CN110333293B - 一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法 - Google Patents

一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，包括以下步骤：S01，选取混凝土表面适当的方形区域作为目标区域；S02，根据所选目标区域设置超声相控阵列，超声相控阵列包括多个换能器阵元，多个换能器阵元呈正方网格排列，并将待测混凝土离散为点；S03，利用网格相控超声阵列对该混凝土区域进行划分，由中间换能器阵元作为发射源向外扩散，外圈换能器阵元作为接收器进行检测，通过平移超声相控阵列来检测其他区域的缺陷位置；S04，利用所选取的阵元平面对离散后的缺陷中的各点进行相控聚焦，同时，引入单焦点的波形分集和相控聚焦成像得到缺陷中各点的图像及其在缺陷中深度方向的位置信息，即完成缺陷定位。本发明提供的一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，能够实现对混凝土缺陷的精确定位。

Description

一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法
技术领域
本发明涉及一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，属于混凝土内部缺陷的超声检测技术领域。
背景技术
当今工业的发展对材料的要求越来越高，相应地，无损检测技术作为一种对材料没有损伤的检测方法被大量的运用在工业材料中。混凝土中存在缺陷对工程上会有潜在的巨大威胁。常用的超声无损检测方法有:脉冲回波法，超声波回弹综合法等。
超声波回弹综合法主要是讲超声仪和回弹仪进行结合区分声时值和回弹值不仅可以反应混凝土表层状态，还可以反映其内部构造情况。缺点在于测量精度较低，仍需进一步提高。脉冲回波法是传统的检测方法，原理简单，操作容易但精度不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够实现对混凝土缺陷的精确定位的正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，包括以下步骤：
S01，选取混凝土表面适当的方形区域作为目标区域；
S02，根据所选目标区域设置超声相控阵列，超声相控阵列包括多个换能器阵元，多个换能器阵元呈正方网格排列，并将待测混凝土离散为点；
S03，利用网格相控超声阵列对该混凝土区域进行划分，由中间换能器阵元作为发射源向外扩散，外圈换能器阵元作为接收器进行检测，通过平移超声相控阵列来检测其他区域的缺陷位置；
S04，利用所选取的阵元平面对离散后的缺陷中的各点进行相控聚焦，同时，引入单焦点的波形分集和相控聚焦成像得到缺陷中各点的图像及其在缺陷中深度方向的位置信息，即完成缺陷定位。
S02中，超声相控阵列为8×8阵列结构。
S03中，1×1网格中的4个换能器阵元作为发射源，由3×3和5×5网格周围的换能器阵元的探头作为接收器。
S04中，为了确定二维面各阵元的相控延迟时间，利用单焦点扫描声场来获得横向和侧向的声束聚焦和偏转，计算方式如下；
Figure BDA0002163358450000021
xf＝zftanθf,yf＝zftanφf (2)
zf＝[F2/(1+tan2θf+tan2φf)]1/2 (3)
上述式中，θf为焦点的横向偏转角，φf为侧向偏转角，F为焦距，xf、yf和zf对应坐标原点到声束聚焦点F的x、y和z方向的距离。
使换能器各个阵元发射的声波同时到达焦点，即实现集合聚焦，各个阵元的相控延迟值为:
Figure BDA0002163358450000022
其中，(xc,yc,zc)是计算相控延迟值的参考点，通常取阵列换能器的中心作为参考点，因此中心阵元的延迟值一般取0。c为工件内部声速，tij表示阵列换能器中某点坐标(xij,yij,0)的阵元ij到焦点的声波传输时间。
S04中，L个焦点扫描的时空间场r处的能量沉积：
Figure BDA0002163358450000023
式中，H′(rl)＝H(rl)/|H(rl)|，表示该矢量除以它的模矢量，Q(r,Nl)表示子脉冲数为Nl，阵列完成发送对应的激励振速矩阵时，空间场点r处的能量沉积。H(r)为前向传播算子，HH(r1)为焦点位置为r1时阵元激励的复数振速矢量，H′H(r1)为该矢量除以它的模矢量，HH(r)是H(r)的共轭转置矩阵。
相控聚焦成像法则为：
Figure BDA0002163358450000031
式中，htx,rx为对应发射-接收阵元的回波的信号幅值，xtx为发射阵元坐标，xrx为接收阵元坐标，I为成像结果图中的像素值，x和z为聚焦点的横纵坐标。
本发明的有益效果：本发明提供一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，通过“正方”网格相控超声阵列，为待测混凝土内可能出现的缺陷，提供合适的阵元面分布。在进行检测时，首先选择混凝土目标区域，然后选用合适规格摆放的阵元形成一个正方形网格分布。以“1×1”网格点作为发射源，***布置的方形位置网格的探头作为接收端以对缺陷进行相控聚焦，进而形成混凝土内缺陷曲线，可实现对其内缺陷的精确定位，且定位范围及效率得到提高。
附图说明
图1为本发明中“方形”网格相控超声阵列示意图；
图2为本发明中方形网格相控超声阵列扩大***布置的阵列示意图；
图3为本发明中网格相控超声阵列应用的结构示意图；
图4为本发明二维阵列声束的三维控制图；
图5为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图5所示，本发明提供一种正方网格相控超声阵列激发与检混凝土缺陷的方法，包括以下步骤：
步骤一，选取混凝土表面适当的方形区域作为目标区域。
步骤二，根据所选目标区域设置超声相控阵列，超声相控阵列包括多个换能器阵元，超声相控阵列中换能器阵元既可以作为发射也可以作为接收器。多个换能器阵元呈正方网格排列，组成1个等阵元的平面阵列，并以方形形式排放在所测混凝土区域，并将待测混凝土离散为点。本实施例中，超声相控阵列为8×8阵列结构，并以工件尺寸选择合适的阵元间距，将三维混凝土变成二维平面网状结构。
步骤三，利用网格相控超声阵列对该混凝土区域进行划分，由中间换能器阵元作为发射源向外扩散，外圈换能器阵元作为接收器进行检测，通过平移超声相控阵列来检测其他区域的缺陷位置。如图1和图2所示，1×1网格中的4个换能器阵元作为发射源，由3×3或者5×5网格周围的换能器阵元的探头作为接收器。如图3所示，结合图3所示，阵元以方形网格的形式摆放在混凝土表面，以多发多收的形式获得更加精确的缺陷定位。
确定缺陷于混凝土的位置之后，基于相控聚焦技术，对该阵元网格范围内的区域进行相控聚焦处理。该阵元阵列区域包含混凝土内部缺陷的所有信息，仅对该平面下部区域进行相控聚焦处理就可以得到详细的缺陷信息，简化复杂的三维为较简单的二维来处理，可以减少工作量，提高检测速度，保证检测的正确性。
步骤四，利用所选取的阵元平面对离散后的缺陷中的各点进行相控聚焦，以发射源中的4个换能器阵元作为激励发射超声波信号，每次***布置的正方形未知的探头接收所有换能器阵元的回波信号。根据发射、接收换能器阵元中对应波形曲线的不同，进而判断缺陷处于哪个网格，以达到对缺陷的定位。
为了确定二维面各阵元的相控延迟时间，利用单焦点扫描声场来获得横向和侧向的声束聚焦和偏转，计算方式如下；
Figure BDA0002163358450000051
xf＝zftanθf,yf＝zftanφf (2)
zf＝[F2/(1+tan2θf+tan2φf)]1/2 (3)
上述式中，θf为焦点的横向偏转角，φf为侧向偏转角，F为焦距，如图4所示，xf、yf和zf对应坐标原点到声束聚焦点F的x、y和z方向的距离。
使换能器各个阵元发射的声波同时到达焦点，即实现集合聚焦，各个阵元的相控延迟值为:
Figure BDA0002163358450000052
其中，c为工件内部声速，(xc,yc,zc)是计算相控延迟值的参考点。通常取阵列换能器的中心作为参考点，因此中心阵元的延迟值一般取0。tij表示阵列换能器中某点坐标(xij,yij,0)的阵元ij到焦点的声波传输时间，如图4所示。Δtij表示阵元ij的相控延迟值。
单焦点扫描在合理的阵元布局下，每次改变焦点位置时，各阵元都需要以新的幅值和相位重新发射相移波形，焦点位置切换的速度相对较慢。本发明是基于单焦点扫描的波形分集方法来实现对多个阵元的聚焦。
L个焦点扫描的时空间场r处的能量沉积：
Figure BDA0002163358450000053
式中，H′(rl)＝H(rl)/|H(rl)|，表示该矢量除以它的模矢量，所对应的阵列激励振速矩阵中所有元素的模值为1，即各阵元的激励信号幅值相等且不随子脉冲数改变。解决了单焦点扫描时变换焦点的局限性问题。Q(r,Nl)表示子脉冲数为Nl，阵列完成发送对应的激励振速矩阵时，空间场点r处的能量沉积。H(r)为前向传播算子，HH(r1)为焦点位置为r1时阵元激励的复数振速矢量，H′H(r1)为该矢量除以它的模矢量，HH(r)是H(r)的共轭转置矩阵。
相控聚焦成像法则为：
Figure BDA0002163358450000061
式中，htx,rx为对应发射-接收阵元的回波的信号幅值，xtx为发射阵元坐标，xrx为接收阵元坐标，I为成像结果图中的像素值，x和z为聚焦点的横纵坐标。
本发明是通过引入“正方”网格换能器阵列来对混凝土进行检测。并将三维缺陷问题转换为二维平面网状问题。由中间向外扩散进行检测，同时平移装置来对其他区域进行检测。在相控聚焦时，以单焦点扫描方式的基础上引入波形分集方法来实现对多个阵元的聚焦。能够确定各阵元的相控延迟，还能避免单焦点扫描时每次改变焦点位置，各阵元都需要以新的幅值和相位重新发射相移波形这一局限性，同时，单焦点波形分集法还可以将超声阵列发射的声能量沉积在选定区域，减少进入周围区域的能量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，选取混凝土表面适当的方形区域作为目标区域；
S02，根据所选目标区域设置超声相控阵列，超声相控阵列包括多个换能器阵元，多个换能器阵元呈正方网格排列，并将待测混凝土离散为点；
S03，利用网格相控超声阵列对该混凝土区域进行划分，由中间换能器阵元作为发射源向外扩散，外圈换能器阵元作为接收器进行检测，通过平移超声相控阵列来检测其他区域的缺陷位置；
S04，利用所选取的阵元平面对离散后的缺陷中的各点进行相控聚焦，同时，引入单焦点的波形分集和相控聚焦成像得到缺陷中各点的图像及其在缺陷中深度方向的位置信息，即完成缺陷定位。
2.根据权利要求1所述的一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，其特征在于：S02中，超声相控阵列为8×8阵列结构。
3.根据权利要求1所述的一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，其特征在于：S03中，1×1网格中的4个换能器阵元作为发射源，由3×3和5×5网格周围的换能器阵元的探头作为接收器。
4.根据权利要求1所述的一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，其特征在于：S04中，为了确定二维面各阵元的相控延迟时间，利用单焦点扫描声场来获得横向和侧向的声束聚焦和偏转，计算方式如下；
Figure FDA0003105893420000011
xf＝zftanθf,yf＝zftanφf (2)
zf＝[F2/(1+tan2θf+tan2φf)]1/2 (3)
上述式中，θf为焦点的横向偏转角，φf为侧向偏转角，F为焦距，xf、yf和zf对应坐标原点到声束聚焦点F的x、y和z方向的距离。
5.根据权利要求4所述的一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，其特征在于：使换能器各个阵元发射的声波同时到达焦点，即实现集合聚焦，各个阵元的相控延迟值为:
Figure FDA0003105893420000021
其中，(xc,yc,zc)是计算相控延迟值的参考点，c为工件内部声速，tij表示阵列换能器中某点坐标(xij,yij,0)的阵元ij到焦点的声波传输时间。
6.根据权利要求1所述的一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，其特征在于：S04中，L个焦点扫描的时空间场r处的能量沉积：
Figure FDA0003105893420000022
式中，H′(rl)＝H(rl)/|H(rl)|，表示该矢量除以它的模矢量，Q(r,Nl)表示子脉冲数为Nl，阵列完成发送对应的激励振速矩阵时，空间场点r处的能量沉积，H(r)为前向传播算子，HH(r1)为焦点位置为r1时阵元激励的复数振速矢量，H′H(r1)为该矢量除以它的模矢量，HH(r)是H(r)的共轭转置矩阵。
7.根据权利要求5所述的一种正方网格相控超声阵列激发与检测混凝土缺陷的方法，其特征在于：相控聚焦成像法则为：
Figure FDA0003105893420000023
式中，htx,rx为对应发射-接收阵元的回波的信号幅值，xtx为发射阵元坐标，xrx为接收阵元坐标，I为成像结果图中的像素值，x和z为聚焦点的横纵坐标。
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