CN109974637A - 一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，具体公开了一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法。该方法具体包括如下步骤：1、对被检管材采集数据进行标定；2、对采集的被检管材标定信号进行周期分析；2.1、进行信号预处理，滤除异常信号；2.2、计算获取采集数据周期的标志位；2.3、对两个探头采集数据的每个周期数据重采样；3、对两探头采集数据的周期数据进行同相位数据统计分析；4、对被检管材进行信号采集；5、计算获得被检管材的外形尺寸；本发明所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其可以通过同相位角对比，最大程度地消除机械安装误差和采集***误差的影响。

Description

一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法。
背景技术
核级小管径管材是指外径在6～20mm范围内的特种精密管材，被广泛应用在核电堆芯及换热器等核心部件中。核级小管径在核电机组的建设与运营期间使用量极大，以AP1000的蒸发器为例，每台蒸发器换热管的数量多达10000多根，合计长度约为225000M。为此，核电需要在管材安装前对其进行快速的自动化测量，以保证管材的测量效率和测量精度。采用传统的双探头水浸超声自动化检测***进行检测时，由于检测***的机械存在偏心和数字化超声采集***存在***误差，导致难以达到μm级的超声测量精度。
理论上，相位角相差180°的两个直探头可用于直径测量。直径计算可用以下公式表示为D＝L-(t1+t2)·V/2，其中，D为被测管在某周向方位角(相位角)的直径；L为两个直探头直径的距离；t1和t2为两个直探头的界面波回波时间；V为水中声速；上述公式成立的充要条件有：1)两个探头的旋转中心与被检管材轴心重合；2)两个探头探头的声束轴线完全重合；3)水中声速稳定；4)两探头之间间距为定值；5)超声采集***的采集精度绝对精准。但实际上，上述条件均无法采用物理方式进行保证，而因为不能保证充要条件带来的测量误差也各不相同。
1)探头偏心
当探头的旋转中心偏离被检管材中心δmm时，探头测得的t1(或者t2)最大值和最小值的差值为2δ/V，并且在各不同相位角上均不相同。偏差值与相位角的关系为：
其中，R被检管材半径
θ探头所处的相位角(假设θ＝90°时，偏差最小，为-δ/V)
由此产生的误差可以由对向的探头进行一定程度的弥补，两个探头的声程时间偏差值之和为：
2)探头轴线偏离
根据上式可知，当且仅当θ1与θ0相差180°时，偏差值最小。但是机械安装存在一定程度偏差，因此上述偏差值会被放大。假设δ＝0.01×R时，若两个探头相位角相差180°(实线)，则最大声程时间偏差值为1.0×10-4R/V；当两个探头相位角相差180.5°时(虚线)，最大声程时间偏差值为1.87×10-4R/V，是前者的1.87倍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其可以修正机械精度不足导致的误差和数字化采集***自身的误差。
本发明的技术方案如下：一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、对被检管材采集数据进行标定；
步骤2、对采集的被检管材标定信号进行周期分析；
步骤2.1、进行信号预处理，滤除异常信号；
步骤2.2、计算获取采集数据周期的标志位；
步骤2.3、对两个探头采集数据的每个周期数据重采样；
步骤3、对两探头采集数据的周期数据进行同相位数据统计分析；
步骤4、对被检管材进行信号采集；
步骤5、计算获得被检管材的外形尺寸；
按照以下公式计算某一周期某一相位角上的管材外形尺寸Dt：
Dt＝D+ΔD
其中，D为标定管标称直径；ΔD直径测量结果与标称值的差值。
所述的步骤2.2中计算获取采集数据周期的标志位的具体步骤为：
***稳定的情况下，采集的回波时间数据t成周期状态，独立分析每个周期的数据，利用精确的周期标志位来标识周期数据的起始和结束位置；
步骤2.2.1、若检测***中的探头旋转过程中用固定的标靶提供周期标志位，则直接获取；
步骤2.2.2、若检测***中没有硬件提供的周期标志位，则需要给出精确的周期标志位。
所述的步骤2.2.2中在检测***中没有硬件提供周期标志位的情况下，获得精确周期标志位的具体步骤为：
步骤2.2.2.1、取周期数据t的峰值H％的位置为特征阈值；
步骤2.2.2.2、计算获得该特征阈值上所对应的横坐标cti，其中，i＝1,2,3…,n；
步骤2.2.2.3、取cti序列的时间相邻时间差记为dcti＝cti+1-cti；
步骤2.2.2.4、以相邻时间差dcti相邻值进行对比，取较大/较小值位特征匹配组；
当dcti<dcti+1，即是(cti+1-cti)<(cti+2-cti+1)，若选小值位特征匹配组，则应该选(cti+1&cti)为一组；
步骤2.2.2.5、以特征匹配组的特征位置pti＝((1-pc)*cti+1+pc*cti)，其中0≤pc≤1；该特征位置即可作为采集周期标志位。
所述的步骤2.3中对两个探头采集数据的每个周期数据重采样的具体步骤为：
对两个探头采集的数据t1和t2的每个周期数据重采样；相邻的周期标志位之间为一个周期数据；设周期内数据为：纵坐标y＝ti～ti+k，对应的横坐标x＝ni～ni+k，该周期数据在周期标志位ptj与ptj+1之间，则是ni-1<ptj<ni,ni+k<ptj+1<ni+k+1；
步骤2.3.1、在ptj与ptj+1之间均匀的***m-1个时间点，将周期划分成等间隔的m份，与ptj与ptj+1一起记为sp0～spm，其中sp0＝ptj，spm＝ptj+1；
步骤2.3.2、以为x＝sp0～spm横坐标，在周期数据横坐标x＝ni-1～ni+k+1，纵坐标y＝ti-1～ti+k+1，中采用插值的方式获取sp0～spm相对应的纵坐标数据tsj＝y＝st0～stm。
所述的步骤3具体包括：
步骤3.1、将重采样的周期数据tsj，j＝1,2…，按周期相位角sp0～spm进行统计；
步骤3.2、统计n个周期内的某一相位角spi，i＝1,2…,m位置的数据分布；
步骤3.3、置信区间计算；
对于相位角spi(i＝1,2…,m)位置上数据记为则其1-α的置信区间算公式为：
式中：为Yi序列的平均值；
为Yi序列的样本方差；
tα2(n-1)，为正态分布的T表的对应值。
所述的步骤4对被检管材进行信号采集的具体步骤为：
对被检管材进行数据采集，并将采集到的数据按照步骤2进行周期处理，获得k个周期的数据tc1、tc2，其中，i＝1,2,3…k，k个周期数据处理一次，k值取值与***响应要求相关。
所述的步骤5中直径测量结果与标称值的差值ΔD计算的具体步骤为：
其中，t1和t2为两个直探头标定后所得的管材界面波回波时间范围；tc1、tc2为两个直探头实际测量到的管材界面波回波时间；V为标定时的名义声速；Vmod为通过参考探头实时修正到声速；
上式中表示tc1超出t1范围的值，可利用下式表示：
其中，t1max表示t1的可信数据区间上限；t1min表示t1的可信数据区间下限。
所述的步骤1中对被检管材采集数据进行标定的具体步骤为：
将标定的管材放置于检测***中，利用两个探头对被检管材进行外形尺寸数据采集，其中，采集的信号长度大于20个周期，两个探头采集的数据分别记为t1和t2；其中，探头旋转一周为一个周期。
所述的步骤2.1进行信号预处理，并滤除异常信号的具体为：利用频域滤波、中位数滤波或中值滤波的方式将采集信号中高频段、毛刺状的异常信号滤出。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其可以通过同相位角对比，最大程度地消除机械安装误差和采集***误差的影响。
具体实施方式
一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，该方法具体包括：
步骤1、对被检管材采集数据进行标定；
将标定的管材放置于检测***中，利用两个探头对被检管材进行外形尺寸数据采集，其中，采集的信号长度大于20个周期，两个探头采集的数据分别记为t1和t2；其中，探头旋转一周为一个周期；
步骤2、对采集的被检管材标定信号进行周期分析；
步骤2.1、进行信号预处理，滤除异常信号；
利用如频域滤波、中位数滤波或中值滤波的方式将采集信号中如高频段、毛刺状的异常信号滤出；
步骤2.2、计算获取采集数据周期的标志位；
***稳定的情况下，采集的回波时间数据t成周期状态，独立分析每个周期的数据，利用精确的周期标志位来标识周期数据的起始和结束位置；
步骤2.2.1、若检测***中的探头旋转过程中用固定的标靶提供周期标志位，则直接获取；
步骤2.2.2、若检测***中没有硬件提供的周期标志位，则需要给出精确的周期标志位，其具体为：
步骤2.2.2.1、取周期数据t的峰值H％的位置为特征阈值；
步骤2.2.2.2、计算获得该特征阈值上所对应的横坐标cti(i＝1,2,3…,n)；
步骤2.2.2.3、取cti序列的时间相邻时间差记为dcti＝cti+1-cti；
步骤2.2.2.4、以相邻时间差dcti相邻值进行对比，取较大/较小值位特征匹
配组；
当dcti<dcti+1，即是(cti+1-cti)<(cti+2-cti+1)，若选小值位特征匹配组，则应该选(cti+1&cti)为一组；
步骤2.2.2.5、以特征匹配组的特征位置pti＝((1-pc)*cti+1+pc*cti)，其中0≤pc
≤1；该特征位置即可作为采集周期标志位；
步骤2.3、对两个探头采集数据的每个周期数据重采样；
对两个探头采集的数据t1和t2的每个周期数据重采样；相邻的周期标志位之间为一个周期数据；设周期内数据为：纵坐标y＝ti～ti+k，对应的(采集时序)横坐标x＝ni～ni+k，该周期数据在周期标志位ptj与ptj+1之间，则是ni-1<ptj<ni,ni+k<ptj+1<ni+k+1；
步骤2.3.1、在ptj与ptj+1之间均匀的***m-1个时间点(采集时序点)，将周期划分成等间隔的m份，与ptj与ptj+1一起记为(周期相位角)sp0～spm，其中sp0＝ptj，spm＝ptj+1；
步骤2.3.2、以为x＝sp0～spm横坐标，在周期数据横坐标x＝ni-1～ni+k+1，纵坐标y＝ti-1～ti+k+1，中采用插值(线性等)的方式获取sp0～spm相对应的纵坐标数据tsj＝y＝st0～stm；
步骤3，对两探头采集数据的周期数据进行同相位数据统计分析；
步骤3.1、将重采样的周期数据tsj(j＝1,2…)按周期相位角sp0～spm进行统计；
步骤3.2、统计n个周期内的某一相位角spi(i＝1,2…,m)位置的数据分布；
步骤3.3、置信区间计算；
对于相位角spi(i＝1,2…,m)位置上数据记为则其1-α的置信区间算公式为：
式中：为Yi序列的平均值；
为Yi序列的样本方差；
tα2(n-1)，为正态分布的T表的对应值；
步骤4、对被检管材进行信号采集；
对被检管材进行数据采集，并将采集到的数据按照步骤2进行周期处理，获得k个周期的数据tc1、tc2(i＝1,2,3…k)，其中，k个周期数据处理一次，k值取值与***响应要求相关；
步骤5、计算获得被检管材的外形尺寸；
按照以下公式计算某一周期某一相位角上的管材外形尺寸Dt：
Dt＝D+ΔD
其中，ΔD为直径测量结果与标称值的差值；t1和t2为两个直探头标定后所得的管材界面波回波时间范围；tc1、tc2为两个直探头实际测量到的管材界面波回波时间；V为标定时的名义声速；Vmod为通过参考探头实时修正到声速
上式中表示tc1超出t1范围的值，可利用下式表示：
其中，t1max表示t1的可信数据区间上限；t1min表示t1的可信数据区间下限。

Claims (9)

1.一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤1、对被检管材采集数据进行标定；
步骤2、对采集的被检管材标定信号进行周期分析；
步骤2.1、进行信号预处理，滤除异常信号；
步骤2.2、计算获取采集数据周期的标志位；
步骤2.3、对两个探头采集数据的每个周期数据重采样；
步骤3、对两探头采集数据的周期数据进行同相位数据统计分析；
步骤4、对被检管材进行信号采集；
步骤5、计算获得被检管材的外形尺寸；
按照以下公式计算某一周期某一相位角上的管材外形尺寸Dt：
Dt＝D+ΔD
其中，D为标定管标称直径；ΔD直径测量结果与标称值的差值。
2.根据权利要求1所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤2.2中计算获取采集数据周期的标志位的具体步骤为：
***稳定的情况下，采集的回波时间数据t成周期状态，独立分析每个周期的数据，利用精确的周期标志位来标识周期数据的起始和结束位置；
步骤2.2.1、若检测***中的探头旋转过程中用固定的标靶提供周期标志位，则直接获取；
步骤2.2.2、若检测***中没有硬件提供的周期标志位，则需要给出精确的周期标志位。
3.根据权利要求2所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤2.2.2中在检测***中没有硬件提供周期标志位的情况下，获得精确周期标志位的具体步骤为：
步骤2.2.2.1、取周期数据t的峰值H％的位置为特征阈值；
步骤2.2.2.2、计算获得该特征阈值上所对应的横坐标cti，其中，i＝1,2,3…,n；
步骤2.2.2.3、取cti序列的时间相邻时间差记为dcti＝cti+1-cti；
步骤2.2.2.4、以相邻时间差dcti相邻值进行对比，取较大/较小值位特征匹配组；
当dcti<dcti+1，即是(cti+1-cti)<(cti+2-cti+1)，若选小值位特征匹配组，则应该选(cti+1&cti)为一组；
步骤2.2.2.5、以特征匹配组的特征位置pti＝((1-pc)*cti+1+pc*cti)，其中0≤pc≤1；该特征位置即可作为采集周期标志位。
4.根据权利要求1所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤2.3中对两个探头采集数据的每个周期数据重采样的具体步骤为：
对两个探头采集的数据t1和t2的每个周期数据重采样；相邻的周期标志位之间为一个周期数据；设周期内数据为：纵坐标y＝ti～ti+k，对应的横坐标x＝ni～ni+k，该周期数据在周期标志位ptj与ptj+1之间，则是ni-1<ptj<ni,ni+k<ptj+1<ni+k+1；
步骤2.3.1、在ptj与ptj+1之间均匀的***m-1个时间点，将周期划分成等间隔的m份，与ptj与ptj+1一起记为sp0～spm，其中sp0＝ptj，spm＝ptj+1；
步骤2.3.2、以为x＝sp0～spm横坐标，在周期数据横坐标x＝ni-1～ni+k+1，纵坐标y＝ti-1～ti+k+1，中采用插值的方式获取sp0～spm相对应的纵坐标数据tsj＝y＝st0～stm。
5.根据权利要求1所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤3具体包括：
步骤3.1、将重采样的周期数据tsj，j＝1,2…，按周期相位角sp0～spm进行统计；
步骤3.2、统计n个周期内的某一相位角spi，i＝1,2…,m位置的数据分布；
步骤3.3、置信区间计算；
对于相位角spi(i＝1,2…,m)位置上数据记为(i＝1,2…,n)，则其1-α的置信区间算公式为：
式中：为Yi序列的平均值；
为Yi序列的样本方差；
tα / 2(n-1)，为正态分布的T表的对应值。
6.根据权利要求1所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤4对被检管材进行信号采集的具体步骤为：
对被检管材进行数据采集，并将采集到的数据按照步骤2进行周期处理，获得k个周期的数据tc1、tc2，其中，i＝1,2,3…k，k个周期数据处理一次，k值取值与***响应要求相关。
7.根据权利要求1所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤5中直径测量结果与标称值的差值ΔD计算的具体步骤为：
其中，t1和t2为两个直探头标定后所得的管材界面波回波时间范围；tc1、tc2为两个直探头实际测量到的管材界面波回波时间；V为标定时的名义声速；Vmod为通过参考探头实时修正到声速；
上式中表示tc1超出t1范围的值，可利用下式表示：
其中，t1max表示t1的可信数据区间上限；t1min表示t1的可信数据区间下限。
8.根据权利要求1所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤1中对被检管材采集数据进行标定的具体步骤为：
将标定的管材放置于检测***中，利用两个探头对被检管材进行外形尺寸数据采集，其中，采集的信号长度大于20个周期，两个探头采集的数据分别记为t1和t2；其中，探头旋转一周为一个周期。
9.根据权利要求1所述的一种高转速条件下高精度自匹配外形尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤2.1进行信号预处理，并滤除异常信号的具体为：利用频域滤波、中位数滤波或中值滤波的方式将采集信号中高频段、毛刺状的异常信号滤出。
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