CN107255673A - 基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法 - Google Patents
基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，首先使用超声相控阵仪器，借助柔性探头，采用区域划分的方法检测叶身内部的缺陷，对于每个分区，设置不同的扫查参数，获取检测图像；然后以二维定位结果为基础，由超声相控阵仪器得到质心深度方向坐标，进而得到缺陷区域的深度信息，完成缺陷三维体积的测量，实现对于具有复杂型面零件内部缺陷的检测，提高了检测效率，完成了缺陷的定位和定量的计算，解决了叶片内部缺陷的三维测量问题。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，特别涉及一种高温叶片内部缺陷三维无损检测方法。
背景技术
目前，应用于叶片内部缺陷无损检测的方法主要有射线检测、超声检测、工业CT等。工业CT是工业计算机断层成像技术(Industrial Computed Tomography)的简称，它是当今世界公认最好的无损检测技术。工业CT的基本原理是将X射线源和检测器沿着圆弧围绕被测物体旋转180°或360°完成一次扫描过程，将全部的投影数据输入计算机后，通过图像重建的方法，重新构建出探测平面的二维图像。通过层层扫描叠加构成了整个物体的三维图像，可以直观显示缺陷的三维空间位置、形状以及大小。由于高温叶片的材料是镍基高温合金，厚度可达60mm，较小功率的工业CT无法将其穿透。而对于大功率的工业CT，虽然能够穿透叶片，但是运行费用相当昂贵，进行一次实验大约需要花费十几万元，这对于一般企业来说是可望而不可即的。此外，工业CT只能进行离线检测，效率低下。对于射线检测，由于高温叶片选用镍基高温合金材料，射线的衰减率很大，能穿透的叶片厚度十分有限，无法在厚度方向对缺陷进行定位。传统的超声检测方法虽然穿透力强，但是在检测时探头需要保持与待测面平行。所以，对于叶片这种具有形状复杂且不规则表面的零件，难以采用传统的超声方法进行检测。近三十年发展起来的超声相控阵技术是一种新型的超声检测技术，但是使用常规相控阵探头有着和传统超声检测相同的缺陷，即难以检测表面形状复杂且不规则的零件。此外，由于常规探头的局限性，使得无法实现缺陷的三维检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于超声相控阵柔性探头，高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，实现对叶片等具有复杂型面零件的内部缺陷检测。
本发明采用以下技术方案：
一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，首先使用超声相控阵仪器，借助柔性探头，采用区域划分的方法检测叶身内部的缺陷，对于每个分区，设置不同的扫查参数，获取检测图像；然后以二维定位结果为基础，由超声相控阵仪器得到质心深度方向坐标，进而得到缺陷区域的深度信息，完成缺陷三维体积的测量。
进一步的，包括以下步骤：
S1、结合叶身自由曲面、厚度不均匀的特点，将叶身近似的看成一个矩形，在此基础上将其分成若干区域；
S2、将仪器设备连接成功，设置仪器参数，在叶身正面涂刷耦合剂后将编码器和柔性探头放在叶身的分区表面进行扫查；
S3、对每个分区依次进行六次扫查，分别得到对应的六幅超声相控阵检测原图像，然后对得到的六幅原图像作平均，消除随机噪声的影响，最终获得分区的检测图像；
S4、设置不同聚焦深度检测叶身的不同深度，用探头对每个分区进行纵向扫查检测，直到检测到缺陷为止，获取具有缺陷的C显示图像以及一系列垂直于该C显示图像的D显示图像；
S5、对步骤S4获取的C显示和D显示图像进行图像处理，得到二值图像，并计算C显示图像中缺陷横向的最大像素值n,以及在1,2，…,n中每一个数值所对应的m值，得到以C显示图像和D显示图像的交线在缺陷中的线段MiNi上任意像素j为底的缺陷体积v；
S6、在检测过程中，根据显示的长度与物体的真实长度尺寸偏差确定分辨率k；
S7、根据步骤S5和S6得到叶片缺陷的体积V。
进一步的，步骤S1中，将叶身等分成四个形状、大小相同的矩形区域进行检测。
进一步的，步骤S2中，采用纵向扫查方式对所述叶身的分区表面进行扫查。
进一步的，步骤S5中，所述缺陷体积v为：
v＝S×MjNj
其中，S是每一个像素的面积，j是线段MiNi上的任意一个像素,j＝1,2,…,m，m是线段MiNi上的像素个数，线段MiNi是像素j对应的高度。
进一步的，步骤S5中，根据得到的所述二值图像，确定缺陷区域的二维质心坐标如下：
其中，为缺陷质心横坐标；为缺陷质心纵坐标；x为缺陷像素点横坐标；y为缺陷像素点纵坐标；M为缺陷区域横向尺寸；N为缺陷区域纵向尺寸；f(x,y)为像素点(x,y)的灰度值。
进一步的，在缺陷的二维质心坐标处，根据检测过程中回波信号出现的位置，确定缺陷质心坐标处距探测表面的距离，得到缺陷质心位置的方向坐标，实现缺陷位置的深度定位，进而实现缺陷的三维定位，方向坐标如下：
其中，T是二维质心坐标处缺陷的深度，d是二维质心坐标处缺陷顶端距探测表面的距离。
进一步的，步骤S7中，所述叶片缺陷的体积V为：
其中，k为分辨率，m是线段MiNi上的像素个数，n是C显示中缺陷横向的最大像素值，j是线段MiNi上的任意一个像素，S是每一个像素的面积，Di表示与C显示垂直的第i个D显示图像，i＝1,2,…,n。
进一步的，步骤S2中，所述仪器包括计算机、超声相控阵仪器、数据传输单元以及控制器，所述计算机通过控制器与所述数据传输单元连接，所述数据传输单元与所述超声相控阵仪器连接，所述数据传输单元用于实现计算机和所述超声相控阵仪器之间的数据通讯，所述超声相控阵仪器与柔性探头连接，所述柔性探头用于对待测叶片进行检测，所述柔性探头上设置有编码器，所述超声相控阵仪器还分别连接有电源和存储器。
10、根据权利要求9所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，所述柔性探头采用5MHz的线性阵列，阵元数目至少为32个。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，首先使用超声相控阵仪器，借助柔性探头，采用区域划分的方法检测叶身内部的缺陷，对于每个分区，设置不同的扫查参数，获取检测图像；然后以二维定位结果为基础，由超声相控阵仪器得到质心深度方向坐标，进而得到缺陷区域的深度信息，完成缺陷三维体积的测量，实现对于具有复杂型面零件内部缺陷的检测，并解决叶片内部缺陷的三维测量问题。
进一步的结合叶身自由曲面、厚度不均匀的特点，将叶身近似的看成一个矩形，在此基础上将其分成若干区域；在叶身正面涂刷耦合剂后将编码器和柔性探头放在叶身的分区表面进行扫查；对每个分区依次进行六次扫查，分别得到对应的六幅超声相控阵检测原图像，然后对得到的六幅原图像作平均，消除随机噪声的影响，最终获得分区的检测图像；设置不同聚焦深度检测叶身的不同深度，用探头对每个分区进行纵向扫查检测，直到检测到缺陷为止，获取具有缺陷的C显示图像以及一系列垂直于该C显示图像的D显示图像；对C显示和D显示图像进行图像处理，得到二值图像，并计算C显示图像中缺陷横向的最大像素值，以及对应值，得到以C显示图像和D显示图像的交线在缺陷中的线段上任意像素为底的缺陷体积；得到叶片缺陷的体积，实现对于具有复杂型面零件内部缺陷的检测，提高了检测效率，完成了缺陷的定位和定量的计算，解决了叶片内部缺陷的三维测量问题。
进一步的，采用纵向扫查是因为叶身在横向的曲率变化较大，以一定的扫查参数进行扫查，结果不准确；而叶身纵向曲率变化缓慢，便于以一定的扫查参数进行扫查，在叶身背面(即凸面)检测时，由于耦合剂的流动性，能量损失较大，检测结果不理想，所以选择叶身正面(即凹面)检测。
进一步的，由于不同区域的厚度不同，曲率半径不同，所以需要设置不同的扫查参数，C显示表示叶身某一横截面的图像，扫查结果覆盖范围最广，所以选择C显示图像作为扫查结果。
进一步的，采用柔性探头，其各阵元可以相对滑动，使得阵列中的各阵元保持相对独立。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明高温叶片的分区示意图；
图2为本发明柔性探头原理图；
图3为本发明探头扫查路径示意图；
图4为本发明C显示和D显示图像示意图。
图5为本发明体积计算示意图；
图6为本发明检测设备连接示意图；
图7为本发明标准量块示意图；
图8为本发明深度信息的求取示意图；
图9为本发明叶片缺陷分析***结构图；
图10为本发明叶片三维无损检测***流程图。
其中：1.计算机；2.控制器；3.数据传输单元；4.超声相控阵仪器；5.柔性探头；6.编码器；7.待测叶片；8.电源；9.存储器。
具体实施方式
本发明公开了一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，使用超声相控阵仪器，借助柔性探头，采用区域划分的方法检测叶身内部的缺陷。对于每个分区，设置不同的扫查参数，获取检测图像。对检测获取的结果进行图像处理和分析，完成缺陷三维体积的测量，实现对于具有复杂型面零件内部缺陷的检测；并解决叶片内部缺陷的三维测量问题。具体步骤如下：
S1、结合叶身自由曲面、厚度不均匀的特点，将叶身近似的看成一个矩形，在此基础上将其分成若干区域；
柔性探头与刚性探头最主要的区别就是柔性探头的各阵元可以相对滑动，使得阵列中的各阵元保持相对独立。柔性探头推荐使用5MHz，线性阵列。阵元数目至少是32个，建议64个，如图2所示。
S2、将仪器设备连接成功，设置仪器参数时，由于不同区域的厚度不同，曲率半径不同，所以需要设置不同的扫查参数。在叶身正面(即凹面)涂刷耦合剂后将编码器和柔性探头放在叶身的第一分区表面进行纵向扫查，由于C显示表示叶身某一横截面的图像，扫查结果覆盖范围最广，所以选择C显示图像作为扫查结果。
如图3所示，采用纵向扫查是因为叶身在横向的曲率变化较大，以一定的扫查参数进行扫查，结果不准确；而叶身纵向曲率变化缓慢，便于以一定的扫查参数进行扫查。
在叶身背面(即凸面)检测时，由于耦合剂的流动性，能量损失较大，检测结果不理想，所以选择叶身正面(即凹面)检测。
S3、对第一分区进行6次扫查，分别得到6幅超声相控阵检测原图像。然后对得到的6幅原图像作平均，达到消除随机噪声的影响，最终获得第一分区的检测图像。然后分别对第二、三、四分区进行相同的操作，最终得到第二、三、四分区的检测图像。
基于超声相控阵技术，使用柔性探头检测高温叶片内部缺陷三维体积，对检测获取的结果进行图像处理和分析，完成缺陷三维体积的测量，具体步骤如下：
S4、对第一分区进行检测，将探头沿着图3所示路径进行纵向扫查。通过设置不同的聚焦深度试探性检测叶身的不同深度，直到检测到缺陷为止，获取了一幅具有缺陷的C显示图像以及一系列垂直于该C显示图像的D显示图像。
S5、对获取的C显示和D显示图像进行图像处理，最终得到它们的二值图像，并计算C显示中缺陷横向的最大像素值n,以及在1,2，…,n中间每一个数值所对应的m值。
请参阅图4，水平曲线是缺陷在C显示中的轮廓，竖直曲线是缺陷在D显示中的轮廓。线段MiNi是C显示和D显示图像交线在缺陷中的部分，i＝1,2,…,n，n是C显示中缺陷横向的最大像素值，j是线段MiNi上的任意一个像素,j＝1,2,…,m，m是线段MiNi上的像素个数，线段MiNi是像素j对应的高度，那么对于像素j，以它为底的缺陷体积v如下：
v＝S×MjNj (1)
其中，S是每一个像素的面积。
S6、在检测过程中，仪器上显示的长度与物体的真实长度尺寸是有偏差的，即分辨率k如下：
叶片内部缺陷三维定位步骤如下：
S7、根据步骤S5和步骤S6得到整个缺陷的体积V如下：
其中，k为分辨率，m是线段MiNi上的像素个数，n是C显示中缺陷横向的最大像素值，j是线段MiNi上的任意一个像素，S是每一个像素的面积，Di表示与C显示垂直的第i个D显示图像，i＝1,2,…,n。
叶片内部缺陷三维定位步骤为：
根据步骤S5得到的二值图像，确定缺陷区域的二维质心坐标如下，实现二维方向的定位
其中，为缺陷质心横坐标；为缺陷质心纵坐标；x为缺陷像素点横坐标；y为缺陷像素点纵坐标；M为缺陷区域横向尺寸；N为缺陷区域纵向尺寸；f(x,y)为像素点(x,y)的灰度值。
在缺陷的二维质心坐标处，根据检测过程中回波信号出现的位置，确定缺陷质心坐标处距探测表面的距离d，根据式(6)计算得到缺陷质心位置的方向坐标，实现缺陷位置的深度定位，进而实现缺陷的三维定位，如图8所示
其中，T是指二维质心坐标处缺陷的深度；d是指二维质心坐标处缺陷顶端距探测表面的距离。
本发明还公开一种基于超声相控阵技术使用柔性探头的高温叶片三维检测分析***，如图9所示，包括计算机1、超声相控阵仪器4、数据传输单元3以及控制器2，所述计算机1通过控制器2与所述数据传输单元3连接，所述数据传输单元3与所述超声相控阵仪器4连接，所述数据传输单元3用于实现计算机1和所述超声相控阵仪器4之间的数据通讯，所述超声相控阵仪器4与柔性探头5连接，所述柔性探头5用于对待测叶片7进行检测。
请参阅图6，所述柔性探头5上设置有编码器6，所述超声相控阵仪器4还分别连接有电源8和存储器9。
请参阅图10，本***主要由机械控制部分与图像处理部分组成，具体工作流程如下：
机械控制部分通过移动柔性探头5对每个分区进行扫查，从而获取每个分区的缺陷图像。经过信号传输单元3传输到计算机1里面，再由图像处理软件对超声相控阵的检测图像进行图像处理，获取最终的分区图像，并且实现叶片缺陷区域二维质心的测量。
然后，结合二维测量结果利用积分思想对缺陷的三维体积进行测量。
最后，以二维定位结果为基础，由超声相控阵仪器分析得到质心深度方向坐标，进而得到缺陷区域的深度信息，从而实现缺陷的三维测量。
实施例
请参阅图6，使用超声相控阵仪器，借助柔性探头，采用叶片区域划分的方法检测叶身内部的缺陷。对于每个分区，设置不同的扫查参数，获取检测图像。具体步骤如下：
S1、将叶身等分成4个形状、大小相同的矩形区域进行检测，分区方法如图1所示。
S2、将仪器设备连接起来，并设置仪器的相关参数，在叶身正面(即凹面)涂刷耦合剂后将编码器和柔性探头放在叶身的第一分区表面。
S3、进行6次纵向扫查，用编码器记录下探头经过的位置，得到6幅超声相控阵检测C显示图像。然后，对获取的6幅原图像作平均得到第一分区的检测图像，然后分别对第二、三、四分区进行相同的操作，得到第二、三、四分区的检测图像。
基于超声相控阵技术，使用柔性探头检测高温叶片内部缺陷三维体积的步骤如下：
S4、以第一分区为例进行检测，通过设置不同的聚焦深度试探性检测叶身的不同深度，直到检测到缺陷为止。到此，获取了一幅具有缺陷的C显示图像以及一系列垂直于该C显示图像的D显示图像。
S5、对获取的C显示和D显示图像进行图像处理，最终得到它们的二值图像，并计算C显示中缺陷横向的最大像素值n，以及在1,2,…,n中间每一个数值所对应的m值。
S6、在计算分辨率k时，采用一个长为L的长方体标准量块，如图7所示。扫查时在长方体顶面柔性探头从一端扫查至另一端，真实检测的长度是，在仪器上显示的长度是，则分辨率用式(4)计算得到
S7、使用计算得到的n、m、k值即可通过公式(3)计算出缺陷的体积。
本发明检测方法不仅实现对于具有复杂型面零件内部缺陷的检测，提高了检测效率，降低了检测成本，而且完成了缺陷的定位和定量的计算，解决了叶片内部缺陷的三维测量问题。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，首先使用超声相控阵仪器，借助柔性探头，采用区域划分的方法检测叶身内部的缺陷，对于每个分区，设置不同的扫查参数，获取检测图像；然后以二维定位结果为基础，由超声相控阵仪器得到质心深度方向坐标，进而得到缺陷区域的深度信息，完成缺陷三维体积的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、结合叶身自由曲面、厚度不均匀的特点，将叶身近似的看成一个矩形，在此基础上将其分成若干区域；
S2、将仪器设备连接成功，设置仪器参数，在叶身正面涂刷耦合剂后将编码器和柔性探头放在叶身的分区表面进行扫查；
S3、对每个分区依次进行六次扫查，分别得到对应的六幅超声相控阵检测原图像，然后对得到的六幅原图像作平均，消除随机噪声的影响，最终获得分区的检测图像；
S4、设置不同聚焦深度检测叶身的不同深度，用探头对每个分区进行纵向扫查检测，直到检测到缺陷为止，获取具有缺陷的C显示图像以及一系列垂直于该C显示图像的D显示图像；
S5、对步骤S4获取的C显示和D显示图像进行图像处理，得到二值图像，并计算C显示图像中缺陷横向的最大像素值n,以及在1,2，…,n中每一个数值所对应的m值，得到以C显示图像和D显示图像的交线在缺陷中的线段MiNi上任意像素j为底的缺陷体积v；
S6、在检测过程中，根据显示的长度与物体的真实长度尺寸偏差确定分辨率k；
S7、根据步骤S5和S6得到叶片缺陷的体积V。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，步骤S1中，将叶身等分成四个形状、大小相同的矩形区域进行检测。
4.根据权利要求2所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，步骤S2中，采用纵向扫查方式对所述叶身的分区表面进行扫查。
5.根据权利要求2所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，步骤S5中，所述缺陷体积v为：
v＝S×MjNj
其中，S是每一个像素的面积，j是线段MiNi上的任意一个像素,j＝1,2,…,m，m是线段MiNi上的像素个数，线段MiNi是像素j对应的高度。
6.根据权利要求2所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，步骤S5中，根据得到的所述二值图像，确定缺陷区域的二维质心坐标如下：
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1
其中，为缺陷质心横坐标；为缺陷质心纵坐标；x为缺陷像素点横坐标；y为缺陷像素点纵坐标；M为缺陷区域横向尺寸；N为缺陷区域纵向尺寸；f(x,y)为像素点(x,y)的灰度值。
7.根据权利要求6所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，在缺陷的二维质心坐标处，根据检测过程中回波信号出现的位置，确定缺陷质心坐标处距探测表面的距离，得到缺陷质心位置的方向坐标，实现缺陷位置的深度定位，进而实现缺陷的三维定位，方向坐标如下：
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其中，T是二维质心坐标处缺陷的深度，d是二维质心坐标处缺陷顶端距探测表面的距离。
8.根据权利要求2所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，步骤S7中，所述叶片缺陷的体积V为：
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其中，k为分辨率，m是线段MiNi上的像素个数，n是C显示中缺陷横向的最大像素值，j是线段MiNi上的任意一个像素，S是每一个像素的面积，Di表示与C显示垂直的第i个D显示图像，i＝1,2,…,n。
9.根据权利要求2所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，步骤S2中，所述仪器包括计算机(1)、超声相控阵仪器(4)、数据传输单元(3)以及控制器(2)，所述计算机(1)通过控制器(2)与所述数据传输单元(3)连接，所述数据传输单元(3)与所述超声相控阵仪器(4)连接，所述数据传输单元(3)用于实现计算机(1)和所述超声相控阵仪器(4)之间的数据通讯，所述超声相控阵仪器(4)与柔性探头(5)连接，所述柔性探头(5)用于对待测叶片(7)进行检测，所述柔性探头(5)上设置有编码器(6)，所述超声相控阵仪器(4)还分别连接有电源(8)和存储器(9)。
10.根据权利要求9所述的一种基于超声相控阵的高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，其特征在于，所述柔性探头(5)采用5MHz的线性阵列，阵元数目至少为32个。
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