一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法

摘要

本发明公开了一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法，所述方法通过对标定金属试块进行数据采集，初步分析确定剔除水声距影响的晶粒尺寸的原始评价模型结构，再运用PCA方法计算出由原始评价模型中各变量降维组合的主元，通过各主元回归估计模型的参数从而建立剔除水声距影响的晶粒尺寸隐式评价模型，对未参与模型计算的测试试块进行晶粒尺寸评价。该方法能降低平均晶粒尺寸评价的系统误差，针对金相法测定平均晶粒尺寸为105.57μm的测试金属试块，该模型评价结果为106.74μm，误差仅为1.1％。可见，本发明提供的方法抑制了水声距调整精度对晶粒尺寸评价的不利影响，提高金属晶粒尺寸无损评价的可靠性。

权利要求

1.一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、通过设置不同的热处理条件制备试块，使其具有晶粒尺寸梯度，固定探头主频，采集在不同的水声距下标定试块的超声回波信号，利用超声回波信号计算所对应的平均衰减系数，使用金相法测定并记录各标定试块的平均晶粒尺寸；

S2、利用所述的平均衰减系数，及其所对应的水声距及标定试块的平均晶粒尺寸，基于限定相关系数阈值的多项式拟合，建立剔除水声距影响的平均晶粒尺寸初始评价模型结构；

S3、利用PCA方法计算出所述初始评价模型结构中的各个变量降维组合成的主元，运用各主元回归估计模型的参数，从而建立剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型；

S4、利用所述步骤S3得到的剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型对标定试块进行晶粒尺寸评价，对比金相法所测晶粒尺寸验证所述平均晶粒尺寸评价模型的准确性；

然后对测试试块进行衰减系数预测评价，对比超声衰减试验测量计算结果验证所述平均晶粒尺寸评价模型的预测能力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，多项式拟合相关系数阈值为[0.95,1]，并选择符合阈值标准的最低次数作为多项式最高次数；设定测量探头主频为f0时，基于上述所计算的剔除水声距影响的晶粒尺寸初始评价模型为式中，C1为与f0相关的模型常数，D为试块平均晶粒尺寸，ai为D的第i次方的系数，m0为平均晶粒尺寸D的最高次方数，W为测量水声距，bi为W的第i次方的系数，m1为水声距W的最高次方数，α(D,W)为关于水声距W及平均晶粒尺寸D的衰减系数α的函数；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：S31、将所述步骤2中初始平均晶粒尺寸的多因素评价模型的被测变量记作 每个被测变量有n个

观测样本，由此可构建线性化数据矩阵 同时将被测变量标准化，即：式中，Ln为n维单位列矢量，

标准化后的被测变量矩阵记作 xi为被测变量矩阵X的第i行数据；

S32、然后求解步骤S31中的标准化被测变量矩阵X被测变量主元得分矩阵计算公式为式中， 表示X的模型值，E为建模误差，Z是被测变量主元得分矩阵，P是被测变量主元负荷矩阵，Z*是被测变量残差得分矩阵，P*是被测变量残差负荷矩阵，ti为被测变量得分矢量，pi是被测变量负荷矢量，l是主元数量；

S33、利用PCA处理后的数据，对所得的被测变量主元得分矩阵进行多元回归计算，得到剔除水声距影响的晶粒尺寸隐式评价模型为式中，B＝[b1,b2……bl]T为被测变量主元回归模型系数矩阵，C2为回归计算常数，Y为晶粒尺寸隐式评价模型的衰减系数矩阵。

说明书

一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属平均晶粒尺寸测量技术领域，尤其涉及一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法。

背景技术

[0002] 晶粒尺寸是表征金属材料微观特性的一个重要参数，它影响着材料的疲劳强度、屈服强度、韧性及塑性、蠕变抗力和抗疲劳扩展能力等机械性能。因此准确测量金属材料的晶粒尺寸对研究其机械性能具有重大的意义。金属材料晶粒尺寸的测量方法分为有损和无损两种，有损方法如金相法具有结果直观和检测精度高等优点，但需对材料进行破坏，且分析程序繁琐、检测效率底。超声无损评价方法具有穿透能力强，灵敏度高，对人体无害等优点，是目前国内外对材料进行微结构检测所普遍应用的方法之一。

[0003] 多晶金属材料的晶粒尺寸很大程度上决定了声能的衰减，因此可测定超声衰减系数间接评价材料的晶粒尺寸。然而，在工程实践中准确检测衰减系数将受到一系列苛刻的实验条件约束。例如在不同水声距条件下，对同一材料检测出的衰减系数并非定值，而现有检测模型均未将水声距作为影响因素考虑，在实际检测中须花费大量时间调整水声距，将声束聚焦在被测对象中部，且调节精度难以保证。因此，如何剔除水声距与其它实验因素间的线性相关性，降低实验误差的干扰，并从中挖掘水声距对衰减测量的影响规律，是提高晶粒尺寸超声衰减评价有效性的关键。基于以上研究现状，本发明利用PCA方法建立了一种剔除水声距影响的金属平均晶粒尺寸评价模型。

发明内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 本发明要解决的技术问题是在无需精确调整水声距的情况下，如何精确、可靠、无损测量晶粒尺寸。

[0006] (二)技术方案

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法，所述方法包括以下步骤：

[0008] S1、通过设置不同的热处理条件制备试块，使其具有晶粒尺寸梯度，固定探头主频，采集在不同的水声距下标定试块的超声回波信号，利用超声回波信号计算所对应的平均衰减系数，使用金相法测定并记录各标定试块的平均晶粒尺寸；

[0009] S2、利用所述的平均衰减系数，及其所对应的水声距及标定试块的平均晶粒尺寸，基于限定相关系数阈值的多项式拟合，建立剔除水声距影响的平均晶粒尺寸初始评价模型结构；

[0010] S3、利用PCA方法计算出所述初始评价模型结构中的各个变量降维组合成的主元，运用各主元回归估计模型的参数，从而建立剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型；

[0011] S4、利用所述步骤S3得到的剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型对标定试块进行晶粒尺寸评价，对比金相法所测晶粒尺寸验证所述平均晶粒尺寸评价模型的准确性；然后对测试试块进行衰减系数预测评价，对比超声衰减试验测量计算结果验证所述平均晶粒尺寸评价模型的预测能力。

[0012] 2、优选地，所述步骤S2中，多项式拟合相关系数阈值为[0.95,1]，并选择符合阈值标准的最低次数作为多项式最高次数；设定测量探头主频为f0时，基于上述所计算的剔除水声距影响的晶粒尺寸初始评价模型为

[0013]

[0014] 式中，C1为与f0相关的模型常数，D为试块平均晶粒尺寸，ai为D的第i次方的系数，m0为平均晶粒尺寸D的最高次方数，W为测量水声距，bi为W的第i次方的系数，m1为水声距W的最高次方数，α(D,W)为关于水声距W及平均晶粒尺寸D的衰减系数α的函数；

[0015] 3、优选地，所述步骤S3具体为：

[0016] S31、将所述步骤2中初始平均晶粒尺寸的多因素评价模型的被测变量记作 每个被测变量有n个观测样本，由此可构建线性化数据矩阵 同时将被测变量标准化，即：

[0017]

[0018] 式中，Ln为n维单位列矢量，

[0019] 标准化后的被测变量矩阵记作 xi为被测变量矩阵X的第i行数据；

[0020] S32、然后求解步骤S31中的标准化被测变量矩阵X被测变量主元得分矩阵计算公式为

[0021]

[0022]

[0023]

[0024] 式中， 表示X的模型值，E为建模误差，Z是被测变量主元得分矩阵，P是被测变量主元负荷矩阵，Z*是被测变量残差得分矩阵，P*是被测变量残差负荷矩阵，ti为被测变量得分矢量，pi是被测变量负荷矢量，l是主元数量；

[0025] S33、利用PCA处理后的数据，对所得的被测变量主元得分矩阵进行多元回归计算，得到剔除水声距影响的晶粒尺寸隐式评价模型为

[0026]

[0027] 式中，B＝[b1,b2……bl]T为被测变量主元回归模型系数矩阵，C2为回归计算常数，Y为晶粒尺寸隐式评价模型的衰减系数矩阵。

[0028] (三)有益效果

[0029] 本发明提供了一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法，通过PCA方法消除水声距与其它实验因素间的线性相关性，降低实验误差的干扰，并从中挖掘水声距对衰减测量的影响规律，建立剔除水声距影响的晶粒尺寸隐式评价模型。针对金相法测定平均晶粒尺寸为105.57μm的测试金属试块，该模型评价结果为106.74μm，误差仅为1.1％，可见，通过剔除测量过程中水声距调整精度对平均晶粒尺寸评价结果的不利影响，提高金属材料平均晶粒尺寸超声无损评价方法的实用性和可靠性。

附图说明

[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0031] 图1为本发明的一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法的流程图；

[0032] 图2为本发明中超声信号采集系统结构示意图；

[0033] 图3为本发明中试块的几何尺寸图；

[0034] 图4a-4i为本发明中各个试块的金相图；

[0035] 图5为本发明中试块测量计算的水声距与衰减关系图；

[0036] 图6为本发明中平均晶粒尺寸多因素评价模型的验证结果图；

具体实施方式

[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

[0038] 具体实施方式是选用牌号为06Cr19Ni10的304不锈钢制备试块，为建立剔除水声距影响的晶粒尺寸隐式评价模型，需要以平均晶粒尺寸已知的试块作为参考。采用超声脉冲信号发生/接收器与聚焦探头连接进行脉冲信号的收发；使用运动控制卡和运动平台，调整控制探头垂直于被测表面上下运动，并用计算机上的高速数据采集卡获取并存储超声仪输出的原始超声A波信号，最后在计算机上进行进一步的分析和建模。

[0039] 图1为本发明的一种剔除水声距影响的晶粒尺寸超声评价方法的流程图，建模与评价的步骤如下：

[0040] S1、通过设置不同的热处理条件制备试块，使其具有晶粒尺寸梯度，通过如图2所示的超声检测系统。固定探头主频，采集在不同的水声距下标定试块的超声回波信号，利用超声回波信号计算所对应的平均衰减系数，使用金相法测定并记录各标定试块的平均晶粒尺寸；

[0041] S11、为使超声检测时不产生侧壁干扰，设计标定及测试试块的几何尺寸如图3所示；

[0042] S12、调整控制探头垂直于被测表面的位置，对k1个不同晶粒尺寸试块依次取k2组水声距；使用高速数据采集卡采集回波信号，采用VC++与Matlab混合编程对采集到的数据进行处理，得到A波数据，并由此计算出水声距和衰减系数；

[0043] S13、使用金相法测定并记录各标定试块的平均晶粒尺寸，具体方法为：使用高温炉对同批制备的k1个试块进行不同温度与保温时间的热处理，使其具有晶粒尺寸梯度的同时保持基本相同的扩散速率与晶界偏析，接着对所有试块进行一次去应力退火，再用金相法测量平均晶粒尺寸：对热处理后的试块进行磨样和抛光；配制腐蚀液进行腐蚀；在金相显微系统中进行金相的观察和图样采集，各试块金相如图4a-4i所示；根据GB-6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》计算出各个平均晶粒尺寸并记作

[0044] S2、利用所述的平均衰减系数，及其所对应的水声距及标定试块的平均晶粒尺寸，基于限定相关系数阈值的多项式拟合，建立剔除水声距影响的平均晶粒尺寸初始评价模型结构；

[0045] S21、将步骤1所述的k1个不同晶粒尺寸、k2组水声距及所计算的衰减系数作为模型建立及验证的参考样本，该样本容量为k1·k2，根据该样本的数据确定水声距与衰减系数的关系曲线，初步选定水声距与衰减为高次多项式函数关系；

[0046] S22、选定多项式拟合相关系数阈值为[0.95,1]，并选择符合阈值标准的最低次数为多项式最高次数，采用枚举法对每条水声距与衰减关系曲线进行拟合确定满足该相关系数阈的m1；根据经典超声散射公式，选定本试验条件所对应的m0；基于上述所计算的初始平均晶粒尺寸的多因素评价模型为

[0047]

[0048] 式中，C1为与f0相关的模型常数，D为试块平均晶粒尺寸，ai为D的第i次方的系数，m0为平均晶粒尺寸D的最高次方数，W为测量水声距，bi为W的第i次方的系数，m1为水声距W的最高次方数，α(D,W)为关于水声距W及平均晶粒尺寸D的衰减系数α的函数；

[0049] S3、利用PCA方法计算出所述初始评价模型结构中的各个变量降维组合成的主元，运用各主元回归估计模型的参数，从而建立剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型；

[0050] S31、将所述步骤2中初始平均晶粒尺寸的多因素评价模型的被测变量记作 每个被测变量有n个观测样本，由此可构建线性化数据矩阵 同时将被测变量标准化，即：

[0051]

[0052] 式中，Ln为n维单位列矢量，

[0053] 标准化后的被测变量矩阵记作 xi为被测变量矩阵X的第i行数据；

[0054] S32、然后求解步骤S31中的标准化被测变量矩阵X的被测变量主元得分矩阵计算公式为

[0055]

[0056]

[0057]

[0058] 式中， 表示X的模型值，E为建模误差，Z是被测变量主元得分矩阵，P是被测变量主元负荷矩阵，Z*是被测变量残差得分矩阵，P*是被测变量残差负荷矩阵，ti为被测变量得分矢量，pi是被测变量负荷矢量，l是主元数量；

[0059] S33、利用PCA处理后的数据，对所得的被测变量主元得分矩阵进行多元回归计算，得到剔除水声距影响的晶粒尺寸隐式评价模型为

[0060]

[0061] 式中，B＝[b1,b2……bl]T为被测变量主元回归模型系数矩阵，C2为回归计算常数，Y为晶粒尺寸隐式评价模型的衰减系数矩阵。

[0062] S4、利用所述步骤S3得到的剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型对标定试块进行晶粒尺寸评价，对比金相法所测晶粒尺寸验证所述平均晶粒尺寸评价模型的准确性；然后对测试试块进行衰减系数预测评价，对比超声衰减试验测量计算结果验证所述平均晶粒尺寸评价模型的预测能力。

[0063] 图2为本发明中超声信号采集系统结构示意图，所述超声信号采集系统包括用于控制底层硬件和运算的工控机1，用于采集超声A信号的高速数据采集卡2，用于激励和接收超声探头信号的超声脉冲发生/接收器3，水槽4，作为超声波传播的耦合剂的纯净水5，用于连接运动平台和超声探头的探头架6，六自由度运动平台7，用于发射和接收超声波的超声纵波探头8，被测的304不锈钢试块9，用于操控运动平台的控制柜10，用于通过上位机控制运动平台控制电路的运动控制卡11。

[0064] 本具体实施方式选用牌号为06Cr19Ni10的304不锈钢，制备标定试块6个，记为#0、#1、#3、#4、#5、#8；测试试块3个，记为#2、#6、#7。试块的热处理采用CM公司1610BL型高温炉，金相分析中使用的腐蚀液化学成分为20％HF+10％HNO3+70％H2O，腐蚀时间为20min，接着对试块进行磨样、抛光，采用Leica公司DM4000M型金相显微镜观察金相组织。试块的热处理条件及金相法晶粒尺寸如表1所示。

[0065] 表1试块热处理条件与金相法晶粒尺寸

[0066]

[0067] 采用图2所示的超声信号采集系统对试块进行A波信号的采集，本实例中使用的六自由度运动平台为上海思雀柯信息科技有限公司生产的CYS-1100型六自由度运动平台，高速数据采集卡采用ADLINKPCIe-9852数字采集卡，其采样间隔定为5ns，超声脉冲发生/接收器采用Olympus 5072PR型超声脉冲发生/接收器，超声纵波探头选用型号为GE-IAP10.6.3的探头，其中心频率为10MHz，运动控制卡采用DMC2610PCI总线6轴控制卡。

[0068] 观察水声距与衰减系数的关系如图5所示，由图5易见水声距对衰减值有显著的影响；水声距一定时，衰减系数与晶粒尺寸整体上成正相关，但在晶粒尺寸为82.51～105.57μm及124.43～135.44μm区间时该正相关性减小且衰减系数分布相对集中；同时由图5还可见衰减随水声距的变化符合初步选定的高次多项式函数的波动趋势，对图5中每条曲线都采用4次拟合时，相关系数首次均大于0.95，即采用最高4次的多项式非线性回归模型就足够拟合，因此可得m1＝4，又因为实验条件满足瑞利散射，故取m0＝3。

[0069] 结合所采集的数据，由公式(2-6)可得与水声距及衰减系数均相关的金属平均晶粒尺寸隐式评价模型：

[0070]

[0071] 在通过上晶粒尺寸隐式评价模型反解晶粒尺寸时，可通过式(8)计算，其中C3＝1.654

[0072] f(D)＝α-h(W)-C3＝g(α,W)   (8)

[0073]

[0074] 运用剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型对参与模型计算的#0、#1、#3、#4、#5、#8六个标定试块进行晶粒尺寸评价，对比金相法所测晶粒尺寸验证所述平均晶粒尺寸评价模型的准确性。表2及图6展示了本发明提供的方法对标定试块的评价结果与金相法测定的结果以及它们的误差分析。

[0075] 表2对标定试块的评价结果以及误差分析

[0076]

[0077]

[0078] 结合金相法所测晶粒尺寸，运用剔除水声距影响的平均晶粒尺寸隐式评价模型对未参与模型计算的#2、#6、#7三个测试试块进行超声衰减系数预测，对比试验测量计算所得衰减系数验证所述平均晶粒尺寸评价模型的预测能力。表3展示了本发明提供的方法预测测试试块的衰减系数与超声衰减试验计算的结果以及它们的误差分析。

[0079] 表3对测试试块的评价结果以及误差分析

[0080]

[0081] 本发明的方法根据PCA的数据空间降维投影特性，消除水声距与其它实验因素间的线性相关性，降低实验误差的干扰，并从中挖掘水声距对衰减测量的影响规律，建立剔除水声距影响的晶粒尺寸隐式评价模型，能降低平均晶粒尺寸评价的系统误差，针对金相法测定平均晶粒尺寸为105.57μm的测试金属试块，该模型评价结果为106.74μm，误差仅为1.1％，可见，通过剔除测量过程中水声距调整精度对平均晶粒尺寸评价结果的不利影响，提高金属材料平均晶粒尺寸超声无损评价方法的实用性和可靠性。

[0082] 以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。