[發(fā)明專利]薄板柵格翼結(jié)構(gòu)焊縫相控陣超聲檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711262442.3
• 申請(qǐng)日: 2017-12-04
• 公開（公告）號(hào): CN108169331B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉釗;張祥林;張昊;顧曉春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京星航機(jī)電裝備有限公司
• 主分類號(hào): G01N29/06
• 分類號(hào): G01N29/06
• 代理公司: 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司專利中心 11011
• 代理人: 王雪芬

1.一種利用薄板柵格翼結(jié)構(gòu)焊縫相控陣超聲檢測(cè)裝置進(jìn)行超聲檢測(cè)的方法，其特征在于，

該薄板柵格翼結(jié)構(gòu)焊縫相控陣超聲檢測(cè)裝置，用于對(duì)柵格翼工件焊縫區(qū)域進(jìn)行超聲檢測(cè)，包括：計(jì)算機(jī)(1)、相控陣超聲板卡(2)、相控陣超聲線陣換能器(3)、楔塊(4)、六自由度機(jī)械臂(5)和夾具；

其中，所述計(jì)算機(jī)(1)與相控陣超聲板卡(2)連接，用于控制相控陣超聲板卡(2)激發(fā)和接收超聲波，并對(duì)回波信號(hào)超聲進(jìn)行處理；所述相控陣超聲板卡(2)與相控陣超聲線陣換能器(3)連接，所述相控陣超聲線陣換能器(3)是具有多個(gè)陣列壓電晶片的平直探頭，其參數(shù)包括中心頻率、探頭的陣元的個(gè)數(shù)、陣元間距和陣元寬度；楔塊(4)是能夠與相控陣超聲線陣換能器(3)陣元表面和柵格翼工件焊縫區(qū)域表面相耦合的中介，材料為有機(jī)玻璃，與相控陣超聲線陣換能器(3)通過螺絲連接在一起，其幾何參數(shù)包括前沿高度、楔塊(4)上最高陣元的高度、斜面傾斜角度、長(zhǎng)度和后沿高度；六自由度機(jī)械臂(5)作為檢測(cè)時(shí)的掃查器，一方面與計(jì)算機(jī)(1)連接，由計(jì)算機(jī)(1)控制其運(yùn)動(dòng)軌跡，另一方面六自由度機(jī)械臂(5)末端連接所述夾具以帶動(dòng)相控陣超聲線陣換能器(3)與楔塊(4)對(duì)待檢柵格翼工件進(jìn)行檢測(cè)；計(jì)算機(jī)(1)還用于把采集到的超聲回波信號(hào)與采集到的六自由度機(jī)械臂(5)位置信息相結(jié)合，生成成像結(jié)果；

該方法包括以下步驟：

第一步、相控陣線陣換能器(3)參數(shù)確定步驟，根據(jù)檢測(cè)靈敏度、分辨率和聲波衰減，確定探頭的中心頻率；根據(jù)陣列孔徑、橫向分辨率，確定探頭的陣元個(gè)數(shù)；根據(jù)消除柵瓣條件的公式確定陣元間距；根據(jù)偏轉(zhuǎn)方向的聲壓最大化原則，確定陣元寬度；

第二步、楔塊(4)幾何參數(shù)及位置確定步驟，由第一步確定的相控陣線陣換能器(3)參數(shù)，以及最優(yōu)化延遲時(shí)間原則確定楔塊(4)斜面傾斜角度與長(zhǎng)度，由柵格翼工件的結(jié)構(gòu)尺寸確定前沿高度、楔塊(4)上最高陣元的高度、后沿高度及楔塊(4)的位置；

第三步、超聲波束激發(fā)方案確定步驟，利用多個(gè)所述陣元，通過控制波束的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)在焊縫檢測(cè)區(qū)域的扇形掃查，扇掃中不同的激發(fā)孔徑按照不同的偏轉(zhuǎn)角度和聚焦深度使聚焦點(diǎn)正好位于焊縫上的不同位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫區(qū)域的扇掃聲束全覆蓋；

第四步、形成超聲回波信號(hào)的步驟，由第一步、第二步、第三步確定的檢測(cè)方案對(duì)所述柵格翼工件焊縫區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，所述超聲波束遇到所述柵格翼工件焊縫區(qū)域形成超聲回波信號(hào)經(jīng)由所述各陣元接收并形成A掃描信號(hào)；

第五步、圖像處理步驟，所述A掃描信號(hào)由所述相控陣超聲板卡(2)接收，與采集到的六自由度機(jī)械臂(5)位置信息相結(jié)合，轉(zhuǎn)化為S掃描圖與C掃描圖；

第三步具體為：首先，確定每個(gè)激發(fā)孔徑的聚焦深度與偏轉(zhuǎn)角度：根據(jù)柵格翼工件中扇掃波束角度上限β1與下限β2通過一次反射方式聚焦在焊縫的上表面點(diǎn)S1和下表面點(diǎn)S2，計(jì)算出波束角度范圍、孔徑大小和掃描步進(jìn)角，從而確定激發(fā)孔徑個(gè)數(shù)，進(jìn)而檢測(cè)到激發(fā)孔徑發(fā)射聲束的聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度；

然后，確定單個(gè)激發(fā)孔徑中各陣元的延遲時(shí)間：(1)根據(jù)Fermat原理，計(jì)算第i個(gè)陣元點(diǎn)的發(fā)射聲波傳播至聚焦點(diǎn)所需的最小聲波傳播時(shí)間TOF(i)：x_i是聲束在楔塊(4)的入射點(diǎn)，Tx_i是x_i的相對(duì)坐標(biāo)，s'是聲束在待檢測(cè)柵格翼工件的入射點(diǎn)，I(s')是s'的相對(duì)坐標(biāo)，根據(jù)聲波的反射定律，聚焦點(diǎn)P可用點(diǎn)P’代替，其中相控陣線陣換能器(3)陣元個(gè)數(shù)為N，楔塊(4)介質(zhì)中縱波聲速c1，柵格翼工件介質(zhì)中橫波聲速c2，交接界面I(s)，聲波經(jīng)過一次反射傳播至聚焦點(diǎn)P；(2)計(jì)算激發(fā)孔徑中各個(gè)陣元的發(fā)射聲波傳播至聚焦點(diǎn)P所需的最小聲波傳播時(shí)間TOF(i)，獲得其中的最大傳播時(shí)間(3)根據(jù)所述最大傳播時(shí)間計(jì)算每個(gè)陣元激發(fā)聲波的延遲時(shí)間Delay(i)＝T_max-TOF(i)；

第五步中，首先，繪制真實(shí)深度S掃描成像圖，具體步驟如下：(1)按照檢測(cè)的采樣時(shí)間、采樣頻率與扇掃角度確定一個(gè)能包含所有掃描點(diǎn)的圖像矩陣；(2)繪制出每條激發(fā)孔徑的聲束路徑，將A掃描信號(hào)按照采集順序填入聲束路徑上對(duì)應(yīng)所述圖像矩陣的點(diǎn)；(3)對(duì)各個(gè)激發(fā)孔徑之間的圖像空白點(diǎn)進(jìn)行插值，形成一個(gè)平滑的扇狀圖像；(4)按照聲波反射次數(shù)和柵格翼工件的板厚對(duì)圖像進(jìn)行折疊處理，一次反射折疊一次；

然后繪制C掃描成像圖：由形成的真實(shí)深度S掃描成像圖得出缺陷的位置及所對(duì)應(yīng)的激發(fā)孔徑，以掃查位置，即六自由度機(jī)械臂(5)位置為橫坐標(biāo)，以A掃描信號(hào)采集順序?yàn)榭v坐標(biāo)建立二維圖像矩陣，取檢查時(shí)不同時(shí)間該激發(fā)孔徑所采集的A掃描數(shù)據(jù)填入二維圖像矩陣，形成C掃描成像圖。