复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置及方法，其装置包括依次连接的超声检测仪、滤波及放大模块、A/D转换模块和计算机，所述超声检测仪与超声低频探头或超声高频探头连接；所述方法包括以下步骤：采用多次底波法测量声波在被检测零件中的传播速度；检测缺陷的大致位置；准确重构缺陷的轮廓。本发明对超声探头传来的信号以及输入的参数进行处理，通过多组曲线包络重构缺陷，智能化程度高。采用分布式探头，探头体积小测量精度高，可以在一个比较大的区域内接收信号，避免ALOK法中经常收不到信号的情况。
【专利说明】
复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置及方法
技术领域
[0001 ]本发明设及无损检测领域，更具体地说，设及一种复杂形状零件内部缺陷分布式 超声无损检测方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国汽车工业飞速发展，但是汽车的质量问题也随之逐渐暴露出来，为了 提高汽车的质量，对汽车零部件的无损检测也越来越受到各大整车厂的重视。对于具有复 杂形状的零件，采用超声波无损检测是一个很好的选择。但是目前行业内的通用做法是检 测人员使用超声探头检测，然后根据收到的回波信号凭借经验判断，运种做法的可靠性严 重依赖操作人员的个人能力，难W与大规模工业生产的现状相适应。还有部分企业采用工 业CT技术对零部件进行检测，但是CT设备比较昂贵，检测成本过高，运也限制了工业CT技术 的推广。因此，整车厂目前迫切需要一项高效率，智能化，高可靠性，低成本的检测技术，来 确保使用的零件符合要求。利用相控阵对曲轴内部孔缺陷进行测量时，所得到的缺陷孔尺 寸需要借助6地法或与试块进行对比，难W定量。检测多个位置的缺陷孔时，由于探头扫查 角度有限，探头的检测位置也需要变动。另外，曲面的相控阵检测需要配备相应的模块与被 检对象表面契合，对于一般性的曲面，就需定制大量的模块。ALOK法需要不断变换探头位 置，并且对于复杂形状的缺陷，发射高频率的超声波时，只在很少的位置能收到反射信号， 仅凭运些信号不足W重构缺陷。为此，将超声相控阵和ALOK结合起来，也许可W设计一种分 布式探头的相控阵技术，也就是将相控阵探头集成的多个晶片在空间上分散开，放置在 ALOK中的各个检测位置，再利用相控阵按时序发射信号的原理完成不同位置的缺陷信号检 ，并利用ALOK的算法对缺陷成像，运样就结合了两者的优点：不必变换探头位置，避免模 块的设计，可W检测一般性曲面，可视化，检测结果定量化。
[0003] 中国专利文献CN201181291Y公开的分布式多通道超声探伤系统，包括显示器，上 位机，报警装置，打印机，W太网交换机，定位喷标，模块，外部定位喷标装置，多个超声模块 组成。超声波探头接收到反射信号后，回波经过放大，A/D转换W及进一步处理后，系统自动 判断是否存在缺陷，并进行喷标。该方法能够实现对缺陷位置的定位，并通过喷标进行标 记，同时实现了设备小型化，数字化，抗干扰能力强等优点，但是对数据后续处理不足，未能 给出完整的缺陷检测方法并不能完整重构出缺陷，无法准确描述缺陷的尺寸和形状。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题在于，提供一种复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损 检测方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种复杂形状零件内部缺陷分 布式超声无损检测装置，包括依次连接的超声检测仪、滤波及放大模块、A/D转换模块和计 算机，所述超声检测仪与超声低频探头或超声高频探头连接，任意一个超声低频探头发射 超声波时，其它超声低频探头接收超声波，任意一个超声高频探头发射超声波时，其它超声 高频探头接收超声波。
[0006] 上述方案中，还包括用于夹持所述超声低频探头或超声高频探头的机械手。
[0007] 上述方案中，所述超声低频探头或超声高频探头的外壳上设有柱形凸起。
[0008] 本发明还提供了一种利用上述复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置 的检测方法，包括W下步骤：
[0009] S1、采用多次底波法测量声波在被检测零件中的传播速度；
[0010] S2、在被测零件的表面均匀布置多个超声低频探头；
[0011] S3、选择其中一个超声低频探头发射超声波，其它超声低频探头接收超声波，接收 到的超声波的波形在超声检测仪的显示出来，超声波幅值的波形数据经过滤波及放大模 块、A/D转换模块处理后传到计算机，计算机将接收到的信号保存，计算机采集各个探头的 位置坐标，将探头位置坐标和波形数据作为输入数据，得到一组轮廓曲线；
[0012] S4,通过将不同的超声低频接收探头作为发射超声波的探头，其它的超声低频探 头接收超声波，重复步骤S3得到多组轮廓曲线，通过多组轮廓曲线共同包络成缺陷的轮廓， 从而定位缺陷的大致位置；
[0013] S5、在步骤S4中定位的缺陷大致位置的附近均匀布置多个超声高频探头；
[0014] S6、选择其中一个超声高频探头发射超声波，其它超声高频探头接收超声波，接收 到的超声波的波形在超声检测仪的显示出来，超声波幅值的波形数据经过滤波及放大模 块、A/D转换模块处理后传到计算机，计算机将接收到的信号保存，计算机采集各个探头的 位置坐标，将探头位置坐标和波形数据作为输入数据，得到一组轮廓曲线；
[0015] S7、通过将不同的超声高频接收探头作为发射超声波的探头，其它的超声高频探 头接收超声波，重复步骤S6得到多组轮廓曲线，通过多组轮廓曲线准确的重构缺陷。
[0016] 上述方案中，所述计算机根据反射波峰对应时间的变化规律和反射播放对应幅值 的变化规律，判断干设波形和未发生干设波形，剔除在波峰处发生干设的数据，保留其余的 数据。
[0017] 上述方案中，所述步骤S3或S6中获得轮廓曲线的方法为通过计算超声波从发射到 被缺陷反射再到被接收探头接收的声程，定位缺陷反射声波的反射点，从而重构出缺陷轮 廓，反射点的坐标(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)为第i个探头位置坐标，为第j个探头位置坐标，Si为声程，VO 为声波在零件中的传播速度，t。是发射探头接收到脉冲信号的时刻，ti是接收探头接收到脉 冲信号的时刻。
[0022] 上述方案中，当所述步骤S7中得到的曲线轮廓不完整时，可W重新布置超声高频 探头的位置，重复步骤S6-S7，从而获取缺陷没有检测到的轮廓。
[0023] 实施本发明的复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测方法，具有W下有益效 果：
[0024] 1、本发明可W采用机械手布置探头，自动化程度高；
[0025] 2、本发明对超声探头传来的信号W及输入的参数进行处理，通过多组曲线包络重 构缺陷，智能化程度高。
[0026] 3、采用分布式探头，探头体积小测量精度高，可W在一个比较大的区域内接收信 号，避免ALOK法中经常收不到信号的情况。
【附图说明】
[0027] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0028] 图1是超声波分布式探头检测装置示意图；
[0029] 图2是超声波分布式探头检测装置信号传输示意图；
[0030] 图3是超声波信号图；
[0031] 图4是通过多组曲线得到的零件的内部缺陷的示意图。
【具体实施方式】
[0032] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明 本发明的【具体实施方式】。
[0033] 如图1所示，本发明复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置，用于检测零 件的内部缺陷2,其包括机械手，依次连接的超声检测仪3、滤波及放大模块4、A/D转换模块5 和计算机6,超声检测仪3与超声探头1连接，超声探头1为超声低频探头或超声高频探头。任 意一个超声低频探头发射超声波时，其它超声低频探头接收超声波，任意一个超声高频探 头发射超声波时，其它超声高频探头接收超声波。
[0034] 机械手用于夹持超声探头1，通过机械手将探头布置在零件表面，自动化程度高。 超声低频探头的频率范围是0.5-2MHZ，超声高频探头的频率范围是5-lOMHz。
[0035] 超声探头1外壳上设有柱形凸起，便于机械手抓取。探头1尺寸不宜太大，W保证探 头能够与检测的零件表面实现良好的贴合。
[0036] 如图1-图4所示，本发明还提供了上述利用上述无损检测装置的检测方法，检测方 法先通过少量分布式超声低频探头快速检测较大区域内是否有缺陷W及缺陷的大致位置， 再用较多分布式超声高频探头在靠近缺陷的位置准确重构缺陷轮廓。其具体包括W下步 骤：
[0037] S1、采用多次底波法测量声波在被检测零件中的传播速度。
[0038] S2、将待检测零件放置在检测工位，将零件划分为若干检测区域，对缺陷分区域检 。在被测零件的检测区域表面均匀布置多个超声低频探头。通过机械手夹持住超声低频 探头的圆柱状外壳，对准待检测零件表面，施加垂直于零件表面的力，使探头压紧零件表 面。
[0039] S3、探头布置完毕后，电脑发出指令开始检测。选择其中一个超声低频探头发射超 声波，其它超声低频探头接收经零件内部缺陷反射后的超声波，超声检测仪显示波形并且 将数据通过滤波和放大模块、A/D转换模块将波形中的噪声过滤，并且将正常波形放大后， 再将模态信号转化为数字信号传输到计算机，保存数据。计算机的数据处理方法为使用 matlab软件读取时间-波形幅值数据，提取各波峰对应的时间和幅值，根据反射波峰对应时 间的变化规律和反射播放对应幅值的变化规律，判断干设波形和未发生干设波形，剔除在 波峰处发生干设的数据，保留其余的数据。
[0040]计算机采集各个探头的位置坐标，将探头位置坐标和波形数据作为输入数据，得 到一组轮廓曲线。获得轮廓曲线的方法为通过计算超声波从发射到被缺陷反射再到被接收 探头接收的声程，定位缺陷反射声波的反射点，从而重构出缺陷轮廓，反射点的坐标(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)为第i个探头位置坐标，为第j个探头位置坐标，Si为声程，VO 为声波在零件中的传播速度，t。是发射探头接收到脉冲信号的时刻，ti是接收探头接收到脉 冲信号的时刻。
[0045] S4,通过将不同的超声低频接收探头作为发射超声波的探头，其它的超声低频探 头接收超声波，重复步骤S3得到多组轮廓曲线，通过多组轮廓曲线描绘出缺陷的大致轮廓， 从而定位缺陷的大致位置；
[0046] S5、在步骤S4中定位的缺陷大致位置的附近均匀布置多个超声高频探头；
[0047] S6、选择其中一个超声高频探头发射超声波，其它超声高频探头接收超声波，接收 到的超声波的波形在超声检测仪的显示出来，超声波幅值的波形数据经过滤波及放大模 块、A/D转换模块处理后传到计算机，计算机将接收到的信号保存，计算机采集各个探头的 位置坐标，将探头位置坐标和波形数据作为输入数据，得到一组轮廓曲线。该步骤中的数据 处理方法和算法与步骤S3相同。
[004引S7、通过将不同的超声高频接收探头作为发射超声波的探头，其它的超声高频探 头接收超声波，重复步骤S6得到多组轮廓曲线，通过多组轮廓曲线准确的重构缺陷。得到的 曲线轮廓不完整时，可W重新布置超声高频探头的位置，重复步骤S6-S7,从而获取缺陷没 有检测到的轮廓。上述方法得到的多组曲线轮廓如图4所示，通过曲线包络可W得到缺陷的 位置及其大致轮廓。
[0049] 根据W上方法，可将较大零件划分为不同区域，根据不同检测区域，依次检测并重 构所有缺陷。最后得到缺陷评估报告，保存相应数据。
[0050] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体 实施方式，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员 在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多 形式，运些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1. 一种复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置，其特征在于，包括依次连接 的超声检测仪、滤波及放大模块、A/D转换模块和计算机，所述超声检测仪与多个超声低频 探头或多个超声高频探头连接，任意一个超声低频探头发射超声波时，其它超声低频探头 接收超声波，任意一个超声高频探头发射超声波时，其它超声高频探头接收超声波。2. 根据权利要求1所述的复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置，其特征在 于，还包括用于夹持所述超声低频探头或超声高频探头的机械手。3. 根据权利要求1或2所述的复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置，其特征 在于，所述超声低频探头或超声高频探头的外壳上设有柱形凸起。4. 一种利用权利要求1所述的复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测装置的检测 方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 采用多次底波法测量声波在被检测零件中的传播速度； 52、 在被测零件的表面均匀布置多个超声低频探头； 53、 选择其中一个超声低频探头发射超声波，其它超声低频探头接收超声波，接收到的 超声波的波形在超声检测仪的显示出来，超声波幅值的波形数据经过滤波及放大模块、A/D 转换模块处理后传到计算机，计算机将接收到的信号保存，计算机采集各个探头的位置坐 标，将探头位置坐标和波形数据作为输入数据，得到一组轮廓曲线； 54、 通过将不同的超声低频接收探头作为发射超声波的探头，其它的超声低频探头接 收超声波，重复步骤S3得到多组轮廓曲线，通过多组轮廓曲线共同包络成缺陷的轮廓，从而 定位缺陷的大致位置； 55、 在步骤S4中定位的缺陷大致位置的附近均匀布置多个超声高频探头； 56、 选择其中一个超声高频探头发射超声波，其它超声高频探头接收超声波，接收到的 超声波的波形在超声检测仪的显示出来，超声波幅值的波形数据经过滤波及放大模块、A/D 转换模块处理后传到计算机，计算机将接收到的信号保存，计算机采集各个探头的位置坐 标，将探头位置坐标和波形数据作为输入数据，得到一组轮廓曲线； 57、 通过将不同的超声高频接收探头作为发射超声波的探头，其它的超声高频探头接 收超声波，重复步骤S6得到多组轮廓曲线，通过多组轮廓曲线准确的重构缺陷。5. 根据权利要求4所述的复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测方法，其特征在 于，所述计算机根据反射波峰对应时间的变化规律和反射播放对应幅值的变化规律，判断 干涉波形和未发生干涉波形，剔除在波峰处发生干涉的数据，保留其余的数据。6. 根据权利要求4所述的复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测方法，其特征在 于，所述步骤S3或S6中获得轮廓曲线的方法为通过计算超声波从发射到被缺陷反射再到被 接收探头接收的声程，定位缺陷反射声波的反射点，从而重构出缺陷轮廓，反射点的坐标 (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)为第i个探头位置坐标，（xj，yj)为第j个探头位置坐标，si为声程，v〇为声 波在零件中的传播速度，t。是发射探头接收到脉冲信号的时刻，^是接收探头接收到脉冲信 号的时刻。7.根据权利要求4所述的复杂形状零件内部缺陷分布式超声无损检测方法，其特征在 于，当所述步骤S7中得到的曲线轮廓不完整时，可以重新布置超声高频探头的位置，重复步 骤S6-S7,从而获取缺陷没有检测到的轮廓。
【文档编号】G01N29/07GK105954359SQ201610349567
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】华林, 汪小凯, 许善燎, 宋雨珂, 王彬
【申请人】武汉理工大学