用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法技术方案

本申请揭示了一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法，利用该检测方法，可以对材料深层的亚波长尺度的线状微裂隙尺寸进行定量检测。材料深处的微裂纹被超声脉冲激发后，会产生超声散射和反射，利用超声换能器接收到这些超声信号之后，经过信号放大器、模数转换器，存储在计算机内，通过计算获得超声信号的功率谱。对功率谱低频频段作线性拟合可以得到功率谱斜率这个频谱参量，频谱斜率和微裂隙的直径有一一对应的关系，通过计算此斜率可以对亚波长的微裂隙直径作定量评估。由于该定量检测方法所需工作频率低，因此该方法提供了一种非侵入性、非电离、便宜安全的深层微裂隙尺度的评估方法。

Ultrasonic measuring system and detecting method for detecting deep structure cracks

The application discloses a measurement system for ultrasonic crack detection of deep structure and detection methods, the detection method of the material can be deep subwavelength scale linear microcracks size were detected. The micro crack depths of the material by ultrasonic pulse excitation, will produce ultrasonic scattering and reflection, after using the ultrasonic transducer receives the ultrasonic signal, a signal amplifier, an analog-to-digital converter and stored in computer, power spectrum of the ultrasonic signal by calculation. The power spectrum of low frequency linear fitting can get the power spectrum of the slope spectrum parameters correspond to spectral slope and micro cracks of the diameter of micro cracks through the slope of the diameter calculation of sub wavelength quantitative assessment. Due to the low operating frequency required by this quantitative detection method, the method provides a non-invasive, non ionizing, cheap and safe method for evaluating the depth of micro fractures.

【技术实现步骤摘要】
用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法
本专利技术属于裂隙检测
，尤其涉及一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法。
技术介绍
材料内部微缺陷的评估是现代制造业产品质量控制的重要环节，例如金属内部疲劳裂纹、焊接缺陷控制、3D打印质量在线监测、多层复合材料脱粘评估等等，均与材料内部的微裂隙密切有关。因此，对材料微裂隙的定量检测对于材料和产品质量的控制具有重要的工程价值。超声检测手段是最重要的无损检测手段之一，超声波具有穿透深度大、分辨率高等特点，可以提供被检测样品多维度、不同深度、不同尺度的结构和功能特性；此外，微裂隙中的包裹杂质或者空腔，与周围材料的声阻抗特性失配严重，容易引起强烈的声散射和反射，因此，超声检测手段对于微裂隙的检测上在灵敏度上具有先天优势；最后，超声检测相对于利用X射线、γ射线等进行的放射探伤相比，具有非常好的生物安全性，因此，超声检测手段不仅仅有利于对于检测操作人员健康的保护，而且在生物医学成像领域也具有巨大的应用前景。传统超声方法对微裂隙进行检测和成像时，其空间分辨率取决于超声测量系统所发射的超声波的频率和带宽。为了定量地测量微裂隙尺寸，必须采用高频、宽带超声系统。例如，为了获得50μm的空间分辨率，超声测量系统的工作频率至少要在50MHz以上，这么高频率的超声波只能穿透非常短的材料，比如，在生物软组织中的穿透深度仅有3mm；如果将工作频率降到3.5MHz，虽然穿透深度提高了，但是空间分辨率降低到只有200μm左右。因此，传统的超声检测系统，其分辨率和穿透深度之间总是互相冲突的。
技术实现思路
本专利技术的目的，是提供了一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统及检测方法，该方法通过计算微裂隙超声回波信号的功率谱，并提取频谱斜率参量作为成像参量。由于频谱斜率参量提取于超声信号的低频频段，这个频域所对应的波长大于微裂隙尺寸，且低频信号能在材料传播较长距离，从而实现了对材料深层微裂隙的定量评估。并且，通过引入一个校准过程，可以使得此方法和实验系统本身的响应无关。本文专利技术采用的技术方案为：第一方面，提供了一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统包括超声换能器、信号放大器、采集卡、数模转换器、模数转换器和计算模块，其中：所述计算模块与所述数模转换器的输入端相连，所述数模转换器的输出端与所述信号放大器相连；所述计算模块还与所述模数转换器的输出端相连，所述模数转换器的输入端与所述采集卡相连，所述采集卡与所述信号放大器相连；所述信号放大器与所述超声换能器相连。可选的，所述超声换能器为用于发射超声波和接收超声波的超声波收发器。可选的，该超声测量系统安置于显微镜内，或者，该超声测量系统为显微镜。第二方面提供了一种用于深层结构裂隙的检测方法，所述方法应用于第一方面所述的超声测量系统中，所述方法包括：利用所述超声测量系统的超声换能器向超声波全反射界面发射第一超声脉冲，获取所述第一超声脉冲反射回的第一声波信号，计算所述第一声波信号的功率谱，得到第一功率谱；利用所述显微镜的超声换能器向被测物体的微裂隙上发射第二超声脉冲，获取所述第二超声脉冲反射回的第二声波信号，计算所述第二声波信号的功率谱，得到第二功率谱；将所述第一功率谱除以所述第二功率谱，得到校准后的功率谱；在预定低频频段内对所述校准后的功率谱做线性拟合，得到线性拟合对应的斜率值；根据预先计算得到的斜率值与微裂隙的直径之间的对应关系，获取所述线性拟合对应的斜率值所对应的直径。可选的，所述方法还包括：获取校准后的超声回波功率谱函数，所述超声回波功率谱函数仅与微裂隙的直径参数相关；将所述超声回波功率谱函数换算成对数坐标，在预定带宽范围内，对进行过对数坐标换算的超声回波功率谱函数进行线性拟合，得到线性拟合后对应的斜率函数，将所述斜率函数记为功率谱斜率函数，所述功率谱斜率函数中直径参数为自变量，功率谱斜率为因变量；根据所述功率谱函数，计算各个直径所对应的功率谱斜率，得到各个直径与功率谱斜率之间的对应关系。可选的，所述获取超声回波功率谱函数，包括：将超声测量系统的响应函数、超声回波信号函数以及超声波反射系数函数进行卷积运算，得到超声回波信号函数；对所述超声回波信号函数进行傅里叶变换，得到频域的超声信号函数；对所述超声信号函数求共轭，得到超声回波信号的功率谱函数；计算校准信号的功率谱函数；将所述超声回波信号的功率谱函数除以所述校准信号的功率谱函数，得到校准后的超声回波功率谱函数。可选的，所述计算校准信号的功率谱函数，包括：将超声测量系统的响应函数、超声回波信号函数以及狄拉克函数进行卷积运算，得到校准信号的超声回波信号函数，所述狄拉克函数的自变量包含用于指示全反射面与超声测量系统的超声换能器之间的距离参数；对所述校准信号的超声回波信号函数进行傅里叶变换后求共轭，得到校准信号的功率谱函数。可选的，在所述计算各个直径所对应的功率谱斜率，得到各个直径与功率谱斜率之间的对应关系之后，所述方法还包括：存储各个直径与功率谱斜率之间的对应关系。本专利技术与传统的超声显微成像技术以及其它的无损检测技术相比，优势在于：第一，相比于传统的超声回波幅度参数，校准后的超声回波信号的频谱参数具有设备无关性的优点。从校准后的超声回波信号中提取出的频谱斜率仅与微裂隙的超声反射系数函数有关，而与超声测量系统的频率响应、增益等系统参数无关，因此，采用频谱斜率作为成像参量，频谱参量值能够定量地反映微裂隙的特征尺度。第二，传统的基于超声回波强度的超声检测技术，要得到较高的分辨率则需要提高系统的频率和带宽，但是高频超声波衰减大、穿透深度浅，所以限制了传统的超声检测技术对于微裂隙的成像深度。而本专利技术利用对超声回波信号的频域处理，得到低频频段内频域斜率和微裂隙特征尺度之间的定量关系，可以达到在低频频带内对亚波长尺寸的微裂隙定量测量的目的，同时也是提高了检测深度。第三，本专利技术具有非侵入性、无电离辐射、安全便宜的特点。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本专利技术。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1是本专利技术一个实施例中提供的用于检测深层结构裂隙的超声测量系统的结构示意图；图2是本专利技术一个实施例中提供的用于深层结构裂隙的检测方法的流程图；图3a是本专利技术一个实施例中提供的对圆柱形微裂隙进行测试时的示意图；图3b是本专利技术一个实施例中提供的功率谱的函数图；图3c是本专利技术一个实施例中提供的微裂隙直径与功率谱斜率的对应关系示意图；图4a是本专利技术另一个实施例中提供的功率谱的函数图；图4b是本专利技术另一个实施例中提供的微裂隙直径与功率谱斜率的对应关系示意图；图5是本专利技术一个实施例中利用超声测量系统对不同尺寸圆柱形裂隙分布的区分的示意图。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本专利技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本专利技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。请参见图1所示，其是本专利技术一个实施例中提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统包括超声换能器、信号放大器、采集卡、数模转换器、模数转换器和计算模块，其中：所述计算模块与所述数模转换器的输入端相连，所述数模转换器的输出端与所述信号放大器相连；所述计算模块还与所述模数转换器的输出端相连，所述模数转换器的输入端与所述采集卡相连，所述采集卡与所述信号放大器相连；所述信号放大器与所述超声换能器相连。

【技术特征摘要】
1.一种用于检测深层结构裂隙的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统包括超声换能器、信号放大器、采集卡、数模转换器、模数转换器和计算模块，其中：所述计算模块与所述数模转换器的输入端相连，所述数模转换器的输出端与所述信号放大器相连；所述计算模块还与所述模数转换器的输出端相连，所述模数转换器的输入端与所述采集卡相连，所述采集卡与所述信号放大器相连；所述信号放大器与所述超声换能器相连。2.根据权利要求1所述的超声测量系统，其特征在于，所述超声换能器为用于发射超声波和接收超声波的超声波收发器。3.根据权利要求1或2所述的超声测量系统，其特征在于，所述超声测量系统安置于显微镜内，或者，所述超声测量系统为显微镜。4.一种用于深层结构裂隙的检测方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1所述的超声测量系统中，所述方法包括：利用所述超声测量系统的超声换能器向超声波全反射界面发射第一超声脉冲，获取所述第一超声脉冲反射回的第一声波信号，计算所述第一声波信号的功率谱，得到第一功率谱；利用所述超声测量系统的超声换能器向被测物体的微裂隙上发射第二超声脉冲，获取所述第二超声脉冲反射回的第二声波信号，计算所述第二声波信号的功率谱，得到第二功率谱；将所述第一功率谱除以所述第二功率谱，得到校准后的功率谱；在预定低频频段内对所述校准后的功率谱做线性拟合，得到线性拟合对应的斜率值；根据预先计算得到的斜率值与微裂隙的直径之间的对应关系，获取所述线性拟合对应的斜率值所对应的直径。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：获取校准后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：项四平，陶超，
申请(专利权)人：无锡海鹰电子医疗系统有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32