復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置及方法，其裝置包括依次連接的超聲檢測儀、濾波及放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和計算機，所述超聲檢測儀與超聲低頻探頭或超聲高頻探頭連接；所述方法包括以下步驟：采用多次底波法測量聲波在被檢測零件中的傳播速度；檢測缺陷的大致位置；準確重構(gòu)缺陷的輪廓。本發(fā)明對超聲探頭傳來的信號以及輸入的參數(shù)進行處理，通過多組曲線包絡(luò)重構(gòu)缺陷，智能化程度高。采用分布式探頭，探頭體積小測量精度高，可以在一個比較大的區(qū)域內(nèi)接收信號，避免ALOK法中經(jīng)常收不到信號的情況。
【專利說明】
復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及無損檢測領(lǐng)域，更具體地說，設(shè)及一種復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式 超聲無損檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，我國汽車工業(yè)飛速發(fā)展，但是汽車的質(zhì)量問題也隨之逐漸暴露出來，為了 提高汽車的質(zhì)量，對汽車零部件的無損檢測也越來越受到各大整車廠的重視。對于具有復 雜形狀的零件，采用超聲波無損檢測是一個很好的選擇。但是目前行業(yè)內(nèi)的通用做法是檢 測人員使用超聲探頭檢測，然后根據(jù)收到的回波信號憑借經(jīng)驗判斷，運種做法的可靠性嚴 重依賴操作人員的個人能力，難W與大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀相適應(yīng)。還有部分企業(yè)采用工 業(yè)CT技術(shù)對零部件進行檢測，但是CT設(shè)備比較昂貴，檢測成本過高，運也限制了工業(yè)CT技術(shù) 的推廣。因此，整車廠目前迫切需要一項高效率，智能化，高可靠性，低成本的檢測技術(shù)，來 確保使用的零件符合要求。利用相控陣對曲軸內(nèi)部孔缺陷進行測量時，所得到的缺陷孔尺 寸需要借助6地法或與試塊進行對比，難W定量。檢測多個位置的缺陷孔時，由于探頭掃查 角度有限，探頭的檢測位置也需要變動。另外，曲面的相控陣檢測需要配備相應(yīng)的模塊與被 檢對象表面契合，對于一般性的曲面，就需定制大量的模塊。ALOK法需要不斷變換探頭位 置，并且對于復雜形狀的缺陷，發(fā)射高頻率的超聲波時，只在很少的位置能收到反射信號， 僅憑運些信號不足W重構(gòu)缺陷。為此，將超聲相控陣和ALOK結(jié)合起來，也許可W設(shè)計一種分 布式探頭的相控陣技術(shù)，也就是將相控陣探頭集成的多個晶片在空間上分散開，放置在 ALOK中的各個檢測位置，再利用相控陣按時序發(fā)射信號的原理完成不同位置的缺陷信號檢 ，并利用ALOK的算法對缺陷成像，運樣就結(jié)合了兩者的優(yōu)點：不必變換探頭位置，避免模 塊的設(shè)計，可W檢測一般性曲面，可視化，檢測結(jié)果定量化。
[0003] 中國專利文獻CN201181291Y公開的分布式多通道超聲探傷系統(tǒng)，包括顯示器，上 位機，報警裝置，打印機，W太網(wǎng)交換機，定位噴標，模塊，外部定位噴標裝置，多個超聲模塊 組成。超聲波探頭接收到反射信號后，回波經(jīng)過放大，A/D轉(zhuǎn)換W及進一步處理后，系統(tǒng)自動 判斷是否存在缺陷，并進行噴標。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷位置的定位，并通過噴標進行標 記，同時實現(xiàn)了設(shè)備小型化，數(shù)字化，抗干擾能力強等優(yōu)點，但是對數(shù)據(jù)后續(xù)處理不足，未能 給出完整的缺陷檢測方法并不能完整重構(gòu)出缺陷，無法準確描述缺陷的尺寸和形狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損 檢測方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分 布式超聲無損檢測裝置，包括依次連接的超聲檢測儀、濾波及放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和計 算機，所述超聲檢測儀與超聲低頻探頭或超聲高頻探頭連接，任意一個超聲低頻探頭發(fā)射 超聲波時，其它超聲低頻探頭接收超聲波，任意一個超聲高頻探頭發(fā)射超聲波時，其它超聲 高頻探頭接收超聲波。
[0006] 上述方案中，還包括用于夾持所述超聲低頻探頭或超聲高頻探頭的機械手。
[0007] 上述方案中，所述超聲低頻探頭或超聲高頻探頭的外殼上設(shè)有柱形凸起。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種利用上述復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置 的檢測方法，包括W下步驟：
[0009] S1、采用多次底波法測量聲波在被檢測零件中的傳播速度；
[0010] S2、在被測零件的表面均勻布置多個超聲低頻探頭；
[0011] S3、選擇其中一個超聲低頻探頭發(fā)射超聲波，其它超聲低頻探頭接收超聲波，接收 到的超聲波的波形在超聲檢測儀的顯示出來，超聲波幅值的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波及放大模 塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后傳到計算機，計算機將接收到的信號保存，計算機采集各個探頭的 位置坐標，將探頭位置坐標和波形數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，得到一組輪廓曲線；
[0012] S4,通過將不同的超聲低頻接收探頭作為發(fā)射超聲波的探頭，其它的超聲低頻探 頭接收超聲波，重復步驟S3得到多組輪廓曲線，通過多組輪廓曲線共同包絡(luò)成缺陷的輪廓， 從而定位缺陷的大致位置；
[0013] S5、在步驟S4中定位的缺陷大致位置的附近均勻布置多個超聲高頻探頭；
[0014] S6、選擇其中一個超聲高頻探頭發(fā)射超聲波，其它超聲高頻探頭接收超聲波，接收 到的超聲波的波形在超聲檢測儀的顯示出來，超聲波幅值的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波及放大模 塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后傳到計算機，計算機將接收到的信號保存，計算機采集各個探頭的 位置坐標，將探頭位置坐標和波形數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，得到一組輪廓曲線；
[0015] S7、通過將不同的超聲高頻接收探頭作為發(fā)射超聲波的探頭，其它的超聲高頻探 頭接收超聲波，重復步驟S6得到多組輪廓曲線，通過多組輪廓曲線準確的重構(gòu)缺陷。
[0016] 上述方案中，所述計算機根據(jù)反射波峰對應(yīng)時間的變化規(guī)律和反射播放對應(yīng)幅值 的變化規(guī)律，判斷干設(shè)波形和未發(fā)生干設(shè)波形，剔除在波峰處發(fā)生干設(shè)的數(shù)據(jù)，保留其余的 數(shù)據(jù)。
[0017] 上述方案中，所述步驟S3或S6中獲得輪廓曲線的方法為通過計算超聲波從發(fā)射到 被缺陷反射再到被接收探頭接收的聲程，定位缺陷反射聲波的反射點，從而重構(gòu)出缺陷輪 廓，反射點的坐標(x，y)符合W下公式：
[001 引[(X-XiO)COS目+(}f-yi0)sin目^/日2+[ (y-yio)COS目+(X-XiO)Sin目f/b2 = l;
[0019] XiO= (xi+xj )/2, YiO= (yi+yj )/2, a = Si/2
[0020]
,0=a;rctan((Xi-Xj)/(yi-yj)，Si=(trt〇)v〇;
[0021] 巧中，Ui，yi)為第i個探頭位置坐標，為第j個探頭位置坐標，Si為聲程，VO 為聲波在零件中的傳播速度，t。是發(fā)射探頭接收到脈沖信號的時刻，ti是接收探頭接收到脈 沖信號的時刻。
[0022] 上述方案中，當所述步驟S7中得到的曲線輪廓不完整時，可W重新布置超聲高頻 探頭的位置，重復步驟S6-S7，從而獲取缺陷沒有檢測到的輪廓。
[0023] 實施本發(fā)明的復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測方法，具有W下有益效 果：
[0024] 1、本發(fā)明可W采用機械手布置探頭，自動化程度高；
[0025] 2、本發(fā)明對超聲探頭傳來的信號W及輸入的參數(shù)進行處理，通過多組曲線包絡(luò)重 構(gòu)缺陷，智能化程度高。
[0026] 3、采用分布式探頭，探頭體積小測量精度高，可W在一個比較大的區(qū)域內(nèi)接收信 號，避免ALOK法中經(jīng)常收不到信號的情況。
【附圖說明】
[0027] 下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：
[0028] 圖1是超聲波分布式探頭檢測裝置示意圖；
[0029] 圖2是超聲波分布式探頭檢測裝置信號傳輸示意圖；
[0030] 圖3是超聲波信號圖；
[0031] 圖4是通過多組曲線得到的零件的內(nèi)部缺陷的示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明 本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置，用于檢測零 件的內(nèi)部缺陷2,其包括機械手，依次連接的超聲檢測儀3、濾波及放大模塊4、A/D轉(zhuǎn)換模塊5 和計算機6,超聲檢測儀3與超聲探頭1連接，超聲探頭1為超聲低頻探頭或超聲高頻探頭。任 意一個超聲低頻探頭發(fā)射超聲波時，其它超聲低頻探頭接收超聲波，任意一個超聲高頻探 頭發(fā)射超聲波時，其它超聲高頻探頭接收超聲波。
[0034] 機械手用于夾持超聲探頭1，通過機械手將探頭布置在零件表面，自動化程度高。 超聲低頻探頭的頻率范圍是0.5-2MHZ，超聲高頻探頭的頻率范圍是5-lOMHz。
[0035] 超聲探頭1外殼上設(shè)有柱形凸起，便于機械手抓取。探頭1尺寸不宜太大，W保證探 頭能夠與檢測的零件表面實現(xiàn)良好的貼合。
[0036] 如圖1-圖4所示，本發(fā)明還提供了上述利用上述無損檢測裝置的檢測方法，檢測方 法先通過少量分布式超聲低頻探頭快速檢測較大區(qū)域內(nèi)是否有缺陷W及缺陷的大致位置， 再用較多分布式超聲高頻探頭在靠近缺陷的位置準確重構(gòu)缺陷輪廓。其具體包括W下步 驟：
[0037] S1、采用多次底波法測量聲波在被檢測零件中的傳播速度。
[0038] S2、將待檢測零件放置在檢測工位，將零件劃分為若干檢測區(qū)域，對缺陷分區(qū)域檢 。在被測零件的檢測區(qū)域表面均勻布置多個超聲低頻探頭。通過機械手夾持住超聲低頻 探頭的圓柱狀外殼，對準待檢測零件表面，施加垂直于零件表面的力，使探頭壓緊零件表 面。
[0039] S3、探頭布置完畢后，電腦發(fā)出指令開始檢測。選擇其中一個超聲低頻探頭發(fā)射超 聲波，其它超聲低頻探頭接收經(jīng)零件內(nèi)部缺陷反射后的超聲波，超聲檢測儀顯示波形并且 將數(shù)據(jù)通過濾波和放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊將波形中的噪聲過濾，并且將正常波形放大后， 再將模態(tài)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C，保存數(shù)據(jù)。計算機的數(shù)據(jù)處理方法為使用 matlab軟件讀取時間-波形幅值數(shù)據(jù)，提取各波峰對應(yīng)的時間和幅值，根據(jù)反射波峰對應(yīng)時 間的變化規(guī)律和反射播放對應(yīng)幅值的變化規(guī)律，判斷干設(shè)波形和未發(fā)生干設(shè)波形，剔除在 波峰處發(fā)生干設(shè)的數(shù)據(jù)，保留其余的數(shù)據(jù)。
[0040]計算機采集各個探頭的位置坐標，將探頭位置坐標和波形數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，得 到一組輪廓曲線。獲得輪廓曲線的方法為通過計算超聲波從發(fā)射到被缺陷反射再到被接收 探頭接收的聲程，定位缺陷反射聲波的反射點，從而重構(gòu)出缺陷輪廓，反射點的坐標(x，y) 符合W下公式：
[0041 ] [ (X-XiO)COS目+(}f-yi0)sin目^/日2+[ (y-yio)COS目+(X-XiO)Sin目f/b2 = l;
[0042] XiO= (xi+xj )/2, YiO= (yi+yj )/2, a = Si/2,
[0043]
=a;rctan((Xi-Xj)/(yi-yj)，Si=(trt〇)v〇;
[0044] 式中，（xi，yi)為第i個探頭位置坐標，為第j個探頭位置坐標，Si為聲程，VO 為聲波在零件中的傳播速度，t。是發(fā)射探頭接收到脈沖信號的時刻，ti是接收探頭接收到脈 沖信號的時刻。
[0045] S4,通過將不同的超聲低頻接收探頭作為發(fā)射超聲波的探頭，其它的超聲低頻探 頭接收超聲波，重復步驟S3得到多組輪廓曲線，通過多組輪廓曲線描繪出缺陷的大致輪廓， 從而定位缺陷的大致位置；
[0046] S5、在步驟S4中定位的缺陷大致位置的附近均勻布置多個超聲高頻探頭；
[0047] S6、選擇其中一個超聲高頻探頭發(fā)射超聲波，其它超聲高頻探頭接收超聲波，接收 到的超聲波的波形在超聲檢測儀的顯示出來，超聲波幅值的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波及放大模 塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后傳到計算機，計算機將接收到的信號保存，計算機采集各個探頭的 位置坐標，將探頭位置坐標和波形數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，得到一組輪廓曲線。該步驟中的數(shù)據(jù) 處理方法和算法與步驟S3相同。
[004引S7、通過將不同的超聲高頻接收探頭作為發(fā)射超聲波的探頭，其它的超聲高頻探 頭接收超聲波，重復步驟S6得到多組輪廓曲線，通過多組輪廓曲線準確的重構(gòu)缺陷。得到的 曲線輪廓不完整時，可W重新布置超聲高頻探頭的位置，重復步驟S6-S7,從而獲取缺陷沒 有檢測到的輪廓。上述方法得到的多組曲線輪廓如圖4所示，通過曲線包絡(luò)可W得到缺陷的 位置及其大致輪廓。
[0049] 根據(jù)W上方法，可將較大零件劃分為不同區(qū)域，根據(jù)不同檢測區(qū)域，依次檢測并重 構(gòu)所有缺陷。最后得到缺陷評估報告，保存相應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0050] 上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體 實施方式，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多 形式，運些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置，其特征在于，包括依次連接 的超聲檢測儀、濾波及放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和計算機，所述超聲檢測儀與多個超聲低頻 探頭或多個超聲高頻探頭連接，任意一個超聲低頻探頭發(fā)射超聲波時，其它超聲低頻探頭 接收超聲波，任意一個超聲高頻探頭發(fā)射超聲波時，其它超聲高頻探頭接收超聲波。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置，其特征在 于，還包括用于夾持所述超聲低頻探頭或超聲高頻探頭的機械手。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置，其特征 在于，所述超聲低頻探頭或超聲高頻探頭的外殼上設(shè)有柱形凸起。4. 一種利用權(quán)利要求1所述的復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測裝置的檢測 方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 采用多次底波法測量聲波在被檢測零件中的傳播速度； 52、 在被測零件的表面均勻布置多個超聲低頻探頭； 53、 選擇其中一個超聲低頻探頭發(fā)射超聲波，其它超聲低頻探頭接收超聲波，接收到的 超聲波的波形在超聲檢測儀的顯示出來，超聲波幅值的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波及放大模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊處理后傳到計算機，計算機將接收到的信號保存，計算機采集各個探頭的位置坐 標，將探頭位置坐標和波形數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，得到一組輪廓曲線； 54、 通過將不同的超聲低頻接收探頭作為發(fā)射超聲波的探頭，其它的超聲低頻探頭接 收超聲波，重復步驟S3得到多組輪廓曲線，通過多組輪廓曲線共同包絡(luò)成缺陷的輪廓，從而 定位缺陷的大致位置； 55、 在步驟S4中定位的缺陷大致位置的附近均勻布置多個超聲高頻探頭； 56、 選擇其中一個超聲高頻探頭發(fā)射超聲波，其它超聲高頻探頭接收超聲波，接收到的 超聲波的波形在超聲檢測儀的顯示出來，超聲波幅值的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波及放大模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊處理后傳到計算機，計算機將接收到的信號保存，計算機采集各個探頭的位置坐 標，將探頭位置坐標和波形數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，得到一組輪廓曲線； 57、 通過將不同的超聲高頻接收探頭作為發(fā)射超聲波的探頭，其它的超聲高頻探頭接 收超聲波，重復步驟S6得到多組輪廓曲線，通過多組輪廓曲線準確的重構(gòu)缺陷。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測方法，其特征在 于，所述計算機根據(jù)反射波峰對應(yīng)時間的變化規(guī)律和反射播放對應(yīng)幅值的變化規(guī)律，判斷 干涉波形和未發(fā)生干涉波形，剔除在波峰處發(fā)生干涉的數(shù)據(jù)，保留其余的數(shù)據(jù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測方法，其特征在 于，所述步驟S3或S6中獲得輪廓曲線的方法為通過計算超聲波從發(fā)射到被缺陷反射再到被 接收探頭接收的聲程，定位缺陷反射聲波的反射點，從而重構(gòu)出缺陷輪廓，反射點的坐標 (x，y)符合以下公式： [(x_xi〇)cos0+(y_yi〇)sin0] 2/a2+[ (y_yi〇)cos0+(x_xi〇)sin0] 2/b2 = 1; Xi〇= (xi+xj)/2,yi〇= (yi+yj)/2,a = Si/2,-arctan((Xi_Xj)/ (yi_yj)，Si - (ti-to) vo ； 式中，（xi，yi)為第i個探頭位置坐標，（xj，yj)為第j個探頭位置坐標，si為聲程，v〇為聲 波在零件中的傳播速度，t。是發(fā)射探頭接收到脈沖信號的時刻，^是接收探頭接收到脈沖信 號的時刻。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復雜形狀零件內(nèi)部缺陷分布式超聲無損檢測方法，其特征在 于，當所述步驟S7中得到的曲線輪廓不完整時，可以重新布置超聲高頻探頭的位置，重復步 驟S6-S7,從而獲取缺陷沒有檢測到的輪廓。
【文檔編號】G01N29/07GK105954359SQ201610349567
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】華林, 汪小凱, 許善燎, 宋雨珂, 王彬
【申請人】武漢理工大學