CN111398426A - 一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法 - Google Patents

一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111398426A
CN111398426A CN202010460245.8A CN202010460245A CN111398426A CN 111398426 A CN111398426 A CN 111398426A CN 202010460245 A CN202010460245 A CN 202010460245A CN 111398426 A CN111398426 A CN 111398426A
Authority
CN
China
Prior art keywords
full
dimensional
probe
phased array
test block
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010460245.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111398426B (zh
Inventor
杨贵德
强天鹏
詹红庆
杜南开
黄英生
陈伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong Goworld Co ltd
Jiangsu Zhongte Chuangye Equipment Inspection Co ltd
Original Assignee
Nanjing Xiangli High Tech Engineering Technology Co ltd
Guangdong Goworld Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Xiangli High Tech Engineering Technology Co ltd, Guangdong Goworld Co ltd filed Critical Nanjing Xiangli High Tech Engineering Technology Co ltd
Publication of CN111398426A publication Critical patent/CN111398426A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111398426B publication Critical patent/CN111398426B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/262—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by electronic orientation or focusing, e.g. with phased arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/30—Arrangements for calibrating or comparing, e.g. with standard objects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/106—Number of transducers one or more transducer arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/267—Welds

Abstract

本发明涉及一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法，测量及补偿校准方法的步骤为：选择试块，取面阵探头，设定面阵探头测量的目标区尺寸（长，宽，高），在试块上画出探头起点、探头移动距离和移动路径，将三维全聚焦相控阵检测系统进行初始设置，扫查，连续采集球底孔信号并进行三维图像的实时合并处理，依据合并的三维图像拟合三维超声场信号并存储，根据该三维超声场信号计算相应的系数补偿矩阵，利用计算的系数补偿矩阵对全聚焦相控阵检测系统进行校准。本发明具有速度快，精度高，覆盖范围广，易学易掌握，操作简单的优点。

Description

一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法
技术领域
本发明涉及超声焊缝检测技术，尤其涉及一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法。
背景技术
基于全矩阵数据采集(Full Matrix Capture, FMC)的相控阵全聚焦(TotalFocusing Method, TFM)成像原理最早由英国 Bristol 大学的Caroline Holme等在 2005年首次提出，论文发表后即引起关注，成为超声检测和成像领域的研究热点。有关研究和试验表明，与其他超声检测-成像方法相比，全聚焦相控阵技术有一系列优点，如检测覆盖范围大，对小缺陷有更高的敏感性，图像信噪比和缺陷成像分辨力也更高。
近十多年来，全聚焦相控阵技术研究主要集中在理论研究和仪器研发方面：研究的重点包括算法研究、数据处理速度、成像精度、三维成像、实时成像等，而技术应用方面的研究较少，尤其是焊缝检测的工艺研究，几乎是空白。
2014年，法国M2M公司宣称研究出全聚焦成像相控阵检测系统，随后推出能用于现场检测的便携式仪器。2018年，中国广东汕头超声电子股份有限公司研发出功能更强的实时3D全聚焦相控阵检测系统。
全矩阵数据采集（FMC）模型如图1所示，一个阵元数目为N的线阵超声换能器，首先激发换能器的第一个阵元发射超声波，所有阵元都接收超声回波并储存。这些超声回波被记为： e x1， x1 ( t) ， e x1， x2 ( t) ， e x1， x3 ( t) ，…… e x1 ，xn ( t) 。然后激发第二个阵元发射超声波，并所有阵元都接收回波依次存储,依次记为 e x2 ，x1 ( t) ， e x2， x2( t) ， e x2， x3 ( t) ，…… e x2， xn ( t) 。直至所有阵元激发完成后，得到一个 N× N的全矩阵数据集，如表 1 所示。该数据集是以发射阵元序列、接收阵元序列和时间采样点数组成的三维数据，其包含了检测物体的全部信息。
表1 采集的全矩阵数据
Figure DEST_PATH_IMAGE001
全聚焦成像算法(TFM)是把全矩阵数据集聚焦到检测图像的各点上，通过数字信号叠加-平均处理后的幅值数给出该点的灰度值，实现物体的成像。
全聚焦成像算法原理如图2所示：以试块表面中心点为原点 O，横轴 x 沿试块表面长度方向，纵轴 z 沿试块高度方向。将检测目标区分割成一定数量的像素点，如图2中圆点所示。这些像素点也就是声束聚焦点，以点(x, z)为例，将全矩阵数据集的所有与该点相关的信号进行叠加-平均，结果即为该点的超声信号幅值。该点幅值 I(x, z)可用下式表示：
Figure 537472DEST_PATH_IMAGE002
式中，e xi xj ( t ij (x ,z ))为i阵元发射、j阵元接收的超声回波叠加到(x, z)位置的幅值；t ij (x ,z ) 为声波从阵元i发射到聚焦点(x, z)和从该点返回到阵元j所需的延迟时间；
t ij (x ,z )可用下式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中：x i 、x j 分别为发射阵元和接收阵元的横坐标；c为超声波在试块中传播的纵波速度。对图像的每一个聚焦点都进行上述处理，最终形成检测目标区的聚焦图像。
以上是二维平面的示例，如果检测采用面阵探头，检测目标区设定为一个体积，建立三维坐标，其FMC和 TFM原理和过程与二维情况是类似的。
全聚焦相控阵技术应用时信号采集与数据处理量极大，以64阵元8×8面阵探头为例,探头在任一检测位置上采集和处理的回波信号（A扫）数量达65536个（条）。
焊缝检测是工业超声检测技术应用最重要的对象，也是技术难度较高和较复杂的部分，目前全聚焦相控阵检测技术在焊缝中的应用遇到的困难是：全聚焦相控阵检测系统没有A扫信号显示。
从全聚焦相控阵的原理即可了解，要求系统有A扫信号显示是不可能的：因为探头在任一位置上接收到的A扫信号是海量的，如前所述，一个64阵元按8×8排列的面阵探头在任一检测位置接收的A扫数量达65536条；另一方面，即使显示A扫信号是没有意义的，因为没有哪一条A扫能表征焊缝中的情况。
以前各种脉冲回波超声检测技术（无论脉冲反射法超声还是普通相控阵超声）和仪器（无论模拟仪器还是数字仪器）中都有A扫信号——一种直观的、可描述和测量的，提供丰富信息的物理量——显示，检测人员已经习惯认为A扫是不可或缺的。现在没有A扫信号，很多问题随之而来，首当其冲就是系统的参数设置和调校难以进行：例如增益设置、扫查覆盖、角度-增益校准、声程-增益校准等等。如果不解决仪器系统的参数设置和调校问题，检测工艺就无法制订，现场检测的实施就是盲目的，检测结果的可靠性也是无法保证的，标准的编制更无从谈起。因此没有A扫的情况下仪器系统如何进行参数设置和调校，已经成为推广全聚焦相控阵技术的拦路虎，必须加以解决，不容回避。
以往超声技术应用的传统概念和惯用方法大多不能适用全聚焦相控阵技术：
以往熟悉的一些概念术语，例如主声束、传播路径，入射角、折射角，波束扩散角、近场、远场、底波、直通波、变形波、最高波等，已经无法描述工件中的超声特性；
以往惯用的一些模式和方法，例如增益设置方法、扫查覆盖测定方法、角度-增益校准和声程-增益校准方法、波幅当量定量方法、-6dB测长方法等，已经不适合应用于检测过程；
以往使用的一些器材辅材，例如探头楔块、标准试块形状尺寸、反射体形状及分布等，均要重新考虑设计制作。
此外，以往使用的常规脉冲回波超声和普通相控阵超声完成参数设置和系统校准速度慢，精度差，覆盖范围不足，难学难掌握，操作复杂，一般需要半小时，甚至更长。这是因为老方法采用的是单个孔最高波测量法，测量时要前后移动探头找到最高波信号；对不同深度的孔测量过程中要不时改变仪器增益；每次只能以一个反射体作为测量目标，而覆盖检测区域要测量多个反射体，只能逐个进行。例如，现有技术中常用的常规脉冲回波法的增益设置和校准（DAC面板曲线绘制）、普通相控阵的增益设置和角度增益校准和时间增益校准（ACG和TCG）。
以下是现有技术中关于常规脉冲回波法的增益设置和校准操作过程（DAC面板曲线绘制）a.测定探头的入射点和K值，根据板厚按深度或水平调节扫描速度。
b.探头对准CSK一ⅢA试块上深为10mm的Ф1×6横孔找到最高回波，调至满幅度的100％，在面板上标记波峰对应的点①，并记下此时的dB值N(假定N=30dB)。
c.固定[增益]和[衰减器]，分别探测深度为20、30、40、50、60mm的Ф1×6横孔，找到最高回波，并在面板上标记相应波峰对应的点②、③、④、⑤、⑥，然后连接点①、②、③、④、⑤、⑥得到一条Фl×6的参考曲线，这就是面板曲线。如图3所示。
d.灵敏度的调节：若工件厚度在15～46mm范围内，只要在N=30dB的基础上再提高9dB，即[衰减器]读数为2ldB，这时灵敏度就调好了。如果考虑补偿，应再提高需补偿的dB数。设补偿5dB，则[衰减器]读数为16dB即可。
以下是现有技术中关于普通相控阵的增益设置和角度增益校准和时间增益校准（ACG和TCG）操作过程：
角度增益校准（ACG）
角度增益校准应采用对比试块上的 R100 圆弧，如图4中(a)。校准时，仪器调节为声程显示模式，前后移动探头使各角度的波束均得到圆弧最高波信号的波幅，仪器进行记录，如图4中（b）。使用校准功能调整各波束的增益值，使各波束在R100mm 的圆弧面上反射回波高度均为基准波高。校准完成后再次在同位置前后移动探头，看校准后的波幅误差是否满足要求的误差带，如图4中（c）。
TCG 校准
TCG 校准使用试块上不同深度的横通孔，如图5中(a)。校准时，仪器调节为深度显示模式，前后移动探头，使不同角度的波束均采集到某一深度横通孔的最高回波，仪器记录各个回波值，如图5中(b)。使用校准功能调节各条波束的增益值，使不同波束对同一横通孔的回波高度均达到基准回波值。校准完成后再次在同一位置移动探头，检查校准后的结果是否满足校准误差要求，如图5中(c)。
重复上述步骤，对第二个深度的横通孔，第三个深度的横通孔，……进行校准，直至校准深度覆盖检测深度。
综上所述，全聚焦相控阵技术焊缝检测存在诸多难题，全聚焦相控阵技术应用时信号采集与数据处理量极大，以往超声技术应用的传统概念和惯用方法大多不能适用全聚焦相控阵技术，以往使用的常规脉冲回波超声和普通相控阵超声完成参数设置和系统校准速度慢，精度差，覆盖范围不足，难学难掌握，操作复杂，一般需要半小时，甚至更长，传统惯用方法采用的是单个孔最高波测量法，测量时要前后移动探头找到最高波信号，对不同深度的孔测量过程中要不时改变仪器增益，每次只能以一个反射体作为测量目标，而覆盖检测区域要测量多个反射体，只能逐个进行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法，这种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法能够一次性完成全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准，图像质量更好，灵敏度更高，分辨率更高，信噪比更高。采用的技术方案如下：
一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤（a）、选择与待测焊缝厚度相同的簇状球底水平孔试块；
步骤（b）、采用面阵探头，并将面阵探头与三维全聚焦相控阵检测系统连接；
步骤（c）、设定面阵探头测量的目标区尺寸；
步骤（d）、根据步骤（c）设定的目标区尺寸，在簇状球底水平孔试块上画出探头起点、探头移动距离和移动路径，其中，探头移动距离大于等于目标区宽度；
步骤（e）、将全聚焦相控阵检测系统进行初始设置，并将面阵探头放在簇状球底水平孔试块上画出的探头起点位置；
步骤（f）、扫查开始，平稳移动面阵探头，使面阵探头按照步骤（d）中画出的移动距离和移动路径进行移动；
步骤（g）、扫查过程中，连续采集球底孔信号，并进行三维图像的实时合并处理；
步骤（h）、扫查结束后，依据合并的三维图像拟合三维超声场信号并存储；
步骤（i）、根据存储的三维超声场信号计算相应的系数补偿矩阵；
步骤（j）、利用计算的系数补偿矩阵对全聚焦相控阵检测系统进行校准。
作为本发明的优选方案，所述步骤（c）中，目标区高度与焊缝厚度相同，目标区长度大于等于焊缝宽度与2倍热影响区宽度之和，目标区宽度大于等于二分之一的探头孔径。
作为本发明的优选方案，所述步骤（g）包括如下具体步骤：
（g-1）采集：移动探头，连续采集球底孔反射的三维图像信号
Figure 533241DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 844137DEST_PATH_IMAGE007
；
（g-2）合并：连续采集过程中，遍历比较相邻帧3D图像相同坐标位置的像素值大小，保留像素值较大的像素点，合并后的3D图像结果以
Figure 770504DEST_PATH_IMAGE009
表示，具体合并算法如下：
Figure 146995DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 500616DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 298808DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 45178DEST_PATH_IMAGE017
，L表示目标区长度包含像素点数，W表示目标区宽度包含像素点数，H表示目标区高度包含像素点数。
作为本发明进一步的优选方案，所述步骤（h）包括如下具体步骤：
(h-1)切片：沿着目标区的长度L方向，以单个像素尺寸为步进，把合并的三维图像Y分割成L个切片
(h-2)清点：沿着目标区宽度W方向、高度H方向，清点选出每个切片上的有效球底孔反射像素点；
(h-3)拟合：分别沿着目标区的长度L方向、宽度W方向、高度H方向对合并的三维图像Y进行拟合，形成全聚焦相控阵的三维超声场U。
作为本发明更进一步的优选方案，所述步骤（i）包括如下具体步骤：
(i-1)统计三维超声场U的最大反射声压
Figure 87958DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 612480DEST_PATH_IMAGE021
(i-2)计算三维系数补偿矩阵C，
Figure 897968DEST_PATH_IMAGE023
作为本发明再更进一步的优选方案，所述步骤（j）利用计算的系数补偿矩阵对全聚焦相控阵检测系统进行校准的具体校准方法为
Figure 431718DEST_PATH_IMAGE025
，其中，
Figure 236994DEST_PATH_IMAGE027
为原始三维全聚焦检测图像，与系数补偿矩阵C进行对位点乘，
Figure 197996DEST_PATH_IMAGE029
为经过系数补偿矩阵校准后的三维全聚焦检测图像。
作为本发明的优选方案，所述簇状球底水平孔试块为一个簇状球底水平孔金属试块，簇状球底水平孔金属试块具有扫查面以及与扫查面相垂直的打孔面，打孔面上开设有至少两排两列圆柱形球底孔，圆柱形球底孔的长度方向沿水平方向延伸，圆柱形球底孔的底部为半球形凹面，半球形凹面作为超声波的反射面。
作为本发明的优选方案，所述扫查面为水平面。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
不同于现有技术，本发明对全聚焦相控阵三维超声场测量方法引入了新理念——从场的角度认识和描述FMC- TFM声场的状态和特性，具体为：
（1）场的定义：给定有限空间的能量分布；FMC- TFM声场的定义：全聚焦超声系统通过FMC-TFM过程施加于某一目标区域（体积）的超声能量分布；如图8所示。
（2）检测目标区：为研究FMC-TFM声场和进行全聚焦相控阵检测而特别设置目标区（体积）：面聚焦探头检测目标区是一个矩形体积，宽度一般不超过探头孔径的1/2。
（3）暂稳态声场：探头不动情况下FMC-TFM过程进行时超声能量在焊缝目标区形成的稳态声场，超声能量充满整个检测目标区体积，按一定规律分布，探头移动时声场状态发生改变。
（4）传统参数，例如主声束、传播路径，入射角、折射角，波束扩散角、近场、远场、底波、直通波、变形波、最高波等，在FMC- TFM声场研究不作为研究对象，这些参数对场有一些影响，但不起主要作用。
（5）通过实验法研究FMC-TFM声场。采用簇状球底水平孔金属试块（簇状球底水平孔金属试块具有水平扫查面和竖直打孔面，打孔面上开设有至少两排两列圆柱形球底孔，圆柱形球底孔的底部为半球形凹面），新的反射体形状，新的反射体分布，新的测量方法，对FMC-TFM声场进行定量测量，根据测量结果分析研究FMC-TFM场的状态和特性。
（6）在图像采集过程中通过各个像素点的合并，并在目标去的长度L方向、宽度W方向、高度H方向对合并的三维图像Y进行拟合，形成全聚焦相控阵的三维超声场U，最后计算补偿矩阵进行补偿，一次性完成全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准。
（7）对FMC-TFM声场特性的预测：与脉冲反射法声场相比，FMC-TFM声场特点是：图像质量更好，灵敏度更高，分辨率更高，信噪比更高，能量覆盖范围更大，检测时通过一些措施可消除上表面“盲区”。在超声无损检测尤其是焊缝检测领域的一种术语，即焊缝超声检测中，接近焊缝上表面的区域由于探头声场覆盖不到，无法对焊缝上表面实施有效检测而可能产生漏检问题，我们称之为“盲区”
（8）FMC-TFM声场是一个高信噪比声场，其特性优于各种脉冲反射法声场，原因在于：FMC-TFM过程对有限空间中注入更多能量，也从中接收更多能量； FMC- TFM过程对信号采取了更有效的降噪处理措施。
附图说明
图1为现有技术中全矩阵数据采集（FMC）模型；
图2为现有技术中全聚焦成像算法原理；
图3为现有技术中DAC面板曲线；
图4为现有技术中角度增益校准（ACG）的示意图；
图5为现有技术中TCG 校准的示意图；
图6为簇状球底水平孔金属试块的正视图；
图7为图6的俯视图；
图8为图6的右视图；
图9为簇状球底水平孔金属试块中的球底孔的示意图；
图10为探头起点、探头移动距离和移动路径的示意图；
图11是三维图像的实时合并处理的示意图；
图12是将合并的三维图像拟合三维超声场信号的示意图；
图13是根据三维超声场信号计算相应的系数补偿矩阵的示意图；
图14为本发明所提出的场的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。
这种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法，包括如下步骤：
步骤（a）、选择与待测焊缝厚度相同的簇状球底水平孔金属试块1；如图6-图9所示，簇状球底水平孔金属试块1具有水平扫查面101以及与水平扫查面相垂直的竖直打孔面102，竖直打孔面102上开设有三排四列圆柱形球底孔103，圆柱形球底孔103的长度方向沿水平方向延伸，圆柱形球底孔103的底部为半球形凹面104，半球形凹面104作为超声波的反射面。在一种具体方案中，簇状球底水平孔金属试块1的长为140mm，宽为80mm，高高40mm，竖直打孔面102上球底孔103的直径为2mm，球底孔103总长度为41mm，球底孔103由圆柱段和半球形凹面组成，其中，圆柱段的长度为40mm，半球形凹面的直径为2mm，相邻球底孔103的中心线之间的距离为10mm；其中，将簇状球底水平孔金属试块1厚度设置为与待检测的焊缝厚度相同，校准完毕后，能够实现对该焊缝工件的一次性全覆盖检测；球底孔103是未钻通盲孔的一种，孔的底部为半球状，这种半球状的孔有利于探头在3D空间中从各个不同空间角度有效接收到超声反射回波；
步骤（b）、采用面阵探头2，并将面阵探头2与三维全聚焦相控阵检测系统连接；
步骤（c）、设定面阵探头2测量的目标区尺寸，目标区高度H与焊缝厚度相同，目标区长度L等于（或大于）焊缝宽度与2倍热影响区宽度之和，目标区宽度W等于（或大于）二分之一的探头孔径；其中，热影响区是指母材因受热的影响而导致金相组织和机械性能发生变化，但又未熔化的区域称为热影响区，是焊缝检测中要求检测的部位，也容易出现疲劳裂纹等自然缺陷；目标区尺寸是指检测的目标区域的长宽高，由于将簇状球底水平孔金属试块1厚度设置为与待检测的焊缝厚度相同，目标区高度也设置为与焊缝厚度相同，确保对该焊缝工件的一次性全覆盖检测；目标区长度大于等于焊缝宽度与2倍热影响区宽度之和，这个是行业的检测标准要求，即焊缝检测领域需要同时检测焊缝及热影响区；目标区宽度大于等于二分之一的探头孔径，是因为宽度设置太窄的话，3D校准及3D成像就失去了所谓3D的意义；
步骤（d）、根据步骤（c）设定的目标区尺寸，如图10所示，在簇状球底水平孔金属试块上画出探头起点A、探头移动距离L(与目标区长度L相同)和移动路径S，其中，探头移动距离L等于（或大于）目标区宽度；
步骤（e）、将全聚焦相控阵检测系统进行初始设置，并将面阵探头2放在簇状球底水平孔金属试块1上画出的探头起点位置A；
步骤（f）、扫查开始，平稳移动面阵探头2，使面阵探头2按照步骤（d）中画出的移动距离L和移动路径S进行移动；
步骤（g）、扫查过程中，如图11所示，连续采集球底孔信号，并进行三维图像的实时合并处理，具体步骤如下：
（g-1）采集：移动面阵探头2，连续采集球底孔反射的三维图像信号
Figure 501939DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
（g-2）合并：连续采集过程中，遍历比较相邻帧3D图像相同坐标位置的像素值大小，保留像素值较大的像素点，合并后的3D图像结果以
Figure 858621DEST_PATH_IMAGE009
表示，具体合并算法如下：
Figure 298829DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 447045DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 972704DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 598989DEST_PATH_IMAGE017
，L表示目标区长度包含像素点数，W表示目标区宽度包含像素点数，H表示目标区高度包含像素点数；
步骤（h）、扫查结束后，如图12所示，依据合并的三维图像拟合三维超声场信号并存储，具体步骤如下：
(h-1)切片：沿着目标区的长度L方向，以单个像素尺寸为步进，把合并的三维图像Y分割成L个切片
(h-2)清点：沿着目标区宽度W方向、高度H方向，清点选出每个切片上的有效球底孔反射像素点，清点时，依据簇状球底水平孔金属试块1上每个球底孔103缺陷所在的实际加工位置，依据图像像素精度，对照选出3D图像对应位置的像素点；在清点选出对应位置像素点基础上，以此选出的像素点为基准，搜索其领域的像素最大值点，作为有效的球孔反射像素点；
(h-3)拟合：分别沿着目标区的长度L方向、宽度W方向、高度H方向对合并的三维图像Y进行拟合，形成如图13所示全聚焦相控阵的三维超声场U；拟合是指把平面上一系列的点，用一条光滑的曲线连接起来，因为这条曲线有无数种可能，从而有各种拟合方法，拟合的曲线一般可以用函数表示，根据这个函数的不同有不同的拟合名字，这里采用的是三次样条曲线拟合，是个成熟的算法，不再详述；
步骤（i）、如图14所示，根据存储的三维超声场信号计算相应的系数补偿矩阵，具体步骤如下：
(i-1)统计三维超声场U的最大反射声压
Figure 628125DEST_PATH_IMAGE019
Figure 196509DEST_PATH_IMAGE021
(i-2)计算三维系数补偿矩阵C
Figure 429039DEST_PATH_IMAGE023
，其中，U为三维超声场，C为补偿矩阵；
步骤（j）、利用计算的系数补偿矩阵对全聚焦相控阵检测系统进行校准，具体校准方法为
Figure 108282DEST_PATH_IMAGE025
，其中，
Figure 991924DEST_PATH_IMAGE031
为原始三维全聚焦检测图像，与系数补偿矩阵C进行对位点乘，
Figure 479013DEST_PATH_IMAGE029
为经过系数补偿矩阵校准后的三维全聚焦检测图像。
采用本发明的提供的簇状水平球底孔金属试块，全聚焦相控阵三维超声场测量方法，全聚焦相控阵检测系统的校准方法，速度快，精度高，覆盖范围广，易学易掌握，操作简单，仅需5分钟即可完成。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤（a）、选择与待测焊缝厚度相同的簇状球底水平孔试块；
步骤（b）、采用面阵探头，并将面阵探头与三维全聚焦相控阵检测系统连接；
步骤（c）、设定面阵探头测量的目标区尺寸；
步骤（d）、根据步骤（c）设定的目标区尺寸，在簇状球底水平孔试块上画出探头起点、探头移动距离和移动路径，其中，探头移动距离大于等于目标区宽度；
步骤（e）、将全聚焦相控阵检测系统进行初始设置，并将面阵探头放在簇状球底水平孔试块上画出的探头起点位置；
步骤（f）、扫查开始，平稳移动面阵探头，使面阵探头按照步骤（d）中画出的移动距离和移动路径进行移动；
步骤（g）、扫查过程中，连续采集球底孔信号，并进行三维图像的实时合并处理；
步骤（h）、扫查结束后，依据合并的三维图像拟合三维超声场信号并存储；
步骤（i）、根据存储的三维超声场信号计算相应的系数补偿矩阵；
步骤（j）、利用计算的系数补偿矩阵对全聚焦相控阵检测系统进行校准。
2.如权利要求1所述的测量及补偿校准方法，其特征是：所述步骤（c）中，目标区高度与焊缝厚度相同，目标区长度大于等于焊缝宽度与2倍热影响区宽度之和，目标区宽度大于等于二分之一的探头孔径。
3.如权利要求1所述的测量及补偿校准方法，其特征是：所述步骤（g）包括如下具体步骤：
（g-1）采集：移动面阵探头，连续采集球底孔反射的三维图像信号
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
（g-2）合并：连续采集过程中，遍历比较相邻帧3D图像相同坐标位置的像素值大小，保留像素值较大的像素点，合并后的3D图像结果以
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示，具体合并算法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，L表示目标区长度包含像素点数，W表示目标区宽度包含像素点数，H表示目标区高度包含像素点数。
4.如权利要求3所述的测量及补偿校准方法，其特征是：所述步骤（h）包括如下具体步骤：
(h-1)切片：沿着目标区的长度L方向，以单个像素尺寸为步进，把合并的三维图像Y分割成L个切片
(h-2)清点：沿着目标区宽度W方向、高度H方向，清点选出每个切片上的有效球底孔反射像素点；
(h-3)拟合：分别沿着目标区的长度L方向、宽度W方向、高度H方向对合并的三维图像Y进行拟合，形成全聚焦相控阵的三维超声场U。
5.如权利要求4所述的测量及补偿校准方法，其特征是：所述步骤（i）包括如下具体步骤：
(i-1)统计三维超声场U的最大反射声压
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE018
(i-2)计算三维系数补偿矩阵C
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，其中，U为三维超声场，C为补偿矩阵。
6.如权利要求5所述的测量及补偿校准方法，其特征是：所述步骤（j）利用计算的系数补偿矩阵对全聚焦相控阵检测系统进行校准的具体校准方法为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为原始三维全聚焦检测图像，与系数补偿矩阵C进行对位点乘，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为经过系数补偿矩阵校准后的三维全聚焦检测图像。
7.如权利要求1所述的测量及补偿校准方法，其特征是：所述簇状球底水平孔试块为一个簇状球底水平孔金属试块，簇状球底水平孔金属试块具有扫查面以及与扫查面相垂直的打孔面，打孔面上开设有至少两排两列圆柱形球底孔，圆柱形球底孔的长度方向沿水平方向延伸，圆柱形球底孔的底部为半球形凹面，半球形凹面作为超声波的反射面。
8.如权利要求7所述的测量及补偿校准方法，其特征是：所述扫查面为水平面。
CN202010460245.8A 2019-08-31 2020-05-27 一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法 Active CN111398426B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910819677 2019-08-31
CN2019108196770 2019-08-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111398426A true CN111398426A (zh) 2020-07-10
CN111398426B CN111398426B (zh) 2022-12-06

Family

ID=71435687

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010460245.8A Active CN111398426B (zh) 2019-08-31 2020-05-27 一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111398426B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111929365A (zh) * 2020-08-07 2020-11-13 广东汕头超声电子股份有限公司 一种超声成像检测显示方法
CN112684005A (zh) * 2020-12-10 2021-04-20 苏州热工研究院有限公司 基于二维矩阵换能器的全聚焦检测方法
CN113075297A (zh) * 2021-05-06 2021-07-06 西部超导材料科技股份有限公司 钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法
CN113092587A (zh) * 2021-04-02 2021-07-09 中国计量大学 一种基于tfm的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4644510A (en) * 1984-03-17 1987-02-17 Terumo Kabushiki Kaisha Ultrasonic measurement method, and apparatus therefor
US20130047697A1 (en) * 2011-08-23 2013-02-28 Jinchi Zhang Method of and an apparatus conducting calibration for phased-array shear wave channels inspecting square bars
CN109490413A (zh) * 2018-11-14 2019-03-19 中国航发动力股份有限公司 一种降低棒材检测噪声的方法
CN109490419A (zh) * 2019-01-04 2019-03-19 中国航发北京航空材料研究院 一种全聚焦成像的声束校准方法
CN110007003A (zh) * 2019-04-10 2019-07-12 上海船舶工艺研究所(中国船舶工业集团公司第十一研究所) 用于声速非均匀金属厚板焊缝相控阵超声检测的分区方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4644510A (en) * 1984-03-17 1987-02-17 Terumo Kabushiki Kaisha Ultrasonic measurement method, and apparatus therefor
US20130047697A1 (en) * 2011-08-23 2013-02-28 Jinchi Zhang Method of and an apparatus conducting calibration for phased-array shear wave channels inspecting square bars
CN109490413A (zh) * 2018-11-14 2019-03-19 中国航发动力股份有限公司 一种降低棒材检测噪声的方法
CN109490419A (zh) * 2019-01-04 2019-03-19 中国航发北京航空材料研究院 一种全聚焦成像的声束校准方法
CN110007003A (zh) * 2019-04-10 2019-07-12 上海船舶工艺研究所(中国船舶工业集团公司第十一研究所) 用于声速非均匀金属厚板焊缝相控阵超声检测的分区方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D.DUXBURY ET AL.: "DESIGNING A CALIBRATED FULL MATRIX CAPTURE BASED INSPECTION", 《REVIEW OF PROGRESS IN QUANTITATIVE NONDESTRUCTIVE EVALUATION》 *
STEPHEN MOSEY ET AL.: "Development and implementation of calibration process for Full Matrix Capture", 《53RD ANNUAL CONFERENCE OF THE BRITISH INSTITUTE FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING》 *
郭瑞鹏等: "时间增益补偿在超声相控阵检测中的应用", 《无损检测》 *
鲁冯杰: "关于相控阵超声探伤仪C型显示模式校准方法的研究", 《科技视界》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111929365A (zh) * 2020-08-07 2020-11-13 广东汕头超声电子股份有限公司 一种超声成像检测显示方法
CN111929365B (zh) * 2020-08-07 2023-08-22 广东汕头超声电子股份有限公司 一种超声成像检测显示方法
CN112684005A (zh) * 2020-12-10 2021-04-20 苏州热工研究院有限公司 基于二维矩阵换能器的全聚焦检测方法
CN113092587A (zh) * 2021-04-02 2021-07-09 中国计量大学 一种基于tfm的搅拌摩擦焊缺陷相控阵检测方法
CN113075297A (zh) * 2021-05-06 2021-07-06 西部超导材料科技股份有限公司 钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法
CN113075297B (zh) * 2021-05-06 2024-02-02 西部超导材料科技股份有限公司 钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111398426B (zh) 2022-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111398426B (zh) 一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法
JP6073389B2 (ja) 任意の表面輪郭を有する部材の超音波浸漬検査
CN105973988B (zh) 一种层片状缺陷分布的超声三维成像检测方法
KR101218473B1 (ko) 초음파 계측 장치 및 초음파 계측 방법
US11474076B2 (en) Acoustic model acoustic region of influence generation
CN103822971A (zh) 一种超声显微镜分辨力测试及校准方法
CN110361453B (zh) 基于无损检测的阵列式异位接收超声波合成孔径聚焦方法
CN109490419A (zh) 一种全聚焦成像的声束校准方法
CN104698089A (zh) 一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术
TW201508272A (zh) 超音波檢查方法及裝置
CN110988139A (zh) 一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法
US11933765B2 (en) Ultrasound inspection techniques for detecting a flaw in a test object
CN111257426A (zh) 火箭燃料贮箱焊缝的多模式全聚焦检测方法、系统及介质
CN103424475A (zh) 基于相控阵超声检测的被测面轮廓提取方法
CN113075297B (zh) 钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法
Michaels et al. Monitoring and characterizing corrosion in aluminum using Lamb waves and attached sensors
RU2614186C1 (ru) Способ неразрушающего контроля степени поврежденности металлов контейнеров
CN112686846A (zh) 一种成像处理方法、设备和计算机可读存储介质
Chatillon et al. Simulation of advanced UT phased array techniques with matrix probes and dynamic settings for complex component inspections
CN111077227B (zh) 一种超声阵列扫查反演方法、系统、存储介质及设备
Pörtzgen et al. Advances in imaging of NDT results
Park Ultrasonic Radar and Its Applications
Ding et al. Modelling and Simulation of Phased Array Transducers Base on Advanced UT Techniques
Quarry Horizontal Shear Wave Imaging of Large Optics

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230906

Address after: No.12, Longjiang Road, Longhu District, Shantou City, Guangdong Province

Patentee after: GUANGDONG GOWORLD Co.,Ltd.

Patentee after: JIANGSU ZHONGTE CHUANGYE EQUIPMENT INSPECTION Co.,Ltd.

Address before: No.12, Longjiang Road, Longhu District, Shantou City, Guangdong Province

Patentee before: GUANGDONG GOWORLD Co.,Ltd.

Patentee before: Nanjing Xiangli High Tech Engineering Technology Co.,Ltd.