CN114324598B - 一种螺栓超声检测的高质量成像方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明属于超声无损检测领域，特别涉及到一种螺栓超声检测的高质量成像方法及***；所述成像方法以相控阵超声扇形扫描图像中中底部螺纹及螺栓侧壁回波为基准，确定螺栓侧壁裂纹缺陷的大致位置；发现缺陷后，旋转移动探头的位置，用于调整缺陷的幅值，削弱由于螺栓侧壁的反射、折射而产生的变形波；使用相控阵超声扇形扫描方法采集原始射频信号，对射频信号进行加权处理，从而达到抑制变形波对缺陷回波的干扰，提高对螺栓检测的灵敏度。本发明所提出的方法属于超声无损检测领域，非常适合于对螺栓的缺陷检测，能够直观的观测出螺栓上存在的缺陷，具有良好的推广及应用前景。

Description

一种螺栓超声检测的高质量成像方法及***

技术领域

本发明属于超声无损检测领域，主要涉及到一种螺栓超声检测的高质量成像方法及***。

背景技术

螺栓作为工业设备的重要组成部分，也是飞机结构的重要连接件，长期运行于高强度压强、多交变应力、温度过载大等的复杂工作环境中，容易产生疲劳裂纹或是腐蚀裂纹，此时对螺栓的无损检测显得十分重要。目前检测螺栓多采用为目视检测、磁粉检测、渗透检测。但使用上述方法检测时需将螺栓从结构体拆卸出来以及装配上去，给检测造成很大的影响，并且在装配的过程中易对螺栓产生危害。相比于上述检测，超声检测无疑给螺栓的在役检测提供了一种很好的检测方案。与常规超声检测相比，超声相控阵检测能够实现声场的偏转和聚焦，从而以提高检测图像的分辨率和信噪比。尤其是超声相控阵扇形扫描，能够实现更多的扫查角度，检测范围更全面，对螺栓侧壁裂纹缺陷有着很好的检出能力，能够满足螺栓的在役检测，是工业超声相控阵检测中最常用的一种检测方法。但由于螺栓内部较为复杂，实际检测时成像的分辨率及信噪比难以达到检测要求，给检测人员识别和分析工件缺陷回波时造成一定干扰，使缺陷出现漏检和误判。

为了提高螺栓内部及侧壁上裂纹缺陷的检测能力，提出了一种螺栓超声检测的高质量成像方法。本发明主要是以螺栓为检测对象，通过控制探头的位置，以底部螺纹及螺栓侧壁回波为基准，确定螺栓侧壁裂纹缺陷的大致位置；发现缺陷后，旋转移动探头的位置，用于调整缺陷的幅值，削弱由于螺栓侧壁的反射、折射而产生的变形波；在此基础上，采集超声相控阵扇形扫描的原始数据，利用傅里叶变换得到阵列信号的频谱数据，设m₀为低频区域的调节参数，定义频谱数据集{p(k)_m＝1,2…M}中的低频区域，分别对总频谱及其低频区域进行平方、求和，则加权因子可定义为预设的低频区域能量与总能量的比值，利用该加权因子矩阵对叠加后的射频信号作点乘运算，进一步抑制变形波对缺陷回波的干扰，提高对螺栓检测的灵敏度。本发明所提出的方法，能够有效提高对螺栓检测时的成像质量，增强对缺陷的检出能力。且易于在探伤仪上使用。对有效预防由于螺栓损坏而造成的不可挽回的危害，具有十分重要的作用，应用前景广泛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺栓超声检测的高质量成像方法，以提高对螺栓检测时的成像质量，增强对缺陷的检出能力。

本发明的目的是这样实现的：一方面提出了一种螺栓超声检测的高质量成像方法，所述方法以相控阵超声扇形扫描图像中底部螺纹及螺栓侧壁回波为基准，确定螺栓侧壁裂纹缺陷的大致位置；发现缺陷后，旋转移动探头的位置，用于调整缺陷的幅值，削弱由于螺栓侧壁的反射、折射而产生的变形波；使用相控阵超声扇形扫描方法采集原始射频信号，对射频信号进行加权处理，从而达到抑制变形波对缺陷回波的干扰，提高对螺栓检测的灵敏度。

上述螺栓超声检测的高质量成像方法，具体步骤可以包括如下执行步骤：

步骤一，将相控阵探头放置在螺帽上方，利用已有相控阵扇扫描成像方法，根据扇扫图像中底部螺纹的深度和螺杆的侧壁回波，适当移动探头，削弱由于螺杆侧壁对声波反射、折射而产生的变形波，并根据螺杆侧壁回波处出现的大幅值圆斑，进而确定螺栓侧壁上裂纹的位置，并采集用于超声相控阵扇形扫描成像的原始数据；

步骤二，为进一步削弱变形波的干扰，在步骤一的基础上，根据已有的相控阵延时法则，得到一个延时后的射频信号数据集{S_m＝1,2…M}，数据集中的任意数据S_m表示第m个阵元接收到的N个角度下的射频信号，并以N_t×N_f×M三维矩阵形式保存，记作矩阵A，其中第一维度N_t代表信号的采样点数，N_f为扇形扫描图像中的波束角度数，M为探头的接收阵元数，对三维矩阵A的第三个维度，即对N个角度下每个阵元的阵列信号s_m(t)分别作傅里叶变换，得到频谱数据集{p(k)_m＝1,2…M}，p(k)_m为频谱，并保存在与矩阵A大小相同的三维矩阵F中；

步骤三，设m₀为低频区域的调节参数，用于定义频谱数据集{p(k)_m＝1,2…M}中的低频区域(1，m₀)和(M-m₀+1，M)，记作区域a、b，分别求出总的频谱数据集{p(k)_m＝1,2…M}及其低频区域数据集{p(k)_m＝a,b}的平方，得到信号的总能量{p(k)² _m＝1,2…M}和低频能量{p(k)² _m＝a,b}；

步骤四，分别求出数据集{S_m＝1,2…M}和数据集{p(k)² _m＝1,2…M}中m个数据的和∑S和∑T及数据集{p(k)² _m＝a,b}中2m₀个数据的和∑L，令S＝∑S，W＝∑T/∑L，最后对矩阵S与W进行点乘，实现对用于扇形扫描成像的信号优化处理，通过算法加权优化，可以进一步抑制变形波对缺陷回波的干扰，提高对螺栓检测的灵敏度。

本发明另一方面还提出了一种螺栓超声检测的高质量成像***，所述成像***用于实现如上所述的成像方法，所述***至少包括计算机主机、显示器、数据采集***、换能器连接面板和线性阵列换能器，其中，线性阵列换能器与连接面板连接，连接面板为超声波发射/接收32通道接口，数据采集***与计算机主机和显示器分别经PCI-E连接。

上述成像***中，所述显示器上集成***控制界面，用于设置成像参数，参数设定为：采样频率fs设为62.5MHz，发射和接收阵元数均设为16，设置扇形扫描的发射角度范围为-40°～40°，发射角度数共61个，即角度间隔为1.3°，超声波在螺栓中声速v设为5900m/s，聚焦深度40mm。

本发明的有益效果是：一种螺栓超声检测的高质量成像方法，一定程度上解决了在使用超声相控阵扇形扫描检测螺栓时成像质量不佳，缺陷难以检出的问题，提高了检测螺栓时扇扫描图像的缺陷信号回波的分辨率，同时也能一定程度上抑制变形波回波，进而有效提高了使用扇形扫描检测螺栓时的缺陷检测能力。本发明所提出的方法属于超声无损检测领域，非常适合于对螺栓的缺陷检测，能够直观的观测出螺栓上存在的缺陷，具有良好的推广及应用前景。

附图说明

图1是超声信号采集检测***示意图；

图2是本发明中的螺栓及其缺陷信息；

图3是未加权处理的螺栓扇形扫描图像；

图4是原始信号频域中预设的低频区域；

图5是优化加权算法的流程图；

图6是加权处理后的螺栓扇形扫描图像；

其中，1-计算机主机，2-显示器，3-数据采集***，4-换能器连接面板，5-线性阵列换能器。

具体实施方式

本实施方案以钢制螺栓试块的超声相控阵检测为例，对本发明所提出的一种螺栓超声检测的高质量成像方法做进一步描述。如图1所示，本方案采用超声检测***对试件进行成像处理，超声检测***包括计算机主机1、显示器2、数据采集***3、换能器连接面板4和线性阵列换能器5，其中线性阵列换能器与连接面板连接，连接面板为超声波发射/接收32通道接口，本方案使用的线性阵列换能器5型号为L5L64-0.6×10-C77，探头的中心频率为5MHz，其阵元长10mm，相邻阵元间距0.6mm。数据采集***与主机和显示器经PCI-E连接，被检试块如图2所示，螺栓的高度为120mm，距螺帽上端40mm处加工有一个刻槽深0.3mm的缺陷。由于其螺栓内部较为复杂，实际检测时成像的分辨率，及信噪比难以达到检测要求；因此，对螺栓进行扇形扫描数据采集，分析加权前后的图像质量的变化。具体的扇形扫描成像步骤如下：

1)打开超声检测***，将线性阵列换能器放置于螺栓帽上，在显示器2上的***控制界面设置参数，采样频率f_s设为62.5MHz，发射和接收阵元数均设为16，设置扇形扫描的发射角度范围为-40°～40°，发射角度数共61个，即角度间隔为1.3°，超声波在螺栓中声速v设为5900m/s，聚焦深度40mm。参数设置完成后运行超声相控阵扇形扫描程序，将相控阵探头放置在螺帽上方，根据扇扫图像中底部螺纹的深度和螺杆的侧壁回波，适当移动探头，削弱由于螺杆侧壁对声波反射、折射而产生的变形波，观察原始成像图，并根据螺杆侧壁回波处出现的大幅值圆斑，进而确定螺栓侧壁上裂纹的位置，找到探头摆放最佳检测位置，并固定探头并采集用于超声相控阵扇形扫描成像的原始数据；

2)由1)采集到的超声相控阵扇形扫描成像的原始数据是一个已经延时后的射频信号数据集{S_m＝1,2…16}，数据集中的m表示阵元数，阵元序号为m＝1:16，S_m表示第m个阵元在61个角度下的接收信号，并以2560×61×16三维矩阵A的形式保存，其中矩阵A的三个维度分别代表采样时间点数、波束角度数以及接收阵元数，利用程序sum(A,3)对矩阵A的第三维度进行叠加，并归一化处理后，对原始数据集{S_m＝1,2…16}作扇形图像化显示，得到原始的扇形扫描图像，如图3所示，其中横轴代表发射角度q，纵轴为深度x；

3)为进一步削弱变形波的干扰，提高螺栓侧壁裂纹的检测灵敏度，在2)的基础上，对原始数据集{S_m＝1,2…16}中每一条信号s_m(t)进行傅里叶变换，得到频谱数据集{p(k)_{m＝1,2…,16}}，并保存在与矩阵A大小相同的三维矩阵F中看，令低频区域的调节参数m₀＝1，此时低频区域low_fft的范围大小为[1,16]，如图4所示，在分别求出总的频谱数据集{p(k)_m＝1,2…16}和频谱的低频区域数据集{p(k)_m＝1,16}的平方，得到信号的总能量E_T＝{p(k)² _m＝1,2…16}和低频能量E_L＝{p(k)² _m＝1,16}；

4)分别求出原始数据集{S_m＝1,2…16}和E_T＝{p(k)² _m＝1,2…16}中16个数据的和∑S和∑T，以及低频能量E_L＝{p(k)² _m＝1,16}中的数据之和∑L，令S＝∑S，W＝∑T/∑L，最后对矩阵S与W进行点乘，实现对用于扇形扫描成像的信号优化处理，图5为步骤3)和4)的算法流程图，图6为螺栓检测的加权后的扇扫图。

对比图3和图6可以明显看出，经优化后的扇扫图像与原始图像相比，缺陷的回波幅值明显增大，缺陷显示更为明显，且进一步抑制变形波对缺陷回波的干扰，增强了缺陷分辨率及信噪比，使图像质量进一步得到改善可以，提高对螺栓检测的灵敏度。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，未详尽之处均视为本领域常规技术手段或公知常识，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种螺栓超声检测的高质量成像方法，其特征在于，所述成像方法以相控阵超声扇形扫描图像中中底部螺纹及螺栓侧壁回波为基准，确定螺栓侧壁裂纹缺陷的大致位置；发现缺陷后，旋转移动探头的位置，用于调整缺陷的幅值，削弱由于螺栓侧壁的反射、折射而产生的变形波；使用相控阵超声扇形扫描方法采集原始射频信号，对射频信号进行加权处理，从而达到抑制变形波对缺陷回波的干扰，提高对螺栓检测的灵敏度；

其中，确定螺栓侧壁裂纹缺陷的位置是将相控阵探头放置在螺帽上方，利用已有相控阵扇扫描成像方法，根据扇扫图像中底部螺纹的深度和螺杆的侧壁回波，适当移动探头，削弱由于螺杆侧壁对声波反射、折射而产生的变形波，并根据螺杆侧壁回波处出现的大幅值圆斑，进而确定螺栓侧壁上裂纹的位置；确定螺栓侧壁上裂纹的位置的同时，采集用于超声相控阵扇形扫描成像的原始数据；

加权处理过程是：

步骤S1、采集用于超声相控阵扇形扫描成像的原始数据后，根据已有的相控阵延时法则，得到一个延时后的射频信号数据集{S_m＝1,2…M}，数据集中的任意数据S_m表示第m个阵元接收到的N个角度下的射频信号，并以N_t×N_f×M三维矩阵形式保存，记作矩阵A，其中第一维度N_t代表信号的采样点数，N_f为扇形扫描图像中的波束角度数，M为探头的接收阵元数，对三维矩阵A的第三个维度，即对N个角度下每个阵元的阵列信号s_m(t)分别作傅里叶变换，得到频谱数据集{p(k)_m＝1,2…M}，p(k)_m为频谱，并保存在与矩阵A大小相同的三维矩阵F中；

步骤S2、得到频谱数据集后，设m₀为低频区域的调节参数，用于定义频谱数据集{p(k)_m＝1,2…M}中的低频区域(1，m₀)和(M-m₀+1，M)，记作区域a、b，分别求出总的频谱数据集{p(k)_m＝1,2…M}及其低频区域数据集{p(k)_m＝a,b}的平方，得到信号的总能量{p(k)² _m＝1,2…M}和低频能量{p(k)² _m＝a,b}；

步骤S3、分别求出数据集{S_m＝1,2…M}和数据集{p(k)² _m＝1,2…M}中m个数据的和∑S和∑T及数据集{p(k)² _m＝a,b}中2m₀个数据的和∑L，令S＝∑S，W＝∑T/∑L，最后对矩阵S与W进行点乘，实现对用于扇形扫描成像的信号优化处理。

2.一种螺栓超声检测的高质量成像***，所述***用于实现如权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述***至少包括计算机主机、显示器、数据采集***、换能器连接面板和线性阵列换能器，其中，线性阵列换能器与连接面板连接，连接面板为超声波发射/接收32通道接口，数据采集***与计算机主机和显示器分别经PCI-E连接。

3.如权利要求2所述的一种螺栓超声检测的高质量成像***，其特征在于，所述显示器上集成***控制界面，用于设置成像参数，参数设定为：采样频率f_s设为62.5MHz，发射和接收阵元数均设为16，设置扇形扫描的发射角度范围为-40°～40°，发射角度数共61个，即角度间隔为1.3°，超声波在螺栓中声速v设为5900m/s，聚焦深度40mm。

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