CN115452943B - 一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，在小直径薄壁陶瓷基复合材料管外部发射的超声波在管内放置的凹形反射体上形成的反射信号，提取凹形反射体的反射信号幅值进行超声C扫描成像，得到含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图像A。在同样的参数条件下对与被试管同样的对比试件测试得到超声C扫描图像B，处理后得到超声C扫描灰度图像C，图像A中每个位置的RGB值与图像C中相应位置的RGB值相加，得到表示小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声C扫描图像D。本发明提供的方法解决了现有超声检测方法无法有效检测出小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部缺陷的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，涉及一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法。
背景技术
自从2011年日本福岛的核电站发生过事故后，核电安全成为各国核电发展的第一要务。核电行业将反应堆的事故容错能力研究放在发展首位，对大型压水堆用核材料在事故条件下的结构稳定型和完整性提出了更严苛的要求。在众多核材料中，陶瓷材料具有优异的高温结构强度和耐腐蚀特性，如立方相碳化硅(β-SiC)陶瓷具有优良的耐中子辐照、抗高温蠕变、耐腐蚀、抗高温氧化、高导热等性能，被认为是下一代核燃料包壳、面向高辐照环境结构组件及核聚变堆流道插件等应用的最佳候选材料之一。同时如今航天及核电行业已开始采用小直径薄壁陶瓷基复合材料管作为换热核包壳管。核包壳管作为燃料芯块的密封外壳，长期运行在高温、高压、强辐照、循环水流冲刷及腐蚀等恶劣环境下，其一旦破裂，将使回路都遭到污染。为保证包壳管的安全性和可靠性，避免造成重大事故，因此必须采用有效的无损检测技术对其内部质量进行检测。
小直径薄壁陶瓷基复合材料管，壁厚为0.5mm～2mm，内径为5mm～20mm。由于该结构为新型复合材料结构，具有衰减大、管壁薄、内径小、只能从外侧检测、内外表面状态不均匀且粗糙度较差、要求的检测灵敏度高等特点，国内外鲜有该类结构的无损检测案例。
经查阅，发现相关的专利和论文很少。专利CN108872380A《多层粘接构件缺陷检测方法》，阐述了陶瓷/橡胶/金属多层粘接筒形构件粘接缺陷的超声检测方法，但检测时需要将超声探头从筒形件内部进行检测，无法满足小直径薄壁陶瓷基复合材料管只能从外侧检测的要求；检测产品的内径较大，无法满足小直径的检测要求；只能检测粘接质量，无法检测陶瓷层内部的质量。专利CN104807882A《一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法与系统》，阐述了陶瓷基复合材料管与内部金属管钎焊质量的超声检测方法，检测时超声探头只能从金属管内部进行检测，无法满足探头只能从管外部检测的要求；只能检测钎焊质量，超声信号无法传播至陶瓷复合材料层，无法检测陶瓷复合材料内部的质量。专利CN111650182A《纤维缠绕复合材料三角形管的超声C扫检测方法》，阐述了纤维缠绕复合材料三角形管内部缺陷的超声C扫描检测方法，但该方法只能适用于外形为三角形的复合材料管，无法适用于圆管的检测；且没有考虑复合材料表面状态对超声信号的影响，无法适用于表面粗糙度高的陶瓷基复合材料管。专利CN112268914B《一种全尺寸核燃料包壳管元件耐事故涂层的无损检测方法》，阐述了使用X射线衍射无损检测方法对包壳管外表面的涂层质量进行检测，但该方法无法对小直径包壳管的内表面及包壳管材料本身内部缺陷进行判定。专利CN105388212A《一种厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法》，阐述了大厚度的复合材料与金属复合管道中复合材料内部缺陷、金属/复材粘接缺陷、金属厚度的超声检测方法，适用的复合材料为树脂基复合材料，无法满足陶瓷基复合材料的检测；适用大厚度、大直径的管子检测，无法用于本专利中壁厚为0.5mm～2mm，内径为5mm～20mm尺寸管子的检测。《宇航材料工艺》期刊2012年第3期出版的论文《碳/环氧复合材料管形件超声底板反射检测法》，阐述了树脂基复合材料管的超声底板反射检测方法，但该方式只能适用于内壁表面光滑的复合材料管，由于本专利的陶瓷基复合材料管的内外表面粗糙度较差，所以无法检测；只能检测出构件中7mm*7mm及以上的缺陷，检测灵敏度无法达到5mm*5mm的要求。《玻璃钢/复合材料》期刊2012年第4期出版的论文《复合材料气瓶超声穿透C扫描检测技术》，阐述了树脂基复合材料气瓶的超声穿透检测法，检测时需要使用2个超声探头，且其中一个探头需要置于瓶体内部，无法满足探头只能从管外部检测的要求；只能检测出构件中Φ10mm分层、脱粘类缺陷，检测灵敏度无法达到5mm*5mm的要求。
目前，超声检测是复合材料常用的无损检测方法，但是，采用常规的超声检测方法对上述结构内部质量进行检测时，由于上述结构的特殊性会存在以下问题：超声信号难以穿透复合材料层、直径小超声探头无法放入管内部、壁厚薄超声信号难以分辨、复合材料表面状态不均匀且粗糙度较差对超声信号影响较大、要求的检测灵敏度高等。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，实现了一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声无损检测。
技术方案
一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：超声设备具有X轴、Y轴、Z轴、T轴、A轴、B轴，X轴为扫查轴，用于带动超声探头进行扫查运动，Y轴用于调节探头的偏心距，Z轴用于调节探头与被检件上表面的距离，T轴为步进轴，用于驱动被检件转动，A轴和B轴可调节超声探头的角度，超声检测步骤如下：
步骤1：沿管的轴向平行放置一凹形反射体，反射体的凹形面与超声探头相对；调节检测参数为：
a、调节A轴、B轴，使探头方向与被检件轴线方向垂直，再调节Y轴使声束通过被检件的圆心；
b、调节Z轴，使凹形反射体凹面顶点处于探头近场附近，同时使探头与被检件表面的距离大于被检件外径的1/4；
c、扫查方向与被检件轴向平行，步进方向为被检件的周向；
d、调节超声仪的增益值，使被检件正常区域的凹形反射体的反射信号幅值为80％，此时的增益值为dB1；
检测时，将跟踪闸门框住被检件上表面的反射信号，将信号提取闸门框住凹形反射体的反射信号，得到含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图为图像A；
所述的凹形反射体长度大于被检件的长度，宽度小于被检件内径的1/3，凹面的曲面半径为(被检件内径+被检件外径)/4，凹形面顶点离被检件上表面的距离为(被检件的内径+被检件外径)/8+被检件厚度/2；
步骤2：采用水浸超声反射法测与被检件的材料相同、外径相同，且表面粗糙度相同的对比试件外表面的反射信号幅值，检测参数与步骤1的a、b和c一致，调节超声仪的增益值，使表面状态对比试件外表面的反射信号幅值为80％，增益值为dB2；检测时，将跟踪闸门框住被检件上表面的反射信号，将信号提取闸门框住对比试件外表面的反射信号，进行C扫描成像，得到含有每个位置表面状态信息的超声C扫描图像为图像B；
步骤3：将通过与表面状态对比试件外表面反射信号幅值对比，计算出被检件外表面每个位置的表面状态补偿系数：
k(X，Y)＝2*(80％-RGB(图像B)/255)
建立补偿系数和补偿RGB值的对应关系：
根据对应关系，将图像B转化为每个位置的表面状态补偿系数的超声C扫描灰度图像为图像C；
步骤4：将图像A中每个位置的RGB值与图像C中相应位置的RGB值相加，得到表示小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声C扫描图像为图像D。
所述的超声探头为水浸平探头，探头频率范围为1MHz～10MHz，晶片直径不大于5mm。
所述的凹形反射体材料为不锈钢。
所述凹形面的粗糙度不大于3.2微米。
所述的超声C扫描设备为管形件水浸超声C扫描设备。
所述步骤1和步骤2的扫查行间距不大于2mm，采样间距不大于1mm。
所述图像A按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的周向位置，P1(X，Y)为(X，Y)位置的凹形反射体的反射信号幅值，P1(X，Y)*255为对应的灰度值。
所述图像B按矩阵(X，Y，P2(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的周向位置，P2(X，Y)为(X，Y)位置的被检件外表面的反射信号幅值，P2(X，Y)*255为对应的灰度值。
所述图像C按矩阵(X，Y，M(X，Y))进行成像。
所述图像D按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255+M(X，Y))进行成像。
有益效果
本发明提出的一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，在小直径薄壁陶瓷基复合材料管外部发射的超声波在管内放置的凹形反射体上形成的反射信号，提取凹形反射体的反射信号幅值进行超声C扫描成像，得到含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图(图像A)。在同样的参数条件下对与被试管同样的对比试件测试得到超声C扫描图像(图像B)，处理后得到超声C扫描灰度图像(图像C)，图像A中每个位置的RGB值与图像C中相应位置的RGB值相加，得到表示小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声C扫描图(图像D)。
本发明相比于现有技术的特点及有益效果：
(1)本发明利用在被检件内部放置凹形反射体对穿过被检件的超声信号进行反射，通过反射体的反射信号幅值来判断被检件内部的缺陷，反射体的反射信号与其它信号不会互相干扰，不存在检测盲区，解决了常规方法检测薄壁复合材料管存在检测盲区的问题；超声信号会两次穿过被检件，有缺陷区域和无缺陷区域的超声波幅值的差别会进一步放大，可提高检测灵敏度；凹形反射体会对超声信号进行聚焦，且焦点处于被检件内部，可提高超声波在复合材料层的穿透力，同时可提高检测信噪比1倍以上；凹形反射体凹面顶点处于探头近场附近，使反射信号幅值最大，进一步提高检测灵敏度，能够发现被检件中尺寸5mm*5mm的缺陷。
(2)采用本发明的方法检测时，超声探头只需放置在被检件外部，不需对探头的尺寸进行限制，解决了常规方法由于被检件直径小，内部无法放置超声探头而无法检测的难题。
(3)本发明考虑到陶瓷基复合材料不同区域的表面状态相差较大，对检测信号会有较大影响，提出了表面状态的超声信号补偿方法，消除了表面状态对检测结果的影响，进一步提高检测结果的准确性，且补偿方法能直接用于超声C扫描信号的补偿。提取被检件外表面的反射信号进行C扫描成像，得到含有每个位置表面状态信息的超声C扫描图像(图像B)，可快速、准确、直观地获取被检件的表面信息。通过与表面状态良好的试块对比，计算出被检件外表面每个位置的表面状态补偿系数；建立补偿系数和补偿RGB值的对应关系；根据对应关系，将图像B转化为超声C扫描补偿图像，建立补偿关系的过程高效，补偿结果准确。被检件实际超声C扫描图像与超声C扫描补偿图像的起点一致，补偿时直接将两幅图像对应的RGB值相加即可，补偿过程快速，操作简单，可靠性高。
综上，本发明提供的方法可解决现有超声检测方法无法有效检测出小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部缺陷的技术问题。
附图说明
图1为步骤1中小直径薄壁陶瓷基复合材料管超声检测示意图；
图2为超声仪显示的超声信号示意图；
图3为步骤2中小直径薄壁陶瓷基复合材料管超声检测示意图；
图4为图像A示意图；步骤1检测的含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图
图5为图像B示意图；步骤2对外表面的反射信号进行C扫描成像，得到含有每个位置表面状态信息的超声C扫描图像
图6为图像C示意图；将图像B转化为每个位置的表面状态补偿系数的超声C扫描灰度图像
图7为图像D示意图；图像A中每个位置的RGB值与图像C中相应位置的RGB值相加，得到表示小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声C扫描图像
图8为实际产品的图像D。
图中，1—超声探头，2—超声波入射声束，3—凹面反射体的超声波反射声束，4—凹面反射体，5—焦点，6—小直径陶瓷管，7—被检件表面反射信号，8—凹面反射体反射信号，9—被检件表面的二次反射信号，10—跟踪闸门，11—信号提取闸门，12—被检件表面反射声束，13—图像A，14—图像B，15—图像C，16—图像D。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施例的技术解决方案：本发明提供一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
步骤1，利用小直径薄壁陶瓷基复合材料管外部发射的超声波在管内放置的凹形反射体上形成的反射信号，并提取凹形反射体的反射信号幅值进行超声C扫描成像，得到含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图(图像A)。
进一步的，所述步骤1，具体包括：(1)确定凹形反射体及放置的位置；(2)确定超声探头和超声C扫描设备；(3)确定基本检测参数；(4)按照确定的检测参数进行检测，并提取凹形反射体的反射信号幅值进行超声C扫描成像，得到含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图(图像A)。
进一步的，上述步骤1中所述的凹形反射体材料为不锈钢，凹形面的粗糙度不大于3.2微米，长度大于被检件的长度，宽度小于被检件内径的1/3，凹面的曲面半径为(被检件内径+被检件外径)/4，置于被检件内部，与被检件轴向平行，放置方向为凹形面朝上，凹形面顶点离被检件上表面的距离为(被检件的内径+被检件外径)/8+被检件厚度/2。
进一步的，上述步骤1中所述的所述的超声探头为水浸平探头，探头频率范围为1MHz～10MHz，晶片直径不大于5mm。
进一步的，上述步骤1中所述的超声C扫描设备为管形件水浸超声C扫描设备，设备具有X轴、Y轴、Z轴、T轴、A轴、B轴，X轴为扫查轴，用于带动超声探头进行扫查运动，Y轴用于调节探头的偏心距，Z轴用于调节探头与被检件上表面的距离，T轴为步进轴，用于驱动被检件转动，A轴和B轴可调节超声探头的角度。
进一步的，上述步骤1中所述的所述的基本检测参数中关键参数包括：
a、调节A轴、B轴，使探头方向与被检件轴线方向垂直，再调节Y轴使声束通过被检件的圆心。
b、调节Z轴，使凹形反射体凹面顶点处于探头近场附近，同时使探头与被检件表面的距离大于被检件外径的1/4；；
c、扫查方向与被检件轴向平行，步进方向为被检件的周向；
d、扫查行间距不大于2mm，采样间距不大于1mm；
e、灵敏度设置：调节超声仪的增益值，使被检件正常区域的凹形反射体的反射信号幅值为80％，此时的增益值为dB1；
f、闸门设置：将跟踪闸门框住被检件上表面的反射信号，将信号提取闸门框住凹形反射体的反射信号。
进一步的，上述步骤1中所述的图像A按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的周向位置，P1(X，Y)为(X，Y)位置的凹形反射体的反射信号幅值，P1(X，Y)*255为对应的灰度值。
步骤2，制作表面状态对比试件，采用水浸超声反射法测量试件外表面的反射信号幅值。并在同样的参数条件下对被检件进行水浸超声反射法C扫描检测，并提取外表面的反射信号进行C扫描成像，得到含有每个位置表面状态信息的超声C扫描图像(图像B)。通过与表面状态对比试件外表面反射信号幅值对比，计算出被检件外表面每个位置的表面状态补偿系数，建立补偿系数和补偿RGB值的对应关系。根据对应关系，将图像B转化为每个位置的表面状态补偿系数的超声C扫描灰度图像(图像C)。
进一步的，所述步骤2的表面状态对比试件与被检件的材料相同、外径相同，且表面粗糙度不大于3.2微米。
进一步的，上述步骤2中所述的表面状态对比试件外表面的反射信号测量方法为：调节超声仪的增益值，使表面状态对比试件外表面的反射信号幅值为80％，此时的增益值为dB2。
进一步的，上述步骤2中所述的对被检件的超声反射法C扫描检测的扫查起点与步骤1相同。
进一步的，上述步骤2所述的图像B按矩阵(X，Y，P2(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的周向位置，P2(X，Y)为(X，Y)位置的被检件外表面的反射信号幅值，P2(X，Y)*255为对应的灰度值。
进一步的，上述步骤2中所述的表面状态补偿系数的计算公式为：
k(X，Y)＝2*(80％-RGB(图像B)/255)，
进一步的，上述步骤2中所述的补偿系数和补偿RGB值的对应关系为：
进一步的，上述步骤2中所述的图像C按矩阵(X，Y，M(X，Y))进行成像。
步骤3，图像A中每个位置的RGB值与图像C中相应位置的RGB值相加，得到表示小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声C扫描图(图像D)。
进一步的，所述步骤3图D按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255+M(X，Y))进行成像。
具体实施例
实施例1
以本发明方法实现厚度为1mm、内径为16mm、长度为500mm的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料管的超声检测为实例，步骤如下：
步骤1，参见图1，利用小直径薄壁陶瓷基复合材料管外部的超声探头1发射的超声波入射声束2在管内放置的凹形反射体4上形成的反射声束3进行超声C扫描检测。
(1)参见图1，凹形反射体4材料为不锈钢，凹形面的粗糙度为1.6微米，保证超声信号在凹面反射时损失较小。凹形反射体长度大于被检件的长度，保证穿过被检件的信号都能够被凹形反射体反射，不会出现漏检的情况。凹形反射体宽度W等于5mm，小于被检件内径的1/3，保证能放入被检件内部。凹形反射体4凹面的曲面半径为(D0+D1)/4，等于8.5mm；凹形反射体4置于被检件内部，并与被检件轴向平行，放置方向为凹形面朝上。凹形面顶点离被检件上表面的距离为(D0+D1)/8+T/2，等于4.75mm，保证凹形反射体4反射的超声信号能聚焦在被检件中，可提高超声波在复合材料层的穿透力，同时可提高检测的信噪比。凹形反射体4的反射信号与其它信号不会互相干扰，解决了常规检测薄厚度复合材料存在检测盲区的问题；超声信号会两次穿过被检件，有缺陷区域和无缺陷区域的超声波幅值的差别会进一步放大，可提高检测灵敏度。
(2)确定超声探头和超声C扫描设备：超声探头1为水浸平探头，探头频率范围为2.25MHz，晶片直径为4mm。超声C扫描设备为管形件水浸超声C扫描设备，设备具有X轴、Y轴、Z轴、T轴、A轴、B轴，X轴为扫查轴，用于带动超声探头进行扫查运动，Y轴用于调节探头的偏心距，Z轴用于调节探头与被检件上表面的距离，T轴为步进轴，用于驱动被检件转动，A轴和B轴可调节超声探头的角度。
(3)确定基本检测参数：调节A轴、B轴，使探头方向与被检件轴线方向垂直，再调节Y轴使声束通过被检件的圆心；调节Z轴，使探头1与被检件表面的距离为8.6mm，使凹面顶点处于探头近场区，使反射信号幅值最大，提高检测灵敏度，此外，探头1与被检件表面的距离大于D1/4，使被检件表面的二次反射信号9在凹面反射体反射信号8之后，避免被检件表面的二次反射信号9对凹面反射体反射信号8的影响；扫查方向与被检件轴向平行，步进方向为被检件的周向；扫查行间距为2mm，采样间距为1mm。调节超声仪的增益值，使被检件正常区域的凹形反射体的反射信号幅值为80％，此时的增益值为dB1＝46。参照图2，将跟踪闸门10框住被检件上表面的反射信号，将信号提取闸门11框住凹形反射体的反射信号，解决液面高度不一致造成的信号位置变化无法准确提取信号的问题。检测时超声探头只需放置在被检件外部，不需对探头的尺寸进行限制，解决了普通方法对于被检件直径小内部无法放置超声探头从而无法检测的难题。
(4)按照确定的检测参数进行检测，并提取凹形反射体的反射信号幅值进行超声C扫描成像，得到含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图，图像A(13)。图像A(13)按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的周向位置，P1(X，Y)为(X，Y)位置的凹形反射体的反射信号幅值，P1(X，Y)*255为对应的灰度值。
步骤2，建立对比试块外表面反射信号幅值与被检件每个位置表面状态信息的超声C扫描图像(图像B)的关系，将图像B转化为每个位置的表面状态补偿RGB值的超声C扫描灰度图像(图像C)。
(1)制作表面状态对比试件，对比试件的材料与被检件相同，为SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料，对比试件的外径与被检件相同，为18mm，表面粗糙度为1.6微米。
(2)采用水浸超声反射法测量试件的外表面的反射信号幅值，调节超声仪的增益值，使表面状态对比试件的外表面的反射信号幅值为80％，此时的增益值为dB2＝35。
(3)在同样的参数条件下对被检件进行水浸超声反射法C扫描检测，并提取外表面的反射信号进行C扫描成像，得到含有每个位置表面状态信息的超声C扫描图像(图像B)。图像B(14)按矩阵(X，Y，P2(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的轴向位置，P2(X，Y)为(X，Y)位置的被检件表面的反射信号幅值，P2(X，Y)*255为对应的灰度值。通过图像B(14)可快速、准确、直观地获取被检件的表面信息。图像B(14)的扫查起点与步骤1相同，保证图像B(14)的坐标位置与图像A(13)的坐标位置一一对应，使补偿过程操作简单、快速，结果准确、可靠性高。
(4)按照公式k(X，Y)＝2*(80％-RGB(图像B)/255)计算图像B(14)中对应被检件中每个扫描坐标点的表面状态补偿系数。按照公式得到被检件每个坐标点对应的补偿RGB值。按矩阵(X，Y，M(X，Y))进行成像得到表面状态补偿超声C扫描图像，即图像C(15)，建立补偿关系的过程高效、准确。
步骤3，将图像A(13)中每个位置的RGB与图像C(15)中相应个位置的RGB相加，即按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255+M(X，Y))进行成像，得到表示小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声C描图---图像D(16)。
采用本发明的方法，对某碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料管实际产品进行检测，检测结果及实际解剖结果见表1。
表1检测缺陷情况
| 序号 | 检测结果(mm*mm) | 实际解剖结果(mm*mm) |
| 1 | 5*5 | 4*4 |
| 2 | 5*7 | 4*6 |
| 3 | 10*10 | 8*10 |
实施例2
以本发明方法实现厚度为0.8mm、内径为10mm、长度为200mm的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料管的超声检测为实例，步骤如下：
步骤1，参见图1，利用小直径薄壁陶瓷基复合材料管外部的超声探头1发射的超声波入射声束2在管内放置的凹形反射体4上形成的反射声束3进行超声C扫描检测。
(1)参见图1，凹形反射体4材料为不锈钢，凹形面的粗糙度为1.6微米，保证超声信号在凹面反射时损失较小。凹形反射体长度大于被检件的长度，保证穿过被检件的信号都能够被凹形反射体反射，不会出现漏检的情况。凹形反射体宽度W等于3mm，小于被检件内径的1/3，保证能放入被检件内部。凹形反射体4凹面的曲面半径为(D0+D1)/4，等于5.4mm；凹形反射体4置于被检件内部，并与被检件轴向平行，放置方向为凹形面朝上。凹形面顶点离被检件上表面的距离为(D0+D1)/8+T/2，等于3.1mm，保证凹形反射体4反射的超声信号能聚焦在被检件中，可提高超声波在复合材料层的穿透力，同时可提高检测的信噪比。凹形反射体4的反射信号与其它信号不会互相干扰，解决了常规检测薄厚度复合材料存在检测盲区的问题；超声信号会两次穿过被检件，有缺陷区域和无缺陷区域的超声波幅值的差别会进一步放大，可提高检测灵敏度。
(2)确定超声探头和超声C扫描设备：超声探头1为水浸平探头，探头频率范围为7.5MHz，晶片直径为4mm。超声C扫描设备为管形件水浸超声C扫描设备，设备具有X轴、Y轴、Z轴、T轴、A轴、B轴，X轴为扫查轴，用于带动超声探头进行扫查运动，Y轴用于调节探头的偏心距，Z轴用于调节探头与被检件上表面的距离，T轴为步进轴，用于驱动被检件转动，A轴和B轴可调节超声探头的角度。
(3)确定基本检测参数：调节A轴、B轴，使探头1与被检件表面的距离为16.9mm，使凹面顶点处于探头近场区，使反射信号幅值最大，提高检测灵敏度，此外，探头1与被检件表面的距离大于D1/4，使被检件表面的二次反射信号9在凹面反射体反射信号8之后，避免被检件表面的二次反射信号9对凹面反射体反射信号8的影响；扫查方向与被检件轴向平行，步进方向为被检件的周向；扫查行间距为2mm，采样间距为1mm。调节超声仪的增益值，使被检件正常区域的凹形反射体的反射信号幅值为80％，此时的增益值为dB1＝52。参照图2，将跟踪闸门10框住被检件上表面的反射信号，将信号提取闸门11框住凹形反射体的反射信号，解决液面高度不一致造成的信号位置变化无法准确提取信号的问题。检测时超声探头只需放置在被检件外部，不需对探头的尺寸进行限制，解决了普通方法对于被检件直径小内部无法放置超声探头从而无法检测的难题。
(4)按照确定的检测参数进行检测，并提取凹形反射体的反射信号幅值进行超声C扫描成像，得到含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图，图像A(13)。图像A(13)按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的周向位置，P1(X，Y)为(X，Y)位置的凹形反射体的反射信号幅值，P1(X，Y)*255为对应的灰度值。
步骤2，建立对比试块外表面反射信号幅值与被检件每个位置表面状态信息的超声C扫描图像(图像B)的关系，将图像B转化为每个位置的表面状态补偿RGB值的超声C扫描灰度图像(图像C)。
(1)制作表面状态对比试件，对比试件的材料与被检件相同，为SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料，对比试件的外径与被检件相同，为11.6mm，表面粗糙度为1.6微米。
(2)采用水浸超声反射法测量试件的外表面的反射信号幅值，调节超声仪的增益值，使表面状态对比试件的外表面的反射信号幅值为80％，此时的增益值为dB2＝38。
(3)在同样的参数条件下对被检件进行水浸超声反射法C扫描检测，并提取外表面的反射信号进行C扫描成像，得到含有每个位置表面状态信息的超声C扫描图像(图像B)。图像B(14)按矩阵(X，Y，P2(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的轴向位置，P2(X，Y)为(X，Y)位置的被检件表面的反射信号幅值，P2(X，Y)*255为对应的灰度值。通过图像B(14)可快速、准确、直观地获取被检件的表面信息。图像B(14)的扫查起点与步骤1相同，保证图像B(14)的坐标位置与图像A(13)的坐标位置一一对应，使补偿过程操作简单、快速，结果准确、可靠性高。
(4)按照公式k(X，Y)＝2*(80％-RGB(图像B)/255)计算图像B(14)中对应被检件中每个扫描坐标点的表面状态补偿系数。按照公式得到被检件每个坐标点对应的补偿RGB值。按矩阵(X，Y，M(X，Y))进行成像得到表面状态补偿超声C扫描图像，即图像C(15)，建立补偿关系的过程高效、准确。
步骤3，将图像A(13)中每个位置的RGB与图像C(15)中相应个位置的RGB相加，即按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255+M(X，Y))进行成像，得到表示小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声C描图----图像D(16)。
采用本发明的方法，对某二氧化硅纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料管实际产品进行检测，检测结果及实际解剖结果见表2。采用本发明的方法检测得到4mm*4mm缺陷的图像D如图8所示，图中能清晰地观察到缺陷和纤维的方向。
表2检测缺陷情况
| 序号 | 检测结果(mm*mm) | 实际解剖结果(mm*mm) |
| 1 | 4*4 | 3*4 |
| 2 | 5*7 | 4*6 |
| 3 | 6*5 | 5*3 |
结果表明，本发明的方法可准确地检测出小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部缺陷，且检测灵敏度优于4mm*4mm分层。
本发明未详细说明的内容为本领域人员公知的技术。
Claims (10)
1.一种小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：超声设备具有X轴、Y轴、Z轴、T轴、A轴、B轴，X轴为扫查轴，用于带动超声探头进行扫查运动，Y轴用于调节探头的偏心距，Z轴用于调节探头与被检件上表面的距离，T轴为步进轴，用于驱动被检件转动，A轴和B轴可调节超声探头的角度，超声检测步骤如下：
步骤1：沿管的轴向平行放置一凹形反射体，反射体的凹形面与超声探头相对；调节检测参数为：
a、调节A轴、B轴，使探头方向与被检件轴线方向垂直，再调节Y轴使声束通过被检件的圆心；
b、调节Z轴，使凹形反射体凹面顶点处于探头近场附近，同时使探头与被检件表面的距离大于被检件外径的1/4；
c、扫查方向与被检件轴向平行，步进方向为被检件的周向；
d、调节超声仪的增益值，使被检件正常区域的凹形反射体的反射信号幅值为80％，此时的增益值为dB1；
检测时，将跟踪闸门框住被检件上表面的反射信号，将信号提取闸门框住凹形反射体的反射信号，得到含有表面状态和被检件内部质量信息的超声C扫描灰度图为图像A；
所述的凹形反射体长度大于被检件的长度，宽度小于被检件内径的1/3，凹面的曲面半径为(被检件内径+被检件外径)/4，凹形面顶点离被检件上表面的距离为(被检件的内径+被检件外径)/8+被检件厚度/2；
步骤2：采用水浸超声反射法测与被检件的材料相同、外径相同，且表面粗糙度相同的对比试件外表面的反射信号幅值，检测参数与步骤1的a、b和c一致，调节超声仪的增益值，使表面状态对比试件外表面的反射信号幅值为80％，增益值为dB2；检测时，将跟踪闸门框住被检件上表面的反射信号，将信号提取闸门框住对比试件外表面的反射信号，进行C扫描成像，得到含有每个位置表面状态信息的超声C扫描图像为图像B；
步骤3：将通过与表面状态对比试件外表面反射信号幅值对比，计算出被检件外表面每个位置的表面状态补偿系数：
k(X，Y)＝2*(80％-RGB(图像B)/255)
建立补偿系数和补偿RGB值的对应关系：
根据对应关系，将图像B转化为每个位置的表面状态补偿系数的超声C扫描灰度图像为图像C；
步骤4：将图像A中每个位置的RGB值与图像C中相应位置的RGB值相加，得到表示小直径薄壁陶瓷基复合材料管内部质量的超声C扫描图像为图像D。
2.根据权利要求1所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述的超声探头为水浸平探头，探头频率范围为1MHz～10MHz，晶片直径不大于5mm。
3.根据权利要求1所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述的凹形反射体材料为不锈钢。
4.根据权利要求1或3所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述凹形面的粗糙度不大于3.2微米。
5.根据权利要求1所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述的超声C扫描设备为管形件水浸超声C扫描设备。
6.根据权利要求1所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述步骤1和步骤2的扫查行间距不大于2mm，采样间距不大于1mm。
7.根据权利要求1所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述图像A按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的周向位置，P1(X，Y)为(X，Y)位置的凹形反射体的反射信号幅值，P1(X，Y)*255为对应的灰度值。
8.根据权利要求1所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述图像B按矩阵(X，Y，P2(X，Y)*255)进行成像，X为探头扫查的被检件的轴向位置，Y为探头扫查的被检件的周向位置，P2(X，Y)为(X，Y)位置的被检件外表面的反射信号幅值，P2(X，Y)*255为对应的灰度值。
9.根据权利要求1所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述图像C按矩阵(X，Y，M(X，Y))进行成像。
10.根据权利要求1所述小直径薄壁陶瓷基复合材料管的超声检测方法，其特征在于：所述图像D按矩阵(X，Y，P1(X，Y)*255+M(X，Y))进行成像。
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