一种相控阵复合材料超声探伤仪控制系统及探伤方法与流程

本发明涉及超声检测的，具体为一种相控阵复合材料超声探伤仪控制系统及探伤方法。

背景技术：

1、超声波相控阵探伤仪是一种先进的无损检测设备，用于检测单一和复合材料内部的缺陷和结构问题。它利用超声波传播特性和相控阵技术，能够实现高分辨率的检测。相控阵超声波探伤是一种高精度、高效率的无损检测技术，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、石油化工等领域。相比传统的超声波探伤技术，相控阵超声波探伤具有更高的分辨率、更广的探测范围和更快的检测速度。相控阵超声波探伤的原理是利用超声波在材料中传播的特性，通过探头向被测物体发射超声波，然后接收反射回来的信号，根据信号的强度、时间和相位等信息，计算出被测物体内部的结构和缺陷情况。相控阵超声波探伤的探头由多个小型超声发射器和接收器组成，可以通过控制每个发射器和接收器的相位和幅度，实现对超声波的发射和接收方向的控制，从而实现对被测物体的全方位探测。相控阵超声波探伤的优点在于可以实现高精度的缺陷检测和成像，可以检测出微小的缺陷和结构变化，同时可以实现对被测物体的三维成像；相控阵超声波探伤的应用范围非常广泛，可以用于金属、非金属、复合材料等各种材料的检测和成像。在航空航天领域，和控阵超声波探伤可以用于飞机发动机叶片、涡轮盘、机身结构等部件的检测和维修；在汽车领域，可以用于发动机、变速箱、车架等部件的检测和质量控制；然而现有的超声波相控阵探伤仪内部探头的超声波发射器和接收器在执行探伤检测过程的辐射和接收超声波的幅度和相位都是按照固定规则执行，容易造成探伤对象的检测点出现检测精度低，甚至误检，不能保证探伤对象每个检测点得到多相位和多幅度全覆盖检测，也不能获取缺陷点的最佳探伤缺陷特征数据。

2、公开号为cn101839894a的中国发明专利公开了一种新型数字超声探伤系统和方法，采用基于多通道关联检测的系统和方法，可以降低实际探伤过程中耦合层变化对检测结果的影响，利用了底波/界面波和伤波之间的关系，通过监控底波修正缺陷波幅值与位置；通过监控界面波修正缺陷波的位置并剔除多次界面波形成的误报，可以有效降低耦合层变化对检测结果的影响，降低检测结果对检测人员的高依赖性，提高检测结果的准确性和可靠性，以上技术方案在探伤检测过程虽然通过修正缺陷波幅值和位置，提高检测精度，然而在检测过程对于每个探伤对象的检测点不能实现超声波发射器和接收器的多相位和多幅度全覆盖检测，也不能依据检测结果筛选出缺陷点的最佳探伤缺陷特征数据。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、为解决上述现有的超声波相控阵探伤仪内部探头的超声波发射器和接收器在执行探伤检测过程的辐射和接收超声波的幅度和相位都是按照固定规则执行，容易造成探伤对象的检测点出现检测精度低，甚至误检，不能保证探伤对象每个检测点得到多相位和多幅度全覆盖检测，也不能获取缺陷点的最佳探伤缺陷特征数据的问题，实现以上检测点多相位和多幅度全覆盖检测、智能筛选出最佳探伤缺陷特征、提高超声波检测精度的目的。

3、(二)技术方案

4、本发明通过以下技术方案予以实现：一种相控阵复合材料超声探伤仪探伤方法，所述方法包括如下步骤：

5、s1、采集探伤对象外形三维特征数据并进行预处理；

6、s2、依据预处理后的探伤对象外形三维特征数据在探伤对象表面有序建立超声波探伤仪探伤路径空间坐标，并生成超声波探伤路径坐标数据；

7、s3、依据所述超声波探伤路径坐标数据与探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据、探伤发射器辐射超声波幅度数据相互结合在探伤对象表面按照探伤路径坐标并有序调整探伤发射器和接收器动作相位，以及探伤发射器辐射幅度进行超声波探伤作业；

8、s4、采集超声波探伤作业中生成的超声波探伤接收器接收反射波幅度数据；

9、s5、调用所述超声波探伤接收器接收反射波幅度数据；

10、s6、依据超声波探伤接收器接收反射波幅度数据采用数据分析算法筛选出探伤对象不同探伤坐标对应的接收器接收的反射波幅度最大值，并将所述反射波幅度最大值构建为超声波探伤最佳缺陷特征数据；

11、s7、将所述超声波探伤路径坐标数据、超声波探伤最佳缺陷特征数据组合生成超声波探伤检测结果进行反馈输出。

12、优选的，所述采集探伤对象外形三维特征数据并进行预处理的操作步骤如下：

13、s11、通过三维激光扫描仪在线扫描生成探伤对象的外形三维并生成探伤对象外形三维特征数据a；

14、s12、采用sg滤波法对采集的探伤对象外形三维特征数据a进行数据降噪预处理并生成标准探伤对象外形三维特征数据a′。

15、优选的，所述依据预处理后的探伤对象外形三维特征数据在探伤对象表面有序建立超声波探伤仪探伤路径空间坐标，并生成超声波探伤路径坐标数据的操作步骤如下：

16、s21、获取标准探伤对象外形三维特征数据a′；

17、s22、依据标准探伤对象外形三维特征数据a′在探伤对象外形三维表面建立空间直角坐标系，有序水平等间距选定并计量超声波探伤位置对应的空间坐标并生成超声波探伤路径坐标数据集合b＝(b1,λ,bm,λ,bμ)，m＝1,2,3,λ,μ；其中bm＝(α,β,χ)表示第m个超声波探伤位置对应的空间坐标，μ表示超声波探伤位置编号的最大值，α、β、χ分别超声波探伤位置对应的空间坐标的横坐标、纵坐标、竖坐标。

18、优选的，所述依据所述超声波探伤路径坐标数据与探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据、探伤发射器辐射超声波幅度数据相互结合在探伤对象表面按照探伤路径坐标并有序调整探伤发射器和接收器动作相位，以及探伤发射器辐射幅度进行超声波探伤作业的操作步骤如下：

19、s31、建立探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据集合c＝(c1,λ,cn,λ,cν)，n＝1,2,3,λ,ν；其中cn表示第n个探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据，ν表示探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据数量的最大值，所述发射器辐射和接收器接收动作相位表示超声波探伤仪发射器辐射超声波和接收器接收反射波的角度；

20、建立探伤发射器辐射超声波幅度数据集合其中dp表示第p个探伤发射器辐射超声波幅度数据，表示探伤发射器辐射超声波幅度数据数量的最大值，所述超声波幅度表示超声波的能量大小，超声波幅度数值越大，则表示超声波的能量越大；

21、s32、按照超声波探伤路径坐标数据集合b中超声波探伤路径坐标数据b1至bμ有序对探伤对象表面进行超声波探伤检测，超声波探伤检测过程中从探伤位置b1至bμ中每个探伤位置都需要按照探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据集合c中探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据c1至cν有序同步调整超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位，与此同时每次完成调整探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据cn后还需按照探伤发射器辐射超声波幅度数据集合d中探伤发射器辐射超声波幅度数据d1至有序调整超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度。

22、优选的，所述采集超声波探伤作业中生成的超声波探伤接收器接收反射波幅度数据的操作步骤如下：

23、s41、采集s32步骤中有序按照超声波探伤路径坐标数据集合b、探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据集合c、探伤发射器辐射超声波幅度数据集合d执行超声波探伤检测过程中超声波探伤仪接收器接收的反射波幅度数据并建立超声波探伤接收器接收反射波幅度数据集合

24、

25、其中表示在探伤对象坐标位置为b1、超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位为c1、超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度为dp对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度；

26、表示在探伤对象坐标位置为b1、超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位为cn、超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度为dp对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度；

27、表示在探伤对象坐标位置为b1、超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位为cν、超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度为dp对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度；

28、表示在探伤对象坐标位置为bm、超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位为c1、超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度为dp对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度；

29、表示在探伤对象坐标位置为bm、超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位为cn、超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度为dp对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度；

30、表示在探伤对象坐标位置为bm、超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位为cν、超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度为dp对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度；

31、表示在探伤对象坐标位置为bμ、超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位为c1、超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度为dp对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度；

32、表示在探伤对象坐标位置为bμ、超声波探伤仪的发射器辐射超声波和接收器接收反射波的动作相位为cn、超声波探伤仪的探伤发射器辐射超声波的幅度为dp对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度。

33、优选的，所述调用所述超声波探伤接收器接收反射波幅度数据的操作步骤如下：

34、s51、调用超声波探伤接收器接收反射波幅度数据集合e。

35、优选的，所述依据超声波探伤接收器接收反射波幅度数据采用数据分析算法筛选出探伤对象不同探伤坐标对应的接收器接收的反射波幅度最大值，并将所述反射波幅度最大值构建为超声波探伤最佳缺陷特征数据的操作步骤如下：

36、s61、获取超声波探伤接收器接收反射波幅度数据集合e；

37、s62、采用数据分析算法按照超声波探伤路径坐标数据集合b中超声波探伤路径坐标数据b1至bμ有序从超声波探伤接收器接收反射波幅度数据集合e搜索出每个探伤对象探伤位置b1至bμ对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度的最大值并将其构建超声波探伤最佳缺陷特征数据集合其中表示探伤对象探伤位置空间坐标b1对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度的最大值；表示探伤对象探伤位置空间坐标bm对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度的最大值；表示探伤对象探伤位置空间坐标bμ对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度的最大值，所述数据分析算法搜索的超声波探伤接收器接收反射波幅度的最大值的操作步骤如下：

38、s621、初始化最大迭代次数t，种群大小q；

39、s622、初始化种群位置，反射波幅度搜索蝗虫群的位置移动为计算初始的个体适应度，并得到最优反射波幅度搜索蝗虫位置与适应度；其中表示反射波幅度搜索蝗虫个体i在μ维空间的位置，μ表示超声波探伤接收器接收反射波幅度数据集合e的变量维度，即反射波幅度搜索蝗虫群在超声波探伤接收器接收反射波幅度数据集合e中的空间维度，i，j表示反射波幅度搜索蝗虫个体编号，γμ，ημ分别表示变量的上限与下限，zμ表示最优的反射波幅度搜索蝗虫个体位置在超声波探伤接收器接收反射波幅度数据集合e中空间位置，表示反射波幅度搜索蝗虫个体j在μ维空间的位置，表示反射波幅度搜索蝗虫个体i在μ维空间的位置，γij表示两个反射波幅度搜索蝗虫i，j个体之间的欧式距离，w用于平衡算法的全局探索和局部开发的控制参数，函数ψ表示两个反射波幅度搜索蝗虫个体之间的交互力影响；

40、s623、开始循环并依据公式其中kmax，kmin分别表示递减区间的最大值与最小值，t表示当前的迭代次数，t表示最大迭代次数，更新w和ψ参数，w和ψ更新使得反射波幅度搜索蝗虫个体的位置更新，并检查判断越界；

41、s624、计算每个反射波幅度搜索蝗虫的适应度，更新到目前为止找到的最优个体位置与适应度，即在超声波探伤接收器接收反射波幅度数据集合e按照超声波探伤路径坐标数据集合b中超声波探伤路径坐标数据b1至bμ有序搜索出每个探伤对象探伤位置b1至bμ对应的超声波探伤接收器接收反射波幅度的最大值；

42、s625、重复执行s623和s624，直到满足最大迭代次数，输出每个探伤对象探伤位置b1至bμ对应的声波探伤接收器接收反射波幅度的最大值并构建生成超声波探伤最佳缺陷特征数据集合

43、优选的，所述超声波探伤路径坐标数据、超声波探伤最佳缺陷特征数据组合生成超声波探伤检测结果进行反馈输出的操作步骤如下：

44、s71、获取所述超声波探伤路径坐标数据集合b、所述超声波探伤最佳缺陷特征数据集合e′；

45、s72、将所述超声波探伤路径坐标数据集合b、所述超声波探伤最佳缺陷特征数据集合e'组合成为超声波探伤检测结果f＝[b，e']，将超声波探伤检测结果f通过显示屏反馈输出探伤对象的探伤结果。

46、一种实现所述相控阵复合材料超声探伤仪探伤方法的控制系统，所述系统包括超声波探伤位置建立模块、超声波探伤过程实施模块、超声波探伤结果分析模块；

47、所述超声波探伤位置建立模块包括探伤对象外形特征采集单元、探伤对象外形特征预处理单元、探伤路径轨迹建立单元；

48、所述探伤对象外形特征采集单元，通过三维激光扫描仪测量生成探伤对象外形三维特征数据；所述探伤对象外形特征预处理单元，对探伤对象外形三维特征数据进行降噪预处理；所述探伤路径轨迹建立单元，依据预处理后的探伤对象外形三维特征数据在探伤对象表面有序建立超声波探伤仪探伤路径空间坐标，并生成超声波探伤路径坐标数据；

49、所述超声波探伤过程实施模块包括探伤发射器和接收器的辐射及接收相位存储单元、探伤发射器的辐射幅度存储单元、超声波探伤检测执行单元、超声波探伤检测反射波幅度采集单元；

50、所述探伤发射器和接收器的辐射及接收相位存储单元，用于存储探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据；所述探伤发射器的辐射幅度存储单元，用于存储探伤发射器辐射超声波幅度数据；所述超声波探伤检测执行单元，依据所述超声波探伤路径坐标数据与探伤发射器辐射和接收器接收动作相位数据、探伤发射器辐射超声波幅度数据相互结合在探伤对象表面按照探伤路径坐标并有序调整探伤发射器和接收器动作相位，以及探伤发射器辐射幅度进行超声波探伤作业；所述超声波探伤检测反射波幅度采集单元，采集超声波探伤作业中生成的超声波探伤接收器接收反射波幅度数据；

51、所述超声波探伤结果分析模块包括超声波探伤检测反射波幅度调用单元、超声波探伤检测缺陷特征分析单元、超声波探伤对象检测结果输出单元；

52、所述超声波探伤检测反射波幅度调用单元，用于调用所述超声波探伤接收器接收反射波幅度数据；所述超声波探伤检测缺陷特征分析单元，依据超声波探伤接收器接收反射波幅度数据采用数据分析算法筛选出探伤对象不同探伤坐标对应的接收器接收的反射波幅度最大值，并将所述反射波幅度最大值构建为超声波探伤最佳缺陷特征数据；所述超声波探伤对象检测结果输出单元，将所述超声波探伤路径坐标数据、超声波探伤最佳缺陷特征数据组合生成超声波探伤检测结果并通过显示屏进行反馈输出探伤对象的探伤结果。

53、(三)有益效果

54、本发明提供了一种相控阵复合材料超声探伤仪控制系统及探伤方法。具备以下有益效果：

55、一、通过探伤对象外形特征采集单元和探伤对象外形特征预处理单元相互配合通过三维激光扫描仪在线精确测量出探伤对象的外形三维特征并使用sg滤波法降噪预处理，实现探伤对象探伤对象部位精确采集；探伤路径轨迹建立单元在探伤对象外形三维表面建立空间坐标系并科学构建出探伤部位的空间坐标形成超声波探伤路径，实现探伤对象探伤位置的精确控制，提高了相控阵超声波探伤仪的探伤效率。

56、二、通过探伤发射器和接收器的辐射及接收相位存储单元和探伤发射器的辐射幅度存储单元相互配合通过预设探伤发射器辐射和接收器接收动作相位和探伤发射器辐射超声波幅度，为探伤对象的同一探伤位置提供多相位和多幅度全方面检测提供数据支撑；超声波探伤检测执行单元和超声波探伤检测反射波幅度采集单元相互配合通过超声波探伤路径坐标与探伤发射器辐射和接收器接收动作相位、探伤发射器辐射超声波幅度相互结合实现超声波探伤过程的科学准确探伤作业以及高效准确采集探伤对象的所有超声波探伤检测的反射波幅度，提高了相控阵超声波探伤仪的探伤质量，减少超声波探伤误差。

57、三、通过超声波探伤检测缺陷特征分析单元和超声波探伤对象检测结果输出单元相互配合采用智能搜索算法对超声波探伤接收器接收反射波幅度进行智能识别出探伤对象不同探伤坐标对应的接收器接收的反射波幅度最大值并构建为超声波探伤最佳缺陷特征数据，从而实现探伤对象的探伤位置缺陷特征准确提取以及反馈输出，提高了相控阵超声波探伤仪的探伤准确性和可靠性。