一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法及装置。本发明将待测管状物体中插入铜芯作为回波参照，使用点聚焦超声探头沿细长管状物体截面径向发射聚焦声束，以水作为耦合介质采集待测细长管状物体近探头端内、外表面以及铜芯的超声回波信号。利用旋转扫描平台控制待测细长管状物体进行细分步进旋转。每转过一定微小角度完成一次超声A扫描及数据采集，记录回波信号，直至旋转角度达到360°。通过渡越时间以及水中声速计算水程，结合测量装置的高度参数计算出声束聚焦处待测细长管状物体的截面壁厚，利用数值计算方法处理扫描数据并成像。本发明能够对细长管状物体的轴向截面进行超声成像，且无需改造超声显微镜本身结构，易于实现。
【专利说明】
一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及超声检测技术领域，特别涉及一种利用机电系统以及数值计算方法实现细长管状物体轴向截面形貌检测的方法及装置。
【背景技术】
[0002]超声技术以其独特的机械波传播形式，被人们广泛认识并应用于声纳、B-超、超声探伤等各种领域。目前在超声检测技术领域中，对于物体内部的无损形貌检测，已经有产品化的超声波扫描显微镜，超声波扫描显微镜在纵轴(Z方向)上的分辨率可以达到Ium级别。超声波扫描显微镜的一个特性就是超声波可通过声波穿透弹性材料并且成像的分辨率不弱于光学显微镜，在很多应用当中，超声波显微镜用来对不透明样品的内部进行扫描成像。但是由于声波特性，声波在圆柱体表面会易发生明显的散射和折射，从而导致回波信号弱以及回波信号混乱，所以超声检测的对象一般都是具有平面特征的物体用。
[0003]已有的应用于细长管状物体超声检测有血管内超声(IVUS)技术，血管内超声(IVUS)技术通过将带有超声系统的细导管伸入血管，获取血管壁的声学特性，从而检测其病变组织，比较典型的血管内超声系统包括超声导管和图像处理系统两大部分。超声导管包括一个可以旋转、弯曲，其尖端带有超声换能器晶片的钢丝轴和一个外部的导管套。导管系统由托架推动，可以产生高频声波。高频超声从血管壁反射回来并返回系统，通过系统电路的处理后可以形成360°灰阶图像。IVUS最大的问题是操作复杂、价格昂贵，应用领域受到极大限制。而且对于不同的待测材料，往往不了解其声学参数，这种方法也无法通过传统声学测量计算出不同材料的细长管状物体的壁厚。
[0004]目前对于一些细长管状物体的轴向截面形貌检测，仍使用传统的光学检测手段。以用于周围受损神经修复的神经导管为例，具有内沟槽质感的神经导管可以有效引导神经生长，人们需要了解导管截面上的沟槽形貌。传统的光学检测方法需要将导管制成切片，然后对切片断面进行光学检测，对导管本身有损伤，而且速度慢，效率低。超声检测的方法可以实现无损检测，并且提高效率。本发明使用常见的超声波扫描显微镜，配合机电系统和数值计算手段，实现对细长管状物体壁厚的检测和轴向截面的超声成像。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法及装置，通过超声波扫描显微镜测量管状物体的壁厚，检测轴向截面形貌。适用于弹性材料制作的的具有非圆形内表面形貌的细长管状物体。
[0006]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0007]—种细长管状物体轴向截面的超声成像方法，包括如下步骤:
[0008]步骤1:在待测细长管状物体中插入铜芯作为回波参照，同时作为旋转机械轴的一部分；
[0009]步骤2:将待测管状物体和铜芯安装于旋转扫描平台上，并将待测部分浸没于水中，以水作为耦合介质采集超声回波；
[0010]步骤3:使用点聚焦超声探头沿管状物体截面径向发射聚焦声束，使声束沿径向垂直表面入射；
[0011]步骤4:通过A扫描获得回波时域信息和幅值信息，在整个回波信号中找到待测材料内、外表面及铜芯表面的回波信号，求得声波在超声探头和待测材料之间以及待测材料和铜芯之间的渡越时间T0F;
[0012]步骤5:开启步进的旋转扫描；
[0013]步骤6:每旋转过一定的微小角度之后，完成一次超声A扫描及数据采集，通过闭环控制循环这一过程，直至总旋转角度达到360° ;
[0014]步骤7:通过渡越时间TOF以水中声速计算相应水程，结合测量装置的高度参数计算出待测细长管状物体壁厚；
[0015]步骤8:通过数值计算手段，在三维图像90°俯视视角上呈现声束聚焦处的截面形貌。
[0016]所述步骤I包含如下子步骤:
[0017]步骤1-1:估测待测细长管状物体轴向截面最小内径；
[0018]步骤1-2:选用合适铜芯，使铜芯直径接近物体轴向截面最小内径，形成过盈配合，并且使铜芯长度大于待测细长管状物体长度，多出长度数值以便于夹持为原则；
[0019]步骤1-3:将铜芯拉直，使其轴线直线度公差在Φ 0.05mm以内，将铜芯插入管状物体。
[0020]所述步骤2包含如下子步骤:
[0021]步骤2-1:将铜芯固定在旋转扫描平台水下部分，使铜芯与浸水旋转轴同轴度公差在Φ 0.05mm以内；
[0022]步骤2-2:向水槽中注水，使旋转扫描平台浸水旋转部分和点聚焦超声探头收发端浸没入水中，同时使旋转动力部分处于水面以上。
[0023]所述步骤4包含如下子步骤:
[0024]步骤4-1:通过超声探头运动控制系统调节探头高度，使聚焦声束聚焦于待测物体截面的近探头端内外表面处；
[0025]步骤4-2:获取完整回波信号SKt)，其中包含细长管状物体截面近探头端内、外表面及铜芯表面回波信号；
[0026]步骤4-3:求取回波信号S1U)的包络线，并对包络线进行波峰判定，并按照波峰时域顺序由先至后进行排序。前三个波峰的信号时刻分别为分别代表待测管状物体近探头端外表面、待测管状物体近探头端内表面、铜芯表面回波信号时刻;则外表面与超声探头之间的渡越时间TOF1= I ti I，则内表面与铜芯之间的渡越时间TOF2= I t2_t31。
[0027]所述步骤6包含如下子步骤:
[0028]步骤6-1:基于MCU的嵌入式系统控制旋转平台步进电机旋转，通过传动装置带动浸水旋转部分中的浸水旋转轴旋转；
[0029]步骤6-2:旋转平台步进电机完成一步微小角度的旋转之后，停止运动；
[0030]步骤6-3:基于M⑶的嵌入式系统电路通过RS232协议向工控机发送串口信号，工控机控制数据采集卡和模数转换器进行一组回波信号采集并存储数据；
[0031]步骤6-4:完成数据采集及存储之后，工控机通过RS232协议向基于M⑶的嵌入式系统电路发送串口信号，基于MCU的嵌入式系统控制电机继续运动；
[0032]步骤6-5:重复步骤6-1、6-2、6-3、6-4、6-5直至浸水旋转轴总旋转角度达到360°。
[0033]所述步骤7包含如下子步骤:
[0034]步骤7-1:Co为实验条件下水中的声速，超声探头与待测细长管状物体截面外表面间的距离31 = 1'(^乂0)/2，待测细长管状物体截面内表面与铜芯表面间的距离
[0035]S2 = TOF2 X Co/2；
[0036]步骤7-2:在无旋转扫描装置的情况下，获取完整回波信号S2(t)，测出声波在超声探头与水槽底部之间渡越时间TOF3,超声探头与水槽底部之间的距离S3 = T0F3XCq/2;
[0037]步骤7-3:根据旋转扫描装置的机械结构参数以及铜芯直径，易知铜芯表面与水槽底部的距离S4;
[0038]步骤7-4:声束聚焦处的截面近超声探头端的壁厚S = S3 — S4-S2-S1d
[0039]所述步骤8包含如下子步骤:
[0040]步骤8-1:求取回波信号Sn(t)的包络线(η= I，2，3…)，取具有代表性的数个扫描波形，判断扫描数据中的有效数据的范围；
[0041 ]步骤8-2:取扫描数据中的有效数据的范围，将所有回波信号的有效包络线数据存入二维矩阵中，矩阵列数为数据组数η，矩阵行数为每个包络线中的有效数据个数m;
[0042]步骤8-3:将二维矩阵在柱坐标系中成环形三维图像，柱坐标系中的平面极坐标变量r为每个包络线中的有效数据的倒序数、平面极坐标变量φ为铜芯旋转角度即O?360°，共η段，等差角度为360/η°，纵坐标高度变量ζ为每个数据的数值；
[0043]步骤8-4:三维图像按照ζ轴高度显示不同色差，在三维图像90°俯视视角上观察图形，显示声束聚焦处的截面形貌。
[0044]一种细长管状物体轴向截面的超声成像装置，包括超声发射与接收装置、超声信号采集装置，超声探头运动控制装置、工控机、基于MCU的嵌入式系统、旋转扫描平台。
[0045]超声发射与接收装置包括一个点聚焦超声探头夹持装置，一个点聚焦超声探头、一台超声发射/接收器。点聚焦超声探头夹持装置固定在xyz三轴运动平台上，用于夹持点聚焦超声探头，夹持时使探头轴向垂直水槽底部平面；点聚焦超声探头的接线端与超声发射/接收器相连。
[0046]超声信号采集装置包括一个高频的模数转换器和一个数据采集卡。采样频率大于500兆赫兹;经调理后的信号经超声发射/接收器的输出端输入模数转换器，模数转换器将数字信号输入数据采集卡;数据采集卡通过PCI总线与工控机连接，工控机通过PCI总线读取数据采集卡采集到的数字信号，通过编程接口获取超声回波信号；
[0047]超声探头运动控制装置包括xyz三轴运动平台、探头运动平台运动控制器。xyz三轴运动平台可在X、y、Z三个方向上自由运动，三个运动电机的输入端连接到探头运动平台运动控制器上;探头运动平台运动控制器控制xyz三轴运动平台三个方向上的运动，探头运动平台运动控制器通过USB线缆与工控机相连，数据处理软件则通过编程接口获取光栅尺读数头的计数编码从而确定精确的运动位置。
[0048]工控机通过PCI总线与数据采集卡通讯，通过串口与基于MCU的嵌入式系统通讯，通过USB线缆与运动控制器通讯；工控机通过C#编写的上位机进行运动控制，工作时序控制，数据采集，并且通过数值处理软件进行信号处理和数值分析。
[0049]基于MCU的嵌入式系统包括基于MCU的嵌入式系统电路和旋转扫描平台步进电机驱动器。旋转扫描平台步进电机驱动器输入端与基于MCU的嵌入式系统电路连接，可接收基于MCU的嵌入式系统电路的控制信号;旋转扫描平台步进电机驱动器输出端与旋转扫描平台步进电机连接，驱动旋转扫描平台步进电机运动。基于MCU的嵌入式系统电路采用AT系列芯片，与旋转扫描平台步进电机驱动器连接并向其发送控制信号;系统电路通过RS232串口协议与工控机通讯，AT系列芯片中的下位机程序与工控机上位机程序协同工作，实现旋转扫描的闭环控制;基于MCU的嵌入式系统电路可以控制步进电机的停止与运转，调节步进电机的转动速度，实时显示扫描速度和已进行的A扫描的次数。
[0050]旋转扫描平台包括旋转动力部分，传动装置与浸水旋转部分。动力部分包括步进电机，侧板等。步进电机与旋转扫描平台步进电机驱动器相连，测量实验进行时处于水面以上;侧板固定步进电机，处于半浸没状态。传动装置采用V型同步带传动，主动同步轮与步进电机轴同轴联接，处于水面以上，从动同步轮与浸水旋转轴同轴联接，处于水面以下；同步带处于半浸没状态。浸水旋转部分包括水下旋转扫描平台和铜芯夹持部分。水下旋转扫描平台包括底板、轴承架，轴承等;底板固定轴承架，轴承架固定轴承，轴承与浸水旋转轴同轴联接。铜芯夹持部分包括浸水旋转轴和夹持固定。浸水旋转轴与铜芯以及从动同步轮同轴联接;夹持固定与浸水旋转轴共同固定铜芯，在浸水旋转轴与铜芯空隙间填充粘性填充物。
[0051]由本发明提供的以上技术方案可以看出:
[0052]本发明将可以测量不同弹性材料细长管状物体的壁厚度，并且检测任意轴向截面的形貌特征。本发明在不改变常用超声显微镜结构的基础上，克服了声波在经过圆柱体表面时易发生散射、折射的困难。为超声检测细长管状物体截面形貌提供了一种切实可行的方案，为超声无损检测技术在类圆柱体物体上的应用奠定了技术基础。因此，本发明具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0053]为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例。
[0054]图1是本发明实施例中细长管状物体轴向截面的超声成像装置框架结构图；
[0055]图2是本发明实施例中点聚焦超声探头与待测物体以及铜芯的位置关系图；
[0056]图3是本发明实施例中旋转扫描平台运动结构示意图；
[0057]图4是本发明实施例中旋转扫描平台可动轴承架调节机构示意图；
[0058]图5是本发明实施例中的待测细长管状物体近的近探头端内、外表面及铜芯表面的完整回波不意图；
[0059]图6是本发明实施例中的待测细长管状物体近的近探头端内、外表面及铜芯表面的完整回波有效数据段的包络线示意图；
[0060]
[0061]图中:工控机101、基于M⑶的嵌入式系统电路102、数据采集卡103、模数转换器104、旋转扫描平台步进电机驱动器105、探头运动平台运动控制器106、超声发射/接受器107、xyz三轴运动平台108、点聚焦超声探头夹持装置109、点聚焦超声探头110、旋转扫描平台步进电机111、主动同步带轮112、同步带113、旋转扫描平台侧板114、从动同步带轮115、侧板固定角码116、旋转扫描平台底板117、固定轴承架端盖118、固定轴承架119、前浸水旋转轴120、铜芯夹持架121、铜芯122、后浸水旋转轴123、可动轴承架124、可动轴承架端盖125、水槽126、聚焦声束201、待测物体202、后浸水旋转轴轴承301、前浸水旋转轴轴承302、旋转扫描平台步进电机主轴303、可动轴承架调节螺栓401、可动轴承架调节螺母402、可动轴承架调节垫片403、完整回波信号SKtbOl、铜芯表面回波信号502、待测管状物体内表面回波信号503、待测管状物体外表面回波信号504、完整回波信号有效数据段包络线601、铜芯表面回波信号波峰t3时刻602、待测管状物体近探头端内表面回波信号波峰〖2时刻603、待测管状物体近探头端外表面回波信号波峰^时刻604。
【具体实施方式】
[0062]下面将结合本发明实施例的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是一部分的实施例，而不是全部的实施例。对于不采用图3所示旋转扫描平台旋转运动结构以及图4所示旋转扫描平台可动轴承架调节机构的相关装置，本发明测量方法依然适用。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0063]图1显示了本发明所提供的一种细长管状物体轴向截面的超声成像装置的框架结构图，展示了该装置包括超声发射与接收装置、超声信号采集装置、超声探头运动控制装置、工控机、基于MCU的嵌入式系统和旋转扫描平台。
[0064]超声发射与接收装置包括107超声发射/接受器、109点聚焦超声探头夹持装置、110点聚焦超声探头。107超声发射/接受器的输入端与110点聚焦超声探头连接，工作时，107超声发射/接受器激励110点聚焦超声探头产生超声波，并接受来自110点聚焦超声探头的回波信号；107超声发射/接受器的输出端与104模数转换器连接，工作时，107超声发射/接受器将经调理后的回波信号输入104模数转换器；110点聚焦超声探头安装在109点聚焦超声探头夹持装置上，固定状态下，110点聚焦超声探头轴向垂直于水槽底部平面；109点聚焦超声探头夹持装置安装在108xyz三轴运动平台上，能够在x、y、z三轴方向上自由移动，移动时携带110点聚焦超声探头共同运动。
[0065]超声信号采集装置包括103数据采集卡、104模数转换器。104模数转换器输入端与107超声发射/接受器连接，接收来自107超声发射/接受器的经调理后的回波信号；104模数转换器输出端与的103数据采集卡连接，104模式转换器将数字信号输入到103数据采集卡；103数据采集卡通过PCI总线与101工控机连接。
[0066]超声探头运动控制装置包括1Sxyz三轴运动平台、106探头运动平台运动控制器，108xyz三轴运动平台能够在x、y、z三个方向上自由运动，三个运动电机输入端连接到106探头运动平台运动控制器上；106探头运动平台运动控制器控制108xyz三轴运动平台三个方向上的运动，106探头运动平台运动控制器通过USB线缆与101工控机相连，101工控机中的数据处理模块则通过编程接口获取光栅尺读数头的计数编码从而确定精确的运动位置。
[0067]101工控机通过PCI总线与103数据采集卡通讯，通过RS232串口协议与102基于MCU的嵌入式系统电路通讯，通过USB线缆与106探头运动平台运动控制器通讯。
[0068]工作时，101工控机通过PCI总线读取106数据采集卡采集到的数据信号，101工控机通过编程接口获取超声回波的数字信号；101工控机控制106探头运动平台运动控制器、102基于MCU的嵌入式系统电路、103数据采集卡以及107超声发射/接受器，从而进行运动控制、工作时序控制、数据采集，并且通过数据处理模块进行信号处理和数值计算。
[0069]基于M⑶的嵌入式系统包括102基于M⑶的嵌入式系统电路、105旋转扫描平台步进电机驱动器。105旋转扫描平台步进电机驱动器输入端与102基于MCU的嵌入式系统电路连接，可接收102基于MCU的嵌入式系统电路的控制信号；105旋转扫描平台步进电机驱动器输出端与111旋转扫描平台步进电机连接，驱动111旋转扫描平台步进电机运动。102基于MCU的嵌入式系统电路与105旋转扫描平台步进电机驱动器连接并发送控制信号，通过RS232串口协议与101工控机通讯。
[0070]工作时，102基于MCU的嵌入式系统电路中的下位机程序与101工控机上位机程序协同工作，实现旋转扫描的闭环控制；102基于MCU的嵌入式系统电路通过105旋转扫描平台步进电机驱动器控制111旋转扫描平台步进电机的停止与运转，调节111旋转扫描平台步进电机的转动速度，实时显示扫描速度和已进行的A扫描的次数。
[0071]旋转扫描平台包括旋转动力部分、传动装置与浸水旋转部分，整个旋转扫描平台放置于126水槽中，浸水旋转部分在水面以下，传动装置半浸没于水中，旋转动力部分在水面以上
[0072]旋转动力部分包括111旋转扫描平台步进电机、112主动同步带轮。111旋转扫描平台步进电机输入端与105旋转扫描平台步进电机驱动器连接并由105旋转扫描平台步进电机驱动器驱动，111旋转扫描平台步进电机活动固定在114旋转扫描平台侧板上，111旋转扫描平台步进电机能够调节垂直高度以调节带轮中心距；112主动同步带轮与303旋转扫描平台步进电机主轴同轴连接；
[0073]传动装置包括113同步带、112主动同步带轮、115从动同步带轮。113同步带连接112主动同步带轮与115从动同步带轮，将旋转动力从112主动同步带轮传递到115从动同步带轮;114旋转扫描平台侧板固定111旋转扫描平台步进电机，可以调节111旋转扫描平台步进电机高度，114旋转扫描平台侧板通过116侧板固定角码安装在117旋转扫描平台底板上。
[0074]浸水旋转部分包括117旋转扫描平台底板、118固定轴承架端盖、119固定轴承架、120前浸水旋转轴、121铜芯夹持架、122铜芯、123后浸水旋转轴、124可动轴承架、125可动轴承架端盖、126水槽、301后浸水旋转轴轴承、302前浸水旋转轴轴承。122铜芯、123后浸水旋转轴、120前浸水旋转轴、301后浸水旋转轴轴承、302前浸水旋转轴轴承、118固定轴承架端盖、125可动轴承架端盖均与115从动同步带轮同轴连接;114旋转扫描平台侧板、119固定轴承架、124可动轴承架均固定在117旋转扫描平台底板；119固定轴承架和118固定轴承架端盖共同固定302前浸水旋转轴轴承；124可动轴承架和125可动轴承架端盖共同固定301后浸水旋转轴轴承;401可动轴承架调节螺栓、402可动轴承架调节螺母、403可动轴承架调节垫片将124可动轴承架以一种能够前后移动的方式固定在117旋转扫描平台底板上；121铜芯夹持架将122铜芯固定于120前浸水旋转轴上，202待测物体套在122铜芯上，其内表面最小圆截面与122铜芯形成过盈配合。
[0075]图2显示了本发明实施例中110点聚焦超声探头与202待测物体以及122铜芯的位置关系。110点聚焦超声探头垂直126水槽底部安装;201聚焦声束沿122铜芯径向入射；122铜芯插入202待测物体，并且122铜芯与202待测物体轴向截面最小内径形成过盈配合。
[0076]图3显示了旋转扫描平台中的动力部分。工作时，105旋转扫描平台步进电机驱动器驱动111旋转扫描平台步进电机旋转，111旋转扫描平台步进电机驱动303旋转扫描平台步进电机主轴旋转，303旋转扫描平台步进电机主轴通过112主动同步带轮、113同步带、115从动同步带轮将旋转动力传递到120前浸水旋转轴上，302前浸水旋转轴带动122铜芯、202待测物体、123后浸水旋转轴同轴旋转。
[0077]图4显示了旋转扫描平台中的可动轴承架;可动轴承架通过401可动轴承架调节螺栓、402可动轴承架调节螺母、403可动轴承架调节垫片固定在117旋转扫描平台底板上的“T”型槽中，“T”型槽的长度为100mm;松动402可动轴承架调节螺母后，124可动轴承架可以在“T”型槽的10mm空隙中自由平行移动，当124可动轴承架移动到适应铜芯长度的位置后，拧紧402可动轴承架调节螺母即可再次固定124可动轴承架。
[0078]图5显示了对202待测物体及122铜芯进行一次A扫描所得的501完整回波信号S1(t)、其中包含502铜芯表面回波信号、503待测管状物体内表面回波信号、504待测管状物体外表面回波信号。
[0079]图6显示了对501完整回波信号SKt)进行包络线求取所得的601完整回波信号有效数据段包络线。其中包含了 602铜芯表面回波信号波峰t3时刻、603待测管状物体近探头端内表面回波信号波峰〖2时刻、604待测管状物体近探头端外表面回波信号波峰^时刻。
[0080]结合上述实施例，具体的测量步骤如下:
[0081]
[0082]第一步，在202待测物体中插入122铜芯作为回波参照，同时作为旋转机械轴的一部分:
[0083](1-1)估测202待测物体轴向截面最小内径；
[0084](1-2)选用合适122铜芯，使122铜芯直径接近物体轴向截面最小内径，形成过盈配合，并且使122铜芯长度大于待测细长管状物体长度，多出长度数值以便于夹持为原则；
[0085](1-3)将122铜芯拉直，使其轴线直线度公差在Φ0.05mm以内，将122铜芯插入202待测物体。
[0086]第二步，将202待测物体和122铜芯安装于旋转扫描平台上，并将待测部分浸没于水中，以水作为耦合介质采集超声回波:
[0087](2-1)将122铜芯固定在旋转扫描平台水下部分，使122铜芯与120前浸水旋转轴同轴度公差在Φ 0.05mm以内；
[0088]整个旋转扫描平台平放置于126水槽中，浸水旋转部分在水面以下，传
[0089]动装置半浸没于水中，旋转动力部分在水面以上
[0090](2-2)向125水槽中注水，使旋转扫描平台浸水旋转部分及110点聚焦超声探头收发端浸没入水中，同时使旋转动力部分处于水面以上。
[0091]第三步，使用110点聚焦超声探头沿管状物体截面径向发射201聚焦声束，使201聚焦声束沿径向垂直入射:
[0092](3-1)开启101工控机。
[0093](3-2)开启基于M⑶的嵌入式系统、超声探头运动控制装置的电源，预热时间5分钟以上。
[0094](3-3)在101工控机上位机界面中操作，控制1Sxyz三轴运动平台移动，通过目测使110点聚焦超声探头大致聚焦到待测材料及122铜芯处。
[0095](3-3)控制108xyz三轴运动平台在xy平面中移动，移动方向为垂直122铜芯轴线方向，当回波信号峰值最高时，停止移动。此时201聚焦声束122铜芯截面径向发射。
[0096]第四步，通过A扫描获得回波时域信息和幅值信息，在501完整回波信号SKt)中找到待测材料内、外表面及铜芯表面的回波信号，求得声波在超声探头和202待测物体之间以及202待测物体和122铜芯之间的渡越时间TOF:
[0097](4-1)控制108xyz三轴运动平台在ζ轴方向上移动，使201聚焦声束聚焦于202待测物体截面近探头端内表面处(具体的聚焦判定方法参考居冰峰等在专利ZL201010520433.1中提供的方法)；
[0098](4-2)控制108xyz三轴运动平台在xy平面中移动，运动方向为平行122铜芯轴线方向，使探头对准待测截面处；
[0099](4-3)在101工控机上位机界面中操作，进行一次A扫描，获取501完整回波信号S1⑴；
[0100](4-4)求取501完整回波信号Si(t)有效数据段的包络线，并对601完整回波信号有效数据段包络线进行波峰判定，并按照波峰时域顺序由先至后进行排序。前三个波峰的信号时刻分别为604待测管状物体近探头端外表面回波信号波峰^时刻、603待测管状物体近探头端内表面回波信号波峰t2时刻、602铜芯表面回波信号波峰t3时刻；
[0101](4-5)计算得，超声波在外表面与超声探头之间的渡越时间TOF1= It1I，在内表面与铜芯之间的渡越时间TOF2= I t2-t31。
[0102]第五步，开启步进的旋转扫描:
[Ο1。3] (5-1)使检测装置维持(4-2)操作后的状态；
[0104](5-2)在102基于M⑶的嵌入式系统电路中操作，调节扫描速度，并通过102基于MCU的嵌入式系统电路中显示屏确认扫描速度；
[0105](5-3)在101工控机上位机界面中操作，设定扫描数据保存路径；
[0106](5-4)单击按钮，开启旋转扫描；
[0107]第六步，每旋转过一定的微小角度之后，完成一次超声A扫描及数据采集，通过闭环控制循环这一过程，直至总旋转角度达到360°:
[0108](6-1)扫描过程中，观察101工控机上位机界面及102基于MCU的嵌入式系统电路显示屏，确保扫描数据正确度并完成足够扫描次数，且扫描过程由101工控机控制自动完成；
[0109](6-2)基于MCU的嵌入式系统控制111旋转平台步进电机旋转，通过传动装置带动浸水旋转部分中的浸水旋转轴旋转；
[0110](6-3) 111旋转平台步进电机完成一步微小角度的旋转之后，停止运动；
[0111](6-4) 102基于MCU的嵌入式系统电路通过RS232协议向101工控机发送串口信号，101工控机控制103数据采集卡和104模数转换器进行一组回波信号采集并存储数据；
[0112](6-5)完成数据采集及存储之后，101工控机通过RS232协议向102基于MCU的嵌入式系统电路发送串口信号，基于MCU的嵌入式系统控制电机继续运动。
[0113](6-6)重复步骤6-1、6-2、6-3、6-4、6-5直至浸水旋转轴总旋转角度达到360°。
[0114]第七步，通过渡越时间TOF以水中声速计算相应水程，结合测量装置的高度参数计算出待测细长管状物体壁厚:
[0115](7-l)Co为实验条件下水中的声速；
[0116](7-2)计算得，110点聚焦超声探头与待测细长管状物体外表面间的距离S1 = TOF1X Co/2，待测细长管状物体内表面与122铜芯间的距离S2 = TOF 2 X Co/2 ；
[0117](7-3)在无旋转扫描装置的情况下，获取完整回波信号S2(t)，测出声波在110点聚焦超声探头与126水槽底部之间渡越时间TOF3,110点聚焦超声探头与126水槽底部之间的距离 S3 = TOF3 X Co/2;
[0118](7-4)根据旋转扫描装置的机械结构参数以及122铜芯直径，获得122铜芯表面与126水槽底部的距离S4。
[0119](7-5)计算得，声束聚焦处的截面近超声探头端的壁厚S = S3 — S4-S2 — Si。
[0120]第八步，通过数值计算手段，在三维图像90°俯视视角上呈现声束聚焦处的截面形貌:
[0121](8-1)求取完整回波信号Sn(t)的包络线(η= I，2，3...)，取具有代表性的数个扫描波形，判断扫描数据中的有效数据的范围；
[0122](8-2)取扫描数据中的有效数据的范围，将所有回波信号的有效包络线数据存入二维矩阵中，矩阵列数为数据组数η，矩阵行数为每个包络线中的有效数据个数m;
[0123](8-3)将二维矩阵在柱坐标系中成环形三维图像，柱坐标系中的平面极坐标变量r为每个包络线中的有效数据的倒序数、平面极坐标变量Φ为铜芯旋转角度即O?360°，共η段，等差角度为360/η°，纵坐标高度变量ζ为每个数据的数值；
[0124](8-4)三维图像按照ζ轴高度显示不同色差，在三维图像90°俯视视角上观察图形，显示声束聚焦处的截面形貌。
[0125]以上对本发明实施例所提供的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法及装置进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其思想。同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有所改变。因此，本发明实施例不应理解为对本
【发明内容】
的限制。
【主权项】
1.一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤1:在待测细长管状物体中插入铜芯作为回波参照，同时作为旋转机械轴的一部分； 步骤2:将待测管状物体和铜芯安装于旋转扫描平台上，并将待测部分浸没于水中，以水作为耦合介质采集超声回波； 步骤3:使用点聚焦超声探头沿管状物体截面径向发射聚焦声束，使声束沿径向垂直表面入射； 步骤4:通过A扫描获得回波时域信息和幅值信息，在整个回波信号中找到待测材料内、外表面及铜芯表面的回波信号，求得声波在超声探头和待测材料之间以及待测材料和铜芯之间的渡越时间TOF; 步骤5:开启步进的旋转扫描； 步骤6:每旋转过一定的微小角度之后，完成一次超声A扫描及数据采集，通过闭环控制循环这一过程，直至总旋转角度达到360° ; 步骤7:通过渡越时间TOF以水中声速计算相应水程，结合测量装置的高度参数计算出待测细长管状物体壁厚； 步骤8:通过数值计算手段，在三维图像90°俯视视角上呈现声束聚焦处的截面形貌。2.根据权利要求1所述的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法，其特征在于，步骤I包含如下子步骤: 步骤1-1:估测待测细长管状物体轴向截面最小内径； 步骤1-2:选用合适铜芯，使铜芯直径接近物体轴向截面最小内径，形成过盈配合，并且使铜芯长度大于待测细长管状物体长度，多出长度数值以便于夹持为原则； 步骤1-3:将铜芯拉直，使其轴线直线度公差在Φ 0.05mm以内，将铜芯插入管状物体。3.根据权利要求1所述的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法，其特征在于，步骤2包含如下子步骤: 步骤2-1:将铜芯固定在旋转扫描平台水下部分，使铜芯与浸水旋转轴同轴度公差在Φ0.05mm以内； 步骤2-2:向水槽中注水，使旋转扫描平台浸水旋转部分和点聚焦超声探头收发端浸没入水中，同时使旋转动力部分处于水面以上。4.根据权利要求1所述的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法，其特征在于，步骤4包含如下子步骤: 步骤4-1:通过超声探头运动控制系统调节探头高度，使聚焦声束聚焦于待测物体截面的近探头端内外表面处； 步骤4-2:获取完整回波信号SKt)，其中包含细长管状物体截面近探头端内、外表面及铜芯表面回波信号； 步骤4-3:求取回波信号SKt)的包络线，并对包络线进行波峰判定，并按照波峰时域顺序由先至后进行排序;前三个波峰的信号时刻分别为分别代表待测管状物体近探头端外表面、待测管状物体近探头端内表面、铜芯表面回波信号时刻;则外表面与超声探头之间的渡越时间TOF1= I ti I，则内表面与铜芯之间的渡越时间TOF2= I t2-t31。5.根据权利要求1所述的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法，其特征在于，步骤6包含如下子步骤: 步骤6-1:基于MCU的嵌入式系统控制旋转平台步进电机旋转，通过传动装置带动浸水旋转部分中的浸水旋转轴旋转； 步骤6-2:旋转平台步进电机完成一步微小角度的旋转之后，停止运动； 步骤6-3:基于M⑶的嵌入式系统电路通过RS232协议向工控机发送串口信号，工控机控制数据采集卡和模数转换器进行一组回波信号采集并存储数据； 步骤6-4:完成数据采集及存储之后，工控机通过RS232协议向基于M⑶的嵌入式系统电路发送串口信号，基于MCU的嵌入式系统控制电机继续运动； 步骤6-5:重复步骤6-1、6-2、6-3、6-4、6_5直至浸水旋转轴总旋转角度达到360°。6.根据权利要求1所述的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法，其特征在于，步骤7包含如下子步骤: 步骤7-1:Co为实验条件下水中的声速，超声探头与待测细长管状物体截面外表面间的距离S1 = TOF1 X Co/2，待测细长管状物体截面内表面与铜芯表面间的距离S2 = TOF2 X Co/2 ；步骤7-2:在无旋转扫描装置的情况下，获取完整回波信号S2(t)，测出声波在超声探头与水槽底部之间渡越时间TOF3,超声探头与水槽底部之间的距离S3 = T0F3XCq/2; 步骤7-3:根据旋转扫描装置的机械结构参数以及铜芯直径，易知铜芯表面与水槽底部的距离S4; 步骤7-4:声束聚焦处的截面近超声探头端的壁厚S = S3-S4-S2-Su7.根据权利要求1所述的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法，其特征在于，步骤8包含如下子步骤: 步骤8-1:求取回波信号Sn( t)的包络线，其中η=1，2，3.._;取具有代表性的数个扫描波形，判断扫描数据中的有效数据的范围； 步骤8-2:取扫描数据中的有效数据的范围，将所有回波信号的有效包络线数据存入二维矩阵中，矩阵列数为数据组数η，矩阵行数为每个包络线中的有效数据个数m; 步骤8-3:将二维矩阵在柱坐标系中成环形三维图像，柱坐标系中的平面极坐标变量r为每个包络线中的有效数据的倒序数、平面极坐标变量Φ为铜芯旋转角度即O?360°，共η段，等差角度为360/η°，纵坐标高度变量ζ为每个数据的数值； 步骤8-4:三维图像按照ζ轴高度显示不同色差，在三维图像90°俯视视角上观察图形，显示声束聚焦处的截面形貌。8.根据权利要求1所述的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法使用的装置，包括超声发射与接收装置、超声信号采集装置，超声探头运动控制装置、工控机、基于MCU的嵌入式系统、旋转扫描平台，其特征在于: 超声发射与接收装置包括超声发射/接受器、点聚焦超声探头夹持装置、点聚焦超声探头；点聚焦超声探头夹持装置固定在xyz三轴运动平台上，用于夹持点聚焦超声探头，夹持时使探头轴向垂直水槽底部平面;点聚焦超声探头的接线端与超声发射/接收器相连；超声信号采集装置包括数据采集卡、模数转换器;模数转换器输入端与超声发射/接受器连接，接收来自超声发射/接受器的经调理后的回波信号;模数转换器输出端与的数据采集卡连接，模数转换器将数字信号输入到数据采集卡;数据采集卡通过PCI总线与工控机连接;工控机通过PCI总线读取数据采集卡采集到的数字信号，通过编程接口获取超声回波信号； 超声探头运动控制装置包括xyz三轴运动平台、探头运动平台运动控制器。xyz三轴运动平台能够在X、y、ζ三个方向上自由运动，三个运动电机输入端连接到探头运动平台运动控制器上;探头运动平台运动控制器控制xyz三轴运动平台三个方向上的运动，探头运动平台运动控制器通过USB线缆与工控机相连，工控机中的数据处理模块则通过编程接口获取光栅尺读数头的计数编码从而确定精确的运动位置;工控机通过PCI总线与数据采集卡通讯，通过RS串口协议与基于M⑶的嵌入式系统电路通讯，通过USB线缆与探头运动平台运动控制器通讯； 基于MCU的嵌入式系统包括基于MCU的嵌入式系统电路、旋转扫描平台步进电机驱动器;旋转扫描平台步进电机驱动器输入端与基于MCU的嵌入式系统电路连接，可接收基于MCU的嵌入式系统电路的控制信号;旋转扫描平台步进电机驱动器输出端与旋转扫描平台步进电机连接，驱动旋转扫描平台步进电机运动;基于MCU的嵌入式系统电路与旋转扫描平台步进电机驱动器连接并向其发送控制信号，系统电路通过RS串口协议与工控机通讯。9.根据权利要求8所述的一种细长管状物体轴向截面的超声成像方法使用的装置，其特征在于旋转扫描平台包括旋转动力部分、传动装置与浸水旋转部分，整个旋转扫描平台放置于水槽中，浸水旋转部分在水面以下，传动装置半浸没于水中，旋转动力部分在水面以上； 旋转动力部分包括旋转扫描平台步进电机、主动同步带轮;旋转扫描平台步进电机输入端与旋转扫描平台步进电机驱动器连接并由旋转扫描平台步进电机驱动器驱动，旋转扫描平台步进电机固定在旋转扫描平台侧板上，能够改变垂直高度以调节带轮中心距;主动同步带轮与旋转扫描平台步进电机主轴同轴连接； 传动装置包括同步带、主动同步带轮、从动同步带轮，旋转扫描平台侧板；同步带连接主动同步带轮与从动同步带轮，将旋转动力从主动同步带轮传递到从动同步带轮;旋转扫描平台侧板固定旋转扫描平台步进电机，可以调节旋转扫描平台步进电机高度，旋转扫描平台侧板通过侧板固定角码安装在旋转扫描平台底板上； 浸水旋转部分包括旋转扫描平台底板、固定轴承架端盖、固定轴承架、前浸水旋转轴、铜芯夹持架、铜芯、后浸水旋转轴、可动轴承架、可动轴承架端盖、水槽、后浸水旋转轴轴承、前浸水旋转轴轴承;铜芯、后浸水旋转轴、前浸水旋转轴、后浸水旋转轴轴承、前浸水旋转轴轴承、固定轴承架端盖、可动轴承架端盖均与从动同步带轮同轴连接;旋转扫描平台侧板、固定轴承架、可动轴承架均固定在旋转扫描平台底板；固定轴承架和固定轴承架端盖共同固定前浸水旋转轴轴承;可动轴承架和可动轴承架端盖共同固定后浸水旋转轴轴承;可动轴承架调节螺栓、可动轴承架调节螺母、可动轴承架调节垫片将可动轴承架以一种能够前后调节的方式固定在旋转扫描平台底板上;铜芯夹持架将铜芯固定于前浸水旋转轴上，待测物体套在铜芯上，其内表面最小圆截面与铜芯形成过盈配合，且浸水旋转轴与铜芯空隙间填充粘性填充物。
【文档编号】G01B17/02GK105890554SQ201610216164
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】居冰峰, 杨筱钰, 孙安玉
【申请人】浙江大学