CN111611778B - 适用于平面波超声成像***演示的验证试块及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于平面波超声成像***演示的验证试块的设计方法包括如下步骤：确定试块的尺寸；确定字符位置；确定字符的字体和字号；确定横通孔的位置：通过多线段或弧形绘制出字符的形状，将多线段和/或弧形分割成若干份，在每个分割点处绘制表示横通孔的圆形，确定横通孔在试块上的位置，得到字符草图；验证：将字符草图导入超声仿真软件中，在每个圆形区域放置设计尺寸的横通孔，选择平面波成像，进行仿真计算，确认试块的有效性。本发明的适用于平面波超声成像***演示的验证试块的设计方法，通过在试块的厚度方向上开设贯穿的横通孔来形成字符，验证试块在进行平面波成像时，探头仅需要沿试块长度方向移动，演示程序速度快，且试块的厚度不受限制。

Description

适用于平面波超声成像***演示的验证试块及其设计方法

技术领域

本发明具体涉及一种适用于平面波超声成像***演示的验证试块的设计方法以及根据该设计方法制备出的适用于平面波超声成像***演示的验证试块。

背景技术

相控阵超声成像近年来随着计算机硬件水平的越发强大以及软件算法的日益成熟，在工业上的应用越来越广泛。基于相控阵超声的C扫描成像也被广泛应用于超声检测设备性能的测试以及仪器厂商或者无损检测检测单位品牌的推广。现有的相控阵超声演示试块是将演示字符以浅槽的形式刻在金属薄板上，如图1所示。演示时使用线阵相控阵探头利用相控阵超声仪进行电子扫描成像并在演示试块上实施栅格型扫查完成演示试块上字符的成像，需要从演示试块长度和宽度两个方向移动探头才能成像。

在成像的过程中，相控阵探头中的晶片被单独激发，在某个位置的电子扫描成像是通过沿探头长度方向通过软件设置分时多路切换晶片进而移动探头声束，最终完成整个成像工作。在使用相控阵超声技术扫查演示试块时，探头需沿着试块的长度和宽度两个方向移动，根据试块厚度和刻槽深度在仪器中选择合适的闸门位置，确保槽反射波保持在闸门中，调整仪器的调色板使刻槽反射波和未刻槽区域普通底面反射波的波幅差异可以明显区分，将显示视图设置为C扫描成像，整个试块扫查完成后最终显示出演示试块上的特定字符。

但是这样的演示试块以及成像过程存在以下的缺陷：1、演示过程成像速度慢，需要从演示试块长度和宽度两个方向移动探头；2、演示试块中特定字符刻槽的深度为固定值或者几个有限的特定值，不能在一个较大的深度范围区间验证仪器的性能；3、试块仅能用于显示特定的字符，无法充分展示设备性能；4、试块厚度受限，不能过厚；5、试块字符刻槽尺寸过大，使用功能过于侧重品牌宣传，无法展示设备成像的技术能力。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种平面波超声成像***用演示验证试块的设计方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种适用于平面波超声成像***演示的验证试块的设计方法包括如下步骤：

1)确定试块的尺寸：根据需要演示的字符数量和字符大小确定试块的尺寸；

2)确定字符位置：采用模拟软件绘制试块的轮廓，并确定每个字符在试块上的位置；

3)确定字符的字体和字号：结合步骤2)中的字符位置，并利用所述模拟软件确定字符的字体和字号，使字符的边缘距离试块的边缘大于或等于20mm；

4)确定横通孔的位置：利用所述模拟软件通过多线段或弧形绘制出字符的形状，并将多线段和/或弧形分割成若干份，在每个分割点处绘制表示横通孔的圆形，确定横通孔在试块上的位置，然后删除多段线或者弧形，得到字符草图；所述横通孔贯穿试块的厚度方向，且每个所述横通孔的延伸方向平行于所述试块的厚度方向；

5)验证：将步骤4)中绘制得到的字符草图导入超声仿真软件中，将字符草图拉伸成步骤1)中确定的试块实际尺寸；在字符草图中每个圆形区域放置设计尺寸的横通孔，导入检测用的探头和楔块参数，选择平面波成像，探头移动方向设置为试块的长度方向，扫查面为所述试块的顶面，进行仿真计算，确认试块的有效性；若无效，则返回步骤4)中重新确定横通孔的位置，之后再次验证。

本发明的验证试块的设计方法，通过在试块的厚度方向上开设贯穿的横通孔来形成字符，得到的演示用验证试块在进行平面波成像时，探头仅需要沿试块长度方向移动，演示程序速度快，能够更好的展现和测试仪器的性能，且试块的厚度不受限制。且增加了验证的步骤，在验证环节能够重新调整横通孔的位置，使得最终的试块在成像时的演示效果更好。

验证试块为一个长方体，横通孔从验证试块的正面贯穿到验证试块的背面，字符的形状可以从验证试块的正面和背面看出。成像演示时，探头位于验证试块的顶面进行扫查，探头发出的超声从验证试块的顶面沿着试块的高度方向向下传播。

根据本发明的一些优选实施方面，步骤5)中将平面波成像范围设置为试块中字符所在区域，成像区域的深度大于或等于所述扫查面至试块中字符底端之间的距离，成像的长度方向大于单个字符的宽度，成像的步进值小于或等于横通孔的直径。成像区域的深度为从探头开始沿着试块的高度方向向下延伸的深度，其需要大于等于试块的顶面到字符的底端之间的距离，以将字符完全成像显示。成像的长度方向需大于单个字符的跨度以将一个字符完整的显示。成像的步进值代表着成像的质量，以将字符更好地显示，体现仪器的性能。

根据本发明的一些优选实施方面，所述成像的长度方向大于单个字符的宽度通过如下步骤设置：在超声仿真软件中设置两个定位孔，两个所述定位孔位于同一水平面上；所述定位孔的水平高度高于试块上的各个字符中横通孔的最高高度或者与其齐平；两个所述定位孔之间的距离大于或等于试块上的各个字符中横通孔在水平方向上的最远距离，使得形成平面波成像夹角的两边位于两个定位孔的外侧。通过这样的设置，使得平面波成像范围能够包括字符中体积相对最大的字符，这样体积较小的字符自然也可以在成像范围内。

根据本发明的一些优选实施方面，所述成像的步进值不超过横通孔直径的五分之一。若成像的步进值太大，则成像扫描时，横通孔无法清晰显示甚至无法正常显示。

根据本发明的一些优选实施方面，所述横通孔的直径为0.5mm～3mm。横通孔最小直径为0.5mm，若横通孔的直径过小，加工技术上难度太大，也超出了目前超声仪器的检测能力；直径过大，则很容易被仪器检测，失去了验证试块的意义，无法评判不同检测仪器之间能力的高低。

横通孔之间的最小间距需要根据使用的探头和试块的材质、横通孔放置的位置等参数，利用带有缺陷响应功能的超声仿真软件计算确认，试块设计时横通孔间的间距要大于仿真算出的最小间距。横通孔之间的间距直接代表着后续进行演示的仪器的性能。如横通孔之间的间距很小，但是仪器仍然能够很好的事先成像，则该仪器的性能优异。

根据本发明的一些优选实施方面，所述验证试块上的字符具有5°～45°的倾斜角度。将字符设定呈一定的倾斜角，使得验证试块在被扫描成像时，所有的横通孔都能够成像显示出来，避免上方的横通孔将下方的横通孔遮挡，导致超声无法传播，字符无法完全显示，影响扫描成像的质量。

根据本发明的一些优选实施方面，所述字符的倾斜角度为15°。

根据本发明的一些优选实施方面，所述平面波超声成像***包括带有平面波成像功能的超声仪，所述超声仪的最小通道数为128:128PR，优选通道位数为256:256PR；所述超声仪的探头为线阵相控阵超声探头或面阵相控阵探头；探头搭配的楔块为0°楔块。

根据本发明的一些优选实施方面，所述超声仪的探头为线阵相控阵探头时，晶片数量至少为128个；所述超声仪的探头为面阵相控阵探头时，晶片数量至少为256个。

验证试块的材质，一般选择钢制或者铝制试块。

根据本发明的一些优选实施方面，所述模拟软件为CAD。

本发明还提供了一种根据上述设计方法制备出的适用于平面波超声成像***演示的验证试块。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的适用于平面波超声成像***演示的验证试块的设计方法，其步骤设计合理，通过在试块的厚度方向上开设贯穿的横通孔来形成字符，得到的演示用验证试块在进行平面波成像时，探头仅需要沿试块长度方向移动，演示程序速度快，能够更好的展现和测试仪器的性能，且试块的厚度不受限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的验证试块的立体示意图；

图2为本发明优选实施例中的验证试块的立体示意图；

图3为本发明优选实施例中的验证试块的尺寸示意图；

图4为本发明优选实施例的验证试块进行平面波超声演示的实际效果图一；

图5为本发明优选实施例的验证试块进行平面波超声演示的实际效果图二；

图6为本发明优选实施例的验证试块进行平面波超声演示的实际效果图三；

图7为本发明优选实施例的设计方法在确定超声角度时的示意图；

附图中，试块-1，横通孔-2，探头-3，定位孔-4。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参照图2-7，本实施例的适用于平面波超声成像***演示的验证试块通过以下设计方法设计，具体包括如下步骤：

1)确定试块的尺寸

根据需要演示的字符数量和字符大小确定试块的尺寸，其中试块的宽度根据探头配套楔块的尺寸确认。在使用位置编码器时，可以根据楔块和编码器组合的宽度来确定试块的宽度。

本实施例中的字符为“NDT”。本实施例中的验证试块的整体长度为400mm，高度为60mm，厚度为35mm。验证试块的材质一般选择钢制或者铝制试块。

如图2所示，验证试块为长方体，字符由多个贯穿试块厚度方向的横通孔组成，横通孔从验证试块的正面贯穿到验证试块的背面，字符的形状可以从验证试块的正面和背面看出。

2)确定字符位置

采用模拟软件绘制试块的轮廓，并确定每个字符在试块上的位置。本实施例中采用的模拟软件为CAD。本实施例中的字符“NDT”均匀的分布在验证试块上，N与D之间的距离与D和T之间的距离相同。

3)确定字符的字体和字号

结合步骤2)中的字符位置，并利用模拟软件确定字符的字体和字号，使字符的边缘距离试块的边缘大于或等于20mm。

本实施例中字符的顶端距离验证试块的顶面为20mm，字符的底端距离验证试块的底面为21mm。字符的两端距离验证试块的两个侧面的距离分别为85mm和86mm。

本实施例中的字符还具有15°的倾斜角度。将字符设定呈一定的倾斜角，使得验证试块在被扫描成像时，所有的横通孔都能够成像显示出来，避免上方的横通孔将下方的横通孔遮挡，导致超声无法传播，字符无法完全显示，影响扫描成像的质量。在其他的一些实施例中，倾斜角度可以设置为5°～45°的范围。

步骤1、2、3具体如下操作：在CAD软件中绘制好试块的轮廓(长度和高度)，通过绘制辅助线的方式圈定试块上每个字符的位置。利用CAD软件的文本输入功能输入字符，选择好字符的字体，并设置合适的字号使其尽可能沾满圈定区域的空间，并使得字符的边缘与试块的边缘有一定的距离。

4)确定横通孔的位置

利用模拟软件CAD的多段线和圆弧绘制功能沿着输入字符的轨迹画出试块上加工字符的基本形状，并利用CAD软件的定数等分功能将多线段和弧形分割成若干份，在每个分割点处绘制表示横通孔的圆形，确定横通孔在试块上的位置，然后删除构成字符的多段线和弧形，得到字符草图；横通孔贯穿试块的厚度方向，且每个横通孔的延伸方向平行于试块的厚度方向。

本实施例中的横通孔的直径为0.5mm。若横通孔的直径过小，加工技术上难度太大，也超出了目前超声仪器的检测能力；直径过大，则很容易被仪器检测，失去了验证试块的意义，无法评判不同检测仪器之间能力的高低。

横通孔之间的最小间距需要根据使用的探头和试块的材质、横通孔放置的位置等参数，利用带有缺陷响应功能的超声仿真软件计算确认即步骤5)，试块设计时横通孔间的间距要大于仿真算出的最小间距。横通孔之间的间距直接代表着后续进行演示的仪器的性能。如横通孔之间的间距很小，但是仪器仍然能够很好的事先成像，则该仪器的性能优异。

5)验证

将步骤4)中绘制得到的字符草图导入带有缺陷响应功能的超声仿真软件中，将字符草图拉伸成步骤1)中确定的试块实际尺寸；在字符草图中每个圆形区域放置设计尺寸的横通孔，本实施例中即为直径0.5mm的横通孔，导入检测用的探头和楔块参数，选择选择平面波成像，探头移动方向设置为试块的长度方向，扫查面为所述试块的顶面，进行仿真计算，确认试块的有效性；若无效，则返回步骤4)中重新确定横通孔的位置，之后再次验证，直至验证有效。

如图3所示。验证试块在成像演示时，探头位于验证试块的顶面进行扫查，探头发出的超声从验证试块的顶面沿着试块的高度方向向下传播。

仿真计算时，将平面波成像范围设置为试块中字符所在区域，成像区域的深度大于或等于扫查面至试块中字符底端之间的距离，成像的长度方向大于单个字符的宽度，成像的步进值小于或等于横通孔的直径，本实施例中的成像的步进值为横通孔直径的五分之一。若成像的步进值太大，则成像扫描时，横通孔无法清晰显示甚至无法正常显示，设置成横通孔直径的五分之一能够很好的将横通孔显示出来。成像区域的深度为从探头开始沿着试块的高度方向向下延伸的深度，其需要大于等于试块的顶面到字符的底端之间的距离，以将字符完全成像显示。成像的步进值代表着成像的质量，以将字符更好地显示，体现仪器的性能。

为了保证成像的长度方向需大于单个字符的跨度以将一个字符完整的显示，本实施例通过以下步骤实现：在超声仿真软件中设置两个定位孔，两个所述定位孔位于同一水平面上；所述定位孔的水平高度高于试块上的各个字符中横通孔的最高高度或者与其齐平；两个所述定位孔之间的距离大于或等于试块上的各个字符中横通孔在水平方向上的最远距离，使得形成平面波成像夹角的两边位于两个定位孔的外侧。通过这样的设置，使得平面波成像范围能够包括字符中体积相对最大的字符，这样体积较小的字符自然也可以在成像范围内。如图7所示，在本实施例中，假设试块1上字体T的跨度最大，即字符T中同一水平高度上的两端横通孔2的间距最大，定位孔4设置在该水平高度的左右两端的横通孔2的上方，将探头3放置在两个定位孔4的中间上方位置，探头3超声的夹角将该定位孔4包括在内，通过仿真试验确定平面波成像的角度范围，确保在探头静止时两个定位孔能够同时成像，使得在成像时，整个字符T都能够完全成像扫描到，也保证了其他跨度较小的字符也能够完全被成像扫描到。

平面波超声成像***包括带有平面波成像功能的超声仪，超声仪的最小通道数为128×128，优选通道位数为256×256；超声仪的探头为线阵相控阵超声探头或面阵相控阵探头，超声仪的探头为线阵相控阵探头时，晶片数量至少为128个；超声仪的探头为面阵相控阵探头时，晶片数量至少为256个；探头搭配的楔块为0°楔块。

本实施例中验证试块中横通孔的坐标位置如表1所示，得到的试块进行平面波超声演示的效果图如图4-6所示。

表1验证试块中横通孔坐标示例(单位：mm)

表1中，编号1-23的孔形成字符N，编号24-49的孔形成字符D，编号50-64的孔形成字符T。且由于孔为贯穿试块厚度方向的横通孔，所述只需要用X和Y来表示孔的位置即可。图4-6为采用本实施例中设计得到的试块，并匹配相应的超声仪(通道位数为256:256PR，0°楔块)进行平面波超声扫描得到的实际效果图。

本发明的方法设计的平面波超声成像(PlaneWaveImage)演示试块主要用于试块上特定字符的平面波成像，也可以用于测试平面波仪器的性能。试块上显示的字符，采用横通孔拼凑而成，在进行演示时，探头仅需要沿试块长度方向移动，试块上的字符就能在平面波超声仪器中顺利显示出来，演示程序速度快；在品牌宣传的同时可以用于测试仪器性能；只要满足现有仪器性能和探头加工水平，试块的厚度不受限。本发明的设计方法适用范围广，能够适用于模具生产厂家、超声检测仪器厂商、检测公司、检测行业科研院所或行业协会等单位及个人基于平面波超声检测技术设计演示试块用于品牌宣传和技术能力的展示。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于平面波超声成像***演示的验证试块的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：

1)确定试块的尺寸：根据需要演示的字符数量和字符大小确定试块的尺寸；

2)确定字符位置：采用模拟软件绘制试块的轮廓，并确定每个字符在试块上的位置；

3)确定字符的字体和字号：结合步骤2)中的字符位置，并利用所述模拟软件确定字符的字体和字号，使字符的边缘距离试块的边缘大于或等于20mm；

4)确定横通孔的位置：利用所述模拟软件通过多线段或弧形绘制出字符的形状，并将多线段和/或弧形分割成若干份，在每个分割点处绘制表示横通孔的圆形，确定横通孔在试块上的位置，然后删除多段线或者弧形，得到字符草图；所述横通孔贯穿试块的厚度方向，且每个所述横通孔的延伸方向平行于所述试块的厚度方向；

5)验证：将步骤4)中绘制得到的字符草图导入超声仿真软件中，将字符草图拉伸成步骤1)中确定的试块实际尺寸；在字符草图中每个圆形区域放置设计尺寸的横通孔，导入检测用的探头和楔块参数，选择平面波成像，探头移动方向设置为试块的长度方向，扫查面为所述试块的顶面，进行仿真计算，确认试块的有效性；若无效，则返回步骤4)中重新确定横通孔的位置，之后再次验证；

步骤5)中进行仿真计算时，将平面波成像范围设置为试块中字符所在区域，成像区域的深度大于或等于所述扫查面至试块中字符底端之间的距离，成像的长度方向大于单个字符的宽度，成像的步进值小于或等于横通孔的直径；

所述成像的长度方向大于单个字符的宽度通过如下步骤设置：在超声仿真软件中设置两个定位孔，两个所述定位孔位于同一水平高度上；所述定位孔的水平高度高于试块上的每个字符中横通孔的最高高度或者与其齐平；两个所述定位孔之间的距离大于或等于试块上的每个字符中横通孔在水平方向上的最远距离，形成平面波成像夹角的两边位于两个定位孔的外侧。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述成像的步进值不超过横通孔直径的五分之一。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述横通孔的直径为0.5mm～3mm。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述验证试块上的字符具有5°～45°的倾斜角度。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述字符的倾斜角度为15°。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的设计方法，其特征在于，所述平面波超声成像***包括带有平面波成像功能的超声仪，所述超声仪的最小通道数为128个全并行发射/接收通道，所述超声仪的探头为线阵相控阵超声探头或面阵相控阵探头。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述超声仪的探头为线阵相控阵探头时，晶片数量至少为128个；所述超声仪的探头为面阵相控阵探头时，晶片数量至少为256个。

8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的设计方法制备出的适用于平面波超声成像***演示的验证试块。