CN114755312B - 一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法 - Google Patents
一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114755312B CN114755312B CN202210218892.7A CN202210218892A CN114755312B CN 114755312 B CN114755312 B CN 114755312B CN 202210218892 A CN202210218892 A CN 202210218892A CN 114755312 B CN114755312 B CN 114755312B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- defect
- curve
- amplitude
- equation
- sound
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000007547 defect Effects 0.000 title claims abstract description 165
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 63
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 7
- 238000012847 principal component analysis method Methods 0.000 claims description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 claims description 3
- 238000011002 quantification Methods 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 description 3
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 235000019198 oils Nutrition 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
- 235000015112 vegetable and seed oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000008158 vegetable oil Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
- G01N29/4472—Mathematical theories or simulation
Landscapes
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Algebra (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，包括如下步骤：在已确定缺陷存在的圆柱体构件截面位置处建立坐标系，使用超声波探头在该截面扫描，并据每次扫描的A形图判断并记录缺陷波的渡越时间Δτ和最大振幅An，并通过方程计算出相应的声程S；分别绘制声程‑位置曲线和振幅‑位置曲线；绘制出声程‑位置曲线和振幅‑位置曲线后，利用二项式拟合法得到声程曲线拟合方程S(α)和振幅曲线拟合方程A(α)；建立该圆柱体截面下的声波传播方程和回波声压方程，结合当量法分析得出缺陷当量ds，本发明能够快速、准确地确定其缺陷的大小、位置，提升检测效果，满足对单个、重要的圆柱形构件快速定量检测缺陷的需求。
Description
技术领域
本发明涉及构件的内部缺陷超声检测技术领域，尤其涉及一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法。
背景技术
超声波脉冲反射法是最常用的缺陷检测方法，其原理是利用超声波在工件内的反射情况来分析缺陷。由于其具有检测速度快、成本低、对操作人员无危害且适用于多种金属材料等优点，得到了广泛的运用。但其缺点是对缺陷的种类识别困难，对探伤人员的经验要求较高，要求工件形状不能太复杂，显然这难以满足当今实际生产中检测需要。
常见的圆柱体构件，如车轴、棒(液压缸)、筒类零件(滚筒)等在工业生产中广泛使用，因此，有效、快速检测圆柱体构件的缺陷成为提升其质量的重要保证。但常用的超声波脉冲反射法检测圆柱形构件缺陷尚面临许多困难，这是由于声波传递的特性，超声波穿过非平面的界面时会产生散射现象，导致检测精度下降，故需要多次检测来进一步确定缺陷的位置与大小，费时费力。
现有技术对于圆柱形构件的超声波检测，目前常用的方法是几何重构法和迭代重构法的改进与延伸，即改进的ALOK几何重构法和改进的ALOK迭代重构法，但是改进的ALOK几何重构法的缺点在于检测精度受轨迹重合点的分布情况影响，导致缺陷检测精度忽高忽低，且需要采集的数据较多，根据实际情况对检测过程中很多参数需要反复进行调整，适用于单个、重要的零件；目前该方法能实现缺陷位置误差和半径误差分别在2mm和0.5mm左右，误差较大；
而改进的ALOK迭代重构法近年来受到了广泛的研究，原理是利用数据处理对缺陷进行定量分析，类似的专利在算法上提出了多种可能，如利用特征向量进行比较、神经网络自学习或者信号补偿等方法定量分析缺陷的位置与大小，但其不足在于没能针对性地解决超声波散射干扰的问题，而是依赖大量数据和算法提升精度，故仅适用于大批量、同尺寸的零件及检测自动化领域，通过大量数据积累和修正，能实现将误差控制4.99％左右；对于单个、重要的零件，由于数据量有限，难以实现改进的ALOK迭代重构法中需对算法进行训练的要求，同时改进的ALOK几何重构法又面临着精度低、过程较复杂的问题。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决上述存在的技术问题，提供一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，能够准确、简单的确定圆柱体构件缺陷，从而能够快速、准确地确定其缺陷的大小、位置，提升检测效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，包括如下步骤：
S101.在已确定缺陷存在的圆柱体构件截面位置处建立坐标系，使用频率为f的超声波探头，在该截面周向不同位置朝圆心进行n处点的扫描，并据每次扫描的A形图判断并记录缺陷波的渡越时间Δτ和最大振幅An，并通过方程计算出相应的声程S；
S102.分别绘制声程-位置曲线和振幅-位置曲线；
S103.绘制出声程-位置曲线和振幅-位置曲线后，利用二项式拟合法得到声程曲线拟合方程S(α)和振幅曲线拟合方程A(α)，计算出S(α)和A(α)的极点位置分别为(Smin，αs)和(Amax，αA)，并分析得出缺陷中心M的位置(ρ0，α0)，其二项式拟合法的方程为
S104.建立该圆柱体截面下的声波传播方程和回波声压方程，对比声程曲线拟合方程和振幅曲线拟合方程，计算出声程曲线和振幅曲线下的缺陷当量 df1、df2与缺陷大致位置,通过主成分分析法确定该尺寸试样下、相同位置不同大小缺陷定量的权系数w1、w2，并计算出综合模型下的缺陷当量ds，进行误差修正后得到最终缺陷位置和当量大小；
S105.评价检测精度，若未达到要求，则增加检测点位，继续按照流程进行缺陷的定位和定量检测。
作为优选，所述S101步骤超声波探头的检测转角小于声波半扩散角θ0，其方程为
其中DS为超声波探头直径，λ为超声波波长。
作为优选，所述S101步骤中声程S计算方程为
作为优选，所述S103步骤中二项式拟合法方程中D为圆柱件直径，β为探头转角处角度，L1为耦合层厚度，L2为声波入射点与缺陷轮廓距离，df1为声程曲线下的缺陷尺寸值，df2为振幅曲线下的缺陷尺寸值，ds为缺陷计算直径， w1、w2为权系数，α为探头转动的角度，θ为超声波探头与缺陷及构件圆心之间所成的夹角，A为振幅，AT为发射波幅值，k为波数，Rs为探头半径，S为声程，S0为由拟合函数S＝S(α)直接读出的缺陷的初步定位结果，C1、C2为拟合系数，J1为第一阶贝塞尔函数。
作为优选，所述S103步骤中确定权系数w1、w2包括以下步骤：
(1)确定缺陷的尺寸大致范围为m～m+i(mm)，并给予编号Cm～Cm+i，根据声程曲线定位结果，在仿真软件中建立原缺陷位置处具有不同尺寸缺陷的试样，通过仿真得到的超声波检测结果与df1,df2的公式求得的每组Cx对应的df1x,df2x；
(2)根据公式求出相关系数r，并写出相关系数矩阵R，Cov(df1,df2)为协方差，Var[df1]和Var[df2]为方差；
(3)步骤(2)中，
(4)求解相关系数矩阵|λE-R|＝0，得到特征值λi和标准化特征向量eij；
(5)根据主成分分析法公式 求出主成分载荷系数ρj，主成分贡献率ui，原指标在综合模型中的系数dj及对应的权重wj。
作为优选，所述S103步骤中基于圆盘声源在声束轴线上的声压分布Pf及圆形平面反射体对超声波的反射声压P(l，θ)推导出振幅曲线下的缺陷尺寸值 df2。
作为优选，所述声压分布Pf计算方程式为其方程式中，Ff为圆形平面发射体的面积。P0为超声波探头晶片处的发射声压，Pz为缺陷处的接收声压，z为超声波探头与缺陷的距离，λ为传播介质中声波的波长，Fs为压电晶片的面积。
作为优选，所述反射声压P(l，θ)计算方程式为其方程式中，l为超声波探头与缺陷的距离，θ为缺陷与超声探头轴线之间的夹角，Rs为压电晶片的半径，J1(y)为第一阶贝塞尔函数。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
相较于改进的ALOK几何重构法本发明能够减少检测时其他因素的干扰，避免声波轨迹交点数变少而必须增加检测点位从而增加额外工作量，同时相比改进的ALOK迭代重构法本发明可提高效和经济的对单一零件进行检测；
本发明基于ALOK超声检测技术提出圆柱工件缺陷综合定位与定量的数学模型和检测方案，其利用声波传播特性、缺陷与超声波探头位置之间的几何关系以及主成分分析法等方法综合得出该数学模型，实际检测时只需按照流程对试样进行分布式扫描，得到检测数据并代入数学模型，就能快速得知缺陷的位置与大小，能够准确、简单的确定圆柱体构件缺陷，从而能够快速、准确地确定其缺陷的大小、位置，提升检测效果，满足对单个、重要的圆柱形构件快速定量检测缺陷的需求。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
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，对于本领域普通技术人员而言，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。
附图中：
图1为ALOK检测法示意图；
图2为改进的ALOK几何重构法检测示意图；
图3是本发明所述为缺陷检测算法流程示意图；
图4是本发明所述为探头检测分布示意图；
图5是本发明所述圆柱体孔缺陷截面示意图；
图6是本发明所述试样人工缺陷位置与尺寸示意图；
图7是本发明所述试样A孔测试位置截面图；
图8是本发明所述操作面板调节基本增益示意图；
图9是本发明所述操作面板缺陷波声程和振幅测量示意图；
图10是本发明所述试样A孔缺陷孔声程-位置拟合曲线示意图；
图11是本发明所述试样B孔缺陷孔声程-位置拟合曲线示意图；
图12是本发明所述试样C孔缺陷孔声程-位置拟合曲线示意图；
图13是本发明所述试样圆周方向缺陷位置相对误差示意图；
图14是本发明所述试样直径方向缺陷位置相对误差示意图；
图15是本发明所述声压分布原理图；
图16是本发明所述反射声压原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”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、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
如图1-5所示为本实施例中所述的一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，包括如下步骤S101.在已确定缺陷存在的圆柱体构件截面位置处建立坐标系，使用频率为f的超声波探头，在该截面周向不同位置朝圆心进行n处点的扫描，并据每次扫描的A形图判断并记录缺陷波的渡越时间Δτ和最大振幅 An，并通过方程计算出相应的声程S；
S102.分别绘制声程-位置曲线和振幅-位置曲线；
S103.绘制出声程-位置曲线和振幅-位置曲线后，利用二项式拟合法得到声程曲线拟合方程S(α)和振幅曲线拟合方程A(α)，计算出S(α)和A(α)的极点位置分别为(Smin，αs)和(Amax，αA)，并分析得出缺陷中心M的位置(ρ0，α0)，其二项式拟合法的方程为
其中，所述S103步骤中二项式拟合法方程中D为圆柱件直径，β为探头转角处角度，L1为耦合层厚度，L2为声波入射点与缺陷轮廓距离，df1为声程曲线下的缺陷尺寸值，df2为振幅曲线下的缺陷尺寸值，ds为缺陷计算直径， w1、w2为权系数，α为探头转动的角度，θ为超声波探头与缺陷及构件圆心之间所成的夹角，A为振幅，AT为发射波幅值，k为波数，Rs为探头半径，S为声程，S0为由拟合函数S＝S(α)直接读出的缺陷的初步定位结果，C1、C2为拟合系数，J1为第一阶贝塞尔函数；
S104.建立该圆柱体截面下的声波传播方程和回波声压方程，对比声程曲线拟合方程和振幅曲线拟合方程，计算出声程曲线和振幅曲线下的缺陷当量df1、df2与缺陷大致位置,借助仿真模型通过主成分分析法确定该尺寸试样下、相同位置不同大小缺陷定量的权系数w1、w2，并计算出综合模型下的缺陷当量ds，进行误差修正后得到最终缺陷位置和当量大小；
S105.评价检测精度，若未达到要求，则增加检测点位，继续按照流程进行缺陷的定位和定量检测。
其中，所述S101步骤中超声波探头的检测转角小于声波半扩散角θ0，其方程为
其中DS为超声波探头直径，λ为超声波波长。
其中，所述S101步骤中声程S计算方程为
值得说明的是，所述S103步骤中基于圆盘声源在声束轴线上的声压分布 Pf及圆形平面反射体对超声波的反射声压P(l，θ)推导出振幅曲线下的缺陷尺寸值df2。
其中，参照图15所示，所述声压分布Pf计算方程式为其方程式中，Ff为圆形平面发射体的面积。P0为超声波探头晶片处的发射声压，Pz为缺陷处的接收声压，z为超声波探头与缺陷的距离，λ为传播介质中声波的波长，Fs为压电晶片的面积。
其中，参照图16所示所述反射声压P(l，θ)计算方程式为其方程式中，l为超声波探头与缺陷的距离，θ为缺陷与超声探头轴线之间的夹角，Rs为压电晶片的半径，J1(y)为第一阶贝塞尔函数。
本实施方式相较于改进的ALOK几何重构法本发明能够减少检测时其他因素的干扰，避免声波轨迹交点数变少而必须增加检测点位从而增加额外工作量，同时相比改进的ALOK迭代重构法本发明可提高效和经济的对单一零件进行检测；
本发明基于ALOK超声检测技术提出圆柱工件缺陷综合定位与定量的数学模型和检测方案，其利用声波传播特性、缺陷与超声波探头位置之间的几何关系以及主成分分析法等方法综合得出该数学模型，实际检测时只需按照流程对试样进行分布式扫描，得到检测数据并代入数学模型，就能快速得知缺陷的位置与大小，能够准确、简单的确定圆柱体构件缺陷，从而能够快速、准确地确定其缺陷的大小、位置，提升检测效果，满足对单个、重要的圆柱形构件快速定量检测缺陷的需求。
本实施例试样从直径160mm的车轴上切取，厚度(轴向长度)105mm，材质为45号钢，试样的化学成分、主要力学性能及声学参数分别如表1和表2。
表1试样主要力学性能
本实施例试样加工方案如图6所示，在车轴切料的同一端面不同位置钻人工直孔，孔的参数如表所示。打孔之前，先将试样清洗干净，擦干后固定在工作台上，对其进行定位，装夹。打完孔后，试样表面附着少量冷却液，将冷却液清洗干净，并将试样擦干，涂上一层油防止生锈。
表3人工缺陷孔参数表
对本圆柱体构件试样采用ALOK法检测，选择GE公司的USN60超声波探伤仪，将使用5MHz探头，探头直径为8mm，半扩散角θ0＝20.2°，对应弧长为 28.3mm，故以探头中心、每个缺陷的中心、工件圆心所在共同的直线为该缺陷的中间位置，声波轴线和中间线夹角为α，两侧共布置19个测量点，测量点参数见表，A、B、C孔分别检测，每个测量点进行三次测量，结果取平均值。
表4 ALOK法各缺陷测试点位置
通过加工对刀时找好的试样中心，利用量角器等尺规工具对试样进行划线，沿试样侧面绕圆心标记好所有的测试点，以A孔为例，测试位置如图7 所示。
考虑到试样表面是曲面，实验中为提高检测灵敏度，基本增益设置较大，并且为排除探头和试样之间的空气，减小声波穿透传播时的能量损失，使用植物油作为耦合剂，该耦合剂具有良好声传导性，不会腐蚀试样，流动性良好，能充分浸润探头并减小探头和试样表面的摩擦，利于探头和试样表面的匹配，同时无毒不易挥发，安全性高。
USN60超声波探伤仪脉冲接收器设置为单晶A扫描信号检波模式，设定检测范围略高于160mm，声速设置为5794m/s，脉冲发射器设置如表5所示。
表5脉冲发射器参数设置
首先调节合适的灵敏度，与常规探伤调节底波80％衰减不同，测试需要较大增益，此时发射波幅值过大闸门无法测量，为方便准确得到缺陷波幅值，避免试样形状和内部缺陷对声波的衰减影响，将探头移动到声波传播截面无缺陷时的位置上，在屏幕上将闸门移动至底波水平位置上，增大增益直到底波幅值刚好为100％，此时基本增益为50dB，说明在此增益下，一次底波幅值高度刚好是整个显示屏幕高度，如图8所示。之后为防止增益旋钮误触，可以锁定设置参数。
在试样侧面涂上适量的耦合剂，若杂波太多，可以设置降噪功能，尝试移动探头寻找缺陷波，选择信号较清晰的截面，开始从P1点检测，每次测量时进行屏幕冻结，将A闸门信号移动至缺陷波位置，如图9所示。设置A闸信号采用峰值法检测，则可读取缺陷波程S(mm)和缺陷波振幅A(％)。每个测量位置进行三次测量，记录的结果将取平均值。
由于通过调节基本增益已将底波幅值设为100％，则实验测量的缺陷波幅值为缺陷波和底波振幅比值A/AT，发射波与底波关系式其中Fs 为探头直径，D为试样直径，λ为波长，代入则有缺陷波与发射波幅值比值/>每个检测点三次测量取均值后的A、B、C孔检测结果分别如表6、表7、表8所示。
表6 A孔缺陷波声程和振幅测量结果
表7 B孔缺陷波声程和振幅测量结果
表8 C孔缺陷波声程和振幅测量结果
对声程曲线进行多项式拟合以进行定位分析，结果如图10-12所示。拟合函数如式(7)所示，式中d(°)为探头移动的角度，S(mm)为声程，S0(mm)为探头移动角度为0°时的声程，反映了缺陷位置。其他拟合参数见表 9所示。
S＝S0+C1α+C2α2
表9声程曲线拟合函数其他参数
由相关度结果可知，声程曲线拟合良好，由S0可以读出各缺陷孔的位置结果，即当探头中心与缺陷中心及试样中心在一条直线上时，A孔位于该方向上 39.143mm深度处，定位精度为2.14％；B孔则在38.752mm深度，定位精度3.12％； C孔位于50.047mm深度，定位精度为0.094％，如表10所示。结果说明通过该方法对孔缺陷的定位效果较好。
表10缺陷孔定位模型结果
在得到声程曲线拟合函数，确定了缺陷孔的位置后，将根据声程曲线函数对缺陷进行初步定量，使用综合定量模型，依据实验数据计算出声程曲线下的缺陷当量df1，之后计算振幅数据下的缺陷当量df2，通过主成分分析法确定该尺寸试样下、相同位置不同大小缺陷定量的权系数，并计算综合模型下的缺陷孔当量，结果见表11所示。
表11缺陷孔综合定量模型结果
一般最为常用的超声波检测法为AVG曲线法，通过已知缺陷的试样建立声称-波幅-当量大小曲线，然后对照探测缺陷的信号得出缺陷位置与大小。如图 13和14所示列出了试样中孔缺陷利用不同检测方法时的定位误差，由图可知，对比AVG曲线法，基于改进的ALOK技术对圆柱体构件孔缺陷定位方法对孔的圆周方向位置和直径方向位置的均有更高的准确度。对于φ8人工缺陷孔，圆周方向相对定位误差降低了90％，径向定位相对误差降低了81.39％，对于φ5 缺陷孔，圆周方向定位相对误差最大降低达73.6％，径向定位误差最大降低达 93.9％。
如图13-14列出了试样中孔缺陷利用不同检测方法时的缺陷尺寸定量误差，由图可知改进的ALOK数学模型法对圆柱体构件孔缺陷综合定量方法比常规AVG曲线法的检测精度有一定提高，对于φ8缺陷孔，缺陷尺寸定量相对误差降低了44％，对于φ5缺陷孔，缺陷尺寸定量相对误差最大降低了75.6％。
进一步的，所述S103步骤中确定权系数w1、w2包括以下步骤：
(1)确定缺陷的尺寸大致范围为m～m+i(mm)，并给予编号Cm～Cm+i，根据声程曲线定位结果，在仿真软件中建立原缺陷位置处具有不同尺寸缺陷的试样，通过仿真得到的超声波检测结果与df1,df2的公式求得的每组Cx对应的df1x,df2x；
(2)根据公式求出相关系数r，并写出相关系数矩阵R，Cov(df1,df2)为协方差，Var[df1]和Var[df2]为方差；
(3)步骤(2)中，
(4)求解相关系数矩阵|λE-R|＝0，得到特征值λi和标准化特征向量eij；
(5)根据主成分分析法公式 求出主成分载荷系数ρj，主成分贡献率ui，原指标在综合模型中的系数dj及对应的权重wj。
通过上述步骤对权系数w1，w2计算，如表12所示，粗测样品中缺陷的尺寸为3～7mm，则设立实验组C3～C7对应3～7mm的缺陷孔，由于根据初步的定位结果已知缺陷的大致位置，在仿真软件中建立在相同位置下具有对应实验组C3～C7缺陷孔的试样，通过仿真得到的超声波结果与df1,df2的公式求得每组的df1,df2并列表如下：
表12仿真模型计算出的缺陷尺寸
根据公式求解得出相关系数写出相关系数矩阵求解出特征值λi和标准化特征向量eij，如表13所示：
表13根据相关系数求解出的特征值和标准化特征向量
代入对应的公式计算出求解权重所需要的系数并计算出对应权系数w1， w2，如表14所示；
ρ1＝(0.9979,0.9979)Tρ2＝(0.0612,-0.0612)T
表14两种缺陷定量结果的权系数
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S101.在已确定缺陷存在的圆柱体构件截面位置处建立坐标系，使用频率为f的超声波探头，在该截面周向不同位置朝圆心进行n处点的扫描，并据每次扫描的A形图判断并记录缺陷波的渡越时间Δτ和最大振幅An，并通过方程计算出相应的声程S；
S102.分别绘制声程-位置曲线和振幅-位置曲线；
S103.绘制出声程-位置曲线和振幅-位置曲线后，利用二项式拟合法得到声程曲线拟合方程S(α)和振幅曲线拟合方程A(α)，计算出S(α)和A(α)的极点位置分别为(Smin，αs)和(Amax，αA)，并分析得出缺陷中心M的位置(ρ0，α0)，其二项式拟合法的方程为
S104.建立该圆柱体截面下的声波传播方程和回波声压方程，对比声程曲线拟合方程和振幅曲线拟合方程，计算出声程曲线和振幅曲线下的缺陷当量df1、df2与缺陷大致位置,通过主成分分析法确定当前尺寸试样下、相同位置不同大小缺陷定量的权系数w1、w2，并计算出综合模型下的缺陷当量ds，进行误差修正后得到最终缺陷位置和当量大小；
S105.评价检测精度，若未达到要求，则增加检测点位，继续按照流程进行缺陷的定位和定量检测。
2.根据权利要求1所述的圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，其特征在于，所述S101步骤中超声波探头的检测转角小于声波半扩散角θ0，其方程为
其中DS为超声波探头直径，λ为超声波波长。
3.根据权利要求1所述的圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，其特征在于，所述S101步骤中声程S计算方程为
4.根据权利要求1所述的圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，其特征在于，所述S103步骤中二项式拟合法方程中D为圆柱件直径，β为探头转角处角度，L1为耦合层厚度，L2为声波入射点与缺陷轮廓距离，df1为声程曲线下的缺陷尺寸值，df2为振幅曲线下的缺陷尺寸值，ds为缺陷计算直径，w1、w2为权系数，α为探头转动的角度，θ为超声波探头与缺陷及构件圆心之间所成的夹角，A为振幅，AT为发射波幅值，k为波数，Rs为探头半径，S为声程，S0为由拟合函数S＝S(α)直接读出的缺陷的初步定位结果，C1、C2为拟合系数，J1为第一阶贝塞尔函数。
5.根据权利要求1所述的圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，其特征在于，所述S103步骤中确定权系数w1、w2包括以下步骤：
(1)确定缺陷的尺寸范围为m～m+i，单位为毫米，并给予编号Cm～Cm+i，根据声程曲线定位结果，在仿真软件中建立原缺陷位置处具有不同尺寸缺陷的试样，通过仿真得到的超声波检测结果与df1,df2的公式求得的每组Cx对应的df1x,df2x；
(2)根据公式求出相关系数r，并写出相关系数矩阵R，Cov(df1,df2)为协方差，Var[df1]和Var[df2]为方差；
(3)步骤(2)中，
(4)求解相关系数矩阵|λE-R|＝0，得到特征值λi和标准化特征向量eij；
(5)根据主成分分析法公式 求出主成分载荷系数ρj，主成分贡献率ui，原指标在综合模型中的系数dj及对应的权重wj。
6.根据权利要求1所述的圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，其特征在于，所述S103步骤中基于圆盘声源在声束轴线上的声压分布Pf及圆形平面反射体对超声波的反射声压P(l，θ)推导出振幅曲线下的缺陷尺寸值df2。
7.根据权利要求6所述的圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，其特征在于，所述声压分布Pf计算方程式为其方程式中，Ff为圆形平面发射体的面积，P0为超声波探头晶片处的发射声压，Pz为缺陷处的接收声压，z为超声波探头与缺陷的距离，λ为传播介质中声波的波长，Fs为压电晶片的面积。
8.根据权利要求6所述的圆柱体构件内部孔缺陷检测方法，其特征在于，所述反射声压P(l，θ)计算方程式为其方程式中，l为超声波探头与缺陷的距离，θ为缺陷与超声探头轴线之间的夹角，Rs为压电晶片的半径，J1(y)为第一阶贝塞尔函数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210218892.7A CN114755312B (zh) | 2022-03-04 | 2022-03-04 | 一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210218892.7A CN114755312B (zh) | 2022-03-04 | 2022-03-04 | 一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114755312A CN114755312A (zh) | 2022-07-15 |
| CN114755312B true CN114755312B (zh) | 2024-05-17 |
Family
ID=82325029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210218892.7A Active CN114755312B (zh) | 2022-03-04 | 2022-03-04 | 一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114755312B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116237818A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-06-09 | 广东中海万泰技术有限公司 | 一种深孔加工的偏移量测量方法 |
| CN116953086B (zh) * | 2023-09-20 | 2023-12-01 | 苏州思萃熔接技术研究所有限公司 | 一种应用于自动超声波检测系统的缺陷检测分析方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004003996A (ja) * | 2002-03-22 | 2004-01-08 | Osaka Gas Co Ltd | 管体の超音波探傷検査方法および装置 |
| CN103543201A (zh) * | 2013-10-17 | 2014-01-29 | 清华大学 | 轴类零件径向超声自动探伤缺陷识别方法 |
| CN110907535A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-03-24 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种基于旋转扫查的缺陷定位导波检测方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106872576B (zh) * | 2017-02-13 | 2019-08-09 | 清华大学 | 基于全向磁声换能器导波散射成像方法和装置 |
-
2022
- 2022-03-04 CN CN202210218892.7A patent/CN114755312B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004003996A (ja) * | 2002-03-22 | 2004-01-08 | Osaka Gas Co Ltd | 管体の超音波探傷検査方法および装置 |
| CN103543201A (zh) * | 2013-10-17 | 2014-01-29 | 清华大学 | 轴类零件径向超声自动探伤缺陷识别方法 |
| CN110907535A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-03-24 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种基于旋转扫查的缺陷定位导波检测方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于LabVIEW的电磁超声热态金属在线缺陷检测系统;杨键刚;传感技术学报;20180612;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114755312A (zh) | 2022-07-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114755312B (zh) | 一种圆柱体构件内部孔缺陷检测方法 | |
| EP2126559B1 (en) | Method and apparatus for inspecting a workpiece with angularly offset ultrasonic signals | |
| US8578580B2 (en) | Quality control method and manufacturing method for pipe | |
| JP4910768B2 (ja) | 超音波探傷の校正方法及び管体の品質管理方法及び製造方法 | |
| US7010982B2 (en) | Method of ultrasonically inspecting airfoils | |
| EP2472254B1 (en) | Ultrasonic non-destructive inspection method, in particular for composite material structures for aeronautical applications | |
| CN106840053B (zh) | 一种角焊缝焊脚尺寸及内部缺陷超声无损测量方法 | |
| CN104931581B (zh) | 一种铝合金预拉伸板的水浸式相控阵超声波检测方法 | |
| CA2258913C (en) | Ultrasonic technique for inspection of weld and heat-affected zone for localized high temperature hydrogen attack | |
| AU2009246272B2 (en) | Method and apparatus for spectroscopic characterization of samples using a laser-ultrasound system | |
| US11860131B2 (en) | System and method for portable ultrasonic testing | |
| CN108872400A (zh) | 一种小径管焊接接头相控阵超声检测用对比试块 | |
| RU2406083C1 (ru) | Способ определения дефектности титанового проката | |
| CN203688508U (zh) | 棒材相控阵检测系统性能评价试块 | |
| CN104569155A (zh) | 一种表面缺陷电磁超声检测方法 | |
| CN208860814U (zh) | 一种小径管焊接接头相控阵超声检测用对比试块 | |
| Wang et al. | Ultrasonic scanning inspection of resistance spot welding joints | |
| CN103207240B (zh) | 一种斜探头超声场纵向声压分布的测量方法 | |
| Chen et al. | Thickness measurement optimisation for permanently installed inductively coupled ultrasonic transducer systems | |
| US11578971B2 (en) | Ultrasonic testing using a phased array | |
| CA3108661C (en) | Ultrasonic testing using a phased array | |
| CN113092581B (zh) | 一种利用风力发电机主轴中心孔位置量化主轴表面横向裂纹的方法 | |
| AU2021200957A1 (en) | Ultrasonic testing using a phased array | |
| WO2023247967A2 (en) | Acoustic inspection method and apparatus therefor | |
| CN116148360A (zh) | 超声波水浸探伤检测及缺陷定位的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |