CN109342561B - 曲面焊件超声波检测装置及方法 - Google Patents

曲面焊件超声波检测装置及方法 Download PDF

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    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only

Abstract

本发明涉及一种曲面焊件超声波检测装置及方法，属于超声波检测领域。检测装置的超声探头与超声波检测模块连接，超声波检测模块通过PCI总线与工业计算机连接，超声波探头支架与超声探头连接，使超声探头实现在空间中对焊件进行随型检测，位于超声波探头支架上的激光测距传感器和倾角传感器将光程变化和角度变化转换为电信号反馈到内置于工业计算机的数据采集卡，通过计算机对所有扫查位置的超声信号数据进行整合分析，从而实现工件内部焊缝状态检测结果图形化。检测方法包括工件表面处理、扫查机构初始位置选定和参数读取和工件表面扫查等步骤。解决了常用机械装置驱动超声波探头难以实现复杂随机焊件以及尺寸较大的焊件的定量检测问题。

Description

曲面焊件超声波检测装置及方法
技术领域
本发明涉及超声检测领域，特别涉及一种曲面焊件超声波检测装置及方法，是一种基于激光测距与倾角测量的曲面焊件定位超声波检测方法。
背景技术
超声波检测是目前工业上比较通用的无损检测方法，其检测方法一般分为定性检测和定量检测。
定量超声检测，大多采用机械机构驱动超声波探头，通过对机械机构的控制，使超声波探头移动到待检测位置，通过每个检测点反馈的步进电机的位置信息与超声波探头的超声波信息，从而得到超声波探头对应的位置的工件的内部状态，通过计算机内部进行拟合，可以以图像的形势显示出来，从而对焊件内部状态进行分析。但是，当被检查工件尺寸较大，检测设备的空间运动范围要求也更大，曲率变化也更多，机械结构的设计也将变得非常复杂，很难实现定量检测，需要对检测装置进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种曲面焊件超声波检测装置及方法，解决现有技术存在的机械驱动超声波探头检测时很难实现复杂曲面或者是大尺寸曲面的定量超声检测问题，解决机驱动检测装置成本高，结构复杂，应用局限性的问题，同时对工件内部状态进行数值拟合成图反馈。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
曲面焊件超声波检测装置，包括工业计算机1、超声卡检测模块2、支撑轮A3、支撑轮B4、支撑轮C5、超声波探头6、传感器支架7、激光测距传感器A8、激光测距传感器B9、倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11、激光测距传感器C12，所述传感器支架7与支撑轮A3、支撑轮B4、支撑轮C5装配在一起，超声波探头6与传感器支架7相连，激光测距传感器A8、激光测距传感器B9、激光测距传感器C12分别与传感器支架7相连，倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11与传感器支架7相连，工业计算机1通过信号线与超声卡检测模块2相连，超声卡检测模块2与超声波探头6相连采集超声数据，同时工业计算机1通过无线模块采集激光测距传感器A8、激光测距传感器B9、激光测距传感器C12、倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11的数据；
所述传感器支架7包括壳体701、探头观察口702、X向激光测距传感器导轨703、Y向激光测距传感器导轨704、超声探头安装导轨A705、超声探头安装导轨B706、超声探头固定壳707、超声探头安装滑轨A708、超声探头安装滑轨B709，所述超声探头固定壳707与超声探头安装滑轨A708、超声探头安装滑轨B709相连，在Z向上下移动；
所述激光测距传感器A8通过导轨安装孔801安装在X向激光测距传感器导轨703上，用来测量X方向上的光程数据，激光测距传感器A8上具有激光发射口802、激光接收口803，所述激光测距传感器A8底部配重，在运动过程中一直保持垂直于水平方向，激光发射口802射出的光线一直平行于水平面，所述激光测距传感器B9结构与激光测距传感器A8相同，安装在Y向激光测距传感器导轨704上，用来测量Y方向上的光程数据。
所述的支撑轮A3、支撑轮B4、支撑轮C5为磁力轮，超声波探头6与支撑轮A3、支撑轮B4、支撑轮C5确定的平面相互垂直。
所述的超声探头安装滑轨A708、超声探头安装滑轨B709为微型精密滚珠滑组，由外滑轨、内滑块和滚珠传动系统组成，内滑块与超声波探头固定壳707相连，超声探头安装导轨A705、超声探头安装导轨B706固定在传感器支架7上，保证超声波探头扫查过程中在Z向的平稳移动；X向激光测距传感器导轨703、Y向激光测距传感器导轨704分别安装在壳体701上，所述壳体701上设置有探头观察口702。
所述的激光测距传感器A8、激光测距传感器B9为单点式高精度激光测距传感器，可以发射和接收激光束，并反馈激光传播过程中的光程信息，经过工业计算机1采集模块采集后转换为检测装置位置信息。
所述的超声波探头6为单阵元超声探头，其超声频率根据曲面焊件14的材料和板厚进行选择；超声波探头6通过超声探头连接线与超声卡检测模块2连接在一起，实现在非水浸的情况下对曲面焊件14进行检测。
所述的倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11为紧凑式双轴倾角传感器，可在测量曲面焊件14时测得检测装置倾斜角度并传递给工业计算机1。
所述的工业计算机1为强固型便携机。
本发明的另一目的在于提供一种曲面焊件超声波检测方法，包括如下步骤：
步骤（1）对待测工件的表面进行处理：在进行超声波检测之前，对工件表面进行除尘、除油、涂耦合剂处理，减少因表面杂质对超声波信号带来的干扰；
步骤（2）曲面焊件超声波检测装置初始位置的调整，将曲面焊件超声波检测装置放在待测工件上，根据倾角测量传感器B11的数据对调整检测装置，保证激光测距传感器A8射出的光线与挡板13垂直，保证对位置数据进行计算的稳定性和准确性；
步骤（3）对工件进行检测，检测装置在工件表面进行扫查，采集工件内部超声信号，对焊缝进行计算机可视化进行缺陷分析；
3.1通过手持检测装置在待测工件表面进行往复运动，使得安装在检测装置上的超声波探头发射的超声波覆盖需要检测的区域；
3.2在扫查过程中，探头每经过一个点，都会反馈超声波数据给计算机以及激光测距传感器A、B的光程数据L1、L2和倾角测量传感器A、B的角度数据θ1、θ2、θ3，L1为激光测距传感器A8方向上的光程数据，L2是激光测距传感器B9方向上的光程数据，θ1和θ2为倾角测量传感器A10的角度数据，θ3为倾角测量传感器B11的角度数据；
3.3通过工业计算机1内置算法对光程数据和倾角数据进行处理，根据内置的算法计算出检测仪器的位置信息；
3.4在同一点进行超声波发射及回波信号的数据采集，工业计算机1有内置数据处理模块，根据内置算法对超声波信号进行去噪处理：根据超声波在界面处反射的特性，当超声波在工件内部遇到杂质、裂纹、未焊合缺陷时，由于缺陷与母材有明显的界面，因此会在当前位置反射回波，在内置算法中设定回波检测阈值，便可以对曲面焊件14内部有无缺陷进行判定；
3.5移动检测装置使超声波探头置于下一个检测点，重复进行A扫描，在完成所有点的扫描后，将检测装置收起；
3.6将所有的点的数据构成一个三维矩阵，然后按照编码规则将其转化为该扫描区域的C扫描图像；对初始C扫描图像进行分割处理，然后对图像的内部缺陷特征进行识别，并通过内置算法对焊缝面积及缺陷面积进行计算，完成对曲面焊件14的检测。
本发明的有益效果在于：构思新颖，结构简单，解决了机械机构驱动超声探头难以实现复杂曲面件和大尺寸曲面件的定量超声检测问题，同时对工件内部缺陷进行扫查，并通过计算机拟合形成数值和图像反馈。实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的曲面焊件超声波检测装置的整体结构示意图；
图2、图3为本发明的超声探头支架的剖视示意图；
图4为本发明的超声探头支架的仰视示意图；
图5为本发明的激光测距传感器的装配示意图；
图6、图7为本发明的检测示意图；
图8为本发明的原理图；
图9为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图9所示，本发明的曲面焊件超声波检测装置及方法，检测装置的超声探头与超声波检测模块连接，超声波检测模块通过PCI总线与工业计算机连接，超声波探头支架与超声探头连接，使超声探头实现在空间中对焊件进行随型检测，位于超声波探头支架上的激光测距传感器和倾角传感器将光程变化和角度变化转换为电信号反馈到内置于工业计算机的数据采集卡，通过计算机对所有扫查位置的超声信号数据进行整合分析，从而实现工件内部焊缝状态检测结果图形化。检测方法包括工件表面处理、扫查机构初始位置选定和参数读取和工件表面扫查等步骤。解决了常用机械装置驱动超声波探头难以实现复杂随机焊件以及尺寸较大的焊件的定量检测问题。
参见图1至图7所示，本发明的曲面焊件超声波检测装置包括工业计算机1、超声卡检测模块2、支撑轮A3、支撑轮B4、支撑轮C5、超声波探头6、传感器支架7、激光测距传感器A8、激光测距传感器B9、倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11、激光测距传感器C12，所述传感器支架7与支撑轮A3、支撑轮B4、支撑轮C5装配在一起，超声波探头6与传感器支架7相连，使超声探头6实现在检测工件时能保证良好的曲面随型效果和耦合效果；激光测距传感器A8、激光测距传感器B9、激光测距传感器C12分别与传感器支架7相连，倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11与传感器支架7相连，工业计算机1通过信号线与超声卡检测模块2相连，超声卡检测模块2与超声波探头6相连采集超声数据，同时工业计算机1通过无线模块采集位于超声探头支架7上的激光测距传感器A8、激光测距传感器B9、激光测距传感器C12、倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11的数据进行探头位置计算。
所述传感器支架7包括壳体701、探头观察口702、X向激光测距传感器导轨703、Y向激光测距传感器导轨704、超声探头安装导轨A705、超声探头安装导轨B706、超声探头固定壳707、超声探头安装滑轨A708、超声探头安装滑轨B709，所述超声探头固定壳707与超声探头安装滑轨A708、超声探头安装滑轨B709相连，在Z向可以做一定幅度的上下移动，保证运动过程中的随型效果；
所述激光测距传感器A8通过导轨安装孔801安装在X向激光测距传感器导轨703上，用来测量X方向上的光程数据，激光测距传感器A8上具有激光发射口802、激光接收口803，所述激光测距传感器A8底部配重，在运动过程中一直保持垂直于水平方向，激光发射口802射出的光线一直平行于水平面，所述激光测距传感器B9结构与激光测距传感器A8相同，安装在Y向激光测距传感器导轨704上，用来测量Y方向上的光程数据。
所述的支撑轮A3、支撑轮B4、支撑轮C5为磁力轮，能保证结构运动过程中随型效果的稳定性，超声波探头6与支撑轮A3、支撑轮B4、支撑轮C5确定的平面相互垂直，保证检测效果稳定。
所述的超声探头安装滑轨A708、超声探头安装滑轨B709为微型精密滚珠滑组，由外滑轨、内滑块和滚珠传动系统组成，可实现滑轨内外滑块间相对运动，内滑块与超声波探头固定壳707相连，超声探头安装导轨A705、超声探头安装导轨B706固定在传感器支架7上，保证超声波探头扫查过程中在Z向的平稳移动；X向激光测距传感器导轨703、Y向激光测距传感器导轨704分别安装在壳体701上，所述壳体701上设置有探头观察口702。
所述的激光测距传感器A8、激光测距传感器B9为单点式高精度激光测距传感器，可以发射和接收激光束，并反馈激光传播过程中的光程信息，经过工业计算机1采集模块采集后转换为检测装置位置信息。
所述的超声波探头6为单阵元超声探头，其超声频率根据曲面焊件14的材料和板厚进行选择；超声波探头6通过超声探头连接线与超声卡检测模块2连接在一起，实现在非水浸的情况下对曲面焊件14进行检测。
所述的倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11为紧凑式双轴倾角传感器，可在测量曲面焊件14时测得检测装置倾斜角度并传递给工业计算机1，通过工业计算机1整合激光测距传感器8和激光测距传感器9数据来反映装置位置信息用于检测。
所述的工业计算机1为强固型便携机，用于接受激光测距传感器A8和激光测距传感器B9的数据，超声波探头6的超声数据，倾角测量传感器A10、倾角测量传感器B11的角度数据，对扫查数据进行数据处理及图形化输出，直观显示扫查区域焊缝表面质量检测结果。
参见图8及图9所示，本发明的曲面焊件超声波检测方法，包括如下步骤：
步骤（1）对待测工件的表面进行处理：在进行超声波检测之前，对工件表面进行除尘、除油、涂耦合剂处理，减少因表面杂质对超声波信号带来的干扰；
步骤（2）曲面焊件超声波检测装置初始位置的调整，启动计算机1，加载超声检测参数，将曲面焊件超声波检测装置放在待测工件上，根据倾角测量传感器B11的数据对调整检测装置，保证激光测距传感器A8射出的光线与挡板13垂直，保证对位置数据进行计算的稳定性和准确性；
步骤（3）对工件进行检测，检测装置在工件表面进行扫查，采集工件内部超声信号，对焊缝进行计算机可视化进行缺陷分析；
3.1通过手持检测装置在待测工件表面进行往复运动，使得安装在检测装置上的超声波探头发射的超声波覆盖需要检测的区域；
3.2在扫查过程中，探头每经过一个点，都会反馈超声波数据给计算机以及激光测距传感器A、B的光程数据L1、L2和倾角测量传感器A、B的角度数据θ1、θ2、θ3，L1为激光测距传感器A8方向上的光程数据，L2是激光测距传感器B9方向上的光程数据，θ1和θ2为倾角测量传感器A10的角度数据，θ3为倾角测量传感器B11的角度数据；
3.3通过工业计算机1内置算法对光程数据和倾角数据进行处理，根据内置的算法计算出检测仪器的位置信息；
3.4在同一点进行超声波发射及回波信号的数据采集，工业计算机1有内置数据处理模块，根据内置算法对超声波信号进行去噪处理：根据超声波在界面处反射的特性，当超声波在工件内部遇到杂质、裂纹、未焊合缺陷时，由于缺陷与母材有明显的界面，因此会在当前位置反射回波，在内置算法中设定回波检测阈值，便可以对曲面焊件14内部有无缺陷进行判定；
3.5移动检测装置使超声波探头置于下一个检测点，重复进行A扫描，在完成所有点的扫描后，将检测装置收起；
3.6将所有的点的数据构成一个三维矩阵，然后按照编码规则将其转化为该扫描区域的C扫描图像；对初始C扫描图像进行分割处理，然后对图像的内部缺陷特征进行识别，并通过内置算法对焊缝面积及缺陷面积进行计算，完成对曲面焊件14的检测。
在装置上激光测距传感器距离超声波探头距离为D1，激光测距传感器垂直方向上高度为H1，激光测距传感器12的数据为L3，在检测曲面焊缝时可认为该数据为Z向高度。可以获得探头的三维坐标数据，可表示为X=（L1+D1)—H1Cosθ1，Y=（L2+D1)—H1Cosθ2，Z=L3，组成一组数据（X,Y,Z）。扫描检测过程中，工业计算机计算机1根据激光测距传感器A、B以及倾角测量传感器A、B的数据利用其内置坐标算法程序，计算当下时刻超声探头6的位置坐标，并同时控制超声信号发射及采集装置2发射及采集超声信号，实现超声波探头6在当下位置的超声检测；以一定的时间周期重复上述过程，获得全部扫查区域三维位置坐标数组，及与每一位置坐标值一一对应的超声检测信号数据数组。最后，分析整合超声探头三维位置坐标及相应超声检测信号数据数组信息，获得超声扫描检测图像数据信息，在工业计算机1的显示屏上呈现出所检测区域的图像，实现质量检测及缺陷分析。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种曲面焊件超声波检测装置，其特征在于：包括工业计算机（1）、超声卡检测模块（2）、支撑轮A（3）、支撑轮B（4）、支撑轮C（5）、超声波探头（6）、传感器支架（7）、激光测距传感器A（8）、激光测距传感器B（9）、倾角测量传感器A（10）、倾角测量传感器B（11）、激光测距传感器C（12），所述传感器支架（7）与支撑轮A（3）、支撑轮B（4）、支撑轮C（5）装配在一起，超声波探头（6）与传感器支架（7）相连，激光测距传感器A（8）、激光测距传感器B（9）、激光测距传感器C（12）分别与传感器支架（7）相连，倾角测量传感器A（10）、倾角测量传感器B（11）与传感器支架（7）相连，工业计算机（1）通过信号线与超声卡检测模块（2）相连，超声卡检测模块（2）与超声波探头（6）相连采集超声数据，同时工业计算机（1）通过无线模块采集激光测距传感器A（8）、激光测距传感器B（9）、激光测距传感器C（12）、倾角测量传感器A（10）、倾角测量传感器B（11）的数据；
所述传感器支架（7）包括壳体（701）、探头观察口（702）、X向激光测距传感器导轨（703）、Y向激光测距传感器导轨（704）、超声探头安装导轨A（705）、超声探头安装导轨B（706）、超声探头固定壳（707）、超声探头安装滑轨A（708）、超声探头安装滑轨B（709），所述超声探头固定壳（707）与超声探头安装滑轨A（708）、超声探头安装滑轨B（709）相连在Z向下移动；
所述激光测距传感器A（8）通过导轨安装孔（801）安装在X向激光测距传感器导轨（703）上，用来测量X方向上的光程数据，激光测距传感器A（8）上具有激光发射口（802）、激光接收口（803），所述激光测距传感器A（8）底部配重，在运动过程中一直保持垂直于水平方向，激光发射口（802）射出的光线一直平行于水平面，所述激光测距传感器B（9）结构与激光测距传感器A（8）相同，安装在Y向激光测距传感器导轨（704）上，用来测量Y方向上的光程数据。
2.根据权利要求1所述的曲面焊件超声波检测装置，其特征在于：所述的支撑轮A（3）、支撑轮B（4）、支撑轮C（5）为磁力轮，超声波探头（6）与支撑轮A（3）、支撑轮B（4）、支撑轮C（5）确定的平面相互垂直。
3.根据权利要求1所述的曲面焊件超声波检测装置，其特征在于：所述的超声探头安装滑轨A（708）、超声探头安装滑轨B（709）为微型精密滚珠滑组，由外滑轨、内滑块和滚珠传动系统组成，内滑块与超声波探头固定壳（707）相连，超声探头安装导轨A（705）、超声探头安装导轨B（706）固定在传感器支架（7）上，保证超声波探头扫查过程中在Z向的平稳移动；X向激光测距传感器导轨（703）、Y向激光测距传感器导轨（704）分别安装在壳体（701）上，所述壳体（701）上设置有探头观察口（702）。
4.根据权利要求1所述的曲面焊件超声波检测装置，其特征在于：所述的激光测距传感器A（8）、激光测距传感器B（9）为单点式高精度激光测距传感器，可以发射和接收激光束，并反馈激光传播过程中的光程信息，经过工业计算机（1）采集模块采集后转换为检测装置位置信息。
5.根据权利要求1所述的曲面焊件超声波检测装置，其特征在于：所述的超声波探头（6）为单阵元超声探头，其超声频率根据曲面焊件（14）的材料和板厚进行选择；超声波探头（6）通过超声探头连接线与超声卡检测模块（2）连接在一起，实现在非水浸的情况下对曲面焊件（14）进行检测。
6.根据权利要求1所述的曲面焊件超声波检测装置，其特征在于：所述的倾角测量传感器A（10）、倾角测量传感器B（11）为紧凑式双轴倾角传感器，可在测量曲面焊件（14）时测得检测装置倾斜角度并传递给工业计算机（1）。
7.根据权利要求1所述的曲面焊件超声波检测装置，其特征在于：所述的工业计算机（1）为强固型便携机。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的曲面焊件超声波检测装置的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）对待测工件的表面进行处理：在进行超声波检测之前，对工件表面进行除尘、除油、涂耦合剂处理，减少因表面杂质对超声波信号带来的干扰；
步骤（2）曲面焊件超声波检测装置初始位置的调整，将曲面焊件超声波检测装置放在待测工件上，根据倾角测量传感器B（11）的数据对调整检测装置，保证激光测距传感器A（8）射出的光线与挡板（13）垂直，保证对位置数据进行计算的稳定性和准确性；
步骤（3）对工件进行检测，检测装置在工件表面进行扫查，采集工件内部超声信号，对焊缝进行计算机可视化进行缺陷分析；
3.1通过手持检测装置在待测工件表面进行往复运动，使得安装在检测装置上的超声波探头发射的超声波覆盖需要检测的区域；
3.2在扫查过程中，探头每经过一个点，都会反馈超声波数据给计算机以及激光测距传感器A、B的光程数据L1、L2和倾角测量传感器A、B的角度数据θ1、θ2、θ3，L1为激光测距传感器A8方向上的光程数据，L2是激光测距传感器B9方向上的光程数据，θ1和θ2为倾角测量传感器A10的角度数据，θ3为倾角测量传感器B11的角度数据；
3.3通过工业计算机（1）内置算法对光程数据和倾角数据进行处理，根据内置的算法计算出检测仪器的位置信息；
3.4在同一点进行超声波发射及回波信号的数据采集，工业计算机（1）有内置数据处理模块，根据内置算法对超声波信号进行去噪处理：根据超声波在界面处反射的特性，当超声波在工件内部遇到杂质、裂纹、未焊合缺陷时，由于缺陷与母材有明显的界面，因此会在当前位置反射回波，在内置算法中设定回波检测阈值，便可以对曲面焊件（14）内部有无缺陷进行判定；
3.5移动检测装置使超声波探头置于下一个检测点，重复进行A扫描，在完成所有点的扫描后，将检测装置收起；
3.6将所有的点的数据构成一个三维矩阵，然后按照编码规则将其转化为该扫描区域的C扫描图像；对初始C扫描图像进行分割处理，然后对图像的内部缺陷特征进行识别，并通过内置算法对焊缝面积及缺陷面积进行计算，完成对曲面焊件（14）的检测。
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