[發(fā)明專利]一種基于環(huán)形陣列換能器的全聚焦成像檢測方法

有效

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• 申請日: 2017-06-02
• 公開（公告）號: CN107219305B
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周正干;李尚凝;李洋
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06
• 代理公司: 11121 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所
• 代理人: 祗志潔<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入

本發(fā)明提供了一種基于環(huán)形陣列換能器的全聚焦成像檢測方法，屬于超聲無損檢測。本發(fā)明將檢測成像區(qū)域定為試件沿環(huán)形陣列換能器軸向的線形區(qū)域；用機(jī)械臂夾持環(huán)形陣列換能器對各檢測區(qū)域進(jìn)行掃查，在掃查各檢測區(qū)域時(shí)，依次激發(fā)單個(gè)陣元，每次激發(fā)，所有陣元均接收超聲回波時(shí)域信號，形成檢測區(qū)域的全矩陣數(shù)據(jù)；將每個(gè)檢測區(qū)域離散成多個(gè)檢測點(diǎn)，由費(fèi)馬原理確定檢測點(diǎn)處的聲波傳播路徑，獲得傳播時(shí)間，利用延時(shí)法將采集到的全矩陣數(shù)據(jù)完備集聚焦到監(jiān)測點(diǎn)，獲得檢測點(diǎn)的幅值。本發(fā)明能夠在使用較少陣元的情況下產(chǎn)生較強(qiáng)的聚焦聲場，大大減少電路控制復(fù)雜程度，提高了檢測厚度和檢測精度，可實(shí)現(xiàn)檢測的智能化、高效化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超聲無損檢測方法，特別是涉及一種基于環(huán)形陣列換能器超聲檢測厚度較高、衰減較大的材料的全聚焦成像檢測技術(shù)。

背景技術(shù)

超聲無損檢測是利用超聲波與待檢試件的相互作用，就反射、透射和散射的超聲波進(jìn)行研究，對試件如金屬、塑料、復(fù)合材料、陶瓷、橡膠以及玻璃等材料，進(jìn)行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征。

陣列超聲檢測技術(shù)是超聲無損檢測技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的檢測技術(shù)之一，也是超聲無損檢測領(lǐng)域中應(yīng)用和研究最為活躍的技術(shù)之一。其檢測過程可以描述為：由觸發(fā)信號控制陣列換能器的陣元晶片發(fā)射超聲波，通過惠更斯原理合成波陣面并在被測試件內(nèi)部傳播，當(dāng)超聲波遇到試件內(nèi)部的缺陷時(shí)會被反射回來，反射回來的超聲波包含了缺陷的信息，通過信號提取與處理，利用成像技術(shù)獲得表征缺陷特征的可視化圖像，從而評價(jià)被測試件內(nèi)部缺陷或組織的性能。

陣列超聲檢測依賴于不同的陣列換能器實(shí)現(xiàn)檢測過程，目前較主流的有線性陣列換能器、矩形陣列換能器和環(huán)形陣列換能器，如圖1所示。目前研究和應(yīng)用較多的是線性陣列換能器和矩形陣列換能器。線性陣列換能器控制電路簡單、制作成本低，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域，但是激發(fā)的聲束不能雙向偏轉(zhuǎn)；矩形陣列換能器可以實(shí)現(xiàn)超聲波聲束的雙向偏轉(zhuǎn)，但由于其陣元數(shù)目多、控制電路復(fù)雜，目前應(yīng)用受局限；而環(huán)形陣列換能器聲束剖面呈圓形對稱、有較高的橫向分辨力，且可在陣元數(shù)目遠(yuǎn)小于線陣和面陣陣元數(shù)的情況下形成高分辨率的聚焦聲場，盡管其聲束不能偏轉(zhuǎn)，在厚度較高、衰減較大的材料無損檢測方面有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

常規(guī)全聚焦算法是基于全矩陣數(shù)據(jù)采集的一種后處理成像算法。全矩陣數(shù)據(jù)采集即依次激發(fā)單個(gè)陣元，每次激發(fā)所有陣元均接收回波信號，并保存相應(yīng)接收數(shù)據(jù)。對于有N個(gè)陣元的換能器，則可以獲得N×N組發(fā)射-接收信號，采集該信號數(shù)據(jù)矩陣稱為全矩陣數(shù)據(jù)采集，如圖2所示。采集到全矩陣數(shù)據(jù)之后，對于檢測區(qū)域進(jìn)行空間離散，每一個(gè)離散點(diǎn)的圖像幅度為全矩陣數(shù)據(jù)中聚焦到該點(diǎn)的幅度的疊加，此處理方法稱為全聚焦成像方法，如圖3所示。在全聚焦成像算法的基礎(chǔ)上，可解決常規(guī)相控陣超聲都不容易解決的小于半波長微小缺陷特征(缺陷類型、缺陷方向、缺陷大小)高精度自動識別，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)試件的高精度缺陷成像。

檢測具有高散射、高衰減特性的試件時(shí)選用線性陣列換能器或者矩形陣列換能器需要該換能器有較多陣元，但陣元數(shù)目增加會導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的大量增加，大大提高對硬件的要求、降低計(jì)算效率；且當(dāng)成像范圍過大，超過換能器的聲場覆蓋范圍時(shí)，會使邊緣缺陷強(qiáng)度降低、造成較大定位偏差。

而環(huán)形陣列換能器可以在陣元數(shù)目較少的情況下形成高能的聚焦聲場，減少數(shù)據(jù)采集量，提高檢測效率。于是，針對環(huán)形陣列換能器自身獨(dú)特的軸向聚焦特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于環(huán)形陣列換能器的軸線全聚焦成像檢測方法，以簡化檢測系統(tǒng)、提高其缺陷檢測精度。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前多采用線性陣列換能器和矩形陣列換能器對增材制造結(jié)構(gòu)等具有較強(qiáng)各向異性的材料的超聲無損檢測時(shí)，由于材料的各向異性對于聲束能量的衰減很強(qiáng)，使得需要使用較多陣元進(jìn)行檢測，而檢測結(jié)果依舊不很理想的問題，本發(fā)明利用環(huán)形陣列換能器具有使用較少陣元生成較強(qiáng)的聚焦聲場的特點(diǎn)，提供了一種基于環(huán)形陣列換能器的全聚焦成像檢測方法。

本發(fā)明提供的基于環(huán)形陣列換能器的全聚焦成像檢測方法，包括步驟如下：