CN109781846A - 一种水下船体缺陷检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声检测技术领域,特别涉及一种水下船体缺陷检测系统及其检测方法,检测系统包括超声阵列换能器系统、牵引装置、下位机系统和上位机系统,超声阵列换能器系统固定在牵引装置上,牵引装置安装在被测船体侧方,系统通过上位机系统输入指令,通过以太网通讯协议,将指令传输至下位机系统,实现声信号的发射、接收及处理;下位机系统通过线缆与超声阵列换能器系统相连,实现激励信号与回波信号的传输,下位机系统包括超声相控阵高压脉冲发射模块、收发隔离模块、前置放大电路、A/D采集电路、FPGA主控模块以及电源模块。本发明利用超声波技术,对水下船体进行全方位扫描,检测无盲区,能够三维成像,使得检测结果准确、清晰。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域,特别涉及一种水下船体缺陷检测系统及其检测方法。
背景技术
要完成对水下船体的缺陷检测,通常存在检测的速度和正确度等技术要求;加之,由于水下船体所处的特殊环境,光线弱、压强大等原因,给缺陷检测工作带来了巨大的难度,即使耗费大量的人力和物力,也很难保证检测的有效性。
在该领域,目前行之有效水下船体检测的方法较少,以往会采用人工检测的方法,此方法对检测人员经验要求较高,且存在安全隐患,同时在进行较大船只的检测时需要花费很大的人力;而随着科技的快速发展,计算机图像处理技术越来越多被应用到船舶行业,图像检测法是利用水下摄像机或者水下机器人获取水下船体缺陷信息,但在水下检测时受限制较大,成本较高,且当水体较为浑浊或水流过大时,检测结果也不理想。就水下船体缺陷检测技术而言,急需一种新的检测方法,提高生产效率,降低生产成本。
随着海洋探测技术的不断发展,水声探测的研究向着高精度、高空间分辨和具有良好实时性的趋势发展,一些发展较为成熟的侧扫声呐可实现对水下地形的三维测量。假如能将声呐技术应用于水下船体缺陷检测,将会很大的提高检测速度与准确度。因此,该项工作的开展,对确保货物和人员的安全具有重要的现实意义和深远影响。为此,以超声相控阵技术为技术支撑,设计一种水下船体缺陷检测方法,保证船舶的安全行驶,消除安全隐患,以获得更大的经济效益和社会效益,为船舶缺陷检测提供技术支撑,使我国在船舶检修技术方面处于国际领先地位。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种水下船体缺陷检测系统及其检测方法,利用超声波技术,对水下船体进行全方位扫描,检测无盲区,能够三维成像,使得检测结果准确、清晰。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案来实现:
一种水下船体缺陷检测系统,包括:超声阵列换能器系统、牵引装置、下位机系统和上位机系统,所述超声阵列换能器系统固定在牵引装置上,牵引装置安装在被测船体侧方,系统通过上位机系统输入指令,通过以太网通讯协议,将指令传输至下位机系统,实现声信号的发射、接收及处理;下位机系统通过线缆与超声阵列换能器系统相连,实现激励信号与回波信号的传输,即通过上位机系统输入指令,通过下位机系统反馈给超声阵列换能器系统执行,所述下位机系统包括超声相控阵高压脉冲发射模块、收发隔离模块、前置放大电路、 A/D采集电路、FPGA主控模块以及电源模块,FPGA主控模块中使用FPGA型号为EP4CE30F23C7,控制及处理功能强大,所述FPGA主控模块的输出端与超声相控阵高压脉冲发射模块的输入端相连接,超声相控阵高压脉冲发射模块用于产生32通道、可控的脉冲信号,这些信号能够分别、独立地激励超声阵列换能器系统的各个阵元发射超声波束,所述超声相控阵高压脉冲发射模块的输出端与收发隔离模块的输入端相连接,收发隔离模块用于超声相控阵高压脉冲发射模块中高压脉冲发射信号和微小接收信号的隔离,所述电源模块分别与声相控阵高压脉冲发射模块、收发隔离模块、前置放大电路、A/D采集电路、FPGA 主控模块连接为其供电,电源模块输出+12V、-12V、+5V、-5V、+3.3V电压进行供电,采用DC-DC电源转换器提供单路和双路稳压输出,所述收发隔离模块的输出端与前置放大电路的输入端相连接,前置放大电路用于对接收到的回波信号进行滤波和放大调理,前置放大电路的输出端与A/D采集电路的输入端相连接,A/D采集电路的输出端与FPGA主控模块的输入端相连接。
作为本设计的一种优选技术方案,所述超声阵列换能器系统包括声透镜、灌胶层、复合型压电陶瓷、不锈钢外壳、硬质泡沫、密封圈和电缆,所述不锈钢外壳下端通过螺钉连接有底座,所述密封圈设置在不锈钢外壳与底座间,所述声透镜设置在不锈钢外壳上端,所述灌胶层设置在声透镜下端,所述灌胶层下端设置有复合型压电陶瓷,所述复合型压电陶瓷下端设置有硬质泡沫,所述灌胶层、复合型压电陶瓷、硬质泡沫均位于不锈钢外壳内,所述电缆贯穿底座后与复合型压电陶瓷连接。
作为本设计的一种优选技术方案,所述上位机系统包括PC机,所述PC机与下位机系统之间通过以太网进行通讯,所述下位机系统与超声阵列换能器系统之间通过线缆进行通信。
一种水下船体缺陷检测方法,使用上述的水下船体缺陷检测系统,包括以下步骤,
步骤一:将超声阵列换能器系统装载在牵引装置上,通过PC机计算出超声阵列换能器系统中各振元的时延数据,采用以太网通讯将时延数据传递给FPGA 主控模块,FPGA主控模块发出的方波信号经过功率放大模块后驱动超声阵列换能器系统工作;
步骤二:超声阵列换能器系统发射的声波信号在遇到被检测小船时会发生反射,反射声波信号被超声阵列换能器系统接收后经前置放大电路的滤波放大处理,再经A/D采集电路转换后通过以太网传递给PC机,在PC机上存储并显示整个波形,该波形携带了反射点的位置信息;
步骤三:通过超声阵列换能器系统发射多个正弦填充脉冲信号,将第一个正弦波的波峰作为发射信号的起点,所有阵元信号发射完毕后开始采集信号;采集到的带有反射波的信号与多个正弦填充脉冲信号进行卷积运算,得到高信噪比的信号,从而计算出反射点距离各接收振元的距离,利用双曲线交汇法获得反射点的三维空间坐标,在超声阵列换能器系统长度方向上利用相控改变焦点位置,反射点位置随之改变,可以得到超声阵列换能器系统长度方向一条扫面线上各反射点的三维空间坐标;
步骤四:完成一扫描线的点云数据获取后,通过牵引装置移动超声阵列换能器系统,以上述同样的方式再一次进行扫描,完成对整个水下船体的扫描,获取整个水下船体的三维点云数据;
步骤五:最后使用这些点云数据进行网格曲面重建,网格重建采用Delaunay 三角化算法,通过Lawson算法和Watson算法实现Delaunay三角化,完成水下船体曲面重建,获取水下船体的三维成像,从而判断水下船体缺陷状况。
本发明的有益效果为:
1.设计的水下船体缺陷检测系统包括超声阵列换能器系统、牵引装置、下位机系统和上位机系统,通过牵引装置带动超声阵列换能器系统运行,系统通过上位机系统输入指令,通过下位机系统实现声信号的发射、接收及处理,通过超声阵列换能器系统实现激励信号与回波信号的传输,利用超声波技术,通过上位机系统、下位机系统、超声阵列换能器系统的配合工作实现对水下船体进行全方位扫描,检测无盲区,能够三维成像,水下船体缺陷情况一目了然,使得检测效率高,结果准确、清晰,且不易受水质浑浊、能见度低、水流等条件限制,应用广泛,抗干扰性强,避免了人工检测等传统方法存在的安全隐患的、受限制多,成本高等缺点。
2.结合发明中水下船体缺陷检测系统,本发明的水下船体缺陷检测方法分步骤通过PC机控制超声阵列换能器系统在宽度方向偏转聚焦,完成对水下船体的扫描,获取水下船体点云数据,通过算法对扫描面进行成像显示,判断出船体缺陷情况,方法操作简单。
3.采用相控阵技术实现偏转聚焦,减小了超声阵列换能器系统的数量,扩大了扫描范围,提高了扫描效率;
4.利用上位机系统进行操作,可以实时显示回波信号与成像结果,简单明了,便于操作。
5.采用超声波作为发射信号,成本低、对人体安全无害。
附图说明
图1是本发明中水下船体缺陷检测系统的测量安装示意图;
图2是是本发明中水下船体缺陷检测系统的系统框图;
图3是是本发明中超声阵列换能器系统的剖示图;
图4是本发明中超声阵列换能器系统的正面示意图;
图5是本发明中超声阵列换能器系统的扫描示意图;
图6是本发明对回波信号处理示意图。
Claims (7)
1.一种水下船体缺陷检测系统,其特征在于,包括:超声阵列换能器系统(5-2)、牵引装置(5-3)、下位机系统(5-4)和上位机系统(5-5),所述超声阵列换能器系统(5-2)固定在牵引装置(5-3)上,牵引装置(5-3)安装在被测船体侧方,所述下位机系统(5-4)包括超声相控阵高压脉冲发射模块(541)、收发隔离模块(542)、前置放大电路(543)、A/D采集电路(544)、FPGA主控模块(545)以及电源模块(546),所述FPGA主控模块(545)的输出端与超声相控阵高压脉冲发射模块(541)的输入端相连接,所述超声相控阵高压脉冲发射模块(541)的输出端与收发隔离模块(542)的输入端相连接,所述电源模块(546)分别与声相控阵高压脉冲发射模块(541)、收发隔离模块(542)、前置放大电路(543)、A/D采集电路(544)、FPGA主控模块(545)连接为其供电,所述收发隔离模块(542)的输出端与前置放大电路(543)的输入端相连接,前置放大电路(543)的输出端与A/D采集电路(544)的输入端相连接,A/D采集电路(544)的输出端与FPGA主控模块(545)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的水下船体缺陷检测系统,其特征在于:所述超声阵列换能器系统(5-2)包括声透镜(3-1)、复合型压电陶瓷(3-3)、不锈钢外壳(3-4)、硬质泡沫(3-5)、密封圈(3-7)和电缆(3-8),所述不锈钢外壳(3-4)下端通过螺钉连接有底座,所述密封圈(3-7)设置在不锈钢外壳(3-4)与底座(3-9)间,所述声透镜(3-1)设置在不锈钢外壳(3-4)上端,所述复合型压电陶瓷(3-3)设置在声透镜(3-1)下端,所述复合型压电陶瓷(3-3)下端设置有硬质泡沫(3-5),所述复合型压电陶瓷(3-3)、硬质泡沫(3-5)均位于不锈钢外壳(3-4)内,所述电缆(3-8)贯穿底座(3-9)后与复合型压电陶瓷(3-3)相连接。
3.根据权利要求1所述的水下船体缺陷检测系统,其特征在于:所述上位机系统(5-5)包括PC机,所述PC机与下位机系统(5-4)之间通过以太网进行通讯,所述下位机系统(5-4)与超声阵列换能器系统(5-2)之间通过线缆进行通信。
4.根据权利要求2所述的水下船体缺陷检测系统,其特征在于:所述超声阵列换能器系统(5-2)还包括灌胶层(3-2),所述灌胶层(3-2)设置在声透镜(3-1)与复合型压电陶瓷(3-3)之间,所述灌胶层(3-2)位于不锈钢外壳(3-4)内。
5.一种水下船体缺陷检测方法,使用权利要求1至4中任意一项水下船体缺陷检测系统,其特征在于:包括以下步骤,
步骤一:将超声阵列换能器系统(5-2)装载在牵引装置(5-3)上,通过PC机计算出超声阵列换能器系统(5-2)中各振元的时延数据,采用以太网通讯将时延数据传递给FPGA主控模块(545),FPGA主控模块(545)发出的方波信号经过功率放大模块后驱动超声阵列换能器系统(5-2)工作;
步骤二:超声阵列换能器系统(5-2)发射的声波信号在遇到被检测小船时会发生反射,反射声波信号被超声阵列换能器系统(5-2)接收后经前置放大电路(543)的滤波放大处理,再经A/D采集电路(544)转换后通过以太网传递给PC机,在PC机上存储并显示整个波形,该波形携带了反射点的位置信息;
步骤三:根据获取的波形数据可以计算出反射点到各接收振元的距离,利用双曲线交汇法获得反射点的三维空间坐标,在超声阵列换能器系统(5-2)长度方向上利用相控改变焦点位置,反射点位置随之改变,可以得到超声阵列换能器系统(5-2)长度方向一条扫面线上各反射点的三维空间坐标;
步骤四:完成一扫描线的点云数据获取后,通过牵引装置(5-3)移动超声阵列换能器系统(5-2),以上述同样的方式再一次进行扫描,完成对整个水下船体的扫描,获取整个水下船体的三维点云数据;
步骤五:最后使用这些点云数据进行网格曲面重建,完成水下船体曲面重建,获取水下船体的三维成像判断水下船体缺陷状况。
6.根据权利要求5所述的水下船体缺陷检测方法,其特征在于:步骤三中反射点到各接收振元的距离计算方法为,通过超声阵列换能器系统(5-2)发射多个正弦填充脉冲信号,将第一个正弦波的波峰作为发射信号的起点,所有阵元信号发射完毕后开始采集信号;采集到的带有反射波的信号与多个正弦填充脉冲信号进行卷积运算,得到高信噪比的信号,从而计算出反射点距离各接收振元的距离。
7.根据权利要求5所述的水下船体缺陷检测方法,其特征在于:所述网格曲面重建采用Delaunay三角化算法,通过Lawson算法和Watson算法实现Delaunay三角化,完成水下船体曲面重建。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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