专利名称：一种基于超声tofd法的近表面缺陷定量化检测方法
技术领域：
本发明属于超声波检测领域，涉及一种基于超声衍射时差法的近表面缺陷定量化检测技术。
背景技术：
超声衍射时差法，简称超声TOFD(Time of Flight Diffraction)法，是一种基于接收缺陷端部的衍射信号对缺陷进行定位定量测量的无损检测手段，适合于大厚度的焊缝结构缺陷的检测。采用超声TOFD法存在着对近表面缺陷不敏感的技术问题。为了解决这一问题，论文1张锐等，超声衍射一回波渡越时间方法焊缝裂纹原位定量无损估计，机械工程学报，2000，36(5)54～57提出了超声TOFD和脉冲回波相结合的检测方法，该项技术有效提高对近表缺陷的识别，但需要附加检测设备。论文2Chi Dazhao et al，Background removal and welddefect detection based on energy distribution of image(基于能量分布的图像背景去除和缺陷识别)China Welding，2007，16(1)14～18提出了一种基于信号及图像处理的方法，通过滤除与近表面缺陷混叠的侧向波，提取近表面缺陷信号并对其进行定量测量，该方法提高了近表面缺陷的辨识能力，但是当各测点信号中侧向波时基抖动以及能量幅度变化较大时，该方法存在侧向波抑制不完全或损伤近表面缺陷信号的问题。哈尔滨工业大学在2009年12月17日申请的、申请号为200910311663.4的发明专利申请《一种基于超声TOFD的近表面缺陷识别方法》中公开的技术方案，在常规TOFD法的基础上，提出了一种纵波二次底面反射法，该方法采用A、B、D三种扫描方式，并且不需采用辅助硬件设施，无需信号及图像处理即可发现被检测体中的近表面缺陷，因此该方法克服了常规TOFD法对近表面缺陷不易于识别的问题。为了获取准确的缺陷横向位置及埋藏深度位置，该方法一般需在缺陷上方检测面做跨越焊缝的B扫描，在获得的B扫描图像上来判断缺陷的准确位置。但是，B扫描图像的获取要在焊缝余高去除加工后才能进行，当存在焊缝余高的高度较大时，B扫描检测的可达性差或不可达。而当焊缝的横向尺寸小时，不满足B扫描检测所需的空间，因此缺陷在焊缝中的准确位置信息也很难获取。
发明内容
本发明为解决现有采用B扫描实现缺陷定位的方法中，所述B扫描的过程受焊缝的高度和宽度的影响比较大，测量对象受限制的问题，提供一种基于超声TOFD法的近表面缺陷定量化检测方法。该方法的具体步骤为 步骤一根据被检测体的厚度h及两个超声波探头发出的超声波在被检测体中的折射角度θ，调整两个超声波探头之间的距离S，使S满足S≈4×h×tgθ，并检测系统的时间延迟t0； 步骤二在被检测焊缝上标记xyz三维检测坐标系，所述坐标系为直角坐标系，其中，z轴与被检测焊缝的中心线相重合，x轴位于被检测焊缝所在表面，并且待检测的缺陷端部位于xy平面上；所述的两个超声波探头位于x轴上，并且两个超声波探头以原点为中心对称，对被检测体进行A扫描，获取第一列A扫描信号，根据所述A扫描信号与步骤一获得的时间延迟t0计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S1；然后以xy平面内的两个超声波探头的声入射点A、B为椭圆的两个焦点，以2a1＝S1作为椭圆的长轴，以
作为椭圆的短轴，获得位于xy平面的y轴负半轴的半椭圆的方程式； 步骤三保持一个超声波探头位置不动，将另一个超声波探头沿x轴移至B′处，然后再次对被检测体进行A扫描，获取第二列A扫描信号，根据所述A扫描信号与步骤一获得的时间延迟t0计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S2，然后以xy平面内的两个超声波探头的声入射点A、B′为椭圆的两个焦点，以2s2＝S2作为椭圆的长轴，以
作为椭圆的短轴，获得位于xy平面的y轴负半轴的半椭圆的方程式； 步骤四将步骤二获得的半椭圆的方程和步骤三获得的半椭圆的方程进行联立求解，获得两个半椭圆的交点坐标(x1、y1)，则缺陷端部D在焊缝中的横向位置为x1，缺陷端部在焊缝中的埋藏深度为2h-|y1|。
本发明的有益效果本发明提出一种仅依据两列A扫描信号的近表面缺陷准确定位方法，采用TOFD纵波二次底面反射的检测方法，根据不同探头位置处获取的A扫描信号中缺陷波的传播时间、探头声入射点和缺陷端部之间的几何关系，准确的定位近表面缺陷端部在焊缝中的横向位置及埋藏深度。
图1为超声TOFD纵波二次底面反射法的检测声路示意图，其中1表示侧向波的传播路径、2表示一次底面反射波的传播路径、3表示缺陷波的传播路径、4表示二次底面反射波的传播路径，5和6分别表示两个超声波探头，图2为A扫描获得的信号波形图，其中7表示侧向波、8表示一次底面反射波、9表示缺陷波、10表示二次底面反射波；图3为检测系统时间延迟的示意图，图4为本发明方法的原理示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于超声TOFD法的近表面缺陷定量化检测方法，它的具体步骤为 步骤一根据被检测体的厚度h及两个超声波探头发出的超声波在被检测体中的折射角度θ，调整两个超声波探头之间的距离S，使S满足S≈4×h×tgθ，并检测系统的时间延迟t0； 步骤二在被检测焊缝上标记xyz三维检测坐标系，所述坐标系为直角坐标系，其中，z轴与被检测焊缝的中心线相重合，x轴位于被检测焊缝所在表面，并且待检测的缺陷端部D位于xy平面上；所述的两个超声波探头位于x轴上，并且两个超声波探头以原点O为中心对称，对被检测体进行A扫描，获取第一列A扫描信号，根据所述A扫描信号与步骤一获得的时间延迟t0计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S1；然后以xy平面内的两个超声波探头的声入射点A、B为椭圆的两个焦点，以2a1＝S1作为椭圆的长轴，以
作为椭圆的短轴，获得位于xy平面的y轴负半轴的半椭圆L1的方程式； 步骤三保持一个超声波探头5位置不动，将另一个超声波探头6沿x轴移至B′处，然后再次对被检测体进行A扫描，获取第二列A扫描信号，根据所述A扫描信号与步骤一获得的时间延迟t0计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S2，然后以xy平面内的两个超声波探头的声入射点A、B′为椭圆的两个焦点，以2a2＝S2作为椭圆的长轴，以
作为椭圆的短轴，获得位于xy平面的y轴负半轴的半椭圆L2的方程式； 步骤四将步骤二获得的半椭圆L1的方程和步骤三获得的半椭圆L2的方程进行联立求解，获得两个半椭圆的交点坐标(x1、y1)，则缺陷端部D在焊缝中的横向位置为x1，缺陷端部D在焊缝中的埋藏深度为2h-|y1|。
本实施方式步骤二和步骤三所述的A扫描信号中包含四路声波，第一路声波为侧向波，第二路为一次底面反射波，第三路为缺陷波，第四路为二次底面反射波，其中所述缺陷波和二次底面反射波的传播路径为“W”形。
本实施方式所述的缺陷波是指一个超声波探头发射出的纵波被检测焊缝底面反射到达被检测焊缝的缺陷端部D处并发生衍射后，再次经被检测焊缝底面反射后被另一个超声波探头接收的波。
本实施方式中步骤二所述的根据所述A扫描信号与步骤一获得的时间延迟t0计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S1的方法为根据缺陷波的到达时间t1及缺陷波在被检测焊缝中的声速v，依据公式S1＝(t1-t0)×v获得。
本实施方式中步骤三所述的根据所述A扫描信号与步骤一获得的时间延迟t0计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S2的方法为根据缺陷波的到达时间t2及缺陷波在被检测焊缝中的声速v，并依据公式S2＝(t2-t0)×v获得。
以下结合图3和图4并通过具体的参数说明本方法 根据被检测体的厚度h及两个超声波探头发出的超声波在被检测体中的折射角度θ，调整两个超声波探头之间的距离S，并且S满足S≈4×h×tgθ，并检测系统的时间延迟t0；在被检测焊缝上标记xyz检测坐标系，结合图4，z轴与被检测焊缝的中心线相重合，x轴位于被检测焊缝所在表面，并且待检测的缺陷端部D位于xy平面上；沿z轴两侧对称布置两个超声波探头于x轴上，所述两个超声波探头的声入射点分别为A、B，开始A扫描，获取第一列A扫描信号，根据读取的缺陷波传播时间t1及缺陷波在被检测焊缝中的声速v，并依据公式S1＝(t1-t0)×v，获得缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S1，根据图4所示可知，缺陷波的传播路径为从一个超声波探头5的声入射点开始到另一个超声波探头6的声入射点截止，路径为A-E-D-F-B，则缺陷波的传播距离为S1＝AE+ED+DF+FB，根据几何计算的原理可知，分别将线段AE和BF向y轴负向延伸，相交于点D′，则S1＝AD′+D′B，然后以xy平面内的两个超声波探头的声入射点A、B为椭圆的两个焦点，以2a1＝S1为椭圆的长轴，以
为椭圆的短轴，获得位于xy平面的半椭圆L1的方程式； x2/a12+y2/b12＝1y＜0； 保持一个超声波探头5位置不动，将另一个超声波探头6沿x轴移动至B′处，再次开始A扫描，获取第二列A扫描信号，并根据读取缺陷波的传播时间t2，根据公式S2＝(t2-t0)×v，获得缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S2，根据图4可知，缺陷波的传播路径为从一个超声波探头5的声入射点开始到另一个超声波探头6的声入射点截止，路径为A-E-D-F′-B′，则缺陷波的传播距离S1＝AE+ED+DF′+F′B′，根据几何计算的原理可知，分别将线段AE和BF′向y轴负向延伸，相交于点D′，则S2＝AD′+DB′，然后以xy平面内的两个超声波探头的声入射点A、B′为椭圆的两个焦点，以2a2＝S2作为椭圆的长轴，以
作为椭圆的短轴，获得位于xy平面的y轴负半轴的半椭圆L2的方程式；(x-BB′/2)2/a22+y2/b22＝1y＜0， 联立获得的两个半椭圆L1和L2的方程
求解获得两个半椭圆的交点D′的坐标(x1、y1)；根据上述两次计算缺陷波的传播距离的过程可知，两个半椭圆的交点D′为缺陷端部D以被焊接物体底面为对称面的镜像对称点，则所述交点D′的横坐标x1即为缺陷端部D在焊缝中的横向位置；而缺陷端部D在焊缝中的埋藏深度为2h-|y1|。
本实施方式以铝合金板中人工缺陷作为检测对象，在厚度为20.0mm的铝合金板上布置探头，两探头声入射点间距为40.0mm，获取A扫描信号。根据铝合金中声速6260m/s，经过多次测量计算系统延迟为5.30us；在被检测体上标定xyz坐标系，坐标系单位为mm。此时缺陷端部在xy坐标平面中的实际坐标为(-8.0，-1.87)。采用本发明的方法检测缺陷端部的具体位置的过程为在z轴两侧对称布置探头，两探头入射点间距110.0mm。根据获取A扫描信号中缺陷波的到达时刻为26.71us，计算得声波在被检测体中的传播路程长度为134.0mm。确定xy坐标平面中，以两个超声波探头的声入射点(-55.0，0)和(55.0，0)为焦点的半椭圆L1的方程为 x2/a12+y2/b12＝1y＜0； 保持一个超声波探头5位置不变，将另一个超声波探头6移至位置点(65.0，0)处，此时两探头入射点间距120.0mm。获取A扫描信号中缺陷波的到达时刻28.10us，计算获得声波在被检测体中的传播距离为142.7mm。确定坐标系中以两个超声波探头声入射点(-55.0，0)和(65.0，0)为焦点的半椭圆L2的方程为 (x-BB′/2)2/a22+y2/b22＝1y＜0； 联立上述两方程并求解得
其中x＝-7.8mm为缺陷在被检测体中坐标系下的横向位置，2h-|y|＝2.0mm为相应的埋藏深度位置。
为了避免一次测量结果得不准确性，可经过多次测量取平均值，获得更为可靠的缺陷端部位置。
本实施方式所述的A扫描信号的获取可采用美国物理声学公司(PAC)生产的超声C扫描系统中实现。
权利要求
1.一种基于超声TOFD法的近表面缺陷定量化检测方法，其特征是，它的实现方法为
步骤一根据被检测体的厚度h及两个超声波探头发出的超声波在被检测体中的折射角度θ，调整两个超声波探头之间的距离S，使S满足S≈4×h×tgθ，并检测系统的时间延迟t0；
步骤二在被检测焊缝上标记xyz三维检测坐标系，所述坐标系为直角坐标系，其中，z轴与被检测焊缝的中心线相重合，x轴位于被检测焊缝所在表面，并且待检测的缺陷端部(D)位于xy平面上；所述的两个超声波探头位于x轴上，并且两个超声波探头以原点(O)为中心对称，对被检测体进行A扫描，获取第一列A扫描信号，根据所述A扫描信号与步骤一获得的时间延迟t0计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S1；然后以xy平面内的两个超声波探头的声入射点A、B为椭圆的两个焦点，以2a1＝S1作为椭圆的长轴，以
作为椭圆的短轴，获得位于xy平面的y轴负半轴的半椭圆(L1)的方程式；
步骤三保持一个超声波探头(5)位置不动，将另一个超声波探头(6)沿x轴移至B′处，然后再次对被检测体进行A扫描，获取第二列A扫描信号，根据所述A扫描信号与步骤一获得的时间延迟t0计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S2，然后以xy平面内的两个超声波探头的声入射点A、B′为椭圆的两个焦点，以2a2＝S2作为椭圆的长轴，以
作为椭圆的短轴，获得位于xy平面的y轴负半轴的半椭圆(L2)的方程式；
步骤四将步骤二获得的半椭圆(L1)的方程和步骤三获得的半椭圆(L2)的方程进行联立求解，获得两个半椭圆的交点坐标(x1、y1)，则缺陷端部(D)在焊缝中的横向位置为x1，缺陷端部(D)在焊缝中的埋藏深度为2h-|y1|。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声TOFD法的近表面缺陷定量化检测方法，其特征在于，步骤二所述的计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S1的方法为根据缺陷波在被检测焊缝中的传播时间t1及缺陷波在被检测焊缝中的声速v，并依据公式S1＝(t1-t0)×v获得。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声TOFD法的近表面缺陷定量化检测方法，其特征在于，步骤三所述的计算缺陷波在被检测焊缝中的传播距离S2的方法为根据缺陷波在被检测焊缝中的传播时间t2及缺陷波在被检测焊缝中的声速v，并依据公式S2＝(t2-t0)×v获得。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声TOFD法的近表面缺陷定量化检测方法，其特征在于，缺陷波是指一个超声波探头发射出的纵波被检测焊缝底面反射到达被检测焊缝的缺陷端部(D)处并发生衍射后，再次经被检测焊缝底面反射后被另一个超声波探头接收的波。
全文摘要
一种基于超声TOFD法的近表面缺陷定量化检测方法，涉及超声波检测领域，解决现有采用B扫描实现缺陷定位的方法中，所述B扫描的过程受焊缝的高度和宽度的影响比较大，测量对象受限制的问题，本发明的具体方法为测定检测系统的时间延迟；在被检测体上标定三维检测坐标系，然后布置两探头位置，并对焊缝进行A扫描，然后根据获取的A扫描信号确定缺陷波在被检测体中传播的距离以及两个超声波探头的声入射点位置获得一个半椭圆方程；移动其中一个超声波探头至新测点处，重复上述操作获得另一个半椭圆方程；联立两半椭圆方程，获得两个半椭圆的交点坐标，根据所述交点坐标获得缺陷端部的横向及埋藏深度位置。本发明适用于超声波检测领域。
文档编号G01N29/07GK101806777SQ201010115420
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月1日 优先权日2010年3月1日
发明者迟大钊, 刚铁, 姚英学, 周安, 袁媛 申请人:哈尔滨工业大学