本发明涉及一种高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法，属于无损检测领域。检测装置包括错位阵列超声探头、X向运动装置、超声采集卡、电机控制卡和工业计算机，错位阵列超声探头与超声采集卡和工业计算机相连，对各超声振元进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；X向运动装置并与电机控制卡和工业计算机相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探头的运动驱动和位置信息采集；错位阵列超声探头安装在X向运动装置上，并在X向运动装置的驱动下实现X向运动。检测方法将错位阵列超声探头与X向运动装置组合，通过机械扫查和电子扫查相结合，最终实现工件内部连接状态的高效率、高分辨率、低成本的超声B/C扫描检测。
1.一种利用高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置实现的高分辨率错位阵列超声B扫描检测方法，其特征在于：检测装置包括错位阵列超声探头（5）、X向运动装置（4）、超声采集卡（2）、电机控制卡（3）和工业计算机（1），所述错位阵列超声探头（5）通过数据线与超声采集卡（2）和工业计算机（1）相连，对各超声振元（6）进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；所述X向运动装置（4）采用电机作为内置驱动，并通过数据线与电机控制卡（3）和工业计算机（1）相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探头（5）的运动驱动和位置信息采集；所述错位阵列超声探头（5）安装在X向运动装置（4）上，并在X向运动装置（4）的驱动下实现X向运动；所述错位阵列超声探头（5）内置行数为s、列数为n的超声振元（6），超声振元（6）的Y向间距为hu，每两列超声振元之间存在尺寸为a的Y向偏移；
步骤一、设计错位阵列超声探头（5），包含以下子步骤：
1.1确定超声振元（6）的X向尺寸L和Y向尺寸h；
根据超声振元（6）的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：hu ＞ h
1.2根据待测区域（7）的宽度w确定所有超声振元（6）的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元（6）的行数s，其确定方法为：Hy ≥ w
1.3根据超声B扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元（6）的列数n，其确定方法为：n ≥ Hy / Cy * s
1.4根据超声振元（6）的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元的错位距离a，其确定方法为：
步骤二、采用错位阵列超声探头（5）进行超声B扫描检测，包含以下子步骤：
2.1 将错位阵列超声探头（5）放置在待测区域（7）表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域（7）；
2.2工业计算机（1）通过电机控制卡（3）驱动X向运动装置（4），带动错位阵列超声探头（5）在X向移动，使第1列超声振元（6）的中心位置处于待测截面B‑B上；
2.3 工业计算机（1）通过超声采集卡（2）控制错位阵列超声探头（5）的第1列超声振元（6）在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P11、P12、……、P1s；
2.4 工业计算机（1）通过电机控制卡（3）驱动X向运动装置（4），带动错位阵列超声探头（5）在X向移动距离L，使下一列超声振元（6）的中心位置处于待测截面B‑B上；
2.5 重复步骤2.3‑2.4，直至错位阵列超声探头（5）移出待测区域（7）；
2.6 工业计算机（1）将所有检测数据按P11 、P21、……、Pn1、 P12、P22、……、Pn2、……、 P1s、P2s、……、Pns排列，并形成超声B扫描图像。
2.一种利用高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置实现的高分辨率错位阵列超声C扫描检测方法，其特征在于：检测装置包括错位阵列超声探头（5）、X向运动装置（4）、超声采集卡（2）、电机控制卡（3）和工业计算机（1），所述错位阵列超声探头（5）通过数据线与超声采集卡（2）和工业计算机（1）相连，对各超声振元（6）进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；所述X向运动装置（4）采用电机作为内置驱动，并通过数据线与电机控制卡（3）和工业计算机（1）相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探头（5）的运动驱动和位置信息采集；所述错位阵列超声探头（5）安装在X向运动装置（4）上，并在X向运动装置（4）的驱动下实现X向运动；所述错位阵列超声探头（5）内置行数为s、列数为n的超声振元（6），超声振元（6）的Y向间距为hu，每两列超声振元之间存在尺寸为a的Y向偏移；
步骤一、设计错位阵列超声探头（5），包含以下子步骤：
1.1确定超声振元（6）的X向尺寸L和Y向尺寸h；
1.2根据超声振元（6）的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：hu ＞ h
1.3根据待测区域（7）的宽度w确定所有超声振元（6）的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元（6）的行数s，其确定方法为：Hy ≥ w
1.4根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元（6）的列数n，其确定方法为：n ≥ Hy / Cy * s
1.5根据超声振元（6）的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元（6）的错位距离a，其确定方法为：
步骤二、采用错位阵列超声探头（5）进行超声C扫描检测，包含以下子步骤：
2.1 将错位阵列超声探头（5）放置在待测区域（7）表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域；
2.2 在X向移动错位阵列超声探头（5），使错位阵列超声探头（5）移动至待测区域（7）起始点；
2.3 根据超声C扫描检测的X向分辨率Cx，工业计算机（1）通过电机控制卡（3）驱动X向运动装置（4），带动错位阵列超声探头（5）在X向移动Cx距离；
2.4 工业计算机（1）通过超声采集卡（2）控制错位阵列超声探头（5）的每个超声振元（6）在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P111、P121、……、Pns1；
2.5 重复步骤2.3‑2.4，直至错位阵列超声探头（5）移出待测区域（7）；
2.6 工业计算机（1）将所有检测数据按P111……Pn11、 P121……Pn21、……、 P1s1……Pns1；P112……Pn12、 P122……Pn22、……、 P1s2……Pns2；……；P11x……Pn1x、 P12x……Pn2x、……、 P1sx……Pnsx排列，形成超声C扫描图像。
高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无损检测领域，特别涉及一种高分辨率超声波B/C扫描检测技术，尤指一种高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法。可应用于汽车、轨道客车、航空航天、
制药装备等技术领域。
背景技术
[0002] 超声B扫描和C扫描检测是常见的工件内部状态无损检测的方法。常见的超声B/C扫描检测方法有三种，一种是采用机械装置驱动单点式超声探头在工件表面进行扫查运
动，当扫查路径为一条直线时，其扫查数据可以形成超声B扫描检测结果；当扫查路径覆盖
工件表面时，其扫查数据可以形成超声C扫描检测结果。当机械装置的步进点设置得非常密
集时，这种检测方法具有较高的检测精度和较低的检测速度；而当步进点设置稀疏时，则可
以实现较高的检测速度和较低的检测精度。因此，其检测精度和检测速度难以兼顾。
[0003] 第二种超声B/C扫描检测方法是采用面阵式探头覆盖工件表面进行检测，当采用面阵探头的其中一列超声振元进行检测时，其回波数据可以形成超声B扫描检测结果；当采
用面阵探头的多列超声振元进行检测时，其回波数据可以形成超声C扫描检测结果。该方法
可以实现高效的超声B/C扫描检测，但是，由于超声振元的物理尺寸限制，其检测精度难以
提升。
[0004] 第三种超声B/C扫描检测方法是采用相控阵探头覆盖在工件表面，采用相控阵技术控制超声探头中的多个超声阵元收/发超声信号，实现超声束的物理聚焦。该方法同时具
有较高的检测精度和检测速度，但是，由于相控阵控制方法的复杂性，对超声控制卡及信号
处理方法要求极高，使相控阵设备的成本较为昂贵，限制了该技术的广泛使用。因此，如何
进行快速、高精度、低成本的超声B/C扫描，成为了目前超声检测领域急需解决的问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对现阶段超声B/C扫描检测所采用的机械扫查式、
阵列探头式等超声波检测方法的局限性，将错位排列阵列探头与单向步进电机集成在一
起，通过机械扫查和电子扫查相结合，最终实现工件内部状态的高效率、高分辨率超声波成
像。
[0006] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置，包括错位阵列超声探头5、X向运动装置4、超声采集卡2、电机控制卡3和工业计算机1，所述错位阵列超声探头5通过数据线与超声
采集卡2和工业计算机1相连，对各超声振元6进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号
处理；所述X向运动装置4采用电机作为内置驱动，并通过数据线与电机控制卡3和工业计算
机1相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探头5的运动驱动和位置信息
采集；所述错位阵列超声探头5安装在X向运动装置4上，并在X向运动装置4的驱动下实现X
向运动。
[0008] 所述错位阵列超声探头5内置行数为s、列数为n的超声振元6，超声振元6的Y向间距为hu，每两列超声振元之间存在尺寸为a的Y向偏移。
[0009] 本发明的另一目的在于提供一种高分辨率错位阵列超声B扫描检测方法，包含如下步骤：
[0010] 步骤一、设计错位阵列超声探头5，包含以下子步骤：
[0011] 1.1确定超声振元6的X向尺寸L和Y向尺寸h；
[0012] 根据超声振元6的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：
[0013] hu ＞ h
[0014] 1.2根据待测区域7的宽度w确定所有超声振元6的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元6的行数s，其确定方法为：
[0015] Hy ≥ w
[0016] s ≥ Hy / hu
[0017] 其中s为整数；
[0018] 1.3根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元6的列数n，其确定方法为：
[0019] n ≥ Hy / Cy * s
[0020] 其中n为整数；
[0021] 1.4根据超声振元6的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元的错位距离a，其确定方法为：
[0022] a = hu / n
[0023] 步骤二、采用错位阵列超声探头5进行超声B扫描检测，包含以下子步骤：
[0024] 2.1 将错位阵列超声探头5放置在待测区域7表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域7；
[0025] 2.2工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动，使第1列超声振元6的中心位置处于待测截面B‑B上；
[0026] 2.3 工业计算机1通过超声采集卡2控制错位阵列超声探头5的第1列超声振元6在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P11、P12、……、P1s；
[0027] 2.4 工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动距离L，使下一列超声振元6的中心位置处于待测截面B‑B上；
[0028] 2.5 重复步骤2.3‑2.4，直至错位阵列超声探头5移出待测区域7；
[0029] 2.6 工业计算机1将所有检测数据按P11 、P21、……、Pn1、 P12、P22、……、Pn2、……、 P1s、P2s、……、Pns排列，并形成超声B扫描图像。
[0030] 本发明的又一目的在于提供一种高分辨率错位阵列超声C扫描检测方法，包含如下步骤：
[0031] 步骤一、设计错位阵列超声探头5，包含以下子步骤：
[0032] 1.1确定超声振元6的X向尺寸L和Y向尺寸h；
[0033] 1.2根据超声振元6的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：
[0034] hu ＞ h
[0035] 1.3根据待测区域7的宽度w确定所有超声振元6的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元6的行数s，其确定方法为：
[0036] Hy ≥ w
[0037] s ≥ Hy / hu
[0038] 其中s为整数；
[0039] 1.4根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元6的列数n，其确定方法为：
[0040] n ≥ Hy / Cy * s
[0041] 其中n为整数；
[0042] 1.5根据超声振元6的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元6的错位距离a，其确定方法为：
[0043] a = hu / n
[0044] 步骤二、采用错位阵列超声探头5进行超声C扫描检测，包含以下子步骤：
[0045] 2.1 将错位阵列超声探头5放置在待测区域7表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域；
[0046] 2.2 在X向移动错位阵列超声探头5，使错位阵列超声探头5移动至待测区域7起始点；
[0047] 2.3 根据超声C扫描检测的X向分辨率Cx，工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动Cx距离；
[0048] 2.4 工业计算机1通过超声采集卡2控制错位阵列超声探头5的每个超声振元6在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P111、P121、……、P1s1；
[0049] 2.5 重复步骤2.3‑2.4，直至错位阵列超声探头5移出待测区域7；
[0050] 2.6 工业计算机1将所有检测数据按P111……Pn11、 P121……Pn21、……、 P1s1……Pns1；P112……Pn12、 P122……Pn22、……、 P1s2……Pns2；……；P11x……Pn1x、
P12x……Pn2x、……、 P1sx……Pnsx排列，形成超声C扫描图像。
[0051] 本发明的有益效果在于：本发明解决了X‑Y向扫查装置检测速度低、面阵式扫查精度难以提升的问题，将机械扫查和电子扫查相结合，实现工件内部连接状态的高效率、高分
辨率超声波成像。
附图说明
[0052] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0053] 图1为本发明的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置的结构示意图；
[0054] 图2为本发明的错位阵列超声探头阵元布置示意图；
[0055] 图3为本发明的高分辨率错位阵列超声B扫描检测方法示意图；
[0056] 图4为本发明的高分辨率错位阵列超声C扫描检测方法示意图；
[0057] 图5为轮状水浸的高分辨率错位阵列超声B/C扫描装置示意图。
[0058] 图中：1、工业计算机；2、超声采集卡；3、电机控制卡；4、X向运动装置；5、错位阵列超声探头；6、超声振元；7、待测区域；8、水浸轮。
具体实施方式
[0059] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
[0060] 参见图1，本发明的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置及方法，针对现阶段超声波B/C扫描检测领域所采用的机械扫查式、阵列探头式等超声波检测方法的局限性，将
错位阵列超声探头与X向运动装置组合，通过机械扫查和电子扫查相结合，最终实现工件内
部连接状态的高效率、高分辨率、低成本的超声B/C扫描检测。
[0061] 参见图1及图2所示，本发明的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置，其基本扫查原理为：在错位阵列超声探头5内部，将多列超声波振元6错位排列，组成面阵。检测时，将
错位阵列超声探头覆盖在待测区域7表面，并进行X向的步进式运动，即可实现在工件表面
的高精度覆盖式扫查。
[0062] 参见图1所示，本发明的高分辨率错位阵列超声B/C扫描检测装置，包括错位阵列超声探头5、X向运动装置4、超声采集卡2、电机控制卡3和工业计算机1，所述错位阵列超声
探头5安装在X向运动装置4上，并在X向运动装置4的驱动下实现X向运动。所述错位阵列超
声探头5通过数据线与超声采集卡2和工业计算机1相连，对各超声振元6进行激励，实现超
声信号的发射/接收及信号处理；所述X向运动装置4采用电机作为内置驱动，并通过数据线
与电机控制卡3和工业计算机1相连，对电机运动进行控制和反馈，实现对错位阵列超声探
头5的运动驱动和位置信息采集。
[0063] 参见图2所示，所述错位阵列超声探头5内置行数为s、列数为n的超声振元6，超声振元6的Y向间距为hu，每两列超声振元之间存在尺寸为a的Y向偏移。
[0064] 参见图3所示，本发明的高分辨率错位阵列超声B扫描检测方法，其检测流程及检测步骤如下：
[0065] 步骤一、设计错位阵列超声探头5，包含以下子步骤：
[0066] 1.1确定超声振元6的X向尺寸L和Y向尺寸h；
[0067] 根据超声振元6的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：
[0068] hu ＞ h
[0069] 1.2根据待测区域7的宽度w确定所有超声振元6的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元6的行数s，其确定方法为：
[0070] Hy ≥ w
[0071] s ≥ Hy / hu
[0072] 其中s为整数；
[0073] 1.3根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元6的列数n，其确定方法为：
[0074] n ≥ Hy / Cy * s
[0075] 其中n为整数；
[0076] 1.4根据超声振元6的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元的错位距离a，其确定方法为：
[0077] a = hu / n
[0078] 步骤二、采用错位阵列超声探头5进行超声B扫描检测，包含以下子步骤：
[0079] 2.1 将错位阵列超声探头5放置在待测区域7表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域7；
[0080] 2.2工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动，使第1列超声振元6的中心位置处于待测截面B‑B上；
[0081] 2.3 工业计算机1通过超声采集卡2控制错位阵列超声探头5的第1列超声振元6在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P11、P12、……、P1s；
[0082] 2.4 工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动距离L，使下一列超声振元6的中心位置处于待测截面B‑B上；
[0083] 2.5 重复步骤2.3‑2.4，直至错位阵列超声探头5移出待测区域7；
[0084] 2.6 工业计算机1将所有检测数据按P11 、P21、……、Pn1、 P12、P22、……、Pn2、……、 P1s、P2s、……、Pns排列，并进行处理，形成超声B扫描图像。
[0085] 参见图4所示，本发明的高分辨率错位阵列超声C扫描检测方法，其检测流程及检测步骤如下：
[0086] 步骤一、设计错位阵列超声探头5，包含以下子步骤：
[0087] 1.1确定超声振元6的X向尺寸L和Y向尺寸h；
[0088] 1.2根据超声振元6的Y向尺寸h确定超声振元间距hu，其确定方法为：
[0089] hu ＞ h
[0090] 1.3根据待测区域7的宽度w确定所有超声振元6的Y向总体尺寸Hy，并确定超声振元6的行数s，其确定方法为：
[0091] Hy ≥ w
[0092] s ≥ Hy / hu
[0093] 其中s为整数；
[0094] 1.4根据超声C扫描检测的Y向分辨率Cy确定超声振元6的列数n，其确定方法为：
[0095] n ≥ Hy / Cy * s
[0096] 其中n为整数；
[0097] 1.5根据超声振元6的列数n及Y向尺寸hu确定每两列超声振元6的错位距离a，其确定方法为：
[0098] a = hu / n
[0099] 步骤二、采用错位阵列超声探头5进行超声C扫描检测，包含以下子步骤：
[0100] 2.1 将错位阵列超声探头5放置在待测区域7表面，并在Y向上完全覆盖住待测区域；
[0101] 2.2 在X向移动错位阵列超声探头5，使错位阵列超声探头5移动至待测区域7起始点；
[0102] 2.3 根据超声C扫描检测的X向分辨率Cx，工业计算机1通过电机控制卡3驱动X向运动装置4，带动错位阵列超声探头5在X向移动Cx距离；
[0103] 2.4 工业计算机1通过超声采集卡2控制错位阵列超声探头5的每个超声振元6在当前位置发射/接收超声A回波信号，得到检测数据P111、P121、……、P1s1；
[0104] 2.5 重复步骤2.3‑2.4，直至错位阵列超声探头5移出待测区域7；
[0105] 2.6 工业计算机（1）将所有检测数据按P111……Pn11、 P121……Pn21、……、 P1s1……Pns1；P112……Pn12、 P122……Pn22、……、 P1s2……Pns2；……；P11x……Pn1x、
P12x……Pn2x、……、 P1sx……Pnsx排列，形成超声C扫描图像。
[0106] 参见图5所示，为本发明的另一实施例：轮状水浸的高分辨率错位阵列超声B/C扫描装置示意图，由水浸轮8、错位阵列超声探头5、X向运动装置4、超声采集卡2、电机控制卡3
和工业计算机1组成。其中，错位阵列超声探头5内置在水浸轮8内，并与水浸轮8一同安装在
X向运动装置4上，在X向运动装置4的驱动下实现错位阵列超声探头5进行X向运动，水浸轮8
在工件表面滚动前进；错位阵列超声探头5通过数据线与超声采集卡2和工业计算机1相连，
对各超声振元6进行激励，实现超声信号的发射/接收及信号处理；X向运动装置4采用电机
作为内置驱动，并通过数据线与电机控制卡3和工业计算机1相连，对电机运动进行控制和
反馈，实现对超声探头的运动驱动和位置信息采集。
[0107] 以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，
均应包含在本发明的保护范围之内。
