CN108020598A - 变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法及检测方法 - Google Patents

变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法及检测方法，先读取曲面内壁轮廓线的曲率、位置等几何参数，然后按照等弧长原则自动在工件内壁轮廓线上设置焦点，再依据内壁焦点位置的曲率信息，并依据垂直入射原则反推出工件中声线路径，进一步，再依据工件和耦合介质层界面折射定律获得耦合介质层中声线路径，耦合介质层中声线路径和线阵相交位置即为声源孔径中心，选取临近声源孔径中心的一组阵元确定为该焦点位置的激励阵元序列，再通过二分法计算阵元序列中各个阵元到焦点位置的声线，获得声线后依据传播路径和声速来计算聚焦延迟，从而控制相控线阵换能器对工件聚焦扫描。

Description

变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法及检测方法
技术领域
本发明涉及超声相控阵无损检测领域，具体涉及一种变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法及检测方法。
背景技术
随着科学技术进步，对于产品的质量控制要求变得越来越严格。近年来相控阵技术逐渐应用于各个领域的工业探伤中，许多传统超声难以检测的复杂结构，应用超声相控阵技术可以获得较好的检测效果。采用传统超声检测较为费时费力的构件，采用超声相控阵技术后，其检测效率和可靠性也获得极大提高。因此，可以预见超声相控阵检测技术也将在工业超声检测领域带来新的技术革命和广泛应用，极大提高超声检测效率和可靠性。而目前的相控线阵系统主要采用线性扫描和扇形扫描来成像，这里简要的介绍下相控阵的两种常用扫查方式。
(1)线扫描：以相同的聚焦法则施加在相控阵探头中的不同晶片组，每组激活晶片产生某一特定角度的声束，通过改变起始激活晶片的位置，使该声束沿晶片阵列方向前后移动，以实现类似常规手动超声波检测探头前后移动的检测效果。线扫描包括垂直入射线扫描和倾斜入射线扫描两种。
(2)扇形扫描：用特定的聚焦法则激发相控阵探头中的部分相邻或全部晶片，使激发晶片组形成的声束在设定的角度范围内以一定的步进值变换角度扫过扇形区域。
工业生产中，简单的线扫描和扇形扫描难以完成复杂结构件的检测，尤其是如图1所示的曲面变壁厚回转构件，构件壁厚、曲率变化需要声束聚焦深度和偏转方向不断变化，传统线扫描或扇形扫描方法结果难以实现全覆盖检测，不能准确的检出工件内部缺陷情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于传统相控阵检测技术难以检测复杂变壁厚构件，提供了一种相控线阵自适应聚焦方法及检测方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，包括以下步骤：
(1)获取变壁厚曲面结构件表面和内壁轮廓的几何参数；
(2)识别和读取出曲面内壁轮廓线的几何参数，按照等弧长原则自动在工件内壁轮廓线上设置系列焦点；
(3)依据垂直入射原则，以内壁各焦点位置为目的点，根据焦点位置的曲率反推出工件中垂直内表面的声线路径，进一步地，再依据折射定律获得耦合介质层中声线路径；
(4)以耦合介质层中声线路径和线阵的相交位置作为声源孔径中心，选取临近声源孔径中心的一组阵元作为焦点的激励阵元序列；
(5)计算各个阵元在曲面表面的有效入射点，确定入射角，然后计算出折射角，进而计算出折射线到焦点的距离，获得距离后依据传播路径计算出传播时间，进而获得相控线阵聚焦延迟，从而控制相控线阵换能器对工件聚焦扫描。
作为优化的技术方案，步骤(1)中，通过解析工件DXF文件获取变壁厚曲面结构件表面和内壁轮廓的几何参数。
作为优化的技术方案，步骤(3)中的耦合介质为水或机油。
作为优化的技术方案，步骤(4)中选取声源中心左右各8个阵元作为焦点的一组激励阵元序列。
作为优化的技术方案，步骤(5)中的有效入射点满足斯涅尔定律。
作为优化的技术方案，步骤(5)中有效入射点的计算方法为二分法。
所述的二分法计算的具体过程为：
选取阵元位置到曲面曲线圆心的连线作为上边界，曲面曲线圆心到焦点的连线作为下边界，对应于上下边界确定入射角ic的上下限(ilow,iup)，采用二分法进行搜索，即ic＝(ilow+iup)/2，将ic带入斯涅尔定律，计算出折射角r，进而计算出折射线和焦点之间的距离，根据距离判断折射线是在焦点的左侧还是右侧，如果在左侧，将ilow＝ic，如果在右侧，将iup＝ic，再进行二分计算，直到折射线和焦点之间的距离小于给定值时，则确定该点为有效入射点。
所述的给定值为0.1-0.5mm。
采用该聚焦扫描方法对工件的具体检测方法如下：
(1)根据工件几何参数进行仿真处理获得聚焦延迟，确定聚焦扫描法则；
(2)根据聚焦扫描法则控制相控阵探头的激励和触发；
(3)利用相控阵对工件进行检测时声束由各阵元中心出发，先在耦合介质层中传播，再透过工件表面聚焦到内表面各个焦点处，实现聚焦声束对工件的整体覆盖检测。
本发明相比现有技术具有以下优点：
该检测方式与传统扫描方式不同之处在于聚焦法则是通过解析曲面构件自适应获得，先读取曲面内壁轮廓线的曲率、位置等几何参数，然后按照等弧长原则自动在工件内壁轮廓线上设置焦点，再依据内壁焦点位置的曲率信息，并依据垂直入射原则反推出工件中声线路径，进一步，依据工件和耦合介质层界面折射定律获得耦合介质层中声线路径，耦合介质层中声线路径和线阵相交位置即为声源孔径中心，选取临近声源孔径中心的一组阵元确定为该焦点位置的激励阵元序列，再通过二分法计算阵元序列中各个阵元到焦点位置的声线，获得声线后依据传播路径和声速来计算聚焦延迟，从而控制相控线阵换能器对工件聚焦扫描。
依上述描述可见，本聚焦法则中相控线阵各组阵元并非像线扫描和扇形扫描那样，按照预先设定的固定阵元顺序或相同聚焦法则依次激励，而是针对曲面构件内壁的厚度曲率等位置信息，依据垂直入射原则，自适应选择合适的发射阵元组，进而实现变聚焦深度和垂直入射检测，这样可以实现此类复杂构件的全覆盖高可靠性检测。
附图说明
图1为变壁厚变曲率结构件超声相控线阵声束覆盖示意图，其中：1、相控阵线阵换能器；2、覆盖的声束线；3、声束线聚焦区域。
图2为变壁厚变曲率构件不同位置相控线阵聚焦声束示意图。
图3为二分法计算曲面入射点位置示意图，其中：4、曲面曲线圆心；5、阵元；6、目标焦点位置；7、上边界线；8、下边界线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明应用作进一步详细的说明。
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
相控线阵检测变壁厚变曲率构件的示意图如图1-图2所示，图1给出了相控线阵声束覆盖区域示意图，给出了各个聚焦声束(每组16个阵元)中心线的传播路径，即由各组阵元中心出发先在耦合介质水层中传播，再透过工件表面传播到内表面各个焦点处，从中可以看出各组声束整体覆盖区域；其中(1)为相控阵线阵换能器，(2)为覆盖的声束线，(3)为声束线聚焦区域。图2则给出了典型四组聚焦声束(每组16个阵元)的传播路径，即由各阵元中心出发先在耦合介质水层中传播，再透过工件表面聚焦到内表面各个焦点处，从中可以看出上述聚焦法则可以确保声束垂直曲率内表面入射，这样可以接收到更强回波能量。
相控线阵自适应相控阵聚焦扫描方法的步骤如下：
(1)首先解析工件DXF文件，获得工件表面和内部轮廓几何信息：各个曲线段曲率、各个截面厚度等；
(2)识别和读取出曲面内壁轮廓线的曲率、位置等几何信息，按照等弧长原则自动在工件内壁轮廓线上设置系列焦点，如图1所示，工件内表面按照1mm弧长均匀设置系列焦点；
(3)依据垂直入射原则，以内壁各焦点位置为目的点，根据焦点位置的曲率反推出工件中垂直内表面的声线路径，进一步地，依据折射定律获得耦合介质层中声线路径；
(4)以耦合介质层中声线路径和线阵的相交位置作为声源孔径中心，选取声源孔径中心左右各8个阵元作为一组阵元，以该组阵元作为内表面聚焦焦点位置的激励阵元序列；
(5)利用二分法计算各个阵元在曲面表面的有效入射点，确定入射角，然后计算出折射角，进而计算出折射线到焦点的距离，获得距离后依据传播路径计算出传播时间，进而获得相控线阵聚焦延迟，从而控制相控线阵换能器对工件聚焦扫描。
上述方法中的第(5)步中利用二分法来计算具体声线路径的具体计算方法如下：
求取各阵元对应时间幅度值时，需要确定曲面表面的入射点，该入射点应满足斯涅尔定律，即不同介质中入射角和工件中折射角满足
其中，i为入射角，r为折射角，c1、c2分别为两个介质的折射率。
二分法的示意图如图3所示，每一次二分过程在图中用虚线表示，实线表示对应入射角度的声束路径。首先连接曲面曲线圆心(4)与阵元(5)形成上边界线(7)，再连接曲面曲线圆心(4)与目标焦点位置(6)形成下边界线(8)。这样，对应于上下边界可以确定入射角的上下限(ilow,iup)，再采用二分法进行搜索，即ic＝(ilow+iup)/2。利用这些二分角度可以推导出工件表面入射点的位置，进而将入射位置与阵元(5)连接，计算出该位置的入射角度。将入射角带入斯涅尔定律，计算出折射角，进而计算出折射线和焦点之间的距离，并判断折射线是在焦点的左侧还是右侧，如果在左侧，即ilow＝ic，如果在右侧，则iup＝ic，以此类推，继续二分计算，直到折射线和焦点之间的距离小于某给定值时，将该点确定为有效入射点，并将该点的声束路径定为有效声束路径。
利用上述的二分法可以计算出相控阵各个阵元到焦点的声线路径，再依据声线计算聚焦延时；获得聚焦延时后确定聚焦扫描法则，根据聚焦扫描法则控制相控阵探头的激励和触发；然后利用相控阵对工件进行检测时声束由各阵元中心出发，先在耦合介质层中传播，再透过工件表面聚焦到内表面各个焦点处，实现聚焦声束对工件的整体覆盖检测。利用上述技术，对曲面变壁厚、曲率构件的自适应相控阵聚焦检测，逐点检测，并将数据信号还原到工件对应位置，生成图像。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取变壁厚曲面结构件表面和内壁轮廓的几何参数；
(2)识别和读取出曲面内壁轮廓线的几何参数，按照等弧长原则自动在工件内壁轮廓线上设置系列焦点；
(3)依据垂直入射原则，以内壁各焦点位置为目的点，根据焦点位置的曲率反推出工件中垂直内表面的声线路径，进一步地，依据折射定律获得耦合介质层中声线路径；
(4)以耦合介质层中声线路径和线阵的相交位置作为声源孔径中心，选取临近声源孔径中心的一组阵元作为焦点的激励阵元序列；
(5)计算各个阵元在曲面表面的有效入射点，确定入射角，然后计算出折射角，进而计算出折射线到焦点的距离，获得距离后依据传播路径计算出传播时间，进而获得相控线阵聚焦延迟，从而控制相控线阵换能器对工件聚焦扫描。
2.根据权利要求1所述的变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，其特征在于，步骤(1)中，通过解析工件DXF文件获取变壁厚曲面结构件表面和内壁轮廓的几何参数。
3.根据权利要求1所述的变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，其特征在于，步骤(3)中的耦合介质为水或机油。
4.根据权利要求1所述的变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，其特征在于，步骤(4)中，选取声源孔径中心左右各8个阵元作为焦点的一组激励阵元序列。
5.根据权利要求1所述的变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，其特征在于，步骤(5)中的有效入射点满足斯涅尔定律。
6.根据权利要求1所述的变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，其特征在于，步骤(5)中有效入射点的计算方法为二分法。
7.根据权利要求6所述的变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，其特征在于，所述的二分法计算的具体过程为：
选取阵元位置到曲面曲线圆心的连线作为上边界，曲面曲线圆心到焦点的连线作为下边界，对应于上下边界确定入射角ic的上下限(ilow,iup)，采用二分法进行搜索，即ic＝(ilow+iup)/2，将ic带入斯涅尔定律，计算出折射角r，进而计算出折射线和焦点之间的距离，根据距离判断折射线是在焦点的左侧还是右侧，如果在左侧，将ilow＝ic，如果在右侧，将iup＝ic，再进行二分计算，直到折射线和焦点之间的距离小于给定值时，则确定该点为有效入射点。
8.根据权利要求7所述的变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法，其特征在于，所述的给定值为0.1-0.5mm。
9.一种采用权利要求1-8任一所述的变壁厚曲面构件自适应相控线阵聚焦扫描方法的检测方法，其特征在于，步骤如下：
(1)根据工件几何参数进行仿真处理获得聚焦延迟，确定聚焦扫描法则；
(2)根据聚焦扫描法则控制相控阵探头的激励和触发；
(3)利用相控阵对工件进行检测时声束由各阵元中心出发，先在耦合介质层中传播，再透过工件表面聚焦到内表面各个焦点处，实现聚焦声束对工件的整体覆盖检测。
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