一種層片狀缺陷分布的超聲三維成像檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種層片狀缺陷分布的超聲三維成像檢測(cè)方法，首先，提出采用超聲水浸聚焦分層C掃描方法提取層片狀缺陷超聲三維成像數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)方法測(cè)量聚焦聲束的聚焦區(qū)域，并據(jù)此確定分層C掃描間隔，達(dá)到高效、準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)的目的。其次，提出三維成像數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，按分層掃描焦點(diǎn)位置及焦區(qū)范圍設(shè)置搜索窗口，在窗口范圍內(nèi)進(jìn)行脈沖波峰搜索，確定缺陷的三維空間分布。最后，基于虛擬儀器的編程環(huán)境設(shè)計(jì)和開發(fā)三維成像軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部層片狀缺陷的三維成像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，解決了工業(yè)構(gòu)件三維成像數(shù)據(jù)的獲取、處理、重建、可視化的計(jì)算量較大、檢測(cè)成本高等問題，達(dá)到準(zhǔn)確、快速的無損測(cè)量工件內(nèi)部層片狀缺陷三維分布及尺寸的目的。
【專利說明】
一種層片狀缺陷分布的超聲三維成像檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種層片狀缺陷的超聲三維成像方法，具體涉及一種材料內(nèi)部層片狀 缺陷分布的超聲三維成像檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料加工過程中存在許多層片狀缺陷，如:折疊、裂紋、層片型夾雜等，該類缺陷對(duì) 材料的使用性能造成不利影響。對(duì)上述缺陷的尺寸、延伸、分布進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)于提高材料 新能、促進(jìn)工藝革新具有重要作用。三維超聲成像能提供豐富的立體結(jié)構(gòu)信息，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 已得到了廣泛的應(yīng)用。理論上，可通過超聲三維成像技術(shù)無損的測(cè)量材料內(nèi)部的缺陷分布。 然而，由于三維數(shù)據(jù)的獲取、處理、重建與可視化的計(jì)算量較大、檢測(cè)成本高，工業(yè)構(gòu)件的超 聲三維成像技術(shù)及應(yīng)用卻鮮見報(bào)道。
[0003] 虛擬儀器LabVIEW是美國國家儀器公司基于G語言開發(fā)的一種虛擬儀器平臺(tái)。它提 供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)庫函數(shù)。采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，具有直 觀的圖形化開發(fā)環(huán)境，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，豐富的可視化顯示功能等特點(diǎn)?；贚abVIEW 平臺(tái)開發(fā)虛擬儀器及分析軟件系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、界面美觀、使用靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、接口 眾多等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛的用于高等院校、科研院所的教學(xué)科研與技術(shù)研發(fā)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，降低三維成像數(shù)據(jù)采集時(shí)間、系統(tǒng)的開 發(fā)周期和研發(fā)成本，降低三維成像數(shù)據(jù)采集時(shí)間、系統(tǒng)的開發(fā)周期和研發(fā)成本，提供一種層 片狀缺陷分布的超聲三維成像檢測(cè)方法，針對(duì)于材料內(nèi)部層片狀缺陷的三維成像數(shù)據(jù)采集 方法及數(shù)據(jù)重構(gòu)，基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了針對(duì)于彈簧扁鋼內(nèi)部缺陷檢測(cè)的三維成像軟 件。該軟件可與基于虛擬儀器開發(fā)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行無縫對(duì)接，構(gòu)成超聲三維成像設(shè)備。同 時(shí)，該發(fā)明還闡述了實(shí)施這一方法的具體步驟，并用特例進(jìn)行了演示。
[0005] 本發(fā)明包括如下具體步驟:一種層片狀缺陷分布的超聲三維成像檢測(cè)方法，包括 三維數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)重構(gòu)方法;其特征在于包括如下具體步驟： 1) 采用超聲水浸聚焦C掃描法對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行分層掃描，提取各掃描層的全波形超聲A 掃描信號(hào)。掃描間隔按超聲檢測(cè)聲束聚焦區(qū)高度進(jìn)行設(shè)置。
[0006] 聚焦區(qū)高度的測(cè)量方法如下： 2) 調(diào)整探頭使底面反射波幅度最高，此時(shí)焦點(diǎn)聚于試樣底面，可測(cè)得探頭的實(shí)際水中 焦距。
[0007] 3)調(diào)整探頭向下移動(dòng)，底面反射波幅度下降至最高幅度的90%，設(shè)此時(shí)焦區(qū)上端與 底面相交，記錄探頭水距和聲束焦點(diǎn)在試樣中的深度Zu;調(diào)整探頭向上移動(dòng)，底面反射波幅 度下降至最高反射波幅度的90%，焦區(qū)下端與底面相交，記錄探頭水距和焦點(diǎn)在試樣中的深 度h。則，Zu-h為焦區(qū)高度。
[0008] 4)對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行分層C掃描，每層高度等于焦區(qū)高度，聲束焦點(diǎn)聚于各層中部， 采集各層的全波形超聲C掃描數(shù)據(jù)。
[0009] 數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，其特征在于對(duì)采集的全波形數(shù)據(jù)加窗處理，搜索窗口范圍內(nèi)的脈 沖波峰，并計(jì)算其三維坐標(biāo)作為缺陷位置，該脈沖波峰的三維坐標(biāo)即為缺陷三維坐標(biāo)。具體 步驟如下： 5)按焦點(diǎn)位置和焦區(qū)范圍設(shè)置窗口寬度，窗口高度略高于檢測(cè)信號(hào)噪聲幅度。只有在 窗口寬度內(nèi)并超出窗口高度的信號(hào)參與脈沖波峰的搜索。
[0010] 6)搜索上述窗口中包含的脈沖波峰，脈沖波峰即為缺陷反射脈沖。根據(jù)脈沖波峰 到達(dá)時(shí)間計(jì)算脈沖波峰深度(z)為缺陷深度，根據(jù)掃描參數(shù)計(jì)算此時(shí)探頭在檢測(cè)面(x-y面） 上位置，即：缺陷在x-y面上的位置。
[0011] 7)將所有缺陷位置坐標(biāo)(x，y，z)重組為三維數(shù)組，將三維數(shù)組投射至三維空間坐 標(biāo)即獲得缺陷的三維圖像。
[0012] 8)基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)三維成像軟件實(shí)現(xiàn)了上述數(shù)據(jù)重構(gòu)方法。三維成像軟件 界面包括:數(shù)據(jù)導(dǎo)入與窗口設(shè)置區(qū)、掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)、缺陷三維成像區(qū)、分層二維C掃描成像 區(qū)。
[0013] 2.所述的三維成像軟件基于虛擬儀器的LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，該軟件 的具體操作步驟如下： 1)在數(shù)據(jù)導(dǎo)入與窗口設(shè)置區(qū)，設(shè)置三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑、導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)及基準(zhǔn)波;按基準(zhǔn) 波設(shè)置窗口以確定分層數(shù)據(jù)的有效范圍，窗口寬度及位置與分層掃描位置和層厚一致，窗 口高度應(yīng)略高于檢測(cè)噪聲平均幅度。
[0014] 2)掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)，設(shè)置掃描運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)長度及采樣間隔、信號(hào)采樣率、材料聲 速。
[0015] 3)三維圖像顯示區(qū)，顯示缺陷的三維分布、兼容各種視角。
[0016] 4)分層二維C掃描成像區(qū)，顯示任意深度的層析C掃描圖像以便精確測(cè)量目標(biāo)缺陷 尺寸。
[0017] 發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：該方法給出了三維數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)三維重構(gòu)方法、軟件實(shí)現(xiàn)、以及 對(duì)一典型特例的實(shí)施效果。解決了工業(yè)構(gòu)件三維成像數(shù)據(jù)的獲取、處理、重建、可視化的計(jì) 算量較大、檢測(cè)成本高等問題，達(dá)到準(zhǔn)確、快速的無損測(cè)量工件內(nèi)部層片狀缺陷三維分布及 尺寸的目的。
【附圖說明】
[0018] 圖1本發(fā)明的三維數(shù)據(jù)采集方法。
[0019] 圖2本發(fā)明的焦區(qū)高度測(cè)量方法。
[0020] 圖3本發(fā)明的三維數(shù)據(jù)重構(gòu)方法。
[0021] 圖4本發(fā)明的三維成像軟件前面板。
[0022]圖5本發(fā)明的自然缺陷試樣的三維成像圖。
[0023] 圖6本發(fā)明的自然缺陷試樣的7mm深處切片圖。
[0024] 圖7本發(fā)明的自然缺陷試樣的缺陷f截面金相圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖和實(shí)施特例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
[0026] (1)三維成像數(shù)據(jù)采集方法 超聲水浸聚焦法可使探頭在檢測(cè)對(duì)象上方自由移動(dòng)并保持均一良好的聲耦合性能，是 自動(dòng)掃描成像的主要數(shù)據(jù)采集方式。受聲束干涉和聲透鏡球差的影響，聚焦聲束能量并非 聚焦于一點(diǎn)，而是在焦點(diǎn)附近形成能量較高的聚焦區(qū)域，在該聚焦區(qū)域內(nèi)可保持較好的檢 測(cè)精度和檢測(cè)靈敏度。本發(fā)明基于水浸聚焦法對(duì)試塊進(jìn)行分層C掃描數(shù)據(jù)采集。圖1顯示:設(shè) 分層掃描間隔為A當(dāng)探頭位于位置1、2、3時(shí)，聚焦區(qū)域分別覆蓋檢測(cè)對(duì)象的a層區(qū)域、b層區(qū) 域以及c層區(qū)域;探頭在位置1、2、3分別做C掃描運(yùn)動(dòng)并逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象 的完全覆蓋。分層掃描間隔c/可根據(jù)聚焦區(qū)域確定，分層掃描間隔是三維數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵 問題，間隔過大將導(dǎo)致漏檢、過小則導(dǎo)致效率過低。
[0027] 本發(fā)明通過試驗(yàn)方法測(cè)量聚焦區(qū)域，并據(jù)此設(shè)置分層C掃描間隔c/。調(diào)整探頭高度 使得底面反射波幅度最高，此時(shí)焦點(diǎn)聚于試樣底面?？蓽y(cè)得此時(shí)探頭距試樣上表面距離(水 距:"），焦點(diǎn)距試樣上表面距離Μ焦點(diǎn)深度），已知：水中縱波聲速G、試樣中縱波聲速C2， 則據(jù)式(1)可測(cè)得探頭的實(shí)際水中焦距F。
[0028]
如圖2所示，調(diào)整探頭高度使反射波幅度最高，此時(shí)檢測(cè)聲束聚焦于檢測(cè)對(duì)象底面，當(dāng) 探頭向下移動(dòng)時(shí)，底面反射波幅度下降至最高幅度的90%，設(shè)此時(shí)焦區(qū)上端與底面相交，記 錄此時(shí)水距//υ并據(jù)式(1)計(jì)算焦點(diǎn)深度Ζυ(如圖1位置2);當(dāng)探頭向上移動(dòng)時(shí)，底面反射波幅 度下降至最高反射波幅度的90%，設(shè)此時(shí)焦區(qū)下端與底面相交，記錄水距// L并據(jù)式（1)計(jì)算 此時(shí)焦點(diǎn)深度h，（如圖1位置3)。則聚焦區(qū)高度及分層掃描厚度c/表示如下： d=Lm~Ll (2) (2)三維成像數(shù)據(jù)重構(gòu) 對(duì)各層的C掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理，對(duì)在窗口寬度范圍（時(shí)域范圍）內(nèi)且幅度超過窗口 高度的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行脈沖波峰搜索，搜索到的脈沖波峰被認(rèn)為是缺陷反射脈沖。通過脈沖 波峰時(shí)域位置可計(jì)算得到脈沖波峰深度，即：缺陷的z軸坐標(biāo)(深度坐標(biāo)）;根據(jù)C掃描參數(shù)計(jì) 算采集到該脈沖波峰時(shí)檢測(cè)探頭的位置(x，y軸坐標(biāo)），即為缺陷在檢測(cè)面(x，y面)的位置坐 標(biāo)。根據(jù)上述方法可得到缺陷的三維分布位置(x，y，z)坐標(biāo)，數(shù)據(jù)重構(gòu)過程如圖3所示。
[0029] 窗口設(shè)置是脈沖波峰(缺陷)搜索的前提條件，因此應(yīng)特別注意窗口的寬度和高度 是否合適。由于每層掃描數(shù)據(jù)中僅聚焦區(qū)域內(nèi)（厚度為c/的分層范圍內(nèi)）的反射脈沖有效， 因此窗口位置須與焦點(diǎn)位置一直、窗口寬度應(yīng)與分層間隔c/一致。此外，窗口高度應(yīng)設(shè)定為 略高于噪聲信號(hào)幅度以避免噪聲的干擾和缺陷誤判，但窗口高度過高又會(huì)導(dǎo)致缺陷漏檢。
[0030] (3)三維成像數(shù)據(jù)重構(gòu)的編程實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)和開發(fā)了適用于三維數(shù)據(jù)重構(gòu)成像的軟件系統(tǒng)，軟件操 作界面如圖所示。圖4為三維成像軟件的操作界面，分為四個(gè)主要功能區(qū)，包括:數(shù)據(jù)導(dǎo)入與 窗口設(shè)置區(qū)、掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)、三維成像區(qū)、分層二維C掃描成像區(qū)，各區(qū)功能及設(shè)置方式詳 述如下： 1一一數(shù)據(jù)導(dǎo)入與窗口設(shè)置區(qū)，包括:數(shù)據(jù)導(dǎo)入(存放)路徑設(shè)置、基準(zhǔn)波顯示及窗口設(shè) 置。波形顯示窗口顯示基準(zhǔn)波形，通過基準(zhǔn)波上的紅色和黃色基準(zhǔn)線設(shè)置窗口位置、寬度， 窗口高度則通過輸入相應(yīng)幅度進(jìn)行設(shè)置，只有窗口范圍內(nèi)的脈沖波形才會(huì)被用于三維成 像。
[0031] 2一一掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)用于設(shè)置掃描信息(步進(jìn)長度及采樣間隔）、信號(hào)采樣率、材 料聲速。通過掃描信息可計(jì)算缺陷在x-y平面(掃描平面）的位置坐標(biāo)，z方向的位置則由信 號(hào)采樣率及材料聲速計(jì)算。
[0032] 3一一缺陷三維成像區(qū)用于顯示缺陷的三維分布圖像，三維坐標(biāo)設(shè)置如下：x-y平 面為C掃描平面，z方向?yàn)闄z測(cè)對(duì)象的深度(厚度)方向。此外，設(shè)置各種視角及投影，以便全 方位觀察內(nèi)部缺陷。
[0033] 4一一分層二維C掃描成像區(qū)用于顯示缺陷在檢測(cè)對(duì)象不同深度的分布，實(shí)際上為 各深度缺陷的C掃描圖像，通過該圖像能夠精確的測(cè)量缺陷在x-y平面的尺寸。
[0034] 特例實(shí)施與驗(yàn)證 為對(duì)上述方法和軟件進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)明中給出了一個(gè)實(shí)施特例，對(duì)彈簧扁鋼中的層片狀 夾雜進(jìn)行三維超聲成像。合金彈簧鋼廣泛的應(yīng)用于汽車、鐵路、重型機(jī)械、軍工，等各個(gè)領(lǐng) 域，是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要鋼材品種之一。影響彈簧扁鋼力學(xué)性能的主要危害是層片狀?yuàn)A 雜缺陷，該類缺陷呈扁平的層片狀且平行于扁鋼表面，因此可以采用本發(fā)明提出的三維超 聲成像方法測(cè)量該類夾雜缺陷的分布。
[0035]彈簧扁鋼樣品尺寸為22*22*16mm。按焦區(qū)測(cè)量方法測(cè)量焦區(qū)高度和分層間隔(6/ = 5.9mm，因此對(duì)于16mm厚的試樣只需進(jìn)行三次C掃描即可獲得全厚度范圍的三維成像數(shù)據(jù)； 即：分別將焦點(diǎn)設(shè)置于彈簧扁鋼內(nèi)部深度為3mm、9mm、15mm位置進(jìn)行分層水浸聚焦C掃描數(shù) 據(jù)采集。
[0036]將檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入成像軟件進(jìn)行三維成像，如圖5-7所示。將圖5三維圖像中幾個(gè)主 要的缺陷標(biāo)示為&4,各缺陷深度如表1所示。圖5中還顯示了缺陷在x-y平面的投影，從x-y 平面的投影圖上可清晰的顯示g缺陷由gl、g2等幾個(gè)不連續(xù)的小缺陷構(gòu)成；圖6為檢測(cè)試樣 7mm深的層析C掃描圖，可清晰顯示缺陷f的C掃描圖像，按圖中白色切割線測(cè)量缺陷尺寸為 1.2mm(從缺陷圖像的藍(lán)色邊界測(cè)量）；由于缺陷c深度為7.5mm，離層析深度很近，因此圖6中 也能模糊顯示該缺陷。此外，為進(jìn)一步分析層析C掃描精度，按圖6中白線切割試樣做金相觀 察如圖7所示;金相圖顯示缺陷f為長度為1.15mm的扁平缺陷，與二維層析C掃描圖像的測(cè)量 結(jié)果具有較好的一致性。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)扁鋼中層片狀缺陷的無損三維分布測(cè)量與檢測(cè)。 [0037] 表1各缺陷深度（mm)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種層片狀缺陷分布的超聲三維成像檢測(cè)方法，包括三維數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)重構(gòu) 方法;其特征在于包括如下具體步驟： (1) 采用超聲水浸聚焦C掃描法對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行分層掃描，提取各掃描層的全波形超聲 A掃描信號(hào)，掃描間隔按超聲檢測(cè)聲束聚焦區(qū)高度進(jìn)行設(shè)置； 聚焦區(qū)高度的測(cè)量方法如下： (2) 調(diào)整探頭使底面反射波幅度最高，此時(shí)焦點(diǎn)聚于試樣底面，可測(cè)得探頭的實(shí)際水中 焦距； (3) 調(diào)整探頭向下移動(dòng)，底面反射波幅度下降至最高幅度的90%，設(shè)此時(shí)焦區(qū)上端與底 面相交，記錄探頭水距和聲束焦點(diǎn)在試樣中的深度調(diào)整探頭向上移動(dòng)，底面反射波幅度 下降至最高反射波幅度的90%，焦區(qū)下端與底面相交，記錄探頭水距和焦點(diǎn)在試樣中的深度 Zl;則，Zu-Zl為焦區(qū)高度； (4) 對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行分層C掃描，每層高度等于焦區(qū)高度，聲束焦點(diǎn)聚于各層中部，采集 各層的全波形超聲C掃描數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，其特征在于對(duì)采集的全波形數(shù)據(jù)加窗處理，搜索窗口范圍內(nèi)的脈沖波 峰，并計(jì)算其三維坐標(biāo)作為缺陷位置，該脈沖波峰的三維坐標(biāo)即為缺陷三維坐標(biāo);具體步驟 如下： (5) 按焦點(diǎn)位置和焦區(qū)范圍設(shè)置窗口寬度，窗口高度略高于檢測(cè)信號(hào)噪聲幅度，只有在 窗口寬度內(nèi)并超出窗口高度的信號(hào)參與脈沖波峰的搜索； (6) 搜索上述窗口中包含的脈沖波峰，脈沖波峰即為缺陷反射脈沖，根據(jù)脈沖波峰到達(dá) 時(shí)間計(jì)算脈沖波峰深度(z)為缺陷深度，根據(jù)掃描參數(shù)計(jì)算此時(shí)探頭在檢測(cè)面(x-y面)上位 置，即：缺陷在x-y面上的位置； (7) 將所有缺陷位置坐標(biāo)(x，y，z)重組為三維數(shù)組，將三維數(shù)組投射至三維空間坐標(biāo)即 獲得缺陷的三維圖像； (8) 基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)三維成像軟件實(shí)現(xiàn)了上述數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，三維成像軟件界 面包括:數(shù)據(jù)導(dǎo)入與窗口設(shè)置區(qū)、掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)、缺陷三維成像區(qū)、分層二維C掃描成像 區(qū)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層片狀缺陷分布的超聲三維成像檢測(cè)方法，其特征在于： 所述的三維成像軟件基于虛擬儀器的LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，該軟件的具體操作 步驟如下： (1) 在數(shù)據(jù)導(dǎo)入與窗口設(shè)置區(qū)，設(shè)置三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑、導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)及基準(zhǔn)波；按基 準(zhǔn)波設(shè)置窗口以確定分層數(shù)據(jù)的有效范圍，窗口寬度及位置與分層掃描位置和層厚一致， 窗口高度應(yīng)略高于檢測(cè)噪聲平均幅度； (2) 掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)，設(shè)置掃描運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)長度及采樣間隔、信號(hào)采樣率、材料聲速； (3) 三維圖像顯示區(qū)，顯示缺陷的三維分布、兼容各種視角； (4) 分層二維C掃描成像區(qū)，顯示任意深度的層析C掃描圖像以便精確測(cè)量目標(biāo)缺陷尺 寸。
【文檔編號(hào)】G01N29/06GK105973988SQ201610522560
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】陳振華, 謝飛鳴, 李紅衛(wèi), 章慶
【申請(qǐng)人】方大特鋼科技股份有限公司