CN112798685A - 一种基于超声相控阵的u肋焊缝检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，用于对桥梁的U肋焊缝进行检测，其包括：在桥梁的桥面板上对应同一焊缝处布置两个超声相控阵换能器；控制两个所述超声相控阵换能器依次向所述焊缝激励一个倾斜入射的检测信号，并分别接收第一回波信号；根据两个所述超声相控阵换能器的聚焦法则、所述第一回波信号以及两个所述超声相控阵换能器的位置信息对检测结果进行组合成像。本发明涉及的一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，能够实现U肋焊缝的快速全面检测，且将两个超声相控阵换能器采集到的数据进行组合成像，可以提高成像精度，也可避免因缺陷方向性带来的漏检情况。

Description

一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法

技术领域

本发明涉及超声相控阵无损检测领域，特别涉及一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法。

背景技术

目前，由于U肋具有抗扭刚度较大，且焊后变形相对较小等优点，因此大多数大跨度钢结构桥梁均采用U肋来加强正交异性桥面板的刚度。但是由于U肋在实际使用过程中受力较为复杂，且受到焊接过程的影响，在使用过程中容易因疲劳而产生缺陷，进而缩短使用寿命，因此需要对U肋角焊缝进行检测，确保焊接质量。

相关技术中，传统U肋焊缝检测方式主要利用磁粉检测或者单晶换能器进行检测，采取磁粉检测可以对U肋焊缝的表面缺陷进行检测，但无法对U肋内侧焊缝进行检测；利用单晶换能器需要从面板和肋板等多个位置上进行检测，这样的检测方式难以实现对焊缝位置的全覆盖，准确性较低，并且对检测人员要求较高。

因此，有必要提出一种新的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，以克服上述问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，以解决相关技术中采取磁粉检测无法对U肋内侧焊缝进行检测；利用单晶换能器需要从面板和肋板等多个位置上进行检测，难以实现对焊缝位置的全覆盖，准确性较低，并且对检测人员要求较高的问题。

第一方面，提供了一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，用于对桥梁的U肋焊缝进行检测，其包括：在桥梁的桥面板上对应同一焊缝处布置两个超声相控阵换能器；控制两个所述超声相控阵换能器依次向所述焊缝激励一个倾斜入射的检测信号，并分别接收第一回波信号；根据两个所述超声相控阵换能器的聚焦法则、所述第一回波信号以及两个所述超声相控阵换能器的位置信息对检测结果进行组合成像。

一些实施例中，在桥梁的桥面板上对应同一焊缝处布置两个超声相控阵换能器之前，先确定所述焊缝的中心线，并在所述桥面板上标记出所述焊缝的中心线位置。

一些实施例中，在桥梁的桥面板上对应同一焊缝处布置两个超声相控阵换能器之前，通过模拟仿真过程，确定两个所述超声相控阵换能器的相对位置以及各自的聚焦法则。

一些实施例中，所述在桥梁的桥面板上对应同一焊缝处布置两个超声相控阵换能器，包括：将两个超声相控阵换能器安装于扫查装置上，并将所述扫查装置安装于所述桥面板的顶侧，使两个所述超声相控阵换能器位于所述焊缝中心线两侧的预设位置。

一些实施例中，在控制两个所述超声相控阵换能器依次向所述焊缝激励一个倾斜入射的检测信号，并分别接收第一回波信号之前，还包括以下步骤：控制两个所述超声相控阵换能器向所述桥面板的底侧激励一个垂直入射的声信号，并分别接收第二回波信号；根据所述第二回波信号确定所述桥面板的厚度，以及所述超声相控阵换能器与所述桥面板的耦合状态。

一些实施例中，所述控制两个所述超声相控阵换能器向所述桥面板的底侧激励一个垂直入射的声信号，并分别接收第二回波信号，包括：控制两个所述超声相控阵换能器同时向所述桥面板的底侧激励一个垂直入射的声信号，或者控制两个所述超声相控阵换能器依次向所述桥面板的底侧激励一个垂直入射的声信号，声信号在所述桥面板的底侧发生反射产生第二回波信号，两个所述超声相控阵换能器分别接收与其对应的所述第二回波信号。

一些实施例中，所述根据所述第二回波信号确定所述桥面板的厚度，以及所述超声相控阵换能器与所述桥面板的耦合状态，包括：根据所述第二回波信号的声程测量所述桥面板的厚度；将所述第二回波信号的回波幅度与预设幅度值相比较，确定所述超声相控阵换能器与所述桥面板的耦合状态。

一些实施例中，在根据所述第二回波信号确定所述桥面板的厚度，以及所述超声相控阵换能器与所述桥面板的耦合状态之后，还包括：当所述第二回波信号的回波幅度小于预设幅度值时，记录该处位置信息以及该处回波幅度，并根据回波幅度判断进行后期补偿还是重新进行扫查。

一些实施例中，所述根据两个所述超声相控阵换能器的聚焦法则、所述第一回波信号以及两个所述超声相控阵换能器的位置信息对检测结果进行组合成像，包括：根据两个所述检测信号的倾斜角度、所述第一回波信号以及两个所述超声相控阵换能器的位置信息，计算两个所述超声相控阵换能器中检测到的缺陷是否为同一位置；若两个所述超声相控阵换能器中检测到的缺陷为同一位置，则将两个所述超声相控阵换能器采集的信号进行重构，并利用重构后的信号进行成像处理，若两个所述超声相控阵换能器中检测到的缺陷不是同一位置，则对两个所述第一回波信号分别处理，确定两个缺陷的位置；使两个所述超声相控阵换能器的检测结果形成一幅图像。

一些实施例中，所述将两个所述超声相控阵换能器采集的信号进行重构，并利用重构后的信号进行成像处理，包括：取两个所述第一回波信号中最高的信号幅值来计算该缺陷在图像中的位置。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明实施例提供了一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，由于本发明实施例采用了超声相控阵换能器，超声相控阵换能器可以发射超声波对焊缝进行扫查，能够实现U肋焊缝的快速全面检测，且对同一焊缝采用了两个超声相控阵换能器进行扫查，一方面可以保证对U肋角焊缝的全覆盖，另一方面两个相控阵换能器的检测结果也可以互相验证，提高检测结果的准确性，另外将两个超声相控阵换能器采集到的数据进行组合成像，可以提高成像精度，也可避免因缺陷方向性带来的漏检情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例提供的一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的U肋焊缝检测示意图；

图3为本发明实施例提供的焊缝放大示意图。

图中：

1、超声相控阵换能器；

2、桥面板；

3、U肋；

4、焊缝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

本发明实施例提供了一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其能解决相关技术中采取磁粉检测无法对U肋内侧焊缝进行检测；利用单晶换能器需要从面板和肋板等多个位置上进行检测，难以实现对焊缝位置的全覆盖，准确性较低，并且对检测人员要求较高的问题。

参见图1至图3所示，为本发明实施例提供的一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，用于对桥梁的U肋焊缝4进行检测，其包括：

步骤S101：在桥梁的桥面板2上对应同一焊缝4处布置两个超声相控阵换能器1。

在一些实施例中，于步骤S101之前，可以先确定焊缝4的中心线，并在桥面板2的顶侧标记出焊缝4的中心线位置，便于后续对超声相控阵换能器1进行定位。

在一些可选的实施例中，于步骤S101之前，由于U肋焊缝4肋板与桥面板2具有一定的角度，U肋3内外焊缝4有所不同，因此在进行检测之前，可以利用超声相控阵仿真系统，通过模拟仿真过程对超声相控阵换能器1辐射声束的覆盖范围进行模拟，确定两个超声相控阵换能器1的相对位置以及各自的聚焦法则，其中，聚焦法则包括两个超声相控阵换能器1的偏转角度、聚焦方式以及扫查方式等，保证两个超声相控阵换能器1的辐射声场可以完全覆盖U肋3的焊缝4。

进一步，于步骤S101中，在桥梁的桥面板2上对应同一焊缝4处布置两个超声相控阵换能器1，可以包括：将两个超声相控阵换能器1安装于扫查装置上，并将扫查装置安装于桥面板2的顶侧(也就是桥面板2的上表面)，使两个超声相控阵换能器1位于桥面板2的顶侧且位于焊缝4中心线两侧的预设位置，并设置好扫查装置相关的运动以及检测等参数，准备进行检测工作，其中，运动参数主要是扫查装置运行的速度和扫查距离，检测参数包括聚焦法则、采样精度、采样速度等。

步骤S102：控制两个超声相控阵换能器1依次向焊缝4激励一个倾斜入射的检测信号，并分别接收第一回波信号。

在一些实施例中，由于U肋焊缝4较长，为提高检测结果的准确性，需要保证检测过程中超声相控阵换能器1与桥面板2的耦合状态，于步骤S102之前，还可以包括以下步骤：

步骤a：控制两个超声相控阵换能器1向桥面板2的底侧激励一个垂直入射的声信号，并分别接收第二回波信号。

步骤b：根据第二回波信号确定桥面板2的厚度，以及超声相控阵换能器1与桥面板2的耦合状态。

在一些实施例中，于步骤a中，所述控制两个超声相控阵换能器1向桥面板2的底侧激励一个垂直入射的声信号，并分别接收第二回波信号，包括：控制两个超声相控阵换能器1同时向桥面板2的底侧激励一个垂直入射的声信号，声信号在桥面板2的底侧发生反射产生第二回波信号，两个超声相控阵换能器1分别接收与其对应的第二回波信号，在其他实施例中，也可以控制两个超声相控阵换能器1依次向桥面板2的底侧激励一个垂直入射的声信号，来获得第二回波信号。

在一些可选的实施例中，于步骤b中，所述根据第二回波信号确定桥面板2的厚度，以及超声相控阵换能器1与桥面板2的耦合状态，可以包括：根据第二回波信号的声程来测量桥面板2的厚度，以便于对缺陷进行精准定位，由于桥面板2与U肋3的接触处的缺陷对其连接的稳定性具有较大的影响，且桥面板2的尺寸一般存在一定的误差，会给桥面板2底面或近似底面的缺陷位置判断带来误差，通过垂直入射的声信号，可以准确测量出桥面板2的厚度，进而可以将后续检测出的缺陷位置与桥面板2的厚度进行比较，确定缺陷位置是否位于桥面板2的底面(也就是桥面板2与U肋3的接触处)，提高检测的准确性；若桥面板2实际厚度比理论厚度大，则实际底面回波信号会在理论底面回波信号之后，会将实际底面回波信号错认为在桥面板2之外，影响较小，若桥面板2实际厚度比理论厚度小，则实际底面回波信号出现在理论底面回波信号之前，可能会将底面回波信号错认为是缺陷信号，带来误判，因此，有必要测出桥面板2的实际厚度；并将第二回波信号的回波幅度与预设幅度值相比较，确定超声相控阵换能器1与桥面板2的耦合状态；其中，本实施例中，预设幅度值包括第一阈值和第二阈值，第一阈值大于第二阈值，当第二回波信号的回波幅度大于或者等于第一阈值时，则表示回波幅度正常，超声相控阵换能器1与桥面板2的耦合状态良好，可以正常进行检测；当第二回波信号的回波幅度小于第一阈值且大于或者等于第二阈值时，则表示超声相控阵换能器1与桥面板2的耦合状态略差；当第二回波信号的回波幅度小于第二阈值时，则表示超声相控阵换能器1与桥面板2的耦合状态很差。

在一些实施例中，于步骤b之后，还可以包括：当第二回波信号的回波幅度小于预设幅度值时，记录该处位置信息以及该处回波幅度，并根据回波幅度判断进行后期补偿还是重新进行扫查；具体的，当第二回波信号的回波幅度小于第一阈值且大于或者等于第二阈值时，可以通过后期补偿或增益调节来改善；当第二回波信号的回波幅度小于第二阈值时，不能正常进行检测，需要重新调整超声相控阵换能器1的耦合情况，重新进行扫查。

进一步，于步骤S102中，控制两个超声相控阵换能器1依次向焊缝4激励一个倾斜入射的检测信号，并分别接收第一回波信号，两个超声相控阵换能器1入射的检测信号的倾斜方向不同，当缺陷的方向与其中一个超声相控阵换能器1入射的检测信号的倾斜方向相同，导致该超声相控阵换能器1检测不出该缺陷时，另一个超声相控阵换能器1则与该缺陷的方向不同，可以检测出该缺陷的位置，从而避免因缺陷方向性带来的漏检情况；且可以将两个第一回波信号均上传至上位机，本实施例中，两个超声相控阵换能器1分别依次进行检测，也就是说，第一个超声相控阵换能器1先向桥面板2的底侧激励一个垂直入射的声信号，并对应接收一个第二回波信号，然后第一个超声相控阵换能器1再向焊缝4激励一个倾斜入射的检测信号，并对应接收一个第一回波信号，接着，第二个超声相控阵换能器1再向桥面板2的底侧激励一个垂直入射的声信号，并对应接收一个第二回波信号，然后第二个超声相控阵换能器1再向焊缝4激励一个倾斜入射的检测信号，并对应接收一个第一回波信号，完成焊缝4的一次检测。

步骤S103：根据两个超声相控阵换能器1的聚焦法则、第一回波信号以及两个超声相控阵换能器1的位置信息对检测结果进行组合成像。

在一些实施例中，于步骤S103中，所述根据两个超声相控阵换能器1的聚焦法则、第一回波信号以及两个超声相控阵换能器1的位置信息对检测结果进行组合成像，可以包括：根据两个检测信号的倾斜角度、第一回波信号以及两个超声相控阵换能器的位置信息，计算两个超声相控阵换能器中检测到的缺陷是否为同一位置；若两个超声相控阵换能器中检测到的缺陷为同一位置，则将两个超声相控阵换能器采集的信号进行重构，即取两个第一回波信号中最高的信号幅值；并利用重构后的信号进行成像处理，若两个超声相控阵换能器中检测到的缺陷不是同一位置，则对两个第一回波信号分别处理，即通过两个第一回波信号分别确定图像中两个缺陷的位置；使两个超声相控阵换能器的检测结果能组合形成一幅图像，充分发挥两个超声相控阵换能器1检测的优势，既提高检测成像精度和检测效率，也可避免因缺陷方向性带来的漏检；而不是按照常规检测方式，将两个超声相控阵换能器1的检测结果分别进行成像。

进一步，于步骤S103中，在确定完两个超声相控阵换能器中检测到的缺陷是否为同一位置之后，还可以对每个第一回波信号的信号幅值进行补偿，使同样大小但是不同深度的缺陷回波幅度相同。

进一步，于步骤S103中，扫查装置上可以装有编码器，编码器可以记录超声相控阵换能器1的位置信息，传递至上位机，用于确定缺陷的位置。

在一些实施例中，于步骤S103之后，还可以包括：通过运动控制部分设置扫查装置的运动情况，使扫查装置夹持两个超声相控阵换能器1沿纵桥向移动至下一检测位置进行检测直至检测过程结束，从而实现在桥面板2的顶侧对U肋焊缝4进行自动化检测，通过一次机械扫查过程即完成对整条U肋焊缝4的检测；然后对于需要重新检测的位置，重新调整两个超声相控阵换能器1的耦合情况后再进行重新检测；并且对于第二回波信号的回波幅度小于第一阈值且大于或者等于第二阈值的区域进行补偿处理。

本发明实施例提供的一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法的原理为：

由于本发明实施例采用了超声相控阵换能器1，超声相控阵换能器1可以发射超声波对焊缝4进行扫查，能够实现U肋3焊缝4的快速全面检测，且对同一焊缝4采用了两个超声相控阵换能器1进行扫查，一方面可以保证对U肋3角焊缝4的全覆盖，另一方面两个相控阵换能器的检测结果也可以互相验证，提高检测结果的准确性，另外将两个超声相控阵换能器1采集到的数据进行组合成一幅图像，在一幅图中将整个焊缝4完整显示出来，可以提高成像精度，避免对于同一缺陷在两幅图中分别进行显示而造成误判，也可避免因缺陷方向性带来的漏检情况。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，用于对桥梁的U肋焊缝(4)进行检测，其特征在于，其包括：

在桥梁的桥面板(2)上对应同一焊缝(4)处布置两个超声相控阵换能器(1)；

控制两个所述超声相控阵换能器(1)依次向所述焊缝(4)激励一个倾斜入射的检测信号，并分别接收第一回波信号；

根据两个所述超声相控阵换能器(1)的聚焦法则、所述第一回波信号以及两个所述超声相控阵换能器(1)的位置信息对检测结果进行组合成像。

2.如权利要求1所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于：

在桥梁的桥面板(2)上对应同一焊缝(4)处布置两个超声相控阵换能器(1)之前，先确定所述焊缝(4)的中心线，并在所述桥面板(2)上标记出所述焊缝(4)的中心线位置。

3.如权利要求1所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于：

在桥梁的桥面板(2)上对应同一焊缝(4)处布置两个超声相控阵换能器(1)之前，通过模拟仿真过程，确定两个所述超声相控阵换能器(1)的相对位置以及各自的聚焦法则。

4.如权利要求1所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于，所述在桥梁的桥面板(2)上对应同一焊缝(4)处布置两个超声相控阵换能器(1)，包括：

将两个超声相控阵换能器(1)安装于扫查装置上，并将所述扫查装置安装于所述桥面板(2)的顶侧，使两个所述超声相控阵换能器(1)位于所述焊缝(4)中心线两侧的预设位置。

5.如权利要求1所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于，在控制两个所述超声相控阵换能器(1)依次向所述焊缝(4)激励一个倾斜入射的检测信号，并分别接收第一回波信号之前，还包括以下步骤：

控制两个所述超声相控阵换能器(1)向所述桥面板(2)的底侧激励一个垂直入射的声信号，并分别接收第二回波信号；

根据所述第二回波信号确定所述桥面板(2)的厚度，以及所述超声相控阵换能器(1)与所述桥面板(2)的耦合状态。

6.如权利要求5所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于，所述控制两个所述超声相控阵换能器(1)向所述桥面板(2)的底侧激励一个垂直入射的声信号，并分别接收第二回波信号，包括：

控制两个所述超声相控阵换能器(1)同时向所述桥面板(2)的底侧激励一个垂直入射的声信号，或者控制两个所述超声相控阵换能器(1)依次向所述桥面板(2)的底侧激励一个垂直入射的声信号，声信号在所述桥面板(2)的底侧发生反射产生第二回波信号，两个所述超声相控阵换能器(1)分别接收与其对应的所述第二回波信号。

7.如权利要求5所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于，所述根据所述第二回波信号确定所述桥面板(2)的厚度，以及所述超声相控阵换能器(1)与所述桥面板(2)的耦合状态，包括：

根据所述第二回波信号的声程测量所述桥面板(2)的厚度；

将所述第二回波信号的回波幅度与预设幅度值相比较，确定所述超声相控阵换能器(1)与所述桥面板(2)的耦合状态。

8.如权利要求5所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于，在根据所述第二回波信号确定所述桥面板(2)的厚度，以及所述超声相控阵换能器(1)与所述桥面板(2)的耦合状态之后，还包括：

当所述第二回波信号的回波幅度小于预设幅度值时，记录该处位置信息以及该处回波幅度，并根据回波幅度判断进行后期补偿还是重新进行扫查。

9.如权利要求1所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于，所述根据两个所述超声相控阵换能器(1)的聚焦法则、所述第一回波信号以及两个所述超声相控阵换能器(1)的位置信息对检测结果进行组合成像，包括：

根据两个所述检测信号的倾斜角度、所述第一回波信号以及两个所述超声相控阵换能器(1)的位置信息，计算两个所述超声相控阵换能器(1)中检测到的缺陷是否为同一位置；

若两个所述超声相控阵换能器(1)中检测到的缺陷为同一位置，则将两个所述超声相控阵换能器(1)采集的信号进行重构，并利用重构后的信号进行成像处理，若两个所述超声相控阵换能器(1)中检测到的缺陷不是同一位置，则对两个所述第一回波信号分别处理，确定两个缺陷的位置；

使两个所述超声相控阵换能器(1)的检测结果形成一幅图像。

10.如权利要求9所述的基于超声相控阵的U肋焊缝检测方法，其特征在于，所述将两个所述超声相控阵换能器(1)采集的信号进行重构，并利用重构后的信号进行成像处理，包括：

取两个所述第一回波信号中最高的信号幅值来计算该缺陷在图像中的位置。

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