CN112098518A - 高分辨率错位阵列超声b/c扫描检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法，属于无损检测领域。检测装置包括错位阵列超声探头、X向运动装置、超声采集卡、电机控制卡和工业计算机，错位阵列超声探头与超声采集卡和工业计算机相连，对各超声振元进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；X向运动装置并与电机控制卡和工业计算机相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探头的运动驱动和位置信息采集；错位阵列超声探头安装在X向运动装置上，并在X向运动装置的驱动下实现X向运动。检测方法将错位阵列超声探头与X向运动装置组合，通过机械扫查和电子扫查相结合，最终实现工件内部连接状态的高效率、高分辨率、低成本的超声B/C扫描检测。

Description

高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别涉及一种高分辨率超声波B/C扫描检测技术，尤指一种高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法。可应用于汽车、轨道客车、航空航天、制药装备等技术领域。

背景技术

超声B扫描和C扫描检测是常见的工件内部状态无损检测的方法。常见的超声B/C扫描检测方法有三种，一种是采用机械装置驱动单点式超声探头在工件表面进行扫查运动，当扫查路径为一条直线时，其扫查数据可以形成超声B扫描检测结果；当扫查路径覆盖工件表面时，其扫查数据可以形成超声C扫描检测结果。当机械装置的步进点设置得非常密集时，这种检测方法具有较高的检测精度和较低的检测速度；而当步进点设置稀疏时，则可以实现较高的检测速度和较低的检测精度。因此，其检测精度和检测速度难以兼顾。

第二种超声B/C扫描检测方法是采用面阵式探头覆盖工件表面进行检测，当采用面阵探头的其中一列超声振元进行检测时，其回波数据可以形成超声B扫描检测结果；当采用面阵探头的多列超声振元进行检测时，其回波数据可以形成超声C扫描检测结果。该方法可以实现高效的超声B/C扫描检测，但是，由于超声振元的物理尺寸限制，其检测精度难以提升。

第三种超声B/C扫描检测方法是采用相控阵探头覆盖在工件表面，采用相控阵技术控制超声探头中的多个超声阵元收/发超声信号，实现超声束的物理聚焦。该方法同时具有较高的检测精度和检测速度，但是，由于相控阵控制方法的复杂性，对超声控制卡及信号处理方法要求极高，使相控阵设备的成本较为昂贵，限制了该技术的广泛使用。因此，如何进行快速、高精度、低成本的超声B/C扫描，成为了目前超声检测领域急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对现阶段超声B/C扫描检测所采用的机械扫查式、阵列探头式等超声波检测方法的局限性，将错位排列阵列探头与单向步进电机集成在一起，通过机械扫查和电子扫查相结合，最终实现工件内部状态的高效率、高分辨率超声波成像。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置，包括错位阵列超声探头5、X向运动装置4、超声采集卡2、电机控制卡3和工业计算机1，所述错位阵列超声探头5通过数据线与超声采集卡2和工业计算机1相连，对各超声振元6进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；所述X向运动装置4采用电机作为内置驱动，并通过数据线与电机控制卡3和工业计算机1相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探头5的运动驱动和位置信息采集；所述错位阵列超声探头5安装在X向运动装置4上，并在X向运动装置4的驱动下实现X向运动。

所述错位阵列超声探头5内置行数为s、列数为n的超声振元6，超声振元6的Y向间距为hu，每两列超声振元之间存在尺寸为a的Y向偏移。

本发明的另一目的在于提供一种高分辨率错位阵列超声B扫描检测方法，包含如下步骤：

步骤一、设计错位阵列超声探头5，包含以下子步骤：

1.1确定超声振元6的X向尺寸L和Y向尺寸h；

根据超声振元6的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：

hu ＞ h

1.2根据待测区域7的宽度w确定所有超声振元6的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元6的行数s，其确定方法为：

Hy ≥ w

s ≥ Hy / hu

其中s为整数；

1.3根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元6的列数n，其确定方法为：

n ≥ Hy / Cy * s

其中n为整数；

1.4根据超声振元6的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元的错位距离a，其确定方法为：

a = hu / n

步骤二、采用错位阵列超声探头5进行超声B扫描检测，包含以下子步骤：

2.1 将错位阵列超声探头5放置在待测区域7表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域7；

2.2工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动，使第1列超声振元6的中心位置处于待测截面B-B上；

2.3 工业计算机1通过超声采集卡2控制错位阵列超声探头5的第1列超声振元6在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P11、P12、……、P1s；

2.4 工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动距离L，使下一列超声振元6的中心位置处于待测截面B-B上；

2.5 重复步骤2.3-2.4，直至错位阵列超声探头5移出待测区域7；

2.6 工业计算机1将所有检测数据按P11 、P21、……、Pn1、 P12、P22、……、Pn2、……、P1s、P2s、……、Pns排列，并形成超声B扫描图像。

本发明的又一目的在于提供一种高分辨率错位阵列超声C扫描检测方法，包含如下步骤：

步骤一、设计错位阵列超声探头5，包含以下子步骤：

1.1确定超声振元6的X向尺寸L和Y向尺寸h；

1.2根据超声振元6的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：

hu ＞ h

1.3根据待测区域7的宽度w确定所有超声振元6的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元6的行数s，其确定方法为：

Hy ≥ w

s ≥ Hy / hu

其中s为整数；

1.4根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元6的列数n，其确定方法为：

n ≥ Hy / Cy * s

其中n为整数；

1.5根据超声振元6的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元6的错位距离a，其确定方法为：

a = hu / n

步骤二、采用错位阵列超声探头5进行超声C扫描检测，包含以下子步骤：

2.1 将错位阵列超声探头5放置在待测区域7表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域；

2.2 在X向移动错位阵列超声探头5，使错位阵列超声探头5移动至待测区域7起始点；

2.3 根据超声C扫描检测的X向分辨率Cx，工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动Cx距离；

2.4 工业计算机1通过超声采集卡2控制错位阵列超声探头5的每个超声振元6在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P111、P121、……、P1s1；

2.5 重复步骤2.3-2.4，直至错位阵列超声探头5移出待测区域7；

2.6 工业计算机1将所有检测数据按P111……Pn11、 P121……Pn21、……、 P1s1……Pns1；P112……Pn12、 P122……Pn22、……、 P1s2……Pns2；……；P11x……Pn1x、P12x……Pn2x、……、 P1sx……Pnsx排列，形成超声C扫描图像。

本发明的有益效果在于：本发明解决了X-Y向扫查装置检测速度低、面阵式扫查精度难以提升的问题，将机械扫查和电子扫查相结合，实现工件内部连接状态的高效率、高分辨率超声波成像。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置的结构示意图；

图2为本发明的错位阵列超声探头阵元布置示意图；

图3为本发明的高分辨率错位阵列超声B扫描检测方法示意图；

图4为本发明的高分辨率错位阵列超声C扫描检测方法示意图；

图5为轮状水浸的高分辨率错位阵列超声B/C扫描装置示意图。

图中：1、工业计算机；2、超声采集卡；3、电机控制卡；4、X向运动装置；5、错位阵列超声探头；6、超声振元；7、待测区域；8、水浸轮。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1，本发明的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法，针对现阶段超声波B/C扫描检测领域所采用的机械扫查式、阵列探头式等超声波检测方法的局限性，将错位阵列超声探头与X向运动装置组合，通过机械扫查和电子扫查相结合，最终实现工件内部连接状态的高效率、高分辨率、低成本的超声B/C扫描检测。

参见图1及图2所示，本发明的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置，其基本扫查原理为：在错位阵列超声探头5内部，将多列超声波振元6错位排列，组成面阵。检测时，将错位阵列超声探头覆盖在待测区域7表面，并进行X向的步进式运动，即可实现在工件表面的高精度覆盖式扫查。

参见图1所示，本发明的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置，包括错位阵列超声探头5、X向运动装置4、超声采集卡2、电机控制卡3和工业计算机1，所述错位阵列超声探头5安装在X向运动装置4上，并在X向运动装置4的驱动下实现X向运动。所述错位阵列超声探头5通过数据线与超声采集卡2和工业计算机1相连，对各超声振元6进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；所述X向运动装置4采用电机作为内置驱动，并通过数据线与电机控制卡3和工业计算机1相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探头5的运动驱动和位置信息采集。

参见图2所示，所述错位阵列超声探头5内置行数为s、列数为n的超声振元6，超声振元6的Y向间距为hu，每两列超声振元之间存在尺寸为a的Y向偏移。

参见图3所示，本发明的高分辨率错位阵列超声B扫描检测方法，其检测流程及检测步骤如下：

步骤一、设计错位阵列超声探头5，包含以下子步骤：

1.1确定超声振元6的X向尺寸L和Y向尺寸h；

根据超声振元6的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：

hu ＞ h

1.2根据待测区域7的宽度w确定所有超声振元6的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元6的行数s，其确定方法为：

Hy ≥ w

s ≥ Hy / hu

其中s为整数；

1.3根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元6的列数n，其确定方法为：

n ≥ Hy / Cy * s

其中n为整数；

1.4根据超声振元6的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元的错位距离a，其确定方法为：

a = hu / n

步骤二、采用错位阵列超声探头5进行超声B扫描检测，包含以下子步骤：

2.1 将错位阵列超声探头5放置在待测区域7表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域7；

2.2工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动，使第1列超声振元6的中心位置处于待测截面B-B上；

2.3 工业计算机1通过超声采集卡2控制错位阵列超声探头5的第1列超声振元6在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P11、P12、……、P1s；

2.4 工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动距离L，使下一列超声振元6的中心位置处于待测截面B-B上；

2.5 重复步骤2.3-2.4，直至错位阵列超声探头5移出待测区域7；

2.6 工业计算机1将所有检测数据按P11 、P21、……、Pn1、 P12、P22、……、Pn2、……、P1s、P2s、……、Pns排列，并进行处理，形成超声B扫描图像。

参见图4所示，本发明的高分辨率错位阵列超声C扫描检测方法，其检测流程及检测步骤如下：

步骤一、设计错位阵列超声探头5，包含以下子步骤：

1.1确定超声振元6的X向尺寸L和Y向尺寸h；

1.2根据超声振元6的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：

hu ＞ h

1.3根据待测区域7的宽度w确定所有超声振元6的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元6的行数s，其确定方法为：

Hy ≥ w

s ≥ Hy / hu

其中s为整数；

1.4根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元6的列数n，其确定方法为：

n ≥ Hy / Cy * s

其中n为整数；

1.5根据超声振元6的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元6的错位距离a，其确定方法为：

a = hu / n

步骤二、采用错位阵列超声探头5进行超声C扫描检测，包含以下子步骤：

2.1 将错位阵列超声探头5放置在待测区域7表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域；

2.2 在X向移动错位阵列超声探头5，使错位阵列超声探头5移动至待测区域7起始点；

2.3 根据超声C扫描检测的X向分辨率Cx，工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动Cx距离；

2.4 工业计算机1通过超声采集卡2控制错位阵列超声探头5的每个超声振元6在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P111、P121、……、P1s1；

2.5 重复步骤2.3-2.4，直至错位阵列超声探头5移出待测区域7；

2.6 工业计算机（1）将所有检测数据按P111……Pn11、 P121……Pn21、……、P1s1……Pns1；P112……Pn12、 P122……Pn22、……、 P1s2……Pns2；……；P11x……Pn1x、P12x……Pn2x、……、 P1sx……Pnsx排列，形成超声C扫描图像。

参见图5所示，为本发明的另一实施例：轮状水浸的高分辨率错位阵列超声B/C扫描装置示意图，由水浸轮8、错位阵列超声探头5、X向运动装置4、超声采集卡2、电机控制卡3和工业计算机1组成。其中，错位阵列超声探头5内置在水浸轮8内，并与水浸轮8一同安装在X向运动装置4上，在X向运动装置4的驱动下实现错位阵列超声探头5进行X向运动，水浸轮8在工件表面滚动前进；错位阵列超声探头5通过数据线与超声采集卡2和工业计算机1相连，对各超声振元6进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；X向运动装置4采用电机作为内置驱动，并通过数据线与电机控制卡3和工业计算机1相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对超声探头的运动驱动和位置信息采集。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置，其特征在于：包括错位阵列超声探头（5）、X向运动装置（4）、超声采集卡（2）、电机控制卡（3）和工业计算机（1），所述错位阵列超声探头（5）通过数据线与超声采集卡（2）和工业计算机（1）相连，对各超声振元（6）进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；所述X向运动装置（4）采用电机作为内置驱动，并通过数据线与电机控制卡（3）和工业计算机（1）相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探头（5）的运动驱动和位置信息采集；所述错位阵列超声探头（5）安装在X向运动装置（4）上，并在X向运动装置（4）的驱动下实现X向运动。

2.根据权利要求1所述的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置，其特征在于：所述错位阵列超声探头（5）内置行数为s、列数为n的超声振元（6），超声振元（6）的Y向间距为hu，每两列超声振元之间存在尺寸为a的Y向偏移。

3.一种利用权利要求1-2任一项所述的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置实现的高分辨率错位阵列超声B扫描检测方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤一、设计错位阵列超声探头（5），包含以下子步骤：

1.1确定超声振元（6）的X向尺寸L和Y向尺寸h；

根据超声振元（6）的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：

hu ＞ h

1.2根据待测区域（7）的宽度w确定所有超声振元（6）的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元（6）的行数s，其确定方法为：

Hy ≥ w

s ≥ Hy / hu

其中s为整数；

1.3根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元（6）的列数n，其确定方法为：

n ≥ Hy / Cy * s

其中n为整数；

1.4根据超声振元（6）的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元的错位距离a，其确定方法为：

a = hu / n

步骤二、采用错位阵列超声探头（5）进行超声B扫描检测，包含以下子步骤：

2.1 将错位阵列超声探头（5）放置在待测区域（7）表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域（7）；

2.2工业计算机（1）通过电机控制卡（3）驱动X向运动装置（4），带动错位阵列超声探头（5）在X向移动，使第1列超声振元（6）的中心位置处于待测截面B-B上；

2.3 工业计算机（1）通过超声采集卡（2）控制错位阵列超声探头（5）的第1列超声振元（6）在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P11、P12、……、P1s；

2.4 工业计算机（1）通过电机控制卡（3）驱动X向运动装置（4），带动错位阵列超声探头（5）在X向移动距离L，使下一列超声振元（6）的中心位置处于待测截面B-B上；

2.5 重复步骤2.3-2.4，直至错位阵列超声探头（5）移出待测区域（7）；

2.6 工业计算机（1）将所有检测数据按P11 、P21、……、Pn1、 P12、P22、……、Pn2、……、 P1s、P2s、……、Pns排列，并形成超声B扫描图像。

4.一种利用权利要求1-2任一项所述的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置实现的高分辨率错位阵列超声C扫描检测方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤一、设计错位阵列超声探头（5），包含以下子步骤：

1.1确定超声振元（6）的X向尺寸L和Y向尺寸h；

1.2根据超声振元（6）的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：

hu ＞ h

1.3根据待测区域（7）的宽度w确定所有超声振元（6）的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元（6）的行数s，其确定方法为：

Hy ≥ w

s ≥ Hy / hu

其中s为整数；

1.4根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元（6）的列数n，其确定方法为：

n ≥ Hy / Cy * s

其中n为整数；

1.5根据超声振元（6）的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元（6）的错位距离a，其确定方法为：

a = hu / n

步骤二、采用错位阵列超声探头（5）进行超声C扫描检测，包含以下子步骤：

2.1 将错位阵列超声探头（5）放置在待测区域（7）表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域；

2.2 在X向移动错位阵列超声探头（5），使错位阵列超声探头（5）移动至待测区域（7）起始点；

2.3 根据超声C扫描检测的X向分辨率Cx，工业计算机（1）通过电机控制卡（3）驱动X向运动装置（4），带动错位阵列超声探头（5）在X向移动Cx距离；

2.4 工业计算机（1）通过超声采集卡（2）控制错位阵列超声探头（5）的每个超声振元（6）在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P111、P121、……、P1s1；

2.5 重复步骤2.3-2.4，直至错位阵列超声探头（5）移出待测区域（7）；

2.6 工业计算机（1）将所有检测数据按P111……Pn11、 P121……Pn21、……、P1s1……Pns1；P112……Pn12、 P122……Pn22、……、 P1s2……Pns2；……；P11x……Pn1x、P12x……Pn2x、……、 P1sx……Pnsx排列，形成超声C扫描图像。

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