CN111595946A - 身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其装置 - Google Patents

身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其装置，其中方法包括：向电磁超声斜入射SV波探头通入初始激励频率为f1的脉冲电流，使待测身管内部产生沿入射角θ1传播的SV波；电磁超声斜入射SV波探头接收超声回波并得到A扫信号；依次向电磁超声斜入射SV波探头通入激励频率为fi＝f1+Δf·(i‑1)的脉冲电流，使待测身管内部对应产生沿入射角θi传播的SV波；采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。通过调整激励频率，改变斜入射SV波的入射角，将得到的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现B扫成像，可获得缺陷的剖面几何信息。

Description

身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其 装置
技术领域
本发明涉及身管检测技术领域，尤其涉及一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其装置。
背景技术
身管作为火炮、枪械等常规武器的重要组成部分，其安全不仅关乎作战人员的安全，而且在作战中起到重要的作用。在射击过程中，身管药室部位受到高温高压、高速火药燃气以及弹头摩擦等作用，导致内壁出现微裂纹，随着发弹数量的增加，这些微小裂纹会逐渐扩展形成开口裂纹，并且整个药室尺寸口径会发生变化，导致炮弹的出射角、射程等偏离预期值，降低炮弹的作战精度。
目前，常用的身管检测方法有CCD摄像法、涡流探伤法、射线探伤法、渗透探伤法、磁粉探伤法和激光投影法。CCD摄像法将光学摄像头投射出与身管轴线正交的光圈，对光圈成像，但是这种方法成本高，镜头聚焦极短，并不能检测管道内壁缺陷。涡流检测法采用激励线圈使身管上产生涡流，通过涡流变化得到表面缺陷信号，但是很难获取缺陷深度方向的信息，同时也无法检测近表面/内部缺陷。射线检测法对身管缺陷定位准确，但是由于身管尺寸较大，移动不方便，检测成本高，很难实现身管的原位在线检测。渗透检测方法对于身管表面光洁度要求很高，表面不开口的近表面缺陷无法检出，灵敏度很低。磁粉探伤法能够检测出表面以及近表面的开口缺陷，但是与磁力线平行的缺陷不易检出。
传统水浸超声检测方法也可以应用于身管内部损伤检测，但是由于身管长度达8-9米，直径在200mm以上，所需水槽体积庞大，实现大型身管原位检测难度很大。压电超声、相控阵超声通过在身管表面涂抹耦合剂，可以用于身管原位检测。由于耦合剂可能对身管表面造成腐蚀、身管表面涂有约0.5mm防护非金属材料等问题，以及身管为曲面、变径，无法保证探头的楔块与曲面、变径身管良好贴合，或者在检测过程中需要不断地更换楔块，导致检测效率低，无法实现快速检测。
电磁超声作为一种新型无损检测技术，由于不需要耦合剂以及不用对身管外表面进行预处理，对检测环境要求不高，已广泛应用于石油管道和钢轨等部位的在线检测。
目前关于电磁超声斜入射体波检测方法及其装置的专利报道主要有以下几个：
专利申请号CN110333291A公布了“一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器及其设计方法”，通过在曲折线圈与待测工件之间设置两个可沿曲折线圈宽度方向来回移动的铜片屏蔽部分导线，获得相应的有效激励部位和聚焦点。
专利申请号CN200910073193.2公布了“一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置及方法”，通过阵列探头与电磁超声探伤仪相连，每组阵列由2个超声波探头组成，其中一个探头接收缺陷波，另一个探头接收端面反射波，可以用于车轮轮箍缺陷检测。通过比较缺陷波的有无、强度和端面波的幅值，进行缺陷大小及类型的定量分析。
专利申请号CN200910073193.2公布了“一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法”，采用两个曲折线圈水平叠加设置，两线圈到聚焦线的距离之差为正弦信号波长的1/4，每个线圈导线到聚焦线的距离之差为波长的1/2，从而实现线聚焦电磁超声斜入射体波换能器单向发射超声波。
上述几种专利都是基于平面斜入射体波检测方法，而身管具有曲面、变径等复杂结构，上述方案无法适用于曲面身管内部缺陷的成像检测及原位检测。
发明内容
本发明提供了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其装置，用于实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。
第一方面，提供了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法，包括：
向具备柔性曲折线圈的电磁超声斜入射SV波探头通入初始激励频率为f1的脉冲电流，使待测身管内部产生沿入射角θ1传播的SV波；
电磁超声斜入射SV波探头接收超声回波并得到A扫信号；
按照固定的频率间隔Δf，依次向电磁超声斜入射SV波探头通入激励频率为f＝f1+Δf·(i-1)的脉冲电流，使待测身管内部对应产生沿入射角θi传播的SV波；
采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
采用柔性曲折线圈，可确保电磁超声斜入射SV波探头与曲面变径身管良好贴合，通过调整激励频率，改变斜入射SV波的入射角，将得到的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现B扫(扇扫)成像，可获得缺陷的剖面几何信息，实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。
进一步地，所述采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，具体包括：
采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号；
测试同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，确定入射角-幅值曲线，并据此得到不同入射角的A扫信号对应的权修正系数；
将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像，所述B扫图像中的每一列代表一组修正后的入射角为θi的A扫信号；
在合成的B扫图像的基础上，将纵坐标改为测量纵向位置信息，将横坐标改为测量横向位置信息，完成坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
由于电磁超声斜入射SV波探头中线圈的阻抗参数随着激励频率的改变而变化，但是阻抗匹配参数一般不调整，另外不同激励频率点对应的脉冲功放输出功率也不同，导致相同反射面对应的不同激励频率的缺陷反射波幅值不同，因此在进行B扫成像时，需要进行不同入射角A扫信号的权系数修正，通过测试同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，即确定“入射角-幅值曲线”，据此确定不同入射角的A扫信号的权修正系数，将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像。通过上述对A扫信号进行加权修正的处理，可提高检测结果的精度及可靠性。
进一步地，所述实现变入射角体波加权组合B扫成像之后还包括以下步骤：
在进行加权组合和坐标校正后得到的B扫图像中，取缺陷反射波幅值最大的A扫信号；
将该A扫信号中缺陷反射波幅值与含人工预制的缺陷对比试样进行比较，确定缺陷的当量大小；
获取该A扫信号中缺陷波包的飞行时间，并根据该飞行时间确定缺陷位置。
进一步地，所述获取该A扫信号中缺陷波包的飞行时间，并根据该飞行时间确定缺陷位置，具体包括：
根据该A扫信号中缺陷波包的飞行时间t算出缺陷与电磁超声斜入射SV波探头的直线距离为L＝v*t/2，其中v表示斜入射SV波的声速；
缺陷与电磁超声斜入射SV波探头的水平距离、垂直距离分别为d1＝L·sinθ、d2＝L·cosθ，θ为斜入射SV波的入射角。
进一步地，所述实现变入射角体波加权组合B扫成像之后还包括：
当一个预设探测位置完成变入射角体波加权组合B扫成像后，将电磁超声斜入射SV波探头移动到下一个预设探测位置，并记录电磁超声斜入射SV波探头的位置信息；
在该下一个预设探测位置重复完成变入射角体波加权组合B扫成像；
重复上述步骤，直至待测身管全长度范围内所有预设探测位置均完成变入射角体波加权组合B扫成像；
基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷的三维图像。
具体检测时，先控制电磁超声斜入射SV波探头沿待测身管周向检测一周，然后控制电磁超声斜入射SV波探头沿待测身管轴向移动，然后再沿待测身管周向检测一周，随后控制电磁超声斜入射SV波探头再沿待测身管轴向移动，依此类推，直至完成待测身管全长度范围内所有预设探测位置均完成变入射角体波加权组合B扫成像，最后基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷三维图像，一方面使检测结果更加直观，从而提高缺陷的检测灵敏度和检测效率，同时也实现曲面身管的原位检测。
第二方面，提供了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置，包括依次连接的信号发生器、射频功率放大器、激励端阻抗匹配电路、电磁超声斜入射SV波探头、接收端阻抗匹配电路、滤波器、前置放大器、数据采集卡，所述信号发生器、数据采集卡均与PC机连接；
所述信号发生器用于接收所述PC机的激励指令，依次产生激励频率渐变的脉冲电流；
所述射频功率放大器用于将信号发生器产生的脉冲电流放大，然后经所述激励端阻抗匹配电路通入所述电磁超声斜入射SV波探头；
所述电磁超声斜入射SV波探头用于在依次通入放大后的激励频率渐变的脉冲电流后使待测身管内部产生入射角渐变的SV波；还用于接收多组对应不同入射角的SV波的超声回波信号，并经过所述接收端阻抗匹配电路传输至滤波器；
所述滤波器用于将超声回波信号滤波后传输至所述前置放大器；
所述前置放大器用于将滤波后的超声回波信号进行放大后传输至数据采集卡；
所述数据采集卡用于将超声回波信号由电信号转换为数字信号后传输至所述PC机；
所述PC机用于向所述信号发生器发送激励指令；还用于接收所述数据采集卡传输的多组超声回波信号，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号，并对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
该装置工作时，首先由PC机向信号发生器发送激励指令，控制其依次产生激励频率渐变的脉冲电流，然后经过发大后通入电磁超声斜入射SV波探头，进而使待测身管内部产生入射角渐变的SV波，电磁超声斜入射SV波探头还接收多组对应不同入射角的SV波的超声回波信号，并经过滤波、放大和信号转换后传输至PC机，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号，PC机对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，可获得缺陷的剖面几何信息，实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。其中，激励端阻抗匹配电路将电磁超声斜入射SV波探头中线圈的阻抗值与射频功率放大器的输出阻抗进行共轭匹配，保证线圈获得最大的激励功率；接收端阻抗匹配电路用于将电磁超声斜入射SV波探头接收到的功率能够最大化地转移至前置放大器。
进一步地，所述对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，具体包括：
获取同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，确定入射角-幅值曲线，并据此得到不同入射角的A扫信号对应的权修正系数；
将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像，所述B扫图像中的每一列代表一组修正后的入射角为θi的A扫信号；
在合成的B扫图像的基础上，将纵坐标改为测量纵向位置信息，将横坐标改为测量横向位置信息，完成坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
进一步地，所述电磁超声斜入射SV波探头包括外壳、弧形永磁体、柔性曲折线圈、导磁不导电的柔性支撑垫片、固定机构；
所述永磁体、曲折线圈、柔性支撑垫片均设置于所述外壳内部，且所述柔性支撑垫片设置于所述永磁体下表面，所述曲折线圈设置于所述柔性支撑垫片下表面；
所述固定机构安装于所述外壳上，且所述固定机构抵靠在所述永磁体表面并将其固定。
在永磁体下表面设置一层导磁不导电的柔性支撑垫片，可防止曲折线圈与永磁体之间形成超声波，以及通过柔性支撑垫片与柔性曲折线圈的配合使用，可使电磁超声斜入射SV波探头与待测身管的检测面良好贴合并提高信噪比。
进一步地，所述曲折线圈的单匝导线为多导线分裂式结构，且所述曲折线圈采用柔性印刷PCB制作；可保证曲折线圈与待测身管的检测面良好接触，曲折线圈可根据检测面的弧度随意弯曲，使用灵活方便。
所述固定机构包括设置于所述永磁体两侧且与所述永磁体两侧斜面配合的斜楔，以及设置于所述永磁体上方且与所述永磁体上表面配合的曲面压板，所述曲面压板及两个斜楔均通过固定螺栓安装于所述外壳上。通过调节固定螺栓可以实现斜楔与永磁体的相对移动，可以改变永磁体与待测身管的提离高度。
进一步地，所述电磁超声斜入射SV波探头的外侧下方设置有多个滚轮，且其中一个滚轮上安装有用于记录电磁超声斜入射SV波探头位置信息的编码器，所述编码器与所述PC机连接；
还包括与所述PC机连接的运动控制系统，所述电磁超声斜入射SV波探头安装于所述运动控制系统上，所述运动控制系统用于接收PC机的移动控制指令将所述电磁超声斜入射SV波探头依次移动到待测身管全长度范围内所有预设探测位置；
所述PC机还用于向所述运动控制系统发送移动控制指令，还用于接收所述编码器发送的位置信息，并基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷的三维图像。
通过PC机控制运动控制系统，进而实现将所述电磁超声斜入射SV波探头移动到待测身管上的预设探测位置，根据所有的预设探测位置可提前设置好移动控制指令，实现电磁超声斜入射SV波探头移动到待测身管全长度范围内所有预设探测位置的自动化控制，进而实现基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息得到待测身管内部缺陷的三维图像，从而提高缺陷的检测灵敏度和检测效率，实现曲面身管的原位检测。
有益效果
本发明提出了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其装置，采用柔性曲折线圈，可确保电磁超声斜入射SV波探头与曲面变径身管良好贴合，可以保证换能效率，避免常规压电超声由于探头与身管曲面贴合不佳问题导致换能效率下降。通过调整激励频率，改变斜入射SV波的入射角，将得到的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现B扫(扇扫)成像，可获得缺陷的剖面几何信息；在检测过程中，不用物理机械装置控制，仅仅改变通入电磁超声斜入射SV波探头中的脉冲电流的激励频率，就可使SV波的主声束发生偏转，单一探头通过改变激励频率就可发射不同斜入射角的超声波，操作简单方便，能够有效提高检测效率和检测能力。在B扫图像中取缺陷反射波幅值最大的A扫信号，可根据缺陷反射波幅值和飞行时间实现缺陷精准地定量和定位分析。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置结构示意图；
图2是图1提供的实施例中电磁超声斜入射SV波探头结构示意图；
图3是图2提供的实施例中曲折线圈结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法结构示意图；
图5是本发明实施例提供的基于洛伦兹力斜入射SV波激励原理示意图；
图6是本发明实施例提供的斜入射SV波检测待测身管内壁缺陷示意图；
图7是本发明实施例提供的多入射角加权组合B扫成像示意图；
图8是本发明实施例提供的电磁超声斜入射SV波探头在待测身管长度范围内的扫查示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”、“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例提供了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置，包括依次连接的信号发生器2、射频功率放大器3、激励端阻抗匹配电路4、电磁超声斜入射SV波探头1、接收端阻抗匹配电路5、滤波器6、前置放大器7、数据采集卡8，所述信号发生器2、数据采集卡8均与PC机9连接；
所述信号发生器2用于接收所述PC机9的激励指令，依次产生激励频率渐变的脉冲电流；
所述射频功率放大器3用于将信号发生器2产生的脉冲电流放大，然后经所述激励端阻抗匹配电路4通入所述电磁超声斜入射SV波探头1；
所述电磁超声斜入射SV波探头1用于在依次通入放大后的激励频率渐变的脉冲电流后使待测身管10内部产生入射角渐变的SV波；还用于接收多组对应不同入射角的SV波的超声回波信号，并经过所述接收端阻抗匹配电路5传输至滤波器6；
所述滤波器6用于将超声回波信号滤波后传输至所述前置放大器7；
所述前置放大器7用于将滤波后的超声回波信号进行放大后传输至数据采集卡8；
所述数据采集卡8用于将超声回波信号由电信号转换为数字信号后传输至所述PC机9；
所述PC机9用于向所述信号发生器2发送激励指令；还用于接收所述数据采集卡8传输的多组超声回波信号，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号，并对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
其中，所述对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，具体包括：
获取同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，确定入射角-幅值曲线，并据此得到不同入射角的A扫信号对应的权修正系数；
将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像，所述B扫图像中的每一列代表一组修正后的入射角为θi的A扫信号；
在合成的B扫图像的基础上，将纵坐标改为测量纵向位置信息，将横坐标改为测量横向位置信息，完成坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
该装置工作时，首先由PC机9向信号发生器2发送激励指令，控制其依次产生激励频率渐变的脉冲电流，然后经过发大后通入电磁超声斜入射SV波探头1，进而使待测身管10内部产生入射角渐变的SV波，电磁超声斜入射SV波探头1还接收多组对应不同入射角的SV波的超声回波信号，并经过滤波、放大和信号转换后传输至PC机9，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号，PC机9对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，可获得缺陷的剖面几何信息，实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。其中，激励端阻抗匹配电路4将电磁超声斜入射SV波探头1中线圈的阻抗值与射频功率放大器3的输出阻抗进行共轭匹配，保证线圈获得最大的激励功率；接收端阻抗匹配电路5用于将电磁超声斜入射SV波探头1接收到的功率能够最大化地转移至前置放大器7。
由于电磁超声斜入射SV波探头1中线圈的阻抗参数随着激励频率的改变而变化，但是阻抗匹配参数一般不调整，另外不同激励频率点对应的脉冲功放输出功率也不同，导致同一反射面对应的不同激励频率的缺陷反射波幅值不同，因此在进行B扫成像时，需要进行不同入射角A扫信号的权系数修正，通过测试同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，即确定“入射角-幅值曲线”，据此确定不同入射角的A扫信号的权修正系数，将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像。通过上述对A扫信号进行加权修正的处理，可提高检测结果的精度及可靠性。
如图2所示，本实施例中，所述电磁超声斜入射SV波探头1包括外壳14、弧形永磁体11、柔性曲折线圈12、导磁不导电的柔性支撑垫片13、固定机构；
所述永磁体11、曲折线圈12、柔性支撑垫片13均设置于所述外壳14内部，且所述柔性支撑垫片13设置于所述永磁体11下表面，所述曲折线圈12设置于所述柔性支撑垫片13下表面；
所述固定机构安装于所述外壳14上，且所述固定机构抵靠在所述永磁体11表面并将其固定。
在永磁体11下表面设置一层导磁不导电的柔性支撑垫片13，可防止曲折线圈12与永磁体11之间形成超声波，以及通过柔性支撑垫片13与柔性曲折线圈12的配合使用，可使电磁超声斜入射SV波探头1与待测身管10的检测面良好贴合并提高信噪比。
如图3所示，所述曲折线圈12的单匝导线为多导线分裂式结构，能够有效提高电磁超声的换能效率，且所述曲折线圈12采用柔性印刷PCB制作；可保证曲折线圈12与待测身管10的检测面良好接触，曲折线圈12可根据检测面的弧度随意弯曲，使用灵活方便。
所述固定机构包括设置于所述永磁体11两侧且与所述永磁体11两侧斜面配合的斜楔15，以及设置于所述永磁体11上方且与所述永磁体11上表面配合的曲面压板16，所述曲面压板16及两个斜楔15均通过固定螺栓17安装于所述外壳14上。通过调节固定螺栓17可以实现斜楔15与永磁体11的相对移动，可以改变永磁体11与待测身管10的提离高度。
本实施例中，所述电磁超声斜入射SV波探头1的外侧下方设置有多个滚轮18，且其中一个滚轮18上安装有用于记录电磁超声斜入射SV波探头1位置信息的编码器19，所述编码器19与所述PC机9连接；
还包括与所述PC机9连接的运动控制系统，所述电磁超声斜入射SV波探头1安装于所述运动控制系统上，所述运动控制系统用于接收PC机9的移动控制指令将所述电磁超声斜入射SV波探头1依次移动到待测身管10全长度范围内所有预设探测位置；
所述PC机9还用于向所述运动控制系统发送移动控制指令，还用于接收所述编码器19发送的位置信息，并基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管10内部缺陷三维图像。
通过PC机9控制运动控制系统，进而实现将所述电磁超声斜入射SV波探头移动到待测身管上的预设探测位置，根据所有的预设探测位置可提前设置好移动控制指令，实现电磁超声斜入射SV波探头1移动到待测身管10全长度范围内所有预设探测位置的自动化控制，进而实现基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息得到待测身管10内部缺陷三维图像，实现曲面身管的原位检测。具体实施时，运动控制系统分成两部分，一部分用于实现身管的周向转动，另一部分用于实现电磁超声斜入射SV波探头沿着身管的轴向移动。当电磁超声斜入射SV波探头完成周向转动一周以后，再控制探头沿轴向移动到下一个位置，以此类推。运动控制系统主要包括控制器、驱动器、步进电机，控制器接收移动控制指令，发送信号给驱动器，驱动器控制步进电机移动。
在一具体实例中，信号发生器2可选用Agilent 3312A。电磁超声斜入射SV波探头1的外壳14可采用黄铜制作而成，可有效屏蔽外部噪音信号，且外壳14底部呈弧形。永磁体11其竖截面为扇面形，选用沿径向充磁的N52钕铁硼永磁铁，该N52钕铁硼永磁铁尺寸为内径159mm，外径179mm，圆弧角50°，厚度20mm，能够提供较强的偏置磁场。柔性支撑垫片13选用铁氧体橡胶；曲折线圈12的单匝导线为多导线分裂式结构，且曲折线圈12采用柔性印刷PCB制作，基板厚度可选择0.1～0.3mm，本实例中为0.2mm；曲折线圈12匝数可选择20～50匝，本实例中为30匝，单匝导线可选择包含4～10根导线，本实例中为4根，每根导线宽度为0.15mm，相邻导线之间间距为0.3mm。在曲折线圈12匝间距d保持不变的条件下，斜入射SV波入射角θ与激励频率f的关系为sinθ＝v/(2df)，其中v为身管中SV波的声速。当SV波的声速为3200m/s，曲折线圈匝间距d＝1.6mm时，30°对应的激励频率为2MHz。通过改变激励频率，可以改变斜入射SV波的入射角。故而本实例中，在进行检测时，可设定曲折线圈12的激励频率范围1.3MHz(50°入射角)～2.5MHz(23.5°入射角)，以0.1MHz为步长(固定频率间隔)，周期数为5～10、幅值为10～20A的正弦脉冲电流通入曲折线圈12。电磁超声斜入射SV波探头1侧面装有与曲折线圈连通的BNC接口20，用于连接同轴电缆，且外壳14接地，可以有效提高信噪比，外壳14两侧装有滚轮18，方便电磁超声斜入射SV波探头1在待测身管10表面灵活移动，滚轮18旁侧安装的编码器19可以记录电磁超声斜入射SV波探头的位置信息。
实施例2
如图4所示，本实施例提供了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法，包括：
S1：设定电磁超声斜入射SV波探头检测位置。
S2：预先设定激励脉冲信号的激励频率范围。
S3：向具备柔性曲折线圈的电磁超声斜入射SV波探头通入初始激励频率为f1的脉冲电流，基于根据洛伦兹力和磁致伸缩效应，待测身管表面质点做周期性振动，使待测身管内部产生沿入射角θ1传播的SV波。
S4：电磁超声斜入射SV波探头接收超声回波并得到A扫信号；具体为：
当SV波传播至缺陷处和端角时，将形成缺陷反射波和端角反射波，并沿传播路径返回至电磁超声斜入射SV波探头，根据逆洛伦兹力效应和逆磁致伸缩效应，电磁超声斜入射SV波探头会接收到微弱的感生电压信号，并作为超声波被接收。然后经过滤波、放大和信号转换环节，最后将A扫信号送入PC机中LabVIEW软件界面进行分析处理。
S5：按照固定的频率间隔Δf，依次向电磁超声斜入射SV波探头通入激励频率为fi＝f1+Δf·(i-1)的脉冲电流，使待测身管内部对应产生沿入射角θi传播的SV波，其中fi在预先设定激励脉冲信号的激励频率范围内。
S6：采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。具体包括：
采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号；
测试同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，确定入射角-幅值曲线，并据此得到不同入射角的A扫信号对应的权修正系数；
将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像，所述B扫图像中的每一列代表一组修正后的入射角为θi的A扫信号；
在合成的B扫图像的基础上，将纵坐标改为测量纵向位置信息，将横坐标改为测量横向位置信息，完成坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
采用柔性曲折线圈，可确保电磁超声斜入射SV波探头与曲面变径身管良好贴合，通过调整激励频率，改变斜入射SV波的入射角，将得到的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现B扫(扇扫)成像，可获得缺陷的剖面几何信息，实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。
由于电磁超声斜入射SV波探头中线圈的阻抗参数随着激励频率的改变而变化，但是阻抗匹配参数一般不调整，另外不同激励频率点对应的脉冲功放输出功率也不同，导致相同反射面对应的不同激励频率的缺陷反射波幅值不同，因此在进行B扫成像时，需要进行不同入射角A扫信号的权系数修正，通过测试同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，即确定“入射角-幅值曲线”，据此确定不同入射角的A扫信号的权修正系数，将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像。通过上述对A扫信号进行加权修正的处理，可提高检测结果的精度及可靠性。
对缺陷进行定量个定位分析时，在进行加权组合和坐标校正后得到的B扫图像中，取缺陷反射波幅值最大的A扫信号；
将该A扫信号中缺陷反射波幅值与含人工预制的缺陷对比试样进行比较，确定缺陷的当量大小；
获取该A扫信号中缺陷波包的飞行时间，并根据该飞行时间确定缺陷位置，具体包括：
根据该A扫信号中缺陷波包的飞行时间t算出缺陷与电磁超声斜入射SV波探头的直线距离为L＝v*t/2，其中v表示斜入射SV波的声速；
缺陷与电磁超声斜入射SV波探头的水平距离、垂直距离分别为d1＝L·sinθ、d2＝L·cosθ，θ为斜入射SV波的入射角。
本实施例中，还包括步骤S7：
S71：当一个预设探测位置完成变入射角体波加权组合B扫成像后，将电磁超声斜入射SV波探头移动到下一个预设探测位置，并记录电磁超声斜入射SV波探头的位置信息；
S72：在该下一个预设探测位置重复步骤S2～S6完成变入射角体波加权组合B扫成像；
S73：重复上述步骤S71～S72，直至待测身管全长度范围内所有预设探测位置均完成变入射角体波加权组合B扫成像；
S74：基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷三维图像。
具体检测时，先控制电磁超声斜入射SV波探头沿待测身管周向检测一周，然后控制电磁超声斜入射SV波探头沿待测身管轴向移动，然后再沿待测身管周向检测一周，随后控制电磁超声斜入射SV波探头再沿待测身管轴向移动，依此类推，直至完成待测身管全长度范围内所有预设探测位置均完成变入射角体波加权组合B扫成像，最后基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷三维图像，一方面使检测结果更加直观，而提高缺陷的检测灵敏度和检测效率，同时也实现曲面身管的原位检测。
为了更清楚的理解本方案，下面结合附图对本方案的原理做进一步的说明。
电磁超声斜入射SV波探头1中采用的曲折线圈12如图3所示。保持曲折线圈12匝间距d不变，通过调整激励频率f，即可获得不同入射角度的斜入射SV波，实际检测过程中，入射角θ的取值受身管曲率影响。采用激励线圈与接收线圈一体的设计方法，可以有效减小探头尺寸，使探头与身管贴合度更好。
图5为基于曲面斜入射SV波的激励原理图。当曲折线圈中通以高频交流电流，会在身管集肤深度内产生与之方向相反的涡流Je，涡流在永磁体的强磁场下，会产生沿水平方向分布的洛伦兹力fr和竖直方向的洛伦兹力fz。水平方向的洛伦兹力fr会形成SV波，直径方向的洛伦兹力fz会形成纵波，fr与fz的矢量叠加作用形成表面波。洛伦兹力带动质点振动，形成沿一定方向传播的SV波。
图6为斜入射SV波在身管内部传播过程的示意图。当身管内部存在缺陷时，部分超声波会沿着入射路径反射至药室外表面的接收线圈。根据界面中始发脉冲与缺陷回波出现的时间差t，可定位出缺陷至探头的直线距离为L＝v*t/2。若斜入射角为θ，则缺陷与探头的水平距离为d1＝L·sinθ，与探头的垂直距离为d2＝L·cosθ。
图4为加权组合B扫成像和三维成像流程图。在曲面身管确定电磁超声斜入射SV探头需要检测的位置，设定不同入射角扫查对应的激励频率范围。按设定频率进行A扫流程，每采集完一次A扫波形，PC机中LabVIEW软件会进行下一个频率的A扫信号采集，并自行判断所有设定的频率是否采集完成。当设定频率的A扫波形采集完后，对上述A扫波形进行加权组合B扫成像。每完成一次加权组合B扫成像，LabVIEW软件通过串口总线与运动控制系统进行数据传输控制电磁超声斜入射SV波探头移向下一个探测位置，编码器记录电磁超声斜入射SV波探头的位置信息，在下一个检测位置重复加权组合B扫成像的过程，并判断所有预设检测位置是否已经完成扫查。当所有检测点都扫查完成后，即可获得身管内部缺陷的三维图像。
多入射角组合B扫成像过程如图7所示。保持曲折线圈间距d不改变，按设定的频率范围以及一定步长变化的频率进行A扫信号采集。扫查频率为1.3MHz～2.5MHz(入射角为50°～23.5°)，包含斜入射SV波能量最强的激励频率。当激励信号频率发生变化时，斜入射SV波的主声束方向也会发生偏转，采用变频率/多入射角度扫查方式，能够增加斜入射SV波的扫查范围。图7(a)表示不同频率/角度的超声波在药室内壁的传播示意图。图7(b)表示多入射角超声波加权组合B扫成像过程。由于电磁超声线圈的阻抗参数随着激励频率的改变而改变，但是阻抗匹配参数一般不调整，导致相同反射面对应的不同激励频率的缺陷幅值不同，因此在进行B扫成像时，利用不同激励信号的端角反射波比值作为权重，将对应频率的缺陷回波与对应权重相乘(或相除)，即可获得加权处理后的A扫信号。将修正后的缺陷A扫信号合并成B扫图像，可获得缺陷的剖面几何信息。当超声波主声束与缺陷主反射面垂直时，缺陷回波幅值最大。将最大缺陷回波信号与预制缺陷回波信号对比，确定身管内部缺陷的当量大小和倾斜角度。
图8为探头在身管长度范围内的扫查示意图。每完成一次加权组合B扫成像周期，LabVIEW软件通过串口总线与运动控制系统进行数据传输控制电磁超声斜入射SV波探头移向下一个探测位置，重复完成多入射角加权组合B扫成像流程。通过身管长度范围内的变角度扫查，能够实现身管长度范围内缺陷的原位定量和定位检测。
上述实施例提出了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其装置，具有如下优点：
(1)由于身管的变径结构特点，当换能区域较大时，压电超声探头和楔块无法与曲面身管良好贴合。本方案采用柔性印刷线圈配合弹性支撑垫片，保证电磁超声斜入射SV波探头与变径身管贴合良好，可以保证换能效率，避免常规压电超声由于探头与身管曲面贴合不佳问题导致换能效率下降。
(2)传统压电探头需要频繁更换楔块才能实现不同入射角度的超声波，采用本方案中电磁超声斜入射SV波探头，单一探头通过改变激励频率就可发射不同斜入射角的超声波，操作简单方便，能够有效提高检测效率和检测能力。
(3)在检测过程中，不用物理机械装置控制，仅仅改变曲折线圈的激励频率，就可使超声波的主声束发生偏转。当超声波主声束的与裂纹或面积型缺陷的最大反射面垂直时，此时缺陷回波最大。根据最大缺陷回波幅值进行缺陷的当量分析，可以提高缺陷定量检测的精度。
(4)由于身管内部存在膛线等特殊结构，利用不同频率的端角反射波比值对缺陷回波进行加权幅值修正，将修正后的缺陷回波进行多入射角B扫组合成像。同时配合步进电机控制电磁超声探头沿身管长度方向移动，实现复杂曲面身管内部缺陷的三维成像。与传统的斜入射SV波检测方法相比较，该种检测方法能够对复杂结构身管内部缺陷进行准确定位和定量分析，还可实现缺陷的三维成像，有效提高缺陷的检测灵敏度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法，其特征在于，包括：
向具备柔性曲折线圈的电磁超声斜入射SV波探头通入初始激励频率为f1的脉冲电流，使待测身管内部产生沿入射角θ1传播的SV波；
电磁超声斜入射SV波探头接收超声回波并得到A扫信号；
按照固定的频率间隔Δf，依次向电磁超声斜入射SV波探头通入激励频率为fi＝f1+Δf·(i-1)的脉冲电流，使待测身管内部对应产生沿入射角θi传播的SV波；
采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
2.根据权利要求1所述的身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法，其特征在于，所述采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，具体包括：
采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号；
测试同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，确定入射角-幅值曲线，并据此得到不同入射角的A扫信号对应的权修正系数；
将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像，所述B扫图像中的每一列代表一组修正后的入射角为θi的A扫信号；
在合成的B扫图像的基础上，将纵坐标改为测量纵向位置信息，将横坐标改为测量横向位置信息，完成坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
3.根据权利要求1所述的身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法，其特征在于，所述实现变入射角体波加权组合B扫成像之后还包括以下步骤：
在进行加权组合和坐标校正后得到的B扫图像中，取缺陷反射波幅值最大的A扫信号；
将该A扫信号中缺陷反射波幅值与含人工预制的缺陷对比试样进行比较，确定缺陷的当量大小；
获取该A扫信号中缺陷波包的飞行时间，并根据该飞行时间确定缺陷位置。
4.根据权利要求3所述的身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法，其特征在于，所述获取该A扫信号中缺陷波包的飞行时间，并根据该飞行时间确定缺陷位置，具体包括：
根据该A扫信号中缺陷波包的飞行时间t算出缺陷与电磁超声斜入射SV波探头的直线距离为L＝v*t/2，其中v表示斜入射SV波的声速；
缺陷与电磁超声斜入射SV波探头的水平距离、垂直距离分别为d1＝L·sinθ、d2＝L·cosθ，θ为斜入射SV波的入射角。
5.根据权利要求1至4任一项所述的身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法，其特征在于，所述实现变入射角体波加权组合B扫成像之后还包括：
当一个预设探测位置完成变入射角体波加权组合B扫成像后，将电磁超声斜入射SV波探头移动到下一个预设探测位置，并记录电磁超声斜入射SV波探头的位置信息；
在该下一个预设探测位置重复完成变入射角体波加权组合B扫成像；
重复上述步骤，直至待测身管全长度范围内所有预设探测位置均完成变入射角体波加权组合B扫成像；
基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷的三维图像。
6.一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置，其特征在于，包括依次连接的信号发生器、射频功率放大器、激励端阻抗匹配电路、电磁超声斜入射SV波探头、接收端阻抗匹配电路、滤波器、前置放大器、数据采集卡，所述信号发生器、数据采集卡均与PC机连接；
所述信号发生器用于接收所述PC机的激励指令，依次产生激励频率渐变的脉冲电流；
所述射频功率放大器用于将信号发生器产生的脉冲电流放大，然后经所述激励端阻抗匹配电路通入所述电磁超声斜入射SV波探头；
所述电磁超声斜入射SV波探头用于在依次通入放大后的激励频率渐变的脉冲电流后使待测身管内部产生入射角渐变的SV波；还用于接收多组对应不同入射角的SV波的超声回波信号，并经过所述接收端阻抗匹配电路传输至滤波器；
所述滤波器用于将超声回波信号滤波后传输至所述前置放大器；
所述前置放大器用于将滤波后的超声回波信号进行放大后传输至数据采集卡；
所述数据采集卡用于将超声回波信号由电信号转换为数字信号后传输至所述PC机；
所述PC机用于向所述信号发生器发送激励指令；还用于接收所述数据采集卡传输的多组超声回波信号，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号，并对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
7.根据权利要求6所述的身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置，其特征在于，所述对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，具体包括：
获取同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，确定入射角-幅值曲线，并据此得到不同入射角的A扫信号对应的权修正系数；
将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像，所述B扫图像中的每一列代表一组修正后的入射角为θi的A扫信号；
在合成的B扫图像的基础上，将纵坐标改为测量纵向位置信息，将横坐标改为测量横向位置信息，完成坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。
8.根据权利要求6所述的身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置，其特征在于，所述电磁超声斜入射SV波探头包括外壳、弧形永磁体、柔性曲折线圈、导磁不导电的柔性支撑垫片、固定机构；
所述永磁体、曲折线圈、柔性支撑垫片均设置于所述外壳内部，且所述柔性支撑垫片设置于所述永磁体下表面，所述曲折线圈设置于所述柔性支撑垫片下表面；
所述固定机构安装于所述外壳上，且所述固定机构抵靠在所述永磁体表面并将其固定。
9.根据权利要求8所述的身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置，其特征在于，所述曲折线圈的单匝导线为多导线分裂式结构，且所述曲折线圈采用柔性印刷PCB制作；
所述固定机构包括设置于所述永磁体两侧且与所述永磁体两侧斜面配合的斜楔，以及设置于所述永磁体上方且与所述永磁体上表面配合的曲面压板，所述曲面压板及两个斜楔均通过固定螺栓安装于所述外壳上。
10.根据权利要求6至8任一项所述的身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置，其特征在于，所述电磁超声斜入射SV波探头的外侧下方设置有多个滚轮，且其中一个滚轮上安装有用于记录电磁超声斜入射SV波探头位置信息的编码器，所述编码器与所述PC机连接；
还包括与所述PC机连接的运动控制系统，所述电磁超声斜入射SV波探头安装于所述运动控制系统上，所述运动控制系统用于接收PC机的移动控制指令将所述电磁超声斜入射SV波探头依次移动到待测身管全长度范围内所有预设探测位置；
所述PC机还用于向所述运动控制系统发送移动控制指令，还用于接收所述编码器发送的位置信息，并基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷的三维图像。
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