CN114486625A - 一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置与方法，超声导波激励探头连接到超声波激励装置，激励装置向导波激励探头施加余弦函数加汉宁窗激励信号，导波激励探头产生的超声导波沿聚氨酯金属外层板传播。导波接收探头连接到超声波接收装置，超声导波激励与接收探头通过机械连接装置安装并保持固定距离，利用超声导波接收探头采集反射回来的超声波信号特征，根据材料声速和声阻抗对发泡密度进行分析。通过扫描整块板的发泡密度情况，得到整板的发泡均匀性检测图像，然后利用牛顿‑拉夫逊公式进行非线性迭代，得到更精确的重构密度图。本发明能够减少操作人员检测步骤，降低了检测成本，在工业生产智能制造领域有很高的实用价值。

Description

一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置与方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，更具体地，涉及一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法与装置。

背景技术

冷藏集装箱可用于家用保温、冷库及冷链物流、建筑保温材料等，很多场合都是采用金属材料(铝板、铁板或不锈钢板)夹芯板制作而成的。我国聚氨酯泡沫塑料行业每年维持以7％～10％的速率增加，且应用量日益增长。然而，金属材料夹芯板，例如其中的聚氨酯泡沫板在发泡成型的过程中，由于生产工艺的问题，通常会从一侧向另外一侧发泡挤压，导致在不同压强下产生不同的发泡密度的夹芯板。密度不均的金属材料夹芯板不仅在质量上会有较大差异，影响后期装配的标准性。同时关键在于不同的发泡密度在保温效果上有着显著差异，直接影响保温效果。随着质量检测要求的日益提升，对快速便捷的金属材料夹芯板发泡密度检测的无损检测设备的需求也日益迫切，金属材料夹芯板发泡均匀性实时快速检测新技术的使用，对冷链集装箱物流行业具有重要意义。

针对聚氨酯金属夹芯板发泡密度测量，目前尚未有较好的检测手段。如何设计出一种用于聚氨酯夹芯板发泡均匀性检测成像方法，是本领域目前急需解决的一个工业生产的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法与装置，用于解决聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性的无损检测这一技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，包括：超声导波激励装置、超声导波接收装置、机械连接装置、超声导波激励探头、超声导波接收探头以及上位机；

所述超声导波激励探头连接到超声波激励装置，超声导波接收探头连接到超声波接收装置，超声导波激励与接收探头通过机械连接装置安装并保持固定距离，超声波接收装置连接到上位机，在上位机中进行发泡均匀性的分析计算以及图像显示。

在上述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，用于激发导波的探头采用压电超声探头、或空气耦合超声探头，或电磁超声探头。

在上述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，若采用压电超声探头，压电超声探头通过声透镜固定在金属板表面；

若采用空气耦合超声探头，空气耦合超声探头与金属板表面保持设定距离；

若采用电磁超声探头，电磁超声探头直接固定在金属板表面。

一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法，其特征在于，包括：

超声导波激励装置向超声导波激励探头施加余弦函数加汉宁窗激励信号；

超声导波激励探头产生的超声导波沿聚氨酯金属外层板传播并由超声导波接收探头采集，传播过程中导波会在外层与发泡层形成的界面处向下泄漏，发泡密度不同导致超声波的泄漏能量发生改变；

通过超声导波接收探头采集反射回来的超声波信号特征对发泡密度进行分析，得到整板的发泡均匀性检测图像。

在上述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，将超声导波激励和接收探头同侧相对放置在金属外板上，并保持3cm-5cm的固定距离。

在上述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，超声波信号特征包括接收信号幅值、接收信号频率。

在上述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，通过超声导波接收探头采集反射回来的超声波信号特征对发泡密度进行分析的具体是将聚氨酯金属夹芯板按网格化细分，使用超声导波激励探头逐个网格进行检测，并将信号特征依次填入网格，最终形成整板的发泡均匀性图像。

在上述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，对于聚氨酯金属夹芯板检测对象每一个划分的网格区域，使用超声导波激励探头逐个对网格内密度利用牛顿拉夫逊法进行迭代，使密度图像重构，进一步得到更为精细的密度网格，具体方法如下：

设每一个划分的网格区域有限元剖分单位数为m，其中心点为初始所测得密度值，采用相邻注入相邻测量的模式获取待测区域的边界信号幅值。由于超声信号传输衰减率R与材料声阻抗Z有关，定义如下：

材料声阻抗Z与材料声速c和材料密度ρ相关，由此确定出材料初始测得密度：

Z＝ρc

聚氨酯初始测得密度为ρ，U为测得中心点附近的边界信号幅值。v(ρ)为密度为ρ时，所有边界点的密度平均值。则所设的目标函数表达式为：

对目标函数表达式利用牛顿-拉夫逊公式进行非线性迭代，即对任意点ρ^w有：

f′＝f′(ρ^w)+f″(ρ^w)Δρ^w+O((Δρ^w)²)

有最后项看成高阶小量保留线性项，则有：

则牛顿-拉夫逊的迭代式为：

ρ^w+1＝ρ^w+Δρ^w

通过上式利用所测点边界信号密度，通过迭代中间点的优化密度值，由此优化密度值对聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像进行重构，得到更加准确的密度成像图。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明为了对聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性进行检测成像，利用超声波的穿透性强，传播性好，声阻抗界面可形成不同程度的反射和透射等特点，在板中形成高频超声导波，导波会在传播过程中受到发泡层密度的影响而发生信号特征改变，通过建立超声波信号特征与发泡密度之间的关系，可有效实现对发泡均匀性的无损检测，将发泡密度成像图通过牛顿拉夫逊法进行迭代，得到更为精准的发泡密度成像图。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像的常规压电超声探头加声透镜的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像的空气耦合超声探头的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的一种用于加载到导波激励探头上的激励信号。

图5为本发明实施例提供的接收探头采集到的一段时域信号。

图6为本发明实施例提供的用导波探头检测无缺陷与检测不同尺寸的方形孔得到的直达波反射信号峰峰值对比情况。

图7为本发明实施例提供的整板发泡均匀性检测图像。

图8为本发明实施例提供的利用牛顿拉夫逊法进行迭代后的整板发泡均匀性检测图像。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像的装置，参见图1-图3，包括：超声导波激励和接收装置、机械连接装置、超声导波激励和接收探头、上位机；所述超声导波激励探头连接到超声波激励装置，超声导波接收探头连接到超声波接收装置，超声导波激励与接收探头通过机械连接装置安装并保持固定距离，超声波接收装置连接到上位机，在上位机中进行发泡均匀性的分析计算以及图像显示。

图1中的导波激励和接收探头是基于电磁超声原理，通过永久磁铁和射频线圈组合形成，在金属外板中产生洛伦兹力和磁致伸缩力，形成的高频振动产生沿金属外板表层传播的超声导波。图2和图3中的导波激励和接收探头均是基于压电效应和逆压电效应，前者产生的超声纵波通过声透镜进行波型转换，在金属外板中转变为导波，探头与声透镜之间以及声透镜与金属外板之间均需要涂耦合剂(如油、水等)；后者产生的超声纵波直接通过空气耦合在金属外板界面处波型转换为导波。声透镜倾斜角度和空气耦合探头倾斜角度均可以根据Snell定律进行设计。

实施例1提供的是一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，通过多种不同换能机制的超声波探头，均可以在金属外板中形成超声导波，可以在不破坏聚氨酯板的情况下，完成对其发泡密度的无损检测。整套装置使用方便，方便实现便携式快速检测，也可以结合自动扫描装置实现整板的全覆盖自动化检测。

实施例2：

实施例2提供一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法，在超声导波激励探头中加载余弦函数加汉宁窗激励信号，汉宁窗函数长度为5，激励频率f＝1.5MHz，信号波形如图4所示。为了模拟发泡不均的情况，在发泡层中靠近金属外板处人工加工了一系列不同大小的方形孔，尺寸分别为10mmх10mmх10mm，10mmх30mmх30mm,10mmх50mmх50mm。激励探头和接收探头之间的距离为5cm，每次检测都将方形孔放在两个探头居中位置。图5是接收探头采集到的导波穿过方形孔后的反射信号，其中第一个出现的较高幅值信号是始波信号，第二个出现的波包信号是直达波反射信号。每次试验都将直达波反射信号进行分析，图6是将所有试验信号的直达波反射信号峰峰值取出进行比较。可以看出，方形孔尺寸越大，此处密度越小，对应的信号峰峰值越大。

将一块聚氨酯板划分为多个网格，以固定间距在预设划分的空间采样步进改变激励和接收探头的位置，每个位置采集一次直达波反射信号峰峰值。通过扫描完整块板，将信号峰峰值转换为像素值，高像素值代表信号峰峰值高，也即是密度较小；而低像素值则相反，代表密度较大。最终将每个位置用像素值进行填充，即可得到整板的发泡均匀性情况。

在初步得到检测整板发泡均匀性检测图像后，依次对每个检测区域的范围进行更细的划分以图8为例，将原先每一块区域划分为九宫格，中间即为初始的密度值。随后利用所述超声波探头，对九宫格的其他区域进行密度检测，得到相应的密度值。

设聚氨酯初始测得密度为ρ，U为测得中心点附近的边界信号幅值。v(ρ)为密度为ρ时，所有边界点的密度平均值。则所设的目标函数表达式为：

对目标函数表达式利用牛顿-拉夫逊公式进行非线性迭代，即对任意点ρ^w有：

f′＝f′(ρ^w)+f″(ρ^w)Δρ^w+O((Δρ^w)²)

有最后项看成高阶小量保留线性项，则有：

则牛顿-拉夫逊的迭代式为：

ρ^w+1＝ρ^w+Δρ^w

通过该式可以利用所测点边界信号密度，迭代中间点的优化密度值，将此优化密度填入九宫格的中心位置，九宫格周边位置按照所测量密度值得到更高像素的发泡密度成像图。或者取九宫格中心位置密度代替此区域初始测量密度，得到同像素的迭代精确密度值，由此对聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像进行重构，得到更加准确的密度成像图8。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明为了对聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性进行检测成像，利用超声波的穿透性强，传播性好，声阻抗界面可形成不同程度的反射和透射等特点，在板中形成高频超声导波，导波会在传播过程中受到发泡层密度的影响而发生信号特征改变，通过建立超声波信号特征与发泡密度之间的关系，可有效实现对发泡均匀性的无损检测，将发泡密度成像图通过牛顿拉夫逊法进行迭代，得到更为精准的发泡密度成像图。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，其特征在于，包括：超声导波激励装置、超声导波接收装置、机械连接装置、超声导波激励探头、超声导波接收探头以及上位机；

所述超声导波激励探头连接到超声波激励装置，超声导波接收探头连接到超声波接收装置，超声导波激励与接收探头通过机械连接装置安装并保持固定距离，超声波接收装置连接到上位机，在上位机中进行发泡均匀性的分析计算以及图像显示。

2.根据权利要求1所述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，其特征在于，用于激发导波的探头采用压电超声探头、或空气耦合超声探头，或电磁超声探头。

3.根据权利要求2所述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，其特征在于，若采用压电超声探头，压电超声探头通过声透镜固定在金属板表面；

若采用空气耦合超声探头，空气耦合超声探头与金属板表面保持设定距离；

若采用电磁超声探头，电磁超声探头直接固定在金属板表面。

4.一种用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法，采用权利要求1至3任意一项所述用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像装置，其特征在于，包括：

超声导波激励装置向超声导波激励探头施加余弦函数加汉宁窗激励信号；

超声导波激励探头产生的超声导波沿聚氨酯金属外层板传播并由超声导波接收探头采集，传播过程中导波会在外层与发泡层形成的界面处向下泄漏，发泡密度不同导致超声波的泄漏能量发生改变；

通过超声导波接收探头采集反射回来的超声波信号特征对发泡密度进行分析，得到整板的发泡均匀性检测图像。

5.根据权利要求4所述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法，其特征在于，将超声导波激励和接收探头同侧相对放置在金属外板上，并保持3cm-5cm的固定距离。

6.根据权利要求4所述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法，其特征在于，超声波信号特征包括接收信号幅值、接收信号频率成分。

7.根据权利要求4所述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法，其特征在于，通过超声导波接收探头采集反射回来的超声波信号特征对发泡密度进行分析的具体是将聚氨酯金属夹芯板按网格化细分，使用超声导波激励探头逐个网格进行检测，并将信号特征依次填入网格，最终形成整板的发泡均匀性图像。

8.根据权利要求4所述的用于聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像方法，其特征在于，对于聚氨酯金属夹芯板检测对象每一个划分的网格区域，使用超声导波激励探头逐个对网格内密度利用牛顿拉夫逊法进行迭代，使密度图像重构，进一步得到更为精细的密度网格，具体方法如下：

设每一个划分的网格区域有限元剖分单位数为m，其中心点为初始所测得密度值，采用相邻注入相邻测量的模式获取待测区域的边界信号幅值；由于超声信号传输衰减率R与材料声阻抗Z有关，定义如下：

材料声阻抗Z与材料声速c和材料密度ρ相关，由此确定出材料初始测得密度：

Z＝ρc

聚氨酯初始测得密度为ρ，U为测得中心点附近的边界信号幅值；v(ρ)为密度为ρ时，所有边界点的密度平均值；则所设的目标函数表达式为：

对目标函数表达式利用牛顿-拉夫逊公式进行非线性迭代，即对任意点ρ^w有：

f′＝f′(ρ^w)+f″(ρ^w)Δρ^w+O((Δρ^w)²

有最后项看成高阶小量保留线性项，则有：

则牛顿-拉夫逊的迭代式为：

ρ^w+1＝ρ^w+Δρ^w

利用所测点边界信号密度，通过迭代中间点的优化密度值，由此优化密度值对聚氨酯金属夹芯板发泡均匀性检测成像进行重构，得到密度成像图。

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