“米”字形相控超声阵列检测三维工件裂纹的装置及方法与流程

本发明涉及工业超声无损检测技术中的三维工件内部裂纹的超声检测领域，特别一种“米”字形相控超声阵列检测三维工件裂纹的装置及方法。

背景技术：

当今工业的发展对材料的要求越来越高，相应地对材料的无损检测要求也越来越高，不仅要能检测出工件存在裂纹还要能判断出裂纹尺寸，甚至开口方向来评估裂纹对工件的破坏潜力，以及工件的使用寿命。常用的超声无损检测方法有：脉冲回波法，超声衍射时差法等。

超声衍射时差法自诞生以来以其精度高，操作容易等特点深受无损检测青睐。超声衍射时差法是一种依靠从待检试件内部结构(主要是指裂纹)的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测裂纹的方法，用于裂纹的检测、定量和定位。但是这种方法检测三维工件时效率很低，也无法得出工件内部裂纹方向。

脉冲回波法是传统的检测方法，原理简单，操作容易但精度不高。但是聚焦脉冲回波法检测技术精度较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：利用“米”字形相控超声阵列对三维工件的内部裂纹进行检测，实现裂纹的精确定位，同时能够判断裂纹位置与开口方向。

本发明采取的技术方案具体为：一种“米”字形相控超声阵列检测三维工件裂纹的装置，包括超声相控阵列和楔块；

所述楔块为平楔块；

所述超声相控阵列包括多个换能器阵元，多个换能器阵元呈“米”字形排列，组成4个等阵元的线性分支，并固定于楔块上表面上。

进一步的，本发明检测装置中，楔块周部边缘设置有吸声机构，可采用现有吸声材料制成，绕楔块周部边缘设置，可用于防止柱面反射声波干扰有用信号，提高检测精度。

优选的，楔块为扁圆柱体；“米”字形换能器阵列的中心位于楔块的中心位置。

更进一步的，本发明检测装置中，各线性分支分别由9个阵元组成，且所有线形性分支中位于中间的一个阵元为同一个阵元。

本发明还公开一种基于上述检测装置的“米”字形相控超声阵列检测三维工件裂纹的方法，包括以下步骤：

步骤一，将待测工件离散为点；

步骤二，利用“米”字形相控超声阵列的各线性分支，分别对待测工件进行相控扇形扫查，以初步获取待测工件中裂纹的位置和开口方向；

步骤三，获取待测工件中裂纹在与“米”字形相控超声阵列所在平面相平行的平面上的投影，选取所有阵元线性分支中与上述投影之间的平行度最大的阵元线性分支；

步骤四，利用所选取的阵元线性分支对离散后的裂纹中的各点进行相控聚焦，得到裂纹中各点的图像及其在裂纹中深度方向的位置信息，即完成裂纹定位。

本发明步骤一中，对待测工件进行离散时，根据工件的形状、尺寸选取不同离散方法，以长方体工件为例，设其一顶角为原点O，建立直角坐标系，使工件内部各点都有对应的坐标达到离散工件为点的目的。

优选的，本发明步骤三中，所述投影为待测工件中裂纹在工件底部所在平面上的投影。参考平面选择为待测工件底部，更方便相关分析。

进一步的，本发明步骤四中，对裂纹中的各点进行相控聚焦时，依次激励各阵元发射超声波信号，每次发射所有阵元接收回波信号。根据发射阵元、接收阵元与焦点位置得到声程和声时，进而得到缺陷信号被接收的时刻，以回波信号中该时刻的幅值作为像素值进而成像。

基于相控聚焦成像技术进行成像，成像法则为：

$I(x,z)=\left|{\mathrm{\Σh}}_{tx,rx}\left(\frac{\sqrt{{(x_{tx}-x)}^2+z^2}+\sqrt{{(x_{rx}-x)}^2+z^2}}{c}\right)\right|---\left(2\right)$

式中，h_tx,rx为对应发射-接收阵元的回波的信号幅值，x_tx为发射阵元坐标，x_rx为接收阵元坐标，c为工件内部声速，I为成像结果图中的像素值，x,z为聚焦点的横纵坐标。

本发明的有益效果为：通过“米”字形相控超声阵列，为待测工件内可能出现的各种方向的裂纹，提供合适的阵元线性分支。在进行检测时，首先确定工件内裂纹的大致位置和方向，然后选用合适的阵元线性分支对裂纹进行相控聚焦，进而形成工件内裂纹图像，可实现对工件内裂纹的精确定位，且定位速度得到提高。

附图说明

图1所示为本发明“米”字形相控超声阵列示意图；

图2所示为检测装置应用结构示意图；其中，1-楔块，2-换能器阵元，3-工件内部裂纹，4-工件内部裂纹在底面投影，5-相控阵聚焦点。

图3所示为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

参考图1和图2所示，本发明“米”字形相控超声阵列检测三维工件裂纹的装置，包括超声相控阵列和楔块；楔块为平楔块；超声相控阵列包括多个换能器阵元，多个换能器阵元呈“米”字形排列，组成4个等阵元的线性分支，并固定于楔块上表面上。

实施例

图1和图2所示的实施例中，楔块1为扁圆柱体，楔块1边缘设有吸声结构；“米”字形换能器阵列的中心位于楔块的中心位置。各线性分支分别由9个换能器阵元2组成，且所有线形性分支中位于中间的一个阵元为同一个阵元。

参考图3，本发明基于上述“米”字形相控超声阵列检测三维工件裂纹的装置的检测方法包括以下步骤：

步骤一，将待测工件离散为点；

步骤二，利用“米”字形相控超声阵列的各线性分支，分别对待测工件进行相控扇形扫查，以初步获取待测工件中裂纹的位置和开口方向；

步骤三，获取待测工件中裂纹在与“米”字形相控超声阵列所在平面相平行的平面上的投影，选取所有阵元线性分支中与上述投影之间的平行度最大的阵元线性分支；

步骤四，利用所选取的阵元线性分支对离散后的裂纹中的各点进行相控聚焦，得到裂纹中各点的图像及其在裂纹中深度方向的位置信息，即完成裂纹定位。

实施例

结合图2所示，上述步骤三中，所述投影为待测工件中裂纹3在工件底部平面上的投影4。参考平面选择为待测工件底部所在平面，更方便相关分析。

步骤一中，离散三维工件内部为点，“米”字形阵列的各线性分支分别对各自下部区域进行相控扇形扫查，各阵元延时计算法则为：

${\mathrm{\θ}}_s={\sin }^{-1}\left(\frac{c\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{d}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，θ_s为偏转角度，c为工件内部声速，d为阵元中心间距，Δt即偏转扫描时各阵元间的延时，对阵列阵元施以不同的延时，产生不同偏转角的波阵面，从而实现相控扇形扫查。相控扇形扫查为现有技术，与聚焦检测相比，相控扇形扫查速度快但精度较低，因此本发明利用其初步获取待测工件内部裂纹的大致位置和开口方向。

基于相控扇形扫查即可得到裂纹的大致位置，进而判断线性分支是否与裂纹平行。

确定裂纹于工件底面的投影与某阵列线性分支平行之后，基于相控聚焦技术，对该线性分支以下区域进行相控聚焦处理。该线性分支下部区域包含工件内部裂纹的所有信息，仅对该线性下部区域进行相控聚焦处理就可以得到详细的裂纹信息，简化复杂的三维为较简单的二维来处理，可以减少工作量，提高检测速度，保证检测的正确性。

步骤四中，对裂纹中的各点进行相控聚焦时，依次激励各阵元发射超声波信号，每次发射所有阵元接收回波信号。根据发射阵元、接收阵元与焦点位置得到声程和声时，进而得到缺陷信号被接收的时刻，以回波信号中该时刻的幅值作为像素值进而成像。

基于相控聚焦成像技术进行成像，成像法则为：

$I(x,z)=\left|{\mathrm{\Σh}}_{tx,rx}\left(\frac{\sqrt{{(x_{tx}-x)}^2+z^2}+\sqrt{{(x_{rx}-x)}^2+z^2}}{c}\right)\right|---\left(2\right)$

式中，h_tx,rx为对应发射-接收阵元的回波信号幅值，x_tx为发射阵元坐标，x_rx为接收阵元坐标，c为工件声速，I成像结果图中的像素值，x,z分别为聚焦点的横、纵坐标。将相关数据代入式(2)中即可获得裂纹坐标点(x,z)的像素值I，进而成像。

验证：获知工件内部裂纹的位置与开口方向后，取阵列中一位置合适的阵元，如阵列中间位置的阵元，向工件内部激励超声波，并自发自收，根据此阵元位置坐标和裂纹位置可以确定回波声时，若实际回波在预计的时刻到达则检测结果正确。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。