一种数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统

摘要

一种数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统，其特征在于：所述的数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统包括系统由待检工件台(1)，上料传送台(2)，对接机构(3)，高速检测台(4)，分离机构(5)，下料传送台(6)，分选机构(7)，合格工件仓(8)，不合格品仓(9)，水循环系统(10)，无损检测仪器系统(11)和电气控制系统(12)。本发明的优点是：检测记录能直观地显示出缺陷的大小和位置及其严重程度，对这些显示图形和数据只需要简单的分析判读，即能作出结论，所需分析时间短，对分析人员的技术水平要求不高。

说明书

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，特别提供了一种数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统。

背景技术

为了保障各种装备和机械结构、压力容器等重要设施的安全，防止灾难性事故的发生，人们往往首先想到的是要采用无损检测技术，对所涉及的材料或零部件在制造过程中或在使用过程中进行无损探伤。尤其是现在流行损伤容限设计理念，就更需要确切地了解工件中有无缺陷、缺陷的性质、缺陷的大小和缺陷的位置，以进一步估判工件是否合格、使用危险性如何或使用寿命还有多长。目前在工程中应用的常用无损检测技术中只有射线探伤技术和超声波探伤技术及电磁探伤技术有可能实现对缺陷的直观显示。如射线探伤中的工业CT技术就可以实现在计算机上以三维成像方式直观地显示出缺陷在工件内部的位置和大小；电磁检测技术一般只能检测表面和近表面缺陷，只能进行二维成像显示。射线技术主要是检测体积性缺陷，对裂纹类缺陷检测不灵敏，而超声波检测技术对裂纹类的面状缺陷较灵敏，因而超声探伤比其他方法检测能力相对更强，检测结果的可信度相对更高。如能直观地显示出缺陷的大小和位置及其严重程度一直是人们所期待的。

目前的超声波探伤仪可分为三类：(1)模拟式超声波探伤仪；(2)数字式超声波探伤仪，一般是便携式的；(3)在计算机中插入超声波检测的板卡所构成的数字式超声波检测仪或检测系统。前两者往往只能检测缺陷，不能直观地表征缺陷。在第三种超声波探伤仪或系统中，通常可以有多个探测通道，结合探头位移扫查编码器等手段已能实现B-扫描(B-Scan)或C-扫描(C-Scan)以及S-扫描(扇形扫描S-Scan)等显示方式表示缺陷的位置和大小，但很难直观地表示缺陷的严重程度，显示方式仍然不够直观，需要对这些显示图形和数据进行进一步分析判读，才能作出结论。所需分析时间长，对分析人员的技术水平要求高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于计算机技术对管棒材进行无损检测的系统组成方法及对超声波检测数据和探头扫查位置信息进行处理和成像的方法，帮助人们不必深入了解探伤技术就能一目了然理解探伤结果，提高探伤速度和提高探伤可靠性及精确度。

本专利主要描述管棒材超声波探伤系统中的超声波探伤检测部分，一种数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统，其特征在于：所述的数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统包括待检工件台(1)，上料传送台(2)，对接机构(3)，高速检测台(4)，分离机构(5)，下料传送台(6)，分选机构(7)，合格工件仓(8)，不合格品仓(9)，水循环系统(10)，无损检测仪器系统(11)和电气控制系统(12)；

其中：上料传送台(2)与待检工件台(1)连接，对接机构(3)与高速检测台(4)和上料传送台(2)连接，高速检测台(4)与水循环系统(10)、对接机构(3)、分离机构(5)、无损检测仪器系统(11)连接，分离机构(5)与下料传送台(6)连接，下料传送台(6)与合格工件仓(8)、不合格品仓(9)连接，分选机构(7)同时与合格工件仓(8)、不合格品仓(9)连接，电气控制系统(12)同时与待检工件台(1)，上料传送台(2)，对接机构(3)，高速检测台(4)，分离机构(5)，分选机构(7)，水循环系统(10)，无损检测仪器系统(11)连接。

所述的高速检测台(4)包括升降机构(401)、工件的定心驱动机构(402)、探头夹持机构(403)、探头调整机构(404)、电机(405)、探头旋转体机构(406)、旋转水密封机构(407)、旋转电耦合机构(408)、旋转喷水器(409)、位置传感器(410)、位移编码器(411)、旋转角度编码器(412)；

其中：升降机构(401)与工件的定心驱动机构(402)相连，探头夹持机构(403)与探头调整机构(404)相连，三个电机(405)分别与定心驱动机构(402)、探头旋转体机构(406)相连，旋转水耦合机构(407)、旋转电耦合机构(408)、旋转喷水器(409)同时与探头旋转体机构(406)相连，位置传感器(410)、位移编码器(411)、旋转角度编码器(412)分别固定在升降机构(401)上。

所述的数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统采用以下方法实现对探测结果的直观显示：

系统具有多通道的常规超声探伤仪所具有的A-扫描显示方式外，还显示判废图——A-L图、B-扫描图——t-A-L图、C-扫描图——a-A-L图和三维立体图，显示出检测信号的幅值大小，即缺陷的严重程度；以及缺陷在工件长度方向的位置和缺陷长度、缺陷在工件的周向位置的分布情况、缺陷在工件表面下的深度信息；上述A代表检测信号幅度，指示缺陷的严重程度，L代表距离从开始检测点的工件的轴向长度，t代表的是超声波信号从入射点到缺陷所经历的时间，a代表缺陷在工件周向的角度位置，范围0°-360°；三维立体图成像显示出缺陷在工件中的位置和大小。

所述的数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统，在超声探伤检测时检测记录控制的方法如下：

第一步：根据所需的周向显示精度，将工件周向以每隔1度或2度或5度等等分成相应等分N，并根据所需的纵向显示精度，确定成像显示每个像素点所代表的螺距个数M，所有暂存器清零；

第二步：发射一次超声波，记录该次发射超声波时超声波从适当起点(如界面回波)到报警闸门结束这一段时间内的超声波信号波形数据、位移编码器(411)所指示的正在检测点到工件开始检测点的长度数据以及旋转角度编码器(412)所指示的探头每旋转一周的所处的角度位置数据，将这些数据放置于某一暂存空间，以便进行成像显示；

第三步：比较该次与前次脉冲回波闸门最大值，保存其中较大者这一组数据；

第四步：比较角度编码器数据是否已到达360度/N，如未达到，则转第二步；

第五步：将此360度/N圆周长中最大回波数据组记录下来，并判断是否已检测一周，如未达到，则转第二步；

第六步：将M周各个360度/N圆周长中最大回波数据组进行比较，取最大者那一组，共得到N组，将此N组数据存盘，并在A-L图上显示此N组数据闸门内幅度最大值中的最大值，在t-A-L图上将此N组数据闸门内幅度最大值中的最大值的那一组波形数据以一条色标线显示出来，在a-A-L图中将此N组数据闸门内N个幅度最大值以一条色标线显示出来；

第七步：循环第二步直至检测结束；

第八步：根据上述t-A-L图含缺陷深度信息和a-A-L图含缺陷平面位置信息，进行三维立体成像。

所述的待检工件台(1)由管棒料摆放整理机构(101)、上料机构(102)和位置传感器(103)组成，管棒料摆放整理机构(101)与上料机构(102)连接，位置传感器(103)安装在上料机构(102)上。

所述的分离机构(5)包括气缸(501)、夹紧辊(502)、位置传感器(503)，机构框体(504)，气缸(501)与夹紧辊(502)连接并安装在机构框体(504)上，位置传感器(503)安装在机构框体(504)上。

所述的下料传送台(6)包括电机一(601)、辊道(602)和位置传感器(603)，框架(604)，电机(601)与辊道(602)连接，位置传感器(603)安装在框架(604)上。

所述的无损检测仪器系统(11)包括超声波探伤系统和涡流探伤系统，超声波探伤系统由超声信号前置放大器(1101)、多通道超声波板卡(1102)、多通道高速采集卡(1103)、门电路控制和I/O卡(1104)、工控机(1105)组成；

其中：前置放大器(1101)通过总线与高速检测台(4)连接，多通道超声波板卡(1102)通过总线分别与前置放大器(1101)和多通道高速采集卡(1103)连接，和多通道高速采集卡(1103)又与门电路控制和I/O卡(1104)连接，门电路控制和I/O卡(1104)通过总线与电气控制系统(12)连接，工控机(1105)通过总线分别与多通道超声波板卡(1102)、多通道高速采集卡(1103)、门电路控制和I/O卡(1104)连接。

本专利为达到高灵敏度和高分辨率的超声探伤检测，应采用本单位的另一专利所设计的高灵敏度超声波探头，否则噪音信号高，成像效果差甚至无法成像。

本专利为达到较高的探伤速度，提高探伤效率，采用各探头高速旋转而被检工件直线前进的探测扫查方式，实现以设定的螺距对工件进行螺旋线全面覆盖式的扫查。高速旋转机构应可靠解决超声检测时的水密封、无气泡的稳定的水耦合、可靠的电耦合等问题，其解决方案见本单位的另一专利所设计的高速旋转超声探测机构。

本专利采用以下方法实现对探测结果的直观显示：

本专利所设计的超声探伤检测系统除具有多通道的常规超声探伤仪所具有的A-扫描显示方式外，还能显示判废图(A-L图)、B-扫描图(t-A-L图)和C-扫描图(a-A-L图)，对检测结果进行成像显示。从而显示出检测信号的幅值大小(即缺陷的严重程度)、缺陷在工件长度方向的位置和缺陷长度、缺陷在工件的周向位置的分布情况、缺陷在工件表面下的深度(如管材的内外壁缺陷指示)等信息。A代表检测信号幅度(往往指示缺陷的严重程度)，L代表距离从开始检测点的工件的轴向长度，t代表超声波信号从入射点到缺陷所经历的时间，a代表缺陷在工件周向的角度位置，其范围为0°～～360°。

在超声波探伤记录时，应记录某次发射超声波时超声波从适当起点(如界面回波)到报警闸门结束这一段时间内的超声波信号波形数据、位移编码器所指示的正在检测点到工件开始检测点的长度数据以及旋转角度编码器所指示的探头每旋转一周的所处的角度位置数据，以便进行成像显示。超声探伤检测时会有大量的数据，能够全部记录当然最好，但大多情况下不必都进行记录，应当进行检测记录速率控制和显示速率控制。

检测记录控制方法如下：

记录速率控制是指：因为自动检测时会有大量的检测数据，不必都记录，比如当扫查螺距为s毫米时，且当探头检测工件轴向长度每达到n*s毫米时(即扫查n个螺距)，这段时间T内会得到很多的超声波信号波形数据，可以只记录这段时间内的从界面波开始到闸门结束的所有波形数据中的闸门内有最大回波幅度(伤信号幅度)的那一组波形数据，将其幅度以一条竖线显示在上图的A-L曲线图(判废图)上，该图横轴表示管长度方向，竖轴表示管长方向上各点的伤信号幅值，当伤信号超过报警线时时显示为红色，未达到报警线时该竖线可分别显示为浅绿色、浅兰色、黄色和橙色，浅绿色可代表伤信号达到报警线的25％高度，浅蓝色可代表伤信号达到报警线的25~50％高度，黄色可代表伤信号达到报警线的50~75％高度，橙色可代表伤信号达到报警线的75~99％高度，如图所示；将从界面波开始到闸门结束的波形数据以一条色阶竖线显示在上图的t-L曲线图上(相当于一种B扫描显示方式)，该图横轴表示管长度方向，竖轴表示超声声时(声程上各点的信号幅度(以色阶的颜色表示))，t-L图上应有两条可上下移动的水平线分别指示内伤和外伤的位置。这样A-L图和t-L图一起就能表示出管上什么位置有没有缺陷，缺陷信号幅度有多大，缺陷是在内壁还是外壁。为了进行C-扫描成像，还需记录缺陷在周向的位置，可以每隔周向5°暂时记录一个这5°之内的从界面波开始到闸门结束的所有波形数据中的闸门内有最大回波幅度(伤信号幅度)的那一组波形数据，探头扫查一周共暂时记录72个波形数据，当探头检测工件轴向长度每达到n*s毫米时(即扫查n个螺距)，在这段时间T内会得到n组72个暂时的波形数据，计算得到这72个各自角度范围内的n个回波闸门内的最大回波幅度的72个波形数据进行记录。这样C-扫描图上的横轴每个像素点代表n*s毫米，竖轴共72个像素点，分别代表0°～～360°(每个像素点代表5°)，每个像素点的颜色代表伤信号幅度(按色阶表示)。从C-扫描图上可以显示出缺陷是纵向缺陷还是横向缺陷。按上述方法进行记录可能还是数据量较大，检测完毕应当采用数据压缩程序进一步压缩后存盘。检测记录控制程序框图如图4所示。

本发明的优点：

检测记录能直观地显示出缺陷的大小和位置及其严重程度，对这些显示图形和数据只需要简单的分析判读，即能作出结论，所需分析时间短，对分析人员的技术水平要求不高。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为系统结构组成图；

图2为检测机构组成示意图及缺陷显示方式示意图；

图3为色阶与伤信号高度对比图；

图4为检测记录控制程序框图。

具体实施方式

实施例1

本实施例主要描述管材超声波探伤系统中的超声波探伤检测部分，一种数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统，其特征在于：所述的数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统包括待检工件台(1)，上料传送台(2)，对接机构(3)，高速检测台(4)，分离机构(5)，下料传送台(6)，分选机构(7)，合格工件仓(8)，不合格品仓(9)，水循环系统(10)，无损检测仪器系统(11)和电气控制系统(12)；

其中：上料传送台(2)与待检工件台(1)连接，对接机构(3)与高速检测台(4)和上料传送台(2)连接，高速检测台(4)与水循环系统(10)、对接机构(3)、分离机构(5)、无损检测仪器系统(11)连接，分离机构(5)与下料传送台(6)连接，下料传送台(6)与合格工件仓(8)、不合格品仓(9)连接，分选机构(7)同时与合格工件仓(8)、不合格品仓(9)连接，电气控制系统(12)同时与待检工件台(1)，上料传送台(2)，对接机构(3)，高速检测台(4)，分离机构(5)，分选机构(7)，水循环系统(10)，无损检测仪器系统(11)连接。

所述的高速检测台(4)包括升降机构(401)、工件的定心驱动机构(402)、探头夹持机构(403)、探头调整机构(404)、电机(405)、探头旋转体机构(406)、旋转水密封机构(407)、旋转电耦合机构(408)、旋转喷水器(409)、位置传感器(410)、位移编码器(411)、旋转角度编码器(412)；

其中：升降机构(401)与工件的定心驱动机构(402)相连，探头夹持机构(403)与探头调整机构(404)相连，三个电机(405)分别与定心驱动机构(402)、探头旋转体机构(406)相连，旋转水耦合机构(407)、旋转电耦合机构(408)、旋转喷水器(409)同时与探头旋转体机构(406)相连，位置传感器(410)、位移编码器(411)、旋转角度编码器(412)分别固定在升降机构(401)上。

所述的数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统采用以下方法实现对探测结果的直观显示：

系统具有多通道的常规超声探伤仪所具有的A-扫描显示方式外，还显示判废图——A-L图、B-扫描图——t-A-L图、C-扫描图——a-A-L图和三维立体图，显示出检测信号的幅值大小，即缺陷的严重程度；以及缺陷在工件长度方向的位置和缺陷长度、缺陷在工件的周向位置的分布情况、缺陷在工件表面下的深度信息；上述A代表检测信号幅度，指示缺陷的严重程度，L代表距离从开始检测点的工件的轴向长度，t代表的是超声波信号从入射点到缺陷所经历的时间，a代表缺陷在工件周向的角度位置，范围0°-360°；三维立体图成像显示出缺陷在工件中的位置和大小。

所述的数字成像管棒材缺陷无损探伤检测系统，在超声探伤检测时检测记录控制的方法如下：

第一步：根据所需的周向显示精度，将工件周向以每隔1度或2度或5度等等分成相应等分N，并根据所需的纵向显示精度，确定成像显示每个像素点所代表的螺距个数M，所有暂存器清零；第二步：发射一次超声波，记录该次发射超声波时超声波从适当起点(如界面回波)到报警闸门结束这一段时间内的超声波信号波形数据、位移编码器(411)所指示的正在检测点到工件开始检测点的长度数据以及旋转角度编码器(412)所指示的探头每旋转一周的所处的角度位置数据，将这些数据放置于某一暂存空间，以便进行成像显示；第三步：比较该次与前次脉冲回波闸门最大值，保存其中较大者这一组数据；第四步：比较角度编码器数据是否已到达360度/N，如未达到，则转第二步；第五步：将此360度/N圆周长中最大回波数据组记录下来，并判断是否已检测一周，如未达到，则转第二步；第六步：将M周各个360度/N圆周长中最大回波数据组进行比较，取最大者那一组，共得到N组，将此N组数据存盘，并在A-L图上显示此N组数据闸门内幅度最大值中的最大值，在t-A-L图上将此N组数据闸门内幅度最大值中的最大值的那一组波形数据以一条色标线显示出来，在a-A-L图中将此N组数据闸门内N个幅度最大值以一条色标线显示出来；第七步：循环第二步直至检测结束；第八步：根据上述t-A-L图含缺陷深度信息和a-A-L图含缺陷平面位置信息，进行三维立体成像。

所述的待检工件台(1)由管棒料摆放整理机构(101)、上料机构(102)和位置传感器(103)组成，管棒料摆放整理机构(101)与上料机构(102)连接，位置传感器(103)安装在上料机构(102)上。

所述的分离机构(5)包括气缸(501)、夹紧辊(502)、位置传感器(503)，机构框体(504)，气缸(501)与夹紧辊(502)连接并安装在机构框体(504)上，位置传感器(503)安装在机构框体(504)上。

所述的下料传送台(6)包括电机一(601)、辊道(602)和位置传感器(603)，框架(604)，电机(601)与辊道(602)连接，位置传感器(603)安装在框架(604)上。

所述的无损检测仪器系统(11)包括超声波探伤系统和涡流探伤系统，超声波探伤系统由超声信号前置放大器(1101)、多通道超声波板卡(1102)、多通道高速采集卡(1103)、门电路控制和I/O卡(1104)、工控机(1105)组成；

其中：前置放大器(1101)通过总线与高速检测台(4)连接，多通道超声波板卡(1102)通过总线分别与前置放大器(1101)和多通道高速采集卡(1103)连接，和多通道高速采集卡(1103)又与门电路控制和I/O卡(1104)连接，门电路控制和I/O卡(1104)通过总线与电气控制系统(12)连接，工控机(1105)通过总线分别与多通道超声波板卡(1102)、多通道高速采集卡(1103)、门电路控制和I/O卡(1104)连接。

本实施例为达到高灵敏度和高分辨率的超声探伤检测，应采用本单位的另一专利所设计的高灵敏度超声波探头。

本实施例为达到较高的探伤速度，提高探伤效率，采用各探头高速旋转而被检工件直线前进的探测扫查方式，实现以设定的螺距对工件进行螺旋线全面覆盖式的扫查。高速旋转机构应可靠解决超声检测时的水密封、无气泡的稳定的水耦合、可靠的电耦合等问题，其解决方案见本单位的另一专利所设计的高速旋转超声探测机构。本实施例采用以下方法实现对探测结果的直观显示：

本实施例所设计的超声探伤检测系统除具有多通道的常规超声探伤仪所具有的A-扫描显示方式外，还能显示判废图(A-L图)、B-扫描图(t-A-L图)和C-扫描图(a-A-L图)，对检测结果进行成像显示。从而显示出检测信号的幅值大小(即缺陷的严重程度)、缺陷在工件长度方向的位置和缺陷长度、缺陷在工件的周向位置的分布情况、缺陷在工件表面下的深度(如管材的内外壁缺陷指示)等信息。A代表检测信号幅度(往往指示缺陷的严重程度)，L代表距离从开始检测点的工件的轴向长度，t代表超声波信号从入射点到缺陷所经历的时间，a代表缺陷在工件周向的角度位置，其范围为0°～～360°。

在超声波探伤记录时，应记录某次发射超声波时超声波从适当起点(如界面回波)到报警闸门结束这一段时间内的超声波信号波形数据、位移编码器所指示的正在检测点到工件开始检测点的长度数据以及旋转角度编码器所指示的探头每旋转一周的所处的角度位置数据，以便进行成像显示。超声探伤检测时会有大量的数据，能够全部记录当然最好，但大多情况下不必都进行记录，应当进行检测记录速率控制和显示速率控制。

记录速率控制是指：因为自动检测时会有大量的检测数据，不必都记录，比如当扫查螺距为s毫米时，且当探头检测工件轴向长度每达到n*s毫米时(即扫查n个螺距)，这段时间T内会得到很多的超声波信号波形数据，可以只记录这段时间内的从界面波开始到闸门结束的所有波形数据中的闸门内有最大回波幅度(伤信号幅度)的那一组波形数据，将其幅度以一条竖线显示在上图的A-L曲线图(判废图)上，该图横轴表示管长度方向，竖轴表示管长方向上各点的伤信号幅值，当伤信号超过报警线时时显示为红色，未达到报警线时该竖线可分别显示为浅绿色、浅兰色、黄色和橙色，浅绿色可代表伤信号达到报警线的25％高度，浅蓝色可代表伤信号达到报警线的25~50％高度，黄色可代表伤信号达到报警线的50~75％高度，橙色可代表伤信号达到报警线的75~99％高度，如图所示；将从界面波开始到闸门结束的波形数据以一条色阶竖线显示在上图的t-L曲线图上(相当于一种B扫描显示方式)，该图横轴表示管长度方向，竖轴表示超声声时，t-L图上应有两条可上下移动的水平线分别指示内伤和外伤的位置。这样A-L图和t-L图一起就能表示出管上什么位置有没有缺陷，缺陷信号幅度有多大，缺陷是在内壁还是外壁。为了进行C-扫描成像，还需记录缺陷在周向的位置，可以每隔周向5°暂时记录一个这5°之内的从界面波开始到闸门结束的所有波形数据中的闸门内有最大回波幅度(伤信号幅度)的那一组波形数据，探头扫查一周共暂时记录72个波形数据，当探头检测工件轴向长度每达到n*s毫米时(即扫查n个螺距)，在这段时间T内会得到n组72个暂时的波形数据，计算得到这72个各自角度范围内的n个回波闸门内的最大回波幅度的72个波形数据进行记录。这样C-扫描图上的横轴每个像素点代表n*s毫米，竖轴共72个像素点，分别代表0°～～360°(每个像素点代表5°)，每个像素点的颜色代表伤信号幅度(按色阶表示)。从C-扫描图上可以显示出缺陷是纵向缺陷还是横向缺陷。按上述方法进行记录可能还是数据量较大，检测完毕应当采用数据压缩程序进一步压缩后存盘。