CN108459082B - 一种材料检测方法及材料检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种材料检测方法，所述材料检测方法应用于检测系统中，检测系统包括检测仪和换能器，包括：首先，检测系统对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波，然后，检测系统对反射超声波引入高阻尼，反射波为发射超声波经过金属材料遇到缺陷产生的回波，接着，检测系统降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度，检测系统对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围，并且还可根据传输距离和衰减量的关系设定对反射波的增益值以提升远场区的灵敏度。通过上述方式，可减少反射回波干扰和衰减的问题，因此提高了超声波对金属材料检测的范围、分辨率和信噪比，使反映金属材料部件内缺陷的反射回波变得清晰，以便迅速准确定位。

Description

一种材料检测方法及材料检测装置

技术领域

本申请涉及声波检测领域，尤其涉及一种材料检测方法及材料检测装置。

背景技术

超声检测是常规无损的检测金属材料的方法之一。与其他方法相比，超声检测具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度快、成本低等优点，因此在电力能源、航空航天、石油化工等众多工业领域中得到了广泛应用。

金属材料内部或表面的缺陷会导致声波的反射或衰减，由此我们可以根据经金属材料反射回来的超声波得知材料的缺陷等情况，因此可以使用超声波对金属材料进行检测。

然而，当使用超声波对晶粒较大的金属材料进行检测时，产生的反射波会有严重的材料噪声和声波衰减，致使超声检测的高灵敏度、强穿透力等优越性严重下降。

发明内容

本申请实施例提供了一种材料检测方法及材料检测装置，可提高超声波对高晶粒度金属材料检测的范围、分辨率和信噪比，使反映高晶粒度金属材料部件内缺陷的反射回波变得清晰，以便迅速准确定位金属材料内部缺陷。

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种材料检测方法，包括：

结合本申请实施例第一方面，在本申请实施例第一方面的第一种实施方式中，金属材料检测方法应用于检测系统中，检测系统包括检测仪和换能器，方法包括：

检测系统对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波；

检测系统对反射超声波引入高阻尼，反射超声波为发射超声波经过金属材料遇到缺陷产生的回波；

检测系统降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度；

检测系统对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围；

检测系统根据传输距离和衰减量的关系设定对所述反射超声波的增益值以提升反射超声波远场区的灵敏度。

结合本申请实施例第一方面，在本申请实施例第一方面的第一种实施方式中，检测系统对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波，包括：

检测系统以大于等于预设幅度的高频方波对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波。

结合本申请实施例第一方面，在本申请实施例第一方面的第二种实施方式中，检测系统降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度，包括：

检测系统通过在C闸门范围内衰减预设值的底波增益降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度。

结合本申请实施例第一方面，在本申请实施例第一方面的第三种实施方式中，检测系统对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围之后，方法还包括：

检测系统调节近场区中反射超声波的幅度使得反射波在检测仪中显示的幅度相当。

结合本申请实施例第一方面，在本申请实施例第一方面的第四种实施方式中，方法还包括：

检测系统将反射超声波信号转换成电信号。

本发明第二方面提供了一种材料检测装置，包括：

激励模块，用于对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波；

引入模块，用于对反射超声波引入高阻尼，反射超声波为发射超声波经过金属材料遇到缺陷产生的回波；

降低模块，用于降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度；

切换模块，用于对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围；

设定模块，用于根据传输距离和衰减量的关系设定对所述反射超声波的增益值以提升反射超声波远场区的灵敏度。

结合本申请实施例第二方面，在本申请实施例第二方面的第一种实施方式中，激励模块包括：

激励单元，用于以大于等于预设幅度的高频方波对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波。

结合本申请实施例第二方面，在本申请实施例第二方面的第二种实施方式中，降低模块包括：

衰减单元，用于在C闸门范围内衰减预设值的底波增益来降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度。

结合本申请实施例第二方面，在本申请实施例第二方面的第三种实施方式中，装置还包括：

调节模块，用于切换模块之后调节近场区中反射超声波的幅度使得反射波在检测仪中显示的幅度相当。

结合本申请实施例第二方面，在本申请实施例第二方面的第四种实施方式中，装置还包括：

转换模块，用于将反射超声波信号转换成电信号。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例提供了一种基于大功率超声波的高晶粒度金属材料检测方法，通过对换能器晶片的饱和激励，产生高能量超声波，通过对C闸门范围内和除C闸门以外的检测区域设置不同的灵敏度以及硬件线性衰减的方式，可减轻反射回波干扰和衰减的问题，提高超声波对高晶粒度金属材料检测的范围、分辨率和信噪比，使反映高晶粒度金属材料部件内缺陷的反射回波变得清晰，以便迅速准确定位。

附图说明

图1为本申请实施例中材料检测方法的实施例示意图；

图2为本申请实施例中换能器晶片振动幅度与发射脉冲电压的关系示意图；

图3为本申请实施例中超声波检测仪和换能器组合结构示意图；

图4为本申请实施例中动态阻尼启动点设置示意图；

图5为本申请实施例中反射回波线性衰减调整前的波形图；

图6为本申请实施例中反射回波线性衰减调整之后的波形图；

图7为本申请实施例中材料检测装置的一个实施例示意图；

图8为本申请实施例中材料检测装置的另一实施例示意图；

图9为本申请实施例中材料检测装置的另一实施例示意图；

图10为本申请实施例中材料检测装置的另一实施例示意图；

图11为本申请实施例中材料检测装置的另一实施例示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种金属材料的检测方法，该材料检测方法可应用于检测系统中，检测系统可包括检测仪和换能器，首先，检测系统对换能器进行饱和激励以得到高能发射超声波，然后，检测系统对经金属材料反射的反射超声波引入动态超高阻尼，反射超声波为发射超声波经过金属材料遇到缺陷产生的回波，再降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度，接着，检测系统对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围，提升反射超声波远场区的灵敏度。

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”、“第三”、“第四”等(如果存在)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例如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。

下面对本申请中材料检测方法进行详细描述，请参阅图1，本申请实施例中提供的一种金属材料检测方法的实施例包括：

该金属材料检测方法应用于检测系统中，检测系统包括检测仪和换能器：

101、检测系统对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波；

如图2所示，图2为换能器晶片振动幅度与发射脉冲电压的关系示意图，由图可知，晶片的振动幅度与发射到换能器的脉冲电压成正比，脉冲电压越大，晶片振动幅度越大，然后在某个点达到饱和，一旦激励达到饱和点，之后随着输入能量的增加，超声波能量的增加变得缓慢。因此本申请实施例可以采用脉冲幅度大于等于500V的发射波对换能器进行饱和激励。采用机电转换系数为0.6的新型晶片材料和高频脉冲饱和激励的方式使换能器压电晶片产生最大振动幅度。

本申请实施例中应用于金属材料检测方法的检测系统可包括检测仪和换能器，该检测仪和换能器之间的组合结构示意图如图3所示，在换能器发射超声波至被检测的金属材料时，探头与金属材料之间需涂上耦合剂，该耦合剂的作用首先是充填接触面之间的微小空隙，尽量避免这些空隙间的微量空气影响超声波的穿透；其次可以通过耦合剂的过渡作用，使探头与材料之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的反射损失。

然后检测系统以锯齿形的扫查方式对高晶粒度金属材料进行全面细致的扫查，利用换能器将采集到的反射波信号转换成电信号，送入检测仪中进行显示。

102、检测系统对反射超声波引入高阻尼，反射超声波为发射超声波经过金属材料遇到缺陷产生的回波；

本申请实施例中，经过饱和激励的超声波在穿过金属材料的表面和内部时，会产生噪声干扰或衰减，如果金属材料的晶度过大，这种干扰和衰减异常明显，产生很多对分析结果造成干扰的的波形振荡，因此反射回来的声波不能清楚地反映金属材料存在的缺陷，我们可以在反射回波的峰值点过后引入动态超高阻尼，使得反射回波的振动幅度逐渐下降，以此来平衡某些因金属材料晶度过大产生的无关的波形振动，使得反射回来的回波波形更精简有效，有利于对金属材料缺陷进行分析。

图4为动态阻尼启动点设置示意图，如图4所示，在反射超声波的峰值过后找一个适当的启动点引入动态超高阻尼，用来抑制无关的波形振动。

103、检测系统降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度；

本申请实施例中检测系统需要将C闸门范围内和除C闸门范围以外的探测范围设置成不同的灵敏度。用C闸门套住高晶粒度金属材料的端面底波，在该范围内自动衰减48dB的增益，则可调整反射回来的底波幅度为检测仪显示屏全屏高度的80％。

由于C闸门范围内和C闸门范围外对反射声波的性能有着优劣之分，因此需要设置不同的检测灵敏度以使得两部分的反射回波相对来说较为匹配，在不影响C闸门外所有探测范围的探伤灵敏度的情况下，实现对底波变化的密切监控。

104、检测系统对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围；

超声波的近场区是波源附近由于声压急剧起伏出现多个极大值和极小值的区域，近场区声场不规律，易存在探伤盲区，因此近场区的声波容易造成误判。本申请实施例可通过将近场区超饱和的杂乱反射回波线性衰减至屏幕范围内，调节近场区范围使杂乱反射波显示的幅度相当，以此来解决近场区存在的缺陷。

图5为检测系统对反射回波线性衰减调整前的波形，图6为检测系统对反射回波线性衰减调整后的波形，如图5和图6所示，接收反射回波的输入端的硬件线性可控衰减最大应用范围为500mm，近区衰减幅度最大为60dB，步进量最小为0.1dB(即每次衰减的最小单位)。近区声程范围分为3段，每一段衰减的程度都不一样，并且衰减的范围和程度都可进行细调。由图可知，检测系统对反射回波进行可控地线性衰减之后，前段无关的干扰波明显被抑制了，但反映缺陷的反射回波的波高还能保持不变。

105、所述检测系统根据传输距离和衰减量的关系设定对所述反射超声波的增益值以提升反射超声波远场区的灵敏度。

超声波远场区的衰减量是随着传输距离的增大而增大的，为了减小这种误差，可根据传输距离和衰减量的关系设定对所述反射超声波的增益值以提升反射超声波远场区的灵敏度。

在本申请实施例中，可采用机电转换系数为0.6的新型晶片材料和高频脉冲饱和激励使换能器压电晶片产生最大振动幅度；在饱和激励的条件下，在回波峰值点过后在适当起动点引入动态超高阻尼，抑制无关振动；将检测区域和C闸门范围设置成不同的灵敏度；采用可控线性衰减对超声波近场区衰减范围进行快速切换，用时间增益控制的方式对远场区检测灵敏度进行递增等等，通过上述各种各样的方式可达到弥补超声回波因声波或材料特性产生的衰减，最大可能地抑制产生的无关振动，以此保证回波的准确性和显示的清晰度。

可选地，在上述图1对应的实施例基础上，本发明实施例提供的材料检测方法的第一个可选实施例中，检测系统对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波，包括：

检测系统以大于等于预设幅度的高频方波对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波。本申请实施例中应使用脉冲幅度大于等于500V的方波例如可以选择500V到1000V的方波脉冲对换能器进行饱和激励，当电压作用于换能器中的压电晶片时，压电晶片随着电压和频率的变化产生高频机械振动，晶片振动产生高能量的超声波。一旦激励达到饱和点，之后随着输入能量的增加，超声波能量的增加变得缓慢。

本申请实施例中利用高频方波对换能器进行饱和激励可使得声波束较为容易地贯穿晶度较大的金属材料，从而使得反射波更加明显，有利于根据反射波分析材料缺陷。

可选地，在上述图1对应的实施例基础上，本发明实施例提供的材料检测方法的另一个可选实施例中，检测系统降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度，包括：

检测系统通过在C闸门范围内降低预设值的底波增益来降低C闸门范围内的灵敏度。

本申请实施例在不影响C闸门外所有探测范围的探伤灵敏度的情况下，实现对底波变化的密切监控

可选地，在上述图1对应的实施例基础上，本发明实施例提供的材料检测方法的另一个可选实施例中，检测系统对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围之后，方法还包括：

检测系统调节近场区中反射超声波的幅度使得反射波在检测仪中显示的幅度相当。

本申请实施例中可通过硬件线性可控衰减的方式将近场区超饱和的杂乱反射回波线性衰减至屏幕范围内，调节近区范围使杂乱反射波显示的幅度相当，以此解决因近场区波形杂乱无章而容易导致误判的缺陷。

可选地，在上述图1对应的实施例基础上，本发明实施例提供的材料检测方法的另一个可选实施例中，检测系统根据传输距离和衰减量的关系设定对所述反射超声波的增益值以提升反射超声波远场区的灵敏度。

远场区声程范围分为2段，每一段的覆盖区域和衰减值可进行调节。时间增益也可根据实际情况进行调节。超声波发射的信号，会随着路程的增加而逐渐衰减，为了克服这一缺陷，可对该信号进行补偿，补偿的方式在超声仪器中有斜率补偿控制及分段补偿控制两种，可以补偿0～60dB范围，以达到补偿衰减信号的目的。

具体的，本申请实施例中根据衰减情况对反射波设定增益值具体过程如下：

首先获取在材料中传输时超声波随着距离的不同产生的衰减量情况，根据传输距离和衰减量的关系设定对反射波的增益值，在此过程中，我们可以忽略材料本身导致的声波衰减。通过上述手段可以达到超声波传输到不同距离时，反射回来的超声波的波幅基本一致的目的，提升超声波远场区的灵敏度。

可选地，在上述图1对应的实施例基础上，本发明实施例提供的材料检测方法的另一个可选实施例中，方法还包括：

检测系统将反射超声波信号转换成电信号。

以锯齿形扫查方式对高晶粒度金属材料进行锯齿形、周向和轴向扫查。，再利用换能器将采集到的反射声波信号转换成电信号，送入检测仪显示，并判读缺陷信息。

本申请实施例中通过检测仪和换能器的配合使用，换能器收集经金属材料反射回来的超声波，并将声波信号转换成电信号，检测仪负责对携带有金属材料缺陷信息的信号进行分析判断，确定具体的金属材料存在的问题。

下面对本发明中的材料检测装置进行详细描述，请参阅图7，信息获取装置包括:

激励模块201，用于对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波；

引入模块202，用于对反射超声波引入高阻尼，反射超声波为发射超声波经过金属材料遇到缺陷产生的回波；

降低模块203，用于降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度；

切换模块204，用于对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围；

设定模块205，用于根据传输距离和衰减量的关系设定对所述反射超声波的增益值以提升反射超声波远场区的灵敏度。

本申请实施例中提供了一种材料检测装置，包括：首先激励模块201对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波，引入模块对反射超声波引入高阻尼，反射超声波为发射超声波经过金属材料遇到缺陷产生的回波，然后，降低模块203反射超声波C闸门范围内的灵敏度，切换模块204对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围，提升模块205，通过控制时间增益提升反射超声波远场区的灵敏度。通过上述方式可克服反射回波干扰和衰减的问题，因此提高了超声波对高晶粒度金属材料检测的范围、分辨率和信噪比，使反映高晶粒度金属材料部件内缺陷的反射回波变得清晰，以便迅速准确定位。

可选地，在上述图7所对应的实施例的基础上，请参阅图8，本发明实施例提供的材料检测装置的另一实施例中，激励模块201包括：

激励单元2011，用于以大于等于预设幅度的高频方波对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波。

本申请实施例中利用高频方波对换能器进行饱和激励可使得声波束贯穿晶度较大的金属材料，从而使得反射波更加明显，有利于根据反射波分析材料缺陷。

可选地，在上述图7所对应的实施例的基础上，请参阅图9，本发明实施例提供的材料检测装置的另一实施例中，降低模块203包括：

衰减单元2031，用于在C闸门范围内衰减预设值的底波增益来降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度。

本申请实施例在不影响C闸门外所有探测范围的探伤灵敏度的情况下，实现对底波变化的密切监控

可选地，在上述图7所对应的实施例的基础上，请参阅图10，本发明实施例提供的材料检测装置的另一实施例中，材料检测装置还包括：

调节模块206，用于切换模块之后调节近场区中反射超声波的幅度使得反射波在检测仪中显示的幅度相当。

本申请实施例中可通过硬件线性可控衰减的方式将近场区超饱和的杂乱反射线性衰减至屏幕范围内，调节近区范围使杂乱反射波显示的幅度相当的方式来解决因近场区波形杂乱无章而容易导致误判的缺陷。

可选地，在上述图7所对应的实施例的基础上，请参阅图11，本发明实施例提供的材料检测装置的另一实施例中，材料检测装置还包括：

转换模块207，用于将反射超声波信号转换成电信号。

本申请实施例中通过检测仪和换能器的配合使用，换能器收集经金属材料反射回来的超声波，并将声波信号转换成电信号，检测仪负责对携带有金属材料缺陷信息的信号进行分析判断，确定具体的金属材料存在的问题。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅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，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

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网络单元上。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，在本申请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，本申请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(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请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、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种材料检测方法，其特征在于，所述材料检测方法应用于检测系统中，所述检测系统包括检测仪和换能器，所述方法包括：

所述检测系统对所述换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波；

所述检测系统对反射超声波引入高阻尼，所述反射超声波为所述发射超声波经过金属材料遇到缺陷产生的回波；

所述检测系统降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度；

所述检测系统对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围；

所述检测系统根据传输距离和衰减量的关系设定对所述反射超声波的增益值以提升反射超声波远场区的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测系统对所述换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波，包括：

所述检测系统以大于等于预设幅度的高频方波对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测系统降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度，包括：

所述检测系统通过在所述C闸门范围内衰减预设值的底波增益降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测系统对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围之后，所述方法还包括：

所述检测系统调节所述近场区中反射超声波的幅度使得反射波在所述检测仪中显示的幅度相当。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述检测系统将所述反射超声波信号转换成电信号。

6.一种材料检测装置，其特征在于，所述装置包括：

激励模块，用于对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波；

引入模块，用于对反射超声波引入高阻尼，所述反射超声波为所述发射超声波经过金属材料的回波；

降低模块，用于降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度；

切换模块，用于所述对反射超声波近场区的衰减范围进行快速切换达到预设范围；

设定模块，用于根据传输距离和衰减量的关系设定对所述反射超声波的增益值以提升反射超声波远场区的灵敏度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述激励模块包括：

激励单元，用于以大于等于预设幅度的高频方波对换能器进行饱和激励得到高能量发射超声波。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，降低模块包括：

衰减模块，用于在所述C闸门范围内衰减预设值的底波增益来降低反射超声波C闸门范围内的灵敏度。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

调节模块，用于所述切换模块之后所述调节所述近场区中反射超声波的幅度使得反射波在所述检测仪中显示的幅度相当。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

转换模块，用于将所述反射超声波信号转换成电信号。

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