CN116465967A - 一种基于k型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法。本发明采用如下技术方案：利用K型超声扫查设备获取回波数据后，根据实际声程以及发射探头、缺陷和接收探头之间的位置几何关系，对缺陷的深度和水平距离进行计算，最后根据多组回波数据计算得到的结构确定缺陷的数量和范围。有益效果在于：通过利用缺陷回波的实际声程对缺陷的深度和水平距离进行修正计算，从而可以避免由于发射探头的扩散波产生的回波缺陷信号所计算的缺陷位置造成的误差，从而提高缺陷的检测准确率，且对于靠近的缺陷也能准确分辨出来。

Description

一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法。
背景技术
K型超声扫查是将发射探头和接收探头分设于检测物体两侧使发射探头和接收探头相对设置的超声扫查设备，用于对检测物体内存在的缺陷进行检测，一般用于对钢轨焊缝进行缺陷检测。K型超声扫查的原理在于通过不同位置关系的发射探头和接收探头对钢轨焊缝不同深度位置进行检测。目前K型超声扫查分为双探头K型扫查、单矩阵K型扫查和双矩阵K型扫查，其区别在于发射探头和接收探头的个数，其中，双探头K型扫查设备由一个发射探头和一个接收探头组成，通过移动发射探头或移动接收探头来调节检测深度，从而实现对钢轨上焊缝的检测；单矩阵K型扫查设备则由一个发射探头和多个接收探头组成，由于有多个接收探头，只需通过移动发射探头即可对一定面积范围的钢轨焊缝进行缺陷检测；双矩阵K型扫查设备则由多个发射探头和多个接收探头组成，多个发射探头分别发射超声波，并由多个接收探头进行接收，无需移动发射探头和接收探头即可对一定面积范围的钢轨焊缝进行缺陷检测。即，以上三种K型扫查设备的区别在于，一次发射接收能覆盖的检测范围存在不同。
在K型超声扫查中，传统的计算方法是根据发射探头和接收探头的理论路径对缺陷位置进行计算，发射探头发射超声波在缺陷位置反射后被接收探头接收，其中，发射探头发射超声波的角度与接收探头接收超声波的角度相同；具体的，通过分别建立发射探头和接收探头与缺陷位置之间的三角形关系：D=R/tanA，H-D=(R+w)/tanA，其中，D为缺陷深度，即缺陷与发射探头的垂直距离，R为缺陷水平距离，即缺陷与发射探头的水平距离，A为探头角度，w为发射探头与接收探头的水平距离，H为钢轨宽度，也即是发射探头与接收探头之间的垂直距离；根据以上两个方程，即可解得缺陷的水平距离：R=(H×tanA-w)/2，缺陷的深度：D=H/2-w/2tanA。然而，在实际检测过程中，由于发射探头发射的超声波存在一定程度的扩散，这使得接收探头接收到的缺陷回波，可能是发射探头发射的超声波的扩散波打在缺陷上形成的，此时若按照传统的计算方式，根据理论路径进行计算，会导致最终计算得到缺陷范围比实际缺陷大，且当缺陷位置与钢轨端面较为靠近时，容易出现缺陷与钢轨端面混在一起，不利于对焊缝缺陷的检测和判断。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法，具体在于提供一种利用实际回波声程对缺陷位置进行修正计算的缺陷定位方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法，包括如下步骤：
S01、利用K型超声扫查设备对待测钢轨进行超声扫查，由发射探头发射超声波，并由与发射探头相对设置的接收探头采集回波数据，通过移动发射探头和/或接收探头或者设置多个发射探头和/或多个接收探头的方式调整发射探头与接收探头的位置，采集多组回波数据。
S02、在步骤S01采集到的多组回波数据中，对其中波幅超过阀门值的回波数据计算缺陷的位置，缺陷的位置包括缺陷深度D和缺陷水平距离R，缺陷深度为缺陷与发射探头之间的垂直距离，缺陷水平距离为缺陷与发射探头之间的水平距离，根据如下公式进行计算：D=cosA×SA，R=tanA×D，其中，A为K型超声扫查设备的探头角度，SA为发射探头与缺陷位置之间的距离，具体的，SA=(w2+H2-S2)/(2×X×(w2+H2)1/2-2×S)，其中，w为发射探头与接收探头之间的水平距离，H为发射探头与接收探头之间的垂直距离，S为该回波数据中发射探头发射超声波到接收探头接收到回波的实际声程，X为角(A+C)的余弦值，其中，C为发射探头与接收探头的连线与垂直方向之间的夹角，即C=arctan(w/H)。
S03、根据步骤S02计算得到的缺陷位置，确定待测钢轨焊缝中缺陷的数量和范围。
具体的，步骤S01中的K型超声扫查设备为双探头K型扫查设备、单矩阵K型扫查设备或双矩阵K型扫查设备。
具体的，步骤S02中，在计算缺陷的位置之前，先按照传统计算方式计算缺陷深度D’，当D’满足0≤D’≤H时，才继续计算缺陷的位置；其中，按照传统计算方式计算缺陷深度D’时，利用公式D’=H/2-w/2tanA进行计算，其中，w同样为发射探头与接收探头之间的水平距离，A为K型超声扫查设备的探头角度，H为发射探头与接收探头之间的垂直距离。
本发明的有益效果在于：通过利用缺陷回波的实际声程对缺陷的深度和水平距离进行修正计算，从而可以避免由于发射探头的扩散波产生的回波缺陷信号所计算的缺陷位置造成的误差，从而提高缺陷的检测准确率，且对于靠近的缺陷也能准确分辨出来。
附图说明
附图1为实施例中钢轨焊缝缺陷定位方法的流程图；
附图2为实施例中发射探头、接收探头与钢轨之间的位置关系图。
实施方式
实施例1，参照图1-2，一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法，包括如下步骤：
S01、利用K型超声扫查设备对待测钢轨进行超声扫查，由发射探头发射超声波，并由与发射探头相对设置的接收探头采集回波数据，通过移动发射探头和/或接收探头或者设置多个发射探头和/或多个接收探头的方式调整发射探头与接收探头的位置，采集多组回波数据。
S02、在步骤S01采集到的多组回波数据中，对其中波幅超过阀门值的回波数据计算缺陷的位置，缺陷的位置包括缺陷深度D和缺陷水平距离R，缺陷深度为缺陷与发射探头之间的垂直距离，缺陷水平距离为缺陷与发射探头之间的水平距离，根据如下公式进行计算：D=cosA×SA，R=tanA×D，其中，A为K型超声扫查设备的探头角度，SA为发射探头与缺陷位置之间的距离，具体的，SA=(w2+H2-S2)/(2×X×(w2+H2)1/2-2×S)，其中，w为发射探头与接收探头之间的水平距离，H为发射探头与接收探头之间的垂直距离，S为该回波数据中发射探头发射超声波到接收探头接收到回波的实际声程，具体的，S=V×T，其中V为声波在钢轨内的传播速度，T为从发射探头发射超声波到接收探头接收到回波的时间，X为角(A+C)的余弦值，其中，C为发射探头与接收探头的连线与垂直方向之间的夹角，即C=arctan(w/H)。
S03、根据步骤S02计算得到的缺陷位置，确定待测钢轨焊缝中缺陷的数量和范围。
在本实施例中，在对缺陷的位置进行计算时，不再按照理论路径进行计算，而是根据发射探头、缺陷和接收探头三个点位组成的三角形的几何关系进行计算，其中，由于发射探头发射超声波至缺陷时声波扩散较小，因此，发射探头至缺陷的连线与垂直线的夹角仍然可以认为是探头角度A；同时，记发射探头与缺陷的直线距离为SA，缺陷与接收探头的直线距离为SB，发射探头与接收探头之间的直线距离为SC，记发射探头与接收探头的连线与垂直线的夹角为C，参照图2，以发射探头、缺陷和接收探头三个点位为端点的三角形，存在如下几何关系：SC=(w2+H2)1/2；tanC=w/H；S=SA+SB；cos(A+C)=(SA 2+SC 2-SB 2)/2SASC。同时，为了方便描述，将cos(A+C)记为X。根据以上几何关系，可以解得缺陷的深度和水平距离，即，D=cosA×SA，R=tanA×D；其中SA=(w2+H2-S2)/(2×X×(w2+H2)1/2-2×S)，X=cos(A+arctan(w/H))。由于加入了实际回波声程S作为计算依据，不再安装理论路径进行计算，有效避免了扩散波对缺陷位置计算造成的误差，提高缺陷位置计算的准确性。具体的，参考图2可以看出利用理论路径计算缺陷位置与利用本申请计算方式计算缺陷位置的区别，图2中，实线框为实际缺陷位置，其中的虚线为理论路径，虚线框为利用理论路径计算得到的缺陷位置，由于扩散波的存在，使得发射探头发射的超声波未真正打在缺陷上时，其扩散波已经在缺陷处反射并由接收探头接收到一定波幅值的回波数据，而由于该回波数据是扩散波形成的，此时发射探头和接收探头之间声波路径与理论路径存在角度偏差，若按照理论路径计算，得到的缺陷位置会比实际位置靠前，当发射探头和接收探头继续向前，使得发射探头发射的超声波真正打在缺陷上时，此时接收探头会再一次接收到回波数据，此时计算得到的缺陷位置是实际缺陷的位置，结合前面因扩散波形成的回波数据，会使得K型超声扫查设备对该缺陷位置和范围的检测出现偏差，即认为该缺陷包含实线框和虚线框的范围，同样的道理，在发射探头继续向前时，若依然按照理论路径进行计算，还会在图中实际缺陷的左下角再次检测出一个缺陷，这样会导致缺陷范围被放大，若相邻两个缺陷过于靠近，则会出现混淆在一起形成一个更大缺陷的问题，若缺陷与钢轨端面过于靠近，则会出现检测出的缺陷与钢轨端面无法分清的问题。通过采用本申请的缺陷定位方法，由于不再考虑超声波在钢轨中是否按照理论路径进行传播，而是结合实际声程以及发射探头、缺陷和接收探头之间的位置几何关系进行修正计算，即使是因扩散波形成的回波数据，计算得到的缺陷位置也与实际缺陷位置基本重合，有效提高对钢轨焊缝处缺陷的检测准确度。
其中，步骤S01中的K型超声扫查设备为双探头K型扫查设备、单矩阵K型扫查设备或双矩阵K型扫查设备。
另外，在步骤S02中，在计算缺陷的位置之前，先按照传统计算方式计算缺陷深度D’，当D’满足0≤D’≤H时，才继续计算缺陷的位置；其中，按照传统计算方式计算缺陷深度D’时，利用公式D’=H/2-w/2tanA进行计算，其中，w同样为发射探头与接收探头之间的水平距离，A为K型超声扫查设备的探头角度，H为发射探头与接收探头之间的垂直距离。
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
S01、利用K型超声扫查设备对待测钢轨进行超声扫查，由发射探头发射超声波，并由与发射探头相对设置的接收探头采集回波数据，通过移动发射探头和/或接收探头或者设置多个发射探头和/或多个接收探头的方式调整发射探头与接收探头的位置，采集多组回波数据；
S02、在步骤S01采集到的多组回波数据中，对其中波幅超过阀门值的回波数据计算缺陷的位置，缺陷的位置包括缺陷深度D和缺陷水平距离R，缺陷深度为缺陷与发射探头之间的垂直距离，缺陷水平距离为缺陷与发射探头之间的水平距离，根据如下公式进行计算：D=cosA×SA，R=tanA×D，其中，A为K型超声扫查设备的探头角度，SA为发射探头与缺陷位置之间的距离，具体的，SA=(w2+H2-S2)/(2×X×(w2+H2)1/2-2×S)，其中，w为发射探头与接收探头之间的水平距离，H为发射探头与接收探头之间的垂直距离，S为该回波数据中发射探头发射超声波到接收探头接收到回波的实际声程，X为角(A+C)的余弦值，其中，C为发射探头与接收探头的连线与垂直方向之间的夹角，即C=arctan(w/H)；
S03、根据步骤S02计算得到的缺陷位置，确定待测钢轨焊缝中缺陷的数量和范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法，其特征在于：所述步骤S01中的K型超声扫查设备为双探头K型扫查设备、单矩阵K型扫查设备或双矩阵K型扫查设备。
3.根据权利要求1所述的一种基于K型超声扫查的钢轨焊缝缺陷定位方法，其特征在于：所述步骤S02，在计算缺陷的位置之前，先按照传统计算方式计算缺陷深度D’，当D’满足0≤D’≤H时，才继续计算缺陷的位置；其中，按照传统计算方式计算缺陷深度D’时，利用公式D’=H/2-w/2tanA进行计算，其中，w同样为发射探头与接收探头之间的水平距离，A为K型超声扫查设备的探头角度，H为发射探头与接收探头之间的垂直距离。
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