CN114720564A - 基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法、设备 - Google Patents

基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法、设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法、设备，属于超声无损探测技术领域，包括步骤：在对结构表面的多种形状减薄缺陷进行超声横波探测时，通过检测减薄缺陷起始位置点的反射叠加波幅值，实现减薄缺陷起始点的精确定位。本发明提高对减薄缺陷所在位置的识别精度，从而为结构的安全评估提供最准确的基准数据和评价依据。

Description

基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法、设备
技术领域
本发明涉及超声无损探测技术领域，更为具体的，涉及一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法、设备。
背景技术
利用超声横波对结构缺陷进行探测识别是无损检测的重要方法之一，具有非接触测量、对缺陷识别的准确度高、实时性好等优点。
如图1所示，在航空航天、能源化工等领域，长时间的高温氧化、流体高速冲刷等因素导致结构表面产生厚度减薄缺陷，一定程度上给设备的正常运行带来安全隐患。传统超声方法对结构表面减薄缺陷进行所处位置的确定时，通常利用来自减薄位置处和未减薄位置处的超声回波存在声时差来大致粗略确定减薄缺陷位置，并未对结构表面减薄缺陷到底是从哪个位置开始出现的（即减薄缺陷的起始点）提出相应精度较高的检测方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法、设备，提高对减薄缺陷所在位置的识别精度，从而为结构的安全评估提供最准确的基准数据和评价依据等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，包括步骤：在对结构表面的多种形状减薄缺陷进行超声横波探测时，通过检测减薄缺陷起始点的反射叠加波幅值来对减薄缺陷起始点的精确定位。
进一步地，所述反射叠加波通过如下步骤产生：激发一次超声横波后来自未减薄位置处和减薄位置处四个二次反射回波中的其中两个反射回波发生相互叠加得到的回波信号作为所述反射叠加波。
进一步地，所述多种形状包括矩形、椭圆形、三角形等。
进一步地，所述在对结构表面的多种形状减薄缺陷进行超声横波探测包括使用超声C扫描的方法。
进一步地，所述结构表面所处的环境包括常温环境和高温环境。
进一步地，所述超声C扫描的方法包括如下子步骤：
S1，在结构表面产生减薄缺陷位置的上方范围内进行超声C首轮粗扫描；
S2，在完成首轮粗扫描后，缩小超声C扫描范围，细化减小扫描步长，以此类推进行细扫描；
S3，当结构表面的减薄缺陷位置处于某一超声C扫描超声探头所能探测到的范围内时，控制超声C扫描超声探头激发一次超声横波，然后来自未减薄位置处和减薄位置处四个二次反射回波中的其中两个反射回波发生相互叠加的回波信号即为所述反射叠加波的信回波信号；
S4，在进行超声C扫描的细扫描过程中，根据上一轮的超声C扫描结果，不断缩小扫描范围、细化扫描步长，经过若干轮扫描后，对比所有扫描位置中所述反射叠加波的回波信号，此回波信号幅值最大的超声激发位置即为减薄缺陷起始点。
进一步地，在步骤S1中，所述进行超声C首轮粗扫描为从左至右或从右至左。
进一步地，在步骤S4中，所述进行超声C扫描的细扫描过程为从左至右或从右至左。
进一步地，在步骤S4中，当超声C扫描的超声回波只出现两个明显的、稳定的回波波形时，超声C扫描超声探头所能探测到的范围内没有减薄缺陷。
一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位设备，包括处理器和存储器，在存储器存储有程序，当程序被处理器加载时执行如上任一项所述方法。
本发明的有益效果是：
本发明属于原创性发明，首次发现了反射叠加波（自命令术语）在减薄缺陷起始位置点的反射叠加波幅值最大这一自然规律，并利用其超声回波波形特征实现了精确定位，解决了结构表面厚度减薄缺陷起始点定位的高精度探测识别需求，可以将减薄缺陷在结构表面所处的具体位置范围进行很好的确定。此方法对于结构表面矩形、椭圆形、三角形等形状的减薄缺陷起始点定位都有良好的效果，且在常温和高温环境下均适用。
在本发明方法实施例中，以超声C扫描过程中减薄缺陷起始位置点的反射叠加波（激发一次超声横波，未减薄位置处和减薄位置处4个二次反射回波中的其中2个反射波发生相互叠加得到的的回波信号）幅值最大为判据，可实现对矩形、椭圆形、三角形等多种形状减薄缺陷起始点的精确定位，进而对减薄缺陷在结构表面所处的具体位置实现确定，且在常温和高温环境下都有良好的定位效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为结构内表面产生厚度减薄缺陷；
图2为超声C扫（大步长扫描）；
图3为超声C扫（小步长扫描）；
图4为超声波没有探测到相关减薄缺陷（信号稳定规律）；
图5为超声波探测到减薄缺陷的回波信号图；
图6为仿真模型；
图7a为第一次C扫结果中x=-35mm处激发超声横波的回波信号；
图7b为第一次C扫结果中x=-25mm处激发超声横波的回波信号；
图7c为第一次C扫结果中x=-15mm处激发超声横波的回波信号；
图7d第一次C扫结果中为x=-5mm处激发超声横波的回波信号；
图7e为第一次C扫结果中x=5mm处激发超声横波的回波信号；
图7f为第一次C扫结果中x=15mm处激发超声横波的回波信号；
图7g为第一次C扫结果中x=25mm处激发超声横波的回波信号；
图7h为第一次C扫结果中x=35mm处激发超声横波的回波信号；
图8a为第二次C扫结果中x=-12.5mm处激发超声横波的回波信号；
图8b为第二次C扫结果中x=-7.5mm处激发超声横波的回波信号；
图8c为第二次C扫结果中x=-2.5mm处激发超声横波的回波信号；
图9a为第三次C扫结果中x=-7.5mm处激发超声横波的回波信号；
图9b为第三次C扫结果中x=-6.5mm处激发超声横波的回波信号；
图9c为第三次C扫结果中x=-5.5mm处激发超声横波的回波信号；
图9d为第三次C扫结果中x=-4.5mm处激发超声横波的回波信号；
图9e为第三次C扫结果中x=-3.5mm处激发超声横波的回波信号；
图9f为第三次C扫结果中x=-2.5mm处激发超声横波的回波信号；
图9g为第三次C扫结果中x=-1.5mm处激发超声横波的回波信号；
图9h为第三次C扫结果中x=-0.5mm处激发超声横波的回波信号；
图10a为25℃均匀温度场减薄厚度
Figure RE-733007DEST_PATH_IMAGE001
下个别位置反射波叠加干涉回波信号 图（局部放大）；
图10b为25℃均匀温度场减薄厚度
Figure RE-306683DEST_PATH_IMAGE002
下个别位置反射波叠加干涉回波信 号图（局部放大）；
图10c为25℃均匀温度场减薄厚度
Figure RE-671805DEST_PATH_IMAGE003
下个别位置反射波叠加干涉回波信 号图（局部放大）；
图10d为25℃均匀温度场减薄厚度
Figure RE-91285DEST_PATH_IMAGE004
下个别位置反射波叠加干涉回波信 号图（局部放大）；
图11a为500℃均匀温度场减薄厚度
Figure RE-52419DEST_PATH_IMAGE005
下个别位置反射波叠加干涉回波信 号图（局部放大）；
图11b为500℃均匀温度场减薄厚度
Figure RE-732799DEST_PATH_IMAGE006
下个别位置反射波叠加干涉回波信 号图（局部放大）；
图11c为500℃均匀温度场减薄厚度
Figure RE-878610DEST_PATH_IMAGE007
下个别位置反射波叠加干涉回波信 号图（局部放大）；
图11d为500℃均匀温度场减薄厚度
Figure RE-395173DEST_PATH_IMAGE008
下个别位置反射波叠加干涉回波信 号图（局部放大）。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
下面根据附图1~图6、图7a~图11d，对本发明的技术构思、工作原理、功效和工作过程作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，使用超声横波对减薄缺陷在结构表面所处的位置进行精确确定时，本发明实施例采用超声C扫的方式，通过不断缩小扫描范围、细化扫描步长，结合观察各个超声波扫描激发位置的波形特征和传播声时信息来进行：
（1）在结构表面产生减薄缺陷位置的上方范围内从左至右（或从右至左）进行超声C扫描。
（2）如图2和图3所示，以矩形减薄为例，首轮C扫时，超声探头的具体扫描移动步长根据需要扫描的总范围进行确定，首轮扫描采用“大步长”进行扫描，目的是根据不同扫描位置的超声波回波波形和传播声时先粗略确定出减薄缺陷在结构表面的大概位置。随后，根据上一轮的C扫结果，缩小C扫范围，细化减小扫描步长，以此类推，达到逐步精确定位的目的。
（3）当C扫超声探头所能探测到的范围内没有减薄缺陷时，超声回波波形稳定，如图4所示。
（4）当结构表面的减薄缺陷位置处于某一C扫超声探头所能探测到的范围内时，将会出现例如图5所示的超声回波信号图，图5中圆圈标记的为在可探测到减薄缺陷的范围内激发一次超声横波后未减薄位置处和减薄位置处4个二次反射回波中的其中2个反射波发生相互叠加得到的的回波信号，本发明中，将其初步命名为“反射叠加波”。从左至右进行超声C扫的过程中，根据上一轮的C扫结果，不断缩小扫描范围、细化扫描步长，经过若干轮扫描后，对比所有扫描位置中这个反射叠加波的回波信号，此回波信号幅值最大的超声激发位置即为减薄缺陷在结构表面的起始点位置。
区别于以往利用来自减薄位置处和未减薄位置处的超声回波存在声时差来大致粗略确定减薄缺陷位置，本发明实施例方法以超声C扫描过程中减薄缺陷起始位置点的反射叠加波（未减薄位置处和减薄位置处4个二次反射回波中的其中2个反射波发生相互叠加得到的的回波信号）幅值最大为判据，实现对减薄缺陷起始点的精确定位，进而对减薄缺陷在结构表面所处的具体位置也实现了确定，且在常温和高温环境下都有良好的定位效果。
实施例1
以矩形减薄缺陷为例，如图6，在COMSOL多物理场仿真平台中建立总高度L=20mm,长度80mm的二维20#钢结构模型，将减薄部分的几何模型设置为长10mm，高度ΔL=1mm、3mm、5mm、6mm的矩形减薄缺陷，固体结构模型和矩形减薄缺陷均为轴对称。
坐标轴y轴与模型对称轴重合，原点O位于探测模型底面中心处，探测模型以y轴为界被平分为两部分，分别位于x轴的正向和负向区域，在25℃常温和500℃高温均匀温度场两个工况下，依次以10mm、5mm、1mm为C扫步长，记录各扫描位置的超声回波信号。
因所建立的为轴对称的二维模型，所以y轴两侧对称位置对应的超声回波波形图相同。
第一步：超声扫描步长=10mm，超声探头分别在：x=-35mm/-25mm/-15mm/-5mm/5mm/ 15mm/25mm/35mm八个位置激发超声回波，得到八个位置的回波波形，如图7a、图7b、图7c、图 7d、图7e、图7f、图7g、图7h所示。可以看到，除y轴两侧对称位置的回波信号相同，
Figure RE-612528DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure RE-163726DEST_PATH_IMAGE010
两个位置的波形图中：因探测到减薄缺陷，出现两个第一回波、三个第二回波， 与其余6个位置的波形图相比发生了较大的变化。x=-35mm/-25mm/-15mm/15mm/25mm/35mm 这6个位置上回波信号稳定，且第一回波和第二回波之间的渡越声时都为12.36μs，可由标 定试验得到20#钢中波速与温度的关系理论方程：
Figure RE-870651DEST_PATH_IMAGE011
V表示超声波在固体介质中的传播速度，T为介质中的温度，一次项和常数项系数 可由标定实验得出；
Figure RE-264723DEST_PATH_IMAGE012
为超声波传播时间，
Figure RE-570589DEST_PATH_IMAGE013
为超声波的传播路径长度。
从而可以判断出在-40~-15mm和15~40mm区间内结构厚度没有发生变化，而由于扫描探测步长较大的原因，-15~-5mm、-5~5mm和5~15mm区间内的波形变化情况未知，可初步判断厚度减薄缺陷位置位于-15~15mm之间。
第二步：超声扫描步长=5mm，由此，在-15~15mm区间内进行第二次超声C扫，扫描步 长取5mm，分别在x=-12.5mm/-7.5mm/-2.5mm/2.5mm/7.5mm/12.5mm六个位置按顺序分别激 发超声横波进行探测。如图8a、图8b和图8c所示，可以发现在
Figure RE-100928DEST_PATH_IMAGE014
（
Figure RE-978754DEST_PATH_IMAGE015
同）位 置处的波形图中，第一回波和第二回波前开始出现了一个幅值较小的回波信号，且
Figure RE-860122DEST_PATH_IMAGE016
（
Figure RE-966749DEST_PATH_IMAGE017
同）位置的回波信号虽稳定，但第一回波和第二回波之间的渡越声 时为10.15μs，可以判断出
Figure RE-430223DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure RE-88737DEST_PATH_IMAGE017
两个位置位于减薄缺陷位置的范围内。 所以可再次缩小范围，减薄缺陷位于-7.5~7.5mm之间。
第三步：超声扫描步长=1mm，在-7.5~7.5mm范围内进行第三次超声扫描，如图9a、图9b、图9c、图9d、图9e、图9f、图9g、图9h所示，随着扫描位置逐渐靠近减薄缺陷起始点x=-5mm，在x=-7.5mm位置原第一、第二回波前开始出现两个幅值很小的新的回波信号。到了x=-6.5mm位置，原第一第二回波信号幅值减小，原第二回波前出现两个小回波信号，经过分析和相关计算，原第二回波前出现两个小回波信号中：第一个是减薄位置处的回波，第二个是4个二次反射波中其中两个波叠加而成的反射叠加波；随着扫描位置进一步向缺陷起始点x=-5mm处靠近，在x=-5.5mm处未减薄位置处回波和反射叠加波信号幅值已经与原第二回波幅值大小几乎相同，随着扫描位置向坐标轴中心O点移动，发现：原第二回波逐渐消失，来自未减薄位置处回波幅值继续增大，而反射叠加波的幅值又逐渐减小。
经过从模型最左边到坐标中心位置O的超声C扫过程，观察到，减薄位置的回波幅值一直在增大，而反射叠加波的幅值从未减薄位置到减薄位置先逐渐增大后减小，考虑反射叠加波是因为减薄起始点位置的厚度突变影响而引起的。
如图10a、图10b、图10c、图10d所示，如图11a、图11b、图11c、图11d所示，横坐标Transit time代表传播声时，纵坐标Displacement in x direction代表质点在x方向的位移，即超声波的幅值，在25℃和500℃均匀温度场和不同减薄厚度ΔL下，将三轮扫描中所有位置的反射叠加波幅值进行放大对比（图中为部分位置），发现在减薄缺陷的起始点位置x=-5mm反射叠加波的幅值最大，即从模型最左边到坐标中心位置O的超声C扫过程，反射叠加波的幅值逐渐增大，最终在x=-5mm处达到最大，随后再逐渐减小。因模型为轴对称，y轴两侧对称位置对应的波形图相同，同理x=5mm处的反射叠加波幅值与x=-5mm一样达到最大，所以可以确定出矩形减薄缺陷位于-5~5mm之间，对于高温和低温都有良好的定位效果。
实施例1：一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法包括步骤：在对结构表面的多种形状减薄缺陷进行超声横波探测时，通过检测减薄缺陷起始点的反射叠加波幅值来对减薄缺陷起始点的精确定位。
实施例2：在实施例1的基础上，所述反射叠加波通过如下步骤产生：激发一次超声横波后来自未减薄位置处和减薄位置处四个二次反射回波中的其中两个反射回波发生相互叠加得到的回波信号作为所述反射叠加波。
实施例3：在实施例1的基础上，所述多种形状包括矩形、椭圆形、三角形等。
实施例4：在实施例1的基础上，所述在对结构表面的多种形状减薄缺陷进行超声横波探测包括使用超声C扫描的方法。
实施例5：在实施例1的基础上，所述结构表面所处的环境包括常温环境和高温环境。
实施例6：在实施例4的基础上，所述超声C扫描的方法包括如下子步骤：
S1，在结构表面产生减薄缺陷位置的上方范围内进行超声C首轮粗扫描；
S2，在完成首轮粗扫描后，缩小超声C扫描范围，细化减小扫描步长，以此类推进行细扫描；
S3，当结构表面的减薄缺陷位置处于某一超声C扫描超声探头所能探测到的范围内时，控制超声C扫描超声探头激发一次超声横波，然后来自未减薄位置处和减薄位置处四个二次反射回波中的其中两个反射波发生相互叠加的回波信号即为所述反射叠加波的信回波信号；
S4，在进行超声C扫描的细扫描过程中，根据上一轮的超声C扫描结果，不断缩小扫描范围、细化扫描步长，经过若干轮扫描后，对比所有扫描位置中所述反射叠加波的回波信号，此回波信号幅值最大的超声激发位置即为减薄缺陷起始点。
实施例7：在实施例6的基础上，在步骤S1中，所述进行超声C首轮粗扫描为从左至右或从右至左。
实施例8：在实施例6的基础上，在步骤S4中，所述进行超声C扫描的细扫描过程为从左至右或从右至左。
实施例9：在实施例6的基础上，在步骤S4中，当超声C扫描的超声回波波形稳定时，超声C扫超声探头所能探测到的范围内没有减薄缺陷。
实施例10：一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位设备，包括处理器和存储器，在存储器存储有程序，当程序被处理器加载时执行如实施例1~实施例9中任一项所述方法。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试的数据在程序实现中存在于只读存储器（Random Access Memory，RAM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）等。

Claims (10)

1.一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，包括步骤：在对结构表面的多种形状减薄缺陷进行超声横波探测时，通过检测减薄缺陷起始点的反射叠加波幅值来对减薄缺陷起始点的精确定位。
2.一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，包括步骤：在对结构表面的多种形状减薄缺陷进行超声横波探测时，通过检测减薄缺陷起始点的反射叠加波幅值来对减薄缺陷起始点的精确定位。
3.根据权利要求1所述的基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，所述多种形状包括矩形、椭圆形、三角形。
4.根据权利要求1所述的基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，所述在对结构表面的多种形状减薄缺陷进行超声横波探测包括使用超声C扫描的方法。
5.根据权利要求1所述的基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，所述结构表面所处的环境包括常温环境和高温环境。
6.根据权利要求4所述的基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，所述超声C扫描的方法包括如下子步骤：
S1，在结构表面产生减薄缺陷位置的上方范围内进行超声C首轮粗扫描；
S2，在完成首轮粗扫描后，缩小超声C扫描范围，细化减小扫描步长，以此类推进行细扫描；
S3，当结构表面的减薄缺陷位置处于某一超声C扫描超声探头所能探测到的范围内时，控制超声C扫描超声探头激发一次超声横波，然后来自未减薄位置处和减薄位置处四个二次反射回波中的其中两个反射回波发生相互叠加的回波信号即为所述反射叠加波的回波信号；
S4，在进行超声C扫描的细扫描过程中，根据上一轮的超声C扫描结果，不断缩小扫描范围、细化扫描步长，经过若干轮扫描后，对比所有扫描位置中所述反射叠加波的回波信号，此回波信号幅值最大的超声激发位置即为减薄缺陷起始点。
7.根据权利要求6所述的基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，在步骤S1中，所述进行超声C首轮粗扫描为从左至右或从右至左。
8.根据权利要求6所述的基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，在步骤S4中，所述进行超声C扫描的细扫描过程为从左至右或从右至左。
9.根据权利要求6所述的基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位方法，其特征在于，在步骤S4中，当超声C扫描的超声回波只出现两个明显的、稳定的回波波形时，超声C扫描超声探头所能探测到的范围内没有减薄缺陷。
10.一种基于超声横波的结构表面减薄缺陷起始点定位设备，其特征在于，包括处理器和存储器，在存储器存储有程序，当程序被处理器加载时执行如权利要求1~9中任一项所述方法。
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