CN109839436B - 螺旋扫查模式下超声数据与位置数据同步融合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋扫查模式下超声数据与位置数据同步融合的方法。超声采集板卡根据PRF控制换能器发出激励脉冲，三轴运动平台带动换能器以螺旋环绕的运动方式对圆柱类检测件进行超声无损检测，DSP在每两个激励脉冲间隔的时间内读取当前位置的超声数据和位置数据，根据超声成像的精度要求，判断当前位置的的超声数据是否符合融合条件，将符合要求的超声数据与位置数据进行同步融合。本发明实现了螺旋扫查模式下超声数据与位置数据的同步融合，在保证检测精度的条件下，精准高效。
Description
技术领域
本发明属于工业超声无损检测技术领域，涉及一种螺旋扫查模式下超声数据与位置数据同步融合的方法。
背景技术
以管类、轴类及棒材等为典型代表的圆柱类零部件或原材料，已广泛应用于石油、天然气、化工、航空航天、火车、船舶、机械、建筑以及核工业等诸多行业，在国民经济、国防建设和高新技术等相关领域具有重要的支撑作用。圆柱类部件的质量优劣直接决定相关设备的运行性能和使用寿命，一直以来对无损检测技术具有强烈的需求。特别是随着相关设备朝重载化、高效化、大型化和使用环境极端化等方向发展，使得该类部件或材料的结构尺寸多样、用量及工作压力、温度和速度进一步提升，无损检测技术更加体现出其重要性和迫切性，并在可靠性、定量化、实时性以及自动化在线应用能力等方面对该技术提出了更高的要求。
对圆柱类部件进行超声无损检测，螺旋扫查是一种高效的检测扫查模式。在检测过程中，兼顾效率的同时，可以保证检测过程中声束的完备覆盖。在获取扫查的超声数据后，将数据进行图形化表征，是超声无损检测的一种常规方式。因此只有得到准确的超声数据及匹配的位置数据，才能精确的成像，定量化的表征缺陷的位置。因此在螺旋扫查模式下，将超声数据与位置数据进行高速同步融合可以提高检测***的精度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种螺旋扫查模式下超声数据与位置数据同步融合的方法，适用于螺旋扫查模式下的超声无损检测***。
本发明的技术方案包括以下几个步骤：
步骤一：上位机设定超声采集板卡的PRF参数，超声采集板卡根据PRF参数控制换能器发出频率为fHz的激励脉冲，三轴运动平台带动换能器以螺旋环绕的运动方式对圆柱类检测件进行超声无损检测；
步骤二：超声采集板卡的DSP在每两个激励脉冲之间收到来自超声采集板卡的FPGA一个中断请求，DSP根据中断请求读取当前位置的超声数据和三轴运动平台的直角坐标位置数据P(x,y,z)；
步骤三：将每一次DSP读取到的直角坐标位置数据P(x,y,z)由直角坐标系转换到螺旋坐标系下，得到螺旋坐标位置数据
转换公式为：
其中，r表示三轴运动平台扫查的螺旋半径，θ表示三轴运动平台扫查的螺旋角，ξ表示三轴运动平台螺旋扫查的轴向前进距离；ppitch表示三轴运动平台螺旋扫查的螺距；
步骤四：将DSP初始(第一次)读取的螺旋坐标位置数据作为螺旋坐标初始位置数据
将DSP第二次读取获得的螺旋坐标位置数据作为螺旋坐标当前位置数据
记录螺旋坐标初始位置数据
的螺旋角作为初始螺旋角θp0以及螺旋坐标当前位置数据
的螺旋角作为当前螺旋角θp1，并根据超声成像的精度要求确定融合阈值ε判断在当前螺旋角θp1是否进行数据融合，具体为：
若||θp1-θp0||<ε，初始螺旋角θp0值不变，返回步骤二将下一次读取到的直角坐标位置数据并按照步骤三转化为螺旋坐标位置数据，获取螺旋坐标位置数据中的螺旋角θ作为新的当前螺旋角θp1，再将新的当前螺旋角θp1与初始螺旋角θp0按照本步骤再次进行判断，
若||θp1-θp0||≥ε，将当前螺旋角θp1转化为对应的直角坐标位置数据P(x,y,z)，同步融合当前螺旋角θp1对应的直角坐标位置数据P(x,y,z)和当前的超声数据，将同步融合的数据存储在DSP的数据队列中；同时将当前螺旋角θp1作为新的初始螺旋角θp0，返回步骤二将下一次读取到的直角坐标位置数据按照步骤三转化为螺旋坐标位置数据，获取转化后的螺旋坐标位置数据中的螺旋角θ作为新的当前螺旋角θp1，将新的当前螺旋角θp1与新的初始螺旋角θp0再按照本步骤再次进行判断；
步骤五：重复上述步骤二至步骤四，直至DSP获取在一次完整的螺旋扫查下的所有符合成像精度的数据集，结束检测。
优选的，超声数据是指换能器产生并由FPGA接收的ASCAN数据，所述的直角坐标位置数据P(x,y,z)是根据三轴运动平台的X轴、Y轴和Z轴相对坐标原点的位置坐标获得的。
优选的，实现本发明方法的超声无损检测***包括上位机(1)，超声采集板卡(2)、换能器(4)、编码器(5)、三轴运动平台(6)和圆柱类检测件(7)，上位机(1)和换能器(4)均与超声采集板卡(2)连接，三轴运动平台(6)通过编码器(5)与超声采集板卡(2)连接，三轴运动平台(6)夹持连接换能器(4)并带动换能器(4)绕圆柱类检测件(7)螺旋扫查，换能器(4)发出激励脉冲对圆柱类检测件(7)进行超声无损检测。
优选的，超声采集板卡(2)包括FPGA和DSP，FPGA接收由换能器(4)检测得到的超声数据，三轴运动平台(6)的位置数据通过编码器(5)发送至FPGA。
优选的，圆柱类检测件包括管件类、轴件类及棒材。
本发明通过超声激励脉冲同步触发位置数据的读取，将每个激励脉冲触发得到的位置数据，根据最终的成像精度，筛选出符合成像精度要求的位置数据和该位置的超声数据进行融合，存储在DSP的数据队列中，应用于后续的处理模块。超声采集板卡可以记录三个轴的运动数据，并将该数据由直角坐标系转换到螺旋坐标系下，根据运动的角度判断是否将超声数据和位置数据融合。可以通过软件柔性调节融合的判断条件，提升超声检测***的适用范围。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)实现螺旋扫查模式下超声数据与位置数据的同步融合。
(2)本发明可以根据成像精度的要求设定不同的融合阈值，在保证精度的情况下，相较于同类通过位置信息进行触发的方法，适用性更强，且不受硬件条件的约束。
(3)根据成像精度提出的融合规则，保证检测精度的条件下，更加高效。
附图说明
图1是螺旋扫查模式下超声检测***的示意图。
图2是超声采集板卡PRF和DSP中断的时序图。
图3是超声数据与位置数据融合的流程图。
图中，1.上位机、2.超声采集板卡、4.换能器、5.编码器、6.三轴运动平台、7.圆柱类检测件。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图3所示，本发明的具体操作流程可以分为以下几个步骤：
步骤一：上位机设定超声采集板卡的PRF(Pulse Repetition Frequency)参数，超声采集板卡根据PRF参数控制换能器发出频率为fHz的激励脉冲，三轴运动平台带动换能器以螺旋环绕的运动方式对圆柱类检测件按照频率为fHz的脉冲频率进行超声无损检测；
具体实施中，圆柱类检测件包括管件类、轴件类及棒材等圆柱类件。
步骤二：超声采集板卡的DSP在每两个激励脉冲之间收到来自超声采集板卡的FPGA一个中断请求，DSP根据中断请求读取当前位置的超声数据和三轴运动平台的直角坐标位置数据P(x,y,z)；
DSP在两个脉冲之间会收到一个中断请求，超声激励脉冲与DSP得到中断请求的时序如图2所示，在DSP得到中断请求后，会读取当前时刻的超声数据和位置数据，即三轴运动平台相对于原点的直角坐标位置，记为P(x,y,z)。
具体实施中，超声数据是指换能器产生并由FPGA接收的ASCAN数据，所述的直角坐标位置数据P(x,y,z)是根据三轴运动平台的X轴、Y轴和Z轴的位置坐标得到，即P(x,y,z)中的x、y、z分别代表X轴、Y轴和Z轴相对于原点的的坐标。
步骤三：将直角坐标位置数据P(x,y,z)由直角坐标系转换到螺旋坐标系下，得到螺旋坐标位置数据
转换公式为：
其中，r表示三轴运动平台扫查的螺旋半径，θ表示螺旋角，ξ表示三轴运动平台螺旋扫查的轴向前进距离；ppitch表示三轴运动平台螺旋扫查的螺距；
步骤四：将DSP初始(即第一次)读取的螺旋坐标位置数据作为螺旋坐标初始位置数据
将DSP第二次读取获得的螺旋坐标位置数据作为螺旋坐标当前位置数据
记录螺旋坐标初始位置数据
的螺旋角作为初始螺旋角θp0以及螺旋坐标当前位置数据
的螺旋角作为当前螺旋角θp1，并根据超声成像的精度要求确定融合阈值ε判断在当前螺旋角θp1是否进行数据融合，具体为：
若||θp1-θp0||<ε，初始螺旋角θp0值不变，返回步骤二将下一次读取到的直角坐标位置数据并按照步骤三转化为螺旋坐标位置数据，获取螺旋坐标位置数据中的螺旋角θ作为新的当前螺旋角θp1，再将新的当前螺旋角θp1与初始螺旋角θp0按照本步骤再次进行判断是否进行数据融合；
若||θp1-θp0||≥ε，融合当前螺旋角θp1对应的螺旋坐标当前位置数据
和当前的超声数据作为一个数据集，由此完成一次超声数据与位置数据的同步融合，将数据集存储在DSP的数据队列中，以便应用于后续的处理模块；同时将当前螺旋角θp1作为新的初始螺旋角θp0，返回步骤二将下一次读取到的直角坐标位置数据按照步骤三转化为螺旋坐标位置数据，获取转化后的螺旋坐标位置数据中的螺旋角θ作为新的当前螺旋角θp1，再按照本步骤再次进行判断是否进行数据融合；
步骤五：判断螺旋运动是否完成，若未完成，重复上述步骤二至步骤五，直至DSP获取在一次完整螺旋扫查模式下的所有符合成像精度的数据集，结束检测。
超声无损检测***如图1所示，上位机1和换能器4均与超声采集板卡2连接，三轴运动平台6通过编码器5与超声采集板卡2连接，三轴运动平台6夹持连接换能器4并带动换能器4绕圆柱类检测件7螺旋扫查，换能器4发出激励脉冲对圆柱类检测件7进行超声无损检测。
超声采集板卡2获取超声数据和三轴运动平台6的编码器数据，上位机1对超声采集板卡2进行发射控制和数据采集，实施例中上位机设定超声采集板卡的PRF频率为fHz，让三轴运动平台6进行螺旋运动，实现螺旋扫查模式下的超声无损检测。
超声采集板卡2包括FPGA和DSP，FPGA接收由换能器4检测得到的超声数据，三轴运动平台6的位置数据通过编码器5发送至FPGA。
现有技术中的超声螺旋扫查的超声数据和位置数据同步是根据编码器脉冲信号进行同步的，位置数据与超声数据的融合阈值是固定的,也无法根据成像精度随时调节融合阈值。。本发明通过超声激励脉冲同步触发位置数据的读取，将每个激励脉冲触发得到的位置数据，根据设定的成像精度，可以筛选出符合成像精度要求的位置数据和该位置的超声数据进行融合，存储到超声采集板卡2再将所有同步融合的数据发送至上位机1进行数据处理，实现了在螺旋扫查模式下的超声数据与位置数据高速的同步融合，能够实现对缺陷位置的精确定位，从而提高了检测***的精度。本方法相对现有技术对硬件要求低，可根据实际需求调节融合阈值，高效实现多种分辨率的超声成像。
Claims (3)
1.螺旋扫查模式下超声数据与位置数据同步融合的方法，其特征在该方法包括以下步骤：
步骤一：上位机设定超声采集板卡的PRF参数，超声采集板卡根据PRF参数控制换能器发出频率为fHz的激励脉冲，三轴运动平台带动换能器以螺旋环绕的运动方式对圆柱类检测件进行超声无损检测；
步骤二：超声采集板卡的DSP在每两个激励脉冲之间收到来自超声采集板卡的FPGA一个中断请求，DSP根据中断请求读取当前位置的超声数据和三轴运动平台的直角坐标位置数据P(x,y,z)；
步骤三：将每一次DSP读取到的直角坐标位置数据P(x,y,z)由直角坐标系转换到螺旋坐标系下，得到螺旋坐标位置数据
转换公式为：
其中，r表示三轴运动平台扫查的螺旋半径，θ表示三轴运动平台扫查的螺旋角，ξ表示三轴运动平台螺旋扫查的轴向前进距离；ppitch表示三轴运动平台螺旋扫查的螺距；
步骤四：将DSP初始读取的螺旋坐标位置数据作为螺旋坐标初始位置数据
将DSP第二次读取获得的螺旋坐标位置数据作为螺旋坐标当前位置数据
记录螺旋坐标初始位置数据
的螺旋角作为初始螺旋角θp0以及螺旋坐标当前位置数据
的螺旋角作为当前螺旋角θp1，并根据超声成像的精度要求确定融合阈值ε判断在当前螺旋角θp1是否进行数据融合，具体为：
若||θp1-θp0||＜ε，初始螺旋角θp0值不变，返回步骤二将下一次读取到的直角坐标位置数据并按照步骤三转化为螺旋坐标位置数据，获取螺旋坐标位置数据中的螺旋角θ作为新的当前螺旋角θp1，再将新的当前螺旋角θp1与初始螺旋角θp0按照本步骤再次进行判断，
若||θp1-θp0||≥ε，将当前螺旋角θp1转化为对应的直角坐标位置数据P(x,y,z)，同步融合当前螺旋角θp1对应的直角坐标位置数据P(x,y,z)和当前的超声数据，将同步融合的数据存储在DSP的数据队列中；同时将当前螺旋角θp1作为新的初始螺旋角θp0，返回步骤二将下一次读取到的直角坐标位置数据按照步骤三转化为螺旋坐标位置数据，获取转化后的螺旋坐标位置数据中的螺旋角θ作为新的当前螺旋角θp1，将新的当前螺旋角θp1与新的初始螺旋角θp0再按照本步骤再次进行判断；
步骤五：重复上述步骤二至步骤四，直至DSP获取在一次完整的螺旋扫查下的所有符合成像精度的数据集，结束检测；
所述的超声数据是指换能器产生并由FPGA接收的ASCAN数据，所述的直角坐标位置数据P(x,y,z)是根据三轴运动平台的X轴、Y轴和Z轴相对坐标原点的位置坐标获得的；
实现本发明方法的超声无损检测***包括上位机(1)，超声采集板卡(2)、换能器(4)、编码器(5)、三轴运动平台(6)和圆柱类检测件(7)，上位机(1)和换能器(4)均与超声采集板卡(2)连接，三轴运动平台(6)通过编码器(5)与超声采集板卡(2)连接，三轴运动平台(6)夹持连接换能器(4)并带动换能器(4)绕圆柱类检测件(7)螺旋扫查，换能器(4)发出激励脉冲对圆柱类检测件(7)进行超声无损检测。
2.根据权利要求1所述的螺旋扫查模式下超声数据与位置数据同步融合的方法，其特征在于：所述的超声采集板卡(2)包括FPGA和DSP，FPGA接收由换能器(4)检测得到的超声数据，三轴运动平台(6)的位置数据通过编码器(5)发送至FPGA。
3.根据权利要求1所述的螺旋扫查模式下超声数据与位置数据同步融合的方法，其特征在于：所述的圆柱类检测件包括管件类、轴件类及棒材。
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