CN107356670A - 一种基于斜入射的超声相控阵焊缝缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斜入射的超声相控阵焊缝缺陷检测方法，包括超声相控阵检测系统和超声相控阵检测步骤，其中，超声相控阵检测系统包括信号采集系统、换能器探头、有机玻璃楔块、连接有机玻璃楔块和试块表面的水溶剂、连接换能器探头和有机玻璃楔块的耦合剂及用于计算信号采集系统数据的计算机；本发明能够好地检测缺陷、减小了检测盲区，提高检测鲁棒性和分辨率并可明显改善远场区的成像质量，提高成像分辨率和缺陷检出率。

Description

一种基于斜入射的超声相控阵焊缝缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种用于焊缝检测的超声相控阵检测方法。

背景技术

传统超声焊缝检测时，一般需要移动换能器探头才能有效地进行缺陷检查，这要求探头移动区的表面粗糙度要理想；同时，由于入射角度过于垂直，使用波束垂直入射到试块表面时，只能检测到离试块检测面一定距离的缺陷，存在检测盲区。

现有技术中很少出现针对焊缝缺陷合成孔径成像中信号合成方式的优化，对比文件(201510219036.3)通过基于扫描坐标点的插值权重系数寻找采样点，但对信号获取后的信号合成相关计算并无研究。

另外，传统的合成孔径聚焦算法虽然通用性好，但具体运用往往存在瑕疵，比如，运算量较大，成像效果一般，分辨率偏低。

发明内容

本发明针对传统超声波无损检测存在的问题，提供一种成像质量更好，分辨率更高的超声相控阵检测方法。

本发明的技术方案是，提供一种基于斜入射的超声相控阵焊缝缺陷检测方法，其特征在于：所述焊缝缺陷检测方法包括超声相控阵检测系统和超声相控阵检测步骤，所述超声相控阵检测系统包括超声相控阵信号采集系统、超声相控阵换能器探头、有一定倾斜角度的有机玻璃楔块、连接有机玻璃楔块和试块表面以减少声波散射的水溶剂、连接相控阵超声换能器探头和有机玻璃楔块以减少声波散射的特殊耦合剂及用于计算超声相控阵信号采集系统数据的计算机，所述超声相控阵检测步骤为以下四个步骤：

(a)根据被检测焊缝试块的尺寸、材料、声波传播速度、焊缝缺陷范围选择合适的超声相控阵检测系统相关参数，该相关参数包含相控阵换能器的孔径大小、探头的频率、超声相控阵阵元宽度及间距、楔块斜楔角、晶片阵元的激发法则；

(b)根据超声相控阵系统相关参数确定相控阵探头在试块上放置的位置，激发超声相控阵阵元，通过信号采集系统收集回波信号；

(c)将收集的回波信号进行A/D转换，然后进行适当延时，再通过计算得到权重系数和累加信号；

(d)将回波信号和权重系数进行信号累加，得到成像图。

近一步地，在步骤(b)中超声相控阵换能器探头放置在一定角度的斜楔块上，而斜楔块放置在试块表面上。

进一步地，步骤(b)中的水溶剂为水，特殊耦合剂为机油、甘油和煤油中的一种

更近一步地，在步骤(b)中，采用多阵元合成孔径聚焦法则激励阵元，选用四组阵元同时发射、接收声波，得到回波信号：

其中S(t)为接收到的阵元信号，N为阵元数目，r为成像点距孔径中心距离，v为声波传播速度，t_n可近似表示为x_n为发射孔径距孔径中心的距离，θ为成像点与扫面线垂直的平面偏转角。

更近一步地，在步骤(c)中，适当延时的整数部分使用采样时间的位移得到，小数部分使用均匀采样的插修值法得到，插值法输出结果为：

S′[n]＝S[n]+a(S[n+1]-S[n])，

其中S[n]和S[n+1]都是数字阵列中的数字信号，S′[n]为S[n]和S[n+1]之间的插值信号，系数a为与采样频率有关的数据。

更近一步地，步骤(c)中的延时信号获得后，权重系数的输出结果为：

其中

S_delayed为延时信号，t为时间，为频率响应，j是虚数，k是空间频率指数，i是部分区域线性扫描次数，N是总线性扫描次数，M₀为低频范围指数。

再近一步地，在步骤(d)中，通过计算机对步骤(b)的回波信号和步骤(c)的权重系数进行信号累加并到成像图：

S_W＝ER(t)·S_SAFT(t)。

本发明的有益效果包括以下几点：

1、这种基于斜入射的超声相控阵焊缝检测方法利用有一定倾斜角度的楔块，超声波在接触面发生折射和波型转换，能够更好地检测缺陷，换能器探头小范围移动，就能够检测到试块更深部位，增大了波束覆盖范围，减小了检测盲区；

2、多阵元发射与多阵元接收同时进行的电子扫查功能可以提高检测鲁棒性和分辨率并可明显改善远场区的成像质量；

3、传统的合成孔径聚焦技术存在信噪比低、计算量大、旁瓣高、伪像等问题，本发明采用自适应权重加权处理可抑制旁瓣，提高成像分辨率，进一步提高缺陷检出率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的超声相控阵结构示意图；

图2是本发明实施例的焊缝缺陷试块的结构图；

图3是本发明实施例的斜入射超声相控阵焊缝缺陷优化成像图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于斜入射的超声相控阵焊缝缺陷检测方法，结构示意图如图1，所述超声相控阵包括超声相控阵信号采集系统、相控阵超声换能器探头、有一定倾斜角度的有机玻璃楔块、连接有机玻璃楔块和试块表面的水溶剂、连接相控阵超声换能器探头和有机玻璃楔块的特殊耦合剂及用于计算超声相控阵信号采集系统数据的软件；具体实施步骤如下：

(a)选取一块长高宽为300*300*20mm的普通碳素钢钢板作为试块。在该碳素钢钢板中，声波横波速度约为3200m/s，纵波速度为5900m/s，碳素钢钢板的缺陷图如图2，超声波换能器探头选择的是一枚型号为5L64的超声探头；

(b)根据缺陷范围，确定超声波检测参数：探头孔径为38.4mm、换能器探头的中心频率为5MHz、阵元间距为0.6mm、楔块的倾斜角度为54°、采样频率为100MHz；

(c)在利用相控阵电子扫查功能对焊缝缺陷进行检测前，先在楔块上涂抹特殊甘油制成的耦合剂，然后把换能器探头与楔块连接、紧固；碳素钢钢板表面均匀撒上水使得碳素钢钢板待检部位表面湿润，然后将探头放在被水湿润的碳素钢钢板块上面，使探头处在缺陷上方；

(d)对焊缝缺陷碳素钢钢板进行超声检测，对获得的回波信号进行A/D转换，然后进行适当延时，进而得到权重系数，通过计算机对得到的权重系数和之前获得的回波信号进行累加并获得成像图。由图3可以看出横向和纵向方面的分辨率较高，成像效果较好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于斜入射的超声相控阵焊缝缺陷检测方法，其特征在于：所述焊缝缺陷检测方法包括超声相控阵检测系统和超声相控阵检测步骤，所述超声相控阵检测系统包括超声相控阵信号采集系统、超声相控阵换能器探头、有一定倾斜角度的有机玻璃楔块、连接有机玻璃楔块和试块表面以减少声波散射的水溶剂、连接相控阵超声换能器探头和有机玻璃楔块以减少声波散射的特殊耦合剂及用于计算超声相控阵信号采集系统数据的计算机，所述超声相控阵检测步骤为以下四个步骤：

(a)根据被检测焊缝试块的尺寸、材料、声波传播速度、焊缝缺陷范围选择合适的超声相控阵检测系统相关参数；

(b)根据超声相控阵系统相关参数确定相控阵探头在试块上放置的位置，激发超声相控阵阵元，通过信号采集系统收集回波信号；

(c)将收集的回波信号进行A/D转换，然后进行延时，再通过计算得到权重系数；

(d)将回波信号和权重系数进行信号累加，得到成像图。

2.根据权利要求1所述的方法，步骤(b)中的超声相控阵换能器探头放置在一定角度的斜楔块上，斜楔块放置在试块表面上。

3.根据权利要求1所述的方法，步骤(b)中的水溶剂为水，特殊耦合剂为机油、甘油和煤油中的一种。

4.根据权利要求1所述的方法，在步骤(b)中，采用多阵元合成孔径聚焦法则激励阵元，选用四组阵元同时发射、接收声波，得到回波信号：其中S(t)为接收到的阵元信号，N为阵元数目，r为成像点距孔径中心距离，v为声波传播速度，t_n可近似表示为x_n为发射孔径距孔径中心的距离，θ为成像点与扫面线垂直的平面偏转角。

5.根据权利要求1所述的方法，在步骤(c)中，延时的整数部分使用采样时间的位移得到、小数部分使用均匀采样的插修值法得到，插值法输出结果为：S′[n]＝S[n]+a(S[n+1]-S[n])，其中S[n]和S[n+1]都是数字阵列中的数字信号，S′[n]为S[n]和S[n+1]之间的插值信号，系数a为与采样频率有关的数据。

6.根据权利要求1所述的方法，步骤(c)中的延时信号获得后，权重系数的输出结果为：其中S_delayed为延时信号，t为时间，为频率响应，j是虚数，k是空间频率指数，i是部分区域线性扫描次数，N是总线性扫描次数，M₀为低频范围指数。

7.根据权利要求1所述的方法，在步骤(d)中，通过计算机对步骤(b)的回波信号和步骤(c)的权重系数进行信号累加并到成像图：S_W＝ER(t)·S_SAFT(t)。