CN1469318A

CN1469318A - 三维超声成像无损探伤系统

Info

Publication number: CN1469318A
Application number: CNA021393249A
Authority: CN
Inventors: 许水霞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-20
Filing date: 2002-07-20
Publication date: 2004-01-21

Abstract

本发明涉及一种三维超声成像无损探伤系统，用于工业产品及设备零部件内部缺陷的检测，以便对其缺陷定位、定量、定性，并可与其他系统交换数据，寻找缺陷成因，改善质量。其结构是在计算机平台上安装超声系统、机电执行系统、A/D系统、信号处理系统、三维显示系统、自动控制系统和定时系统。运行时超声系统向工件发出超声脉冲，进行三维扫描，并接收其反射回波，通过A/D系统对反射回波经过调理、转换成数字信号后送入计算机，由信息处理系统建立缺陷的三维数据库，然后由运用三维图形显示软件显示三维超声图像。

Description

三维超声成像无损探伤系统

(一)技术领域

本发明涉及一种无损探伤领域中的超声成像检测技术，具体的说是对工业设备及产品零部件的内部缺陷进行检测、监控的一种三维超声成像无损探伤系统。

(二)背景技术

目前我国对工业设备及产品的零部件内部缺陷的检测仍然普遍使用手工操作(即一维超声系统)，根本谈不上与生产同步检测、监控，也有一些单位开发了探头平面、旋转扫描探伤技术或螺旋扫描技术，有单位运用相控阵技术进行平面扫描，但这些都仅仅是某一个侧面的扫描图像，与三维成像相距甚远，也没有实现完整的空间信息后处理，难以保证信息不遗漏，不丢失和正确评判，更不能与其它系统进行数据交换，及时找出零部件内部的缺陷成因；另一方面，医用的三维超声成像技术，如专利号99125811.8、专利号00800476.5及专利号01133331.6均与工业用无损探伤技术的检测目标，声学特征及技术要求相距甚远，无法移植。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种将现代计算机技术与超声波无损探伤技术融合在一起，实现三维超声成像，将其工业设备及产品零部件的内部缺陷及时准确地定位、定性、定量，也便于与其他系统互连、实现与其他系统交换数据，可读取工件的三维计算机模型，进行相关分析，找出缺陷成因，及时将探测结果输出到有限元等分析系统进行分析的一种三维超声成像无损探伤系统。本发明由三大部分组成，第一部分是计算机平台，主要包括主板、CPU、内存、硬盘；第二部分是连接于计算机总线并受其控制的各个硬件系统，包括超声系统、A/D系统、定时系统、机电执行系统；第三部分是第一部分及第二部分系统上运行的三维超声成像系统软件，包括信号处理系统、三维显示系统、自动控制系统，其中自动控制系统实施对超声系统、A/D系统、定时系统、机电执行系统的控制，并接受A/D系统的数据。系统的扫描方式：如采用普通探头扫描，机电执行系统带动单探头直接进行二维运动，实现三维扫描；如采用相控阵，运用二维相控阵扫描探头进行扫描可以实现探头前部锥形空间的探头三维无运动扫描，相控阵可以运用单环形、多环形也可以运用面型阵列，还可以运用一维相控阵探头加一维机械运动获得二维扫描。对于复杂或大型零件还可采用运用受计算机控制的复杂机械走行系统(机器人)系统带动相控阵探头，在相控阵完成其前步扫描之后移动相控阵探头，实现待扫描空间的完整覆盖。系统运行过程都以三维成像为目标。扫描探测无论用普通探头还是相控阵探头都是探测逐步扫描覆盖完整空间，获取待探测空间的完整三维数据。信息处理系统对探测数据进行定位，判断出缺陷位置，结合工件的三维计算机模型(CAD)进行几何校正、缺陷空间分布测量、统计、进行空间的相关分布数据的融合、缺陷性质判别、缺陷边界确定，建立缺陷的三维数据库。显示系统将此数据库以三维方式显示出来。

当自动控制系统接到运行指令以后，首先启动超声系统向工件发出超声波，并与机电执行系统配合进行三维扫描，接收其反射回波；再通过A/D系统对反射回波经过调整、放大，然后将模拟信号转换成数字信号后送入计算机，由信息处理系统按照超声成像的规律，建立缺陷的三维数据库，然后由运用三维图形显示软件显示出缺陷的三维超声图像。软件可读取工件计算机辅助设计(CAD)的三维计算机模型，可将探测结果按照CAD文件格式输出，系统留有相关分析接口，供需要时进行相关分析之用。本发明不但对工业设备及产品零部件进行的探测切实全面，而且保留了一切有用信息，将缺陷位置、大小、数量、属性及时直观地显示、存储，并能与其他系统进行数据交换，从而使探测结果客观、全面、准确、及时，避免主观性、片面性，特别适合于一些需大规模、高质量生产的质量控制单位使用。

(四)附图说明

图1三维超声成像无损伤探伤系统图；

图2A/D系统框图；

图3自动控制系统信号流程图；

图4信息处理流程图；

图5相控阵探头收发原理图；

图6三维显示软件流程图；

图7相控阵探头控制原理图；

图8普通探头收发原理图；

图9三维相控阵扫描示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

本发明由三大部分组成。

第一部分是计算机平台(11)，即通用计算机平台，包括为各种信息传输提供通道的总线(6)。通用微型计算机所采用的CPU的运算能力应当尽可能大(每个通道需要奔腾III 1GMHz或相当的运算能力)，以适应增加通道数的要求；所采用的主板应采用标准32位或64位PCI总线，PCI的频率可选用不低于33MHz(如33MHz、66MHz或100MHz甚至更高)，以适应多通道高数据传输速率要求，其上的PCI槽数应当不少于4条，以适应多通道数的要求，主板应支持磁盘阵列RAID；其内存应不小于256M、速度不低于PC800；显示卡要支持Open GL；为保证数据的可靠性，硬盘数量不小于两块，按照RAID(磁盘阵列)方式1或0+1连接于主板。为适应工业现场的要求，通用微型计算机硬件平台的可靠性-平均无故障工作时间应不低于5×10⁴小时，为达到这一指标，除了其本身应当具有大于平均无故障工作时间应5×10⁴小时以外，还要进行电源隔离即采用多重隔离的UPS提供电源，电磁隔离即进行静电屏蔽和电磁屏蔽，环境隔离即提供空调恒温环境并不与外界交换空气。微型计算机软平台的操作系统可选用WIN2000、VxWorks、Linux等之一，要求具有实时性或抢先式的多任务能力。

第二部分为与总线相连的各个硬件系统，包括：超声系统(2)、A/D系统(3)、定时系统(4)、机电执行系统(5)。除定时系统(4)外，其共同的特征是其运行上都接受自动控制系统的控制；结构上除机电执行系统的步进电机及相关机械部分外，包括步进电机的驱动电路全都做成连接于总线的插卡或模块。

超声系统(2)是产生、发射超声波和接收其反射回波的主系统。A/D系统(3)主要是将模拟信号经过信号调理放大变换成数字信号，并将转换后的数据传送给信息处理系统，其中在程控放大部分还要进行DAC补偿(距离-幅值补偿)，保证相同的缺陷在不同深度具有相同的反射波高或幅值。定时系统(4)提供各系统高精度可编程定时，控制整个系统运行时间，向超声系统(2)提供所需深度对应时间的定时和一定深度间距的位置定时，向A/D系统提供超声采集完毕进行DMA(直接存储器读写)的定时指令，向机电执行系统(5)提供到位保护定时、越界保护定时(防止步进电机驱动电路受到干扰，偏离预定位置造成误差太大)。可采用硬件定时，其电路原理是采用石英晶体的高频振荡电路运用多个计数器对其进行计数，到达设定数量立即发出信号，实现定时。各种定时数据的设定数值由软件写入相应的计数器。也可采用高分辩率的软件定时，此时采用对计算机平台的系统钟频进行计数定时，由于系统钟频很高，因而也可以获得较高的定时精度。机电执行系统(5)是配合超声系统运行，由步进电机带动探头及工件按照指定的探测路线进行探测的系统。它分别驱动步进电机各轴，带动超声系统(2)的探头沿着自动控制系统指定的探测轨迹，逐点进行探测，探测完毕，带动探头再前移一步继续探测。对于需要直接到达的区域，步进电机连续运动，直到到达由步进数决定的位置，相应定时信号为保护性信号，避免干扰造成较大误差。对于简单要求的探伤系统，机电执行系统(5)是由步进电机驱动相应的机构实现一维或二维直线运动或转动，对于复杂曲面系统，机电执行系统(5)的步进电机实现探头各种扫描的三坐标到五坐标运动，保证探头垂直于被探测面，有些工件(1)的探测可以对机电执行系统(5)进行简化，利用探头两侧接触工件(1)或其他方法保证探头前端面平行于被探测点，相应地探头垂直于该点表面，不一定需要三坐标到五坐标的探测。

第三部分是三维超声成像系统软件，包括信号处理系统(7)、三维显示系统(8)、自动控制系统(9)。三维超声成像系统软件(10)的基本功能包括可读取工件(1)计算机辅助设计(CAD)的三维计算机模型，都可将探测结果按照CAD文件格式输出，并留有相关分析接口，供需要时进行相关分析之用。

1.自动控制系统(9)，是控制整个系统运行的，包括对超声系统(2)、A/D系统(3)、定时系统(4)、机电执行系统(5)进行控制，并接受A/D系统(3)的数据。自动控制系统(9)接到调用指令后“开始”，然后“初始化超声系统”，主要确定、指定超声系统(2)的相关参数；

“读取被检测区域信息”(即在CAD系统提供工件的三维计算机模型上指定的探测区域上读取信息，对于没有工件的计算机模型设定其他参数，按无模型将此步跳过)、“确定探测路径”(首先按照工件被探测区域和结构特点，结合机电执行系统(5)结合所能提供的扫描方式，将被探测区域按照探头的扫描宽度逐行或逐圈分解成可以连续进行扫描的空间曲线，以便进行扫描，并保证每步不小于各个探测位置的10％重叠的步进方式进行运动分配和电机驱动)、探测“深度”(探测目标区域的深度，由检验目的确定)和探测“波形”(横波、纵波等)；“确定探头当前位置”(读取机电执行系统(5)的位置)或“开始(探测)位置”，如果探头未到开始探测位置，发出指令机电执行系统(5)带动探头到开始探测位置；控制超声系统(2)向“相控阵探头向指定方向”的探测区域发出超声脉冲，如果需要聚焦则指定深度的“位置”发出超声脉冲，对于普通纵波或横波探头，则直接发出超声脉冲。“相控阵”探头的接收过程可以进行“动态聚焦”，通过实时控制延时量实现动态聚焦；然后将接收到的信息传送给“A/D系统”(3)转变成探测数据(数字信号)后，将探测数据通过总线以DMA(直接存储器读写)方式传送到“信息处理”系统(7)(软件)进行处理，如果信息处理系统发现探测数据无效(各种数据异常，无法处理)或不适于分析做出标记，由自动控制系统(9)判断“探测数据有效”标记，如果为无效，自动控制系统软(9)件则调整A/D系统(3)的信号调理系统参数后重新通知超声系统(2)重新发出超声信号重新探测；如果“探测数据有效”判断为有效，自动控制软件进行“相控阵扫描波束二维”或三维“完毕”判断，如没有到达相控阵扫描终点，则通知超声系统(2)，超声系统(2)相控阵探测方向前移，直到相控阵二维或三维扫描完毕；然后进行“探头二维扫描完毕”或三维判断，如果没有到达探测路径的终点-“完毕”，则通知机电执行系统(5)前进一步，然后再由超声系统(2)进行下一次探伤，直到到达终点，探测“完毕”。

2.信号处理系统(7)：在自动控制系统(9)调用后“读取DMA传送的数据”，判断“数据有效”或是否适于分析，如果数据无效或不适于分析，则做出标记，通知自动控制系统(9)进行处理；对探测“数据”按照不同的深度、幅度进行“分类”，进行“缺陷定位”(反射波出现的时间代表缺陷在探测方向上的距离或位置)，对于信号混杂于背景噪音的微弱信号进行随机信号处理技术中的“弱信号相关分析”，判断出缺陷位置，然后读取探头的坐标位置，对于相控阵探头还要读取其“声束位置”，包括发射探测角度和聚焦点坐标、接收时的“方向”和聚焦状态；结合工件(1)的三维计算机模型(“CAD模型”)进行“几何校正”(传播方向上的折射、确定几何尺寸的反射时间变化表征材料性质、状态的变化，供缺陷判别用)、“缺陷空间分布测量、统计”、多通道同一范围不同方位的探伤进行空间的相关分布的“数据融合”、缺陷性质判别、缺陷边界确定(CAD三维模型也可没有，此时不予校正)；送“缺陷三维数据库”。

3.三维显示软件主要是监视缺陷三维数据库，在获取数据后按照Open GL编程方法，进行“Open GL初始化”[设置窗口和观察点(视点)]、“设定光源材质”、分别“读取CAD模型”和“缺陷三维数据库”，按照坐标显示在显示器上。对于没有CAD模型工件，直接显示缺陷探测结果。在此基础上做到，同屏多视角显示、受鼠标拖动显示、鼠标点击放大等效果，并可用鼠标指定区域进行探测。

本发明的实施主要是根据工件(1)及其生产方式的不同、探头的扫描方式的不同，分为以下三种：

(1).一般没有生产节奏要求的工件(1)和维修性检测，可采用普通探头进行扫描，由机电执行系统(5)带动单探头直接进行二维或多维运动，实现三维扫描，获取三维数据，扫描运动方向可以直线运动，也可以旋转运动。也可以采用多探头同时探测的方案提高效率。对于空间曲面的内部探伤，还可以进行三维甚至更高维的运动进行探伤。这个办法成本低，但效率也低。

(2).对于零件不大、有生产节奏要求的零件，可采用相控阵扫描，运用二维相控阵扫描探头进行扫描可以实现探头前部锥形空间的探头无运动扫描，相控阵可以运用单环形相控阵、多环形也可以运用面型相控阵。运用一维相控阵探头(线性相控阵)加一维机械运动获得二维扫描。相控阵的设计依据是根据惠更斯原理，通过综合控制发射/接收阵列每一个发射-接收单元的相位，达到改变空间指向或空间聚焦位置的目的，从而实现对空间的扫描。相控阵探头使用将换能晶片按照一定规律划分为独立小晶片，每个小晶片(或收发晶片组)与一个发射-接收器相连形成收发晶片阵列(14)，也可以分别建立收发阵列，即发射和接收晶体可以公用同一晶体，也可以分别使用不同的晶体。每个晶片单元接收电路串联受控制的延时器件形成延时阵列。超声系统(2)应用相控阵的控制原理，按照探测要求，对每一个发射晶体的发射电压、阻尼、发射时刻(相位)进行控制，对每一个接收晶片电路的延时、增益进行控制。通过对发射脉冲的发射时刻和接收回波的时间控制，改变超声波束的发/收的方向、位置，即可实时改变接受的焦点位置，实现超声波束的三维快速移动扫查与动态聚焦，从而获得三维超声信息。超声发生通过计算机平台(11)的总线(6)接受自动控制系统(9)指令，通过改变触发控制总线(13)触发阵列的触发时间改变超声发射相位，探头发出希望方向或聚焦于探测目标区域的超声脉冲；超声接受将各个晶片接收到的信号按照延时控制总线(12)对可变延时阵列(15)的每一个单元的可变延时器件的延时量，然后经过合成电路对各自信号进行混合叠加(电路上用放大系数为一的放大电路隔离放大器对前级的影响，然后直接进行叠加)，进行前置放大(可编程，受系统控制)，然后输出模拟信号送A/D转换系统，进行信号调理、A/D变换。定时系统对触发控制进行开关操作，也对前置放大进行开关控制实现门操作。

(3).针对复杂或大型零件采用机器人加相控阵，运用受计算机控制的机械走行系统(机器人)系统带动相控阵探头，在相控阵完成其前部扫描之后移动相控阵探头，实现待扫描空间的完整覆盖。

Claims

1.一种三维超声成像无损探伤系统，其特征在于：由三大部分组成，第一部分是计算机平台(11)，主要包括主板、CPU、内存、硬盘；第二部分是连接于计算机总线并受其控制的各个硬件系统，包括超声系统(2)、A/D系统(3)、定时系统(4)或用软件定时、机电执行系统(5)；第三部分是第一部分及第二部分系统上的三维超声成像系统软件，包括信号处理系统(7)、三维显示系统(8)、自动控制系统(9)，其中自动控制系统(9)实施对超声系统(2)、A/D系统(3)、定时系统(4)、机电执行系统(5)的控制，并接受A/D系统(3)的数据。

2.根据权利要求1所述的三维超声成像无损探伤系统，其特征在于：三维成像系统中的扫描方式根据需要可采用普通探头扫描或者可采用相控阵扫描。

3.根据权利要求1或2所述的三维超声成像无损探伤系统，其特征在于整个运行过程都以三维成像为目标，扫描探测无论采用普通探头扫描还是相控阵扫描都是探测逐步扫描覆盖完整空间，获取待探测空间的完整三维数据，信息处理系统对探测数据进行定位，判断出缺陷位置，结合工件(1)的三维计算机模型进行几何校正，缺陷空间分布测量系统，进行空间的相关分布数据的融合，缺陷性质判断，缺陷边界确定，建立缺陷的三维数据库；显示系统将此数据以三维方式显示出来。