CN112964781A - 基于sh0模态反射波场拼接的储罐腐蚀缺陷成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于SH0模态反射波场拼接的储罐腐蚀缺陷成像方法，利用多通道磁致伸缩传感器检测储罐壁板中的SH0模态超声导波的反射波场，用于扇形区域的全聚焦成像。通过机械旋转多通道磁致伸缩传感器，获得多个扇形区域的全聚焦成像结果，对多幅交叠的全聚焦成像图进行校正、裁剪和拼接，实现了360°范围内长距离储罐腐蚀缺陷的定位检测与成像。配合该方法的实施，提供了一种无损检测系统，包括机械旋转式多通道磁致伸缩传感器、超声导波激励采集模块、电机驱动模块和主控模块。利用本发明公布的方法，可以在单点仅布置一个传感器，即可完成大面积内储罐腐蚀缺陷的快速准确定位及成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SH0模态反射波场拼接的储罐腐蚀缺陷成像方法，属于无损检测领域，适用于大型储罐壁板腐蚀缺陷的快速定位。
背景技术
大型储罐壁板的腐蚀缺陷检测是石化行业的重大需求，磁致伸缩超声导波技术具有检测距离远、检测速度快等优势，在储罐壁板的腐蚀缺陷检测中得到实验应用。但针对大型储罐壁板的全面积扫查成像，目前尚缺乏高效、高精度的方案。
《钢板缺陷的磁致伸缩SH0模态导波扫查传感器》(吴斌等，无损检测，2020，42:1-7)一文中公布了一种利用磁致伸缩SH0模态导波传感器沿粘贴在储罐壁板的铁钴合金条带进行直线扫查的方案，可以获得大范围内的SH0模态导波反射信号。但单通道传感器激发的SH0模态波场存在声束扩散问题，直线扫描得到的幅值成像结果难以实现缺陷的准确定位及轮廓识别。相比而言，全聚焦超声导波成像具有更高的缺陷定位及轮廓重构精度。但常规的全聚焦超声导波成像方法，需要将多通道传感器或阵列传感器固定在特定位置，只能实现扇形区域的扫查成像，无法实现360°范围内的全面积成像。文献(Vinogradov S,Cobb A,Bartlett J,et al.Development of a novel omnidirectional magnetostrictivetransducer for plate applications[C]//American Institute of PhysicsConference Series.American Institute of Physics Conference Series,2018)公布了一种改进方案，利用机械旋转单一通道的磁致伸缩传感器，连续获得多个角度的SH0模态导波反射信号，基于合成孔径聚焦算法得到了储罐壁板360°范围内的全面积成像。单通道磁致伸缩传感器可检测的范围非常有限，为提高缺陷定位精度往往传感器需要旋转几十次。此外，合成孔径聚焦算法的定位精度随检测距离增大而大幅下降，难以保证全角度、长距离内缺陷的高精度检测定位。
为解决已有方法存在的问题，本发明公布了一种结合旋转式多通道磁致伸缩传感器和全聚焦成像拼接算法的储罐壁板腐蚀缺陷检测定位新方案，旋转式多通道磁致伸缩传感器的使用和多幅图像的拼接算法，确保了360°范围内储罐壁板的SH0模态导波成像。全聚焦成像算法在宽角度、长距离范围内均具有高于合成孔径聚焦算法的缺陷定位精度。因此，本发明公布的方法可以在保持较高的缺陷定位精度条件下，有效降低多通道磁致伸缩传感器的旋转次数。
发明内容
本发明的目的为了研制一种基于SH0模态反射波场拼接的储罐腐蚀缺陷成像方法。利用多通道磁致伸缩传感器检测储罐壁板中的SH0模态超声导波的反射波场，实现扇形区域的全聚焦成像。由驱动电机提供动力，通过联轴器以及连接柱等带动多通道磁致伸缩传感器单元进行多个角度的旋转检测成像。由此，本发明公布的一种基于SH0模态反射波场拼接的储罐腐蚀缺陷成像方法可实现大范围全角度区域内的缺陷检测定位。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
所述的基于SH0模态反射波场拼接的储罐腐蚀缺陷成像方法，其特征在于，在单点仅布置一个具有N(≥8)个通道的磁致伸缩传感器单元，沿自身旋转m-1次获得m(≥4且可被360整除)幅扇形区域的SH0模态反射波场全聚焦成像结果，通过成像结果的校正、裁剪和拼接，实现大面积内储罐腐蚀缺陷的快速准确定位及成像；
所述的N个通道的磁致伸缩传感器，依序利用传感器的单一通道在储罐壁板中激发SH0模态超声导波，所有N个通道均采集SH0模态反射波信号，形成N×N维的全矩阵数据，获得矩形区域的全聚焦成像结果；
采用电机驱动控制磁致伸缩传感器单元沿自身旋转m-1次，每次旋转角度为360°/m，每次旋转至设定角度后重复步骤a)，总计得到m幅矩形区域的全聚焦成像图；
对单幅矩形区域(长X，宽Y)的全聚焦成像图进行坐标校正，转换至扇形区域。P1(X1,Y1)为矩形区域任一点的坐标，P2(X2,Y2)为P1(X1,Y1)在扇形区域内的映射点坐标，(X0,Y0)为扇形区域的圆心坐标。扇形区域对应的半径为L，其外弧对应的夹角为C(≥360°/m)。具体转换公式为：
X2＝(L+Y1)×cos(θ)+X0
Y2＝-(L+Y1)×sin(θ)+Y0
将m幅扇形区域的全聚焦成像图，依照实际旋转过程，在极坐标图中依序排列形成存在多处交叠的圆形区域成像图，其圆心为传感器几何中心，半径等于L，交叠区域角度β＝C-360°/m；按照顺时针方向，对极坐标图中m个子扇形图像的同一侧边进行裁剪，裁剪角度为β，裁剪完成的极坐标图即为360°范围内SH0模态全聚焦成像结果，从成像结果的幅值异常区域可以确定储罐中腐蚀缺陷的位置坐标。
所述的磁致伸缩传感器单元，其特征在于，由耦合外壳(1)、外壳(10)、机械旋转式多通道磁致伸缩传感器(12)、驱动电机(5)组成，其中多通道磁致伸缩传感器(12)由并排永磁铁(15)、多通道矩形截面感应线圈(16)及铁钴合金条层(14)构成，并排永磁铁(15)磁化方向平行铁钴合金带层(14)宽度方向，多通道矩形截面感应线圈(16)下方粘接包覆已经固定耦合层(13)，固定耦合层(13)与耦合外壳(1)以及耦合外壳(1)与储罐壁板之间均填充横波耦合剂；机械旋转式多通道磁致伸缩传感器(12)上部与连接柱(11)固连，连接柱(3)通过联轴器(4)与驱动电机(5)输出轴连接，电机旋转可带动机械旋转式多通道磁致伸缩传感器沿其几何中心旋转。
与现有技术相比较，本发明可以获得如下有益效果：
1、本发明可以在单点仅布置一个传感器，通过旋转检测和反射波场全聚焦成像结果拼接方法，实现360°范围内的储罐壁板的全面积扫查成像；
2、本发明利用的多通道传感器和全聚焦成像算法，具有比传统单通道传感器更大的检测范围。
附图说明：
图1机械旋转式多通道磁致伸缩传感器检测系统；
图2机械旋转式多通道磁致伸缩传感器转动示意图；
图3多通道磁致伸缩传感器核心部分示意图；
图4全聚焦算法激励接收示意图；
图5全聚焦图像坐标矫正原理图；
图6图形拼接原理示意图；
图7图像拼接完成示意图。
图中：1-耦合外壳2-外壳支座3-连接柱4-联轴器5-驱动电机6-电机驱动模块7-主控模块8-上位机9-超声导波激励采集模块10-外壳11-连接柱配合组件12-多通道磁致伸缩传感器13-固定耦合层14-铁钴合金带层15-并排永磁铁16-多通道矩形截面感应线圈
具体实施方式
根据以上发明内容，基于SH0模态反射波场拼接储罐腐蚀缺陷的成像方法可提供以下实施方式，下面提供的其中一种具体实施实例只是描述性，不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
图1提供了机械旋转式多通道磁致伸缩传感器及检测系统，包括机械旋转式多通道磁致伸缩传感器(12)、超声导波激励采集模块(9)、电机驱动模块(6)和主控模块(7)。当机械旋转式多通道磁致伸缩传感器(12)旋转至特定角度时，主控模块(7)控制超声导波激励采集模块(9)实现全矩阵导波检测信号采集。超声导波激励采集模块(9)内部包括通道切换电子开关，以实现不同激励与检测通道间的切换。
图2示意了多通道磁致伸缩传感器(12)与电机输出轴的连接方式。多通道磁致伸缩传感器(12)上部与连接柱(11)固连，连接柱(3)通过联轴器(4)与驱动电机(5)输出轴连接，电机旋转可带动机械旋转式多通道磁致伸缩传感器(12)沿其几何中心旋转.
图3为多通道磁致伸缩传感器(12)的结构示意图，并排永磁铁的磁化方向平行铁钴带宽度方向，提供偏置磁场对铁钴合金带层(14)进行静态磁化。多通道矩形截面感应线圈(16)中通入交变电流以形成沿铁钴合金带层(14)长度方向的动态磁场。固定耦合层(13)与耦合外壳(1)，以及耦合外壳(1)与储罐壁板之间均填充横波耦合剂，用于将铁钴合金带层(14)形成的超声波传递至储罐壁板。
如图4给出了多通道磁致伸缩传感器激励及信号采集方式，用于获取全聚焦成像所需的全矩阵数据。所有N个通道依次作为激励，同步所有N通道进行数据采集。将采集得到N×N组信号，用于全聚焦成像，得到如图5左侧所示的矩形区域成像效果。借助于图5中的转换公式，可以将矩形区域成像结果转换为传感器实际扫查的扇形区域成像结果。
将各个角度得到的m幅扇形区域的全聚焦成像图，依照实际旋转过程，在极坐标图中依序排列形成如图6所示的存在多处交叠的圆形区域成像图，其圆心为传感器几何中心，半径等于L，交叠区域角度β＝C-360°/m。
按照顺时针方向，对图6所示极坐标图中m个子扇形图像的同一侧边进行裁剪，裁剪角度为β，裁剪完成的极坐标图即为360°范围内SH0模态全聚焦成像结果(图7)，从成像结果的幅值异常区域可以确定储罐中腐蚀缺陷的位置坐标。
Claims (2)
1.基于SH0模态反射波场拼接的储罐腐蚀缺陷成像方法，其特征在于，在单点仅布置一个具有N个通道的磁致伸缩传感器单元，沿自身旋转m-1次获得m幅扇形区域的SH0模态反射波场全聚焦成像结果，通过成像结果的校正、裁剪和拼接，实现内储罐腐蚀缺陷定位及成像，具体步骤如下：
a)具有N个通道的磁致伸缩传感器，依序利用磁致伸缩传感器的单一通道在储罐的壁板中激发SH0模态超声导波，所有N个通道均采集SH0模态反射波信号，形成N×N维的全矩阵数据，获得矩形区域的全聚焦成像结果；
b)采用驱动电机驱动控制磁致伸缩传感器单元沿自身旋转m-1次，每次旋转角度为360°/m，每次旋转至设定角度后重复步骤a)，总计得到m幅矩形区域的全聚焦成像图；
c)对单幅矩形区域的长X宽Y的全聚焦成像图进行坐标校正，转换至扇形区域；P1(X1,Y1)为矩形区域任一点的坐标，P2(X2,Y2)为P1(X1,Y1)在扇形区域内的映射点坐标，(X0,Y0)为扇形区域的圆心坐标,扇形区域圆心至扇形内边对应长度为L；扇形区域对应的半径为R，外弧对应的夹角为C(≥360°/m)，
其中，
则P2的坐标计算公式为：
X2＝(L+Y1)×cos(θ)+X0
Y2＝-(L+Y1)×sin(θ)+Y0
d)将m幅扇形区域的全聚焦成像图，依照实际旋转过程，在极坐标图中依序排列形成存在多处交叠的圆形区域成像图，圆心为传感器几何中心，半径等于L，交叠区域角度β＝C-360°/m；按照顺时针方向，对极坐标图中m个子扇形图像的同一侧边进行裁剪，裁剪角度为β，裁剪完成的极坐标图即为360°范围内SH0模态全聚焦成像结果，从成像结果的幅值异常区域确定储罐中腐蚀缺陷的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的基于SH0模态反射波场拼接的储罐腐蚀缺陷成像方法，其特征在于，磁致伸缩传感器单元由耦合外壳(1)、外壳(10)、机械旋转式多通道磁致伸缩传感器(12)、驱动电机(5)组成，其中多通道磁致伸缩传感器(12)由并排永磁铁(15)、多通道矩形截面感应线圈(16)及铁钴合金条层(14)构成，并排永磁铁(15)磁化方向平行铁钴合金带层(14)宽度方向，多通道矩形截面感应线圈(16)下方粘接包覆已经固定耦合层(13)，固定耦合层(13)与耦合外壳(1)以及耦合外壳(1)与储罐壁板之间均填充横波耦合剂；机械旋转式多通道磁致伸缩传感器(12)上部与连接柱(11)固连，连接柱(3)通过联轴器(4)与驱动电机(5)输出轴连接，驱动电机(5)旋转带动机械旋转式多通道磁致伸缩传感器沿几何中心旋转。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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