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原文传递小口径钢管超声波时域分段成像检测方法

专利名称：	小口径钢管超声波时域分段成像检测方法
摘要：	本发明属于材料无损检测技术领域，具体为一种涉及小口径钢管超声波时域分段成像检测方法。本发明方法包括：控制发射一定频率、一定声场分布形式的超声波作为检测探针，以合理方式作用于钢管，在钢管内部形成多种模式的超声波传播行为；其中，不同模式的超声波分别针对钢管不同区域位置所存在的缺陷进行检测，再分别提取这些不同模式的超声波信号特征，结合其出现的不同监测时段，对信号是否存在异常情况进行判断；根据判断结果，对成像元素，即各监测时段的信号电压幅度，进行“或”逻辑处理，根据不同的逻辑情况，对各种壁厚/外径比的钢管进行质量检测。本发明有效解决了目前国内外小口径厚壁钢管无法在线实施探伤检测的问题。
专利类型：	发明专利
申请人：	陈雄
发明人：	陈雄
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T07:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T12:00:00+0805
申请号：	CN202010013033.5
公开号：	CN111141825A
代理机构：	上海正旦专利代理有限公司
代理人：	陆飞;陆尤
分类号：	G01N29/06;G;G01;G01N;G01N29;G01N29/06
申请人地址：	200433 上海市杨浦区邯郸路220号科学楼324室
主权项：	1.一种小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于，控制发射一定频率、一定声场分布形式的超声波作为检测探针，以合理方式作用于钢管，在钢管内部形成多种模式的超声波传播行为；其中，不同模式的超声波分别针对钢管不同区域位置所存在的缺陷进行检测，再分别提取这些不同模式的超声波信号特征，结合其出现的不同监测时段，对信号是否存在异常情况进行判断；然后根据判断结果，对成像元素，即各监测时段的信号电压幅度，进行“或”逻辑处理，根据不同的逻辑情况，采用成像的方法对各种壁厚/外径比的钢管进行质量检测；具体步骤如下：（1）发射超声波作为检测探针，作用于钢管；其中：超声波频率在5MHz～15MHz之间，声场采用点聚焦或者线聚焦方式，焦距长度在80～200mm之间；采用点聚焦方式时，点聚焦声场中心轴线与钢管径向中心轴线垂直相交，将声波入射到钢管内部；采用线聚焦方式时，线聚焦声场对称中心面通过钢管径向中心轴线，并且焦线与其保持平行，将声波入射到钢管内部；被检钢管位于声源与焦点或焦线之间的中间合适位置，保证入射到钢管内部的声场形成如下三种模式的超声波：垂直纵波、折射纵波、折射横波；即通过一次发射，控制入射声场在钢管中形成三种模式的超声波分解形式：（a）入射声场在钢管内部形成垂直入射纵波；（b）入射声场在钢管内部形成折射横波；（c）入射声场在钢管内部形成折射纵波；其中折射横波的声速约为折射纵波的一半；其中，采用多通道检测，通道数目由能覆盖钢管整体周向检测体积所需决定；（2）经过这样的超声检测，得到钢管各个点位置信息和相应位置点的由垂直纵波、折射纵波、折射横波各种模式声波形成的叠加信号及特征，然后对得到的各个模式声波的数字信号按照时域分段成像方式进行分析；（3）最后，根据各模式超声波成像检测结果，按照相应判伤标准对检测结果进行鉴别判定。 2.根据权利要求1所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于，还涉及超声检测系统，超声检测系统包括：检测单元，报警器，喷标设备，打印设备，控制器；检测单元包括环形阵列的超声波发射接收装置；控制器用于控制检测单元、报警器、喷标设备和打印设备的动作；超声检测的具体操作流程为：钢管产品经过进料辊道后，由夹持装置固定，通过夹持装置将钢管设置在有水的环境中，控制钢管进入环形阵列的超声波发射接收装置；启动检测单元，驱动钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置在一定周期下定时地按照前述条件发射超声波到钢管内部，从钢管进入检测单元开始检测，到钢管穿出检测单元结束检测，由控制程序自动记录各检测位置的波形，将检测单元得到的钢管各个点位置信息和相应位置点的由包括垂直纵波、折射纵波、折射横波等各种模式声波形成的叠加信号及特征一一对应，并储存；然后对得到的各个模式声波的数字信号按照所述的时域分段成像方式进行分析；最后，根据各模式超声波成像检测结果，按照相应判伤标准对检测结果进行鉴别判定，并图像化输出成像，对判定不合格的钢管产品，控制器控制报警器报警，并驱动喷标设备对钢管进行标记，以区别合格的产品，最终检测结果由打印设备输出打印报告。 3.根据权利要求2所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于：（1）时域分段成像超声波检测中，对于垂直入射纵波成像检测，除了使用一般被检钢管外，还涉及使用没有内壁缺陷的标准钢管；即事先把标准钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，夹持机构稳定夹持并驱动标准钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置以一定周期定时发射超声波到标准钢管内部，从标准钢管在检测单元中检测得到的标准信号送入控制器内储存，作为后续同样规格被测钢管的比较依据；然后，将待测钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，同标准钢管一样实施先前的操作，夹持装置带动待测钢管匀速穿过检测单元，将此时得到的检测信号送入控制器内与标准信号进行比较，判定待测钢管质量；所述检测单元得到的、射入到钢管内部的垂直入射纵波信号幅度先经过幅度值的量化，然后根据定义的系列的渐变颜色，并将颜色与幅度量化值对应，将信号转化成图片输出，以识别钢管内壁的缺陷；对判定结果为质量不合格的待测钢管，控制器控制报警并驱动喷标设备对待测钢管进行标记，最终检测结果由打印设备输出打印报告；（2）时域分段成像超声波检测中，对于折射纵波及折射横波成像检测，还涉及一种比较钢管，该比较钢管内壁上带有加工的标准伤缺陷，用于对被检钢管缺陷尺寸进行当量对比；即事先把比较钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，检测夹持机构稳定夹持并驱动比较钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置照一定周期定时发射超声波到比较钢管内部，从比较钢管进入检测单元开始检测，到比较钢管穿出检测单元结束检测，将检测单元得到的折射纵波与比较钢管内壁上人工标准伤缺陷作用后得到的标准人工标准伤信号送入控制器内储存；然后再将待测钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，同比较钢管先前的操作，夹持装置带动待测钢管匀速穿过检测单元，将此时得到的检测信号送入控制器内与标准人工伤信号进行比较，判定待测钢管质量；对所述的检测单元得到的伤信号与标准人工标准伤信号进行幅度对比，当量尺寸较大的缺陷信号幅度也相应较大，对超过标准人工伤信号幅度的伤信号幅度值进行量化，然后根据定义的系列渐变颜色，将颜色与量化的幅度值对应，将信号转化成图片输出，识别钢管内部的缺陷；对判定结果为质量不合格的待测钢管，控制器控制报警并驱动喷标设备对待测钢管进行标记，最终检测结果由打印设备输出打印报告。 4.根据权利要求3所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于，所述的三种模式超声信号，其可能出现的时间段是有所差异的，所以检测判断分为四个不同的监测时间段来进行；定义的四个时间段定义如下：第一个时间段是针对监测垂直入射纵波经钢管内壁反射后是否存在缺陷散射效果的时间段，该时间段只要包括钢管内壁底波反射波形时段即可，是第一次内壁底波反射，或者是第二次、三次内壁底波反射，记为监测时间段Gate-1；第二个时间段是垂直入射纵波和钢管表面反射回波到第一次内壁底波反射之间的时间段，该时间段监测信号是入射纵波检测到的钢管体内缺陷信号，为夹杂物或者各种形式缺陷，记为监测时间段Gate-2；第三个时间段是垂直入射纵波的第一次内壁底波反射到第二次内壁底波反射之间的时间段，该时间段出现的主要是折射纵波受到内壁缺陷反射的信号，记为监测时间段Gate-3；第四个时间段是垂直入射纵波的第二次内壁底波反射到第三次内壁底波反射之间的时间段，该时间段出现的主要是折射纵波受到外壁缺陷反射的信号，还有折射横波受到内壁缺陷反射的信号，记为监测时间段Gate-4；在检测动态范围内，针对Gate-1、Gate-2、Gate-3、Gate-4监测时间段，分别定义可以相互区分的不同系列的渐变颜色分别对应Gate-1、Gate-2、Gate-3、Gate-4监测时间段中检测到的信号幅度的逐渐变化，即将Gate-1时间段接收到的垂直入射纵波信号、Gate-2时间段接收到的管体内部反射纵波信号、Gate-3时间段接收到的内壁反射纵波信号和Gate-4时间段接收到的外壁反射纵波或者内壁反射横波信号的声压幅度从最小到最大分成若干等差量化幅度，然后定义同样数量的渐变颜色，来对应检测到的声压的逐渐增减，此处定义的渐变颜色是可以区分出是具体代表哪个监测时间段的，这样就根据颜色快速判断缺陷的属性。 5.根据权利要求4所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于：（1）时域分段成像超声波成像检测中，垂直入射纵波检测结果的图像化方法为：首先，在检测动态范围内，定义渐变的颜色分别对应幅度的逐渐变化，即将接收到的垂直入射纵波声压幅度从最小到最大分成若干等差量化幅度，然后定义同样数量的渐变颜色，来对应检测到的声压的逐渐增减；其次，检测结果的绘图过程，由于图像是一个面的数据形成的，而在长度AB的钢管穿过检测单元的检测过程中，设备按照一定周期t定时发射超声波到钢管内部，从钢管进入检测单元开始检测，到钢管穿出检测单元结束检测，得到沿钢管径向等间距分布的L个检测数据，将长度为L的数据点，按照每M个数据点就画为一条线，那么最后就得到L/M＝N行的检测图像；长度为AB的钢管上，如果在cd段之间的钢管内壁存在缺陷，经过检测单元检测后，便得到长度为L的检测数据，由于钢管是匀速通过检测单元的，并且超声检测按照固定周期t进行，所以钢管的长度和数据的长度成正比，缺陷在钢管长度方向上的位置和在数据队列中的位置一一对应；（2）时域分段成像超声波检测中，折射纵波及折射横波检测结果的图像化方法为：对折射纵波及折射横波检测结果的绘图过程，类似前述垂直入射纵波检测结果的图像化过程；与前述对垂直入射纵波检测结果的图像化方式不同的是，对折射纵波及折射横波检测结果的图像化引入了判断缺陷反射信号是否超过临界当量尺寸的判定幅度阈值，电压幅度在阈值以下的折射纵波及折射横波信号，图像化的值均为0，或者不进行根据幅度来标识量化渐变颜色的图像化处理；而对于电压幅度在阈值以上的折射纵波及折射横波信号，则根据相关信号的电压幅值大小，用定义的渐变颜色一一进行表征。 6.根据权利要求5所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于，进一步地，关于时域分段成像超声波检测结果的“或”运算后成像：为对同一检测位置是否存在缺陷达到高效的检测判断，同一检测点、同一个采集回波超声信号的这三种性质的信号部分采取先对结果进行“或”运算，然后再进行图像化显示；具体方法如下：首先，对三种模式的信号进行先期判断，这是通过监测Gate-1～Gate-4时间段内是否存在异常信号来进行的，即对Gate-1内的垂直入射纵波进行图像化处理后做好显示准备，对Gate-3内是否接收到超过约定阈值的由内壁缺陷产生的折射纵波信号进行判断，对Gate-4内是否接收到超过约定阈值的内壁缺陷反射的横波信号、或者外壁缺陷反射的纵波信号进行判断；然后，根据上述三类判断，分别再进行图像化处理步骤： 1）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内存在超过约定阈值的纵波信号，并且在监测范围Gate-4内也存在超过约定阈值的信号，则说明内壁存在引起异常反射信号的缺陷，那么则在该检测位置点，根据最大回波幅度所在位置是Gate-3还是Gate-4中，用相应时间段定义的对信号量化的渐变色，对结果进行图像化处理并显示，即只显示Gate-3和Gate-4中超阈值最多的结果； 2）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内不存在超过约定阈值的纵波信号，但是在监测范围Gate-4内存在超过约定阈值的信号，则说明外壁存在缺陷引起异常纵波反射信号，那么则在该检测位置点，按照Gate-4中对信号量化定义的渐变色进行图像化处理并显示，即不显示Gate-1和Gate-3中的结果； 3）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内存在超过约定阈值的纵波信号，但是在监测范围Gate-4内不存在超过约定阈值的信号，则说明外壁不存在异常缺陷引起的纵波反射信号，而内壁存在异常缺陷引起了纵波反射信号，那么则在该检测位置点、按照在Gate-3中对信号量化定义的渐变色对相应超阈值结果进行图像化处理并显示，即不显示Gate-1和Gate-4中的结果； 4）如果经过判断，折射纵波的监测范围Gate-3内、Gate-4内均不存在超过约定阈值的信号，则说明内壁、外壁均不存在异常缺陷引起的纵波或者横波反射信号，则在该检测位置点，按照Gate-1中对垂直入射纵波信号量化定义的渐变色进行图像化处理并显示，即不显示Gate-3和Gate-4中的结果。
所属类别：	发明专利