CN117420207A - 接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法、系统及装置。基于多模态超声平面波全聚焦算法，使用单轴旋转扫查机构和线阵探头从接管端对管座角焊缝进行成像检测，可根据成像结果自动计算探头位置和焊缝截面轮廓，无须使用编码器，从而实现机构简单，缺陷定位精度高的高分辨率管座角焊缝缺陷检测。
Description
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，具体涉及一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法、系统及装置。
背景技术
在电力、核能和油气等行业中，接管角接接头对接焊缝(以下简称管座角焊缝)广泛存在于发电站锅炉及油气输送管道等设施中，被用于连接接管和筒体、接管和封头或支管和主管(以下以接管和主管代指)。因为管座角焊缝几何结构特殊，施焊困难，且一般运行于高温高压等复杂工况下，极易生成裂纹并扩展，产生极大安全引患，因此需要无损检测技术对其质量进行监测。由于在安全性、适用性和自动化能力等方面的优势，超声无损检测技术已成为最常用的手段之一。
管座角焊缝有安放式和插入式两种形式，现有的常规超声检测标准对此详细规定了使用一个或多个单/斜探头在不同检测面的检测方法，但尚无使用相控阵或全聚焦技术的方法总结；且标准规定至少要从管道内侧检测，但主管或接管内部空间有限，因此需要研究高覆盖率的外检测方法。针对安放式角焊缝，探头一般置于接管外侧进行检测，但此时主管内壁会反射声波产生伪像，因此需要缺陷识别能力更强的方法；且此时声波需经接管内壁反射才能传播到焊缝区域，声程较长，引起分辨率下降，因此需要高分辨率的成像检测方法。针对插入式角焊缝，探头一般置于主管外侧进行检测，但主管上马鞍面形状复杂，现有方法均使用三轴扫查装置携带探头进行检测，机构复杂且难以实现良好耦合，因此需要机构简单、易于耦合的检测系统；且此时马鞍状焊缝结构会引起声束偏斜，现有方法均使用二维面阵探头以进行声束偏转补偿，检测工艺复杂且对检测设备要求高，因此需要工艺简单，设备要求低的检测方法。
最后，当探头环绕管道进行检测时，每个检测位置处的声束截面内，焊缝区域轮廓均不相同，为对缺陷进行定位，现有方法均使用编码器记录探头运动信息以计算焊缝轮廓，造成检测机构进一步复杂，且难以避免的误差会降低缺陷定位精度，因此需要机构简单、高定位精度的缺陷检测系统。另外在诸如核电站反应堆的检测场景中，因检测人员允许停留时间短，因此需要高帧率的检测方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法、系统及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本说明书的第一方面，提供一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据主管、接管几何尺寸及材质，确定线阵探头与楔块参数；
步骤S2，根据所述步骤S1中线阵探头与楔块参数，计算不同平面波偏转角度时的线阵探头所产生声束的有效区域，确定平面波偏转角度以及楔块与主管外壁的距离，从而确定主管内壁位置区间、主管内壁最大倾角和成像区域范围；
步骤S3，先根据所述步骤S1中线阵探头与楔块参数和所述步骤S2中平面波偏转角度和成像区域范围，进行多模态、多角度平面波全聚焦成像检测的仿真，得到所有模态下的复合平面波全聚焦仿真图像，然后选择特定模态，并确定每个所选模态的加权系数；
步骤S4，根据所述步骤S2中楔块与主管外壁的距离，将线阵探头通过楔块与接管耦合，并放置在初始周向检测位置上；
步骤S5，使用所述步骤S4中的线阵探头进行多模态、多角度平面波全聚焦成像检测，得到选定模态下的复合平面波全聚焦图像，然后按所述步骤S3中得到的加权系数平均得到融合图像；
步骤S6，利用直线检测算法对所述步骤S5中得到的融合图像进行直线检测，若在主管内壁位置区间内存在从底部向上延伸的直线，且直线方向与竖直方向间夹角绝对值不大于主管内壁最大倾角，则记录该直线最底部的横坐标值，作为主管内壁位置；若不存在，则检查耦合情况或返回步骤S1调整检测参数后，重新检测；
步骤S7，先根据所述步骤S6中确定的主管内壁位置，计算线阵探头在接管上的周向角度位置、以及此时线阵探头的声束平面内的主管内外壁轮廓和焊缝截面轮廓，然后绘制在图像上，以进行缺陷识别和定位；
步骤S8，按扫查步距将线阵探头绕接管旋转至下一检测位置，重复步骤S5-步骤S8进行检测，直至线阵探头绕接管旋转一周，其中，线阵探头运动为绕接管轴线的旋转运动，不在接管轴线方向上产生位移。
进一步地，所述步骤S1的具体步骤如下：
根据主管壁厚d1、接管壁厚d2和衰减特性，确定线阵探头频率f、阵元数量N和中心距p；
根据接管内半径R2和接管壁厚d2，确定楔块底部凹柱面直径等于接管外直径；根据楔块和主管、接管材料声速，确定楔块倾角θ，使楔块倾角θ大于第一临界角以实现横波斜入射检测。
进一步地，所述步骤S2的具体步骤如下：
步骤S21，过线阵探头最低端阵元位置，向接管轴线作垂线作为v轴，v轴与接管外壁的交点作为原点，沿接管轴线朝向焊缝方向为u轴且为正方向，以定义成像坐标系；
步骤S22，基于所述步骤S21定义的成像坐标系，当平面波偏转角度为δ时，计算在各个分界面处平面声束的左右边界横坐标值，作为声束有效区域：
楔块-接管界面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL1＝htanα，
接管底面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL2＝uL1+d2tanβ，uR2＝uR1+d2tanβ；
接管外表面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL3＝uL2+d2tanγ，xR3＝uR2+d2tanγ；
其中α,β分别为平面声束在楔块-接管分界面上的入射角和折射角，γ为折射声束在接管底面反射后的反射角，α由平面波偏转角度δ计算得到，β,γ由斯涅耳定律计算得到；h为线阵探头最低端阵元位置到接管外壁的距离；
步骤S23，根据接管底面或接管外表面处平面声束的左右边界横坐标值是否能够覆盖焊缝区域，确定Q个平面波偏转角度，以及楔块与主管外壁的距离w；
步骤S24，根据楔块宽度、楔块与主管外壁的距离w以及可能的检测误差，确定成像平面内主管内壁的位置区间[umin,umax]和最大倾角σmax；
步骤S25，设置成像区域范围为：宽度上从楔块靠近主管的边缘覆盖至主管内壁，在高度上从接管内壁覆盖至焊缝顶部。
进一步地，所述步骤S3的具体步骤如下：
步骤S31，基于所述步骤S2中得到的平面波偏转角度进行Q次平面波发射，每次接收N个阵元的回波数据，共获得Q×N组数据；
步骤S32，将所述步骤S2中得到的成像区域范围内每个像素点预设为成像焦点，在不同模态下分别计算不同角度平面波发射的渡越时间，以此对回波数据进行延时叠加，得到不同模态下不同角度的平面波全聚焦图像；
步骤S33，将同一模态下不同角度的平面波全聚焦图像相加取平均，得到该模态下的复合平面波全聚焦图像；
步骤S3中特定模态的选择方法为：根据仿真得到的复合平面波全聚焦图像，分别从直射模态、半跳模态和全跳模态中选择至少一种缺陷强度较高的模态，共得到k种模态；所述步骤S3的所选模态图像的加权系数根据仿真效果确定；
其中，直射模态表示为：接管内折射平面声波与缺陷相互作用后，缺陷散射声波直接回到楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波或横波；
半跳模态表示为：接管内折射平面声波在接管底面反射后与缺陷相互作用，缺陷散射声波直接回到楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波或横波；
全跳模态表示为：接管内折射平面声波在接管底面反射后与缺陷相互作用，缺陷散射声波在接管底面反射后再进入楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波或横波。
进一步地，所述步骤S4的线阵探头的阵元排列方向与接管轴线相交；所述步骤S4的楔块底面的凹柱面直径与接管的外径相同；所述步骤S4的初始周向检测位置为接管轴线与主管轴线所构成的平面。
进一步地，所述步骤S7的具体步骤如下：
步骤S71，以主管和接管轴线交点为原点，以主管轴线为x轴，任意正方向，以接管轴线为z轴，朝向接管延伸方向，y轴垂直xz平面，构成管道坐标系；以x轴为0度位置，绕z轴朝y轴方向旋转增加ε度，以定义线阵探头在管道上周向角度位置；原点和z轴与管道坐标系相同，xε轴朝向接管外侧，以定义探头声束平面内的坐标系；
步骤S72，根据步骤S6中确定的主管内壁位置，若此时线阵探头是在初始检测位置上进行第一次检测，则记录此时主管内壁位置为u0＝u，并记录位置差值为Δu＝0；除此之外，计算主管内壁位置变化值Δu＝u-u0；
步骤S73，计算此时线阵探头在接管上周向角度位置：
其中，R1为主管内半径；
然后计算主管内壁轮廓曲线：
计算主管外壁轮廓曲线：
步骤S74：根据坐标转换关系z＝-u-u0-R1,xε＝-v-R2-d2计算成像坐标系内的主管内外壁轮廓；
步骤S75：根据焊缝坡口尺寸参数确定焊缝截面轮廓，然后连同主管内外壁轮廓绘制在融合图像内。
根据本说明书的第二方面，一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测系统，包括：
单轴旋转扫查机构，设置在待测接管上，单轴旋转扫查机构的末端能够围绕接管轴线按一定步距角度进行旋转扫查运动；
楔块，其底面为凹圆柱面，凹圆柱面的直径与接管外径相同；楔块具有大于第一临界角的倾角，以实现横波斜入射检测；
声束发射方向朝向焊缝区域的线阵探头，设置在所述单轴旋转扫查机构的末端上，其中，所述线阵探头的阵元排列方向与接管轴线相交，所述线阵探头通过所述楔块与接管的外壁耦合；
超声全聚焦成像检测仪，与所述线阵探头通信连接，以通过所述线阵探头采集平面波数据。
根据本说明书的第三方面，提供一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，其特征在于，所述处理器执行所述可执行代码时，用于实现所述的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用了一种平面波全聚焦成像算法，相比于现有的相控阵线扫和扇扫技术，提高了成像分辨率；相比于现有的基于全矩阵采集的全聚焦算法，成像帧率更高；
(2)本发明提供了一种多模态平面波全聚焦成像算法，可实现对主管内壁的准确成像，避免其成为伪像、干扰成像结果；可利用主管内壁位置测量值，计算探头在接管上的周向位置，从而省去现有技术中编码器的使用；可利用主管内壁位置测量值，对缺陷在焊缝中的位置进行高精度定位，降低扫查机构引入的误差；
(3)本发明提供了一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法和系统，仅需在接管端使用单轴旋转扫查机构和线阵探头，易于耦合，机构简单且对设备要求低；通过平面波角度的偏转和扫查机构的旋转可实现对焊缝区域的高覆盖，工艺简单；可仅从接管外侧对插入和安放式管座角焊缝进行检测，工艺简单。
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为一示例性实施例提供的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测系统的结构图；
图2为一示例性实施例提供的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法流程图。
图3为一示例性实施例提供的插入式角焊缝检测参数示意图；
图4为一示例性实施例提供的安放式角焊缝检测参数示意图；
图5为一示例性实施例提供的平面声束有效区域计算方法示意图；
图6为一示例性实施例提供的多模态平面波全聚焦成像的声束路径示意图；
图7为一示例性实施例提供的多模态平面波全聚焦仿真成像结果；
图8为一示例性实施例提供的多模态平面波全聚焦成像检测效果示意图；
图9为一示例性实施例提供的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测装置的结构图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，提供了一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测系统，包括：单轴旋转扫查机构1、楔块3、线阵探头2和超声全聚焦成像检测仪4。
单轴旋转扫查机构1设置在待测接管上，单轴旋转扫查机构1的末端能够围绕接管轴线按一定步距角度进行旋转扫查运动；
楔块3的底面为凹圆柱面，凹圆柱面的直径与接管外径相同；楔块3具有大于第一临界角的倾角，以实现横波斜入射检测；
线阵探头2声束发射方向朝向焊缝区域，其设置在单轴旋转扫查机构1的末端上，其中，线阵探头2的阵元排列方向与接管轴线相交，线阵探头2通过楔块3与接管的外壁耦合；
超声全聚焦成像检测仪4与线阵探头2通信连接，以通过线阵探头2采集平面波数据。
在一实施例中，单轴旋转扫查机构1可采用由电机驱动的扫查机构，也可采用手动扫查机构、爬壁扫查机械车或表带式环绕扫查装置，如多浦乐CRS-7型链式小径管焊缝扫查器，只需保证线阵探头2可绕接管轴线做旋转运动而不沿接管轴线方向产生位移，这是检测方法中实现线阵探头2周向角度位置自动计算和缺陷高精度定位的必要条件。
在一实施例中，楔块3材质为有机玻璃，倾斜角大于第一临界角，使线阵探头2发射的纵波在经楔块-接管分界面折射后只产生折射横波，减少折射纵波所可能带来的干扰。
如图2所示，提供了一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据主管、接管几何尺寸及材质，确定线阵探头与楔块参数；
如图3—图4所示，在一实施例中，步骤S1的具体步骤如下：
根据主管壁厚d1、接管壁厚d2和衰减特性，确定线阵探头频率f、阵元数量N和中心距p；例如壁厚越大、衰减越强，线阵探头频率越低，阵元数量越大，中心距越低；
根据接管内半径R2和接管壁厚d2，确定楔块底部凹柱面直径等于接管外直径；根据楔块和主管、接管材料声速，确定楔块倾角θ，使楔块倾角θ大于第一临界角以实现横波斜入射检测；
在一实施例中，具体地，待检测对象为插入式管座角焊缝，主管内直径700mm，接管内直径90mm，主管和接管厚度均为10mm，材质为合金钢，纵波和横波声速分别为6300m/s和3230m/s，楔块有机玻璃声速为2337m/s，焊缝坡口呈45度，从而根据这些参数确定使用64阵元、5MHz、0.6mm中心距的线阵探头，楔块高度8mm，楔块倾角44°，底部凹柱面直径110mm。
步骤S2，根据所述步骤S1中线阵探头与楔块参数，计算不同平面波偏转角度时的线阵探头所产生声束的有效区域，确定平面波偏转角度以及楔块与主管外壁的距离，从而确定主管内壁位置区间、主管内壁最大倾角和成像区域范围；
如图3—图5所示，在一实施例中，步骤S2的具体步骤如下：
如图5所示，步骤S21，过线阵探头最低端阵元位置，向接管轴线作垂线作为v轴(纵轴)，v轴与接管外壁的交点作为原点，沿接管轴线朝向焊缝方向为u轴(横轴)且为正方向，以定义成像坐标系；
步骤S22，基于步骤S21定义的成像坐标系，当平面波偏转角度为δ时，计算在各个分界面处平面声束的左右边界横坐标值，作为声束有效区域：
楔块-接管界面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL1＝htanα，
接管底面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL2＝uL1+d2tanβ，uR2＝uR1+d2tanβ；
接管外表面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL3＝uL2+d2tanγ，xR3＝uR2+d2tanγ；
其中α,β分别为平面声束在楔块-接管分界面上的入射角和折射角，γ为折射声束在接管底面反射后的反射角，α由平面波偏转角度δ计算得到，β,γ由斯涅耳定律(Snell’sLaw)计算得到；h为线阵探头最低端阵元位置到接管外壁的距离；
步骤S23，根据接管底面或接管外表面处平面声束的左右边界横坐标值是否能够覆盖焊缝区域，确定Q个平面波偏转角度，以及楔块与主管外壁的距离w；
步骤S24，因为主管内壁的位置和倾斜角度会随探头周向位置的变化而变化，根据楔块宽度w0、楔块与主管外壁的距离w以及可能的检测误差，确定成像平面内主管内壁的位置区间[umin,umax]和最大倾角其中umin＝w0+w+d1-w′，如图5所示，虚线表示主管内壁最远且倾角最大时的位置；
步骤S25，设置成像区域范围为：宽度上从楔块靠近主管的边缘覆盖至主管内壁最远最倾斜处，在高度上从接管内壁覆盖至焊缝顶部。从而插入式角焊缝和安放式角焊缝对应的成像区域范围分别如图3和图4中虚线矩形框所示。
在一实施例中，设置6个平面波偏转角度，对应折射横波角度分别为54°,56°,58°,70°,72°,74°，楔块与主管外壁的距离10mm，主管内壁位置区间[78mm,83mm]，主管内壁最大倾角10°，成像区域范围宽度上为[67mm,90mm]，高度上为[-10mm,10mm]。
步骤S3，先根据步骤S1中线阵探头与楔块参数和步骤S2中平面波偏转角度和成像区域范围，进行多模态、多角度平面波全聚焦成像检测的仿真，得到所有模态下的复合平面波全聚焦仿真图像，然后选择特定模态，并确定每个所选模态的加权系数；
在一实施例中，步骤S3的具体步骤如下：
步骤S31，基于步骤S2中得到的平面波偏转角度进行Q次平面波发射，每次接收N个阵元的回波数据，共获得Q×N组数据；
步骤S32，将步骤S2中得到的成像区域范围内每个像素点预设为成像焦点，在不同模态下分别计算不同角度平面波发射的渡越时间，以此对回波数据进行延时叠加，得到不同模态下不同角度的平面波全聚焦图像；
步骤S33，将同一模态下不同角度的平面波全聚焦图像相加取平均，得到该模态下的复合平面波全聚焦图像；
步骤S3中特定模态的选择方法为：根据仿真得到的复合平面波全聚焦图像，分别从直射模态、半跳模态和全跳模态中选择至少一种缺陷强度较高的模态，共得到k种模态；步骤S3的所选模态图像的加权系数根据仿真效果确定；
如图6所示，其中，直射模态表示为：接管内折射平面声波与缺陷相互作用后，缺陷散射声波直接回到楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波(L)或横波(T)，可表示为T-L,T-T等；
半跳模态表示为：接管内折射平面声波在接管底面反射后与缺陷相互作用，缺陷散射声波直接回到楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波或横波，可表示为TL-L,TT-T等；
全跳模态表示为：接管内折射平面声波在接管底面反射后与缺陷相互作用，缺陷散射声波在接管底面反射后再进入楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波或横波，可表示为TT-LT,TL-TL等；
步骤32中利用斯涅耳定律和费马原理计算渡越时间的方法，以及根据渡越时间延时叠加成像的方法，均为现有技术，在这里不再详述。
在一实施例中，通过仿真得到所有模态下的复合平面波仿真图像，分别从直射、半跳和全跳模态中选择强度较高的T-T,TT-T和TT-TT模态，加权系数设为平均相加，得到融合图像，其中半跳TT-T、全跳TT-TT模态和融合模态图像如图7所示；
步骤S4，根据所述步骤S2中楔块与主管外壁的距离，将线阵探头通过楔块与接管耦合，并放置在初始周向检测位置上；
在一实施例中，步骤S4的线阵探头的阵元排列方向与接管轴线相交；步骤S4的楔块底面的凹柱面直径与接管的外径相同；步骤S4的初始周向检测位置为接管轴线与主管轴线所构成的平面，如图1所示0°周向位置处。
步骤S5，使用步骤S4中的线阵探头进行多模态、多角度平面波全聚焦成像检测，得到选定模态下的复合平面波全聚焦图像，然后按步骤S3中得到的加权系数平均得到融合图像；
步骤S6，利用直线检测算法对步骤S5中得到的融合图像进行直线检测，若在主管内壁位置区间内存在从底部向上延伸的直线，且直线方向与竖直方向间夹角绝对值不大于主管内壁最大倾角，则记录该直线最底部的横坐标值，作为主管内壁位置；若不存在，则检查耦合情况或返回步骤S1调整检测参数后，重新检测；
步骤S6的以直线作为主管内壁位置的依据为：现有研究表明全聚焦算法半跳模态可对竖直裂纹的形貌进行成像，且工件侧壁面的成像结果表现为从底面向上延伸的长直裂纹；对于插入式管座角焊缝，主管内壁一直可检测到，对于安放式角焊缝，忽略焊缝区域的各向异性，主管内壁同样一直可检测到；所述步骤S6的直线检测算法优选效率更高、更准确的EDlines算法；
步骤S7，先根据步骤S6中确定的主管内壁位置，计算线阵探头在接管上的周向角度位置、以及此时线阵探头的声束平面内的主管内外壁轮廓和焊缝截面轮廓，然后绘制在图像上，以进行缺陷识别和定位；
在一实施例中，步骤S7的具体步骤如下：
如图1所示，步骤S71，以主管和接管轴线交点为原点，以主管轴线为x轴，任意正方向，以接管轴线为z轴，朝向接管延伸方向，y轴垂直xz平面，构成管道坐标系；以x轴为0度位置，绕z轴朝y轴方向旋转增加ε度，以定义线阵探头在管道上周向角度位置；原点和z轴与管道坐标系相同，xε轴朝向接管外侧，以定义探头声束平面内的坐标系；
步骤S72，根据步骤S6中确定的主管内壁位置，若此时线阵探头是在初始检测位置上进行第一次检测，则记录此时主管内壁位置为u0＝u，并记录位置差值为Δu＝0；除此之外，计算主管内壁位置变化值Δu＝u-u0；
步骤S73，计算此时线阵探头在接管上周向角度位置：
其中，R1为主管内半径；
然后计算主管内壁轮廓曲线：
计算主管外壁轮廓曲线：
步骤S74：根据坐标转换关系z＝-u-u0-R1,xε＝-v-R2-d2计算成像坐标系内的主管内外壁轮廓；
步骤S75：根据焊缝坡口尺寸参数确定焊缝截面轮廓，然后连同主管内外壁轮廓绘制在融合图像内。
在一实施例中，如图8所示，绘制在融合图像上的主管内外壁轮廓和焊缝截面轮廓可辅助进行缺陷位置的高精度测量。
步骤S8，按扫查步距将线阵探头绕接管旋转至下一检测位置，重复步骤S5-步骤S8进行检测，直至线阵探头绕接管旋转一周，其中，线阵探头运动为绕接管轴线的旋转运动，不在接管轴线方向上产生位移。
由管座角焊缝结构的对称性可知，主管内壁位置、管道截面轮廓与焊缝截面轮廓均随着探头的旋转做以180°为周期的变化。
本发明采用了一种平面波全聚焦成像算法，相比于现有的相控阵线扫和扇扫技术，提高了成像分辨率；相比于现有的基于全矩阵采集的全聚焦算法，成像帧率更高；
本发明提供了一种多模态平面波全聚焦成像算法，可实现对主管内壁的准确成像，避免其成为伪像、干扰成像结果；可利用主管内壁位置测量值，计算探头在接管上的周向位置，从而省去现有技术中编码器的使用；可利用主管内壁位置测量值，对缺陷在焊缝中的位置进行高精度定位，降低扫查机构引入的误差；
本发明提供了一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法和系统，仅需在接管端使用单轴旋转扫查机构和线阵探头，易于耦合，机构简单且对设备要求低；通过平面波角度的偏转和扫查机构的旋转可实现对焊缝区域的高覆盖，工艺简单；可仅从接管外侧对插入和安放式管座角焊缝进行检测，工艺简单。
如图9所示，本发明实施例提供的一种接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测装置，包括存储器和一个或多个处理器，存储器中存储有可执行代码，处理器执行可执行代码时，用于实现上述实施例中的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法。
本发明接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图9所示，为本发明接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图9所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例还提供计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使处理器执行时实现接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法。
计算机可读存储介质可以是前述任一实施例的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。计算机可读存储介质用于存储计算机程序以及任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
在本说明书一个或多个实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
以上仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改。
Claims (8)
1.接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，根据主管、接管几何尺寸及材质，确定线阵探头与楔块参数；
步骤S2，根据所述步骤S1中线阵探头与楔块参数，计算不同平面波偏转角度时的线阵探头所产生声束的有效区域，确定平面波偏转角度以及楔块与主管外壁的距离，从而确定主管内壁位置区间、主管内壁最大倾角和成像区域范围；
步骤S3，先根据所述步骤S1中线阵探头与楔块参数和所述步骤S2中平面波偏转角度和成像区域范围，进行多模态、多角度平面波全聚焦成像检测的仿真，得到所有模态下的复合平面波全聚焦仿真图像，然后选择特定模态，并确定每个所选模态的加权系数；
步骤S4，根据所述步骤S2中楔块与主管外壁的距离，将线阵探头通过楔块与接管耦合，并放置在初始周向检测位置上；
步骤S5，使用所述步骤S4中的线阵探头进行多模态、多角度平面波全聚焦成像检测，得到选定模态下的复合平面波全聚焦图像，然后按所述步骤S3中得到的加权系数平均得到融合图像；
步骤S6，利用直线检测算法对所述步骤S5中得到的融合图像进行直线检测，若在主管内壁位置区间内存在从底部向上延伸的直线，且直线方向与竖直方向间夹角绝对值不大于主管内壁最大倾角，则记录该直线最底部的横坐标值，作为主管内壁位置；若不存在，则检查耦合情况或返回步骤S1调整检测参数后，重新检测；
步骤S7，先根据所述步骤S6中确定的主管内壁位置，计算线阵探头在接管上的周向角度位置、以及此时线阵探头的声束平面内的主管内外壁轮廓和焊缝截面轮廓，然后绘制在图像上，以进行缺陷识别和定位；
步骤S8，按扫查步距将线阵探头绕接管旋转至下一检测位置，重复步骤S5-步骤S8进行检测，直至线阵探头绕接管旋转一周，其中，线阵探头运动为绕接管轴线的旋转运动，不在接管轴线方向上产生位移。
2.根据权利要求1所述的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤如下：
根据主管壁厚d1、接管壁厚d2和衰减特性，确定线阵探头频率f、阵元数量N和中心距p；
根据接管内半径R2和接管壁厚d2，确定楔块底部凹柱面直径；根据楔块和主管、接管材料声速，确定楔块倾角θ，使楔块倾角θ大于第一临界角以实现横波斜入射检测。
3.根据权利要求2所述的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤如下：
步骤S21，过线阵探头最低端阵元位置，向接管轴线作垂线作为v轴，v轴与接管外壁的交点作为原点，沿接管轴线朝向焊缝方向为u轴且为正方向，以定义成像坐标系；
步骤S22，基于所述步骤S21定义的成像坐标系，当平面波偏转角度为δ时，计算在各个分界面处平面声束的左右边界横坐标值，作为声束有效区域：
楔块-接管界面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL1＝htanα，
接管底面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL2＝uL1+d2tanβ，uR2＝uR1+d2tanβ；
接管外表面处平面声束的左、右边界横坐标值分别为：uL3＝uL2+d2tanγ，xR3＝uR2+d2tanγ；
其中α,β分别为平面声束在楔块-接管分界面上的入射角和折射角，γ为折射声束在接管底面反射后的反射角，α由平面波偏转角度δ计算得到，β,γ由斯涅耳定律计算得到；h为线阵探头最低端阵元位置到接管外壁的距离；
步骤S23，根据接管底面或接管外表面处平面声束的左右边界横坐标值是否能够覆盖焊缝区域，确定Q个平面波偏转角度，以及楔块与主管外壁的距离w；
步骤S24，根据楔块宽度、楔块与主管外壁的距离w以及可能的检测误差，确定成像平面内主管内壁的位置区间[umin,umax]和最大倾角σmax；
步骤S25，设置成像区域范围为：宽度上从楔块靠近主管的边缘覆盖至主管内壁，在高度上从接管内壁覆盖至焊缝顶部。
4.根据权利要求3所述的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤如下：
步骤S31，基于所述步骤S2中得到的平面波偏转角度进行Q次平面波发射，每次接收N个阵元的回波数据，共获得Q×N组数据；
步骤S32，将所述步骤S2中得到的成像区域范围内每个像素点预设为成像焦点，在不同模态下分别计算不同角度平面波发射的渡越时间，以此对回波数据进行延时叠加，得到不同模态下不同角度的平面波全聚焦图像；
步骤S33，将同一模态下不同角度的平面波全聚焦图像相加取平均，得到该模态下的复合平面波全聚焦图像；
步骤S3中特定模态的选择方法为：根据仿真得到的复合平面波全聚焦图像，分别从直射模态、半跳模态和全跳模态中选择至少一种缺陷强度较高的模态，共得到k种模态；所述步骤S3的所选模态图像的加权系数根据仿真效果确定；
其中，直射模态表示为：接管内折射平面声波与缺陷相互作用后，缺陷散射声波直接回到楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波或横波；
半跳模态表示为：接管内折射平面声波在接管底面反射后与缺陷相互作用，缺陷散射声波直接回到楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波或横波；
全跳模态表示为：接管内折射平面声波在接管底面反射后与缺陷相互作用，缺陷散射声波在接管底面反射后再进入楔块，从而被阵元接收，每段路径声波模态可为纵波或横波。
5.根据权利要求4所述的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法，其特征在于：所述步骤S4的线阵探头的阵元排列方向与接管轴线相交；所述步骤S4的楔块底面的凹柱面直径与接管的外径相同；所述步骤S4的初始周向检测位置为接管轴线与主管轴线所构成的平面。
6.根据权利要求5所述的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法，其特征在于,所述步骤S7的具体步骤如下：
步骤S71，以主管和接管轴线交点为原点，以主管轴线为x轴，任意正方向，以接管轴线为z轴，朝向接管延伸方向，y轴垂直xz平面，构成管道坐标系；以x轴为0度位置，绕z轴朝y轴方向旋转增加ε度，以定义线阵探头在管道上周向角度位置；原点和z轴与管道坐标系相同，xε轴朝向接管外侧，以定义探头声束平面内的坐标系；
步骤S72，根据步骤S6中确定的主管内壁位置，若此时线阵探头是在初始检测位置上进行第一次检测，则记录此时主管内壁位置为u0＝u，并记录位置差值为Δu＝0；除此之外，计算主管内壁位置变化值Δu＝u-u0；
步骤S73，计算此时线阵探头在接管上周向角度位置：
其中，R1为主管内半径；
然后计算主管内壁轮廓曲线：
计算主管外壁轮廓曲线：
步骤S74：根据坐标转换关系z＝u-u0-R1,xε＝-v-R2-d2计算成像坐标系内的主管内外壁轮廓；
步骤S75：根据焊缝坡口尺寸参数确定焊缝截面轮廓，然后连同主管内外壁轮廓绘制在融合图像内。
7.接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测系统，其特征在于，包括：
单轴旋转扫查机构，设置在待测接管上，单轴旋转扫查机构的末端能够围绕接管轴线按一定步距角度进行旋转扫查运动；
楔块，其底面为凹圆柱面，凹圆柱面的直径与接管外径相同；楔块具有大于第一临界角的倾角，以实现横波斜入射检测；
声束发射方向朝向焊缝区域的线阵探头，设置在所述单轴旋转扫查机构的末端上，其中，所述线阵探头的阵元排列方向与接管轴线相交，所述线阵探头通过所述楔块与接管的外壁耦合；
超声全聚焦成像检测仪，与所述线阵探头通信连接，以通过所述线阵探头采集平面波数据。
8.接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，其特征在于，所述处理器执行所述可执行代码时，用于实现如权利要求1-6中任一项所述的接管端的管座角焊缝超声平面波全聚焦检测方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117849184A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 广东汕头超声电子股份有限公司 | 一种对置阵列多模态全聚焦焊缝检测方法 |
| CN117849184B (zh) * | 2024-03-07 | 2024-05-07 | 广东汕头超声电子股份有限公司 | 一种对置阵列多模态全聚焦焊缝检测方法 |
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| CN117420207B (zh) | 2024-05-24 |
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