一种圆柱壳内壁涂层界面缺陷的超声检测扫描成像装置及其应用方法与流程

本发明属无损检测领域，涉及的是一种圆柱壳内壁涂层界面缺陷的超声检测扫描成像装置及其应用方法。

背景技术：

内壁涂层广泛应用于圆柱壳重要构件中，例如，电厂发电锅炉“四管”、汽车发动机缸体内壁、航空发动机热端部隔热层（热障涂层）等重要部件。由于这些关键零部件长期处于高温、磨损、冲刷、热震等工况下运行，常常导致涂层脱落、磨损严重、氧化腐蚀等现象。过早的零部件失效带来安全隐患，造成巨大的人员伤害和经济损失。所以掌握内壁涂层界面质量对关键部件安全性就显得尤为重要。

涂层界面质量评价一直是相关行业关注的重点。目前的检测方法主要包括两种，有损检测和无损检测。有损检测方法有拉伸试验、扫描电镜和x射线衍射分析等，这些对涂层界面质量的测试方法复杂，检测周期较长。而且对涂层材料进行破坏才能测定。无损检测方法是在不损坏被检对象的使用性能的前提下进行某些性能的测试的，测量精度高，检测迅速，成本较低，在材料表面改性层质量评价中有极大的应用潜力。其中，超声波无损检测是目前被广泛应用于涂层质量的检测与评价方法之一，但仅局限于涂层物理性能的测试，对于界面缺陷的检出还处于定性研究阶段，而且是涂层局部范围内特性的表征，不能够全面扫查。另外，还受到内孔涂层厚度薄、界面缺陷细小、圆周曲率等条件的制约，给超声检测带来了检测过程繁琐、缺陷检出率低等困难。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种快速、全面、无损的圆柱壳内壁涂层界面缺陷的超声扫描成像装置。

为解决上述技术问题本发明的技术方案为：

一种圆柱壳内壁涂层界面缺陷的超声检测扫描成像装置，包括机械传动部件、驱动部件、检测部件、电气控制部件，其特征在于：所述机械传动部件由滚珠丝杠、直线导轨、平移支架、立柱、横杆、位置调节杆、换能器固定架、安装槽、夹紧螺栓、推力轴承、夹紧手轮、锥形夹紧轮一、锥形夹紧轮二、轴承一、轴承二、轴承座一、轴承座二、中间轴、轴间联接器、尾端轴、轴承三、轴承四组成，所述驱动部件由旋转步进电机、平移步进电机、步进皮带一组成，所述检测部件由低频加振换能器、被测圆柱壳零件、高频超声换能器、信号线组成；所述电气控制部件由上位机、串行通讯模块、驱动控制模块、发射接收卡组成；

所述被测圆柱壳零件左端设置有锥形夹紧轮一，右端设置有锥形夹紧轮二，顶部设置有设置在换能器固定架里的高频超声换能器；所述锥形夹紧轮一尾端通过步进皮带一连接有旋转步进电机，中部外侧设置有轴承一、轴承二，所述轴承一、轴承二上设置有轴承座一；

所述锥形夹紧轮二尾部连接有推力轴承，所述推力轴承尾部连接有低频加振换能器，所述低频加振换能器尾部与中间轴的一端相连，所述的中间轴的另一端与轴间联接器的一端相连，所述轴间联接器的另一端与尾端轴的一端相连，所述尾端轴的另一端与夹紧手轮相连，所述中间轴、轴间联接器和尾端轴中部外侧设置有轴承三、轴承四，所述轴承三和轴承四上设置有轴承座二；

所述换能器固定架下端设置有安装槽和夹紧螺栓，上端设置有位置调节杆，所述位置调节杆活动固定在平移支架一端，所述平移支架另一端固定在立柱的上部，所述立柱底部活动固定在滚珠丝杠上，下部与横杆的一端固定连接，所述横杆的另一端活动固定在直线导轨上；所述滚珠丝杠的一端通过步进皮带二设置有平移步进电机；所述安装槽内部固定有高频超声换能器，外部设置有与发射接收卡相连的信号线；所述发射接收卡与上位机相连，所述上位机通过串行通讯模块与驱动控制模块相连。

所述驱动控制模块包括单片机、功率放大器、驱动器一、驱动器二组成，所述单片机一端通过串行通讯模块与上位机相连，另一端通过功率放大器与驱动器一和驱动器二相连，所述驱动器一与平移步进电机相连，所述驱动器二与旋转步进电机相连。

上述的超声检测扫描成像装置的应用方法，其特征在于：所述超声扫描成像装置的检测步骤如下：

步骤一：上位机通过发射接收卡向高频超声换能器传输超声脉冲波，当高频超声换能器发射的超声脉冲波到被测圆柱壳零件内部的涂层界面，同时低频加振换能器开始工作，使涂层内的微小缺陷在低频信号的作用下产生非线性响应状态，此时高频超声检测信号与低频加振信号耦合在一起；

步骤二：旋转步进电机驱动被测圆柱壳零件每旋转一步，高频超声换能器发射的高频信号到被测圆柱壳零件内表面，经界面反射后与低频加振信号产生的混合波，再由高频超声换能器接收，然后经发射接收卡最后存储到计算机，保存检测数据，完成了一个步长的检测工作；当旋转步进电机驱动被测圆柱壳零件旋转一周后旋转停止，通过平移步进电机驱动高频超声换能器在被测圆柱壳零件顶部作水平移动，移动一个步长距离后被测圆柱壳零件继续旋转，直到整个被测圆柱壳零件完成检测工作；

步骤三：利用非线性超声理论对高频超声换能器接收到的信号进行实时处理提取非线性系数，利用该系数成像涂层界面缺陷的位置和大小。

所述超声扫描成像装置的检测步骤如下：

步骤一：上位机通过发射接收卡向高频超声换能器传输超声脉冲波，当高频超声换能器发射的超声脉冲波到被测圆柱壳零件内部的涂层界面，同时低频加振换能器开始工作，使涂层内的微小缺陷在低频信号的作用下产生非线性响应状态，此时高频超声检测信号与低频加振信号耦合在一起；

步骤二：旋转步进电机驱动被测圆柱壳零件每旋转一步，高频超声换能器发射的高频信号到被测圆柱壳零件内表面，经界面反射后与低频加振信号产生的混合波，再由高频超声换能器接收，然后经发射接收卡最后存储到计算机，保存检测数据，完成了一个步长的检测工作；当旋转步进电机驱动被测圆柱壳零件旋转一周后旋转停止，通过平移步进电机驱动高频超声换能器在被测圆柱壳零件顶部作水平移动，移动一个步长距离后被测圆柱壳零件继续旋转，直到整个被测圆柱壳零件完成检测工作；

步骤三：利用非线性超声理论对高频超声换能器接收到的信号进行实时处理提取非线性系数，利用该系数成像涂层界面缺陷的位置和大小。

本发明所涉及的声学理论如下：

混合声场激励下非线性系数参量：

对于涂层材料，其缺陷的主要形式为基体与界面间间的粘接缺陷。粘接缺陷从其物理含义上可以分为两个方面：一是脱粘类缺陷,包括完全空气脱粘缺陷和机械贴合缺陷，它往往是小面积的局部的、不连贯的；二是强度类缺陷，它往往是大面积的、连贯成片的。非线性超声检测则是利用超声波在材料中传播时，介质或微小缺陷与其相互作用产生的非线性响应信号，进行材料性能的评估和微小缺陷的检测，本质上反映的是微小缺陷对材料非线性的影响。超声非线性响应信号包含了反映缺陷和材料属性的有用信息。由于缺陷所引起的介质不连续和不均匀在大幅度超声的作用下将表现出很强的非线性效应，非线性超声无损检测可以通过相应的测量方法获得有用的超声非线性响应信号，从中得到反映缺陷的信息。非线性声学参量的提取方式如下：

对于一维应力应变关系σ=eε-fε²，β=2f/e。因此一维非线弹性波动方程可以改写为：

(1)

下面分析一维非线弹性纵波方程的解。为了简化，后述部分将纵波波速cl均简写为c。

根据扰动理论，假设非线性波动方程(1)的解为：

(2)

式中u⁽¹⁾代表由于非线性引起的的位移。进一步假定该非线性位移与波传播的距离成正比，即有：

(3)

式中τ=t-x/c，而h(τ)为待定的未知系数。将式(2)代入到式(1)中，可得如下方程：

(4)

将上式整理并略去β的高次项后，有：

(5)

上式可以看成两个式子组成，一个不包含β项，线弹性波动方程：

(6)

另一个式子包含β，即

(7)

当非线性系数β为零时，式(5)变为线弹性波动方程。

超声波在非线性介质中传播时，会产生波的畸变，典型的现象在单一谐波激励下产生高次谐波。而当介质中同时存在两个不同频率声波形成的振动场时，介质非线性会以另外一种方式表现出来，即不同频率波之间的非线性调制。u⁽⁰⁾(x,t)=f1(t-x/c)和u⁽⁰⁾(x,t)=f2(t-x/c)均为方程(6)的解，根据线性叠加原理，u⁽⁰⁾(x,t)=f1(t-x/c)+f2(t-x/c)也是方程(6)的解。以两个不同频率余弦声波激励为例，不考虑声波衰减和初始相位差，设

(8)

式中a1和ω1分别为超声检测激励信号的频率和幅值；a2和ω2分别为泵波加振信号的频率和幅值，因此，ω1＞ω2。

(9)

式中，x为传播距离；β为超声非线性系数；k1，k2分别为超声检测检测信号和泵波加振信号的波数；因为k=ω/c0，c0为声速，所以，当单一谐波的频率固定时，k1，k2可以看作不变的量。从频率成分来看，上式中除了ω1，ω2的基波分量以外，还产生了2ω1，2ω2的二次谐波，以及ω1+ω2，ω1-ω2的调制混合波分量。因此，和单一谐波激励下的高次谐波滋生现象类似，调制现象可以看作是介质非线性在两个及两个以上振动场作用下的另一种表现形式。

如果能够从测量信号中提取各阶频率分量的幅值，非线性系数可以计算如下

(10)

由上式可知，只要知道ω1，ω2，2ω1，2ω2，ω1+ω2，ω1-ω2各频率的幅值，以及传播距离x就可以计算出非线性系数（k1，k2为已知数）。其中式(10a)的二阶谐波幅值随输入波的强度以及频率的二次方成正比，同时与波传播的距离成正比的关系。输入波的强度越大，频率越高，二阶谐波幅值也就越明显。但是输入波的幅度有限，必须采用较高的输入频率成为探测二阶谐波的常用手段。要求超声检测发射/接收设备具有较高的功率，这样增加了检测设备的成本。如果利用式（10b）和式（10c）求解非线性系数就需要基波和低频泵波共同入射产生的混合波的幅值，但可以大大降低检测设备的成本。本发明采用低频泵加振的目的就是增加基波与低频泵波产生混合波的幅值。泵波加振比大振幅和高频率波入射使二次谐波幅值的增加更有效，对缺陷的分辨率更高。非线性系数公式如下：

(11)

其中，a(ω1+ω2)是基波和泵波混合波的频率幅值；a(ω1)是基波的频率复幅值；a(ω2)是泵波的频率幅值；β是非线性系数；x为传播距离。

基于小波重构的非线性系数计算方法

小波函数是一个以1/2为中心的能量有限振动方程，离散小波变换其重构信号可以表示成：

(12)

这里cj,k为小波系数，ψj,k(t)是由小波ψ(t)扩胸、扩展和平移的小波族。

假设小波族{ψj，k(t),k∈z}是在wj空间的一组正交基。φ(t)是小波函数ψ(t)的尺度函数，而小波族{φj,k(t),k∈z}（φj,k(t)是通过φ(t)的扩展和平移获得）是vj空间的一组正交基。根据尺度和小波方程，可以产生一个低通滤波器和一个高通滤波器，它们的作用方程h(k)、g(k)分别定义为：

(13)

(14)

于是空间vj-1可以分解为一个子空间vj以及一个高频信息空间wj的和，wj则是空间vj-1和子空间vj的正交。而且有vj∈vj-1，则有：

(15)

于是，某一信号在空间vj-1上的正交分量可以当作是wj和vj的和。这里的wj和vj可以通过vj与低通或者高通滤波器的卷积而获得。其中，低通小波系数cj,k及高通小波系数dj,k分别用下式表示：

(16)

(17)

h(m-2k)和g(m-2k)是通过在系数h(k)和g(k)分别插入j-1个0的重构方程。

定义c^js(t)和d^js(t)分别为j尺度的低频和高频分解量。则它们可以表示为：

(18)

(19)

这样，对于某个信号s(t)的1尺度分解可以表示成：

(20)

s(t)的2尺度分解可以表示成：

(21)

s(t)的3尺度分解可以表示成

(22)

s(t)的j尺度分解，

(23)

合并式(20)—式(23)，j尺度分解后，s(t)表示成如下：

(24)

以上所论述的是小波分解重构的方法，其中，c、d下角标代表分解尺度，上角标代表频率由低到高所在的位置。由此可知：小波可以作为一个带通滤波器，去除无用的频率段，留下有用的频率段。提取超声波在涂层传播过程中产生非线性系数的前提是求解出基波与低频泵波的混合波幅值a(ω1+ω2)和基波的幅值a(ω1)。假设基波频率的范围在j尺度下m频带范围内，提取信号方法如下：

(25)

对信号r(t)做傅里叶变换，可以求解出基波与泵波的混合波幅值a(ω1+ω2)和基波幅值a(ω1)。然后对获取低频泵波信号采用频谱计算其幅值a(ω2)。最后，把已知的a(ω1+ω2)，a(ω1)，a(ω2)代入公式(11)就可以计算非线性系数。

本发明采用两台步进电机分别驱动圆柱壳零件旋转和超声换能器作平移，达到内壁涂层界面结合情况的完全成像。在扫描过程中低频泵波不断对圆柱壳零件加振，加振的目的是使涂层界面微小裂纹不断张开闭合，产生非线性效应；同时，高频超声换能器不断发射/接收超声信号，接收到的超声波在低频泵波的影响下发生非线性超声现象，通过提取非线性超声特征参量来检出涂层界面微小缺陷的形状和位置。本装置具备检测速度快、试验数据准确、设备操作简单，实用性强的优点，因此具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是超声扫描成像装置扫描成像方法的总体框图；

图2是超声扫描成像装置驱动控制模块的工作原理框图；

图3是超声扫描成像装置的结构图；

图4是图3超声扫描成像装置的的侧视图；

图5是检测后圆柱壳内壁涂层界面缺陷分布成像。

具体实施例

下面结合附图1-5和具体实施方式对本发明超声扫描成像装置的结构作进一步详细的说明：

一种圆柱壳内壁涂层界面缺陷的超声扫描成像装置，包括机械传动部件、驱动部件、检测部件、电气控制部件，其特征在于：所述机械传动部件由滚珠丝杠19、直线导轨21、平移支架17、立柱18、横杆20、位置调节杆16、换能器固定架4、安装槽14、夹紧螺栓15、推力轴承10、夹紧手轮13、锥形夹紧轮一2、锥形夹紧轮二3、轴承一7、轴承二8、轴承座一9、轴承座二12、中间轴25、轴间联接器26、尾端轴27、轴承三29、轴承四28组成，所述驱动部件由旋转步进电机6、平移步进电机22、步进皮带一5组成，所述检测部件由低频加振换能器11、被测圆柱壳零件1、高频超声换能器23、信号线24组成；所述电气控制部件由上位机、串行通讯模块、驱动控制模块、发射接收卡组成；

所述被测圆柱壳零件1左端紧固有锥形夹紧轮一2，右端紧固有锥形夹紧轮二3，顶部固定有换能器固定架4；所述锥形夹紧轮一2尾端通过步进皮带一5通过螺栓连接有旋转步进电机6，中部外侧卡接有轴承一7、轴承二8，所述轴承一7、轴承二8上通过螺栓固定有轴承座一9；

所述锥形夹紧轮二3尾部通过螺栓连接有推力轴承10，所述推力轴承10尾部通过螺栓连接有低频加振换能器11，所述低频加振换能器11尾部通过螺栓与中间轴25的一端相连，所述的中间轴25的另一端通过螺栓与轴间联接器26的一端相连，所述轴间联接器26的另一端通过螺栓与尾端轴27的一端相连，所述尾端轴27的另一端通过螺栓与夹紧手轮13相连，所述中间轴25、轴间联接器26和尾端轴27中部外侧卡接有轴承三29、轴承四28，所述轴承三29和轴承四28上通过螺栓固定有轴承座二12；

所述换能器固定架4下端通过螺钉固定有安装槽14和夹紧螺栓15，上端通过螺栓固定有位置调节杆16，所述位置调节杆16通过螺栓活动固定在平移支架17一端，所述平移支架17另一端通过螺栓固定在立柱18的上部，所述立柱18底部通过螺栓活动固定在滚珠丝杠19上，下部与横杆20的一端通过螺栓固定连接，所述横杆20的另一端通过螺栓活动固定在直线导轨21上；所述滚珠丝杠19的一端通过步进皮带二30采用螺栓固定有平移步进电机22；所述安装槽14内部卡接有高频超声换能器23，外部连接有与发射接收卡相连的信号线24；所述发射接收卡通过信号线与上位机相连，所述上位机通过信号线与串行通讯模块相连，所述串行通讯模块通过信号线与驱动控制模块相连。

所述驱动控制模块包括单片机、功率放大器、驱动器一、驱动器二组成，所述单片机一端通过信号线与串行通讯模块相连，另一端通过信号线与功率放大器相连，所述功率放大器通过信号线与驱动器一和驱动器二相连，所述驱动器一通过信号线与平移步进电机22相连，所述驱动器二通过信号线与旋转步进电机6相连。

现以检测实例进一步对本发明非线性系数的获得进行说明：

被测圆柱壳零件1基体为45钢；外表面车削至外径59mm，内径为45mm，长度150mm，内壁材料为al2o3+tio2等离子喷涂层涂层，涂层厚度约为450um。

开始检测时，首先调节高频超声换能器23与被测圆柱壳零件1的轴向位置，使换能器中心与被测零件涂层界面的轴向距离为40mm。超声检测装置为日本探头公司生产的非接触式超声检测发射接收卡，型号为jpr-10cn；选用低频加振换能器11作为泵波发射器，中心频率为0.2mhz；选用宽频带聚焦非接触超声换能器23，带宽为0.5mhz-1mhz，焦距为40mm，需要说的是公式（11）传播距离x即为焦距40mm；检测发射参数如下：频率为550khz，采样频率为25mhz，采样长度2k，功率为500w。被测圆柱壳零件1内壁界面圆周长143mm，旋转步进电机6的步进角度为1.5°，每工作一周发射240次脉冲，可以完成被测圆柱壳零件1一周的测量；被测圆柱壳零件1长度为150mm，平移步进电机22一次步进长度为0.6mm，共计发射250次脉冲，可以完成被测圆柱壳零件1长度方向上的测量。

通过高频超声换能器23经接收装置存储到计算机的超声信号需要做七层小波分解，信号频率被分成128个频带，频率范围从0到12.5mhz，频带间隔约100khz，等于低频泵波加振频率一半。设定低频泵波频率ω2为200khz，基波频率ω1为550khz时，基波与低频泵波的混合波ω1+ω2为750khz，选取ω2，ω1，ω1+ω2三个频段范围信号，频率范围分别为100khz-300khz，500khz-600khz和700khz-800khz。再利用所选择低频泵波频率ω2，基波频率ω1，基波与低频泵波的混合波频率ω1+ω2所在频率范围进行重构，计算重构信号的频率谱，可以获得低频泵波幅值a(ω2)、基波幅值a(ω1)和基波与低频泵波的混合波幅值a(ω1+ω2)。最后将a(ω2)，a(ω1)，a(ω1+ω2)，传播距离x参数代入到非线性系数的求解公式（11），计算非线性系数。图5的每个扫描的点代表了一个非线性系数值，给出了圆柱壳内壁涂层界面缺陷分布成像，该图为被测圆柱壳型涂层界面的二维展开形式，长度150mm，宽度143mm，扫描的点数围为240×250。图5中显示了涂层界面缺陷的位置，颜色越深代表完好区域，反之代表缺陷区域。

以上所述，仅为本发明型较佳的具体实施方式，但本发明型保护范围并不局限于此，根据本发明型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明型的保护范围之内。