CN111781274B - 一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声成像方法 - Google Patents

一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种漏表面波超声成像方法，实现了对零件表面或近表面缺陷的检测成像。通过采集不同位置的缺陷波数据，获得漏表面波的衰减曲线，然后使用四轴运动平台进行分块式漏表面波超声B扫描，并对检测数据进行衰减补偿，最后对衰减补偿后的数据进行叠加获得超声成像数据。本发明的技术效果在于采用漏表面波超声检测，无需使用耦合剂，配合运动平台可以实现自动化检测；采用衰减补偿方法解决漏表面在传播过程中的衰减问题，保证缺陷成像精度；采用分块式扫查，解决了漏表面波由于能量衰减严重导致有效检测面积过小的问题，实现大面积检测。

Description

一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声成像方法
技术领域
本发明涉及超声检测领域，特别是一种漏表面波超声成像方法。
背景技术
零件的表面或近表面在制造和使用过程表面受环境和载荷等影响，极易产生点蚀、裂纹、孔隙等缺陷，并随着时间的推移而急剧扩展，造成零件失效，严重影响生产制造的安全。
超声检测是常用的无损检测方法，传统的超声纵波、横波在检测零件表面或近表面时，由于扫描速度慢、采集数据量大，近场区声压的急剧波动和边界反射引起的回波重叠，造成缺陷难以识别、成像效果差。超声表面波避免了一般纵波和横波对工件进行检测时所遇到的工件表面和近表面缺陷回波所导致的声波混叠问题，是一种有效的表面缺陷检测方法，如申请公开号CN103063742B，申请公开日2016年2月10日的专利文献公步了一种带涂层转子叶片的表面波原位探伤方法，通过耦合剂实现表面波探头与工件的耦合对转子叶片进行表面波超声检测，但该方法只能实现局部接触式检测，难以实现自动化，检测效率相对较低。漏表面波可以采用非接触式检测，不需要考虑探头与接触面的耦合问题，并且易于利用机械装置实现自动化、高精度的无损检测。
实际检测过程中，漏表面波传播时声波经过多次转换，且由于在工件中的传播衰减，缺陷回波的信号能量大幅减小，这导致漏表面波的纵向检测距离也大幅减小，申请公布号CN109709218A，申请公开日2019年5月3日的专利文献公开了一种汽轮机叶片超声表面波检测方法，通过润滑脂对探头与工件进行耦合，每隔一段距离涂抹一次润滑脂，并进行一次超声表面波检测，从而实现长距离超声检测，但该方法并未考虑衰减问题，无法实现精确检测，检测范围仍然局限于一条线，且多次拆装耦合效率低难以保证耦合效果，极易影响成像质量。
本发明提出的一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声成像方法，实现了表面缺陷的自动化、高效率、高精度、大面积成像检测。
发明内容
本发明的目的在于提出一种漏表面波的超声成像方法，对零件表面或近表面缺陷的自动化、高效率、高精度、大面积成像检测，为评价金属构件表面质量提供了一种有效的无损检测方法。
基于上述目的本发明提供的一种漏表面波超声检测检测方法，包含以下步骤：
步骤一、将被测工件放置于具有X/Y/Z/A四轴运动控制的水浸式超声检测装置的水槽中，根据被检测工件和水的声学特性，利用斯涅耳定律确定水浸检测时的瑞利角
Figure GDA0004277312470000021
其中cl为水中纵波传播速度，cr为表面波传播速度，控制A轴使得水浸聚焦探头以大于瑞利角αR的入射角α倾斜入射到工件表面产生漏表面波，控制X/Y/Z轴调整水声距h使得探头焦点聚焦在被测工件表面，控制聚焦误差/>
Figure GDA0004277312470000022
F为水浸聚焦探头的焦距；
步骤二、记录下测工件上一个明显缺陷在Y轴上的位置y1，并使得漏表面波刚好打在y1上，记录下此时缺陷y1的缺陷波幅值，再沿着远离y1的方向使探头沿Y轴运动，每隔距离n记录一次缺陷波幅值数据，据此拟合出一条缺陷波衰减曲线，并对其进行归一化，记为Q。
步骤三、通过四轴运动控制装置使水浸聚焦探头沿X轴移动，每隔Δx采集一次数据，通过超声脉冲发生接收器激励水浸聚焦探头产生和接收超声脉冲信号，通过超声波采集卡采集漏表面波脉冲回波信号，并同步储存采集，将记录下的B扫回波信号记为D(1)，然后探头沿Y轴运动距离y2，同样采集一组B扫描数据记为D(2)，重复此过程，并记录数据，记为D(i)，i为第i次B扫检测，直至检测覆盖整个待测区域。
步骤四、以衰减为50％时对应探头运动的距离作为有效检测距离，记为y0。对步骤三中所采集到的B扫数据D(i)进行成像，保留有效检测距离y0内的数据，记为D1(i)，衰减补偿后的B扫成像数据T(i)＝D1(i)/Q。
所述的一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声检测及成像方法，步骤五中对衰减补偿后的数据进行叠加的方法：
当不采用叠加时，探头在Y轴上每次运动距离为y2＝y0，此时将检测区域分为i部分，每个部分的成像数据为S(i)，单次叠加时S(i)＝T(i)，将其拼合在一起得到的就是整个检测区域的检测结果。
当使用二次叠加时，探头在Y轴上每次运动距离y2＝y0/2，，将检测区域分为i+1个部分，将每组B扫数据T(i)分为前后两部分T1(i)与T2(i)，则每个区域的成像数据S(i)＝[T1(i)+T2(i-1)]/2。
由此类推，当进行n次叠加时，探头在Y轴上每次运动距离为y2＝y0/n，将检测区域分为i+n-1个部分，将每组B扫数据T(i)分为n个部分T1(i)、T2(i)、…Tn(i)，则每个区域的成像数据S(i)＝[T1(i)+T2(i-1)+T3(i-2)+…+Tn(i-n)]/n，再将所有S(i)拼合即可得到检测结果，例如进行三次叠加时，S(i)＝[T1(i)+T2(i-1)+T3(i-2)]/3。再将所有S(i)拼合即可得到超声漏表面波检测成像结果。
本发明提供的一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声成像方法，通过分块式超声B扫描以及衰减补偿，可以解决漏表面波由于衰减严重，有效检测面积过小以及检测精度低的问题，通过多次叠加B扫数据的方法可以提高检测的精度、鲁棒性，为评价金属构件表面质量提供了一种高效、自动化、的无损检测方法。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声成像方法的流程图；
图2为实际检测所用的试块以及缺陷分布示意图；
图3为本发明水浸式超声检测装置示意图；
图4为本发明实际测得的漏表面波衰减曲线图；
图5为本发明进行单次叠加时的成像数据拼合示意图；
图6为本发明进行二次叠加时的成像数据拼合示意图；
图7为本发明进行三次叠加时的成像数据拼合示意图；
图8为漏表面波检测数据三次叠加成像图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的实施流程如图1所示，具体如下：
本发明的实验系统由机械运动控制装置、脉冲发射接收装置、水浸聚焦探头、超声数据采集卡和试块组成，选择具有的线性分布钻孔钢试块作为被测工件，试块尺寸为160mm×240mm，试块以及缺陷的分布如图2所示。
对工件表面检测区域进行漏表面波超声检测步骤包括：
步骤一、将被测工件放置于具有X/Y/Z/A四轴运动控制的水浸式超声检测装置的水槽中，检测示意图如图3，根据被检测工件和水的声学特性，利用斯涅耳定律确定水浸检测时的瑞利角
Figure GDA0004277312470000031
其中cl为水中纵波传播速度，cr为被测工件表面波传播速度，选择一个频率为7.5MHz的水浸聚焦探头，控制A轴使得水浸聚焦探头以大于瑞利角αR的入射角倾斜入射到工件表面产生漏表面波，入射角α即水浸聚焦探头扫查中心线与工件入射点法线夹角，为获得较好的声束能量，并能准确聚焦在被测工件表面，控制X/Y/Z轴调整水声距h与水浸聚焦探头的焦距F一致，其中水浸聚焦探头的焦距为F＝76mm；
步骤二、记录下工件上一个明显缺陷y1，如图2所示，并使得漏表面波刚好打在y1上，记录下此时缺陷波的幅值，再沿着远离y1的方向使探头在Y轴上运动，记录下各距离下的幅值数据，y1处的缺陷波幅值随着距离的增大，再根据此数据拟合出一条表面波衰减曲线并对其进行归一化，记为Q，如图4所示。
步骤三、根据步骤二所述的衰减曲线图S可以看到y1处的缺陷波在距离10mm幅值为2.59相比0mm时的幅值4.52衰减了57％，与50％近似，为计算方便，视有效检测距离y0＝10mm。接下来对被测工件表面进行超声B扫查并采集超声回波数据，通过四轴运动控制装置使水浸聚焦探头，从接近试块边缘开始沿X轴移动，当完成一次B扫描，通过ADLINK PCI-E-9852超声波采集卡采集漏表面波的脉冲回波数据，同步储存采集的回波信号记为D(1)，一次扫查完成后，探头沿Y轴正方向运动y2，同样采集一组B扫描数据记为D(2)，继续重复此过程，并记录数据D(i)，i为扫查次数，直至扫描覆盖整个检测区域。
接着对上述采集到的B扫数据D(i)进行叠加拼合成像处理，具体方法如下：
对采集来的B扫数据进行成像，保留Y轴上距离为y0的有效检测部分，记为D1(i)，对其进行衰减补偿，补偿后的数据T(i)＝D1(i)/Q。当不采用叠加时，探头在Y轴上每次运动距离为y2＝y0，如图5，此时将检测区域分为i部分，每个部分的成像数据为S(i)，单次叠加时S(i)＝T(i)，将其拼合在一起得到的就是整个检测区域的检测结果。
当使用二次叠加时，探头在Y轴上每次运动距离为y2＝y0/2，如图6，将检测区域分为i+1个部分，将每组B扫数据T(i)分为前后两部分T1(i)与T2(i)，则每个区域的成像数据S(i)＝[T1(i)+T2(i-1)]/2，再将所有S(i)拼合即可得到超声漏表面波检测成像结果。
由此类推，当进行n次叠加时，探头在Y轴上每次运动距离为y2＝y0/n，将检测区域分为i+n-1个部分，将每组B扫数据T(i)分为n个部分T1(i)、T2(i)、…Tn(i)，则每个区域的成像数据S(i)＝[T1(i)+T2(i-1)+T3(i-2)+…+Tn(i-n)]/n，再将所有S(i)拼合即可得到检测结果，例如进行三次叠加时，示意图如图7，S(i)＝[T1(i)+T2(i-1)+T3(i-2)]/3，再将所有S(i)拼合即可得到超声漏表面波检测成像结果，叠加成像结果如图8。

Claims (2)

1.一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声检测及成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：发射漏表面波，将被测工件放置于具有X/Y/Z/A四轴运动控制的水浸式超声检测装置的水槽中，根据被检测工件和水的声学特性，利用斯涅耳定律确定水浸检测时的瑞利角
Figure FDA0004176982310000011
其中cl为水中纵波传播速度，cr为表面波传播速度，控制A轴使得水浸聚焦探头以大于瑞利角αR的入射角α倾斜入射到工件表面产生漏表面波，控制X/Y/Z轴调整水声距h使得探头焦点聚焦在被测工件表面，控制聚焦误差/>
Figure FDA0004176982310000012
F为水浸聚焦探头的焦距；
步骤二：测量漏表面波衰减曲线，记录下被测工件上一个明显缺陷在Y轴上的位置y1，并使得漏表面波刚好打在y1上，记录下此时缺陷y1的缺陷波幅值，再沿着远离y1的方向使探头沿Y轴运动，每隔距离n记录一次缺陷波幅值数据，据此拟合出一条缺陷波衰减曲线，并对其进行归一化，记为Q；
步骤三：进行分块式漏表面波超声B扫描，通过四轴运动控制装置使水浸聚焦探头沿X轴移动，每隔Δx采集一次数据，通过超声脉冲发生接收器激励水浸聚焦探头产生和接收超声脉冲信号，并通过超声波采集卡采集漏表面波脉冲回波信号，并同步储存采集，将记录下的B扫回波信号记为D(1)，然后探头沿Y轴运动距离y2，同样采集一组B扫描数据记为D(2)，重复此过程，并记录数据，记为D(i)，i为第i次B扫检测，直至检测覆盖整个待测区域；
步骤四：对B扫检测数据进行衰减补偿，首先以衰减为50％时对应探头运动的距离作为有效检测距离，记为y0；
对步骤三中所采集到的B扫数据D(i)进行成像，保留有效检测距离y0内的数据，记为D1(i)，衰减补偿后的B扫成像数据T(i)＝D1(i)/Q；
步骤五：对衰减补偿后的数据进行叠加获得最终成像数据，设置叠加次数，对补偿后的B扫数据进行叠加。
2.如权利要求1所述的一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声检测及成像方法，其特征在于，所述步骤五中对衰减补偿后的数据进行叠加的方法：
当不采用叠加时，探头在Y轴上每次运动距离为y2＝y0，此时将检测区域分为i部分，每个部分的成像数据为S(i)，单次叠加时S(i)＝T(i)，将其拼合在一起得到的就是整个检测区域的检测结果；当使用二次叠加时，探头在Y轴上每次运动距离y2＝y0/2，将检测区域分为i+1个部分，将每组B扫数据T(i)分为前后两部分T1(i)与T2(i)，则每个区域的成像数据S(i)＝[T1(i)+T2(i-1)]/2；由此类推，当进行n次叠加时，探头在Y轴上每次运动距离为y2＝y0/n，将检测区域分为i+n-1个部分，将每组B扫数据T(i)分为n个部分T1(i)、T2(i)、…Tn(i)，则每个区域的成像数据S(i)＝[T1(i)+T2(i-1)+T3(i-2)+…+Tn(i-n)]/n，再将所有S(i)拼合即可得到检测结果。
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