一种超声检测缺陷定性系统和定性方法
技术领域
本发明涉及超声无损检测的技术领域,特别涉及一种超声检测缺陷定性系统和定性方法。
背景技术
结构的缺陷是用于反映和评定物体结构整体状况的其中一个重要指标。结构的缺陷对应研究宏观物体和微观物体的物理特性具有重要的参考意义。对于宏观物体而言,结构的缺陷会影响宏观物体的结构稳固性,特别是结构缺陷的分布密度、形状和尺寸均会对宏观物体的结构稳固性产生重要的影响,通过对宏观物体结构缺陷的定性分析能够很好地获得关于宏观物体的内部结构信息,而这类宏观物体尤其包括桥梁、隧道或者高层建筑等不同形式的工程结构,对上述工程结构的内部结构缺陷进行定性分析能够帮助工程人员确定相应的维修和加固措施从而有效地延长工程结构的使用寿命;对于微观物体而言,结构的缺陷会影响微观物体自身的物理特性,同样地,该结构缺陷的分布密度、形状和尺寸均会对微观物体的力学、光学和热学等不同方面的物理特性产生影响,通过对微观物体结构缺陷的定性分析能够判断微观物体因结构缺陷的存在而导致的物理特性改变方向,而这类微观物质尤其包括晶体等不同种类的基础物质,对于微观物体的内部结构缺陷进行定性分析能够帮助研究人员确定微观物质的合成制作工序和过程从而进一步改善微观物质自身的不同物理特性。
目前,针对物体结构缺陷的检测主要是通过超声波检测法来实现的,该超声波检测法的实施理论基础为若物体结构存在缺陷,该缺陷会影响其所处位置附近区域内物体的声学特性,当超声波经过该缺陷后,对应的反射或者透射超声波的传播参数也会相应地发生改变,通过测定该反射或者透射超声波传输参数的改变情况,就能够获得关于该缺陷的定性检测结果。现有的超声波检测方法只能进行A扫描显示,该A扫描显示需要根据一距离-波幅曲线进行定量分析,其并不能形成关于物体缺陷的直观和准确认识,同时通过该A扫描显示并不能获得关于缺陷的位置、性质、尺寸和方位等具体信息,这导致其对物体缺陷的可记录性并不突出。此外,现有的超声相控阵技术对于物体缺陷的成像存在严重失真的问题,其同样不能根据通过超声相控阵技术形成的图像对物体缺陷进行准确的定性分析。
发明内容
在物体缺陷的超声检测项目中,现有的超声波A扫描成像显示技术和超声相控阵检测技术都分别在缺陷成像直观性、准确性、可记录性或者成像失真性等方面上存在不同程度的不足,受制于上述存在的问题,现有的针对物体缺陷的超声检测手段都只是停留在当量法检测的阶段,而当量法检测的结果并不能直观明了地显示出缺陷检测的相关数据结果,这使得在定性地检测物体结构缺陷,尤其是物体焊接接头缺陷的方面依然存在很大的困难,从而严重地制约超声波检测在定性检测物体缺陷方面的推广应用。
针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种超声检测缺陷定性系统和定性方法,该超声检测缺陷定性系统和定性方法是基于超声相控阵P扫描成像装置来实现的,该超声相控阵P扫描成像装置既可以实施传统的超声检测当量法,又可以利用P扫描成像技术对结构缺陷,比如物体焊接接头缺陷进行定性评价,举例而言,针对物体焊接接头缺陷,该P扫描成像技术能够根据缺陷的形貌特征,辅以焊缝坡口结构、焊接方法和缺陷位置等来进行缺陷性质的判定,从而将物体缺陷的形貌进行重构再现以实现相应的超声定性检测目的。
本发明提供一种超声检测缺陷定性系统,其特征在于,所述超声检测缺陷定性系统包括:
超声相控阵扫描成像模块,用于对目标物进行扫描成像操作,以生成关于所述目标物的形貌信息;
缺陷形貌特征提取模块,用于根据来自所述目标物的超声回波信号得到关于所述目标物的缺陷形貌特征参数;
缺陷定性模块,用于根据所述缺陷形貌特征参数,对所述目标物中存在的缺陷进行定性评价操作,从而得到关于所述目标物的缺陷定性评价结果;
进一步,所述超声相控阵扫描成像模块还包括超声相控阵扫描子模块和计算机断层成像子模块;其中,所述超声相控阵扫描子模块用于发射一阵列形式的超声波以对所述目标物进行扫描检测,从而得到关于所述目标物的剖面扫描信息;所述计算机断层成像子模块用于根据所述剖面扫描信息,进行关于所述目标物的三维重建操作,以得到所述形貌信息;
进一步,所述超声相控阵扫描子模块包括阵列式超声发射器,所述阵列式超声发射器的各个超声发射器按照特定顺序依次发射超声波,来改变超声波在所述目标物内部的传播方向,从而以具有不同入射角度的超声波对所述目标物内部的不同区域进行所述扫描成像操作;
进一步,所述计算机断层成像子模块用于根据所述剖面扫描信息,沿着所述目标物剖面的法线方向进行平行扫描,同时记录所述目标物在不同位置处的剖面图像信息,以此重建关于所述目标物的正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,从而实现所述三维重建操作并得到所述真实形貌信息;
进一步,所述缺陷形貌提取特征模块包括超声回波传感器和信号处理器,所述超声回波传感器用于接收来自所述超声相控阵扫描成像模块的阵列超声波在到达所述目标物后形成的所述超声回波信号,所述信号处理器用于获取所述超声回波信号中关于超声回波在不同角度和不同深度上的超声声束宽度、并且根据所述超声声束宽度得到所述缺陷形貌特征参数;
进一步,所述缺陷定性模块还用于根据所述超声相控阵扫描成像模块得到的关于所述目标物的正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,所述缺陷形貌特征参数,所述目标物中缺陷所处的位置信息,所述目标物中缺陷对应的焊接坡口结构,所述目标物中产生缺陷对应的焊接方法来进行所述定性评价操作并得出所述缺陷定性评价结果;
本发明还提供一种超声检测缺陷定性方法,特征在于,所述超声检测缺陷定性方法包括如下步骤:
步骤(1),对目标物进行扫描成像操作,以此生成关于所述目标物的形貌信息;
步骤(2),根据来自所述目标物反馈的超声回波信号,得到关于所述目标物的缺陷形貌特征参数;
步骤(3),根据所述缺陷形貌特征参数,对所述目标物中存在的缺陷进行定性评价操作,从而得到关于所述目标物的缺陷定性评价结果;
进一步,在步骤(1)中,生成所述形貌信息具体包括通过对所述目标物进行阵列形式超声波的扫描检测得到关于所述目标物的剖面扫描信息,并根据所述剖面扫描信息进行关于所述目标物的三维重建操作,从而得到所述形貌信息;其中,对所述目标物进行阵列形式超声波的扫描检测具体包括按照特定顺序驱动阵列式超声发射器中各个超声发射器依次向所述目标物发射超声波,从而改变超声波在所述目标物内部的传播方向,以使得具有不同入射角度的超声波对所述目标物内部的不同区域进行扫描检测成像;所述进行关于所述目标物的三维重建操作具体包括记录所述目标物在不同位置处的剖面图像信息,以此重建关于所述目标物的正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,从而得到所述形貌信息;
进一步,在步骤(2)中,根据来自所述目标物反馈的超声回波信号,得到关于所述目标物的缺陷形貌特征参数具体包括获取所述超声回波信号中关于超声回波在不同角度和不同深度上的超声声束宽度,并根据所述超声声束宽度得到所述缺陷形貌特征参数;
进一步,在步骤(3)中,根据所述缺陷形貌特征参数,对所述目标物中存在的缺陷进行定性评价操作,从而得到关于所述目标物的缺陷定性评价结果具体包括根据关于所述目标物的正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,所述缺陷形貌特征参数,所述目标物中缺陷所处的位置信息,所述目标物中缺陷对应的焊接坡口结构,所述目标物中产生缺陷对应的焊接方法来进行所述定性评价操作并得出所述缺陷定性评价结果;
相比于现有技术,本发明的超声检测缺陷定性系统和定性方法是基于超声相控阵P扫描成像装置来实现的,该超声相控阵P扫描成像装置既可以实施传统的超声检测当量法,又可以利用P扫描成像技术对结构缺陷,比如物体焊接接头缺陷进行定性评价,该超声检测缺陷定性系统和定性方法主要利用超声相控阵技术、计算机断层成像技术和缺陷提取技术这三种技术来进行物体缺陷的定性评判,从而将物体缺陷的形貌进行重构再现以实现相应的超声定性检测目的。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
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简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的一种超声检测缺陷定性系统的结构示意图。
图2为本发明提供的一种超声检测缺陷定性方法的流程示意图。
具体实施方式
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,所描述的实施例仅仅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。
参阅图1,为本发明实施例提供的一种超声检测缺陷定性系统的结构示意图。该超声检测缺陷定性系统包括超声相控阵扫描成像模块、缺陷形貌特征提取模块和缺陷定性模块。其中,该超声检测缺陷定性系统可包括但不限于是定性检测物体的内部结构缺陷或者外部结构缺陷,进一步,该物体的内部结构缺陷可优选包括物体内部由于应力或者热不平衡等原因导致的内部缺陷,该物体的外部结构缺陷可优选包括由于构件焊接而导致的物体焊接接头缺陷等。实际上,本发明的超声检测缺陷定性系统和定性方法对于上述提及的物体焊接接头缺陷具有较好的缺陷定性效果,而本发明的超声检测缺陷定性系统和定性方法也优选是针对物体焊接接头缺陷而开展的。简单而言,该超声检测缺陷定性系统主要是基于超声相控阵技术、计算机断层成像技术和基于声场特征的缺陷提取技术来对物体缺陷进行定性检测的;相应地,该超声相控阵扫描成像模块具有超声相控阵扫描和计算机断层成像这两种不同的功能,该缺陷形貌特征提取模块具有基于声场特征的缺陷提取功能,即该超声检测缺陷定性系统实质上为一超声相控阵P扫描成像装置,其通过内部集成的不同功能模块对物体缺陷分别进行超声扫描、断层成像和缺陷提取这几个不同的操作步骤,从而最终得到关于该物体缺陷的定性评价结果。
具体而言,该超声相控阵扫描成像模块用于对目标物进行扫描成像操作,以生成关于该目标物的形貌信息。优选地,该超声相控阵扫描成像模块可包括超声相控阵扫描子模块和计算机断层成像子模块;其中,该超声相控阵扫描子模块用于发射一阵列形式的超声波一对该目标物进行扫描检测,从而得到关于该目标物的剖面扫面信息;该计算机断层成像子模块用于根据该剖面扫描信息,进行关于该目标物的三维重建操作,以得到关于该目标物的形貌信息。可见,该超声相控阵扫描子模块具有超声相控阵扫描,而该计算机断层成像子模块则具有计算机断层成像功能。由于计算机断层成像能够重构关于目标物的三维结构图像以获得关于目标物三维结构的直观认识结构,并且该计算机断层成像的执行是基于该超声相控阵扫描所得的关于目标物的剖面扫描信息而得到的,即该计算机断层成像是在超声相控阵扫描得到该目标物存在的结构缺陷的基础上进行的,该超声相控阵扫描成像模块依次对该目标物进行超声相相控阵扫描和计算机断层成像这两个相互关联的检测步骤,能够将现有的计算机断层成像技术与超声相控阵扫描技术两者有机结合在一起,从而使计算机断层成像得到的三维重建图像内包含了超声相控阵扫描成像检测到的缺陷信息,以进一步提高物体结构缺陷定性检测的准确性和可分辨性。
进一步,该超声相控阵扫描子模块包括一阵列式超声发射器,该阵列式超声发射器用于向该目标物扫描投射一具有特定形状分布的超声波;其中,该阵列式超声发射器包括若干个以特定阵列排列形式组成的超声发射器,优选地,该特定阵列排布形式可包括但不限于是线型阵列形式,二维矩形阵列形式、二维圆形阵列形式或者二维环形阵列形式;该阵列式超声发射器中的每一个超声发射器之间优选相对独立地工作,其能够自主地向该目标物投射超声波。实际上,由于具有不同阵列排布形式阵列式超声反射器产生的超声波相应地具有不同分布形状,而具有不同分布形状的超声波扫描投射到目标物上后会生成不同的透射超声波或者反射超声波,基于上述这方面的考虑,本领域的技术人员可根据该目标物的实际形状和尺寸选择合适分布形状的阵列式超声反射器,从而使得该目标物能够获得完整的超声扫描,优选地,该线型阵列形式超声发射器适用于具有细长形状的目标物,该二维矩形阵列形式或者二维圆形阵列形式的超声发射器适用于具有扁平形状的目标物,该二维环形阵列形式的超声发射器适用于在三维方向上尺寸大致相近的立体状目标物。
进一步,该超声相控阵扫描子模块还包括一时钟单元和一致动器阵列单元。其中,所述时钟单元用于生成一时序信号,该时序信号被传输至该阵列式超声发射器中,随后该阵列式超声发射器会根据该时序信号按照特定顺序依次驱动每一个超声发射器发射超声波;优选地,该时序信号可为一系列高低电平集合共同组成的时钟信号,其中,该高低电平集合包括若干高低电平逻辑序列,每一个高低电平逻辑序列中只包括一个高电平,该唯一的一个高电平用于指示当前需要驱动发射超声波对应的超声波发射器,即该阵列式超声波发射器会根据该高低电平集合中的每一个高低电平逻辑序列进行对应超声波发射器的驱动控制,以保证在同一时刻只有一个超声波发射器发射超声波。此外,该致动器阵列单元包括若干个致动器,其中该致动器的数量与该阵列式超声波发射器的超声波发射器数据相同,并且每一个致动器只对应控制唯一一个超声波发射器。该致动器用于改变该超声波发射器对该目标物的超声波投射角度,即该致动器能够改变超声波在该目标物内部的传播方向,从而使该阵列式超声波发射器能够以具有不同入射角度的超声波对该目标物内部的不同区域进行扫描成像操作。优选地,该致动器可为但不限于是一维线性致动器或者二维平面致动器,其中,该一维线性致动器能够沿单一方向改变该超声波发射器投射超声波的角度,该二维平面致动器能够沿相互垂直的两个方向改变该超声波发射器投射超声波的角度。优选地,该致动器阵列单元中的每一个致动器均可同时相互独立地工作、或者在其对应的超声波发射器发射超声波期间才工作。
进一步,该计算机断层成像子模块是用于根据来自该超声相控阵扫描成像模块的剖面扫描信息,沿着该目标物剖面的法线方向进行平行扫描,同时该计算机断层成像子模块还记录该目标物在不同扫描位置处对应的剖面图像信息,以此重建关于该目标物的正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,从而实现该三维重建操作并得到该形貌信息。实际上,该计算机断层成像子模块在接收到该剖面扫描信息后,将该剖面扫描信息转换成一扫描路径信息,该扫描路径信息用于指示该计算机断层成像子模块的断层扫描线路。
具体而言,该缺陷形貌特征提取模块是用于根据来自该目标物的超声回波信号得到关于该目标物的缺陷形貌特征参数。优选地,该缺陷形貌提取特征模块可包括一超声回波传感器和一信号处理器,该超声回波传感器用于接收来自该超声相控阵扫描成像模块的阵列超声波在到达该目标物后形成的该超声回波信号,该信号处理器用于获取该超声回波信号中关于超声回波在不同角度和不同深度上的超声声束宽度、并且根据该超声声束宽度得到该缺陷形貌特征参数。
进一步,该缺陷定性模块可用于根据该缺陷形貌特征参数,对该目标物中存在的缺陷进行定性评价操作,从而得到关于该目标物的缺陷定性评价结果。该缺陷定性模块还用于根据该超声相控阵扫描成像模块得到的关于该目标物的正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,该缺陷形貌特征参数,该目标物中缺陷所处的位置信息,该目标物中缺陷对应的焊接坡口结构,该目标物中产生缺陷对应的焊接方法来进行该定性评价操作并得出该缺陷定性评价结果。
相应地,参阅图2,为本发明实施例提供的一种超声检测缺陷定性方法的流程示意图。优选地,该超声检测缺陷定性方法是基于上述图1所示的超声检测缺陷定性系统而实现的。具体而言,该超声检测缺陷定性方法可包括如下步骤:
步骤(1),对目标物进行扫描成像操作,以此生成关于该目标物的形貌信息。
进一步,在该步骤(1)中,生成该形貌信息具体包括通过对该目标物进行阵列形式超声波的扫描检测得到关于该目标物的剖面扫描信息,并根据该剖面扫描信息进行关于该目标物的三维重建操作,从而得到该形貌信息;其中,对该目标物进行阵列形式超声波的扫描检测具体包括按照特定顺序驱动阵列式超声发射器中各个超声发射器依次向该目标物发射超声波,从而改变超声波在该目标物内部的传播方向,以使得具有不同入射角度的超声波对该目标物内部的不同区域进行扫描检测成像;该进行关于该目标物的三维重建操作具体包括记录该目标物在不同位置处的剖面图像信息,以此重建关于该目标物的正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,从而得到该形貌信息。
步骤(2),根据来自该目标物反馈的超声回波信号,得到关于该目标物的缺陷形貌特征参数。
进一步,在该步骤(2)中,根据来自该目标物反馈的超声回波信号,得到关于该目标物的缺陷形貌特征参数具体包括获取该超声回波信号中关于超声回波在不同角度和不同深度上的超声声束宽度,并根据该超声声束宽度得到所述缺陷形貌特征参数。
步骤(3),根据该缺陷形貌特征参数,对该目标物中存在的缺陷进行定性评价操作,从而得到关于该目标物的缺陷定性评价结果。
进一步,在该步骤(3)中,根据该缺陷形貌特征参数,对该目标物中存在的缺陷进行定性评价操作,从而得到关于该目标物的缺陷定性评价结果具体包括根据关于该目标物的正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,该缺陷形貌特征参数,该目标物中缺陷所处的位置信息,该目标物中缺陷对应的焊接坡口结构,该目标物中产生缺陷对应的焊接方法来进行该定性评价操作并得出该缺陷定性评价结果。
优选地,通过该定性评价操作得到所述缺陷定性评价结果可根据下面的计算模型来实现:
将正视图、俯视图、侧视图和任意深度的切面图像,该缺陷形貌特征参数,该目标物中缺陷所处的位置信息,高目标物中缺陷对应的焊接坡口结构,该目标物中产生缺陷对应的焊接方法等不同参数形成一参数矩阵,然后先考虑每个参数在整个目标物中的重要度,再考虑每个参数在其对应的标准下其合格程度这两个方面来进行分析,从而得到一个整体性的缺陷定性评价分值。
其中,在考虑每个参数在整个目标物中的重要度这一方面中,通过下面公式在计算该重要度
在上述公式中,Ii为第i个参数在整个目标物中的重要度,kij为第i个参数的相对重要度为第j等级时所对应的分值,j为评价各个参数的分类等级,m为参数的总个数,n为分类等级的总数,rj为重要度为第j等级对应参数的个数;
在考虑每个参数在其对应的标准下其合格程度中,通过下面公式在计算该合格程度
在上述公式中,Pi为第i个参数的合格程度,Xil为第i个参数在第l个标准下所对应的分值,由于不同的参数需要有不同的认定标准,故Yl为第l个标准下该标准对应的参数的个数,m为参数的总个数,k为标准的总个数。
再将上面两个公式整合,得到相应的整体性的缺陷定性评价分值
在上述公式中,Q为整体性的缺陷定性评价分值,XT为所有标准中对应的最高分值。最后,再将一预设值与该整体性的缺陷定性评价分值Q进行比较,从而得出该缺陷定性评价结果。
此外,该超声检测缺陷定性系统和定性方法是基于超声检测缺陷定性技术来实现的,该超声检测缺陷定性技术又可称作相控阵超声检测技术,该相控阵超声检测技术是通过控制阵列探头各个阵元的接收与发射的延迟时间,形成合成声束的聚焦、扫描等,从而实现超声波束的偏振、聚焦等各种扫描效果,并最终在扫描范围内实现高分辨率的超声缺陷成像。该超声检测缺陷定性技术(或者相控阵超声检测技术)的具体实现方式可包括但不限于是构造基于原始数据的超声相控阵检测系统、或者基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法等实际操作中。在上述列举的实际操作中,该超声检测缺陷定性技术在相控阵超声发射状态下,阵列换能器中各阵元按照一定延迟规律顺序激发,产生的超声发射子波束在空间合成,形成相应的聚焦点和指向性,并且通过改变各阵元激发的延迟规律,可以改变焦点位置的波束指向,形成在一定空间范围内的扫描聚焦。
进一步而言,在该基于原始数据的超声相控阵检测系统的实际操作中,其具体是基于该超声检测缺陷定性技术,在接收到来自被测物体的超声回波信号后,对该超声回波信号直接进行模数转换处理和波束合成处理后生成一原始数据信息,并基于该原始数据信息直接进行成像处理以及将该原始数据信息直接进行保存以用于后续分析计算的源数据;另外,在该基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法的实际操作中,其具体是基于该超声检测缺陷定性技术,向一反射体投射超声波,并采用检测该反射体反射该超声波而形成的关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,同时对该超声回波进行针对性的信号处理操作,以提取关于该反射体的形貌特征和计算出相应的形貌特征参数。上述这两种不同形式的实际操作虽然各自具有不同的超声波发射、接收和处理程序,这两种不同形式的实际操作所针对的检测对象也是不同的,但是这两种实际操作都是以超声检测缺陷定性技术为基础检测技术,这两者都是在超声检测缺陷定性技术的基础上进行适应性的系统调整;可见,本发明的超声检测缺陷定性系统和定性方法本质上是属于超声缺陷检测的基础技术,其目的是用于提供基于超声相控阵P扫描方式的超声缺陷检测原理与数据处理基础,并以此为基础,在具体缺陷检测对象或者检测数据不同的情况下,对该超声检测缺陷定性技术进行不同实现模式的转换,从而得到上述提及的基于原始数据的超声相控阵检测系统、或者基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法等不同实现方式。
从上述实施例可以看出,该超声检测缺陷定性系统和定性方法是基于超声相控阵P扫描成像装置来实现的,该超声相控阵P扫描成像装置既可以实施传统的超声检测当量法,又可以利用P扫描成像技术对结构缺陷,比如物体焊接接头缺陷进行定性评价,举例而言,针对物体焊接接头缺陷,该P扫描成像技术能够根据缺陷的形貌特征,辅以焊缝坡口结构、焊接方法和缺陷位置等来进行缺陷性质的判定,从而将物体缺陷的形貌进行重构再现以实现相应的超声定性检测目的。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。