專利名稱：復(fù)雜曲面微缺陷的陣列超聲檢測(cè)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陣列超聲檢測(cè)技術(shù)，具體說是通過陣列超聲技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一種快速化檢測(cè)復(fù)雜曲面內(nèi)部< Imm微細(xì)小缺陷的超聲波檢測(cè)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器、汽車、醫(yī)療等大批量生產(chǎn)具有復(fù)雜曲面構(gòu)件的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前的檢測(cè)技術(shù)對(duì)具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢測(cè)效率不能適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)下的高速檢測(cè)的需求。主要表現(xiàn)在在檢測(cè)操作過程中，仍以人工觀察或單探頭手工或單探頭自動(dòng)化檢測(cè)為主。在人工觀察情況下，不同檢測(cè)人員對(duì)同一缺陷檢測(cè)的結(jié)果往往存在較大差異，造成了人為因素影響大、誤檢率高、檢測(cè)效率低，漏檢等問題。在單探頭自動(dòng)化檢測(cè)下， 對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件的檢測(cè)精度低、技術(shù)規(guī)范內(nèi)微缺陷的檢出率達(dá)不到100%。以上情況給產(chǎn)品質(zhì)量造成了很大影響。陣列超聲檢測(cè)技術(shù)是將陣列式探頭技術(shù)與傳統(tǒng)的超聲探傷原理相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型無損探傷技術(shù)。所述陣列超聲探傷技術(shù)與其他傳統(tǒng)超聲探傷相比，具有檢測(cè)效率高、缺陷分辨率高、漏檢率低、人為影響因素小等優(yōu)點(diǎn)。陣列超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理是利用聲波在介質(zhì)內(nèi)的聲場(chǎng)與缺陷發(fā)生相互作用導(dǎo)致聲波的聲壓、相位、速度等參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化的規(guī)律，通過對(duì)多個(gè)超聲換能器采用特定配置方式和控制方式對(duì)介質(zhì)內(nèi)的聲波進(jìn)行激勵(lì)，并對(duì)相應(yīng)的聲波參數(shù)按照相應(yīng)的接收控制方式進(jìn)行提取，然后把聲波參數(shù)轉(zhuǎn)換為特定的電信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部微孔洞、微裂紋、夾雜、夾渣等狀態(tài)的無損檢測(cè)。專利文獻(xiàn)1 (CN 101983334A)敘述了對(duì)無縫鋼管傾斜裂紋進(jìn)行陣列超聲檢測(cè)的方法。這種方法在原有日本檢測(cè)無縫鋼管傾斜裂紋的基礎(chǔ)上提出了超聲裝置包含多個(gè)振子的超聲波探頭與管狀被探傷件相對(duì)配置的步驟、陣子沿規(guī)則的環(huán)狀曲面布置的方法以及超聲陣子激勵(lì)接收的方法。專利文獻(xiàn)2(CN 2675276Y)敘述了一種換能器，其輻射面為與構(gòu)件安裝面相匹配的復(fù)雜曲面，解決了換能器與構(gòu)件安裝面的接觸問題，但沒有提出如何檢測(cè)復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部缺陷。經(jīng)過專利檢索，并沒有發(fā)現(xiàn)任何涉及快速化檢測(cè)不規(guī)則的復(fù)雜曲面的陣列超聲檢測(cè)技術(shù)的專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決不規(guī)則的復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部微缺陷的檢測(cè)精度低、檢測(cè)效率低、漏檢等問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件全方位、快速化、精確化檢測(cè)，達(dá)到快速判定復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置、方向、大小的目的。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件的上下表面同時(shí)設(shè)置換能器且不同曲率部分設(shè)置不同數(shù)量的換能器，通過計(jì)算機(jī)和相關(guān)電路對(duì)上述超聲換能器陣列進(jìn)行特定
3的收發(fā)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)內(nèi)的聲波的激勵(lì)和接收，接收的信息經(jīng)信號(hào)處理電路傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而獲取內(nèi)部缺陷深度、大小等信息。上述復(fù)雜曲面構(gòu)件是指在構(gòu)件上下兩面布置的傳感器都能夠接收到同面和異面布置的傳感器激發(fā)的超聲波信號(hào)的任何曲面構(gòu)件。上述換能器陣列所包含的換能器數(shù)量根據(jù)所檢測(cè)構(gòu)件的大小和陣列傳感器在所檢測(cè)構(gòu)件上要達(dá)到的有效作用范圍而定。上述換能器的布置主要考慮曲面的曲率、曲面面積，使陣列傳感器有效作用范圍能夠覆蓋構(gòu)件所要檢測(cè)的所有部位。如圖2所示，構(gòu)件上換能器可以相互接收到鄰近換能器激發(fā)的超聲波，其作用范圍相交，無檢測(cè)盲區(qū)。而在實(shí)際應(yīng)用中，換能器陣列的布置在保證有效作用范圍對(duì)構(gòu)件需要檢測(cè)部位全覆蓋的前提下，盡可能減少換能器的數(shù)量。上述換能器輻射面可以是平面、曲面或復(fù)雜面。換能器與所檢測(cè)構(gòu)件的復(fù)雜曲面可以直接接觸(若換能器輻射面與構(gòu)件安裝面相匹配)，也可不接觸。由于所檢測(cè)曲面復(fù)雜，為使換能器與構(gòu)件耦合良好，此檢測(cè)方法采用液浸法。上述換能器的型式、頻率、帶寬、晶片尺寸等規(guī)格參數(shù)選擇根據(jù)復(fù)雜曲面構(gòu)件和所要檢測(cè)的主要缺陷類型而定。上述換能器在計(jì)算機(jī)或控制電路的控制下，相應(yīng)的超聲換能器陣元激勵(lì)超聲波， 超聲波在曲面構(gòu)件內(nèi)部傳播并與微缺陷作用后，被某一或幾個(gè)特定換能器按某一規(guī)則實(shí)現(xiàn)接收，如圖3所示?；谏鲜瞿康暮吞卣?，本發(fā)明提出了曲面微缺陷陣列超聲檢測(cè)系統(tǒng)，其主要包括計(jì)算機(jī)控制與處理系統(tǒng)、信號(hào)收發(fā)控制部分、超聲信號(hào)激發(fā)部分、信號(hào)處理與緩存部分、換能器陣列五部分。計(jì)算機(jī)控制與處理系統(tǒng)通過預(yù)先編制的軟件對(duì)脈沖激勵(lì)周期、選通電路等進(jìn)行設(shè)定，并對(duì)接收到的經(jīng)過預(yù)先處理的超聲電信號(hào)進(jìn)行處理和輸出；信號(hào)收發(fā)控制部分主要由信號(hào)收發(fā)控制電路以及選通電路構(gòu)成，其接收計(jì)算機(jī)控制信號(hào)，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)完成換能器通道的開合以及激勵(lì)或接收超聲信號(hào)；超聲信號(hào)激發(fā)部分主要由脈沖發(fā)生器和相關(guān)電路組成，激勵(lì)和放大超聲檢測(cè)波形所需的電脈沖信號(hào)；信號(hào)處理與緩存部分主要完成弱電信號(hào)的放大、A/D轉(zhuǎn)換處理、批量信號(hào)的緩存；換能器陣列由多個(gè)超聲換能器組成，主要完成超聲波與電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，具體是將脈沖激勵(lì)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲信號(hào)或者將接收到的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)處理與緩存部分接收的弱電信號(hào)。如圖4所示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明的復(fù)雜曲面微缺陷陣列超聲檢測(cè)技術(shù)，通過對(duì)換能器陣列布置的改變， 能獲得構(gòu)件內(nèi)部的大量信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置、大小和方向的全方位檢測(cè)，有效提高檢測(cè)精度。(2)本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制多探頭陣列快速提取復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部信息，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵部位的有效檢測(cè)，而且能夠極大地提高檢測(cè)效率。(3)本發(fā)明根據(jù)所要檢測(cè)構(gòu)件的幾何形態(tài)布置換能器陣列的形式，對(duì)批量和大批量生產(chǎn)的工件可達(dá)到一次布置多次使用，節(jié)約了大量人力和物力。(4)本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)分為五個(gè)部分，各部分相互聯(lián)系又各自獨(dú)立，可模塊化加工，便于實(shí)際推廣應(yīng)用。結(jié)合以上優(yōu)點(diǎn)，在采用陣列超聲檢測(cè)技術(shù)時(shí)，通過選擇合適的高頻率換能器、合理布置換能器位置，在計(jì)算機(jī)控制下快速提取構(gòu)件內(nèi)部缺陷的大量信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部< Imm微細(xì)小缺陷的全方位、高效率的檢測(cè)。
四

圖1表示復(fù)雜曲面構(gòu)件上下表面同時(shí)設(shè)置換能器且不同曲率部分設(shè)置不同數(shù)量換能器的示意。圖2表示陣列傳感器作用范圍的剖面圖；圖中箭頭表示聲波可作用的范圍，1 8表示換能器；換能器2和換能器3激發(fā)超聲波，上下兩面安裝的換能器都可以接收到；同理，其他換能器激發(fā)的超聲波，也可以被所有的換能器接收。圖3表示陣列傳感器布置以及收發(fā)控制示意；圖中1 8表示換能器，A表示缺陷， 箭頭表示超聲波傳播方向。圖4表示陣列超聲檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，包括計(jì)算機(jī)控制與處理系統(tǒng)、信號(hào)收發(fā)控制部分、超聲信號(hào)激發(fā)部分、信號(hào)處理與緩存部分、換能器陣列等部分。
五具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的復(fù)雜曲面微缺陷陣列超聲檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施方式一般包括如下步驟(1)根據(jù)所檢測(cè)構(gòu)件的材料性質(zhì)、加工方法以及內(nèi)部缺陷的主要特點(diǎn)(深度、位置等)，設(shè)定檢測(cè)信號(hào)波形；(2)根據(jù)所檢測(cè)構(gòu)件的外形以及檢測(cè)精度要求，設(shè)定符合檢測(cè)要求的換能器陣列布置形式(主要是確定換能器布置的數(shù)量和位置)；(3)根據(jù)所選定的檢測(cè)信號(hào)波形選擇探頭型式，計(jì)算出相應(yīng)的電激勵(lì)信號(hào)的激發(fā)模式、探頭的布置角度，利用該電激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)超聲換能器生成需要的超聲信號(hào)并向待測(cè)的構(gòu)件發(fā)射該超聲信號(hào)；(4)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)波形、換能器收發(fā)模式要求，確定換能器的激勵(lì)和接收控制方式；(5)利用所有的超聲換能器接收具有步驟(1)中所設(shè)定波形及其轉(zhuǎn)換波形的攜帶待測(cè)構(gòu)件內(nèi)部信息的超聲檢測(cè)信號(hào)；(6)對(duì)所有的超聲換能器激勵(lì)和接收的數(shù)據(jù)采用多通道數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行處理和表征，獲取構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置、大小和方向等信息。上述技術(shù)實(shí)施所述步驟(1)中，檢測(cè)信號(hào)波形設(shè)定為與檢測(cè)目的相匹配的波形 (一般用于微缺陷的位置、大小以及方向等信息識(shí)別情況下的超聲檢測(cè))。上述技術(shù)實(shí)施所述步驟(3)中，換能器陣列的激勵(lì)和接收控制方式設(shè)定為一發(fā)一收或者一發(fā)多收。結(jié)合圖2和圖3，給出一個(gè)具體的實(shí)施方式。按步驟(1)所述，所要檢測(cè)構(gòu)件為薄壁曲面鋁合金鍛件，要檢測(cè)內(nèi)部裂紋，選定某一特定波形檢測(cè)。按步驟(2)所述，構(gòu)件為曲面結(jié)構(gòu)，要求檢測(cè)缺陷位置、深度、方向等信息，在構(gòu)件上布置換能器(如圖2)，其作用范圍相交。
5
按步驟C3)所述，根據(jù)選定的波形，計(jì)算激勵(lì)的電信號(hào)、超聲波入射角等，設(shè)計(jì)合適的探頭。按步驟(4)和( 所述，在同一時(shí)段八個(gè)換能器中有且只有一個(gè)換能器激發(fā)特定超聲信號(hào)，經(jīng)過一段時(shí)間延遲后，八個(gè)換能器依次接收與構(gòu)件內(nèi)部作用后的超聲信號(hào)。如圖 3，換能器2激發(fā)特定超聲波信號(hào)，與缺陷作用后，被反射同來的信號(hào)被換能器2接收；此時(shí)換能器7接收不到信號(hào)或者很弱的透射信號(hào)；而1、3、4、5、6、8可以接收到換能器2直接激發(fā)的信號(hào)。同理當(dāng)換能器1、3、4、5、6、7、8在計(jì)算機(jī)控制下激發(fā)特定超聲波信號(hào)后，換能器 1 8也接收到不同特征的波信號(hào)。按步驟(6)所述，計(jì)算機(jī)接收到經(jīng)信號(hào)處理與緩存部分傳過來的8X8組不同特征的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過預(yù)先編制的處理程序進(jìn)行處理和表征，可獲取構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置、大小和方向等信息。
權(quán)利要求
1.一種快速化檢測(cè)復(fù)雜曲面微缺陷的陣列超聲檢測(cè)技術(shù)，其特征在于對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件的上下表面同時(shí)設(shè)置換能器且不同曲率部分設(shè)置不同數(shù)量的換能器，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制傳感器陣列快速提取復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部超聲波信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)雜曲面構(gòu)件，其特征在于曲面構(gòu)件是指能夠使上下表面布置的傳感器接收到同面和異面布置的傳感器激發(fā)的超聲波信號(hào)的任何曲面構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于換能器輻射面根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和曲面曲率等制作，保證傳感器陣列有效作用范圍能夠覆蓋構(gòu)件所要檢測(cè)的區(qū)域，因此其輻射面可以是平面、曲面或不規(guī)則曲面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述換能器，其特征在于每一個(gè)換能器均為收發(fā)兩用專用探頭，且在檢測(cè)同一批構(gòu)件情況下，其相互之間能夠接收彼此的信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器在曲面構(gòu)件上的布置方式，其特征在于換能器同時(shí)布置在所要檢測(cè)構(gòu)件的上下表面；構(gòu)件上下表面換能器的數(shù)量可相等也可不相等；在保證傳感器陣列有效作用范圍覆蓋構(gòu)件所要檢測(cè)的區(qū)域前提下，合理布置換能器陣列，盡量減少換能器總數(shù)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器在曲面構(gòu)件上的布置方式，其特征在于換能器與所檢測(cè)構(gòu)件的復(fù)雜曲面可以直接接觸，也可不接觸，檢測(cè)方法采用液浸法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)和相應(yīng)電路控制多探頭陣列快速提取復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部超聲波信息的方法，其特征在于在計(jì)算機(jī)和相應(yīng)電路控制下，安裝的所有超聲換能器中在同一時(shí)刻有且只有一個(gè)換能器激勵(lì)發(fā)射超聲波；作為接收的超聲換能器的數(shù)量不限甚至包括激勵(lì)發(fā)射超聲波的換能器本身，以至于所有的換能器都可以作為接收對(duì)象。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)技術(shù)控制多探頭陣列快速提取復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部超聲波信息的方法，其特征在于若超聲傳感器陣列換能器總數(shù)為N，其中一個(gè)超聲換能器以一定的時(shí)間間隔在設(shè)定的時(shí)段內(nèi)激勵(lì)發(fā)射超聲波η (η < N)次，則η個(gè)超聲換能器在計(jì)算機(jī)控制下依次在相應(yīng)的時(shí)間間隔內(nèi)接收構(gòu)件內(nèi)部的超聲波信號(hào)；一定的時(shí)間間隔的長(zhǎng)短應(yīng)保證相鄰激發(fā)的超聲波在接收時(shí)不受或少受干涉。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)技術(shù)控制多探頭陣列快速提取復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部超聲波信息的方法，其特征在于若超聲傳感器陣列換能器總數(shù)為N，其中一個(gè)超聲換能器在某一設(shè)定時(shí)刻激勵(lì)發(fā)射超聲波一次，η (η ( N)個(gè)超聲換能器在計(jì)算機(jī)控制下同時(shí)在預(yù)設(shè)的時(shí)段內(nèi)接收超聲波信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種快速化檢測(cè)復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部微細(xì)小缺陷的陣列超聲檢測(cè)技術(shù)，可應(yīng)用于航空、航天、武器、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。本發(fā)明通過對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件的上下表面同時(shí)設(shè)置換能器且不同曲率部分設(shè)置不同數(shù)量換能器的方法，使超聲傳感器有效作用范圍覆蓋構(gòu)件需要檢測(cè)的所有部位。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制傳感器陣列快速提取復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部信息，能夠極大地提高檢測(cè)效率，克服傳統(tǒng)單探頭掃描檢測(cè)效率低、采集信息量少的弊端，有效提高對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)精度。
文檔編號(hào)G01N29/04GK102426194SQ201110360389
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者劉釗, 周世圓, 孟凡武, 宋文濤, 徐春廣, 曹現(xiàn)東, 李喜朋, 潘勤學(xué), 肖定國(guó), 趙新玉, 郝娟 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)