CN103926320A - 一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法。本发明方法的实现主要包括非线性超声单元、非线性超声检测信号获取、非线性超声成像。非线性超声单元由超声自动扫描检测设备、发射换能器、接收换能器、超声单元、前置处理器等组成。通过发射换能器与接收换能器获取非线性超声检测信号。非线性超声成像包括成像位置数据构建和成像显示分为，确定自动扫描方式、零件装卡、参数设置、扫描成像等主要步骤。可选用1-6个坐标自由度的超声自动扫描检测设备，实现不同形状、尺寸和结构、零件高灵敏度高分辨率的非线性超声自动扫描成像检测，显著地提高了紧贴性缺陷和微细缺陷的检出能力和可靠性。

Description

一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法。

背景技术

随着复合材料及扩散焊等在航空航天、交通等核心工业领域的推广应用，需要对装机应用的复合材料及扩散焊连接界面进行无损检测，确保装机结构的质量和服役安全。由于复合材料及扩散焊中连接界面缺陷具有紧贴、细微特点，要求采用所有的检测方法具有足够高的检测灵敏度和检测分辨率，面向工程级的复合材料及扩散焊焊接结构制造过程中的实际零件的无损检测，主要是采用的超声方法：（1）利用超声手动扫描由检测人员根据超声检测仪器显示的A-显示信号进行缺陷判别；（2）利用超声自动扫描，通过超声扫描成像方法实现复合材料及扩散焊焊接结构连接界面缺陷的无损检测。突出的不足是：（1）这两种方法目前主要基于常规的线性超声检测原理，对连接界面紧贴性缺陷和微细缺陷不灵敏，分辨率差，尽管提高超声检测的频率，可以在一定程度上实现超声方法对连接界面紧贴性缺陷和微细缺陷检测灵敏和分辨率的提升，但检测频率的提高，声波的衰减剧烈，检测厚度受到限制，检测信号对高频超声换能器的耦合与姿态的异常敏感，直接影响检测的可靠性；（2）有些紧贴、微细连接缺陷对线性超声波在缺陷周围引起的大的振幅不敏感，容易引起漏检；（3）检测频率的提高会导致检测成本的急剧增加，甚至导致难以实现实际零件的超声检测。

发明内容

本发明的目的是针对复合材料及扩散焊焊接结构，提出一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法，实现复合材料及扩散焊焊接结构的非线性超声成像检测，改进超声检测的灵敏度和分辨率，提高对连接界面中的微细紧贴缺陷的检出能力和检测的可靠性。本发明的技术解决方案是，1）非线性超声单元

非线性超声单元包括超声自动扫描检测设备、发射换能器，接收换能器，超声单元，前置处理器，

发射换能器和接收换能器采用超声喷水式脉冲换能器，两个换能器分别安装在超声自动扫描检测设备中的扫描机构中的两换能器安装座上，发射换能器和接收换能器在超声自动扫描检测设备中的扫描机构控制下，实现对被检测零件的非线性超声自动扫描，发射换能器和接收换能器的频率根据被检测零件的材料声学特性、检测灵敏度要求进行选择，发射换能器与接收换能器的频率配对使用，发射换能器通过高频屏蔽线缆与超声单元的信号输出端连接，接收换能器通过高频屏蔽线缆与前置处理器的信号输入端连接；

超声单元提供宽带窄脉冲激励信号，激励发射换能器产生超声脉冲信号，通过耦合介质传播到被检测零件中，超声单元的激励信号带宽100MHz，幅值至少覆盖200V～400V，超声单元安装在超声自动扫描检测设备上；

前置处理器通过高频信号电缆与超声自动扫描检测设备中的信号处理单元进行信号连接，前置处理器为宽带窄脉冲放大电路，前置增益10dB～30dB，信号带宽100MHz；

2）非线性超声检测信号获取，

通过发射换能器与接收换能器获取非线性超声检测信号：

以发射换能器在被检测零件中形成的入射超声脉冲信号沿被检测零件厚度方向传播，则发射换能器在被检测零件中形成的超声脉冲信号，

接收换能器，获取来自被检测零件中所形成的超声脉冲信号，

然后通过前置处理器利用超声自动扫描检测设备中的信号处理单元，进行数字化处理，将接收换能器所提取的谐波信号转换为数字信号，送到超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机内存，用于后续的非线性超声成像；

3）非线性超声成像，

①成像位置数据构建

超声自动扫描检测设备控制发射换能器和接收换能器对被检测零件进行自动扫描，超声自动扫描检测设备中的信号处理单元的数字化处理后的谐波信号，按照扫描检测点位置矩阵序列方式，存储在超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机内存中，检测点位置矩阵中由R个扫描行、每行C个检测点构成R×C的检测点位置矩阵P，以此为序，存储谐波信号数据，形成成像位置数据矩阵Q，从而建立位置矩阵P与成像位置数据矩阵Q之间的一一对应关系，进行非线性超声自动扫描成像数据的管理；

②成像显示

根据构建的成像位置数据矩阵Q，按照选定的颜色/灰度码的调制方式，利用超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机，通过扫描成像将成像位置数据矩阵Q，转换为超声自动扫描检测设备中的成像显示单元可接受的显示颜色/灰度，从而实现对被检测零件的非线性超声成像；

自动扫描的非线性超声成像检测的步骤是，

①确定自动扫描方式

根据被检测零件的材料、结构和检测要求，选择超声自动扫描检测设备，确定发射换能器与接收换能器的安装位置和摆角，

②零件装卡

将被检测零件安装在所选择超声自动扫描检测设备的检测工位，检查无误后，接通电源，开启检测设备，并进入非线性超声自动扫描成像检测窗口，

③参数设置

控制程序加载与自检；设置扫描速度、步进、扫描范围扫描参数；设置采样频率，信号闸门检测参数及谐波系数，

④扫描成像

a）判断是否开始自动扫描，如果不进入自动扫描，则等待扫描，否则执行下一步；

b）开始行扫描；

c）获取当前行扫描中检测位置点j的位置信号和谐波信号；

d）谐波信号转化为成像数据；

e）成像数据缓存；

f）判断当前行是否结束，如未结束，重复执行步骤c）到e）；如果已结束，当前行成像数据保存到成像位置数据矩阵Q中对应的行位置，并显示当前扫描行图像；

g）判断零件扫描是否完成，如未完成，扫描步进后，重复步骤b）到f）；如果已完成零件扫描，结束扫描，进入图像分析。

所述的发射换能器与接收换能器的频率配对选择方法是，f₂＝nf₁，其中，f₁为发射换能器的频率，n为谐波系数，为一整数值，n在{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}之间选择，f₂为接收换能器的频率。

所述的发射换能器和接收换能器分别安装在超声自动扫描检测设备中的扫描机构的两侧换能器安装座上，或安装在超声自动扫描检测设备中的扫描机构中的同侧换能器安装座上，发射换能器和接收换能器的偏转摆角调整范围+90°～-90°，实现超声信号的发射和接收关系。

所述的超声自动扫描检测设备根据被检测零件的几何形状和尺寸特点，选用1-6个坐标自由度的超声自动扫描检测设备，实现不同形状、尺寸和结构、零件的非线性超声自动扫描。

本发明具有的优点和有益效果，

1.针对复合材料及扩散焊工程结构，本发明提出了一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法，显著地提高了超声检测对复合材料及扩散焊连接界面紧贴性缺陷和微细缺陷的检测灵敏度和分辨率，即保证了超声检测的有足够的穿透厚度，有可以实现超声方法对连接界面紧贴性缺陷和微细缺陷检测灵敏和分辨率的提升，克服了高频声波对检测厚度的受限，避免了检测信号对高频超声换能器的耦合与姿态的异常敏感造成的检测误判；

2.利用本发明提出的基于自动扫描的非线性超声成像检测方法，克服了复合材料及扩散焊工程结构连接界面紧贴、微细连接缺陷对线性超声波在缺陷周围引起的大的振幅不敏感容易引起漏检的问题，从而明显提高了紧贴、微细缺陷的检出能力和可靠性；

3.利用本发明提出的基于自动扫描的非线性超声成像检测方法，可以通过低成本方法实现实际零件的高灵敏度高分辨率的超声成像检测。

附图说明

图1是本发明用于非线性超声自动扫描成像检测方法的非线性超声单元组成框图；

图2是本发明基于接收换能器2的非线性超声检测信号获取方法示意图；

图3是本发明基于传递函数的非线性超声检测信号获取方法示意图；

图4是本发明基于自动扫描的非线性超声成像步骤。

具体实施方式

本发明方法由非线性超声单元、非线性超声检测信号获取方法、非线性超声成像、自动扫描的非线性超声成像检测步骤四个部分构成。

1）非线性超声单元

用于自动扫描的非线性超声成像检测方法的非线性超声单元包括超声自动扫描检测设备、发射换能器1，接收换能器2，超声单元3，前置处理器4，如图1所示；

发射换能器1和接收换能器2，设计采用喷水式脉冲换能器，分别安装在超声自动扫描检测设备中的扫描机构9中的两换能器安装座上，发射换能器1和接收换能器2在超声自动扫描检测设备中的扫描机构9控制下，实现对被检测零件的非线性超声自动扫描，发射换能器1和接收换能器2的频率根据被检测零件的材料声学特性、检测灵敏度要求等进行选择，可以利用压电材料进行专门的设计，也可以选择能够与扫描机构9中的换能器安装座相匹配的市售换能器，推荐优先选用中航复合材料有限责任公司生产的FJ系列宽带窄脉冲换能器，构成发射换能器1和接收换能器2，发射换能器1与接收换能器2要求配对使用，发射换能器1通过高频屏蔽线缆与超声单元3的信号输出端连接，接收换能器2通过高频屏蔽线缆与前置处理器4的信号输入端连接；

超声单元3，设计采用高压脉冲电路，形成宽带窄脉冲激励信号，激励发射换能器1产生超声脉冲信号，通过水等液体耦合介质传播到被检测零件中，超声单元3的激励信号带宽100MHz，超声单元3输出宽带窄脉冲激励信号的幅值至少覆盖200V～400V，也可以根据此要求，进行市场选购，推荐选用中航复合材料有限责任公司生产的UPower系列超声信号源构成超声单元3，超声单元3安装在超声自动扫描检测设备中离发射换能器1最近的位置；

前置处理器4通过高频信号电缆与超声自动扫描检测设备中的信号处理单元5进行信号连接，前置处理器4设计采用宽带窄脉冲放大电路构成，前置增益10dB～30dB，信号带宽100MHz，也可以根据此要求，进行市场选购，推荐选用中航复合材料有限责任公司生产的FD系列专用脉冲超声信号前置处理器构成前置处理器4；

2）非线性超声检测信号获取方法，

①通过发射换能器1与接收换能器2的匹配和组合获取非线性超声检测信号：

以发射换能器1在被检测零件中形成的入射超声脉冲信号沿被检测零件厚度方向传播为例，则发射换能器1在被检测零件中形成的超声脉冲信号可表示为：

$u(x,t)=A_1{u}_1^{<1f_1>}(x,t)+A_2{u}_2^{<{2f}_1>}(x,t)+...+A_n{u}_n^{<{\mathrm{nf}}_1>}(x,t)---\left(1\right)$

这里，u(x,t)为发射换能器1在被检测零件中形成的超声脉冲信号，他由基波信号和谐波信号组成，其中，

为入射超声脉冲信号中的基波信号，中的上角标<1f₁>中的1代表1次谐波，即基波，上角标<1f₁>中的<f₁>代表基波信号的频率，中的下角标1代表基波信号的意思，A₁代表基波信号的幅值，以下同理，

为入射超声脉冲信号中的二次谐波信号，

为入射超声脉冲信号中的n次谐波信号，

x为入射声波传播方向，如被检测零件厚度方向，

t为传播时间，

通过选择与式1中对应基波信号频率相同的接收换能器2，即可获取来自被检测零件中所形成的超声脉冲信号u(x,t)中相应的基波信号，如图2所示，例如，

选择n＝1时，通过频率为1f₁的接收换能器2获取u(x,t)中的基波信号

选择n=2时，通过频率为2f₁的接收换能器2获取u(x,t)中的二次谐波信号

n在{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}之间选择，通过不同的n值对应频率为nf₁的接收换能器2即可获取u(x,t)中的n次谐波信号

根据选择的谐波信号，利用对应的接收换能器2提取的谐波信号，然后利用超声自动扫描检测设备中的信号处理单元5，进行数字化处理，将接收换能器2所提取的谐波信号转换为数字信号，送超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机6内存，用于后续的非线性超声成像。

②通过构建信号传递函数获取非线性超声检测信号，

根据所选择的发射换能器1的频率，超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机6，通过软件编程方法构建对应不同谐波系数n的信号传递H_n(nf₁)，这里n在{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}之间选择，每个信号传递函数对应一个给定的频率的谐波信号，通过信号传递函数分别从超声脉冲信号u(x,t)中提取相应的谐波信号，如图3所示，例如，

当选择n=1时，通过频率为1f₁的信号传递函数H₁(1f₁)获取u(x,t)中的基波信号

当选择n=2时，通过频率为2f₁的信号传递函数H₂(2f₁)获取u(x,t)中的二次谐波信号

n在{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}之间选择，通过频率为nf₁的信号传递函数H_n(nf₁)获取u(x,t)中的n次谐波信号

接收换能器2接收到的超声脉冲信号u(x,t)，通过利用超声自动扫描检测设备中的信号处理单元5，进行数字化处理后，送超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机6内存，再由在控制与成像计算机6中建立的信号传递函数提取所选择的谐波信号，用于非线性超声成像。

3）非线性超声成像

①成像位置数据构建

首先对超声自动扫描检测设备在对被检测零件10进行自动扫描过程中，来自超声自动扫描检测设备中的信号处理单元5的数字化后的谐波信号，按照扫描检测点位置矩阵序列方式，存储在超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机6内存中，当被检测零件较大或者谐波信号数据量较大时，可以在控制与成像计算机6的硬盘中建立虚拟内存，存储自动扫描过程中形成的谐波信号数据，检测点位置矩阵中由R个扫描行、每行C个检测点构成R×C的检测点位置矩阵P，以此为序，存储谐波信号数据，形成成像位置数据矩阵Q，从而检测点建立位置矩阵P与成像位置数据矩阵Q之间的一一对应，进行非线性超声自动扫描成像数据的管理。

②成像显示

成像显示就是根据构建的成像位置数据矩阵Q，按照选定的颜色/灰度码的调制方式，利用超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机6，通过软件编程将对应每个检测点位置的谐波信号数据，即成像位置数据矩阵Q，转换为超声自动扫描检测设备中的成像显示单元7可接受的显示颜色/灰度，从而实现对被检测零件10的非线性超声成像。

4）自动扫描的非线性超声成像检测的步骤

①确定自动扫描方式

根据被检测零件的材料、结构和检测要求等，选择超声自动扫描检测设备，确定发射换能器1与接收换能器2的安装位置和摆角。

②零件装卡

将被检测零件10安装在所选择超声自动扫描检测设备的检测工位，检查无误后，接通电源，开启检测设备，并进入非线性超声自动扫描成像检测窗口。

③参数设置

控制程序加载与自检；设置扫描速度、步进、扫描范围等扫描参数；设置采样频率，闸门等检测参数；选择谐波系数和谐波信号获取方式等。

④扫描成像检测

a）判断是否开始自动扫描，如果不进入自动扫描，则等待扫描，否则实行下一步；

b）开始行扫描；

c）获取当前行扫描中检测位置点j的位置信号和谐波信号

d）谐波信号转化为成像数据；

e）成像数据缓存；

f）判断当前行是否结束，如未结束，重复执行步骤c）到e）；如果已结束，当前行成像数据保存到成像位置数据矩阵Q中对应行位置，并显示当前扫描行图像；

g）判断零件扫描是否完成，如未完成，扫描步进后，重复步骤b）到f）；如果已完成零件扫描，结束扫描，进入图像分析。参见图4所示。

发射换能器1与接收换能器2配对使用，发射换能器1与接收换能器2的选择方法是，f₂＝nf₁，这里，f₁为发射换能器1的频率，n为谐波系数，为一整数值，一般n可在{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}之间选择，f₂为接收换能器2的频率。

发射换能器1和接收换能器2可以在安装超声自动扫描检测设备中的扫描机构9中的两侧换能器安装座上，也可以安装超声自动扫描检测设备中的扫描机构9中的同侧换能器安装座上，发射换能器1和接收换能器2的偏转摆角可调范围+90°～-90°，实现超声信号的发射和接收关系，以实现不同零件反射模式或穿透模式非线性超声成像检测。

根据被检测零件的几何形状和尺寸等特点，选用1-6个坐标自由度的超声自动扫描检测设备，实现不同形状、尺寸和结构、零件的非线性超声自动扫描，推荐使用中航复合材料有限责任公司生产的MUI和CUS系列超声自动扫描检测设备。

Claims (4)

1.一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法，其特征是，

1）非线性超声单元

非线性超声单元包括超声自动扫描检测设备、发射换能器（1）、接收换能器（2）、超声单元（3）、前置处理器（4），

发射换能器（1）和接收换能器（2）采用超声喷水式脉冲换能器，两个换能器分别安装在超声自动扫描检测设备中的扫描机构（9）中的两换能器安装座上，发射换能器（1）和接收换能器(2)在超声自动扫描检测设备中的扫描机构(9)控制下，实现对被检测零件的非线性超声自动扫描，发射换能器（1）和接收换能器（2）的频率根据被检测零件的材料声学特性、检测灵敏度要求进行选择，发射换能器（1）与接收换能器（2）的频率配对使用，发射换能器（1）通过高频屏蔽线缆与超声单元（3）的信号输出端连接，接收换能器（2）通过高频屏蔽线缆与前置处理器（4）的信号输入端连接；

超声单元（3）提供宽带窄脉冲激励信号，激励发射换能器（1）产生超声脉冲信号，通过耦合介质传播到被检测零件中，超声单元（3）的激励信号带宽100MHz，幅值至少覆盖200V～400V，超声单元（3）安装在超声自动扫描检测设备上；

前置处理器（4）通过高频信号电缆与超声自动扫描检测设备中的信号处理单元（5）进行信号连接，前置处理器（4）为宽带窄脉冲放大电路，前置增益10dB～30dB，信号带宽100MHz；

2）非线性超声检测信号获取

通过发射换能器（1）与接收换能器（2）获取非线性超声检测信号：

以发射换能器（1）在被检测零件中形成的入射超声脉冲信号沿被检测零件厚度方向传播，则发射换能器（1）在被检测零件中形成的超声脉冲信号，

接收换能器（2），获取来自被检测零件中所形成的超声脉冲信号，

然后通过前置处理器（4）利用超声自动扫描检测设备中的信号处理单元（5），进行数字化处理，将接收换能器（2）所提取的谐波信号转换为数字信号，送到超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机（6）内存，用于后续的非线性超声成像；

3）非线性超声成像

①成像位置数据构建

超声自动扫描检测设备控制发射换能器（1）和接收换能器（2）对被检测零件（10）进行自动扫描，超声自动扫描检测设备中的信号处理单元（5）的数字化处理后的谐波信号，按照扫描检测点位置矩阵序列方式，存储在超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机（6）内存中，检测点位置矩阵中由R个扫描行、每行C个检测点构成R×C的检测点位置矩阵P，以此为序，存储谐波信号数据，形成成像位置数据矩阵Q，从而建立位置矩阵P与成像位置数据矩阵Q之间的一一对应关系，进行非线性超声自动扫描成像数据的管理；

②成像显示

根据构建的成像位置数据矩阵Q，按照选定的颜色/灰度码的调制方式，利用超声自动扫描检测设备中的控制与成像计算机（6），通过扫描成像将成像位置数据矩阵Q，转换为超声自动扫描检测设备中的成像显示单元（7）可接受的显示颜色/灰度，从而实现对被检测零件（10）的非线性超声成像；

自动扫描的非线性超声成像检测的步骤是，

①确定自动扫描方式

根据被检测零件的材料、结构和检测要求，选择超声自动扫描检测设备，确定发射换能器（1）与接收换能器（2）的安装位置和摆角，

②零件装卡

将被检测零件（10）安装在所选择超声自动扫描检测设备的检测工位，检查无误后，接通电源，开启检测设备，并进入非线性超声自动扫描成像检测窗口，

③参数设置

控制程序加载与自检；设置扫描速度、步进、扫描范围扫描参数；设置采样频率，信号闸门检测参数及谐波系数，

④扫描成像

a）判断是否开始自动扫描，如果不进入自动扫描，则等待扫描，否则执行下一步；

b）开始行扫描；

c）获取当前行扫描中检测位置点j的位置信号和谐波信号；

d）谐波信号转化为成像数据；

e）成像数据缓存；

f）判断当前行是否结束，如未结束，重复执行步骤c）到e）；如果已结束，当前行成像数据保存到成像位置数据矩阵Q中对应的行位置，并显示当前扫描行图像；

g）判断零件扫描是否完成，如未完成，扫描步进后，重复步骤b）到f）；如果已完成零件扫描，结束扫描，进入图像分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法，其特征是，所述的发射换能器（1）与接收换能器（2）的频率配对选择方法是，f₂＝nf₁，其中，f₁为发射换能器（1）的频率，n为谐波系数，为一整数值，n在{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}之间选择，f₂为接收换能器（2）的频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法，其特征是，所述的发射换能器（1）和接收换能器（2）分别安装在超声自动扫描检测设备中的扫描机构（9）的两侧换能器安装座上，或安装在超声自动扫描检测设备中的扫描机构（9）中的同侧换能器安装座上，发射换能器（1）和接收换能器（2）的偏转摆角调整范围+90°～-90°，实现超声信号的发射和接收关系。

4.根据权利要求1所述的一种基于自动扫描的非线性超声成像检测方法，其特征是，所述的超声自动扫描检测设备根据被检测零件的几何形状和尺寸特点，选用1-6个坐标自由度的超声自动扫描检测设备，实现不同形状、尺寸和结构、零件的非线性超声自动扫描。