Page 50 - 无损检测2024年第五期

姬升阳, 等:

在役螺栓超声三维成像监测数据的智能化分析方法

单一数字或者波形。随着相控阵超声技术的日趋成 先建立图像坐标系, 划分出待成像的聚焦点, 阵列探
熟, 以及阵列传感器技术、 全聚焦成像算法和人工智 头分别激活每个发射 - 接收组合并采集数据, 叠加数
能的发展, 在役螺栓的成像化监测成为可能 [ 5-7 ] , 文 据集内所有阵元发射 - 接收组合对应的声压值从而
章研发了一种在役螺栓三维成像相控阵超声全聚焦 获得该聚焦点的图像像素值, 依次计算每个聚焦点
监测系统, 并对该系统的基本原理和关键技术及其 的图像像素值即可得到缺陷成像图。
缺陷智能分析与评价方法进行了介绍。使用该系统
对螺栓试块的检测结果表明, 该系统可实现对在役
螺栓更全面、 更高精度的缺陷及服役状态监测。

1 基本原理
1.1 相控阵超声和全聚焦检测技术

相 控 阵 超 声 技 术 ( Phasedarra yultrasonic
testin gPAUT ) 利用包含多个阵元的阵列超声探头
,
进行超声波的控制和变换, 从而产生特定方向、 聚焦
图2 全聚焦成像原理示意
深度和波束形状的超声波束, 实现快速、 灵活、 高精
全聚焦成像的数据基础是全矩阵数据, 通过全
度和高可靠性的检测, 在航空航天、 汽车、 石油化工

矩阵采集( Fullmatrixca p ture , FMC ) 获取数据, 即

等行业得到了广泛应用, 可用于检测各种金属和非
依次激发阵列探头内的阵元, 接收回波信号, 进而获
金属材料及结构的内部缺陷。
相控阵超声检测原理如图1所示。相控阵探头 得所有发射 - 接收阵元组合的信号。
以第 i 个阵元为例, 对第i 个阵元设置单独激

由若干可独立控制的压电晶片组成, 在信号发射过
励, 其他阵元全部设置为接收, 所获得的一组回波信
程中, 仪器将阵元发射信号传入延时控制系统, 延时

j
控制系统将信号转换为高压电脉冲形式, 并利用计 号定义为 P i j , 其中i= 1 , 2 ,…, N ; = 1 , 2 ,…,
算单元控制各压电晶片的激发时序, 使超声波束的 N 。共获得 N×N 组数据, 如图3所示, 其中 N 为
波前同一时间到达待测工件中的某点, 完成发射过 阵列探头的阵元数。
程。探头发射的声束与工件中的缺陷作用并发生反
射, 反射回波信号到达各压电晶片的时间不同, 信号
合成系统需要通过不同接收法则对回波信号进行处
理, 将转换后的回波信号合成脉冲信号返回仪器。
控制检测声束在目标区域完成扫描并对接收到的信
号成像, 即完成一次相控阵超声检测。
图3 全矩阵采集示意
按照矩阵方
将全部的相控阵超声检测信号 P i j
式进行组织, 便可构成全矩阵数据作为全聚焦成像
的基础。全聚焦成像计算原理如图4所示, 以探头
阵元方向为x 轴, 超声信号传播方向为z 轴, 在待
测区域范围建立平面直角坐标系, 并将待测区域离
散成网格, 对于该区域内任意一个离散点F ( x , z ),
计算超声信号发射阵元从 T X x i 0 ) 发出, 到达 F
( ,

( ,)
图1 相控阵超声检测原理示意 ( x , z ) 点反射, 再回到R X x j 0 的时间Δt , 进而得
全聚焦检测技术是在相控阵系统的基础上实现 到该点的超声信号幅值, 即

(
了对成像质量的改进和成像方法的升级。其利用全 A i j| F ( x , z ) =P i j Δ t ) ( 1 )
矩阵采集技术得到 A 扫描信号矩阵, 将所有信号进 Δt 可表示为
行叠加合成直至聚焦到所需成像范围的每一个网格 ( x i-x ) z 2 ( x j -x ) z 2
2
2
+
+
Δt= + ( 2 )
点上, 全聚集成像原理示意如图2所示。成像时, 首 c c
2
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2024年 第46卷 第5期
无损检测