CN108693252B - 三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法 - Google Patents

三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法，包括以下步骤：将线阵探头耦合于工件待测面；以一个阵元发出超声波多个阵元接收超声回波的方式进行检测，获取超声回波幅值矩阵的时间序列Aij(t)，数据采集过程中，对j＜i的Aij(t)直接赋值为0，也不参与后续计算；将工件的待测区域划分为若干个聚焦点；计算发射阵元至聚焦点再至接收阵元的路程，再计算声波途径该路程所需时间t0，从Aij(t)中获取相应的Aij(t0)，将所述Aij(t0)的数值累加后获得聚焦点的回波幅值，并将回波幅值排列成与待测区域相应的回波幅值矩阵F；将F归一化，通过色谱形成待测区域图像，判断缺陷。以三角矩阵替代全矩阵参与计算，减少近一半的数据量，大幅提高成像效率，更好地满足在线检测的需求。

Description

三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法
技术领域
本发明涉及超声相控阵无损检测技术领域，尤其涉及三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法。
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。而目前的相控阵系统主要采用线性扫描和扇形扫描来成像，这两种方法原理简单，成像容易，但成像效果不直观，难以满足新的技术要求。新兴的全矩阵聚焦算法采用一发多收的方式，其散射能量往往是向各个方向，一个阵元激励，多个阵元接收不同方向的散射信号，可以更加细致精确地反映缺陷大小和取向等特征，待检物缺陷处成像更加全面清晰，但全矩阵聚焦的数据量太大，受限于成像效率而难以满足在线检测的要求。为了解决上述问题，基于检测系统收发通道的互易性提出三角矩阵聚焦成像算法，该方法简化了全矩阵聚焦成像算法的数据采集和成像运算过程。
发明内容
本发明提供三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法，包括以下步骤：
S1：选用阵元数量为N的线阵换能器，将线阵换能器耦合于工件待测面，设线阵换能器的阵元中心距为D；
S2：N个阵元依次发射超声波，当第i个阵元发射超声波时，第i、i+1、i+2、……、N阵元同时按时序采集回波，将第j阵元接收采集到的第i阵元发出的超声波回波幅值记入序列矩阵元素Aij(t)，形成序列矩阵A(t)，序列矩阵中j＜i的元素Aij(t)赋值为0；
S3：将工件的待测区域划分为n×m个聚焦点，所述聚焦点行列间距为d；
S4：计算发射阵元i至聚焦点再至接收阵元j的折线路程，再计算声波途径所述折线路程所需时间t0，从所述Aij(t)中获取相应的Aij(t0)，以此类推，对矩阵A(t)中所有数据所对应的收发阵元到聚焦点P的时间延迟进行计算，选取出将发射阵元与接收阵元循环组合后获得全部矩阵元素Aij(t0)排列成矩阵A0，将所述A0的所有非零元素累加后获得聚焦点的回波幅值，并将各聚焦点的回波幅值排列成与待测区域相应的回波幅值矩阵F；
S5：对叠加后的图像矩阵数据做去隔流分量处理，将所述回波幅值矩阵F归一化处理，参照色谱，形成待测区域的探测图像，根据探测图像判断工件内部的裂纹与气孔。
进一步地，所述S2中，接收阵元采集超声回波的采集周期取0.01微秒。
进一步地，所述S4中t0采用式(1)计算：
Figure GDA0002826786430000021
式中，c为材料中的声速，在xoz坐标系中，待测区域第g行第h列的聚焦点Pgh的坐标为(x,z)，其中x＝(h-1)×d，z＝(g-1)×d，第i阵元坐标为(xi,0)，第j阵元坐标为(xj,0)，其中xi＝(i-1)×D，xj＝(j-1)×D；
所述S4中F的各元素采用式(2)
Figure GDA0002826786430000022
计算。
进一步地，S5包括以下具体步骤：
Figure GDA0002826786430000023
S51：求F的总零位误差；
S52：计算误差均值q＝Q/(n×m)；
S53：计算去除零位误差的回波幅值矩阵F0＝F-q；
Figure GDA0002826786430000024
S54：计算归一化回波幅值矩阵F1，
将F1所有数据向下取整，归一成-127至+128的整数；
S55：将F1对应256位色谱，形成待测区域的探测图像，根据探测图像判断工件内部的裂纹与气孔。
本发明提供的三角矩阵聚焦成像的检测方法，利用线阵探头收发阵元具有互易性，即当发射阵元和接收阵元互换位置时，声波的传播路径相同，声波信号不会因为这种互换而发生变化。回波数据Aij与Aji除噪声影响外大致相同，因此在数据采集和成像时，可将两组相同数据舍去一组，在数据采集这个环节，当j＞i，矩阵数据保留Aij舍去Aji，以三角矩阵替代全矩阵参与运算，提高运算效率。依此聚焦算法进行成像计算时，所需处理数据量相比于全矩阵聚焦少了近一倍，若探头阵元数为n，数据叠加次数相比于原来的n×n次，减少到了n×(n+1)/2次，大幅提高了成像效率，更好地满足在线检测的需求。通过待测工件与探头之间的相对运动可完成工件的全面扫描成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的线阵探头正下方的工件截面划分示意图；
图3为本发明验证收发阵元互易后接收声波一致性的实例Ⅰ声波波形示意图；
图4为本发明验证收发阵元互易后接收声波一致性的实例Ⅱ声波波形示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法，包括以下步骤：
S1：选用阵元数量为N的线阵换能器，将线阵换能器耦合于工件待测面，设线阵换能器的阵元中心距为D，设i＝1；
S2：第i阵元发出超声波，第j阵元(j＝i,i+1,…,N)接收超声回波，并进行探测数据采集，获取超声回波幅值的时间序列矩阵Aij(t)，所述Aij(t)中j&lt；i的元素赋值为0；矩阵形式如式(1)所示；
Figure GDA0002826786430000041
S3：若i&lt；N，则i＝i+1，返回S2，若i＝N，转至S4；
S4：将工件的待测区域划分为n×m个聚焦点，聚焦点行列间距为d；
S5：计算发射阵元至聚焦点再至接收阵元的折线路程，再计算声波途径所述折线路程所需时间t0，从Aij(t)中获取相应的Aij(t0)，将所述Aij(t0)共包含的(1+N)×N/2个数值累加后获得聚焦点的回波幅值，并将各聚焦点的回波幅值排列成与待测区域相应的回波幅值矩阵F；
S6：将回波幅值矩阵F归一化处理，参照色谱，形成待测区域的探测图像，根据探测图像判断工件内部的裂纹与气孔。
本发明提供的三角矩阵聚焦成像的检测方法，利用线阵探头收发阵元具有互易性，即当发射阵元和接收阵元互换位置时，声波的传播路径相同，声波信号不会因为这种互换而发生变化。回波数据Aij与Aji除噪声影响外大致相同，因此在数据采集和成像时，可将两组相同数据舍去一组，在回波数据采集环节，当j＞i时，矩阵数据保留Aij舍去Aji，以三角矩阵替代全矩阵参与运算，提高运算效率。依此聚焦算法进行成像计算时，所需处理数据量相比于全矩阵聚焦少了近一倍，若探头阵元数为n，数据叠加次数相比于原来的n×n次，减少到了n×(n+1)/2次，大幅提高了成像效率，更好地满足在线检测的需求。通过待测工件与探头之间的相对运动可完成工件的全面扫描成像，再根据成像结果判断工件内部包括裂纹与气孔等伤痕。
实测数据进一步验证收发阵元互换后声波信号是一致的，图3是第5阵元与第22阵元收发互异的回波曲线对比情况，图4是第10阵元与第19阵元收发互异的回波曲线对比情况，可以看出，阵元收发互异后回波曲线是一致的。
进一步地，S2包括以下具体步骤：
S21：设置采集周期T＝0.01微秒，k＝1；
S22：第i阵元发射超声波，以发射开始时刻为时间零点；
S23：第i,i+1,…,N阵元同时接收超声回波，记录t＝k×T时刻的超声波回波幅值Aij(t)，其中j＝i,i+1,…,N；
S24：若k&lt；1000，则k＝k+1，返回S22，若k＝1000，则顺序执行。
进一步地，S5包括以下具体步骤：
S51：h＝1；
S52：g＝1；
S53：i＝1；
S54：j＝i；
S55：计算i阵元至聚焦点Pgh再至j阵元的折线路程，再计算声波途径所述折线路程所需时间t0，从Aij(t)中获取相应的Aij(t0)，A0ij＝Aij(t0)；如图2所示，线阵探头正下方的工件截面划分出n×m个聚焦点，在xoz坐标系中，聚焦点Pgh的坐标为(x,z)，其中x＝(h-1)×d，z＝(g-1)×d，第i阵元坐标为(xi,0)，第j阵元坐标为(xj,0)，其中xi＝(i-1)×D，xj＝(j-1)×D，t0可由式(2)计算获取：
Figure GDA0002826786430000051
式中，c为材料中声速；
S56：若j&lt；N，则j＝j+1，返回S55，若j＝N，则顺序执行；
S57：若i&lt；N，则i＝i+1，返回S54，若i＝N，则第聚焦点Pgh的回波幅值
Figure GDA0002826786430000052
S58：若h&lt；m，则h＝h+1，返回S53，若h＝m，则顺序执行；
S59：若g&lt；n，则g＝g+1，返回S52，若g＝n，则完成待测区域聚焦点的回波幅值对应矩阵F的排列。
进一步地，S6包括以下具体步骤：
Figure GDA0002826786430000061
S61：计算总零位误差；
S62：计算误差均值q＝Q/(n×m)；
S63：计算去除零位误差的回波幅值矩阵F0＝F-q；
S64：计算归一化回波幅值矩阵F1，F1中各元素通过式(3)计算得到，
Figure GDA0002826786430000062
将F1所有数据向下取整，归一成-127至+128的整数；
S65：将F1对应256位色谱，形成待测区域的探测图像，根据探测图像判断工件内部的裂纹与气孔。
接收阵元接收到的回波并将回波能量转化为电压幅值数据储存，生成声波的波形信号(如图3、图4所示)，因此波形数据为正负对称的波形数据，每个接收阵元在接收时间内所采集的数据的和应为0，但由于数据采集时的误差，可能导致数据0位不准确，因此叠加之后要对图像矩阵做去直流分量处理以校准数据0位，然后在对处理后的图像矩阵数据做归一化处理，最后通过256位色谱，对待测区域成像，根据成像结果判断工件内部的裂纹与气孔等伤痕。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选用阵元数量为N的线阵换能器，将线阵换能器耦合于工件待测面，设线阵换能器的阵元中心距为D；
S2：N个阵元依次发射超声波，当第i个阵元发射超声波时，第i、i+1、i+2、……、N阵元同时按时序采集回波，将第j阵元接收采集到的第i阵元发出的超声波回波幅值记入序列矩阵元素Aij(t)，形成序列矩阵A(t)，序列矩阵中j＜i的元素Aij(t)赋值为0；
S3：将工件的待测区域划分为n×m个聚焦点，所述聚焦点行列间距为d；
S4：计算发射阵元i至聚焦点再至接收阵元j的折线路程，再计算声波途径所述折线路程所需时间t0，从所述Aij(t)中获取相应的Aij(t0)，将发射阵元与接收阵元循环组合后获得全部矩阵元素Aij(t0)排列成矩阵A0，将所述A0的所有非零元素累加后获得聚焦点的回波幅值，并将各聚焦点的回波幅值排列成与待测区域相应的回波幅值矩阵F；
所述S4中t0采用式(1)计算：
Figure FDA0002569105580000011
式中，c为材料中的声速，在xoz坐标系中，待测区域第g行第h列的聚焦点Pgh的坐标为(x,z)，其中x＝(h-1)×d，z＝(g-1)×d，第i阵元坐标为(xi,0)，第j阵元坐标为(xj,0)，其中xi＝(i-1)×D，xj＝(j-1)×D；
所述S4中F的各元素采用公式(2)
Figure FDA0002569105580000012
计算；
S5：将所述回波幅值矩阵F归一化处理，参照色谱，形成待测区域的探测图像，根据探测图像判断工件内部的裂纹与气孔；
S5包括以下具体步骤：
S51：求F的总零位误差
Figure FDA0002569105580000013
S52：计算误差均值q＝Q/(n×m)；
S53：计算去除零位误差的回波幅值矩阵F0＝F-q；
S54：计算归一化回波幅值矩阵F1，
Figure FDA0002569105580000021
将F1所有数据向下取整，归一成-127至+128的整数；
S55：将F1对应256位色谱，形成待测区域的探测图像，根据探测图像判断工件内部的裂纹与气孔。
2.根据权利要求1所述的三角矩阵聚焦成像的工件探伤检测方法，其特征在于，所述S2中，接收阵元采集超声回波的采集周期取0.01微秒。
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