專利名稱：一種基于超聲tofd法的近表面缺陷定量化檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲波檢測領(lǐng)域，涉及一種基于超聲衍射時差法的近表面缺陷定量化檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
超聲衍射時差法，簡稱超聲TOFD(Time of Flight Diffraction)法，是一種基于接收缺陷端部的衍射信號對缺陷進行定位定量測量的無損檢測手段，適合于大厚度的焊縫結(jié)構(gòu)缺陷的檢測。采用超聲TOFD法存在著對近表面缺陷不敏感的技術(shù)問題。為了解決這一問題，論文1張銳等，超聲衍射一回波渡越時間方法焊縫裂紋原位定量無損估計，機械工程學報，2000，36(5)54～57提出了超聲TOFD和脈沖回波相結(jié)合的檢測方法，該項技術(shù)有效提高對近表缺陷的識別，但需要附加檢測設(shè)備。論文2Chi Dazhao et al，Background removal and welddefect detection based on energy distribution of image(基于能量分布的圖像背景去除和缺陷識別)China Welding，2007，16(1)14～18提出了一種基于信號及圖像處理的方法，通過濾除與近表面缺陷混疊的側(cè)向波，提取近表面缺陷信號并對其進行定量測量，該方法提高了近表面缺陷的辨識能力，但是當各測點信號中側(cè)向波時基抖動以及能量幅度變化較大時，該方法存在側(cè)向波抑制不完全或損傷近表面缺陷信號的問題。哈爾濱工業(yè)大學在2009年12月17日申請的、申請?zhí)枮?00910311663.4的發(fā)明專利申請《一種基于超聲TOFD的近表面缺陷識別方法》中公開的技術(shù)方案，在常規(guī)TOFD法的基礎(chǔ)上，提出了一種縱波二次底面反射法，該方法采用A、B、D三種掃描方式，并且不需采用輔助硬件設(shè)施，無需信號及圖像處理即可發(fā)現(xiàn)被檢測體中的近表面缺陷，因此該方法克服了常規(guī)TOFD法對近表面缺陷不易于識別的問題。為了獲取準確的缺陷橫向位置及埋藏深度位置，該方法一般需在缺陷上方檢測面做跨越焊縫的B掃描，在獲得的B掃描圖像上來判斷缺陷的準確位置。但是，B掃描圖像的獲取要在焊縫余高去除加工后才能進行，當存在焊縫余高的高度較大時，B掃描檢測的可達性差或不可達。而當焊縫的橫向尺寸小時，不滿足B掃描檢測所需的空間，因此缺陷在焊縫中的準確位置信息也很難獲取。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有采用B掃描實現(xiàn)缺陷定位的方法中，所述B掃描的過程受焊縫的高度和寬度的影響比較大，測量對象受限制的問題，提供一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測方法。該方法的具體步驟為 步驟一根據(jù)被檢測體的厚度h及兩個超聲波探頭發(fā)出的超聲波在被檢測體中的折射角度θ，調(diào)整兩個超聲波探頭之間的距離S，使S滿足S≈4×h×tgθ，并檢測系統(tǒng)的時間延遲t0； 步驟二在被檢測焊縫上標記xyz三維檢測坐標系，所述坐標系為直角坐標系，其中，z軸與被檢測焊縫的中心線相重合，x軸位于被檢測焊縫所在表面，并且待檢測的缺陷端部位于xy平面上；所述的兩個超聲波探頭位于x軸上，并且兩個超聲波探頭以原點為中心對稱，對被檢測體進行A掃描，獲取第一列A掃描信號，根據(jù)所述A掃描信號與步驟一獲得的時間延遲t0計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S1；然后以xy平面內(nèi)的兩個超聲波探頭的聲入射點A、B為橢圓的兩個焦點，以2a1＝S1作為橢圓的長軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負半軸的半橢圓的方程式； 步驟三保持一個超聲波探頭位置不動，將另一個超聲波探頭沿x軸移至B′處，然后再次對被檢測體進行A掃描，獲取第二列A掃描信號，根據(jù)所述A掃描信號與步驟一獲得的時間延遲t0計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S2，然后以xy平面內(nèi)的兩個超聲波探頭的聲入射點A、B′為橢圓的兩個焦點，以2s2＝S2作為橢圓的長軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負半軸的半橢圓的方程式； 步驟四將步驟二獲得的半橢圓的方程和步驟三獲得的半橢圓的方程進行聯(lián)立求解，獲得兩個半橢圓的交點坐標(x1、y1)，則缺陷端部D在焊縫中的橫向位置為x1，缺陷端部在焊縫中的埋藏深度為2h-|y1|。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出一種僅依據(jù)兩列A掃描信號的近表面缺陷準確定位方法，采用TOFD縱波二次底面反射的檢測方法，根據(jù)不同探頭位置處獲取的A掃描信號中缺陷波的傳播時間、探頭聲入射點和缺陷端部之間的幾何關(guān)系，準確的定位近表面缺陷端部在焊縫中的橫向位置及埋藏深度。
圖1為超聲TOFD縱波二次底面反射法的檢測聲路示意圖，其中1表示側(cè)向波的傳播路徑、2表示一次底面反射波的傳播路徑、3表示缺陷波的傳播路徑、4表示二次底面反射波的傳播路徑，5和6分別表示兩個超聲波探頭，圖2為A掃描獲得的信號波形圖，其中7表示側(cè)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；圖3為檢測系統(tǒng)時間延遲的示意圖，圖4為本發(fā)明方法的原理示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測方法，它的具體步驟為 步驟一根據(jù)被檢測體的厚度h及兩個超聲波探頭發(fā)出的超聲波在被檢測體中的折射角度θ，調(diào)整兩個超聲波探頭之間的距離S，使S滿足S≈4×h×tgθ，并檢測系統(tǒng)的時間延遲t0； 步驟二在被檢測焊縫上標記xyz三維檢測坐標系，所述坐標系為直角坐標系，其中，z軸與被檢測焊縫的中心線相重合，x軸位于被檢測焊縫所在表面，并且待檢測的缺陷端部D位于xy平面上；所述的兩個超聲波探頭位于x軸上，并且兩個超聲波探頭以原點O為中心對稱，對被檢測體進行A掃描，獲取第一列A掃描信號，根據(jù)所述A掃描信號與步驟一獲得的時間延遲t0計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S1；然后以xy平面內(nèi)的兩個超聲波探頭的聲入射點A、B為橢圓的兩個焦點，以2a1＝S1作為橢圓的長軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負半軸的半橢圓L1的方程式； 步驟三保持一個超聲波探頭5位置不動，將另一個超聲波探頭6沿x軸移至B′處，然后再次對被檢測體進行A掃描，獲取第二列A掃描信號，根據(jù)所述A掃描信號與步驟一獲得的時間延遲t0計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S2，然后以xy平面內(nèi)的兩個超聲波探頭的聲入射點A、B′為橢圓的兩個焦點，以2a2＝S2作為橢圓的長軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負半軸的半橢圓L2的方程式； 步驟四將步驟二獲得的半橢圓L1的方程和步驟三獲得的半橢圓L2的方程進行聯(lián)立求解，獲得兩個半橢圓的交點坐標(x1、y1)，則缺陷端部D在焊縫中的橫向位置為x1，缺陷端部D在焊縫中的埋藏深度為2h-|y1|。
本實施方式步驟二和步驟三所述的A掃描信號中包含四路聲波，第一路聲波為側(cè)向波，第二路為一次底面反射波，第三路為缺陷波，第四路為二次底面反射波，其中所述缺陷波和二次底面反射波的傳播路徑為“W”形。
本實施方式所述的缺陷波是指一個超聲波探頭發(fā)射出的縱波被檢測焊縫底面反射到達被檢測焊縫的缺陷端部D處并發(fā)生衍射后，再次經(jīng)被檢測焊縫底面反射后被另一個超聲波探頭接收的波。
本實施方式中步驟二所述的根據(jù)所述A掃描信號與步驟一獲得的時間延遲t0計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S1的方法為根據(jù)缺陷波的到達時間t1及缺陷波在被檢測焊縫中的聲速v，依據(jù)公式S1＝(t1-t0)×v獲得。
本實施方式中步驟三所述的根據(jù)所述A掃描信號與步驟一獲得的時間延遲t0計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S2的方法為根據(jù)缺陷波的到達時間t2及缺陷波在被檢測焊縫中的聲速v，并依據(jù)公式S2＝(t2-t0)×v獲得。
以下結(jié)合圖3和圖4并通過具體的參數(shù)說明本方法 根據(jù)被檢測體的厚度h及兩個超聲波探頭發(fā)出的超聲波在被檢測體中的折射角度θ，調(diào)整兩個超聲波探頭之間的距離S，并且S滿足S≈4×h×tgθ，并檢測系統(tǒng)的時間延遲t0；在被檢測焊縫上標記xyz檢測坐標系，結(jié)合圖4，z軸與被檢測焊縫的中心線相重合，x軸位于被檢測焊縫所在表面，并且待檢測的缺陷端部D位于xy平面上；沿z軸兩側(cè)對稱布置兩個超聲波探頭于x軸上，所述兩個超聲波探頭的聲入射點分別為A、B，開始A掃描，獲取第一列A掃描信號，根據(jù)讀取的缺陷波傳播時間t1及缺陷波在被檢測焊縫中的聲速v，并依據(jù)公式S1＝(t1-t0)×v，獲得缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S1，根據(jù)圖4所示可知，缺陷波的傳播路徑為從一個超聲波探頭5的聲入射點開始到另一個超聲波探頭6的聲入射點截止，路徑為A-E-D-F-B，則缺陷波的傳播距離為S1＝AE+ED+DF+FB，根據(jù)幾何計算的原理可知，分別將線段AE和BF向y軸負向延伸，相交于點D′，則S1＝AD′+D′B，然后以xy平面內(nèi)的兩個超聲波探頭的聲入射點A、B為橢圓的兩個焦點，以2a1＝S1為橢圓的長軸，以
為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的半橢圓L1的方程式； x2/a12+y2/b12＝1y＜0； 保持一個超聲波探頭5位置不動，將另一個超聲波探頭6沿x軸移動至B′處，再次開始A掃描，獲取第二列A掃描信號，并根據(jù)讀取缺陷波的傳播時間t2，根據(jù)公式S2＝(t2-t0)×v，獲得缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S2，根據(jù)圖4可知，缺陷波的傳播路徑為從一個超聲波探頭5的聲入射點開始到另一個超聲波探頭6的聲入射點截止，路徑為A-E-D-F′-B′，則缺陷波的傳播距離S1＝AE+ED+DF′+F′B′，根據(jù)幾何計算的原理可知，分別將線段AE和BF′向y軸負向延伸，相交于點D′，則S2＝AD′+DB′，然后以xy平面內(nèi)的兩個超聲波探頭的聲入射點A、B′為橢圓的兩個焦點，以2a2＝S2作為橢圓的長軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負半軸的半橢圓L2的方程式；(x-BB′/2)2/a22+y2/b22＝1y＜0， 聯(lián)立獲得的兩個半橢圓L1和L2的方程
求解獲得兩個半橢圓的交點D′的坐標(x1、y1)；根據(jù)上述兩次計算缺陷波的傳播距離的過程可知，兩個半橢圓的交點D′為缺陷端部D以被焊接物體底面為對稱面的鏡像對稱點，則所述交點D′的橫坐標x1即為缺陷端部D在焊縫中的橫向位置；而缺陷端部D在焊縫中的埋藏深度為2h-|y1|。
本實施方式以鋁合金板中人工缺陷作為檢測對象，在厚度為20.0mm的鋁合金板上布置探頭，兩探頭聲入射點間距為40.0mm，獲取A掃描信號。根據(jù)鋁合金中聲速6260m/s，經(jīng)過多次測量計算系統(tǒng)延遲為5.30us；在被檢測體上標定xyz坐標系，坐標系單位為mm。此時缺陷端部在xy坐標平面中的實際坐標為(-8.0，-1.87)。采用本發(fā)明的方法檢測缺陷端部的具體位置的過程為在z軸兩側(cè)對稱布置探頭，兩探頭入射點間距110.0mm。根據(jù)獲取A掃描信號中缺陷波的到達時刻為26.71us，計算得聲波在被檢測體中的傳播路程長度為134.0mm。確定xy坐標平面中，以兩個超聲波探頭的聲入射點(-55.0，0)和(55.0，0)為焦點的半橢圓L1的方程為 x2/a12+y2/b12＝1y＜0； 保持一個超聲波探頭5位置不變，將另一個超聲波探頭6移至位置點(65.0，0)處，此時兩探頭入射點間距120.0mm。獲取A掃描信號中缺陷波的到達時刻28.10us，計算獲得聲波在被檢測體中的傳播距離為142.7mm。確定坐標系中以兩個超聲波探頭聲入射點(-55.0，0)和(65.0，0)為焦點的半橢圓L2的方程為 (x-BB′/2)2/a22+y2/b22＝1y＜0； 聯(lián)立上述兩方程并求解得
其中x＝-7.8mm為缺陷在被檢測體中坐標系下的橫向位置，2h-|y|＝2.0mm為相應(yīng)的埋藏深度位置。
為了避免一次測量結(jié)果得不準確性，可經(jīng)過多次測量取平均值，獲得更為可靠的缺陷端部位置。
本實施方式所述的A掃描信號的獲取可采用美國物理聲學公司(PAC)生產(chǎn)的超聲C掃描系統(tǒng)中實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測方法，其特征是，它的實現(xiàn)方法為
步驟一根據(jù)被檢測體的厚度h及兩個超聲波探頭發(fā)出的超聲波在被檢測體中的折射角度θ，調(diào)整兩個超聲波探頭之間的距離S，使S滿足S≈4×h×tgθ，并檢測系統(tǒng)的時間延遲t0；
步驟二在被檢測焊縫上標記xyz三維檢測坐標系，所述坐標系為直角坐標系，其中，z軸與被檢測焊縫的中心線相重合，x軸位于被檢測焊縫所在表面，并且待檢測的缺陷端部(D)位于xy平面上；所述的兩個超聲波探頭位于x軸上，并且兩個超聲波探頭以原點(O)為中心對稱，對被檢測體進行A掃描，獲取第一列A掃描信號，根據(jù)所述A掃描信號與步驟一獲得的時間延遲t0計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S1；然后以xy平面內(nèi)的兩個超聲波探頭的聲入射點A、B為橢圓的兩個焦點，以2a1＝S1作為橢圓的長軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負半軸的半橢圓(L1)的方程式；
步驟三保持一個超聲波探頭(5)位置不動，將另一個超聲波探頭(6)沿x軸移至B′處，然后再次對被檢測體進行A掃描，獲取第二列A掃描信號，根據(jù)所述A掃描信號與步驟一獲得的時間延遲t0計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S2，然后以xy平面內(nèi)的兩個超聲波探頭的聲入射點A、B′為橢圓的兩個焦點，以2a2＝S2作為橢圓的長軸，以
作為橢圓的短軸，獲得位于xy平面的y軸負半軸的半橢圓(L2)的方程式；
步驟四將步驟二獲得的半橢圓(L1)的方程和步驟三獲得的半橢圓(L2)的方程進行聯(lián)立求解，獲得兩個半橢圓的交點坐標(x1、y1)，則缺陷端部(D)在焊縫中的橫向位置為x1，缺陷端部(D)在焊縫中的埋藏深度為2h-|y1|。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測方法，其特征在于，步驟二所述的計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S1的方法為根據(jù)缺陷波在被檢測焊縫中的傳播時間t1及缺陷波在被檢測焊縫中的聲速v，并依據(jù)公式S1＝(t1-t0)×v獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測方法，其特征在于，步驟三所述的計算缺陷波在被檢測焊縫中的傳播距離S2的方法為根據(jù)缺陷波在被檢測焊縫中的傳播時間t2及缺陷波在被檢測焊縫中的聲速v，并依據(jù)公式S2＝(t2-t0)×v獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測方法，其特征在于，缺陷波是指一個超聲波探頭發(fā)射出的縱波被檢測焊縫底面反射到達被檢測焊縫的缺陷端部(D)處并發(fā)生衍射后，再次經(jīng)被檢測焊縫底面反射后被另一個超聲波探頭接收的波。
全文摘要
一種基于超聲TOFD法的近表面缺陷定量化檢測方法，涉及超聲波檢測領(lǐng)域，解決現(xiàn)有采用B掃描實現(xiàn)缺陷定位的方法中，所述B掃描的過程受焊縫的高度和寬度的影響比較大，測量對象受限制的問題，本發(fā)明的具體方法為測定檢測系統(tǒng)的時間延遲；在被檢測體上標定三維檢測坐標系，然后布置兩探頭位置，并對焊縫進行A掃描，然后根據(jù)獲取的A掃描信號確定缺陷波在被檢測體中傳播的距離以及兩個超聲波探頭的聲入射點位置獲得一個半橢圓方程；移動其中一個超聲波探頭至新測點處，重復上述操作獲得另一個半橢圓方程；聯(lián)立兩半橢圓方程，獲得兩個半橢圓的交點坐標，根據(jù)所述交點坐標獲得缺陷端部的橫向及埋藏深度位置。本發(fā)明適用于超聲波檢測領(lǐng)域。
文檔編號G01N29/07GK101806777SQ201010115420
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月1日
發(fā)明者遲大釗, 剛鐵, 姚英學, 周安, 袁媛 申請人:哈爾濱工業(yè)大學