CN106556645B - 一种实心轴的超声合成孔径聚焦检测装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实心轴的超声合成孔径聚焦检测装置及成像方法，用于实心轴的高分辨率自动超声检测成像。检测装置包括探头架组件与控制器总成，用于控制探头的自动定位及轴向运动。成像方法用于轴内极坐标系下的合成孔径聚焦成像。本发明的技术效果在于检测装置可适应不同直径实心轴自动超声检测，实现缺陷的轴向及径向定位，提高了检测效率与范围；提出的轴内极坐标系的合成孔径聚焦成像方法，可解决实心轴传统单探头超声检测时成像分辨率低的问题，提高检测精度。

Description

一种实心轴的超声合成孔径聚焦检测装置及成像方法

技术领域

本发明涉及一种超声检测装置及成像方法，尤其涉及实心轴的自动超声检测装置及合成孔径聚焦成像方法。

背景技术

实心轴作为承载件在工业领域广泛应用，受制造过程中制造工艺或运行过程中高温高压等复杂工作环境的影响，实心轴内部会产生夹杂、气孔、疲劳裂纹等缺陷，这些缺陷如不能被检测出，会造成实心轴在服役过程中断裂，引发安全事故。超声检测具有检测范围广、检测效率高、探伤灵敏度高、检测成本低且对人体无害等优点，在工业检测中应用广泛。目前针对实心轴的常规检测方法是首先通过无损检测判断缺陷的大致位置，再通过超声探伤仪进行人工检测，这种方法检测效率低，且容易造成漏检、误检。为提高实心轴的检测效率，申请公布号CN103217477A，公布日为2013年7月24日的专利文献公开了一种车轴径向超声波自动探伤装置及控制方法，通过该装置可实现实心轴类零件内部缺陷的高自动化、高适应性、低控制难度和高可靠性超声探伤，但其探伤原理是基于脉冲反射法的单探头超声检测，检测精度较低，难以对缺陷进行精确的定量与定位。为提高实心轴的检测精度，申请公布号CN102520073A，公布日为2012年6月7日的专利文献公开了一种实心车轴检测系统的相控阵探头自适应定位装置，可实现车轴的高精度自动超声检测，但该装置需采用相控阵设备，检测成本高。

合成孔径聚焦技术(Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)通过小孔径及低工作频率换能器即可获得高分辨率的成像，其检测成本低且不受菲涅尔区声场传播特性影响。但现阶段SAFT成像方法多建立在直角坐标平面，检测对象主要限于平面工件，研究重点在于提高成像精度与效率。申请公布号CN102539532A，公布日为2012年7月4日的专利文献公开了一种基于二维邻域合成孔径聚焦的超声C扫描成像方法，通过考虑探头的晶片直径、近场长度、声束扩散角来决定参与合成孔径聚焦计算的邻域，提高了超声C扫描的精度。申请公布号CN103018333A，公布日为2013年4月3日的专利文献公开了一种分层物体的合成孔径聚焦超声成像方法，通过直线扫描转换技术提高了SAFT成像效率。然而对实心轴进行SAFT成像时，由于扫查路径非直线，不能直接使用现有SAFT算法，因此需要针对实心轴的检测特点，研究极坐标系下的SAFT算法，提高实心轴的超声检测成像分辨率。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种用于实心轴的超声合成孔径聚焦检测装置及成像方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，首先提供一种如下的实心轴超声合成孔径聚焦检测装置，包括探头架组件与控制器总成。

探头架组件通过万向球与实心轴接触并实现径向定位。支撑杆与伸缩杆相连接，并通过调节伸缩杆长度，来适应不同半径实心轴的检测。探头架组件中喷嘴通过定位座固定，定位座通过螺钉固定在定位组件中的支撑杆上，从而实现喷嘴位置及姿态的调整。探头架组件中探头与空心连杆连接，空心连杆通过螺纹与伸缩杆连接，空心连杆顶端安装带刻度的旋转手柄，检测时首先使探头与实心轴接触，再通过旋转手柄精确调整探头至实心轴表面的距离。为提高合成孔径聚焦成像效率，合成孔径成像时需忽略超声波从探头传播至实心轴表面的时间，因此应尽量减小探头至实心轴表面的距离d，一般可设定为d≤h/10，式中h表示检测盲区深度。

探头架组件通过滚珠丝杆螺母与丝杆连接，丝杆通过伺服电机驱动，实现探头架组件的轴向移动；被测实心轴可通过三爪卡盘固定，并通过伺服电机驱动旋转，实现实心轴与超声检测装置的相对周向运动。

控制器总成如图6所示，包括安装在支撑杆压缩弹簧的上端的压力传感器，检测过程中以探头与实心轴表面间距为阈值，当压力传感器采集压力超过阈值时，控制器总成发出指令至伺服电机，从而停止轴与探头的相对运动，防止由于表面不平整造成探头的磨损，降低轴径畸变对检测与成像的影响。

控制器总成中电机控制模块用于控制丝杆伺服电机与实心轴伺服电机的运行，超声信号激励/接收模块用于超声信号的激励与采集。丝杆伺服电机的端部装有第二光电编码器(102)，记录检测时探头的轴向位置至控制器总成并储存。实心轴伺服电机的端部装有第一光电编码器(101)可以获取任意角度值，记录检测时探头的周向位置至数据存储器储存，且该编码器的信号用于同步触发超声信号激励/接收模块，实现规划路线超声回波信号采集。

检测开始前在实心轴上标记初始检测位置，检测完成后对比数据存储器中的超声信号与光电编码器数据，可确定缺陷的周向及轴向位置。

此外，利用上述实心轴超声合成孔径聚焦检测装置，本发明提供一种如下的实心轴超声合成孔径聚焦成像方法，包括以下步骤：步骤一、由于超声探头存在声束扩散角，定义如图3所示虚线区域为检测盲区，根据实际检测需要，确定检测盲区深度为h，此时扫查间隔角α应满足R/sin(β/2+α/2)＝(R-h)/sin(β/2)，式中β表示超声探头声束扩散角，R表示实心轴的半径。计算获得扫查间隔角范围为：

α≤2·arcsin(R·sin(β/2)/(R-h))-β；

步骤二、根据本发明中的超声检测装置，确定并标记初始检测位置后，在步骤一中确定的扫查间隔角范围内选择扫查间隔角，选择时应使能被360整除，计算获得检测一周的检测点数目为N＝360/α，检测过程中由编码器记录探头轴向及周向位置，将初始检测点记为0，最终检测点记为N-1，设定检测时探头至实心轴表面的距离d≤h/10，采用上述实心轴超声合成孔径聚焦检测装置获得全部回波信号可表示为e(t,n·α)，式中t表示回波信号的传播时间，0≤n≤N-1；

步骤三、建立极坐标系下合成孔径聚焦成像的延时叠加算法，对步骤二采集的回波信号进行延时叠加计算，实现目标成像区域的合成孔径聚焦成像。

所述一种实心轴合成孔径聚焦成像方法，所述步骤三中极坐标系下合成孔径聚焦成像的延时叠加算法包括以下步骤：

步骤1、以实心轴周向截面的圆心为极点，初始检测位置与极点的连线为极轴，以检测时的扫查方向为正方向，建立极坐标系，在极坐标系下确定目标成像区域及离散步距，并对其进行网格划分，为提高成像精度，离散步距应小于扫查间隔角大小，获得目标成像区域的任意点可表示为P(r,θ)；

步骤2、计算超声波从探头传播至实心轴表面的传播时间为t₀＝d/c_w，式中d表示探头至工件表面的距离，c_w表示水中超声传播速度；

步骤3、计算距离P(r,θ)点最短的检测点为i＝round(θ/α)，式中0≤i≤N-1，round表示四舍五入函数，根据余弦定理计算对应在实心轴内部的传播时间为：式中c_s表示实心轴中超声传播速度，结合步骤2赋P点初始电压幅值为SUM_i＝e(t₀+t_i,i·α)；

步骤4、如图4所示，结合正弦定理计算P(r,θ)点的有效合成孔度为设式中的最大值为1，以步骤3中检测点为中心，两侧参与合成孔径的检测点数目为k＝floor(φ_r/2·α)，floor表示向下取整函数；

步骤5、定义变量ii，表示步骤4中两侧第ii个参与合成孔径的检测点，ii赋初值为-k，ii＝-k,…,0,…,k；

步骤6、如图5所示，计算步骤5中检测点至P点超声波在实心轴中的传播时间

步骤7、根据步骤6计算的传播时间t及检测点ii位置，提取对应回波信号的电压幅值，经汉宁窗函数加权后赋值为SUM_ii＝ε·e(t₀+t_ii,|i-k|·α)，式中ε表示汉宁窗函数；

步骤8、继续执行步骤5至步骤7，直至ii＝k；

步骤9、对步骤3及步骤8获得的电压幅值进行等幅叠加后求平均值，将计算后的电压幅值赋予点P(r,θ)，计算表达式为data(r,θ)＝(SUM_i+SUM_ii)/(k+1)。

本发明的技术效果在于，通过超声检测装置可适应不同半径实心轴的自动超声检测，提高了检测效率，并可避免由于轴径畸变对探头造成损坏。采用超声单探头检测，相对于相控阵检测降低了检测成本。此外由于平面工件内的SAFT成像能显著提高成像精度，进一步研究了极坐标系下实心轴的SAFT成像方法，解决传统超声单探头检测时成像分辨率低等问题，提高了检测精度。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实心轴超声检测系统示意图

图2为本发明探头架组件示意图

图3为本发明检测盲区示意图

图4为本发明有效合成孔径角度计算示意图

图5为本发明合成孔径延时计算示意图

图6为本发明控制器总成示意图

图7为本发明具体实施方式中实心轴截面示意图

图8为本发明回波信号直接成像效果图

图9为本发明合成孔径聚焦成像效果图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明中的一种实心轴的超声合成孔径聚焦检测装置，所述探头架组件包括万向球(11)、螺钉(12)、喷嘴(13)、定位座(14)、支撑杆(15)、导流管(16)、压缩弹簧(17)、旋转手柄(18)、空心连杆(19)、伸缩杆(20)、超声探头(21)。其中支撑杆(15)通过万向球(11)固定在被测实心轴上，支撑杆(15)上端安装压缩弹簧(17)，支撑杆(15)通过伸缩杆(20)连接，空心连杆(19)通过螺纹连接固定在伸缩杆(20)的中间，空心连杆(19)下端连接超声探头(21)，空心连杆(19)上端安装旋转手柄(18)，导流管(16)连接喷嘴(13)通过螺钉(12)固定在定位座(14)上。

如图1所示，进行超声检测时，探头架组件(7)通过丝杆螺母(6)与丝杆(4)连接，并通过空杆(5)固定在丝杆轴承座(3)上，丝杆(4)通过丝杆伺服电机(9)驱动，实现探头架组件(7)的轴向扫查。被测实心轴(8)通过三爪卡盘(2)定位，实心轴(8)通过实心轴伺服电机(1)驱动，实现探头架组件(7)的周向扫查；第一光电编码器(101)、第二光电编码器(102)分别安装在实心轴伺服电机(1)与丝杆伺服电机(9)上。超声检测时首先通过调节伸缩杆长度，适应不同半径的实心轴检测。然后使超声探头与实心轴接触，再通过旋转手柄精确调整探头至实心轴表面的距离。

检测方式为电机驱动实心轴沿其轴线做匀速旋转运动，超声检测装置只在完成一周的扫查后沿实心轴轴线做直线运动，控制器总成中的超声信号发射/采集模块实现回波信号采集。

检测开始前在实心轴上标记初始检测位置，检测过程中第一光电编码器(101)、第二光电编码器(102)分别记录探头的轴向与周向位置。

检测过程中以探头与实心轴表面间距为阈值，当压缩弹簧上方压力传感器采集的压力超过阈值时，控制器总成发出指令至伺服电机，从而停止轴与探头的相对运动。

检测过程中通过调整定位座上喷嘴位置与姿态，实现超声探头与被测实心轴的喷水耦合。

检测完成后对比数据存储器中的超声信号与光电编码器数据，可确定缺陷的周向及轴向位置。

下面以材料为钢的实心轴为例，说明本发明中合成孔径聚焦成像方法。本实例采用OLYMPUS-13-0508-R平面水浸超声探头，探头声束扩散角为7.2°，被测轴示意图如图7所示，其半径为100mm，在沿轴线方向距离轴表面20mm处存在2mm的通孔，设定检测盲区为2mm，求得扫查间隔角范围α≤0.13°，探头至实心轴表面的距离d≤0.2mm。据此本实例水声距设置为0.2mm，以0.1°扫查间隔角采集回波信号。

将采集的回波信号在极坐标系下进行合成孔径聚焦成像，成像步骤为：

步骤1、以被测轴周向截面的圆心为极点，初始检测位置与极点的连线为极轴，以检测时的扫查方向为正方向，建立极坐标系，以极径0.05mm、极角0.025°对目标成像区域进行网格划分，区域内任意点可表示为P(r,θ)；

步骤2、计算超声波从探头传播至实心轴表面的传播时间为t₀＝d/c_w，式中d＝0.0002m，c_w＝1480m/s；

步骤3、计算距离P(r,θ)点最短的检测点为i＝round(θ/α),0≤i≤N-1，round表示四舍五入函数，根据余弦定理计算对应在实心轴内部的传播时间为：式中c_s＝5840m/s，结合步骤2赋P点初始电压幅值为SUM_i＝e(t₀+t_i,i·α)；

步骤4、结合正弦定理计算P(r,θ)点有效合成孔径角度为式中的最大值为1；以步骤3中检测点为中心，两侧参与合成孔径的检测点数目为k＝floor(φ_r/2·α)，floor表示向下取整函数；

步骤5、定义变量ii，表示步骤4中两侧第ii个参与合成孔径的检测点，ii赋初值为-k，ii＝-k,…,0,…,k；

步骤6、计算步骤5中检测点至P点超声波在实心轴中的传播时间

步骤7、根据步骤6计算的传播时间t及检测点ii位置，提取对应回波信号的电压幅值，经汉宁窗函数加权后赋值为SUM_ii＝ε·e(t₀+t_ii,|i-k|·α)，式中ε表示汉宁窗函数；

步骤8、继续执行步骤5至步骤7，直至ii＝k；

步骤9、进行等幅叠加后求平均值，将计算后的电压幅值赋予点P(r,θ)，计算表达式为data(r,θ)＝(SUM_i+SUM_ii)/(k+1)；

步骤10、继续执行步骤3至步骤9，获得目标成像区域所有成像点的电压幅值，并采用颜色调制方法进行成像。

图8所示为直接对回波信号成像，图9所示为采用合成孔径聚焦方法成像图。分别提取图8与图9中缺陷孔中心沿极角与极径方向电压幅值，并对提取的电压幅值进行归一化处理，通过-6dB法对缺陷大小进行定量分析。结果表明合成孔径聚焦成像的纵向成像分辨率提高了23％，横向成像分辨率提高了47％，可知合成孔径聚焦成像显著提高了实心轴超声检测的成像精度。

Claims (3)

1.一种实心轴的超声合成孔径聚焦检测装置，包括探头架组件与控制器总成，其特征在于所述探头架组件包括万向球(11)、螺钉(12)、喷嘴(13)、定位座(14)、支撑杆(15)、导流管(16)、压缩弹簧(17)、旋转手柄(18)、空心连杆(19)、伸缩杆(20)、超声探头(21)，其中支撑杆(15)通过万向球(11)固定在被测实心轴上，支撑杆(15)上端安装压缩弹簧(17)，支撑杆(15)通过伸缩杆(20)连接，空心连杆(19)通过螺纹连接固定在伸缩杆(20)的中间，空心连杆(19)下端连接超声探头(21)，空心连杆(19)上端安装旋转手柄(18)，导流管(16)连接喷嘴(13)通过螺钉(12)固定在定位座(14)上；所述控制器总成包括超声信号激励/接收模块、电机控制模块、数据存贮器、第一光电编码器(101)、第二光电编码器(102)、压力传感器，其中压力传感器安装在探头架组件中压缩弹簧(17)的上方。

2.一种利用权利要求1所述实心轴的超声合成孔径聚焦检测装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定检测盲区深度为h，然后计算扫查间隔角范围为：α≤2·arcsin(R·sin(β/2)/(R-h))-β，式中β表示超声探头声束扩散角，R表示实心轴的半径；

步骤二、在步骤一中确定的扫查间隔角范围内选择扫查间隔角α，选择时应使α能被360整除，获得检测一周的检测点数目为N＝360/α，将初始检测点记为0，最终检测点记为N-1，设定检测时探头至实心轴表面的距离d≤h/10，获得全部回波信号可表示为e(t,n·α)，式中t表示回波信号的传播时间，0≤n≤N-1；

步骤三、建立极坐标系下合成孔径聚焦成像的延时叠加算法，对步骤二采集的回波信号进行延时叠加计算，实现轴内目标成像区域的合成孔径聚焦成像。

3.一种权利要求2所述实心轴的超声合成孔径聚焦检测装置的成像方法，所述步骤三中极坐标系下合成孔径聚焦成像的延时叠加算法包括以下步骤：

步骤1、以探头所在的实心轴轴向圆截面为平面，轴中心为极点，初始检测位置与极点的连线为极轴，以检测时的扫查方向为正方向，建立极坐标系，在极坐标系下确定目标成像区域及离散步距，并对其进行网格划分，获得目标成像区域的任意点可表示为P(r,θ)；

步骤2、计算超声波从探头传播至实心轴表面的传播时间为t₀＝d/c_w，式中d表示探头至工件表面的距离，c_w表示水中超声传播速度；

步骤3、计算距离P(r,θ)点最短的检测点为i＝round(θ/α)，式中0≤i≤N-1，round表示四舍五入函数，超声波从实心轴表面传播至P(r,θ)点的时间式中c_s表示实心轴中超声传播速度，据此赋P点初始电压幅值为SUM_i＝e(t₀+t_i,i·α)；

步骤4、计算P(r,θ)点有效合成孔径角度为式中的最大值为1，以步骤3中检测点为中心，两侧参与合成孔径的检测点数目为k＝floor(φ_r/2·α)，floor表示向下取整函数；

步骤5、定义变量ii，表示步骤4中两侧第ii个参与合成孔径的检测点，ii赋初值为-k，ii＝-k,…,0,…,k；

步骤6、计算步骤5中检测点至P点超声波在实心轴中的传播时间为

步骤7、根据步骤6计算的传播时间t及检测点ii位置，提取对应回波信号的电压幅值，经汉宁窗函数加权后赋值为SUM_ii＝ε·e(t₀+t_ii,|i-k|·α)，式中ε表示汉宁窗函数；

步骤8、继续执行步骤5至步骤7，直至ii＝k；

步骤9、对步骤3及步骤7获得的电压幅值进行等幅叠加后求平均值，将计算后的电压幅值赋予点P(r,θ)，计算表达式为data(r,θ)＝(SUM_i+SUM_ii)/(k+1)。