CN113552218A - 基于阵列超声信号幅值和相位特征加权的缺陷定性检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于阵列超声信号幅值和相位特征加权的缺陷定性检测方法,其属于无损检测技术领域。该方法采用相控阵超声检测仪、相控阵超声探头和楔块构成的检测***,采集包括直接、半跨和全跨模式在内的21种模式波的全矩阵数据;针对待检测区域的每个重建点,同时考虑阵列超声信号中各模式波的幅值和相位特征,分别对21种模式波实施延时叠加处理并筛选最强能量;在此基础上,提取相位信息进行加权成像,给出待测缺陷轮廓特征,从而实现弹性各向异性与各向同性材料中缺陷的定性辨识。该方法可对未知的面积型缺陷和体积型缺陷进行轮廓重建,缺陷判读直观,且定性和定量检测结果准确,具有较广阔工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于阵列超声信号幅值和相位特征加权的缺陷定性检测方法,其属于无损检测技术领域。
背景技术
缺陷定性检测是无损检测领域的关注重点。对于表面缺陷,可采用目视检测或渗透检测区分类型;对于内部缺陷,可采用射线检测或超声检测。射线检测能够直观呈现缺陷形态特征,但无法给出缺陷深度信息,且在厚壁结构检测时受限。与之相比,超声检测具有较高的检测灵敏度和穿透力,适用范围广,在识别缺陷性质信息的同时,实现缺陷精准定量和定位。
常规超声检测主要依据A扫描信号的波形和幅值等信息综合判断缺陷性质,受耦合状况、人因因素,以及材料引起的结构噪声影响较大(郑中兴等.第三专题超声检测中缺陷的定性.无损检测.1994,16(1):24-27)。随后,相控阵超声检测技术得到发展,根据扫查图像中缺陷上下端点信号幅值比与缺陷宽高比的定量关系,可以判断缺陷趋近于面积型缺陷或是体积型缺陷(Nardoni G,et al.Experimental determination of discriminationcriteria between volumetric and planar defects by means of ultrasonic pulse-echo/phased array technique based on the ratio of diffracted echoes inwelding examination.Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring2012,54(4):221-224)。然而,相控阵超声检测往往仅能给出面积型缺陷端点信息,容易将其误判为多个体积型缺陷。在此基础上,多种信号后处理方法得到发展,通过呈现面积型缺陷轮廓特征,以准确判定缺陷类型。其中,逆时偏移方法对体积型和面积型缺陷均有较好重建效果,但成像效果易受噪声影响,且计算效率较低(徐琰锋等.纵向带状裂隙形貌的逆时偏移超声成像.物理学报.2014,63(15):239-246)。全聚焦方法可以表征取向与主声束方向接近垂直的面积型缺陷轮廓特征。考虑到面积型缺陷的取向变化,可应用多模式全聚焦方法,利用不同声束路径下的模式波进行缺陷轮廓重建和定性区分,但模式波选取要依赖一定的缺陷先验信息(JinS J,et al.Comparison of morphology characterization forregular cracks with multi-mode total focusing method.Far East NDT NewTechnology&Application Forum 2019.Qingdao,China)。为解决该问题,全模式全聚焦方法通过逐点选择包括3种直接、8种半跨和10种全跨模式在内的21种模式波中的能量最强信号,延时叠加实现不同取向裂纹的轮廓重建(金士杰等.基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测.仪器仪表学报.2021,42(1):183-190)。需要指出的是,该方法仅利用了阵列超声信号的幅值特征,导致适用性受材料限制,难以实现弹性各向异性材料中缺陷的定性检测。
发明内容
本发明提供一种基于阵列超声信号幅值和相位特征加权的缺陷定性检测方法,其目的是针对弹性各向异性材料中缺陷定性检测困难的问题,利用相控阵超声检测仪采集全矩阵数据并同时提取阵列信号的幅值和相位特征,对被检区域每点实施模式选取、延时叠加和加权成像,实现体积型和面积型缺陷的定性区分。
本发明采用的技术方案是:采用由相控阵超声检测仪、相控阵超声探头和楔块构成的检测***,采集包括3种直接、8种半跨和10种全跨模式在内的21种模式波的全矩阵数据;针对待检测区域的每个重建点,同时考虑阵列超声信号中各模式波的幅值和相位特征,分别对21种模式波实施延时叠加处理并筛选最强能量;在此基础上,提取相位信息进行加权成像,给出待测缺陷轮廓特征,从而实现弹性各向异性与各向同性材料中缺陷的定性辨识;所述方法采用下列步骤:
(a)相控阵超声检测参数选择
根据待测样品的材料、形状和尺寸信息,选择相控阵超声探头频率与阵元,以及匹配的楔块;
(b)全矩阵数据采集
连接步骤(a)中选择的相控阵超声探头、楔块和相控阵超声检测仪,采集包含n2个A扫描信号的全矩阵数据,n为相控阵超声探头的阵元数量;
其中,第i个阵元发射并由第j个阵元接收的信号定义为Sij(),其中,1≤i≤n;1≤j≤n;
(c)重建区域网格划分
将待测样品的重建区网格化,各网格节点均为图像重建点,任意图像重建点P的坐标定义为(a,b);
(d)模式波延时叠加处理
成像中利用直接模式、半跨模式和全跨模式共计21种具有不同传播路径的模式波;提取信号幅值特征,对于第k种模式波,在P点处的延时叠加成像幅值Ik(a,b)由式(1)给出,其中,1≤k≤21
式中,tij-k(a,b)表示第k种模式波下,第i个阵元激励信号传播至点P(a,b)后,被第j个阵元接收所用时间,可根据费马定理计算得到;
从21种模式波的延时叠加成像幅值Ik(a,b)中筛选最强能量,即为P点的重建幅值IA(a,b)
(e)基于相位特征的加权处理
对于步骤(b)中的全矩阵数据中的每个信号Sij(),利用欧拉公式进行Hilbert变换,可得相位信息
利用提取的信号相角,构建第k种模式波在P点处的加权因子Ck(a,b),如式(4)所示
式中,var为标准差;
随后,结合加权因子,利用式(5)对步骤(d)中的重建幅值IA(a,b)进行加权,得到该点新的幅值I(a,b),从而实现噪声抑制;
(f)缺陷定性和定量检测
重复步骤(d)-(e)过程,对重建区域逐点进行延时叠加和加权处理,得到重建图像;根据图像中缺陷轮廓特征判定其为体积型缺陷还是面积型缺陷,实现定性检测;最后,根据轮廓呈现结果确定缺陷深度,以及面积型缺陷的尺寸和倾斜角度。
本发明的有益效果是:这种基于阵列超声信号幅值和相位特征加权的缺陷定性检测方法利用一套相控阵探头楔块组合,同时考虑阵列超声信号的幅值和相位特征,实现弹性各向异性和各向同性材料中未知面积型缺陷和体积型缺陷的定性识别。同时,该方法涉及的算法可嵌入到相控阵超声检测仪中,缺陷判读直观,定性和定量检测结果准确,具有较高的工程应用和推广价值。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
图1是采用的超声检测***示意图。
图2A和图2B是加工了裂纹(图2A)和相邻通孔(图2B)的不锈钢试块示意图。
图3A和图3B是仅考虑阵列信号中各模式波幅值特征时,裂纹(图3A)和孔(图3B)的成像结果。
图4A和图4B是同时考虑阵列信号中各模式波幅值和相位特征时,裂纹(图4A)和孔(图4B)的加权成像处理结果。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。
应当了解,所附附图并非按比例地绘制,而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
基于加权成像处理的缺陷定性检测方法,采用的超声检测***如图1所示,其中包括相控阵超声检测仪、相控阵超声探头、倾斜有机玻璃楔块。具体检测及处理步骤如下:
(a)被检试块为厚度40mm的不锈钢试块,试块1中加工了中心深度24mm、长度4mm、取向角度45°的裂纹(竖直方向为0°,顺时针方向为正);试块2中加工了直径1mm、中心间距4mm、中心深度分别为22.6mm和25.4mm、中心取向角度45°的相邻通孔,其连线的中心深度为24.0mm,如图2所示。
(b)利用相控阵超声检测仪,采用中心频率5MHz、64阵元的相控阵探头配合45°楔块对试块进行检测,其中探头第一阵元高度18.82mm、采样频率100MHz,楔块纵波声速为2330m/s,试块横波声速3230m/s,纵波声速5900m/s。
(c)利用相控阵超声检测仪的全矩阵捕捉功能对被检试块进行信号采集,获得包含不同模式波的A扫描信号矩阵,以数据文本形式导出。
(d)建立直角坐标系,并将检测区域划分成80×80个矩形网格。
(e)图3给出了仅考虑阵列信号中各模式波幅值特征时,裂纹和孔的成像结果。显然,不锈钢试块结构噪声较大,难以从图像中准确识别缺陷性质,并进行定量分析。
(f)在此基础上,提取全矩阵数据中每个信号的相位信息,并构建加权因子。随后,对图3所示图像进行加权处理,得到裂纹和孔的加权成像处理结果如图4所示。显然,能够清晰、直观地识别缺陷类型,且信噪比较高。定量分析可得,裂纹长度、取向角度和中心深度的定量结果分别为4.46mm、45.9°和24.28mm;通孔的中心间距、连线中心深度和中心取向角度的定量结果分别为3.96mm、23.90mm和45.0°。该方法实现了各向异性材料中不同取向未知面积型缺陷和体积型缺陷的定性检测,且定量和定位误差较小,满足工程需求。
以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案,并不想要成为毫无遗漏的,也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然,本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。
Claims (1)
1.基于阵列超声信号幅值和相位特征加权的缺陷定性检测方法,采用由相控阵超声检测仪、相控阵超声探头和楔块构成的检测***,采集包括直接、半跨和全跨模式在内的21种模式波的全矩阵数据;其特征在于,针对待检测区域的每个重建点,同时考虑阵列超声信号中各模式波的幅值和相位特征,分别对21种模式波实施延时叠加处理并筛选最强能量;提取相位信息进行加权成像,给出待测缺陷轮廓特征,从而实现弹性各向异性与各向同性材料中缺陷的定性辨识;所述方法采用下列步骤:
(a)相控阵超声检测参数选择
根据待测样品的材料、形状和尺寸信息,选择相控阵超声探头频率与阵元,以及匹配的楔块;
(b)全矩阵数据采集
连接步骤(a)中选择的相控阵超声探头、楔块和相控阵超声检测仪,采集包含n2个A扫描信号的全矩阵数据,n为相控阵超声探头的阵元数量;
其中,第i个阵元发射并由第j个阵元接收的信号定义为Sij(),其中,1≤i≤n;1≤j≤n;
(c)重建区域网格划分
将待测样品的重建区网格化,各网格节点均为图像重建点,任意图像重建点P的坐标定义为(a,b);
(d)模式波延时叠加处理
成像中利用直接模式、半跨模式和全跨模式共计21种具有不同传播路径的模式波;提取信号幅值特征,对于第k种模式波,在P点处的延时叠加成像幅值Ik(a,b)由式(1)给出,其中,1≤k≤21
式中,tij-k(a,b)表示第k种模式波下,第i个阵元激励信号传播至点P(a,b)后,被第j个阵元接收所用时间,可根据费马定理计算得到;
从21种模式波的延时叠加成像幅值Ik(a,b)中筛选最强能量,即为P点的重建幅值IA(a,b)
(e)基于相位特征的加权处理
对于步骤(b)中的全矩阵数据中的每个信号Sij(),利用欧拉公式进行Hilbert变换,可得相位信息
利用提取的信号相角,构建第k种模式波在P点处的加权因子Ck(a,b),如式(4)所示
式中,var为标准差;
随后,结合加权因子,利用式(5)对步骤(d)中的重建幅值IA(a,b)进行加权,得到该点新的幅值I(a,b),从而实现噪声抑制;
(f)缺陷定性和定量检测
重复步骤(d)-(e)过程,对重建区域逐点进行延时叠加和加权处理,得到重建图像;根据图像中缺陷轮廓特征判定其为体积型缺陷还是面积型缺陷,实现定性检测;最后,根据轮廓呈现结果确定缺陷深度,以及面积型缺陷的尺寸和倾斜角度。
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