一种轴对称工件类椭圆缺陷重构方法与流程

本发明属于轴对称工件缺陷检测方法技术领域，具体涉及一种轴对称工件类椭圆缺陷重构方法。该方法适合于气泡、夹杂等类椭圆形缺陷。

背景技术：

轴对称结构是材料加工、产品生产的主要结构，轴对称工件广泛应用于国防军工、航空航天、交通运输等领域，一般由金属或合金材料经温挤压或铸造工艺生产而成，在生产过程中容易产生微小气泡、夹杂等缺陷，在使用过程中由于高强度、高温高压、摩擦、交变载荷等原因容易在气泡、夹杂区域出现更大的裂纹、断裂等，影响产品正常、安全的使用。因此需要在生产过程中和产品使用前对其进行无损检测和评价。

超声波探伤方法具有指向性好、高灵敏度、性能稳定的特点，是金属和合金材料缺陷检测的常用方法，能够检测材料表面和内部的缺陷，对如何从众多的超声回波信号中提取缺陷信息，并对缺陷进行重构是该领域的难点。现有的方法主要有两种：基于逆时反演的方法和基于传播时间反演的方法。基于逆时反演的方法就是将超声回波的反褶信号加载在相应的阵元处，按照超声波的传播规律反演其声场，最终将所有阵元所形成的声场叠加，并经图像处理得到缺陷的形状或轮廓。该方法的关键问题在于传播规律的模型，目前主要有born近似法和伪谱法。这种方法要求所有或大部分阵元回波信号中都具有缺陷反射回波，但在实际检测过程中很难保证，如空心体的检测，只能在某一局部区域有缺陷回波信号，这种情况下很难得出最终的缺陷轮廓。基于传播时间反演的方法是根据单一回波提取缺陷特征信号，并根据特征信号的时间延时和超声波的传播速度，计算得出缺陷的边界位置，最终把所有的缺陷表面连接起来就得到缺陷的最终轮廓。这种方法能够初略地重构出缺陷形状，但很难准确地进行重构，主要原因是超声波传播存在扩散现象，偏离传播中心线的缺陷也可能会有反射回波，按照该方法进行缺陷重构时却把缺陷的边界确定到传播中心线上，会带来很大的误差。

本发明在传统基于传播时间反演方法的基础上，基于缺陷边界与超声波前圆弧相切的原理，以椭圆为模型对缺陷边界进行拟合。针对椭圆与超声波前弧线外切不易直接进行拟合的问题，本发明通过滑动窗口选择局部连续阵元所得的缺陷信息，采用圆弧近似椭圆弧线段的方法，求取椭圆拟合边界点，并最终实现椭圆的拟合。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有基于传播时间反演的轴对称工件缺陷检测重构方法存在重构误差大的技术问题，提供一种轴对称工件类椭圆缺陷重构方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种轴对称工件类椭圆缺陷重构方法，采用以下的步骤进行轴对称工件类椭圆缺陷的重构：

1)利用轴对称工件超声检测系统，按顺序采集轴对称工件每个位置的超声回波信号s_k(t)(k＝1,2,…,N)，利用幅值阈值方法识别缺陷反射回波，保留所有具有缺陷反射回波的超声信号s_k(t)和相应的超声波入射点A_k(x_k,y_k)；

2)提取并计算每个具有缺陷反射回波的超声信号s_k(t)表征的轴对称工件表面超声波入射点A_k(x_k,y_k)到缺陷表面超声波反射点的距离d_k，建立以A_k(x_k,y_k)为圆心，以d_k为半径的圆C_k；

3)将相邻k值的圆C_k归类成一组，k＝N和k＝1也算相邻，用下标i,j代替k 对圆C_k及其参数、方程重新进行编号，i,j表示第i组的第j个；

4)取出第i组缺陷数据，采用基于滑动窗两圆相切近似的椭圆边界点确定方法求取椭圆缺陷模型的边界点B_i,j(m_i,j,n_i,j)(j＝1,2,…,M_i)；

5)利用M_i个缺陷边界点B_i,j(m_i,j,n_i,j)拟合椭圆方程E_i，计算得出椭圆缺陷的中心坐标(x'_i,y'_i)、倾斜角θ_i，长半轴a_i和短半轴b_i，重构出缺陷；

6)对于所有的i，循环执行步骤4)-5)，完成所有组的缺陷重构；当重构出的缺陷E_i1与E_i2发生重合时，将数据B_i1,j(m_i1,j,n_i1,j)与B_i2,j(m_i2,j,n_i2,j)合并为一组B_i0,j(m_i0,j,n_i0,j)，重新执行步骤5)进行求解，重构出新的缺陷E_i0代替原有相重合的缺陷E_i1和E_i2。

所述步骤1)中采集超声回波信号时，超声波入射点均匀分布在轴对称工件检测截面的一周上，其中，N＝360，即轴对称工件旋转1°采集一个超声回波信号。

所述步骤2)中其中t_k,1为缺陷反射回波的时间轴位置，t_k,2为工件入射表面反射回波的时间轴位置，c为轴对称工件的声速。

所述步骤3)的分组过程中，当某一组的数据个数M_i＜9时，忽略该组数据。

所述步骤4)中基于滑动窗两圆相切近似的椭圆边界点确定方法求取椭圆模型的缺陷边界点的具体步骤如下：

1)取出第i组缺陷数据中相邻圆心的连续九个圆C_i,j(x_i,j,y_i,j,d_i,j)((j＝l,l+1,…,l+8；l＝1,2,…,M_i-8)，利用圆与圆相切的条件方程(u_i,l-x_i,j)²+(v_i,l-y_i,j)²＝(r_i,l+d_i,j)²，通过已知九个[x_i,j,y_i,j,d_i,j]，拟合出与上述九个圆C_i,j(j＝l,l+1,…,l+8)相外切，以O_i,l(u_i,l,v_i,l)为圆心，r_i,l为半径的圆；计算出连线A_i,j O_i,l与C_i,j(j＝l,l+1,…,l+8)的交点B_i,j,l；

2)依次取l＝1,2,…,M_i-8，循环执行步骤1)，得出所有的B_i,j,l，求取相同i,j的所有B_i,j,l在圆弧C_i,j上的中间点B_i,j(m_i,j,n_i,j)，B_i,j(m_i,j,n_i,j)即是用于椭圆缺陷拟合的边界点。

本发明采用以上技术方案，与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1)相对于基于逆时反演方法，更具有通用性和适用性；

2)在基于传播时间反演方法的基础上，考虑了超声传播过程的扩散现象，根据多阵元超声探头的波前弧线来重构缺陷，避免了在原理上引入的重构误差，采用该方法大大提高了重构精度；

3)对于气泡、夹杂以及圆柱形缺陷，采用椭圆形缺陷模型，可以根据局部的边界信息重构出完整的缺陷，重构精度高、方法简单、容易实现；

4)针对椭圆与超声波前弧线外切不易直接进行拟合的问题，本发明提出了基于滑动窗两圆相切近似的椭圆边界点确定方法，通过滑动窗口选择局部连续阵元所得的缺陷信息，采用圆弧近似椭圆弧线段，即简化了求解过程，提高了计算效率，又满足精度要求。

为表明本发明具有以上优点，(1)图13-15显示了实施例1中轴对称工件3种不同方法的缺陷重构结果，图中内部的小圆为缺陷的理想边界图；图13为本发明方法的重构结果，图14为传统的基于传播时间反演的重构结果，图15为基于k-wave伪谱法的重构结果；(2)将实施例2中的轴对称工件进行全部超声检测，采用体绘制方法得到整个轴对称工件缺陷检测的三维显示结果，并对比X射线检测结果，图19是轴对称工件按本发明方法重构的体绘制结果，图20是轴对称工件X射线检测结果图；(3)为了避免实际实验中各种因素带来的误差，无法准确衡量本发明算法的精度，实施例3采用有限元仿真软件进行理想缺陷仿真，根据仿真得到的数据进行重构，仿真检测对象包括实心体和空心体各一个，内部均包含有圆形缺陷和椭圆形缺陷各一个，图21是实心体的重构结果，图22是空心体的重构结果，表1是本发明方法重构出的缺陷参数与缺陷的理想参数。

附图说明

图1为本发明所使用的轴对称工件超声检测系统的结构示意图；

图2为本发明方法基于边界相切的原理示意图；

图3为本发明实施例1第1组缺陷数据的显示；

图4为本发明实施例1第2组缺陷数据的显示；

图5为本发明实施例1第3组缺陷数据的显示；

图6为本发明实施例1第4组缺陷数据的显示；

图7为本发明基于滑动窗两圆相切近似的边界点确定方法原理示意图；

图8为本发明取中间切点的原理示意图；

图9为本发明方法椭圆拟合重构示意图；

图10为本发明实施例1缺陷的计算边界点；

图11为本发明实施例1缺陷的首次重构结果；

图12为本发明实施例1缺陷的二次重构结果；

图13为本发明实施例1重构的最终结果；

图14为本发明实施例1采用传统基于时间延时反演的重构结果；

图15为本发明实施例1采用K-wave伪谱法的重构结果；

图16为本发明实施例2轴对称工件第3截面的重构结果；

图17为本发明实施例2轴对称工件第38截面的重构结果；

图18为本发明实施例2轴对称工件四个缺陷在不同界面的重构参数；

图19为本发明实施例2轴对称工件的体绘制结果；

图20为本发明实施例2轴对称工件的X射线检测结果；

图21为本发明实施例3实心体轴对称工件仿真数据的重构结果；

图22为本发明实施例3空心体轴对称工件仿真数据的重构结果。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例所使用的轴对称工件超声检测系统，包括轴对称工件旋转卡盘2、轴对称工件旋转电机3、“┚”型检测台支撑座4、超声探头前后移动电机5、超声探头前后移动导轨6、超声探头支撑架7、超声探头里外移动电机8、超声探头里外移动导轨9、超声探头上下移动电机13、超声探头上下移动导轨12、超声探头旋转电机10、超声探头11、超声发射接收卡14、工控机15、电机控制卡16及缺陷检测与处理软件，所述轴对称工件旋转电机3设在“┚”型检测台支撑座4竖档内侧的上部，轴对称工件旋转卡盘2安装在轴对称工件旋转电机3的转轴上，轴对称工件旋转卡盘2通过卡口卡住待检轴对称工件1，超声探头前后移动电机5设在“┚”型检测台支撑座4的底座上，超声探头前后移动导轨6设在“┚”型检测台支撑座4的底座上且与超声探头前后移动电机5的转轴连接，超声探头支撑架7安装在超声探头移动导轨6上，超声探头上下移动电机13设在超声探头支撑架7的顶端，超声探头上下移动导轨12设在超声探头支撑架7上且与超声探头上下移动电机13的转轴连接，超声探头里外移动电机8安装在超声探头上下移动导轨12上，超声探头里外移动导轨9水平安装在超声探头上下移动电机8的转轴上，超声探头旋转电机10安装在超声探头里外移动导轨9上，超声探头11安装在超声探头旋转电机10的转轴上，超声发射接收卡14和电机控制卡16插在工控机15上，并通过PCI总线相连；超声发射接收卡14通过数据线与超声探头11相连，电机控制卡16通过控制线与轴对称工件旋转电机3、超声探头前后移动电机5、超声探头上下移动电机13、超声探头里外移动电机8和超声探头旋转电机10相连；缺陷检测与处理软件安装在工控机9上。

本实施例中的一种轴对称工件类椭圆缺陷重构方法，采用以下的步骤进行轴对称工件类椭圆缺陷的重构：

1)利用轴对称工件超声检测系统，采集轴对称工件每个位置的超声回波信号s_k(t)(k＝1,2,…,N)，工控机15通过电机控制卡16发出指令控制超声探头前后移动电机5、超声探头前后移动导轨6、超声探头上下移动电机13、超声探头上下移动导轨12、超声探头里外移动电机13、超声探头里外移动导轨12、超声探头旋转电机10，移动超声探头支撑架7和超声探头11位于检测位置处，旋转超声探头11处于合适的检测角度，工控机15通过电机控制卡16发出指令控制轴对称工件旋转电机3和轴对称工件旋转卡盘2，带动待检轴对称工件1旋转，工控机15控制超声发射接收卡14和超声探头11采集超声信号，利用幅值阈值方法识别缺陷反射回波，保留所有具有缺陷反射回波的超声信号和相应的超声波入射点。本实施例中，超声探头采用中心频率为5MHz的直探头，轴对称工件为一铝圆柱体，直径为100mm，以中心为原点坐标在(25,0)和(0，-25)处各有一个直径为4mm的孔；检测时圆周方向步进角度Δθ＝1°，即在工件的表面一圈等间隔采集360个超声信号，超声信号的采样间隔为Δt＝0.02μs。

2)提取每个具有缺陷反射回波的超声信号s_k(t)中缺陷反射回波的时间轴位置t_k,1与工件入射表面反射回波的时间轴位置t_k,2，计算得到轴对称工件表面超声波入射点A_k(x_k,y_k)到缺陷表面超声波反射点的超声传播时间和距离d_k＝Δt_kc，其中c为轴对称工件的声速，本实施例中经测定为6320m/s，建立以A_k(x_k,y_k)为圆心，以d_k为半径的圆C_k。本实施例中有缺陷数据的k值为1～32,52～134，145～234，245～298，336～360。

3)将相邻k值的圆C_k归类成一组(k＝N和k＝1也算连续)，用下标i,j代替k对圆C_k及其参数、方程重新进行编号，i,j表示第i组的第j个，分组过程中当某一组的数据个数M_i＜9时，忽略该组数据，原理示意图见图2；本实施例的缺陷数据分为四组，且无数据个数M_i＜9的组，分组后A_i,j和C_i,j见图3-6。

4)取出第i组缺陷数据中相邻圆心的连续九个圆C_i,j(x_i,j,y_i,j,d_i,j)((j＝l,l+1,…,l+8；l＝1,2,…,M_i-8)，利用圆与圆相切的条件方程(u_i,l-x_i,j)²+(v_i,l-y_i,j)²＝(r_i,l+d_i,j)²，通过已知九个[x_i,j,y_i,j,d_i,j]，拟合出与上述九个圆C_i,j(j＝l,l+1,…,l+8)相外切，以O_i,l(u_i,l,v_i,l)为圆心，r_i,l为半径的圆；计算出连线A_i,j O_i,l与C_i,j(j＝l,l+1,…,l+8)的交点B_i,j,l，见图7；改变l得到所有的B_i,j,l，求取相同i,j的所有B_i,j,l在圆弧C_i,j上的中间点B_i,j(m_i,j,n_i,j)，见图8，B_i,j(m_i,j,n_i,j)即是用基于滑动窗的两圆相切近似的椭圆边界点确定方法求取椭圆缺陷模型的边界点B_i,j(m_i,j,n_i,j)(j＝1,2,…,M_i),本实施例所提取的边界点见图10；

5)利用M_i个缺陷边界点B_i,j(m_i,j,n_i,j)拟合椭圆方程E_i，计算得出椭圆缺陷的中心坐标(x'_i,y'_i)、倾斜角θ_i，长轴a_i和短轴b_i，重构出缺陷，原理示意图见图9；

6)对于所有的i，循环执行步骤4)-5)，完成所有组的缺陷重构；本实施例的四个缺陷重构结果见图11。当重构出的缺陷E_i1与E_i2发生重合时，将数据B_i1,j(m_i1,j,n_i1,j)与B_i2,j(m_i2,j,n_i2,j)合并为一组B_i0,j(m_i0,j,n_i0,j)，重新执行步骤5)进行求解，重构出新的缺陷E_i0代替原有相重合的缺陷E_i1和E_i2；本实施例中第1个缺陷与第3个缺陷重合，第2个缺陷与第4个缺陷重合，重新重构后的结果见图12，重构所得缺陷参数见表1中的前两行(实施例1)。图13-15是本发明方法与其它重构方法所得结果的比较，明显体现出本发明方法的优越性。

本实施例中，已知缺陷的尺寸是加工缺陷时期望的尺寸，实际加工的尺寸肯定与期望尺寸有误差，因此本例中重构的误差并不代表重构算法自身的误差。为了说明本发明方法的重构误差，后续的实施例3介绍了理想仿真数据的重构结果。

实施例2

本实施例中，数据的采集与实施例1一样，超声探头采用中心频率为5MHz的直探头，圆周方向步进角度Δθ＝1°，即在工件的表面一圈等间隔采集360个超声信号，超声信号的采样间隔为Δt＝0.02μs。轴对称工件为一铝合金弹体坯料，总长度为80mm，外观尺寸分三段：直径为58mm的细端、直径为70mm的粗端和过渡圆锥体，内部尺寸分三段：圆柱空心体、圆锥空心体和圆柱实心体，粗端圆柱空心体内部带有三个直径约1.5mm的孔状缺陷(图16、19、20中编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，其中一个为钻头断裂夹杂)，细端实心体内部带有一个直径约1.5mm的孔状缺陷(图17、19、20中编号为Ⅳ)。检测时，超声探头轴向上每移动2mm检测一个截面，从粗端1mm位置处开始检测到79mm处，共检测40个截面；

本实施例中共40个截面，对于所有的截面，循环执行实施例1中的步骤2)-6)，完成每个截面的缺陷数据的提取和缺陷重构。第1-4截面检测出三组缺陷数据，重构出三个缺陷，第3个截面的重构结果见图16；第5截面检测出两组缺陷数据，重构出两个缺陷；第36-40截面检测出两组缺陷数据，初次重构出两个具有重合区域的缺陷，合并数据后重新重构得到一个缺陷，第38截面的重构结果见图17；其余截面没有检测出缺陷数据；四个缺陷在各截面上的重构尺寸见图18,所有缺陷长半轴均值为1.02mm，短半轴均值为0.82mm。将所有截面的检测结果采用体绘制的方法三维显示出来，见图19，图20为该轴对称工件的X射线检测结果。

实施例3

由于实际缺陷尺寸无法准确评估，检测信号可能受其他因素的影响。为了说明本发明重构方法的普遍性和准确性，本发明按照实际的超声发射和接收原理，采用COMSOL仿真软件模拟超声的发射和采集，得到仿真回波信号模拟实施例1中步骤1)的过程进行数据仿真，仿真回波信号的时间步长为Δt＝0.1μs。本实施例针对两个轴对称工件分别进行重构。轴对称工件一是直径为100mm的实心铝圆柱体，以中心为原点坐标在(0，-25)处有一直径为10mm的孔，在(25,0)处有一个长轴为12mm，短轴为6mm，方向角为90°的椭圆孔；轴对称工件二是外径100mm，内径为60mm的空心铝圆柱体，以中心为原点坐标在(0，40)处有一直径为10mm的孔，在(-40,0)处有一个长轴为12mm，短轴为6mm，方向角为90°的椭圆孔。图21是实心圆柱体轴对称工件缺陷的重构结果，图22是空心圆柱体轴对称工件缺陷的重构结果。表1列出了缺陷的理论参数和缺陷重构后的参数。

表1数据重构缺陷的误差(单位：mm、°)