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一種超聲無(wú)損檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置的制作方法

文檔序號(hào):6150272閱讀:372來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:一種超聲無(wú)損檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及的是一種超聲波無(wú)損檢測(cè)、斷裂力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷
的定量測(cè)量方法。特別涉及一種超聲無(wú)損檢測(cè)中缺陷幾何特征的測(cè)量的方法。
背景技術(shù)
T0FD法是Time of Flight Diffraction (衍射時(shí)差法)的縮寫,是利用缺陷邊緣 所產(chǎn)生的衍射波傳播時(shí)間進(jìn)行缺陷測(cè)量的方法總稱。因此,廣義地說(shuō),凡是利用缺陷端部衍 射波接收時(shí)間差來(lái)定量評(píng)價(jià)的方法統(tǒng)稱為T0FD法。但近年來(lái)的實(shí)際應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),已將 使用兩個(gè)縱波探頭相向?qū)χ茫话l(fā)一收,利用所謂"回波"(即側(cè)向波、散射波、衍射波和底面 波)信息進(jìn)行缺陷定位、定量、定性評(píng)價(jià)的方法專指為TOFD法。這種方法是英國(guó)AEA(原子 能機(jī)構(gòu))最先提出的,隨后在1993年的BS7706中規(guī)定了用T0FD法進(jìn)行缺陷定量評(píng)價(jià)的具 體程序和要求,并曾用于發(fā)電設(shè)備的在役檢測(cè)。幾年前用TOFD法檢測(cè)壓力容器和動(dòng)力鍋爐 焊縫的方法和驗(yàn)收條件,又在ASME規(guī)范案例2235中做出了詳細(xì)規(guī)定。用此法時(shí),要將兩個(gè) 縱波斜探頭按一定間距固定,用D掃描或結(jié)合B掃描方式獲取顯示圖像,并據(jù)此對(duì)缺陷進(jìn)行 測(cè)深定高。TOFD法所實(shí)現(xiàn)的超聲波無(wú)損檢測(cè)方法自身技術(shù)的不完善性,導(dǎo)致對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件 內(nèi)部缺陷檢測(cè)精度很難保證,不能很好的滿足實(shí)際工程需要。 圖1描述了依據(jù)TOFD法超聲無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)原理,即一發(fā)一收的雙探頭檢測(cè) 方法。超聲波發(fā)射換能器1發(fā)出的超聲波經(jīng)過(guò)楔形塊3的折射而入射到結(jié)構(gòu)件內(nèi)部;其中 一部分超聲波的能量沿結(jié)構(gòu)件上表面7傳播,一部分能量入射到結(jié)構(gòu)件9內(nèi)部。
通過(guò)接收換能器2所接收的信號(hào)可以獲得傳播時(shí)間,由發(fā)射點(diǎn)4至缺陷6上、下邊 緣再至接收點(diǎn)8的傳播時(shí)間分別為^和t2。在發(fā)射換能器1與接收換能器關(guān)于缺陷6中 心對(duì)稱的條件下,可以得出缺陷邊緣位于結(jié)構(gòu)件內(nèi)部距離上表面7的深度d : " (k^)2,2 (1)
式中C為超聲波在結(jié)構(gòu)件9內(nèi)部傳播的聲速 ts為由發(fā)射點(diǎn)4至缺陷6的上或下邊緣再至接收點(diǎn)8的傳播時(shí)間
S為發(fā)射點(diǎn)4和接收點(diǎn)8之間距離的一半 當(dāng)ts = ^時(shí),d為缺陷6上端邊緣的深度值;ts = t2時(shí),d為缺陷6下端邊緣 的深度值d2。 為避免探頭延遲時(shí)間所引起的測(cè)量誤差,還可以采用側(cè)向波與衍射波的時(shí)差tD來(lái) 計(jì)算缺陷6的深度值d : =會(huì)V"xc)2+4xcxW£) (2) 當(dāng)tD為缺陷6上端邊緣時(shí)差信號(hào)時(shí),采用(2)式所計(jì)算出的d為缺陷上端邊緣深 度值4 ;當(dāng)tD為缺陷6下端邊緣時(shí)差信號(hào)時(shí),采用(2)式所計(jì)算出的d為缺陷下端邊緣深 度值d2。 基于T0FD原理的現(xiàn)有超聲無(wú)損檢測(cè)方法都存在著缺陷偏離中心而產(chǎn)生測(cè)量誤差的共性問(wèn)題。對(duì)于式(1)中傳播時(shí)間^來(lái)講,缺陷6的上、下端邊緣分別與發(fā)射點(diǎn)4和接 收點(diǎn)8間直線距離之和為一固定常數(shù),這種特征表現(xiàn)出橢圓的性質(zhì)。如圖2所示,對(duì)于缺陷 6與10的上端邊緣都分別落在同一橢圓曲線上;缺陷6與10的下端邊緣同樣會(huì)落在另一 橢圓曲線上。假設(shè)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部只有一個(gè)缺陷10,采用TOFD法計(jì)算公式(1)或(2)都會(huì)將 缺陷10等效到缺陷6所處的位置。這就導(dǎo)致了缺陷長(zhǎng)度、深度和y軸方向上位置的測(cè)量誤 差?;赥OFD原理的雙探頭檢測(cè)方法,在一次發(fā)射超聲波進(jìn)行測(cè)量所獲得的參數(shù)tD或ts 的情況下,基本不能對(duì)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的高精度測(cè)量。只要缺陷 在y軸方向偏離該橢圓的中心點(diǎn),TOFD檢測(cè)誤差就不可避免,且偏離越遠(yuǎn)則誤差越大。為 此,TOFD需結(jié)合B掃描方式提高T0FD的檢測(cè)精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)需用B掃描就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷高精度檢測(cè)、并能 給出缺陷幾何特征高精度測(cè)量結(jié)果的超聲無(wú)損檢測(cè)T0FD-LWE方法;本發(fā)明的目的還在于 提供一種依據(jù)T0FD-LWE法所構(gòu)建的高精度超聲無(wú)損檢測(cè)的檢測(cè)裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 被檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)件的y-z平面(坐標(biāo)的定義參見(jiàn)圖5)為垂直于機(jī)械結(jié)構(gòu)件表面 的檢測(cè)剖面。檢測(cè)探頭組件在x-y平面上在x軸方向上的移動(dòng)。所述檢測(cè)探頭組件至少含 有三個(gè)探頭,其中至少有一個(gè)是發(fā)射探頭;三探頭模式中包括一個(gè)發(fā)射探頭1和兩個(gè)接收 探頭2U3,如圖4所示。發(fā)射探頭1所發(fā)出的超聲波一部分經(jīng)發(fā)射探頭楔形塊3的折射使 其入射到機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部,另一部分超聲波沿機(jī)械結(jié)構(gòu)件上表面在y軸方向傳播。當(dāng)入射 的超聲波遇到缺陷6,在缺陷上、下端邊緣11、12產(chǎn)生衍射波,且衍射波由兩個(gè)接收探頭2、 13所接收。通過(guò)對(duì)兩個(gè)接收探頭2、 13所接收的衍射波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),可以獲得超聲波在 結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的傳播時(shí)間tsl和TS2所對(duì)應(yīng)的傳播路徑長(zhǎng)度Tl^和TL2, tsl對(duì)應(yīng)點(diǎn)4至點(diǎn)11至 點(diǎn)14路徑長(zhǎng)度Tl^的超聲波傳播時(shí)間,tS2對(duì)應(yīng)點(diǎn)4至點(diǎn)12至點(diǎn)8路徑長(zhǎng)度TL2的超聲波 傳播時(shí)間。那么由點(diǎn)4、14和Tl^以及點(diǎn)4、8和TL2便可形成焦距、端點(diǎn)a、 b參數(shù)不同的兩 個(gè)橢圓,然后利用式(3)、 (4)組成的橢圓方程組及式(5)-(8)便可以解算出缺陷上端邊緣 點(diǎn)11的坐標(biāo)(yi,Zl)值。 運(yùn)用上述方法同樣可以解出缺陷下端邊緣點(diǎn)12的坐標(biāo)(y2,z2)值,再根據(jù)缺陷上、 下端邊緣點(diǎn)11、12的坐標(biāo)值(yi, Zl)、 (y2, z2)就計(jì)算出缺陷的長(zhǎng)度L、傾斜角a 、缺陷深度 d幾何參數(shù)。 本發(fā)明中的三探頭模式也可以設(shè)計(jì)成兩個(gè)發(fā)射探頭、 一個(gè)接收探頭的組合模式。
本發(fā)明的檢測(cè)裝置包括超聲檢測(cè)探頭模塊、超聲模擬信號(hào)調(diào)理器模塊、超聲波發(fā) 射機(jī)模塊和嵌入式系統(tǒng)模塊四個(gè)模塊;如圖6所示,超聲檢測(cè)探頭模塊由一個(gè)發(fā)射探頭1、 兩個(gè)接收探頭2、 13和一個(gè)CM0S圖像傳感器19構(gòu)成,兩個(gè)接收探頭分別與超聲模擬信號(hào)調(diào) 理器相連接,發(fā)射探頭與超聲波功率放大器的輸出相連接;超聲模擬信號(hào)調(diào)理器模塊的兩 個(gè)通道除分別與各自的接收探頭連接外,經(jīng)過(guò)放大、濾波處理之后的兩個(gè)通道輸出的超聲 波信號(hào)經(jīng)PCB板間連接器與嵌入式系統(tǒng)模塊連接,將放大后的超聲信號(hào)分別送至模數(shù)轉(zhuǎn)換 器24、25進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換;超聲波發(fā)射機(jī)模塊的輸出與超聲發(fā)射探頭連接,發(fā)射機(jī)的輸入與 FPGA可編程器件26輸出連接,F(xiàn)PGA在嵌入式處理器27的控制下,產(chǎn)生缺陷檢測(cè)所需的TTL電平脈沖信號(hào)傳輸至超聲波發(fā)射機(jī)的前置級(jí)21。嵌入式系統(tǒng)模塊中的LCD顯示器和鍵盤采 用PCB板間連接器的形式與嵌入式處理器主板連接,CF卡設(shè)備直接安裝在嵌入式處理器主 板上,鼠標(biāo)和USB通信接口均采用USB A型或B型連接器。 本發(fā)明提供了一種無(wú)需用B掃描就可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷高精度檢測(cè)、并能給 出缺陷幾何特征高精度測(cè)量結(jié)果的超聲無(wú)損檢測(cè)新方法,即TOFD-LWE法。
TOFD-LWE(Time of Flight Diffraction and Locating with Ellipse)方法是 利用TOFD法與雙橢圓定位技術(shù)的結(jié)合所實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的高精度測(cè)量。圖4描述 了 TOFD-LWE超聲無(wú)損檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷高精度測(cè)量原理。依據(jù)雙橢圓定位技 術(shù),TOFD-LWE超聲無(wú)損檢測(cè)可以采用一個(gè)超聲發(fā)射探頭和兩個(gè)超聲接收探頭或兩個(gè)超聲發(fā) 射探頭和一個(gè)超聲接收探頭,或者簡(jiǎn)稱為三探頭模式。通過(guò)三探頭模式的超聲波檢測(cè),可在 y-z平面上獲得兩個(gè)橢圓;對(duì)兩個(gè)橢圓相交點(diǎn)的解算便可獲得缺陷邊緣點(diǎn)在y-z平面上的 坐標(biāo)值。 一發(fā)兩收檢測(cè)模式要比兩發(fā)一收檢測(cè)模式的檢測(cè)效率要高,因?yàn)榍罢咧恍枰淮?超聲波發(fā)射即可完成一次檢測(cè);而后者需要兩次超聲波發(fā)射才能完成一次檢測(cè)。在缺陷幾 何特征測(cè)量精度方面,兩種檢測(cè)模式并無(wú)差別。 TOFD-LWE檢測(cè)法的檢測(cè)精度與缺陷在y軸方向偏離兩探頭之間中心點(diǎn)的距離無(wú) 關(guān),特點(diǎn)是一次超聲波發(fā)射即可完成缺陷y-z平面檢測(cè);缺陷的幾何特征的測(cè)量精度高、缺 陷定位精度高、適合缺陷三維幾何特征的精確描述。該檢測(cè)方法屬于真正意義上的超聲無(wú) 損檢測(cè)定量測(cè)量的新方法。這種缺陷二、三維幾何特征參數(shù)較為完整的精確測(cè)量是目前工 程中所使用的超聲無(wú)損檢測(cè)設(shè)備或射線無(wú)損檢測(cè)設(shè)備難以達(dá)到的,不但適合結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢 測(cè),同時(shí)適合斷裂力學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損檢測(cè)。 在本發(fā)明的檢測(cè)裝置的檢測(cè)探頭模塊中,加裝了 CMOS圖像傳感器19。在實(shí)際的檢 測(cè)過(guò)程中,圖像傳感器19能夠檢測(cè)探頭組件在x-y平面上的位移量數(shù)據(jù)參數(shù);通過(guò)將探頭 在x-y平面位移數(shù)據(jù)與y-z剖面缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)的融合,便可以獲得高精度的缺陷三維幾何 特征并繪制缺陷的三維圖形;這樣可以免去復(fù)雜的x-y平面高精度機(jī)械走架,特別適合現(xiàn) 場(chǎng)檢測(cè)的便利性。


圖1是結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷TOFD檢測(cè)原理示意圖。
圖2基于TOFD原理檢測(cè)方法的常見(jiàn)測(cè)量誤差說(shuō)明圖。
圖3是關(guān)于結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷幾何特征的描述。
圖4是TOFD-LWE法高精度超聲無(wú)損檢測(cè)原理圖。
圖5是TOFD-LWE法檢測(cè)坐標(biāo)定義。
圖6是TOFD-LWE法超聲無(wú)損檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)原理框圖。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明 1是超聲波發(fā)射探頭,2、 13是超聲波接收探頭,3是發(fā)射與接收探頭用楔形塊,4是 超聲波發(fā)射在結(jié)構(gòu)件表面等效幾何中心點(diǎn),5是被檢測(cè)結(jié)構(gòu)件底表面,6、10為結(jié)構(gòu)件內(nèi)部 缺陷,7是被檢測(cè)結(jié)構(gòu)件上表面,8、14是接收超聲波在結(jié)構(gòu)件上表面等效幾何中心點(diǎn),9為 被檢測(cè)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部,11是缺陷的上端邊緣點(diǎn),12是缺陷下端邊緣點(diǎn),15是缺陷上端邊緣點(diǎn) 11所形成的雙橢圓在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)件外部的相交點(diǎn),16是缺陷在y-z檢測(cè)平面內(nèi)的長(zhǎng)度L,17是缺陷與結(jié)構(gòu)件上表面7之間的夾角a ,18是被檢測(cè)的結(jié)構(gòu)件,19是CM0S圖像傳感器,
20是超聲波功率放大器,21是超聲波發(fā)射機(jī)前置級(jí),22、23是超聲波模擬信號(hào)調(diào)理器通道,
24、25是模數(shù)轉(zhuǎn)換器,26是可編程器件FPGA, 27是由DSP和ARM構(gòu)成的嵌入式處理器,28是
LCD液晶顯示器,29是CF卡設(shè)備,30是鍵盤、鼠標(biāo)I/O設(shè)備,31是USB接口 。
注缺陷幾何特征的定義是夾角a 、長(zhǎng)度L、上端邊緣點(diǎn)位置11和下端邊緣點(diǎn)位
置12所描述的缺陷幾何特征。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 在圖5中給出了 TOFD-LWE法檢測(cè)坐標(biāo)定義。其中y_z平面為垂直于機(jī)械結(jié)構(gòu)件 表面的檢測(cè)剖面,在x-y平面檢測(cè)探頭組件在x軸方向上的移動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的三維 檢測(cè)。 在圖4中發(fā)射探頭1所發(fā)出的超聲波經(jīng)發(fā)射探頭楔形塊3的折射入射到結(jié)構(gòu)件 9內(nèi)部,其中還有一部分超聲波是沿結(jié)構(gòu)件上表面在y軸方向傳播;當(dāng)入射到結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的 超聲波(通常稱為縱波)遇到缺陷6,就會(huì)在其上、下邊緣11、12產(chǎn)生衍射波(圖中僅標(biāo)出 了缺陷上邊緣11所產(chǎn)生衍射波至接收探頭13、2的傳輸路徑)。接收探頭13和2均可以接 收到缺陷邊緣所產(chǎn)生的衍射波。依據(jù)TOFD-LWE檢測(cè)原理的三探頭檢測(cè)模式,兩個(gè)不同組合 的收發(fā)探頭可以對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的一個(gè)邊緣形成焦距、橢圓端點(diǎn)參數(shù)不同的兩個(gè)橢 圓;且在超聲發(fā)射探頭發(fā)射點(diǎn)4處,兩個(gè)橢圓的焦點(diǎn)位置是相同的。因?yàn)榘l(fā)射點(diǎn)4、接收點(diǎn) 13和8都位于y軸上,對(duì)于缺陷6的上端邊緣11來(lái)講,這兩個(gè)橢圓之間有兩個(gè)關(guān)于y軸對(duì) 稱的兩個(gè)相交點(diǎn)11和15。第一個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷6的上端邊緣點(diǎn)ll,另一個(gè)交 點(diǎn)位于被測(cè)結(jié)構(gòu)件的外部相交點(diǎn)15。兩個(gè)相交點(diǎn)11和15是關(guān)于y軸對(duì)稱的。顯然相交點(diǎn) 15是不合理的,而只有交點(diǎn)11才是正確的解。圖4中缺陷6的下端邊緣坐標(biāo)點(diǎn)12同樣也 同樣采用兩個(gè)橢圓交匯的方式解出。
根據(jù)橢圓方程有 《+ 4 = 1 (3)
^^ + 4 = 1 (4)
fl2 方2 = *cxfsi (5) Z^)/^1^ (6) 。2 = |cxte (7) 62 = ^-^ (幻 其中 tsi為發(fā)射點(diǎn)4至缺陷上邊緣點(diǎn)11至第一接收點(diǎn)13超聲波傳輸時(shí)間; c為被檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的聲速; Sl為發(fā)射點(diǎn)4至第一接收點(diǎn)13距離的一半,且為已知; tS2為發(fā)射點(diǎn)4至缺陷上邊緣點(diǎn)11至第二接收點(diǎn)8超聲波傳輸時(shí)間;
s2為發(fā)射點(diǎn)4至第二接收點(diǎn)8距離的一半,且為已知; 在檢測(cè)時(shí),超聲波發(fā)射探頭1所發(fā)射檢測(cè)超聲波信號(hào)使得超聲波接收探頭13、2可 以接收到由缺陷6的邊緣產(chǎn)生的衍射波;通過(guò)對(duì)探頭2、 13所接收的衍射波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)便 可以得到^和^2測(cè)量值,然后根據(jù)式(5)_(10)便可解算出點(diǎn)ll處的坐標(biāo)(y"Zl)值。
運(yùn)用上述方法同樣可以解出缺陷6下端邊緣點(diǎn)12的坐標(biāo)(y2,z3)值。那么在被測(cè) 結(jié)構(gòu)件的y-z平面上,根據(jù)缺陷上、下端邊緣11、12的坐標(biāo)值(yi, Zl)、 (y2, z2)就可以計(jì)算 出缺陷的長(zhǎng)度L、傾斜角a 、缺陷深度d幾何參數(shù)(參見(jiàn)圖3和圖3說(shuō)明)。
參照?qǐng)D3、4、5,采用TOFD-LWE原理對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)而獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部 缺陷在y_z平面的幾何性狀特征。在此基礎(chǔ)上,采用TOFD-LWE檢測(cè)沿x軸方向進(jìn)行D掃描 方式進(jìn)行檢測(cè);這樣就可以獲得在x軸方向間隔為Ax的缺陷y-z平面的各剖面圖,通過(guò)計(jì) 算機(jī)繪圖便可構(gòu)建機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的三維圖形。 依據(jù)TOFD-LWE檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)的超聲無(wú)損檢測(cè)裝置的原理示意圖如圖6所示,該圖
所描述的設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案采用一發(fā)兩收的三探頭檢測(cè)模式。 ①缺陷檢測(cè)的超聲波發(fā)射 在嵌入式處理器27的控制下通過(guò)可編程器件26發(fā)出檢測(cè)脈沖信號(hào);該脈沖信號(hào) 經(jīng)超聲波發(fā)射機(jī)前置級(jí)21之后驅(qū)動(dòng)超聲波功率放大器20。超聲波功率放大器20輸出的功 率型脈沖驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器1。
②超聲波信號(hào)接收與放大 由于采用一發(fā)兩收模式,所以超聲波模擬信號(hào)處理采用兩個(gè)通道分別處理超聲波 接收探頭2、 13輸出的信號(hào),而且兩個(gè)通道的電路形式完全一致。 超聲波模擬信號(hào)調(diào)理器的功能是將接收探頭2/13輸出的微弱超聲波信號(hào)進(jìn)行 放大,然后再經(jīng)時(shí)間增益控制放大器進(jìn)行放大,以及后級(jí)放大器進(jìn)一步放大。經(jīng)過(guò)放大之后 的信號(hào)通過(guò)濾波器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的抗混疊濾波。濾波器輸出的信號(hào)由緩沖驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器24/25。
③超聲波信號(hào)處理 在嵌入式系統(tǒng)中的兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器24/25將放大后的超聲波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)由FPGA可編程器件26進(jìn)行高速的實(shí)時(shí)緩沖存儲(chǔ),然 后由后面嵌入式處理器27中的專用數(shù)字信號(hào)處理器DSP讀取并進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理。
通過(guò)嵌入式系統(tǒng)中的DSP數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)時(shí)處理,完成可選擇不同中心頻 率、不同帶寬的數(shù)字濾波,自適應(yīng)時(shí)間增益控制,缺陷自動(dòng)識(shí)別,缺陷三維輔助繪圖、缺陷監(jiān) 測(cè)盲區(qū)處理等信號(hào)處理。經(jīng)過(guò)處理的超聲波信號(hào)和缺陷二、三維圖形數(shù)據(jù)在嵌入式處理器 中的ARM控制下,傳輸給LCD液晶顯示器28進(jìn)行顯示;也可以采用文件的形式存儲(chǔ)在工作 在TRUE IDE模式下的CF卡29中。 通過(guò)USB通信接口 31,可以更新或升級(jí)DSP信號(hào)處理軟件。
人機(jī)交互 人機(jī)交互用設(shè)備包括LCD液晶顯示器28和鍵盤、鼠標(biāo)10設(shè)備30。這些設(shè)備都是 由ARM和DSP構(gòu)成的嵌入式處理器27控制的。通過(guò)人機(jī)交互可以完成設(shè)備檢測(cè)模式、被檢 測(cè)結(jié)構(gòu)件工藝參數(shù)、缺陷檢測(cè)人工輔助、顯示模式、測(cè)量原始數(shù)據(jù)文件等管理。
⑤計(jì)算機(jī)接口
超聲監(jiān)測(cè)設(shè)備不但可以脫機(jī)獨(dú)立進(jìn)行工程檢測(cè),還可以通過(guò)USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的同步 串行接口 31與主機(jī)進(jìn)行通信。通過(guò)USB接口,嵌入式系統(tǒng)中的CF卡29可以U盤形式作為 一個(gè)盤符出現(xiàn)在主機(jī)中。主機(jī)可以從CF卡29中復(fù)制測(cè)量原始數(shù)據(jù),向檢測(cè)設(shè)備裝訂測(cè)量 工藝文件,更新或升級(jí)檢測(cè)設(shè)備信號(hào)處理軟件等。
⑥人工手動(dòng)x-y平面連續(xù)高精度掃查 參照附圖5、6,如果在x-y平面上對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行整體超聲檢測(cè)時(shí),利用超聲探頭處 加裝CMOS圖像傳感器19給出(A x, Ay)位移量,通過(guò)USB同步串行通信傳輸給ARM&DSP 嵌入式處理器27。然后由嵌入式系統(tǒng)將超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)與(Ax, Ay)位移量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。 通過(guò)數(shù)據(jù)融合給出的三維檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)(x,y,z)描述了缺陷的三維空間中的幾何位置,并 在液晶顯示器28顯示缺陷的二或三維圖形,給出x-y平面連續(xù)的高精度掃查結(jié)果。從而 免除了 x-y平面高精度機(jī)械行走機(jī)構(gòu),降低了設(shè)備復(fù)雜程度及成本,同時(shí)方便了工程現(xiàn)場(chǎng) 檢測(cè)的靈活性、便利性和快捷性(尤其是很多不適宜安裝x-y平面機(jī)械行走機(jī)構(gòu)的工程現(xiàn) 場(chǎng))。 設(shè)備連接 由圖6所描述的TOFD-LWTE超聲檢測(cè)系統(tǒng)中,可以劃分為四個(gè)模塊
①超聲檢測(cè)探頭模塊 該模塊由一個(gè)超聲發(fā)射探頭、兩個(gè)超聲接收探頭和一個(gè)CMOS圖像傳感器構(gòu)成。
口模塊中超聲接收探頭2、 13采用50Q或75Q同軸電纜分別于與超聲模擬信號(hào) 調(diào)理器22、23相連接,將接收的超聲波信號(hào)傳送給模擬信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行放大、濾波處理。
O模塊中超聲發(fā)射探頭l采用600V耐壓的雙扭線與超聲波功率放大器20輸出相 連接。
□模塊中的CMOS圖像傳感器19采用兩對(duì)雙絞線與嵌入系統(tǒng)處理器27相連接, 并采用USB通信協(xié)議傳輸A x、 A y位移量數(shù)據(jù)。
②超聲模擬信號(hào)調(diào)理器模塊 模擬信號(hào)調(diào)理器的兩個(gè)通道除采用同軸電纜分別于各自的超聲接收探頭連接外, 經(jīng)過(guò)放大、濾波處理之后的兩個(gè)通道22、23輸出的超聲波信號(hào)經(jīng)PCB板間連接器與嵌入式 系統(tǒng)連接,將放大后的超聲信號(hào)分別送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器24、25進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
③超聲波發(fā)射機(jī)模塊 超聲波發(fā)射機(jī)模塊的輸出與超聲發(fā)射探頭連接,發(fā)射機(jī)的輸入采用同軸電纜與 FPGA 26輸出連接。FPGA在嵌入式處理器的控制下,產(chǎn)生缺陷檢測(cè)所需的TTL電平脈沖信 號(hào)經(jīng)這個(gè)同軸電纜傳輸至超聲發(fā)射機(jī)的前置級(jí)21。
④嵌入式系統(tǒng)模塊 在嵌入式系統(tǒng)模塊內(nèi)部,LCD顯示器28和鍵盤30采用PCB板間連接器的形式與 嵌入式處理器主板連接;CF卡設(shè)備29直接安裝在嵌入式處理器主板上;鼠標(biāo)30和USB通 信接口 31均采用USB A型或B型連接器。
權(quán)利要求
一種超聲無(wú)損檢測(cè)方法,其特征是基于衍射超聲波檢測(cè)與橢圓交匯定位相結(jié)合而得出的結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷,使用的超聲探頭數(shù)量為N、N≥3,其中至少有一個(gè)是發(fā)射探頭;通過(guò)檢測(cè)獲得N-1個(gè)橢圓曲線,通過(guò)對(duì)N-1個(gè)橢圓方程組的數(shù)學(xué)解算,得到缺陷邊緣位置在檢測(cè)的二維平面中直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn),在橢圓方程組的多個(gè)解之中,只有反映結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷邊緣點(diǎn)的解才是唯一的真實(shí)解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲無(wú)損檢測(cè)方法,其特征是在超聲探頭數(shù)量N = 3 時(shí),檢測(cè)探頭組件包括一個(gè)發(fā)射探頭、二個(gè)接收探頭;通過(guò)檢測(cè)形成兩個(gè)橢圓;被檢測(cè)機(jī)械 結(jié)構(gòu)件的y-z平面為垂直于機(jī)械結(jié)構(gòu)件表面的檢測(cè)剖面;發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波一部分 經(jīng)發(fā)射探頭楔形塊的折射而入射到機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部,另一部分超聲波沿機(jī)械結(jié)構(gòu)件上表面y軸方向傳播;當(dāng)入射到機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的超聲波遇到缺陷,在缺陷上、下邊緣產(chǎn)生衍射,利用兩個(gè)接收探頭分別接收衍射波;對(duì)兩個(gè)接收探頭所接收超聲衍射波的檢測(cè)與測(cè)量可以 得到傳播時(shí)間tsl和tS2 ;由三個(gè)的超聲波探頭位置參數(shù)、傳播時(shí)間tsl和tS2所對(duì)應(yīng)的傳播距 離Tl^與TL2參數(shù)形成了焦距、端點(diǎn)參數(shù)不同的兩個(gè)橢圓;然后利用下列方程解算出兩個(gè)橢 圓在缺陷上邊緣點(diǎn)位置交匯點(diǎn)的坐標(biāo)(yi, Zl)值<formula>formula see original document page 2</formula> 其中tsl為發(fā)射點(diǎn)至缺陷上邊緣點(diǎn)至第一接收點(diǎn)超聲波傳輸時(shí)間;C為被檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的聲速;S工為發(fā)射點(diǎn)至第一接收點(diǎn)距離的一半,且為已知;tS2為發(fā)射點(diǎn)至缺陷上邊緣點(diǎn)至第二接收點(diǎn)超聲波傳輸時(shí)間;S2為發(fā)射點(diǎn)至第二接收點(diǎn)距離的一半,且為已知;運(yùn)用上述同樣的方法解出缺陷下邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)(y2, Z2)值,再根據(jù)缺陷上下邊緣的坐 標(biāo)值(yi, Zl) 、 (y2, Z2)就計(jì)算出缺陷的長(zhǎng)度L、傾斜角a 、缺陷深度d幾何參數(shù)。
3. —種超聲無(wú)損檢測(cè)方法的檢測(cè)裝置,包括超聲檢測(cè)探頭模塊、超聲模擬信號(hào)調(diào)理器 模塊、超聲波發(fā)射機(jī)模塊和嵌入式系統(tǒng)模塊四個(gè)模塊;其特征是超聲檢測(cè)探頭模塊由一 個(gè)發(fā)射探頭、兩個(gè)接收探頭和一個(gè)CMOS圖像傳感器構(gòu)成,兩個(gè)接收探頭分別與超聲模擬信 號(hào)調(diào)理器相連接,發(fā)射探頭與超聲波功率放大器的輸出相連接;超聲模擬信號(hào)調(diào)理器模塊 的兩個(gè)通道除分別與各自的接收探頭連接外,經(jīng)過(guò)放大、濾波處理之后的兩個(gè)通道輸出的 超聲波信號(hào)經(jīng)PCB板間連接器與嵌入式系統(tǒng)連接,將放大后的超聲信號(hào)分別送至模數(shù)轉(zhuǎn)換 器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換;超聲波發(fā)射機(jī)模塊的輸出與超聲發(fā)射探頭連接,發(fā)射機(jī)的輸入與FPGA輸 出連接,F(xiàn)PGA在嵌入式處理器的控制下,產(chǎn)生缺陷檢測(cè)所需的TTL電平脈沖信號(hào)傳輸至前置級(jí);嵌入式系統(tǒng)模塊的構(gòu)成為L(zhǎng)CD顯示器和鍵盤采用PCB板間連接器的形式與嵌入式處 理器主板連接,設(shè)備CF卡直接安裝在嵌入式處理器主板上,鼠標(biāo)和USB通信接口均采用USB A型或B型連接器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲無(wú)損檢測(cè)方法的檢測(cè)設(shè)備,其特征是在超聲檢測(cè)探頭 處加裝CM0S圖像傳感器;將超聲探頭所在的二維平面位移量數(shù)據(jù)與超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種高精度超聲無(wú)損檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置。超聲探頭組件包括一個(gè)發(fā)射探頭和兩個(gè)接收探頭。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波經(jīng)過(guò)楔形塊的折射而入射到機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)部,并在缺陷的邊緣產(chǎn)生衍射波。對(duì)兩個(gè)接收探頭所接收超聲衍射波的檢測(cè)與測(cè)量可以得到傳播時(shí)間tS1和tS2。由三個(gè)的超聲波探頭位置參數(shù)、傳播時(shí)間tS1和tS2所對(duì)應(yīng)的傳播距離TL1與TL2參數(shù)形成了焦距、端點(diǎn)參數(shù)不同的兩個(gè)橢圓。通過(guò)橢圓方程組的結(jié)算便可獲得缺陷上端、下端邊緣的坐標(biāo)值,由此可以計(jì)算出缺陷的長(zhǎng)度L、傾斜角α、缺陷深度d幾何參數(shù)。通過(guò)探頭組件中安裝的CMOS圖像傳感器給出的(Δx,Δy)位移參數(shù)與缺陷測(cè)量值的數(shù)據(jù)融合,便可以繪制缺陷的高精度三維圖像。
文檔編號(hào)G01N29/22GK101701937SQ20091007315
公開(kāi)日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者孫向陽(yáng), 田坦, 紀(jì)祥春, 蘇繼輝, 蘇龍濱, 遲文廣, 陳婷婷, 陳敏 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)
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