專利名稱：一種基于超聲tofd法的近表面缺陷定量化檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲波檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種基于超聲衍射時(shí)差法的近表面缺陷定量化檢測(cè)技術(shù)。

背景技術(shù)：
超聲衍射時(shí)差法，簡(jiǎn)稱超聲TOFD(Time of Flight Diffraction)法，是一種基于接收缺陷端部的衍射信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量測(cè)量的無(wú)損檢測(cè)手段，適合于大厚度的焊縫結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)。采用超聲TOFD法存在著對(duì)近表面缺陷不敏感的技術(shù)問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，論文1張銳等，超聲衍射一回波渡越時(shí)間方法焊縫裂紋原位定量無(wú)損估計(jì)，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36(5)54～57提出了超聲TOFD和脈沖回波相結(jié)合的檢測(cè)方法，該項(xiàng)技術(shù)有效提高對(duì)近表缺陷的識(shí)別，但需要附加檢測(cè)設(shè)備。論文2Chi Dazhao et al，Background removal and welddefect detection based on energy distribution of image(基于能量分布的圖像背景去除和缺陷識(shí)別)China Welding，2007，16(1)14～18提出了一種基于信號(hào)及圖像處理的方法，通過(guò)濾除與近表面缺陷混疊的側(cè)向波，提取近表面缺陷信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行定量測(cè)量，該方法提高了近表面缺陷的辨識(shí)能力，但是當(dāng)各測(cè)點(diǎn)信號(hào)中側(cè)向波時(shí)基抖動(dòng)以及能量幅度變化較大時(shí)，該方法存在側(cè)向波抑制不完全或損傷近表面缺陷信號(hào)的問(wèn)題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在2009年12月17日申請(qǐng)的、申請(qǐng)?zhí)枮?00910311663.4的發(fā)明專利申請(qǐng)《一種基于超聲TOFD的近表面缺陷識(shí)別方法》中公開的技術(shù)方案，在常規(guī)TOFD法的基礎(chǔ)上，提出了一種縱波二次底面反射法，該方法采用A、B、D三種掃描方式，并且不需采用輔助硬件設(shè)施，無(wú)需信號(hào)及圖像處理即可發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)體中的近表面缺陷，因此該方法克服了常規(guī)TOFD法對(duì)近表面缺陷不易于識(shí)別的問(wèn)題。為了獲取準(zhǔn)確的缺陷橫向位置及埋藏深度位置，該方法一般需在缺陷上方檢測(cè)面做跨越焊縫的B掃描，在獲得的B掃描圖像上來(lái)判斷缺陷的準(zhǔn)確位置。但是，B掃描圖像的獲取要在焊縫余高去除加工后才能進(jìn)行，當(dāng)存在焊縫余高的高度較大時(shí)，B掃描檢測(cè)的可達(dá)性差或不可達(dá)。而當(dāng)焊縫的橫向尺寸小時(shí)，不滿足B掃描檢測(cè)所需的空間，因此缺陷在焊縫中的準(zhǔn)確位置信息也很難獲取。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有采用B掃描實(shí)現(xiàn)缺陷定位的方法中，所述B掃描的過(guò)程受焊縫的高度和寬度的影響比較大，測(cè)量對(duì)象受限制的問(wèn)題，提供一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測(cè)方法。該方法的具體步驟為 步驟一根據(jù)被檢測(cè)體的厚度h及兩個(gè)超聲波探頭發(fā)出的超聲波在被檢測(cè)體中的折射角度θ，調(diào)整兩個(gè)超聲波探頭之間的距離S，使S滿足S≈4×h×tgθ，并檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間延遲t0； 步驟二在被檢測(cè)焊縫上標(biāo)記xyz三維檢測(cè)坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，其中，z軸與被檢測(cè)焊縫的中心線相重合，x軸位于被檢測(cè)焊縫所在表面，并且待檢測(cè)的缺陷端部位于xy平面上；所述的兩個(gè)超聲波探頭位于x軸上，并且兩個(gè)超聲波探頭以原點(diǎn)為中心對(duì)稱，對(duì)被檢測(cè)體進(jìn)行A掃描，獲取第一列A掃描信號(hào)，根據(jù)所述A掃描信號(hào)與步驟一獲得的時(shí)間延遲t0計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S1；然后以xy平面內(nèi)的兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)A、B為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，以2a1＝S1作為橢圓的長(zhǎng)軸，以

作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負(fù)半軸的半橢圓的方程式； 步驟三保持一個(gè)超聲波探頭位置不動(dòng)，將另一個(gè)超聲波探頭沿x軸移至B′處，然后再次對(duì)被檢測(cè)體進(jìn)行A掃描，獲取第二列A掃描信號(hào)，根據(jù)所述A掃描信號(hào)與步驟一獲得的時(shí)間延遲t0計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S2，然后以xy平面內(nèi)的兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)A、B′為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，以2s2＝S2作為橢圓的長(zhǎng)軸，以

作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負(fù)半軸的半橢圓的方程式； 步驟四將步驟二獲得的半橢圓的方程和步驟三獲得的半橢圓的方程進(jìn)行聯(lián)立求解，獲得兩個(gè)半橢圓的交點(diǎn)坐標(biāo)(x1、y1)，則缺陷端部D在焊縫中的橫向位置為x1，缺陷端部在焊縫中的埋藏深度為2h-|y1|。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出一種僅依據(jù)兩列A掃描信號(hào)的近表面缺陷準(zhǔn)確定位方法，采用TOFD縱波二次底面反射的檢測(cè)方法，根據(jù)不同探頭位置處獲取的A掃描信號(hào)中缺陷波的傳播時(shí)間、探頭聲入射點(diǎn)和缺陷端部之間的幾何關(guān)系，準(zhǔn)確的定位近表面缺陷端部在焊縫中的橫向位置及埋藏深度。



圖1為超聲TOFD縱波二次底面反射法的檢測(cè)聲路示意圖，其中1表示側(cè)向波的傳播路徑、2表示一次底面反射波的傳播路徑、3表示缺陷波的傳播路徑、4表示二次底面反射波的傳播路徑，5和6分別表示兩個(gè)超聲波探頭，圖2為A掃描獲得的信號(hào)波形圖，其中7表示側(cè)向波、8表示一次底面反射波、9表示缺陷波、10表示二次底面反射波；圖3為檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間延遲的示意圖，圖4為本發(fā)明方法的原理示意圖。

具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖3和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測(cè)方法，它的具體步驟為 步驟一根據(jù)被檢測(cè)體的厚度h及兩個(gè)超聲波探頭發(fā)出的超聲波在被檢測(cè)體中的折射角度θ，調(diào)整兩個(gè)超聲波探頭之間的距離S，使S滿足S≈4×h×tgθ，并檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間延遲t0； 步驟二在被檢測(cè)焊縫上標(biāo)記xyz三維檢測(cè)坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，其中，z軸與被檢測(cè)焊縫的中心線相重合，x軸位于被檢測(cè)焊縫所在表面，并且待檢測(cè)的缺陷端部D位于xy平面上；所述的兩個(gè)超聲波探頭位于x軸上，并且兩個(gè)超聲波探頭以原點(diǎn)O為中心對(duì)稱，對(duì)被檢測(cè)體進(jìn)行A掃描，獲取第一列A掃描信號(hào)，根據(jù)所述A掃描信號(hào)與步驟一獲得的時(shí)間延遲t0計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S1；然后以xy平面內(nèi)的兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)A、B為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，以2a1＝S1作為橢圓的長(zhǎng)軸，以

作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負(fù)半軸的半橢圓L1的方程式； 步驟三保持一個(gè)超聲波探頭5位置不動(dòng)，將另一個(gè)超聲波探頭6沿x軸移至B′處，然后再次對(duì)被檢測(cè)體進(jìn)行A掃描，獲取第二列A掃描信號(hào)，根據(jù)所述A掃描信號(hào)與步驟一獲得的時(shí)間延遲t0計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S2，然后以xy平面內(nèi)的兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)A、B′為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，以2a2＝S2作為橢圓的長(zhǎng)軸，以

作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負(fù)半軸的半橢圓L2的方程式； 步驟四將步驟二獲得的半橢圓L1的方程和步驟三獲得的半橢圓L2的方程進(jìn)行聯(lián)立求解，獲得兩個(gè)半橢圓的交點(diǎn)坐標(biāo)(x1、y1)，則缺陷端部D在焊縫中的橫向位置為x1，缺陷端部D在焊縫中的埋藏深度為2h-|y1|。
本實(shí)施方式步驟二和步驟三所述的A掃描信號(hào)中包含四路聲波，第一路聲波為側(cè)向波，第二路為一次底面反射波，第三路為缺陷波，第四路為二次底面反射波，其中所述缺陷波和二次底面反射波的傳播路徑為“W”形。
本實(shí)施方式所述的缺陷波是指一個(gè)超聲波探頭發(fā)射出的縱波被檢測(cè)焊縫底面反射到達(dá)被檢測(cè)焊縫的缺陷端部D處并發(fā)生衍射后，再次經(jīng)被檢測(cè)焊縫底面反射后被另一個(gè)超聲波探頭接收的波。
本實(shí)施方式中步驟二所述的根據(jù)所述A掃描信號(hào)與步驟一獲得的時(shí)間延遲t0計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S1的方法為根據(jù)缺陷波的到達(dá)時(shí)間t1及缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的聲速v，依據(jù)公式S1＝(t1-t0)×v獲得。
本實(shí)施方式中步驟三所述的根據(jù)所述A掃描信號(hào)與步驟一獲得的時(shí)間延遲t0計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S2的方法為根據(jù)缺陷波的到達(dá)時(shí)間t2及缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的聲速v，并依據(jù)公式S2＝(t2-t0)×v獲得。
以下結(jié)合圖3和圖4并通過(guò)具體的參數(shù)說(shuō)明本方法 根據(jù)被檢測(cè)體的厚度h及兩個(gè)超聲波探頭發(fā)出的超聲波在被檢測(cè)體中的折射角度θ，調(diào)整兩個(gè)超聲波探頭之間的距離S，并且S滿足S≈4×h×tgθ，并檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間延遲t0；在被檢測(cè)焊縫上標(biāo)記xyz檢測(cè)坐標(biāo)系，結(jié)合圖4，z軸與被檢測(cè)焊縫的中心線相重合，x軸位于被檢測(cè)焊縫所在表面，并且待檢測(cè)的缺陷端部D位于xy平面上；沿z軸兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)超聲波探頭于x軸上，所述兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)分別為A、B，開始A掃描，獲取第一列A掃描信號(hào)，根據(jù)讀取的缺陷波傳播時(shí)間t1及缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的聲速v，并依據(jù)公式S1＝(t1-t0)×v，獲得缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S1，根據(jù)圖4所示可知，缺陷波的傳播路徑為從一個(gè)超聲波探頭5的聲入射點(diǎn)開始到另一個(gè)超聲波探頭6的聲入射點(diǎn)截止，路徑為A-E-D-F-B，則缺陷波的傳播距離為S1＝AE+ED+DF+FB，根據(jù)幾何計(jì)算的原理可知，分別將線段AE和BF向y軸負(fù)向延伸，相交于點(diǎn)D′，則S1＝AD′+D′B，然后以xy平面內(nèi)的兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)A、B為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，以2a1＝S1為橢圓的長(zhǎng)軸，以

為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的半橢圓L1的方程式； x2/a12+y2/b12＝1y＜0； 保持一個(gè)超聲波探頭5位置不動(dòng)，將另一個(gè)超聲波探頭6沿x軸移動(dòng)至B′處，再次開始A掃描，獲取第二列A掃描信號(hào)，并根據(jù)讀取缺陷波的傳播時(shí)間t2，根據(jù)公式S2＝(t2-t0)×v，獲得缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S2，根據(jù)圖4可知，缺陷波的傳播路徑為從一個(gè)超聲波探頭5的聲入射點(diǎn)開始到另一個(gè)超聲波探頭6的聲入射點(diǎn)截止，路徑為A-E-D-F′-B′，則缺陷波的傳播距離S1＝AE+ED+DF′+F′B′，根據(jù)幾何計(jì)算的原理可知，分別將線段AE和BF′向y軸負(fù)向延伸，相交于點(diǎn)D′，則S2＝AD′+DB′，然后以xy平面內(nèi)的兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)A、B′為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，以2a2＝S2作為橢圓的長(zhǎng)軸，以

作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負(fù)半軸的半橢圓L2的方程式；(x-BB′/2)2/a22+y2/b22＝1y＜0， 聯(lián)立獲得的兩個(gè)半橢圓L1和L2的方程

求解獲得兩個(gè)半橢圓的交點(diǎn)D′的坐標(biāo)(x1、y1)；根據(jù)上述兩次計(jì)算缺陷波的傳播距離的過(guò)程可知，兩個(gè)半橢圓的交點(diǎn)D′為缺陷端部D以被焊接物體底面為對(duì)稱面的鏡像對(duì)稱點(diǎn)，則所述交點(diǎn)D′的橫坐標(biāo)x1即為缺陷端部D在焊縫中的橫向位置；而缺陷端部D在焊縫中的埋藏深度為2h-|y1|。
本實(shí)施方式以鋁合金板中人工缺陷作為檢測(cè)對(duì)象，在厚度為20.0mm的鋁合金板上布置探頭，兩探頭聲入射點(diǎn)間距為40.0mm，獲取A掃描信號(hào)。根據(jù)鋁合金中聲速6260m/s，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)延遲為5.30us；在被檢測(cè)體上標(biāo)定xyz坐標(biāo)系，坐標(biāo)系單位為mm。此時(shí)缺陷端部在xy坐標(biāo)平面中的實(shí)際坐標(biāo)為(-8.0，-1.87)。采用本發(fā)明的方法檢測(cè)缺陷端部的具體位置的過(guò)程為在z軸兩側(cè)對(duì)稱布置探頭，兩探頭入射點(diǎn)間距110.0mm。根據(jù)獲取A掃描信號(hào)中缺陷波的到達(dá)時(shí)刻為26.71us，計(jì)算得聲波在被檢測(cè)體中的傳播路程長(zhǎng)度為134.0mm。確定xy坐標(biāo)平面中，以兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)(-55.0，0)和(55.0，0)為焦點(diǎn)的半橢圓L1的方程為 x2/a12+y2/b12＝1y＜0； 保持一個(gè)超聲波探頭5位置不變，將另一個(gè)超聲波探頭6移至位置點(diǎn)(65.0，0)處，此時(shí)兩探頭入射點(diǎn)間距120.0mm。獲取A掃描信號(hào)中缺陷波的到達(dá)時(shí)刻28.10us，計(jì)算獲得聲波在被檢測(cè)體中的傳播距離為142.7mm。確定坐標(biāo)系中以兩個(gè)超聲波探頭聲入射點(diǎn)(-55.0，0)和(65.0，0)為焦點(diǎn)的半橢圓L2的方程為 (x-BB′/2)2/a22+y2/b22＝1y＜0； 聯(lián)立上述兩方程并求解得

其中x＝-7.8mm為缺陷在被檢測(cè)體中坐標(biāo)系下的橫向位置，2h-|y|＝2.0mm為相應(yīng)的埋藏深度位置。
為了避免一次測(cè)量結(jié)果得不準(zhǔn)確性，可經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均值，獲得更為可靠的缺陷端部位置。
本實(shí)施方式所述的A掃描信號(hào)的獲取可采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的超聲C掃描系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測(cè)方法，其特征是，它的實(shí)現(xiàn)方法為
步驟一根據(jù)被檢測(cè)體的厚度h及兩個(gè)超聲波探頭發(fā)出的超聲波在被檢測(cè)體中的折射角度θ，調(diào)整兩個(gè)超聲波探頭之間的距離S，使S滿足S≈4×h×tgθ，并檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間延遲t0；
步驟二在被檢測(cè)焊縫上標(biāo)記xyz三維檢測(cè)坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，其中，z軸與被檢測(cè)焊縫的中心線相重合，x軸位于被檢測(cè)焊縫所在表面，并且待檢測(cè)的缺陷端部(D)位于xy平面上；所述的兩個(gè)超聲波探頭位于x軸上，并且兩個(gè)超聲波探頭以原點(diǎn)(O)為中心對(duì)稱，對(duì)被檢測(cè)體進(jìn)行A掃描，獲取第一列A掃描信號(hào)，根據(jù)所述A掃描信號(hào)與步驟一獲得的時(shí)間延遲t0計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S1；然后以xy平面內(nèi)的兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)A、B為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，以2a1＝S1作為橢圓的長(zhǎng)軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負(fù)半軸的半橢圓(L1)的方程式；
步驟三保持一個(gè)超聲波探頭(5)位置不動(dòng)，將另一個(gè)超聲波探頭(6)沿x軸移至B′處，然后再次對(duì)被檢測(cè)體進(jìn)行A掃描，獲取第二列A掃描信號(hào)，根據(jù)所述A掃描信號(hào)與步驟一獲得的時(shí)間延遲t0計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S2，然后以xy平面內(nèi)的兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)A、B′為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，以2a2＝S2作為橢圓的長(zhǎng)軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負(fù)半軸的半橢圓(L2)的方程式；
步驟四將步驟二獲得的半橢圓(L1)的方程和步驟三獲得的半橢圓(L2)的方程進(jìn)行聯(lián)立求解，獲得兩個(gè)半橢圓的交點(diǎn)坐標(biāo)(x1、y1)，則缺陷端部(D)在焊縫中的橫向位置為x1，缺陷端部(D)在焊縫中的埋藏深度為2h-|y1|。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測(cè)方法，其特征在于，步驟二所述的計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S1的方法為根據(jù)缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播時(shí)間t1及缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的聲速v，并依據(jù)公式S1＝(t1-t0)×v獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測(cè)方法，其特征在于，步驟三所述的計(jì)算缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播距離S2的方法為根據(jù)缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的傳播時(shí)間t2及缺陷波在被檢測(cè)焊縫中的聲速v，并依據(jù)公式S2＝(t2-t0)×v獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測(cè)方法，其特征在于，缺陷波是指一個(gè)超聲波探頭發(fā)射出的縱波被檢測(cè)焊縫底面反射到達(dá)被檢測(cè)焊縫的缺陷端部(D)處并發(fā)生衍射后，再次經(jīng)被檢測(cè)焊縫底面反射后被另一個(gè)超聲波探頭接收的波。
全文摘要
一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測(cè)方法，涉及超聲波檢測(cè)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有采用B掃描實(shí)現(xiàn)缺陷定位的方法中，所述B掃描的過(guò)程受焊縫的高度和寬度的影響比較大，測(cè)量對(duì)象受限制的問(wèn)題，本發(fā)明的具體方法為測(cè)定檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間延遲；在被檢測(cè)體上標(biāo)定三維檢測(cè)坐標(biāo)系，然后布置兩探頭位置，并對(duì)焊縫進(jìn)行A掃描，然后根據(jù)獲取的A掃描信號(hào)確定缺陷波在被檢測(cè)體中傳播的距離以及兩個(gè)超聲波探頭的聲入射點(diǎn)位置獲得一個(gè)半橢圓方程；移動(dòng)其中一個(gè)超聲波探頭至新測(cè)點(diǎn)處，重復(fù)上述操作獲得另一個(gè)半橢圓方程；聯(lián)立兩半橢圓方程，獲得兩個(gè)半橢圓的交點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)所述交點(diǎn)坐標(biāo)獲得缺陷端部的橫向及埋藏深度位置。本發(fā)明適用于超聲波檢測(cè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N29/07GK101806777SQ201010115420
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月1日
發(fā)明者遲大釗, 剛鐵, 姚英學(xué), 周安, 袁媛 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)