CN108693251A - 基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法 - Google Patents

Abstract

基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测，属于机械工程技术领域。本发明采用超声检测技术，超声图像采集包括：数据获取、数据处理和图像显示。数据获取阶段直接涉及到对硬件的操作，主要包括参数的设置和延时算法的控制；数据处理阶段的任务是成像算法的设计，即涉及相关算法将从探头接收到的回波信号进行延时补偿、滤波、取包络、归一化等数据处理，从而提取出响应的缺陷信息，并将其转换成可以显示的图像信息；图像显示的功能是将经过数据处理后得到的图像信息，进行相应的图像处理之后直观的显示在仪器界面上。本发明可获得基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，检测方法快速智能、安全可靠，提高了检测效率。

Description

基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法

技术领域

本发明涉及一种中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，属于机械工程和自动化检测技术领域。

背景技术

反渗透海水淡化目前已成为海水淡化最主要的方法之一。目前反渗透海水淡化工程预处理的方法主要有多介质过滤和有机膜超/微滤。传统的多介质过滤不能完全去除胶体和悬浮物质，出水水质易产生波动，从而降低反渗透膜的产水能力和寿命；有机膜超/微滤法预处理存在有机膜老化、断丝等难题，同时由于我国海水水质较差，大多数有机膜使用寿命不足。与上述两种方法相比，陶瓷膜具有孔径分布窄、孔隙率高、分离层薄、过滤阻力小等优点，而且单位膜表面积处理量高、产水能力大，膜的化学性质稳定，可以在海水中长期稳定运行，更适用于海水淡化预处理。中空板式陶瓷膜因其内部结构复杂，存在着大量微小细孔，在大批量生产过程和海水淡化过程中，由于加工工艺的局限性，和海水复杂流体力作用下，中空板式陶瓷膜受到的局部应力和疲劳强度引起内部深层的缺陷，会不同程度降低海水淡化的效率和预期值，这些内部深层不能通过表面的检测实时发现。而超声无损检测是五大常规无损检测之一，相比于其他检测方式，它具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、成本低、设备相对简单、对人体无害等优点。其后，超声波在介质中传输，在特性变化处（如缺陷处）会发生发射、散射，阵元在接收、分析回波信息，来获取被测件的缺陷特征、结构性能等信息。超声检测技术与现代科学技术相融合，拓展到今天的超声相控阵检测技术使用相控阵发射、接受超声波，相控阵列探头上由一系列独立排列的压电晶片按一定的规则排列组成，每个晶片称为一个阵元，通过控制超声脉冲的发射（或接收）的延迟时间，从而控制合成波束偏转角度和聚焦点位置，然后经过电子扫描实现超声成像。

超声相控阵技术在医疗领域有着广泛的应用，如在超声诊断中，利用相控阵探头向人体内发射和接收超声波，并通过其动态聚焦实现对被检测器官的成像诊断；起初，由于超声波在固体传播的复杂性，检测***的复杂性和成本费用高因素的原因，超声相控阵技术在工业无损检测中发展受到限制，然而，随着高科技术的引入，其在工业无损检测领域的限制得到解放，并获得快速发展，而工业无损检测的巨大需求对超声相控阵检测技术的发展提出了更高的要求。因此，超声检测在陶瓷膜深层缺陷检测中有着广泛的应用前景。在已有技术中，加州大学的Francesco Lanza等在“Ultrasonic Tomography for Three-Dimensional Imaging of Internal Rail Flaws Proof-of-Principle NumericalSimulations”（Transportation Research Record.Vol2374，2013：162-168）一文中建立了缺陷轨道上超声层析成像阵列的有限元模型，提出了一种三维内轨缺陷层析成像算法；天津大学的韩雷、程应科等在“先进陶瓷材料表面/亚表面缺陷无损检测”（组合机床与自动化加工技术，2007年第8期第43-46页）一文中对先进陶瓷材料无损检测技术和检测方法进行了论述，对新型的无损检测方法作以评价；2016年北京航天航空大学周正干、李洋等在“矩阵换能器超声三维成像方法研究”（仪器仪表学报，2016年第37期第2卷第371-378页）一文中，提出了矩阵换能器体扫查时三维体数据采集方法和数据融合算法；2013年无锡市的李衍等在“超声相控阵检测焊缝三维可视化”（无损探伤，2013年第37卷第6期第1-6页）一文中，介绍了超声相控阵扇形(S型)扫查法对焊缝实施全体积检测的优势：信号(色码幅度)实时显示,自动存储。北京航天航空大学的周正干、徐娜的“一种基于改进的动态深度聚焦的相控阵超声检测方法”（专利授权号：CN102809610B）获得国家发明专利；北京工业大学的焦敬品、孙俊俊等的“基于双谱分析的结构微裂纹混频非线性超声检测方法”（专利授权号：CN102980945B），提出了一种基于双谱分析的混频效应非线性超声检测方法。南京航天航空大学的郭燕在“超声相控阵检测***成像技术研究”（博士学位论文）一文中，研究了超声相控阵回波信号处理和超声相控阵成像检测***的上位机软件设计及具体功能实现。但这些研究均处于探索阶段，如在对陶瓷材料表面和亚表面的缺陷检测时，缺少***的算法设计。因此整个陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法仍存在一定的空白，离实际生产应用也还有相当长的距离。

平板陶瓷膜内部结构复杂，微小分层等缺陷难以观察，且缺陷的产生对结构件的疲劳强度和承载能力有很大影响，而传统的无损检测技术辨识度低，不能全面表征内部缺陷信息。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明采用先进的超声检测技术，提供一种基于超声检测技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，该方法能够提高三维检测的准确度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测，包括以下步骤:

1）基于数据融合的中空板式陶瓷膜数据获取；

2）基于回波信号的中空板式陶瓷膜数据处理；

3）基于缺陷信息的中空板式陶瓷膜图像显示。

优选的，所述步骤（1）中的结构数据和位置数据融合是指内部结构数据和扫查区域位置数据的并列传输，其中前者由超声相控阵平台所采集，后者为编码器扫描架所采集；

其中所述超声相控阵平台采集的内部结构数据方法是指对于内部结构复杂的平板陶瓷膜，根据波束在声阻抗突变处（如缺陷）反射的回波信号，具有一定时差采集数据；

所述编码器扫描架采集的扫查区域位置数据的方法是指记录扫差区域的位置信息，同检测信号一并转送超声阵相控平台。

优选的，所述步骤（2）中的图像数据处理是指对回波信号后处理，基于减少文件个数和文件数据处理量对回波信号采用滤波处理；基于回波信号信噪小的各通道数据降噪处理；基于不同相位的多路信号到各阵元的时间差的延时补偿处理；基于回波信号幅度、相位的改变的包络提取处理。

优选的，所述步骤（3）中的半矩阵等效算法，是指相控阵探头采用矩阵数据的下三角矩阵，多个小相控阵合成孔径对被测区域的虚拟聚焦成像处理。相控阵阵元发射的波束序列为，接收阵元序列为，假设被检测区域仅存在一个理想缺陷，那么波束和在缺陷处，忽略微小距离差引起的衰减指，反射、散射回波的幅值是相等的。所以两组波束的声波幅值在矩阵中是对应存在的，因此在计算处理过程中，两组幅值只需计算一次，如选用。所以虚拟聚焦的全矩阵简化为上三角或下三角矩阵，为保持相同的相似性，矩阵的对角线上的声波幅值减小一半。

由此可见，当下三角矩阵中元素为1（1代表能够实现真元的发射、接收），对下收发矩阵作等效方案处理：沿矩阵对角线平行方向进行元素求和运算，即扫查矩阵数据加权系数为1，结果表示合成孔径矩阵所有的收发种类，划分矩阵的方式有多种，因此等效方案也是多样的。在加权求和过程中，存在着靠近矩阵对角线结果值越大现象，可采用部分元素值改为0，部分元素值加权系数扩大的方法做到等效处理。设阵元数（为4的倍数）扫查次数（为奇数），加权系数为。一种对下三角矩阵划分方案：沿对角线切向方向，由下到上依次截取组矩阵，加权系数为。

适用于中空板式陶瓷膜深层缺陷检测的成像算法是，包括半矩阵等效幅值函数、矩阵元素和函数：

半矩阵等效幅值函数 （1）

矩阵元素和函数 （2）

式（1）中分别表示发射、接受阵元，是阵元信号，是到再到的距离，是采样频率，是声波速度。

式（2）中表示真元数目。

（2）式中，下三角矩阵元素简记为1时，变形为：

（3）

此时

这种半矩阵等效方法可将虚拟聚焦点的工作量接近50%。

与现有技术相比，本发明有益效果是:由于采用新型算法进行基于超声检测技术实现陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，减少了数据计算、存储，简化成像算法，提高了陶瓷膜检测效率。

附图说明

图1基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图和基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，本发明基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测，包括下述步骤:

1)基于数据融合的中空板式陶瓷膜三维图像数据获取

声速偏转的确定：线阵探头延迟时间按一定序列等间隔增加，利用电子技术依次激励个探头，则探头的轴线与合成波阵面的传播方向形成一定夹角，即可实现发射波束的偏转；波束聚焦的确定：探头阵元的两端最先被激励，中间最后被激励，合成波阵面聚焦到一点。

合成波束在缺陷出发生反射、散射，反射、散射的回波信号被各探头阵元所接收；通过实时改变阵元激励方式来改变聚焦法则，使发射声束能够在固定范围内逐角度扫差，用来实现扇形扫差的换能器为小尺寸的线阵换能器。扇形扫查增加了阵元非垂直覆盖区的检测能力；在编码器扫描架记录扫差区域位置信息阶段，将位置信息同检测信号一并传输超声相控阵平台。

2）基于回波信号的中空板式陶瓷膜三维图像数据处理

回波信号在被相控阵平台接受后，变为微弱的电信号，经放大后被采集卡采集和保存，多路回波信号是保存在同一文件中，为了减少文件个数，首先分解成多路通道的回波信号，同时减少数据处理量，去除多余信息，在回波数据中截取始波到底波的一次回波信号。采集到的回波信号带有大量噪声，特别是缺陷小的地方，回波信号微弱，因此需要去噪处理，对一次回波数据进行频谱分析，确定始波信号和缺陷信号的频率段，净化和提高回波信号信噪比。为使超声图像不变形需保证信号的相位是线性的，延时补偿就是把不同相位的多路信号，经过延时处理变成同相位的多路信号，再叠加成一路信号，此时多路信号的相位是线性的，目标处的回波信号得到加强。回波信号在经过滤波、去噪和延时补偿后，其相位和幅度是发生改变的，为了基于幅值信息实现超声成像，需要取包络处理。

3）基于缺陷信息的中空板式陶瓷膜图像显示

在传统成像的技术中，发射声波的阵元仅有1个，而接收回波信号的是所有阵元，改进的半矩阵等效算法，是指相控阵探头采用矩阵数据的下三角矩阵，多个小相控阵合成孔径对被测区域的虚拟聚焦成像处理。相控阵阵元发射的波束序列为，接收阵元序列为，假设被检测区域仅存在一个理想缺陷，那么波束和在缺陷处，忽略微小距离差引起的衰减指，反射、散射回波的幅值是相等的。所以两组波束的声波幅值在矩阵中是对应存在的，因此在计算处理过程中，两组幅值只需计算一次，如选用。所以虚拟聚焦的全矩阵简化为上三角或下三角矩阵，为保持相同的相似性，矩阵的对角线上的声波幅值减小一半。

由此可见，当下三角矩阵中元素为1（1代表能够实现真元的发射、接收），对下收发矩阵作等效方案处理：沿矩阵对角线平行方向进行元素求和运算，即扫查矩阵数据加权系数为1，结果表示合成孔径矩阵所有的收发种类，划分矩阵的方式有多种，因此等效方案也是多样的。在加权求和过程中，存在着靠近矩阵对角线结果值越大现象，可采用部分元素值改为0，部分元素值加权系数扩大的方法做到等效处理。设阵元数（为4的倍数）扫查次数（为奇数），加权系数为。一种对下三角矩阵划分方案：沿对角线切向方向，由下到上依次截取组矩阵，加权系数为。

适用于中空板式陶瓷膜深层缺陷检测的成像算法是，包括半矩阵等效幅值函数、矩阵元素和函数：

半矩阵等效幅值函数 （1）

矩阵元素和函数 （2）

式（1）中分别表示发射、接受阵元，是阵元信号，是到再到的距离，是采样频率，是声波速度。

式（2）中表示真元数目。

（2）式中，下三角矩阵元素简记为1时，变形为：

（3）

此时

这种半矩阵等效方法可将虚拟聚焦点的工作量接近50%。

与现有技术相比，本发明有益效果是:由于采用新型算法进行基于超声检测技术实现陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，减少了数据计算、存储，简化成像算法，提高了陶瓷膜检测效率。

Claims (4)

1.基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，其特征在于，所述建模方法包括以下步骤:

1）基于数据融合的中空板式陶瓷膜数据获取；

2）基于回波信号的中空板式陶瓷膜数据处理；

3）基于缺陷信息的中空板式陶瓷膜图像显示。

2.根据权利要求1所述的基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，其特征是，所述步骤（1）中的结构数据和位置数据融合是指内部结构数据和扫查区域位置数据的并列传输，其中前者由超声相控阵平台所采集，后者为编码器扫描架所采集；

其中所述超声相控阵平台采集的内部结构数据方法是指对于内部结构复杂的平板陶瓷膜，根据波束在声阻抗突变处（如缺陷）反射的回波信号，具有一定时差采集数据；

所述编码器扫描架采集的扫查区域位置数据的方法是指记录扫差区域的位置信息，同检测信号一并转送超声阵相控平台。

3.根据权利要求2所述的基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，其特征是，所述步骤（2）中的图像数据处理是指对回波信号后处理，基于减少文件个数和文件数据处理量对回波信号采用滤波处理；基于回波信号信噪小的各通道数据降噪处理；基于不同相位的多路信号到各阵元的时间差的延时补偿处理；基于回波信号幅度、相位的改变的保罗提取处理。

4.根据权利要求1所述的基于超声技术实现中空板式陶瓷膜深层缺陷的三维检测方法，其特征是，所述步骤（3）中的半矩阵等效算法，是指相控阵探头采用矩阵数据的下三角矩阵，多个小相控阵合成孔径对被测区域的虚拟聚焦成像处理；

相控阵阵元发射的波束序列为，接收阵元序列为，假设被检测区域仅存在一个理想缺陷，那么波束和在缺陷处，忽略微小距离差引起的衰减指，反射、散射回波的幅值是相等的；所以两组波束的声波幅值在矩阵中是对应存在的，因此在计算处理过程中，两组幅值只需计算一次，如选用；所以虚拟聚焦的全矩阵简化为上三角或下三角矩阵，为保持相同的相似性，矩阵的对角线上的声波幅值减小一半；

由此可见，当下三角矩阵中元素为1（1代表能够实现真元的发射、接收），对下收发矩阵作等效方案处理：沿矩阵对角线平行方向进行元素求和运算，即扫查矩阵数据加权系数为1，结果表示合成孔径矩阵所有的收发种类，划分矩阵的方式有多种，因此等效方案也是多样的；在加权求和过程中，存在着靠近矩阵对角线结果值越大现象，可采用部分元素值改为0，部分元素值加权系数扩大的方法做到等效处理；设阵元数（为4的倍数）扫查次数（为奇数），加权系数为；

一种对下三角矩阵划分方案：沿对角线切向方向，由下到上依次截取组矩阵，加权系数为；

适用于中空板式陶瓷膜深层缺陷检测的成像算法是，包括半矩阵等效幅值函数、矩阵元素和函数：

半矩阵等效幅值函数 （1）

矩阵元素和函数 （2）

式（1）中分别表示发射、接受阵元，是阵元信号，是到再到的距离，是采样频率，是声波速度；

式（2）中表示真元数目；

（2）式中，下三角矩阵元素简记为1时，变形为：

（3）

此时

这种半矩阵等效方法可将虚拟聚焦点的工作量接近50%。