CN117722997A - 一种结构厚度连续手动超声成像测量方法及扫查装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构厚度连续手动超声成像测量方法及扫查装置，属于无损结构厚度检测技术领域。解决了现有技术中传统的超声波测厚技术获取材料厚度信息不全面的问题；本发明设计基于扫查装置，在扫查装置运动的平面建立直角坐标系和空图像；经设定的时间间隔后，读取编码器的编码值计算出扫查轮运动路程；判断出扫查装置运动状态，计算出扫查轮的运动方向和当前扫查轮及超声探头的位置坐标；提取超声探头获取的超声振动信号中的信号幅值；对记录的数据进行归一化处理和灰度值映射，在空图像形成表示厚度值的像素点，重复上述步骤，连续绘图，获得与材料结构厚度对应的二维图像。本发明有效反映了被测量区域更全面的材料及结构的厚度信息。
Description
技术领域
本发明涉及超声成像测量方法及扫查装置，尤其涉及一种结构厚度连续手动超声成像测量方法及扫查装置，属于无损结构厚度检测技术领域。
背景技术
超声波测厚法是常用的材料厚度测量方法，其应用原理在于当探头发射的超声波脉冲达到被测材料分界面时，脉冲被反射回超声探头，通过精确测量超声波在被测材料中的传播时间配合超声波在材料中的传播速度以确定被测材料的厚度。超声波测厚法具有成本低、速度快、精度高的特点，可以在无损的条件下实现对材料结构厚度的测量，进而反应结构的服役能力和健康状态，例如利用超声波测厚仪对聚乙烯管道的壁厚进行测量判断其壁厚均匀性。
现有技术中，学术论文1（程进杰等，脉冲压缩技术在高温连铸电磁超声测厚应用研究，复合材料科学与工程，2023，59(08):20~31）通过增大激励信号时宽和脉冲压缩方法，提高了回波信号信噪比，进而实现高温连铸件的厚度测量；学术论文2（贾红宾等，CFRP 厚度激光超声脉冲反射测试及工艺优化，机械设计与制造，2023:1~5）设计了一种基于激光超声脉冲反射法的碳纤维复合材料厚度测试方法。使用凸透镜进行厚度测试以获取更小的光斑面积，提高能量密度，增强激光热弹效应，减小了测量误差。
综上所述，现有超声波测厚技术大多采用逐点测量的方法，针对单一采样点处的厚度进行测量，获取材料厚度信息不全面，难以对材料及结构厚度变化整体情况做出准确评价，而实现材料厚度的二维成像是获取材料及结构更全面厚度信息的关键，因此，需要一种可以实现材料厚度的二维成像的结构厚度测量方法和装置。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中传统的超声波测厚技术获取材料厚度信息不全面的问题，本发明提供一种结构厚度连续手动超声成像测量方法及扫查装置。
技术方案一如下：一种结构厚度连续手动超声成像测量方法，包括以下步骤：
S1.在设定的扫查装置运动平面建立直角坐标系并建立与被测量对象及测量部位对应的空图像；
S2.记录超声探头初始位置坐标，开始扫查运动，在每个设定的时间间隔内，读取编码器的编码值，经过一个时间间隔后，根据编码值计算并记录扫查轮运动路程；
具体的：扫查轮运动路程包括第一扫查轮运动路径和第二扫查轮运动路径/>，，/>，其中，A为编码值与扫查轮运动路程之间的转化系数，/>为第一编码器前一编码值，/>为第一编码器当前编码值，/>为第二编码器前一编码值，为第二编码器当前编码值；
S3.通过比较扫查轮运动路程判断扫查装置在一个时间间隔内的运动状态，计算第一扫查轮和第二扫查轮的运动方向，并根据第一扫查轮和第二扫查轮与超声探头的位置关系，计算出当前第一扫查轮、第二扫查轮和超声探头的位置坐标并进行记录；
S4.记录超声探头获取的超声振动信号，提取超声振动信号中的超声波传播时间或信号幅值记录在空图像的相应位置，并对记录的超声信号传播时间或信号幅值进行归一化处理和灰度值映射，使其形成图像中的像素点；
S5.按设定的时间间隔，重复步骤S2至S4，连续记录超声探头在直角坐标系中的位置坐标，并根据获取的超声信号传播时间或信号幅值，进行连续绘图；
S6.获得与材料结构厚度相对应的二维图像，根据二维图像中像素点的灰度值的变化，实现被测量区域厚度连续变化状况的直观显示，通过点击二维图像获取点击处的位置坐标和超声信号传播时间或信号幅值及其对应的厚度值。
进一步地，所述S3中，若，则扫查装置静止，若/>，则扫查装置进行直线运动，若/>，则扫查装置进行曲线运动；
在扫查运动中的某一时刻，第一扫查轮和第二扫查轮的中点位置坐标为，轮轴绕中心转动角度为/>，得到轮轴中点运动速度矢量/>和轮轴绕中心旋转的角速度/>；
轮轴中点运动速度矢量表示为：
；
轮轴绕中心旋转的角速度表示为：
由编码器的编码值得到第一扫查轮的路程函数、第二扫查轮的路程函数、第一扫查轮的速度函数/>和第二扫查轮的速度函数/>，第一扫查轮和第二扫查轮的速度由轮轴中点运动速度矢量/>和扫查轮以角速度/>绕轮轴中心旋转的速度叠加得到，整合上述参数得到运动路程方程；
运动路程方程表示为：
；
其中，为轮距，/>为第一扫查轮运动路程对时间的导数，/>为第二扫查轮运动路程对时间的导数，/>为第一扫查轮前一位置坐标，/>为第二扫查轮前一位置坐标；
对运动路程方程中两式做差得到可分离变量的常微分方程；
可分离变量的常微分方程表示为：
；
其中，为/>和/>的函数，/>为时间/>的函数，测得当/>时第一扫查轮和第二扫查轮的初始位置坐标和角度，即可计算得到轮轴绕中心转动角度随时间的变化函数/>；
对运动路程方程中两式做和得到轮轴中心点移动的速率，根据第一扫查轮和第二扫查轮均为纯滚动情况下扫查装置方向与轮轴中心点移动的速率/>方向一致，得到扫查装置方向；
轮轴中心点移动的速率表示为：
；
；
；
；
根据第一扫查轮前一位置坐标、第二扫查轮前一位置坐标/>、超声探头/>前一位置坐标、第一扫查轮运动路径/>和第二扫查轮运动路径/>，得到第一扫查轮当前位置坐标/>、第二扫查轮当前位置坐标/>和超声探头当前位置坐标。
技术方案二如下：一种扫查装置，用于执行技术方案一所述的方法，包括超声探头、探头架、手持架、编码器、扫查轮、轴轮、磁铁、轴承、轴承座和编码器支架；
所述编码器包括第一编码器和第二编码器，编码器与编码器支架连接，扫查轮包括第一扫查轮和第二扫查轮，扫查轮内设置有轴轮，扫查轮通过磁铁和轴承与轴承座连接；
所述手持架前端与探头架连接，手持架后端底面与左右对称的轴承座和前后对称的编码器支架连接；
所述超声探头与探头架连接。
本发明的有益效果如下：本发明所述的扫查装置可手持、结构简单且便携、扫查过程柔性、扫查路径自由，可有效实现结构整体厚度及大型结构局部厚度成像测量；本发明以扫查的方式实现了测试试件被测量区域厚度成像测量，将超声信号传播时间或信号幅值转化为图像灰度值通过生成的二维图像更全面地反映了被测量区域材料及结构的厚度信息；本发明的测量过程为实时成像，测量过程图像全程动态可视化，可根据超声探头扫查覆盖情况实时调整扫查路径。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种结构厚度连续手动超声成像测量方法流程示意图；
图2为超声探头定位示意图；
图3为扫查装置结构示意图；
图4为扫查装置结构爆炸图；
图5为一种结构厚度连续手动超声成像测量方法实施例流程图；
图6为实施例所用的测试试件镜像形貌图；
图7为测试试件厚度成像测量二维图像；
图8为测试试件镜像形貌和二维图像的叠加图。
附图标记：1.超声探头；2.探头架；3.手持架；4.第一编码器；5.第二编码器；6.第一扫查轮；7.第二扫查轮；8.轴轮；9.磁铁；10.轴承；11.轴承座；12.编码器支架；13.第一孔；14.第二孔；15.第三孔。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：参考图1-8详细说明本实施例，一种结构厚度连续手动超声成像测量方法，包括以下步骤：
S1.在设定的扫查装置运动平面建立直角坐标系并建立与被测量对象及测量部位对应的空图像；
S2.记录超声探头初始位置坐标，开始扫查运动，在每个设定的时间间隔内，读取编码器的编码值，经过一个时间间隔后，根据编码值计算并记录扫查轮运动路程；
具体的：扫查轮运动路程包括第一扫查轮运动路径和第二扫查轮运动路径/>，，/>，其中，A为编码值与扫查轮运动路程之间的转化系数，/>为第一编码器前一编码值，/>为第一编码器当前编码值，/>为第二编码器前一编码值，为第二编码器当前编码值；
S3.通过比较扫查轮运动路程判断扫查装置在一个时间间隔内的运动状态，计算第一扫查轮和第二扫查轮的运动方向，并根据第一扫查轮和第二扫查轮与超声探头的位置关系，计算出当前第一扫查轮、第二扫查轮和超声探头的位置坐标并进行记录；
S4.记录超声探头获取的超声振动信号，提取超声振动信号中的超声波传播时间或信号幅值记录在空图像的相应位置，并对记录的超声信号传播时间或信号幅值进行归一化处理和灰度值（伪彩色值）映射，使其形成图像中的像素点；
S5.按设定的时间间隔，重复步骤S2至S4，连续记录超声探头在直角坐标系中的位置坐标，并根据获取的超声信号传播时间或信号幅值，进行连续绘图；
S6.获得与材料结构厚度相对应的二维图像，根据二维图像中像素点的灰度值（伪彩色值）的变化，实现被测量区域厚度连续变化状况的直观显示，通过点击二维图像获取点击处的位置坐标和超声信号传播时间或信号幅值及其对应的厚度值。
进一步地，所述S3中，若，则扫查装置静止，若/>，则扫查装置进行直线运动，若/>，则扫查装置进行曲线运动；
在扫查运动中的某一时刻，第一扫查轮和第二扫查轮的中点位置坐标为，轮轴绕中心转动角度为/>，得到轮轴中点运动速度矢量/>和轮轴绕中心旋转的角速度/>；
轮轴中点运动速度矢量表示为：
；
轮轴绕中心旋转的角速度表示为：
；
由编码器的编码值得到第一扫查轮的路程函数、第二扫查轮的路程函数、第一扫查轮的速度函数/>和第二扫查轮的速度函数/>，第一扫查轮和第二扫查轮的速度由轮轴中点运动速度矢量/>和扫查轮以角速度/>绕轮轴中心旋转的速度叠加得到，整合上述参数得到运动路程方程；
运动路程方程表示为：
；
其中，为轮距，/>为第一扫查轮运动路程对时间的导数，/>为第二扫查轮运动路程对时间的导数，/>为第一扫查轮前一位置坐标，/>为第二扫查轮前一位置坐标；
对运动路程方程中两式做差得到可分离变量的常微分方程；
可分离变量的常微分方程表示为：
；
其中，为/>和/>的函数，/>为时间/>的函数，测得当/>时第一扫查轮和第二扫查轮的初始位置坐标和角度，即可计算得到轮轴绕中心转动角度随时间的变化函数/>；
对运动路程方程中两式做和得到轮轴中心点移动的速率，根据第一扫查轮和第二扫查轮均为纯滚动情况下扫查装置方向与轮轴中心点移动的速率/>方向一致，得到扫查装置方向；
轮轴中心点移动的速率表示为：
；
；
；
；
根据第一扫查轮前一位置坐标、第二扫查轮前一位置坐标/>、超声探头/>前一位置坐标、第一扫查轮运动路径/>和第二扫查轮运动路径/>，得到第一扫查轮当前位置坐标/>、第二扫查轮当前位置坐标/>和超声探头当前位置坐标。
具体的，步骤S2中读取到的当前编码值与前一次读取到的编码值相比存在以下几种情况：两个都增大、两个都减小、一个增大一个不变、一个增大一个减小、一个减小一个不变和两个都不变，上述情况对应扫查装置不同的运动模型，包括直行前进及后退、左转前进及左转后退、右转前进及右转后退等；
记录的超声信号传播时间或信号幅值可以转化为厚度值，经归一化处理和灰度值映射后，二维图像中像素点的灰度值反映被测区域厚度值；
本实施例以超声探头作为定位对象，对厚度不均匀的测试试件进行了厚度测量成像实验，根据轮距d和第一扫查轮和第二扫查轮的中点位置坐标得到当前中点位置坐标/>，参考图2，其中，/>为不考虑轮轴绕中心转动时第一扫查轮位置坐标，/>为不考虑轮轴绕中心转动时第二扫查轮位置坐标，/>为不考虑轮轴绕中心转动时超声探头位置坐标；
参考图6，测试试件为120mm×120mm×20mm的钢板，测试试件的上半部分为三个平底圆孔，直径均为20mm，其中，第一孔13深度为5mm、第二孔14深度为2mm、第三孔15深度为1mm；测试试件的下半部分为形状不规则的阶梯状区域，多层阶梯结构从内向外深度分别为5mm、2mm和1mm；
参考图5，整合扫查装置采集的位置坐标和超声振动信号反映的厚度数据，根据厚度比公式和HSV颜色模型，厚度比公式表示为：，将厚度比映射为色度（Hue即H）值，按照所得的色度值、饱和度（ Saturation即S）和色明度（Value即V），S=1，V=1，输出绘制的二维图像，如需重绘图像则返回GUI程序（人机交互界面）重新选择所需的测试试件进行厚度测量成像实验；
参考图7，绘制的二维图像可以有效分辨测试试件厚度变化；
参考图8，不同厚度区域边界轮廓平均偏差（AVG）为-9.8%，第一孔13边界轮廓偏差为3.2%，第二孔14边界轮廓偏差为-6.4%，第三孔15边界轮廓偏差为-5.7%，多层阶梯结构从内向外边界轮廓偏差分别为-13.8%、-13.1%和-8.6%。
实施例2：参考图3和图4详细说明本实施例，一种扫查装置，用于执行实施例1所述的方法，包括超声探头1、探头架2、手持架3、编码器、扫查轮、轴轮8、磁铁9、轴承10、轴承座11和编码器支架12；
所述编码器包括第一编码器4和第二编码器5，编码器与编码器支架12连接，扫查轮包括第一扫查轮6和第二扫查轮7，扫查轮内设置有轴轮8，扫查轮通过磁铁9和轴承10与轴承座11连接；
所述手持架3前端与探头架2连接，手持架3后端底面与左右对称的轴承座11和前后对称的编码器支架12连接；
所述超声探头1与探头架2连接；
具体的，扫查装置中的超声探头1为圆形直探头，其频率为10MHz，晶片直径为6mm，激励电压为150V，增益为25dB。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (3)
1.一种结构厚度连续手动超声成像测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在设定的扫查装置运动平面建立直角坐标系并建立与被测量对象及测量部位对应的空图像；
S2.记录超声探头初始位置坐标，开始扫查运动，在每个设定的时间间隔内，读取编码器的编码值，经过一个时间间隔后，根据编码值计算并记录扫查轮运动路程；
具体的：扫查轮运动路程包括第一扫查轮运动路径和第二扫查轮运动路径/>，，/>，其中，A为编码值与扫查轮运动路程之间的转化系数，/>为第一编码器前一编码值，/>为第一编码器当前编码值，/>为第二编码器前一编码值，为第二编码器当前编码值；
S3.通过比较扫查轮运动路程判断扫查装置在一个时间间隔内的运动状态，计算第一扫查轮和第二扫查轮的运动方向，并根据第一扫查轮和第二扫查轮与超声探头的位置关系，计算出当前第一扫查轮、第二扫查轮和超声探头的位置坐标并进行记录；
S4.记录超声探头获取的超声振动信号，提取超声振动信号中的超声波传播时间或信号幅值记录在空图像的相应位置，并对记录的超声信号传播时间或信号幅值进行归一化处理和灰度值映射，使其形成图像中的像素点；
S5.按设定的时间间隔，重复步骤S2至S4，连续记录超声探头在直角坐标系中的位置坐标，并根据获取的超声信号传播时间或信号幅值，进行连续绘图；
S6.获得与材料结构厚度相对应的二维图像，根据二维图像中像素点的灰度值的变化，实现被测量区域厚度连续变化状况的直观显示，通过点击二维图像获取点击处的位置坐标和超声信号传播时间或信号幅值及其对应的厚度值。
2.根据权利要求1所述的一种结构厚度连续手动超声成像测量方法，其特征在于，所述S3中，若，则扫查装置静止，若/>，则扫查装置进行直线运动，若，则扫查装置进行曲线运动；
在扫查运动中的某一时刻，第一扫查轮和第二扫查轮的中点位置坐标为，轮轴绕中心转动角度为/>，得到轮轴中点运动速度矢量/>和轮轴绕中心旋转的角速度/>；
轮轴中点运动速度矢量表示为：
；
轮轴绕中心旋转的角速度表示为：
；
由编码器的编码值得到第一扫查轮的路程函数、第二扫查轮的路程函数/>、第一扫查轮的速度函数/>和第二扫查轮的速度函数/>，第一扫查轮和第二扫查轮的速度由轮轴中点运动速度矢量/>和扫查轮以角速度/>绕轮轴中心旋转的速度叠加得到，整合上述参数得到运动路程方程；
运动路程方程表示为：
；
其中，为轮距，/>为第一扫查轮运动路程对时间的导数，/>为第二扫查轮运动路程对时间的导数，/>为第一扫查轮前一位置坐标，/>为第二扫查轮前一位置坐标；
对运动路程方程中两式做差得到可分离变量的常微分方程；
可分离变量的常微分方程表示为：
；
其中，为/>和/>的函数，/>为时间/>的函数，测得当/>时第一扫查轮和第二扫查轮的初始位置坐标和角度，即可计算得到轮轴绕中心转动角度随时间的变化函数/>；
对运动路程方程中两式做和得到轮轴中心点移动的速率，根据第一扫查轮和第二扫查轮均为纯滚动情况下扫查装置方向与轮轴中心点移动的速率/>方向一致，得到扫查装置方向；
轮轴中心点移动的速率表示为：
；
；
；
；
根据第一扫查轮前一位置坐标、第二扫查轮前一位置坐标/>、超声探头前一位置坐标、第一扫查轮运动路径/>和第二扫查轮运动路径/>，得到第一扫查轮当前位置坐标/>、第二扫查轮当前位置坐标/>和超声探头当前位置坐标。
3.一种扫查装置，其特征在于，用于执行权利要求1-2中任意一项所述的方法，包括超声探头（1）、探头架（2）、手持架（3）、编码器、扫查轮、轴轮（8）、磁铁（9）、轴承（10）、轴承座（11）和编码器支架（12）；
所述编码器包括第一编码器（4）和第二编码器（5），编码器与编码器支架（12）连接，扫查轮包括第一扫查轮（6）和第二扫查轮（7），扫查轮内设置有轴轮（8），扫查轮通过磁铁（9）和轴承（10）与轴承座（11）连接；
所述手持架（3）前端与探头架（2）连接，手持架（3）后端底面与左右对称的轴承座（11）和前后对称的编码器支架（12）连接；
所述超声探头（1）与探头架（2）连接。
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