一种层片状缺陷分布的超声三维成像检测方法

摘要

本发明涉及一种层片状缺陷分布的超声三维成像检测方法，首先，提出采用超声水浸聚焦分层C扫描方法提取层片状缺陷超声三维成像数据，通过试验方法测量聚焦声束的聚焦区域，并据此确定分层C扫描间隔，达到高效、准确采集数据的目的。其次，提出三维成像数据重构方法，按分层扫描焦点位置及焦区范围设置搜索窗口，在窗口范围内进行脉冲波峰搜索，确定缺陷的三维空间分布。最后，基于虚拟仪器的编程环境设计和开发三维成像软件实现对内部层片状缺陷的三维成像。本发明的优点在于，解决了工业构件三维成像数据的获取、处理、重建、可视化的计算量较大、检测成本高等问题，达到准确、快速的无损测量工件内部层片状缺陷三维分布及尺寸的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种层片状缺陷的超声三维成像方法，具体涉及一种材料内部层片状缺陷分布的超声三维成像检测方法。

背景技术

材料加工过程中存在许多层片状缺陷，如：折叠、裂纹、层片型夹杂等，该类缺陷对材料的使用性能造成不利影响。对上述缺陷的尺寸、延伸、分布进行准确评价对于提高材料新能、促进工艺革新具有重要作用。三维超声成像能提供丰富的立体结构信息，在医学领域已得到了广泛的应用。理论上，可通过超声三维成像技术无损的测量材料内部的缺陷分布。然而，由于三维数据的获取、处理、重建与可视化的计算量较大、检测成本高，工业构件的超声三维成像技术及应用却鲜见报道。

虚拟仪器LabVIEW是美国国家仪器公司基于G语言开发的一种虚拟仪器平台。它提供了丰富的数据采集、分析和存储库函数。采用图形模式的结构框图构建程序代码，具有直观的图形化开发环境，强大的数据处理功能，丰富的可视化显示功能等特点。基于LabVIEW平台开发虚拟仪器及分析软件系统具有开发周期短、界面美观、使用灵活、扩展性强、接口众多等优点，已经广泛的用于高等院校、科研院所的教学科研与技术研发中。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，降低三维成像数据采集时间、系统的开发周期和研发成本，降低三维成像数据采集时间、系统的开发周期和研发成本，提供一种层片状缺陷分布的超声三维成像检测方法，针对于材料内部层片状缺陷的三维成像数据采集方法及数据重构，基于虚拟仪器技术开发了针对于弹簧扁钢内部缺陷检测的三维成像软件。该软件可与基于虚拟仪器开发的检测设备进行无缝对接，构成超声三维成像设备。同时，该发明还阐述了实施这一方法的具体步骤，并用特例进行了演示。

本发明包括如下具体步骤：一种层片状缺陷分布的超声三维成像检测方法，包括三维数据采集方法和数据重构方法；其特征在于包括如下具体步骤：

1）采用超声水浸聚焦C扫描法对检测对象进行分层扫描，提取各扫描层的全波形超声A扫描信号。扫描间隔按超声检测声束聚焦区高度进行设置。

聚焦区高度的测量方法如下：

2）调整探头使底面反射波幅度最高，此时焦点聚于试样底面，可测得探头的实际水中焦距。

3）调整探头向下移动，底面反射波幅度下降至最高幅度的90%，设此时焦区上端与底面相交，记录探头水距和声束焦点在试样中的深度L_U；调整探头向上移动，底面反射波幅度下降至最高反射波幅度的90%，焦区下端与底面相交，记录探头水距和焦点在试样中的深度L_L。则，L_U-L_L为焦区高度。

4）对检测对象进行分层C扫描，每层高度等于焦区高度，声束焦点聚于各层中部，采集各层的全波形超声C扫描数据。

数据重构方法，其特征在于对采集的全波形数据加窗处理，搜索窗口范围内的脉冲波峰，并计算其三维坐标作为缺陷位置，该脉冲波峰的三维坐标即为缺陷三维坐标。具体步骤如下：

5） 按焦点位置和焦区范围设置窗口宽度，窗口高度略高于检测信号噪声幅度。只有在窗口宽度内并超出窗口高度的信号参与脉冲波峰的搜索。

6）搜索上述窗口中包含的脉冲波峰，脉冲波峰即为缺陷反射脉冲。根据脉冲波峰到达时间计算脉冲波峰深度（z）为缺陷深度，根据扫描参数计算此时探头在检测面（x-y面）上位置，即：缺陷在x-y面上的位置。

7）将所有缺陷位置坐标（x，y，z）重组为三维数组，将三维数组投射至三维空间坐标即获得缺陷的三维图像。

8）基于虚拟仪器技术设计三维成像软件实现了上述数据重构方法。三维成像软件界面包括：数据导入与窗口设置区、扫描参数设置区、缺陷三维成像区、分层二维C扫描成像区。

2. 所述的三维成像软件基于虚拟仪器的LabVIEW开发环境进行设计开发，该软件的具体操作步骤如下：

1）在数据导入与窗口设置区，设置三维数据存储路径、导入三维数据及基准波；按基准波设置窗口以确定分层数据的有效范围，窗口宽度及位置与分层扫描位置和层厚一致，窗口高度应略高于检测噪声平均幅度。

2）扫描参数设置区，设置扫描运动的步进长度及采样间隔、信号采样率、材料声速。

3）三维图像显示区，显示缺陷的三维分布、兼容各种视角。

4）分层二维C扫描成像区，显示任意深度的层析C扫描图像以便精确测量目标缺陷尺寸。

发明优点：该方法给出了三维数据采集方法、数据三维重构方法、软件实现、以及对一典型特例的实施效果。解决了工业构件三维成像数据的获取、处理、重建、可视化的计算量较大、检测成本高等问题，达到准确、快速的无损测量工件内部层片状缺陷三维分布及尺寸的目的。

附图说明

图1本发明的三维数据采集方法。

图2 本发明的焦区高度测量方法。

图3 本发明的三维数据重构方法。

图4本发明的三维成像软件前面板。

图5本发明的自然缺陷试样的三维成像图。

图6本发明的自然缺陷试样的7mm深处切片图。

图7本发明的自然缺陷试样的缺陷f截面金相图。

具体实施方式

以下结合附图和实施特例对本发明的技术方案作进一步描述。

（1）三维成像数据采集方法

超声水浸聚焦法可使探头在检测对象上方自由移动并保持均一良好的声耦合性能，是自动扫描成像的主要数据采集方式。受声束干涉和声透镜球差的影响，聚焦声束能量并非聚焦于一点，而是在焦点附近形成能量较高的聚焦区域，在该聚焦区域内可保持较好的检测精度和检测灵敏度。本发明基于水浸聚焦法对试块进行分层C扫描数据采集。图1显示：设分层扫描间隔为d，当探头位于位置1、2、3时，聚焦区域分别覆盖检测对象的a层区域、b层区域以及c层区域；探头在位置1、2、3分别做C扫描运动并逐点采集数据，即可实现对检测对象的完全覆盖。分层扫描间隔d可根据聚焦区域确定，分层扫描间隔是三维数据采集的关键问题，间隔过大将导致漏检、过小则导致效率过低。

本发明通过试验方法测量聚焦区域，并据此设置分层C扫描间隔d。调整探头高度使得底面反射波幅度最高，此时焦点聚于试样底面。可测得此时探头距试样上表面距离（水距：H），焦点距试样上表面距离L（焦点深度），已知：水中纵波声速C₁、试样中纵波声速C2，则据式（1）可测得探头的实际水中焦距F。

（1）

如图2所示，调整探头高度使反射波幅度最高，此时检测声束聚焦于检测对象底面，当探头向下移动时，底面反射波幅度下降至最高幅度的90%，设此时焦区上端与底面相交，记录此时水距H_U并据式（1）计算焦点深度L_U（如图1位置2）；当探头向上移动时，底面反射波幅度下降至最高反射波幅度的90%，设此时焦区下端与底面相交，记录水距H_L并据式（1）计算此时焦点深度L_L，（如图1位置3）。则聚焦区高度及分层扫描厚度d表示如下：

d=L_U-L_L>

（2）三维成像数据重构

对各层的C扫描数据进行加窗处理，对在窗口宽度范围(时域范围)内且幅度超过窗口高度的时域信号进行脉冲波峰搜索，搜索到的脉冲波峰被认为是缺陷反射脉冲。通过脉冲波峰时域位置可计算得到脉冲波峰深度，即：缺陷的z轴坐标（深度坐标）；根据C扫描参数计算采集到该脉冲波峰时检测探头的位置（x，y轴坐标），即为缺陷在检测面（x，y面）的位置坐标。根据上述方法可得到缺陷的三维分布位置（x，y，z）坐标，数据重构过程如图3所示。

窗口设置是脉冲波峰（缺陷）搜索的前提条件，因此应特别注意窗口的宽度和高度是否合适。由于每层扫描数据中仅聚焦区域内（厚度为d的分层范围内）的反射脉冲有效，因此窗口位置须与焦点位置一直、窗口宽度应与分层间隔d一致。此外，窗口高度应设定为略高于噪声信号幅度以避免噪声的干扰和缺陷误判，但窗口高度过高又会导致缺陷漏检。

（3）三维成像数据重构的编程实现

本发明基于LabVIEW平台设计和开发了适用于三维数据重构成像的软件系统，软件操作界面如图所示。图4为三维成像软件的操作界面，分为四个主要功能区，包括：数据导入与窗口设置区、扫描参数设置区、三维成像区、分层二维C扫描成像区，各区功能及设置方式详述如下：

1——数据导入与窗口设置区，包括：数据导入（存放）路径设置、基准波显示及窗口设置。波形显示窗口显示基准波形，通过基准波上的红色和黄色基准线设置窗口位置、宽度，窗口高度则通过输入相应幅度进行设置，只有窗口范围内的脉冲波形才会被用于三维成像。

2——扫描参数设置区用于设置扫描信息（步进长度及采样间隔）、信号采样率、材料声速。通过扫描信息可计算缺陷在x-y平面（扫描平面）的位置坐标，z方向的位置则由信号采样率及材料声速计算。

3——缺陷三维成像区用于显示缺陷的三维分布图像，三维坐标设置如下：x-y平面为C扫描平面，z方向为检测对象的深度（厚度）方向。此外，设置各种视角及投影，以便全方位观察内部缺陷。

4——分层二维C扫描成像区用于显示缺陷在检测对象不同深度的分布，实际上为各深度缺陷的C扫描图像，通过该图像能够精确的测量缺陷在x-y平面的尺寸。

特例实施与验证

为对上述方法和软件进行验证，发明中给出了一个实施特例，对弹簧扁钢中的层片状夹杂进行三维超声成像。合金弹簧钢广泛的应用于汽车、铁路、重型机械、军工，等各个领域，是国民经济建设的重要钢材品种之一。影响弹簧扁钢力学性能的主要危害是层片状夹杂缺陷，该类缺陷呈扁平的层片状且平行于扁钢表面，因此可以采用本发明提出的三维超声成像方法测量该类夹杂缺陷的分布。

弹簧扁钢样品尺寸为22*22*16mm。按焦区测量方法测量焦区高度和分层间隔d=5.9mm，因此对于16mm厚的试样只需进行三次C扫描即可获得全厚度范围的三维成像数据；即：分别将焦点设置于弹簧扁钢内部深度为3mm、9mm、15mm位置进行分层水浸聚焦C扫描数据采集。

将检测数据导入成像软件进行三维成像，如图5-7所示。将图5三维图像中几个主要的缺陷标示为a~h，各缺陷深度如表1所示。图5中还显示了缺陷在x-y平面的投影，从x-y平面的投影图上可清晰的显示g缺陷由g1、g2等几个不连续的小缺陷构成；图6为检测试样7mm深的层析C扫描图，可清晰显示缺陷f的C扫描图像，按图中白色切割线测量缺陷尺寸为1.2mm（从缺陷图像的蓝色边界测量）；由于缺陷c深度为7.5mm，离层析深度很近，因此图6中也能模糊显示该缺陷。此外，为进一步分析层析C扫描精度，按图6中白线切割试样做金相观察如图7所示；金相图显示缺陷f为长度为1.15mm的扁平缺陷，与二维层析C扫描图像的测量结果具有较好的一致性。该方法能够实现扁钢中层片状缺陷的无损三维分布测量与检测。

表1 各缺陷深度 (mm)

缺陷编号abcdefgh深度7.747.887.58.89.57.09.97.7