圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法

摘要

本发明公开了一种圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法，其特征在于：包括直射检测时各阵元延时计算方法和经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法。本发明提出的延时计算方法计算的延时可以形成较好的检测声束，能有效检测外径较小的轴或管状工件，包括小径管对接焊缝中的横向缺陷，也可以用于该类工件中其它缺陷的补充检测，辅助缺陷定性。

权利要求

1.圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法，其特征在于：包括直射检测时各阵元延时计算方法和经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法；

所述直射检测时各阵元延时计算方法过程为：A1)构建缺陷检测模型，沿探头中心作横切面；

A2)定义横切面与管轴相交的点为原点O，建立极坐标系；

A3)楔块斜面的后端点B所在的位置为B(RB,θB)；楔块下表面的后端点A所在的位置为A(Rout,0)，Rout为管外径；

A4)计算各阵元中心所在的位置；

定义第i个阵元中心I所在的位置为I(Ri,θi)；

其中，AI为A点到第i个阵元中心I之间的距离，BI为B点到第i个阵元中心I之间的距离；

H0为A点到B点之间的距离，α0为楔块的倾斜角；

BI＝p×(i-1)+s0

s0为B点到离其最近阵元中心的距离，p为阵元间距，即相邻阵元中心间的距离，p＝g+e，其中g为阵元间隙尺寸，e为阵元宽度；

A5)根据Snell定律，得到入射点位置的方程；

定义第i个阵元激发的声波的入射点D所在的位置为D(Rout，θD)；声聚焦点P所在的位置为P(RP，θP)；

关于θD的方程为，

其中，cw为楔块材料声速，cs为管材料声速；

A6)获取入射点位置的取值范围；

用直线连接I与P，直线与圆弧相交的点为E，E所在的位置为E(Rout，θE)，θD的取值范围在θi和θE之间；

A7)根据入射点位置的取值范围和方程，采用二分法数值计算，获取入射点位置值；

A8)根据入射点位置值获取阵元的延时；第i个阵元的延时Δti为，Δti＝max(t)-ti+t0其中，

为第i个阵元中心I，发射声波传到P点所用的声时；

max(t)为ti中的最大值；

t0为延时设置中的初始延时，为一固定常数；

经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法：B1)构建缺陷检测模型，沿探头中心作横切面；

B2)定义横切面与管轴相交的点为原点O，建立极坐标系；

B3)楔块斜面的后端点B所在的位置为B(RB，θB)；楔块下表面的后端点A所在的位置为A(Rout，0)，Rout等于管外径；

B4)计算各阵元中心所在的位置；

定义第i个阵元中心I所在的位置为I(Ri，θi)；

其中，AI为A点到第i个阵元中心I之间的距离，BI为B点到第i个阵元中心I之间的距离；

H0为A点到B点之间的距离，α0为楔块的倾斜角；

BI＝p×(i-1)+s0

s0为B点到离其最近阵元中心的距离，p为阵元间距，即相邻阵元中心间的距离，p＝g+e，其中g为阵元间隙尺寸，e为阵元宽度；

B5)根据Snell定律和正余弦定理，得到入射点位置的方程；

定义第i个阵元激发的声波的入射点H所在的位置为H(Rout，θH)；声聚焦点P′所在的位置为P′(RP′，θP′)；管内壁反射点F所在的位置为F(Rin，θF)，Rin为管内径；

关于θH的方程为，

B6)获取入射点位置的取值范围；

用直线连接I与P′，直线与圆弧相交的点为K，K所在的位置为K(Rout，θK)，θH的取值范围在θi和θK之间；

B7)根据入射点位置的取值范围和方程，采用二分法数值计算，获取入射点位置值；

B8)根据入射点位置值获取阵元的延时；

第i个阵元的延时Δti′为，

Δti′＝max(t)′-ti′+t0其中，

为第i个阵元中心I，发射声波传到P′点所用的声时；

max(t)′为ti′中的最大值；

t0为延时设置中的初始延时，为一固定常数。

说明书

圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法，属于超声检测技术领域。

背景技术

[0002] 小径管对接焊缝广泛存在于石油、化工、供暖等各种大型锅炉尤其是火电锅炉中，用作热交换和物质传输。如一台1千兆瓦的锅炉在安装中约有焊缝8万多道，而2014年我国火力发电装机容量约915.7千兆瓦，小径管对接焊缝数量巨大。若焊缝中存在未发现的危害性缺陷，则易引起爆管，可能导致锅炉非计划停机，造成巨大的经济损失和社会问题。该类焊缝服役环境恶劣，因此对于检测的可靠性和检测效率要求极高，检测难度大。尤其是横向缺陷，极易漏检。横向缺陷是指焊缝中缺陷的走向垂直于焊缝中心线和检测面的缺陷，最常见的横向缺陷是横向裂纹。

[0003] 目前焊缝检测常用的无损检测技术包括射线、超声、磁粉、渗透和涡流，其中只有射线和超声可以同时检测小径管对接焊缝表面和内部缺陷。

[0004] 射线检测是利用射线透过被检物体时有缺陷部位与无缺陷部位对射线的吸收能力不同，导致成像底片的亮度不同而检测缺陷，一般采用单次透照的双壁双投影检测方法。它对裂纹、未熔合等危害性较大的面积型缺陷不敏感；检测较厚工件时难以透照，检测中有盲区，易导致漏检；还存在辐射、污染，效率低的不足。

[0005] 而目前常规的超声检测一般采用斜入射横波(SV波)脉冲回波法单面双侧检测，通过手动来回移动探头作锯齿形扫查，观察回波幅度和回波变化定位定量定性缺陷。该方法检测时，声传播方向与横向缺陷共面，很难检测出横向缺陷，且采用自发自收方式，楔块前沿较大，难以检测较薄的工件。另外，超声衍射时差法的检测盲区太大，甚至大于管子壁厚，不适宜于检测小径管对接焊缝。最后，目前工业检测中常用的相控阵超声检测技术采用聚焦脉冲横波回波法扇形扫描、电子扫描和多项扫描成像进行检测，同样存在常规超声检测中遇到的问题—声传播方向与横向缺陷共面，缺陷反射回波信号很弱，甚至淹没于噪声信号之中，极易造成漏检。采用二维相控阵超声检测技术进行检测，探头阵元数多，要求设备通道数较多，检测设备昂贵且不适宜于现场应用。

[0006] 目前的横向缺陷的超声检测只能检测板对接焊缝的横向缺陷。主要是采用常规超声单晶片探头，布置于焊缝两侧，斜探头与焊缝中心线所成角度不大于10°，作两个方向的斜平行扫查，如果焊缝余高磨平，探头可以在焊缝及热影响区上作两个方向的平行扫查。但斜平行扫查不能用于管对接焊缝，主要是由于楔块-工件曲线引起声束发散严重，使得检测声场混乱，不能进行检测。

[0007] 为了克服上述问题，开发了圆柱曲面工件的横向缺陷检测装置，详情参照专利201510498212.1，在使用该装置检测时，需要设置各阵元的延时，现有的方法不适用与该装置，而上述专利中没有披露具体的计算方法，因而会导致延时设置不合理，不能形成有效的检测声束。

发明内容

[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法。

[0009] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0010] 圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法，包括直射检测时各阵元延时计算方法和经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法；

[0011] 所述直射检测时各阵元延时计算方法过程为：

[0012] A1)构建缺陷检测模型，沿探头中心作横切面；

[0013] A2)定义横切面与管轴相交的点为原点O，建立极坐标系；

[0014] A3)楔块斜面的后端点B所在的位置为B(RB,θB)；楔块下表面的后端点A所在的位置为A(Rout,0)，Rout为管外径；

[0015] A4)计算各阵元中心所在的位置；

[0016] 定义第i个阵元中心I所在的位置为I(Ri,θi)；

[0017]

[0018]

[0019] 其中，AI为A点到第i个阵元中心I之间的距离，BI为B点到第i个阵元中心I之间的距离；

[0020]

[0021] H0为A点到B点之间的距离，α0为楔块的倾斜角；

[0022] BI＝p×(i-1)+s0

[0023] s0为B点到离其最近阵元中心的距离，p为阵元间距，即相邻阵元中心间的距离，p＝g+e，其中g为阵元间隙尺寸，e为阵元宽度；

[0024] A5)根据Snell定律，得到入射点位置的方程；

[0025] 定义第i个阵元激发的声波的入射点D所在的位置为D(Rout，θD)；声聚焦点P所在的位置为P(RP，θP)；

[0026] 关于θD的方程为，

[0027]

[0028] 其中，cw为楔块材料声速，cs为管材料声速；

[0029] A6)获取入射点位置的取值范围；

[0030] 用直线连接I与P，直线与圆弧相交的点为E，E所在的位置为E(Rout，θE)，θD的取值范围在θi和θE之间；

[0031] A7)根据入射点位置的取值范围和方程，采用二分法数值计算，获取入射点位置值；

[0032] A8)根据入射点位置值获取阵元的延时；第i个阵元的延时Δti为，

[0033] Δti＝max(t)-ti+t0

[0034] 其中，

[0035] 为第i个阵元中心I，发射声波传到P点所用的声时；

[0036]

[0037]

[0038] max(t)为ti中的最大值；

[0039] t0为延时设置中的初始延时，为一固定常数；

[0040] 经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法：

[0041] B1)构建缺陷检测模型，沿探头中心作横切面；

[0042] B2)定义横切面与管轴相交的点为原点O，建立极坐标系；

[0043] B3)楔块斜面的后端点B所在的位置为B(RB，θB)；楔块下表面的后端点A所在的位置为A(Rout，0)，Rout等于管外径；

[0044] B4)计算各阵元中心所在的位置；

[0045] 定义第i个阵元中心I所在的位置为I(Ri，θi)；

[0046]

[0047]

[0048] 其中，AI为A点到第i个阵元中心I之间的距离，BI为B点到第i个阵元中心I之间的距离；

[0049]

[0050] H0为A点到B点之间的距离，α0为楔块的倾斜角；

[0051] BI＝p×(i-1)+s0

[0052] s0为B点到离其最近阵元中心的距离，p为阵元间距，即相邻阵元中心间的距离，p＝g+e，其中g为阵元间隙尺寸，e为阵元宽度；

[0053] B5)根据Snell定律和正余弦定理，得到入射点位置的方程；

[0054] 定义第i个阵元激发的声波的入射点H所在的位置为H(Rout，θH)；声聚焦点P′所在的位置为P′(RP′，θP′)；管内壁反射点F所在的位置为F(Rin，θF)，Rin为管内径；

[0055] 关于θH的方程为，

[0056]

[0057]

[0058] B6)获取入射点位置的取值范围；

[0059] 用直线连接I与P′，直线与圆弧相交的点为K，K所在的位置为K(Rout，θK)，θH的取值范围在θi和θK之间；

[0060] B7)根据入射点位置的取值范围和方程，采用二分法数值计算，获取入射点位置值；

[0061] B8)根据入射点位置值获取阵元的延时；

[0062] 第i个阵元的延时Δti′为，

[0063] Δti′＝max(t)′-ti′+t0

[0064] 其中，

[0065] 为第i个阵元中心I，发射声波传到P′点所用的声时；

[0066]

[0067]

[0068]

[0069] max(t)′为ti′中的最大值。

[0070] 本发明所达到的有益效果：本发明提出的延时计算方法计算的延时可以形成较好的检测声束，能有效检测外径较小(一般小于159mm)的轴或管状工件，包括小径管对接焊缝中的横向缺陷，也可以用于该类工件中其它缺陷的补充检测，辅助缺陷定性。

附图说明

[0071] 图1为圆柱曲面工件的横向缺陷检测装置的结构示意图。

[0072] 图2为直射波检测时的横切面示意图。

[0073] 图3为局部放大图。

[0074] 图4为反射波检测时的横切面示意图

具体实施方式

[0075] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0076] 如图1所示，为圆柱曲面工件的横向缺陷检测装置，可实现直射检测和经圆柱内壁反射后聚焦检测，在一般情况下，远离检测面的区域，直射检测即可满足，另外由于缺陷走向是多向的，当缺陷走向与直射波比较接近时，检测缺陷比较困难，就需要使用经圆柱内壁反射后聚焦检测。

[0077] 圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法，包括直射检测时各阵元延时计算方法和经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法。

[0078] 直射检测时各阵元延时计算方法过程为：

[0079] A1)构建缺陷检测模型，沿探头中心作横切面，具体如图2和3所示。

[0080] A2)定义横切面与管轴相交的点为原点O，建立极坐标系。

[0081] A3)楔块斜面的后端点B所在的位置为B(RB，θB)；楔块下表面的后端点A所在的位置为A(Rout，0)，Rout等于管外径。

[0082] A4)计算各阵元所在的位置。

[0083] 定义第i个阵元中心I所在的位置为I(Ri，θi)；

[0084] 在ΔABI中，定义A点到B点之间的距离AB＝H0，∠ABI＝α0+π/2，α0为楔块的倾斜角；

[0085] B点到第i个阵元中心I之间的距离BI为

[0086] BI＝p×(i-1)+s0；  (1.1)

[0087] 其中，s0为B点到离其最近阵元中心的距离，p为阵元间距，即相邻阵元中心间的距离，p＝g+e，其中g为阵元间隙尺寸，e为阵元宽度；

[0088] 由此可计算出，A点到第i个阵元中心I之间的距离AI，

[0089]

[0090]

[0091] 所以θB为，

[0092] θB＝π-β0-∠BAI  (1.4)

[0093] 那么，在ΔIAO中，

[0094]

[0095] 由正弦定理计算得，

[0096]

[0097] 上述计算所用参数进行汇总，如表一所示。

[0098] 表一所用参数汇总表

[0099]

[0100] 计算获得各阵元中心所在位置，如表二所示。

[0101] 表二各阵元中心位置

[0102]

[0103] A5)得到入射点位置的方程。

[0104] 定义第i个阵元激发的声波的入射点D所在的位置为D(Rout，θD)，入射角为αi；声聚焦点P所在的位置为P(RP，θP)，折射角为αr。

[0105] 在ΔIOD中，

[0106]

[0107]

[0108] 在ΔPOD中，

[0109]

[0110]

[0111] 由Snell定律，

[0112]

[0113]

[0114] 其中，cw为楔块材料声速，cs为管材料声速；

[0115] 化简后得到关于θD的方程为，

[0116]

[0117] 为了避免出现分母为零的情形，方便编程计算，公式转化为，

[0118]

[0119] A6)获取入射点位置的取值范围。

[0120] 用直线连接I与P，直线与圆弧相交的点为E，E所在的位置为E(Rout，θE)，θD的取值范围在θi和θE之间。

[0121] 在ΔIOP中，

[0122]

[0123] ∠PIO＝∠EIO，为，

[0124]

[0125]

[0126] 在ΔIEO中，∠IEO为，

[0127]

[0128]

[0129] 所以

[0130] θE＝π-∠EIO-∠IEO+θi。  (2.10)

[0131] A7)根据入射点位置的取值范围和方程(2.6)，采用二分法数值计算，获取入射点位置值。

[0132] 将入射点位置值带入(2.1)和(2.3)可求得DI和DP。

[0133] A8)根据入射点位置值获取阵元的延时。

[0134] 为第i个阵元中心I，发射声波传到P点所用的声时为，

[0135]

[0136] 那么第i个阵元的延时为，

[0137] Δti＝max(t)-ti+t0  (2.12)

[0138] 其中，

[0139] max(t)为ti中的最大值；

[0140] t0为延时设置中的初始延时，为一固定常数，可以令其为0。

[0141] 设P点位置为(30mm，30°)，各阵元的延时如表三所示。

[0142] 表三直射波检测时，各阵元的延时

[0143]

[0144]

[0145] 由见表三可见，在所列的参数系统下，各阵元辐射声波入射至楔块—工件界面的入射角在一较小范围内变化，其声透射率变化不大。

[0146] 经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法：

[0147] B1)构建缺陷检测模型，沿探头中心作横切面，具体如图4所示.

[0148] B2)定义横切面与管轴相交的点为原点O，建立极坐标系。

[0149] B3)楔块斜面的后端点B所在的位置为B(RB，θB)；楔块下表面的后端点A所在的位置为A(Rout，0)，Rout等于管外径。

[0150] B4)计算各阵元中心所在的位置(与步骤A4一样)。

[0151] B5)得到入射点位置的方程。

[0152] 定义第i个阵元激发的声波的入射点H所在的位置为H(Rout，θH)，入射角为βi；声聚焦点P′所在的位置为P′(RP′，θP′)；管内壁反射点F所在的位置为F(Rin，θF)，折射角为βr，Rin为管内径。

[0153] 在ΔIOH中，

[0154]

[0155] 根据正弦定理和HI，求出βi为，

[0156]

[0157] 在ΔFOH中，由余弦定理计算FH为，

[0158]

[0159] 由正弦定理得，

[0160]

[0161]

[0162] 利用Snell定律和公式(3.2)求解βr得，

[0163]

[0164]

[0165] 化简公式(3.5)可得，

[0166]

[0167] 在ΔFOH中，由正弦定理计算∠OFH为，

[0168]

[0169] 在ΔFOP′中，由正弦定理计算∠P′OF为，

[0170]

[0171] 联合公式(3.7)和(3.8)求解公式得，

[0172]

[0173] 在ΔFOP′中，由余弦定理计算P′F得，

[0174]

[0175] 将公式(3.3)和(3.10)代入(3.9)得，

[0176]

[0177] B6)获取入射点位置的取值范围。

[0178] 用直线连接I与P，直线与圆弧相交的点为K，K所在的位置为K(Rout，θK)，θH的取值范围在θi和θK之间，采用步骤A6中的方法计算θK。

[0179] B7)根据入射点位置的取值范围和方程，采用二分法数值计算，获取入射点位置值。

[0180] 将入射点位置值带入公式(3.1)、(3.3)和(3.10)可求得HI、HF和P′F。

[0181] B8)根据入射点位置值获取阵元的延时。

[0182] 为第i个阵元中心I，发射声波传到P′点所用的声时为，

[0183]

[0184] 那么第i个阵元的延时为，

[0185] Δti′＝max(t)′-ti′+t0  (3.13)

[0186] 其中，max(t)′为ti′中的最大值。

[0187] 设P′点位置为(34mm，45°)，各阵元的延时如表四所示。

[0188] 表三反射波检测时，各阵元的延时

[0189]

[0190]

[0191] 由见表四可见，在所列的参数系统下，各阵元辐射声波入射至楔块—工件界面的入射角在一较小范围内变化，其声透射率变化不大。

[0192] 上述的延时计算方法计算的延时可以形成较好的检测声束，能有效检测外径较小(一般小于159mm)的轴或管状工件，包括小径管对接焊缝中的横向缺陷，也可以用于该类工件中其它缺陷的补充检测，辅助缺陷定性。

[0193] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。