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原文传递一种工件表面开口斜缺陷高度和倾斜角的测量方法

专利名称：	一种工件表面开口斜缺陷高度和倾斜角的测量方法
摘要：	本发明公开了一种工件表面开口斜缺陷高度和倾斜角的测量方法，包括楔形块、相控阵超声换能器和校准试块，所述相控阵超声换能器安装于所述楔形块的斜面上，在对应试块上测量人工缺陷的回波高度进行距离增益曲线和角度增益曲线的校准，然后采用超声扇形扫描检测缺陷，利用扇形扫描图像中尖端衍射回波（D波）和底部反射回波（R波）的折射角度和回波时间，计算缺陷的高度和倾斜角。本发明解决了传统绝对声时法只能测量下表面垂直开口缺陷,不能测量倾斜缺陷及上表面缺陷的问题，可以从单侧进行缺陷定量，检测受耦合影响较小，可用于定量缺陷尺寸。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	河海大学常州校区
发明人：	姜学平;殷澄;贾静;韩庆邦
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-01T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910585053.7
公开号：	CN110208384A
代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：	丁涛
分类号：	G01N29/06(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	213022 江苏省常州市新北区晋陵北路200号
主权项：	1.一种工件表面开口斜缺陷高度和倾斜角的测量方法，采用的测量装置包括楔形块、相控阵超声换能器和校准试块，其特征在于，所述相控阵超声换能器安装于所述楔形块的斜面上，在对应的校准试块上测量人工缺陷的回波高度进行距离增益曲线和角度增益曲线的校准，然后采用超声扇形扫描检测缺陷，利用扇形扫描图像中尖端衍射回波和底部反射回波的折射角度和回波时间，计算缺陷的高度和倾斜角，其中，下表面缺陷的高度和倾斜角的具体的计算步骤如下：步骤1-1：构建缺陷检测模型，沿相控阵超声换能器的探头中心发射的超声波做切面；步骤1-2：计算尖端衍射回波即D波的入射角θDi，计算公式如(1)所示：式(1)中，CW为超声波在楔块中的传播速度，CS为超声波在待测工件中的传播速度，θDt为D波的折射角；步骤1-3：计算探头中心点O和D波入射点ADi之间的距离OADi,如公式(2)所示：式(2)中，h为相控阵超声换能器的探头中心到达工件上表面的垂直距离；步骤1-4：计算D波在待测工件中的传播时间tDP；测试过程中的超声波传播时间包括超声波的发射时间和接收时间，设D波从发射到接收到回波的时间即D波的总传播时间是tD，则楔块中D波的传播时间tDW如公式(3)所示：则D波从进入工件到遇到缺陷尖端的时间tDP的计算公式如公式(4)所示：步骤1-5：计算D波入射点ADi与缺陷尖端T的距离SD，如公式(5)所示：步骤1-6：对于底部反射回波即R波，采用相同的方法计算出缺陷开口处C和R波入射点ARi之间的距离SR，如公式(6)所示：式(6)中，tR为R波从发射到接收的时间，θRi为R波入射角度；步骤1-7：取点ARi作为坐标原点，垂直于楔块与工件之间界面的向下方向为Z轴正方向，沿楔块与工件界面向右为X轴正方向，建立坐标系XOZ；ARi点坐标为(0,0)，根据SD和SR以及各角度关系，确定出D波入射点ADi、缺陷开口处C、缺陷尖端T的坐标，其中， D波入射点ADi的坐标为(h(tgθDi-tgθRi)，0)；缺陷尖端T的坐标为(h(tgθDi-tgθRi)+SDsinθDt，SDcosθDt)；缺陷开口处C的坐标为(SRsinθRt，SRcosθRt)；步骤1-8：根据步骤1-7中缺陷尖端T和缺陷开口处C的坐标，求得缺陷开口处C到缺陷尖端T的距离，即缺陷高度δ，如公式(7)所示：步骤1-9：根据步骤1-7中D波入射点ADi、缺陷尖端T和缺陷开口处C的坐标求得裂缝倾斜角θC，如公式(8)所示：当表面破坏缺陷在上表面时，从下表面反射的声波则为通过设置测试参数与检测相互作用的测试声波，上表面的缺陷作为下表面缺陷的镜像进行计算处理，其上表面的高度和倾斜角具体计算步骤如下：步骤2-1：分别计算尖端衍射回波即D波的入射角θ'Di和底部反射回波即D波的入射角θ'Ri，分别如式(9)和式(10)所示：其中，θ'Dt和θ'Rt分别为D波的折射角和R波的折射角，CW为超声波在楔块中的传播速度，CS为超声波在待测工件中的传播速度；步骤2-2：计算尖端衍射回波即D波从D波入射点A'Di到镜像缺陷尖端T’的距离S'D如公式(11)和(12)所示： S'D＝SD1+SD2 (11)；其中，SD1为D波从入射点A'Di到待测工件底部的距离，SD2为D波从待测工件底部到镜像缺陷尖端T’的距离,θ'Di为D波的入射角，t'DP为D波在待测工件中的传播时间，t'D为D波的总传播时间；步骤2-3：计算底部反射回波即R波从R波入射点A'Ri到镜像缺陷开口处C’的距离S'R如公式(13)和(14)所示： S'R＝SR1+SR2 (13)；其中，SR1为R波从入射点A'Ri到待测工件底部的距离，SR2为R波从待测工件底部到镜像缺陷开口处C’的距离,θ'Ri为R波的入射角，t'R为R波的总传播时间；步骤2-4：取点A'Ri作为坐标原点，垂直于楔块与工件之间界面的向下方向为Z轴，沿楔块与工件界面向右为X轴正方向，建立坐标系XOZ；A'Ri点坐标为(0,0)，根据S'D和S'R以及各角度关系，确定D波入射点A'Di、缺陷开口处C’、缺陷尖端T’的坐标，其中， D波入射点A'Di的坐标为(h(tgθ'Di-tgθ'Ri)，0)；缺陷尖端T’的坐标为(h(tgθ'Di-tgθ'Ri)+S'Dsinθ'Dt，S'Dcosθ'Dt)；缺陷开口处C’的坐标为(S'Rsinθ'Rt，S'Rcosθ'Rt)；步骤2-5：步骤2-4中缺陷尖端T’和缺陷开口处C’坐标，可以求得缺陷开口处C’到缺陷尖端T’的距离，即缺陷高度δ’，如公式(15)所示：步骤4-5：根据步骤2-4中D波入射点A'Di、缺陷尖端T’和缺陷开口处C’的坐标求得裂缝倾斜角θ'C满足公式(16)： 2.根据权利要求1所述的一种表面开口缺陷高度和倾斜角的测量方法，其特征在于，当楔块高度h远小于尖端衍射回波从入射点到缺陷尖端的距离和底部反射回波从入射点到缺陷开口处的距离时，楔块高度h可以忽略不计，则待测工件下表面斜缺陷的缺陷高度和倾斜角的计算公式(7)和公式(8)简化如式(17)和(18)所示：待测工件上表面斜缺陷的缺陷高度和倾斜角的计算公式(15)和公式(16)简化如式(19)和(20)所示： 3.根据权利要求1所述的一种表面开口缺陷高度和倾斜角的测量方法，其特征在于，在测量之前对相控阵超声换能器进行预设置，并校准灵敏度，具体步骤如下：步骤a1)：设置所述相控阵超声换能器辐射声束的角度范围，从而覆盖待检测工件的全部待检测区域；步骤a2)：根据步骤a1设置的相控阵超声换能器辐射声束的角度范围计算各检测声束对应的各阵元的延时；步骤a3：通过校准试块制作距离-幅度曲线和角度增益补偿曲线来校准所述相控阵超声换能器的灵敏度，并根据由于工件和校准用试块的表面不同引起的灵敏度不同，设置好最终检测用灵敏度。
所属类别：	发明专利