一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，根据待测零件的形状大小，对待测零件进行检测，通过探头的移动，检测到零件内部缺陷并在超声相控阵仪器上进行显示，然后保存数据，获取待测零件内部缺陷的对应切片图像后，以S显示为主要的图像信息进行数据保存；对采集到的缺陷显示图像进行图像处理；求取处理好缺陷的切片图像的质心，并标定质心的位置，计算得出每个切片图像上缺陷的面积；采用等面积的圆替换形状复杂的缺陷，将所有的图片进行面积等效处理，重构缺陷的三维模型，计算得到零件内部重建缺陷的三维参数用于反映零件的内部结构。本发明专利技术方法成本低、耗时相对较少、设备简易便于携带、可实现在线检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法
本专利技术属于工业超声无损检测
，具体涉及一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法。
技术介绍
工业领域，一方面，大型装备通常在高温、强压、重载荷等恶劣的环境下工作，这样的工作环境对零部件容易造成疲劳损伤、腐蚀、烧伤、裂纹等不同程度的缺陷，极大地影响着设备的正常工作，甚至直接对设备造成不可修复性的破坏，极大地影响了工业的生产效率，同时，其对技术人员的人身安全也是一个隐患；另一方面，在高温、强压、重载荷等恶劣条件下循环工作的零部件，由于在生产、制造、加工等过程中容易产生气孔、疏松、裂纹、夹渣等形式的缺陷，如燃气轮机发动机转子、转子上安装的叶片、压力容器、石油管道等零部件，将严重影响设备整机的工作性能、使用寿命以及运行的安全可靠性。因此，研究大型设备零部件内部缺陷的检测技术、提取缺陷的三维参数，对零部件的出厂合格性检测、使用寿命预估、提高工业生产效率、降低安全隐患等方面都有重要而深远的意义。常规的无损检测技术主要有射线检测，超声检测，渗透检测，涡流检测等方式。常规的渗透检测，涡流检测等方式主要是针对待测对象近表面的缺陷进行检测，一般检测范围为几个毫米，无法有效获取检测对象的内部缺陷；射线检测方法主要采用工业射线对叶片进行透照，借助胶片成像来实现对叶片内部缺陷的检测。该方法具有成像分辨率高、灵敏度高、直观可靠等优点，在工业无损检测领域发挥着重要的作用。但此方法本质上是将零件沿透照方向在胶片上投影成像，故仅能够清晰显示出缺陷的二维特征信息，对于缺陷在透照方向上的三维特征信息却无法显示，即使是经验丰富的专业技术人员也很难精确估计这一维度上的信息，工作效率较低、成本较高，且重复性较差；工业CT技术通过对待测对象进行大量切片，然后采用图像重构技术重建零件的内部结构，可以直观、准确的反映出零件的内部结构，从而获取精确的三维特征参数，但由于工业CT设备费用高昂、检测费用昂贵、对零件需要进行大量切片，时间利用率较低，不适合用于大批量检测，对不便拆卸的大型设备的零部件的检测更无从谈起。超声相控阵技术利用相控阵探头可以对零件内部进行多角度、动态的聚焦扫查，通过合理设计探头的扫查路径，结合超声相控阵设备的S、C、A等多种显示方式，可以实现对待测零件的实时成像、分层扫查。相比工业CT检测方法，超声相控阵技术能实现零件的实时在线检测、分层扫查，其检测周期短、设备价格低廉、劳动强度相对较小、检测精度比工业CT稍低，但已满足一般工业领域检测精度的需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，解决了当前工业领域大型设备，诸如燃气轮机发动机转子、转子上安装的叶片、压力容器、石油管道等零部件提取内部缺陷三维参数困难、可靠性不足、方法不成熟等多方面问题。本专利技术采用以下技术方案：一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，根据待测零件的形状大小，对待测零件进行检测，通过探头的移动，检测到零件内部缺陷并在超声相控阵仪器上进行显示，然后保存数据，获取待测零件内部缺陷的对应切片图像pi后，以S显示为主要的图像信息进行数据保存；对采集到的缺陷S显示图像p1,p2,...,pi进行图像处理；求取处理好缺陷的切片图像的质心Oi，并标定质心Oi的位置，计算得出每个切片图像上缺陷的面积Si；采用等面积的圆替换形状复杂的缺陷，将所有的图片进行面积等效处理，重构缺陷的三维模型，计算得到零件内部重建缺陷的三维参数用于反映零件的内部结构。具体的，探头对待测零件进行检测具体为：首先设置好相控阵的扫查参数，然后在待测零件上涂抹厚度均匀的耦合剂，缓慢移动探头，直到仪器显示出缺陷来，移动探头，确定缺陷所在的大致区域；根据确定的缺陷所在大致区域，设置探头的扫查路径为沿横向进行扫查，沿纵向进位。具体的，图像处理具体包括以下步骤：S201、将切片图像pi转换为灰度图；S202、对缺陷灰度图进行高斯、中值滤波，选取滤波降噪效果好的缺陷图片；S203、对经过滤波降噪的图片进行形态学操作，提取缺陷边缘。具体的，通过计算机读取缺陷图像每个像素点的像素值I(xi,yi)得到缺陷图像质心Oi的坐标获取缺陷所在区域包含的所有像素点的个数得到切片图像pi中缺陷的面积Si。进一步的，设图像的像素点个数为M×N，缺陷图像质心Oi的坐标表示如下：进一步的，根据每个像素点的边长a确定每个像素点的面积Lpixel2，得到缺陷的面积Si如下：Si＝n·Lpixel2其中，n为目标像素点总数。具体的，将切片图像Pi中不规则形状的缺陷通过面积等效变换为新切片Pi'中的圆形缺陷，得到以圆形区域显示标记了缺陷质心Oi'的缺陷切片图像Pi'，根据切片图像之间的关系确定缺陷体积Vi，通过将所有切片依次排列，以标定圆心Oi的连线作为缺陷的中心线，构建成彼此连接、顺次贯通的管状缺陷三维模型。进一步的，当第i次和第i+1次探头的扫查方向平行，以圆Oi、Oi+1分别表示切片Pi、Pi+1中的缺陷区域，ri、ri+1分别表示对应的等效缺陷圆半径，di表示第i次探头沿进位轴方向的进位距离，得到第i段缺陷的体积Vi如下：其中，Si、Si+1分别表示切片Pi、Pi+1中缺陷的面积。进一步的，当第i次和第i+1次探头的扫查方向不平行，设相邻两切片图像的法向矢量分别为该相邻切片图像的方向矢量为确定截面轮廓在方向矢量方向上的投影面积Sj，进而得到第i段缺陷斜截面的体积Vi如下：其中，为第i次探头沿进位轴方向进位距离的方向矢量，φi为与之间的夹角，μi为与之间的夹角。进一步的，依次求取出所有相邻切片Pi'、Pi'+1对应缺陷段的体积，通过把所有相邻段的体积相加即可得到缺陷的总体积V如下：其中，Vi为第i段缺陷的体积。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术公开的零件内部缺陷三维参数提取方法以超声相控阵为技术支撑，通过合理地设置相控阵探头的横向、纵向扫查，获取缺陷的多幅切片图，结合图像处理的相关处理技术，对缺陷图像进行滤波、降噪、提取边缘等操作，充分利用图像成像机理，并合理运用计算机处理像素点信息，从而获取缺陷图像的质心和面积，为缺陷切片的面积等效做好了准备工作，得到标定质心、等效面积的缺陷图后，以切片质心的连线为中心线，依次将所有切片按照顺序排列起来，构成一个彼此连接、顺次贯通的管状三维模型，最后，结合相关的计算公式，求得零件内部缺陷的三维参数，充分利用超声相控阵设备的成像机理，容易获取缺陷的多幅切片图像，成像直观，检测成本较低；利用面积等效处理原理，以圆面等效不规则的缺陷区域，给后续数据从处理提供了极大的便利，在既不引进计算误差的前提下，简化了计算步骤，提高了工作效率；重构的缺陷三维模型是一个彼此连接、顺次贯通的管状三维模型，根据相关计算公式可以方便计算其体积，避免陷入相关曲线曲面拟合、复杂的缺陷参数提取过程，为提取零件内部缺陷三维参数提供了思路和借鉴。进一步的，探头沿横向进行扫查是为了获取缺陷在横截面上的大致位置，方便设置探头的横向移动，以利于切片图的成像，从而获取该横向移动路径上缺陷的切片图，为后续缺陷的图像处理做准备；探头沿纵向进位，首先是为了根据缺陷在纵向的长度，来设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，其特征在于，根据待测零件的形状大小，对待测零件进行检测，通过探头的移动，检测到零件内部缺陷并在超声相控阵仪器上进行显示，然后保存数据，获取待测零件内部缺陷的对应切片图像pi后，以S显示为主要的图像信息进行数据保存；对采集到的缺陷S显示图像p1,p2,...,pi进行图像处理；求取处理好缺陷的切片图像的质心Oi，并标定质心Oi的位置，计算得出每个切片图像上缺陷的面积Si；采用等面积的圆替换形状复杂的缺陷，将所有的图片进行面积等效处理，重构缺陷的三维模型，计算得到零件内部重建缺陷的三维参数用于反映零件的内部结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，其特征在于，根据待测零件的形状大小，对待测零件进行检测，通过探头的移动，检测到零件内部缺陷并在超声相控阵仪器上进行显示，然后保存数据，获取待测零件内部缺陷的对应切片图像pi后，以S显示为主要的图像信息进行数据保存；对采集到的缺陷S显示图像p1,p2,...,pi进行图像处理；求取处理好缺陷的切片图像的质心Oi，并标定质心Oi的位置，计算得出每个切片图像上缺陷的面积Si；采用等面积的圆替换形状复杂的缺陷，将所有的图片进行面积等效处理，重构缺陷的三维模型，计算得到零件内部重建缺陷的三维参数用于反映零件的内部结构。2.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，其特征在于，探头对待测零件进行检测具体为：首先设置好相控阵的扫查参数，然后在待测零件上涂抹厚度均匀的耦合剂，缓慢移动探头，直到仪器显示出缺陷来，移动探头，确定缺陷所在的大致区域；根据确定的缺陷所在大致区域，设置探头的扫查路径为沿横向进行扫查，沿纵向进位。3.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，其特征在于，图像处理具体包括以下步骤：S201、将切片图像pi转换为灰度图；S202、对缺陷灰度图进行高斯、中值滤波，选取滤波降噪效果好的缺陷图片；S203、对经过滤波降噪的图片进行形态学操作，提取缺陷边缘。4.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，其特征在于，通过计算机读取缺陷图像每个像素点的像素值I(xi,yi)得到缺陷图像质心Oi的坐标获取缺陷所在区域包含的所有像素点的个数得到切片图像pi中缺陷的面积Si。5.根据权利要求4所述的一种基于超声相控阵的零件内部缺陷三维参数提取方法，其特征在于，设图像的像素点个数为M×N，缺陷图像质心Oi的坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兵，李应飞，陈磊，周浩，高飞，魏翔，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61