涂导体材料。
本发明实施例的相控阵电磁超声装置，从应用的角度，能够解决压电传感器应用时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测的问题，此外还能解决电磁超声传感器较难实现大角度(35°以上)斜入射检测、以及能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的问题。从方法原理的角度，相控阵列电磁超声激励信号瞬态功率达kW级以上，同时各阵元宽度较大，难以采用类似压电相控阵列超声利用各通道间延时控制实现声束的偏转、聚焦合成、成像的方式，使得常规压电相控阵列超声的技术原理无法适用于电磁超声相控阵列。
根据本发明实施例，还提供了一种相控阵电磁超声方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
需要说明的是，该实施例的相控阵电磁超可以应用于本发明上述实施例中的相控阵电磁超声装置，通过对相控阵列电磁超声传感器全矩阵激励接收信号延时叠加处理，实现对被检测对象的整个检测区域的特征量叠加成像。此相控阵电磁超声方法适用于所有阵列类型(如一维线阵、环阵、面阵、弯曲面阵列等)的相控阵列电磁超声传感器。
图3是根据本发明实施例的一种可选的相控阵电磁超声方法的流程图，如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；
步骤S104，通过相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；
步骤S106，接收被检测对象的回波；
步骤S108，根据回波生成被检测对象的检测结果。
通过上述步骤，可以解决相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题，进而达到无需打磨被检测对象表面，无需耦合剂，即可以实现高温检测，使用大角度斜入射检测，提高能量转换效率和回波灵敏度的效果。
需要说明的是，上述步骤S102可以由本发明上述实施例的相控阵电磁超声装置中的信号源10执行，信号源10可以产生预定波形的激励信号，例如脉冲信号、若干周期的方波、若干周期的正弦波、窗函数调制波形等。信号源10产生的激励信号可以用于激励相控阵列激励电磁超声传感器30产生超声波。此处需要说明的是，信号源10产生的激励信号的功率大于等于阈值，其中，阈值可以根据实际应用需求设定或调整，本发明实施例对阈值不做具体限定。
上述步骤S104可以由本发明上述实施例的相控阵电磁超声装置中的相控阵列电磁超声传感器30中的阵元执行，阵元本发明上述实施例的相控阵电磁超声装置中的通过通道选通器20与信号源10接通，在信号源10发出的激励信号的激励下产生超声波，相控阵列电磁超声传感器30中的阵元产生的超声波可以发射至被检测对象。此处需要说明的是，关于通道选通器20和相控阵列电磁超声传感器30已经在本发明上述实施例的相控阵电磁超声装置中进行了详细介绍，此处不再赘述。
上述步骤S106和步骤S108可以由本发明上述实施例的相控阵电磁超声装置中的上位机70执行，具体地，相控阵列电磁超声传感器30中的阵元在向被检测对象发射超声波之后，被检测对象可以反射回波，相控阵列电磁超声传感器30可以将接收到的回波通过本发明上述实施例的相控阵电磁超声装置中的多通道信号调理器50和多通道信号采集器60发送给上位机70，上位机70在接收到被检测对象的回波信号后，可以根据该回波信号生成被检测对象的检测结果。此处需要说明的是，关于多通道信号调理器50、多通道信号采集器60以及上位机70已经在本发明上述实施例的相控阵电磁超声装置中进行了详细介绍，此处不再赘述。
在实际应用场景中，该实施例的相控阵电磁超声方法的检测流程可以如图4所示，具体可以包括以下步骤：
步骤S11，信号源产生大功率激励信号。
步骤S12，设置i为相控阵列电磁超声传感器中阵元的编号，阵元个数为N，且设置初始状态i＝0。
步骤S13，执行i＝i+1，并将激励信号输入第i个阵元，其中，阵元受激励后在被检测对象中产生超声波。
步骤S14，相控阵列电磁超声传感器中的所有阵元均接收被检测对象中的回波，其中，该回波经多通道信号调理器和多通道信号采集器，被上位机记录，完成一组激励接收过程，获得第1个阵元激励，所有阵元接收的N个信号。
步骤S15，判断i是否等于N，若不等于，则返回步骤S13；若等于则说明激励信号遍历完所有的电磁超声阵元，每次激励中，所有阵元均同时接收检测回波信号，最终获得N×N个回波信号，完成一次检测过程。
步骤S16，形成N×N的激励接收数据矩阵，其中，该矩阵中包括N×N个回波信号，利用该矩阵可以生成被检测对象的检测结果。
作为一种可选地实施例，步骤S108根据回波生成被检测对象的检测结果可以包括：步骤S1082，根据回波生成被检测对象的检测区域的二维截面成像。
需要说明的是，该实施例在完成图4所示的检测过程之后，可以获取N×N的激励接收数据矩阵，然后通过对回波信号进行相应处理可以根据回波生成被检测对象的检测区域的二维截面成像，通过直接对二维截面成像进行分析，可以达到直观、清楚地反映被检测对象的检测结果的效果。
作为一种可选的实施例，步骤S1082根据回波生成被检测对象的检测区域的二维截面成像可以包括以下步骤：
步骤S10822，将检测区域网格化，并对网格化后的检测区域生成像素坐标；
步骤S10824，计算每个网格的传播时间矩阵；
步骤S10826，根据传播时间矩阵在每个像素点以信号特征量分别进行叠加得到二维截面成像。
需要说明的是，为了更好地对上述步骤进行说明，下面将结合具体实例和附图详细说明：
在步骤S10822提供的技术方案中，具体可以包括：子步骤S22，将检测区域划分成X×Y个网格，其中，在横坐标方向上将检测区域划分为X份，在纵坐标方向上将检测区域划分为Y份，其中，每个网格对应一个像素点；子步骤S24，获取每个像素点的坐标，其中，像素点的坐标为与像素点对应的网络在检测区域中的位置。
需要说明的是，该实施例首先将被检测对象的检测区域网格化,如图5所示，按图示坐标，x方向划分为X份，y方向划分为Y份，则网格总数为X×Y个，每一个网格代表成像时的一个像素点。例如，任意一个像素点A(x,y)，其中x表示像素点A的横坐标值，y表示像素点A的纵坐标值。还需要说明的是，网格划分个数主要依据检测时额成像计算速度。为了获得高分辨率的图像，同时保证成像时的计算速度，可以先划分较粗的网格，计算各网格的色彩值，再采用插值算法，实现细分网格色彩的计算。
在步骤S10824提供的技术方案中，具体可以包括：子步骤S42，获取信号矩阵，其中，信号矩阵中包括信号Sij，信号Sij为第i个发射阵元发射、第j个接收阵元接收的超声波传播信号；子步骤S44，根据信号矩阵计算每个网络的传播时间矩阵，其中，传播时间矩阵中包括Tij，且其中，A为网格对应的像素点，v为波速，|TiA|和|RjA|分别为发射阵元Ti和接收阵元Rj到网格对应的像素点的距离。
需要说明的是，检测信号是N个阵元依次激励，所有阵元同时接收得到的信号矩阵S，如图6所示，下标i表示发射阵元编号，下标j表示接收阵元编号，则Sij表示编号为i的阵元Ti发射，编号为j的阵元Rj接收的超声波传播信号。假设激励阵元辐射的波动场覆盖整个成像区域，则每一组信号Sij(t)都包含了整个波动场的信息。假设A(x,y)为成像区域中的任意一像素点，信号矩阵S中的每一组信号在传播过程中都要经过点A，从而包含A处的信息,此信息包含在超声波经过A点时的信息中。为了提取这些信息，需确定每一组信号经过A点时的时间T。则信号Sij中包含A点信息的对应时刻Tij为：其中，|TiA|和|RjA|分别为发射阵元Ti和接收阵元Rj到像素点A的距离，v为波速。该实施例通过对信号矩阵S中的每一组信号Sij求解Tij，可以得到像素A点的传播时间矩阵T。
在步骤S10826提供的技术方案中，具体可以包括：子步骤S62，按照以下步骤分别计算每个像素点的色彩值，形成检测区域的二维截面成像：子步骤S622，以像素点处的传播时间矩阵作为时间索引，提取信号矩阵中每个信号的对应量；子步骤S624，将信号矩阵中每个信号的对应量进行叠加，计算像素点的色彩值。
需要说明的是，该实施例通过上述子步骤S622至子步骤S624按像素化后的网格分别计算每一个像素点的色彩值，形成检测区域的成像，具体成像过程可以如图7所示，具体可以包括以下步骤：
步骤S71，将N×N的激励接收数据矩阵SNN成像区域网格化为AXY。
步骤S72，求解信号特征量，例如以检测信号S的某一特征量作为成像参量，如以信号包络线的幅值Senv作为参量。
在每个像素点以信号特征量分别进行叠加实现成像的过程如下步骤S73至步骤S75:
步骤S73，求解像素点的时间索引矩阵Tij。
步骤S74，求解像素点的对应特征量矩阵，例如，以像素点A处的传播时间矩阵T作为时间索引，提取每个信号中的对应量。如信号Sij，以信号包络线幅值作为特征量，其对应的时间索引为Tij，则提取出的对应量为
步骤S75，叠加求解像素点的色彩值，将信号矩阵S中各组信号提取出的A点的对应量进行叠加，作为A点的色彩值：
步骤S76，判断是否计算完成像区域中所有网格的色彩，若是则执行步骤S77；若不是则返回执行步骤S73至步骤S75。
步骤S77，以成像区域网格各点的色彩值进行成像。
需要说明的是，该实施例通过上述步骤可以在获取N×N的激励接收数据矩阵之后，通过对回波信号进行相应处理可以根据回波生成被检测对象的检测区域的二维截面成像，进而实现直接对二维截面成像进行分析，便可以直观、清楚地反映被检测对象的检测结果的效果。
本发明实施例的相控阵电磁超声方法通过产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；通过相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；接收被检测对象的回波；以及根据回波生成被检测对象的检测结果的方式，解决了相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题，进而达到了无需打磨被检测对象表面，无需耦合剂，即可以实现高温检测，使用大角度斜入射检测，提高能量转换效率和回波灵敏度的效果。
根据本发明实施例，还提供了另一种相控阵电磁超声装置的实施例，需要说明的是，该相控阵电磁超声装置可以用于执行本发明实施例中的相控阵电磁超声方法，本发明实施例中的相控阵电磁超声方法可以在该相控阵电磁超声装置中执行。
图8是根据本发明实施例的相控阵电磁超声装置的示意图，如图8所示，该装置可以包括：
产生单元22，用于产生预定波形的激励信号，其中，激励信号的功率大于等于阈值，激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；发射单元24，用于通过相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；接收单元26，用于接收被检测对象的回波；以及生成单元28，用于根据回波生成被检测对象的检测结果。
需要说明的是，该实施例中的产生单元22可以用于执行本申请实施例中的步骤S102，该实施例中的发射单元24可以用于执行本申请实施例中的步骤S104，该实施例中的接收单元26可以用于执行本申请实施例中的步骤S106，该实施例中的生成单元28可以用于执行本申请实施例中的步骤S108。上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。
可选地，生成单元28可以包括：生成模块282，用于根据回波生成被检测对象的检测区域的二维截面成像。
需要说明的是，该实施例中的生成模块282可以用于执行本申请实施例中的步骤S1082。上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。
可选地，生成模块282可以包括：生成模块2822，用于将检测区域网格化，并对网格化后的检测区域生成像素坐标；计算模块2824，用于计算每个网格的传播时间矩阵；叠加模块2826，用于根据传播时间矩阵在每个像素点以信号特征量分别进行叠加得到二维截面成像。
需要说明的是，该实施例中的生成模块2822可以用于执行本申请实施例中的步骤S10822，该实施例中的计算模块2824可以用于执行本申请实施例中的步骤S10824，该实施例中的叠加模块2826可以用于执行本申请实施例中的步骤S10826。上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。
可选地，生成模块2822可以包括：划分模块28222，用于将检测区域划分成X×Y个网格，其中，在横坐标方向上将检测区域划分为X份，在纵坐标方向上将检测区域划分为Y份，其中，每个网格对应一个像素点；第一获取模块28224，用于获取每个像素点的坐标，其中，像素点的坐标为与像素点对应的网络在检测区域中的位置。
需要说明的是，该实施例中的划分模块28222可以用于执行本申请实施例中的步骤S22，该实施例中的第一获取模块28224可以用于执行本申请实施例中的步骤S24。上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。
可选地，计算模块2824可以包括：第二获取模块28242，用于获取信号矩阵，其中，信号矩阵中包括信号Sij，信号Sij为第i个发射阵元发射、第j个接收阵元接收的超声波传播信号；第一计算子模块28244，用于根据信号矩阵计算每个网络的传播时间矩阵，其中，传播时间矩阵中包括Tij，且其中，A为网格对应的像素点，v为波速，|TiA|和|RjA|分别为发射阵元Ti和接收阵元Rj到网格对应的像素点的距离。
需要说明的是，该实施例中的第二获取模块28242可以用于执行本申请实施例中的步骤S42，该实施例中的第一计算子模块28244可以用于执行本申请实施例中的步骤S44。上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。
可选地，叠加模块2826可以包括：第二计算子模块28262，用于通过以下子模块分别计算每个像素点的色彩值，形成检测区域的二维截面成像：提取子模块282622，用于以像素点处的传播时间矩阵作为时间索引，提取信号矩阵中每个信号的对应量；叠加子模块282624，用于将信号矩阵中每个信号的对应量进行叠加，计算像素点的色彩值。
需要说明的是，该实施例中的第二计算子模块28262可以用于执行本申请实施例中的步骤S62，该实施例中的提取子模块282622可以用于执行本申请实施例中的步骤S622，该实施例中的叠加子模块282624可以用于执行本申请实施例中的步骤S624。上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。
可选地，发射单元24可以包括：输入模块242，用于将激励信号分别输入到每个阵元，其中，N为阵元的数量；接收单元26可以包括：第一接收模块262，用于每输入到一个阵元中，则接收来自所有阵元的回波，得到N个信号；第二接收模块264，用于接收每个阵元输入激励信号后得到的N×N个信号。
需要说明的是，该实施例中的输入模块242可以用于执行本申请实施例中的步骤S1042，该实施例中的第一接收模块262可以用于执行本申请实施例中的步骤S1062，该实施例中的第二接收模块264可以用于执行本申请实施例中的步骤S1064。上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。
本发明实施例的相控阵电磁超声装置可以相关技术中利用压电传感器进行超声检测时需要打磨被检测对象表面、使用耦合剂、难以应用于高温检测，利用电磁超声传感器进行超声检测时较难实现大角度斜入射检测、能量转换效率低，回波灵敏度差，较难用于探伤的技术问题，进而达到无需打磨被检测对象表面，无需耦合剂，即可以实现高温检测，使用大角度斜入射检测，提高能量转换效率和回波灵敏度的效果。
需要说明的是，本发明能够实现以下有益效果：
1、本发明进行相控阵列超声检测，无需打磨被检材料表面、使用耦合剂，便用应用于不能打磨材料表面的检测，如表面有防锈漆层且不允许破坏，石油化工设备检测时周围有易燃易爆介质。此外，由于本发明使用的相控阵列电磁超声传感器，可用于高温材料检测(可达780℃)。
2、超声波焊缝检测实际需求量大，一般需要从焊缝两侧进行检测，检测区域为在传感器侧面，声束需斜向入射。电磁超声斜入射传感器斜向偏转角度最大约32。，较难实现大角度范围的偏转，使得单线圈的电磁超声斜入射传感器难以应用于焊缝检测中。本发明可以实现检测区域的成像，突破了目前单一电磁超声斜入射传感器偏转角小的限制，能实现较大偏转角度区域的缺陷检测，解决了电磁超声检测焊缝的问题。
3、相控阵列电磁超声激励信号瞬态功率达kW级以上，同时各阵元宽度较大，难以采用类似压电相控阵列超声利用各通道间延时控制实现声束的偏转、聚焦合成、成像的方式，使得常规压电相控阵列超声的技术原理无法适用于电磁超声相控阵。本发明可以很好地解决了上述问题，实现了相控阵列电磁超声检测技术。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (24)

1.一种相控阵电磁超声装置，其特征在于，包括：
信号源，用于产生预定波形的激励信号，其中，所述激励信号的功率大于等于阈值，所述激励信号用于激励相控阵列激励电磁超声传感器产生超声波；
通道选通器，与所述信号源和所述相控阵列电磁超声传感器连接，用于接通所述相控阵列电磁超声传感器中的阵元；以及
所述相控阵列电磁超声传感器，与所述通道选通器连接，所述相控阵列电磁超声传感器包括多个阵元，在所述阵元被所述通道选通器接通之后，所述阵元在所述激励信号的作用下产生超声波以及接收被检测对象中的回波，其中，所述回波用于生成所述被检测对象的检测结果。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通道选通器用于根据预先设定的激励和规则接通所述相控阵列电磁超声传感器中的阵元。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
集线器，连接在所述通道选通器和所述相控阵列电磁超声传感器之间，用于将所述通道选通器和所述相控阵列电磁超声传感器的阵元连通。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，还包括:
多通道信号调理器，与所述相控阵列电磁超声传感器连接，用于阻断功率大于等于所述阈值的激励信号通过，允许所述相控阵列电磁超声传感器接收到的所述回波通过，并对所述回波进行放大处理。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，多通道信号调理器每个通道由双工器和前置放大器组成，其中，所述双工器用于阻断功率大于等于所述阈值的激励信号通过，允许所述相控阵列电磁超声传感器接收到的所述回波通过，所述前置放大器用于对所述回波进行放大处理。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括:
上位机，与所述多通道信号调理器连接，用于接收所述多通道信号调理器处理后的回波，并根据所述处理后的回波生成所述被检测对象的检测结果。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上位机用于以下至少之一：
控制所述信号源的激励和输出波形、回波接收记录、信号处理、检测成像。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
多通道信号采集器，分别与所述多通道信号调理器和所述上位机连接，用于对所述多通道信号调理器处理后的回波进行采集，并发送给所述上位机。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述超声波和所述回波分别包括以下至少之一：横波、纵波。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述被检测对象为导电材料或非导电材料，其中，非导电材料的被检测对象表面设置有用于激励产生超声波的辅助装置。
11.一种相控阵电磁超声方法，其特征在于，包括：
产生预定波形的激励信号，其中，所述激励信号的功率大于等于阈值，所述激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；
通过所述相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；
接收所述被检测对象的回波；以及
根据所述回波生成所述被检测对象的检测结果。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，根据所述回波生成所述被检测对象的检测结果包括：
根据所述回波生成所述被检测对象的检测区域的二维截面成像。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，根据所述回波生成所述被检测对象的检测区域的二维截面成像包括：
将所述检测区域网格化，并对网格化后的检测区域生成像素坐标；
计算每个网格的传播时间矩阵；
根据所述传播时间矩阵在每个像素点以信号特征量分别进行叠加得到所述二维截面成像。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述检测区域网格化，并对网格化后的检测区域生成像素坐标包括：
将所述检测区域划分成X×Y个网格，其中，在横坐标方向上将所述检测区域划分为X份，在纵坐标方向上将所述检测区域划分为Y份，其中，每个网格对应一个像素点；
获取每个像素点的坐标，其中，所述像素点的坐标为与所述像素点对应的网络在所述检测区域中的位置。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，计算每个网格的传播时间矩阵包括：
获取信号矩阵，其中，信号矩阵中包括信号Sij，信号Sij为第i个发射阵元发射、第j个接收阵元接收的超声波传播信号；
根据所述信号矩阵计算每个网络的传播时间矩阵，其中，所述传播时间矩阵中包括Tij，且其中，A为所述网格对应的像素点，v为波速，|TiA|和|RjA|分别为发射阵元Ti和接收阵元Rj到网格对应的像素点的距离。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，根据所述传播时间矩阵在每个像素点以信号特征量分别进行叠加得到所述二维截面成像包括：
按照以下步骤分别计算每个像素点的色彩值，形成所述检测区域的二维截面成像：
以所述像素点处的传播时间矩阵作为时间索引，提取所述信号矩阵中每个信号的对应量；
将所述信号矩阵中每个信号的对应量进行叠加，计算所述像素点的色彩值。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其特征在于，
通过所述相控阵列电磁超声传感器向所述被检测对象发射所述超声波包括：将所述激励信号分别输入到每个阵元，其中，N为阵元的数量；
并接收所述被检测对象的回波包括：每输入到一个阵元中，则接收来自所有阵元的回波，得到N个信号；接收每个阵元输入所述激励信号后得到的N×N个信号。
18.一种相控阵电磁超声装置，其特征在于，包括：
产生单元，用于产生预定波形的激励信号，其中，所述激励信号的功率大于等于阈值，所述激励信号用于激励相控阵列电磁超声传感器产生超声波；
发射单元，用于通过所述相控阵列电磁超声传感器向被检测对象发射超声波；
接收单元，用于接收所述被检测对象的回波；以及
生成单元，用于根据所述回波生成所述被检测对象的检测结果。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述生成单元包括：
生成模块，用于根据所述回波生成所述被检测对象的检测区域的二维截面成像。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述生成模块包括：
生成模块，用于将所述检测区域网格化，并对网格化后的检测区域生成像素坐标；
计算模块，用于计算每个网格的传播时间矩阵；
叠加模块，用于根据所述传播时间矩阵在每个像素点以信号特征量分别进行叠加得到所述二维截面成像。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述生成模块包括：
划分模块，用于将所述检测区域划分成X×Y个网格，其中，在横坐标方向上将所述检测区域划分为X份，在纵坐标方向上将所述检测区域划分为Y份，其中，每个网格对应一个像素点；
第一获取模块，用于获取每个像素点的坐标，其中，所述像素点的坐标为与所述像素点对应的网络在所述检测区域中的位置。
22.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括：
第二获取模块，用于获取信号矩阵，其中，信号矩阵中包括信号Sij，信号Sij为第i个发射阵元发射、第j个接收阵元接收的超声波传播信号；
第一计算子模块，用于根据所述信号矩阵计算每个网络的传播时间矩阵，其中，所述传播时间矩阵中包括Tij，且其中，A为所述网格对应的像素点，v为波速，|TiA|和|RjA|分别为发射阵元Ti和接收阵元Rj到网格对应的像素点的距离。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述叠加模块包括：
第二计算子模块，用于通过以下子模块分别计算每个像素点的色彩值，形成所述检测区域的二维截面成像：
提取子模块，用于以所述像素点处的传播时间矩阵作为时间索引，提取所述信号矩阵中每个信号的对应量；
叠加子模块，用于将所述信号矩阵中每个信号的对应量进行叠加，计算所述像素点的色彩值。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的装置，其特征在于，
所述发射单元包括：输入模块，用于将所述激励信号分别输入到每个阵元，其中，N为阵元的数量；
所述接收单元包括：第一接收模块，用于每输入到一个阵元中，则接收来自所有阵元的回波，得到N个信号；第二接收模块，用于接收每个阵元输入所述激励信号后得到的N×N个信号。
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