專利名稱：復雜曲面微缺陷的陣列超聲檢測技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及陣列超聲檢測技術，具體說是通過陣列超聲技術可實現一種快速化檢測復雜曲面內部< Imm微細小缺陷的超聲波檢測技術，可廣泛應用于航空、航天、武器、汽車、醫療等大批量生產具有復雜曲面構件的領域。
背景技術：
目前的檢測技術對具有復雜曲面結構構件的檢測效率不能適應自動化生產下的高速檢測的需求。主要表現在在檢測操作過程中，仍以人工觀察或單探頭手工或單探頭自動化檢測為主。在人工觀察情況下，不同檢測人員對同一缺陷檢測的結果往往存在較大差異，造成了人為因素影響大、誤檢率高、檢測效率低，漏檢等問題。在單探頭自動化檢測下， 對復雜曲面構件的檢測精度低、技術規范內微缺陷的檢出率達不到100%。以上情況給產品質量造成了很大影響。陣列超聲檢測技術是將陣列式探頭技術與傳統的超聲探傷原理相結合而發展起來的一種新型無損探傷技術。所述陣列超聲探傷技術與其他傳統超聲探傷相比，具有檢測效率高、缺陷分辨率高、漏檢率低、人為影響因素小等優點。陣列超聲檢測技術的基本原理是利用聲波在介質內的聲場與缺陷發生相互作用導致聲波的聲壓、相位、速度等參數發生相應變化的規律，通過對多個超聲換能器采用特定配置方式和控制方式對介質內的聲波進行激勵，并對相應的聲波參數按照相應的接收控制方式進行提取，然后把聲波參數轉換為特定的電信號送入計算機進行分析，實現對物體內部微孔洞、微裂紋、夾雜、夾渣等狀態的無損檢測。專利文獻1 (CN 101983334A)敘述了對無縫鋼管傾斜裂紋進行陣列超聲檢測的方法。這種方法在原有日本檢測無縫鋼管傾斜裂紋的基礎上提出了超聲裝置包含多個振子的超聲波探頭與管狀被探傷件相對配置的步驟、陣子沿規則的環狀曲面布置的方法以及超聲陣子激勵接收的方法。專利文獻2(CN 2675276Y)敘述了一種換能器，其輻射面為與構件安裝面相匹配的復雜曲面，解決了換能器與構件安裝面的接觸問題，但沒有提出如何檢測復雜曲面構件內部缺陷。經過專利檢索，并沒有發現任何涉及快速化檢測不規則的復雜曲面的陣列超聲檢測技術的專利。
發明內容
本發明的目的是解決不規則的復雜曲面構件內部微缺陷的檢測精度低、檢測效率低、漏檢等問題，實現對復雜曲面構件全方位、快速化、精確化檢測，達到快速判定復雜曲面構件內部缺陷的位置、方向、大小的目的。本發明的目的是這樣實現的對復雜曲面構件的上下表面同時設置換能器且不同曲率部分設置不同數量的換能器，通過計算機和相關電路對上述超聲換能器陣列進行特定
3的收發控制，實現對介質內的聲波的激勵和接收，接收的信息經信號處理電路傳輸給計算機進行處理，從而獲取內部缺陷深度、大小等信息。上述復雜曲面構件是指在構件上下兩面布置的傳感器都能夠接收到同面和異面布置的傳感器激發的超聲波信號的任何曲面構件。上述換能器陣列所包含的換能器數量根據所檢測構件的大小和陣列傳感器在所檢測構件上要達到的有效作用范圍而定。上述換能器的布置主要考慮曲面的曲率、曲面面積，使陣列傳感器有效作用范圍能夠覆蓋構件所要檢測的所有部位。如圖2所示，構件上換能器可以相互接收到鄰近換能器激發的超聲波，其作用范圍相交，無檢測盲區。而在實際應用中，換能器陣列的布置在保證有效作用范圍對構件需要檢測部位全覆蓋的前提下，盡可能減少換能器的數量。上述換能器輻射面可以是平面、曲面或復雜面。換能器與所檢測構件的復雜曲面可以直接接觸(若換能器輻射面與構件安裝面相匹配)，也可不接觸。由于所檢測曲面復雜，為使換能器與構件耦合良好，此檢測方法采用液浸法。上述換能器的型式、頻率、帶寬、晶片尺寸等規格參數選擇根據復雜曲面構件和所要檢測的主要缺陷類型而定。上述換能器在計算機或控制電路的控制下，相應的超聲換能器陣元激勵超聲波， 超聲波在曲面構件內部傳播并與微缺陷作用后，被某一或幾個特定換能器按某一規則實現接收，如圖3所示。基于上述目的和特征，本發明提出了曲面微缺陷陣列超聲檢測系統，其主要包括計算機控制與處理系統、信號收發控制部分、超聲信號激發部分、信號處理與緩存部分、換能器陣列五部分。計算機控制與處理系統通過預先編制的軟件對脈沖激勵周期、選通電路等進行設定，并對接收到的經過預先處理的超聲電信號進行處理和輸出；信號收發控制部分主要由信號收發控制電路以及選通電路構成，其接收計算機控制信號，在設定的時間間隔內完成換能器通道的開合以及激勵或接收超聲信號；超聲信號激發部分主要由脈沖發生器和相關電路組成，激勵和放大超聲檢測波形所需的電脈沖信號；信號處理與緩存部分主要完成弱電信號的放大、A/D轉換處理、批量信號的緩存；換能器陣列由多個超聲換能器組成，主要完成超聲波與電信號的相互轉換，具體是將脈沖激勵的電信號轉換成超聲信號或者將接收到的超聲信號轉換成信號處理與緩存部分接收的弱電信號。如圖4所示。與現有技術相比，本發明具有如下優點(1)本發明的復雜曲面微缺陷陣列超聲檢測技術，通過對換能器陣列布置的改變， 能獲得構件內部的大量信息，可實現對復雜曲面構件內部缺陷的位置、大小和方向的全方位檢測，有效提高檢測精度。(2)本發明采用計算機技術控制多探頭陣列快速提取復雜曲面構件內部信息，不僅可以實現對關鍵部位的有效檢測，而且能夠極大地提高檢測效率。(3)本發明根據所要檢測構件的幾何形態布置換能器陣列的形式，對批量和大批量生產的工件可達到一次布置多次使用，節約了大量人力和物力。(4)本發明的檢測系統分為五個部分，各部分相互聯系又各自獨立，可模塊化加工，便于實際推廣應用。結合以上優點，在采用陣列超聲檢測技術時，通過選擇合適的高頻率換能器、合理布置換能器位置，在計算機控制下快速提取構件內部缺陷的大量信息，可實現對復雜曲面構件內部< Imm微細小缺陷的全方位、高效率的檢測。
四
圖1表示復雜曲面構件上下表面同時設置換能器且不同曲率部分設置不同數量換能器的示意。圖2表示陣列傳感器作用范圍的剖面圖；圖中箭頭表示聲波可作用的范圍，1 8表示換能器；換能器2和換能器3激發超聲波，上下兩面安裝的換能器都可以接收到；同理，其他換能器激發的超聲波，也可以被所有的換能器接收。圖3表示陣列傳感器布置以及收發控制示意；圖中1 8表示換能器，A表示缺陷， 箭頭表示超聲波傳播方向。圖4表示陣列超聲檢測系統簡圖，包括計算機控制與處理系統、信號收發控制部分、超聲信號激發部分、信號處理與緩存部分、換能器陣列等部分。
五具體實施例方式本發明提出的復雜曲面微缺陷陣列超聲檢測技術的實施方式一般包括如下步驟(1)根據所檢測構件的材料性質、加工方法以及內部缺陷的主要特點(深度、位置等)，設定檢測信號波形；(2)根據所檢測構件的外形以及檢測精度要求，設定符合檢測要求的換能器陣列布置形式(主要是確定換能器布置的數量和位置)；(3)根據所選定的檢測信號波形選擇探頭型式，計算出相應的電激勵信號的激發模式、探頭的布置角度，利用該電激勵信號激勵超聲換能器生成需要的超聲信號并向待測的構件發射該超聲信號；(4)根據檢測信號波形、換能器收發模式要求，確定換能器的激勵和接收控制方式；(5)利用所有的超聲換能器接收具有步驟(1)中所設定波形及其轉換波形的攜帶待測構件內部信息的超聲檢測信號；(6)對所有的超聲換能器激勵和接收的數據采用多通道數據處理技術進行處理和表征，獲取構件內部缺陷的位置、大小和方向等信息。上述技術實施所述步驟(1)中，檢測信號波形設定為與檢測目的相匹配的波形 (一般用于微缺陷的位置、大小以及方向等信息識別情況下的超聲檢測)。上述技術實施所述步驟(3)中，換能器陣列的激勵和接收控制方式設定為一發一收或者一發多收。結合圖2和圖3，給出一個具體的實施方式。按步驟(1)所述，所要檢測構件為薄壁曲面鋁合金鍛件，要檢測內部裂紋，選定某一特定波形檢測。按步驟(2)所述，構件為曲面結構，要求檢測缺陷位置、深度、方向等信息，在構件上布置換能器(如圖2)，其作用范圍相交。
5
按步驟C3)所述，根據選定的波形，計算激勵的電信號、超聲波入射角等，設計合適的探頭。按步驟(4)和( 所述，在同一時段八個換能器中有且只有一個換能器激發特定超聲信號，經過一段時間延遲后，八個換能器依次接收與構件內部作用后的超聲信號。如圖 3，換能器2激發特定超聲波信號，與缺陷作用后，被反射同來的信號被換能器2接收；此時換能器7接收不到信號或者很弱的透射信號；而1、3、4、5、6、8可以接收到換能器2直接激發的信號。同理當換能器1、3、4、5、6、7、8在計算機控制下激發特定超聲波信號后，換能器 1 8也接收到不同特征的波信號。按步驟(6)所述，計算機接收到經信號處理與緩存部分傳過來的8X8組不同特征的數字信號，經過預先編制的處理程序進行處理和表征，可獲取構件內部缺陷的位置、大小和方向等信息。
權利要求
1.一種快速化檢測復雜曲面微缺陷的陣列超聲檢測技術，其特征在于對復雜曲面構件的上下表面同時設置換能器且不同曲率部分設置不同數量的換能器，采用計算機技術控制傳感器陣列快速提取復雜曲面構件內部超聲波信息。
2.根據權利要求1所述的復雜曲面構件，其特征在于曲面構件是指能夠使上下表面布置的傳感器接收到同面和異面布置的傳感器激發的超聲波信號的任何曲面構件。
3.根據權利要求1所述的換能器，其特征在于換能器輻射面根據構件的結構和曲面曲率等制作，保證傳感器陣列有效作用范圍能夠覆蓋構件所要檢測的區域，因此其輻射面可以是平面、曲面或不規則曲面。
4.根據權利要求1所述換能器，其特征在于每一個換能器均為收發兩用專用探頭，且在檢測同一批構件情況下，其相互之間能夠接收彼此的信號。
5.根據權利要求1所述的換能器在曲面構件上的布置方式，其特征在于換能器同時布置在所要檢測構件的上下表面；構件上下表面換能器的數量可相等也可不相等；在保證傳感器陣列有效作用范圍覆蓋構件所要檢測的區域前提下，合理布置換能器陣列，盡量減少換能器總數量。
6.根據權利要求1所述的換能器在曲面構件上的布置方式，其特征在于換能器與所檢測構件的復雜曲面可以直接接觸，也可不接觸，檢測方法采用液浸法。
7.根據權利要求1所述的計算機和相應電路控制多探頭陣列快速提取復雜曲面構件內部超聲波信息的方法，其特征在于在計算機和相應電路控制下，安裝的所有超聲換能器中在同一時刻有且只有一個換能器激勵發射超聲波；作為接收的超聲換能器的數量不限甚至包括激勵發射超聲波的換能器本身，以至于所有的換能器都可以作為接收對象。
8.根據權利要求1所述的計算機技術控制多探頭陣列快速提取復雜曲面構件內部超聲波信息的方法，其特征在于若超聲傳感器陣列換能器總數為N，其中一個超聲換能器以一定的時間間隔在設定的時段內激勵發射超聲波η (η < N)次，則η個超聲換能器在計算機控制下依次在相應的時間間隔內接收構件內部的超聲波信號；一定的時間間隔的長短應保證相鄰激發的超聲波在接收時不受或少受干涉。
9.根據權利要求1所述的計算機技術控制多探頭陣列快速提取復雜曲面構件內部超聲波信息的方法，其特征在于若超聲傳感器陣列換能器總數為N，其中一個超聲換能器在某一設定時刻激勵發射超聲波一次，η (η ( N)個超聲換能器在計算機控制下同時在預設的時段內接收超聲波信號。
全文摘要
本發明涉及一種快速化檢測復雜曲面構件內部微細小缺陷的陣列超聲檢測技術，可應用于航空、航天、武器、汽車、醫療等領域。本發明通過對復雜曲面構件的上下表面同時設置換能器且不同曲率部分設置不同數量換能器的方法，使超聲傳感器有效作用范圍覆蓋構件需要檢測的所有部位。采用計算機技術控制傳感器陣列快速提取復雜曲面構件內部信息，能夠極大地提高檢測效率，克服傳統單探頭掃描檢測效率低、采集信息量少的弊端，有效提高對復雜曲面構件內部缺陷的檢測精度。
文檔編號G01N29/04GK102426194SQ201110360389
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者劉釗, 周世圓, 孟凡武, 宋文濤, 徐春廣, 曹現東, 李喜朋, 潘勤學, 肖定國, 趙新玉, 郝娟 申請人:北京理工大學