基于多模式多模态超声相控阵检测系统及非线性成像方法技术方案

本发明专利技术涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于多模式多模态超声相控阵检测系统及非线性成像方法，该系统包括相控阵换能器、相控阵触发器、相控阵控制器、计算机，相控阵换能器的输入输出端分别与相控阵控制器相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接。该发明专利技术的优点在于：本发明专利技术考虑了硬件系统非线性、材料基体非线性、耦合非线性等噪声的影响，适用于微缺陷的有效检测和早期损伤的定量检测监测，对于闭合/半闭合缺陷损伤的检测灵敏度到达微米级别，能够有效区分非线性源与晶粒、孔洞、张开式界面等线性特征。

Phased array detection system and nonlinear imaging method based on multimode and multimode ultrasound

【技术实现步骤摘要】
基于多模式多模态超声相控阵检测系统及非线性成像方法
本专利技术涉及无损检测
，尤其涉及一种基于多模式多模态超声相控阵检测系统及非线性成像方法。
技术介绍
工业中许多金属结构例如压力容器、管道、铁轨、轮轴、叶片、船体及机身在服役过程中，在介质、温度和交变载荷的共同作用下易产生腐蚀开裂和疲劳等微裂纹缺陷。由于裂纹扩展速率呈指数型增长，所以即使很小的裂纹也可能会迅速扩展而导致结构突然断裂，引发灾难性事故。因此，微缺陷的早期检测与评估成为确保关键设备服役安全的重要手段，也成为了国际难点、热点问题。材料早期损伤会引起不同的非线性声学现象，可通过非线性超声检测技术进行测量与分析，从而评价材料微观结构变化以及弱接触界面的形成。非线性声学现象被分为经典非线性和非经典非线性，其中经典非线性用于评价位错引起的晶格非简谐性，而非经典非线性用于评价微裂纹界面引起的接触声学非线性。经典非线性的声学特征主要为二次谐波的产生，现有的二次谐波产生法(SHG)在一定条件下能够定量评价位错和沉淀物等早期损伤。由于微缺陷引起的经典非线性响应较弱，因此易受实验条件的不一致性和杂波干扰，且难以与基体材料非线性区分。部分现有的超声检测方法具备评价非经典非线性的能力，如混频法、次谐波法和频率调制法，但这些方法的工业应用受限于低信噪比、较大的测量误差和仪器的复杂性。随着超声相控阵的应用和全并行通道技术的发展，一些非线性成像方法能够提高图像信噪比，且使用条件要求简单，但现有的非线性超声相控阵检测系统功能单一，不能满足不同应用环境下的检测需求，例如局限于接触式体波信号发射和接收。另外，现有的非线性检测方法普遍没有采取对杂波的抑制措施以及对相位非线性的评估，因此无法有效的区分宏观特征或晶界引起的线性信号和微缺陷损伤导致的非线性信号，导致针对微缺陷大小定量评价的可靠性存在局限性。此外，随着微裂纹损伤状态的加剧以及宏观裂纹的产生，非线性指标或非线性系数的大小会依次出现递增和递减的变化趋势。虽然部分现有的非线性指标在缺陷演化监测上具备了持续定量评价能力，但由于早期损伤和晚期损伤有一定概率会产生相同的非线性指标大小，所以现有非线性指标在没有损伤状态的先验信息的情况下难以准确评估构件的微缺陷损伤程度。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本专利技术提供基于多模式多模态超声相控阵检测系统及非线性成像方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于多模式多模态超声相控阵检测系统，包括相控阵换能器，用于发射和接收超声信号，所述相控阵换能器为压电超声相控阵换能器或电磁超声相控阵换能器，所述相控阵换能器包括由若干个阵元形成线阵或环阵或稀疏阵的相控阵探头；相控阵触发器，包括用于监测相控阵换能器工作温度的温度传感器、计算相控阵换能器位置变化的位移编码器；相控阵控制器，包括多个I/O接口，所述相控阵控制器包括多个通道，且用于独立控制每个通道中电信号的输入与输出；相控阵换能器的输入输出端分别与相控阵控制器相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接；计算机，用于采集经相控阵控制器转换后的信号和输出到相控阵控制器内的采集参数。使用上述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，包括以下步骤：S1、计算机向相控阵控制器内输入相控阵触发器状态、超声波激励模态类型、超声波激励模式；S2、计算机向相控阵控制器内输入超声激励信号、采集参数；S3、通过相控阵换能器多个阵元分两次分别实现并行发射和顺序发射；S4、采集连续声场信号且传输至计算机；S5、得到并行图像的线性指标A1(s)和顺序图像的线性指标A2(s)；S6、识别线性指标和补偿噪声，通过补偿噪声得到优化后的顺序聚焦信号集S7、计算非线性图像指标；S8、定量、定位评价微缺陷。本专利技术的优点在于：本专利技术提出一种基于多模式多模态超声相控阵检测系统及非线性成像方法,尤其是一种对微缺陷所引起的超声相位非线性响应的解耦式评价方法，考虑了硬件系统非线性、材料基体非线性、耦合非线性等噪声的影响，采用了相位与幅值上两种补偿系数的降噪措施，适用于微缺陷的有效检测和早期损伤的定量检测监测，对于闭合/半闭合缺陷损伤的检测灵敏度到达微米级别，能够有效区分非线性源与晶粒、孔洞、张开式界面等线性特征。附图说明图1为本专利技术中基于多模式多模态超声相控阵检测系统结构示意图。图2为本专利技术中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像流程示意图。图3为本专利技术中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的并列发射和顺序发射所收集到的实施例原始信号p1-64(s,t)和q1-64,1-64(t)。图4为本专利技术中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例并列全聚焦图像结果A1(s)。图5为本专利技术中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例顺序全聚焦图像结果A2(s)。图6为本专利技术中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例非线性图像结果κ(s)。图7为本专利技术中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例非线性图像结果κA(s)。图8为本专利技术中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例非线性图像结果具体实施方式实施例1如图1所示，基于多模式多模态超声相控阵检测系统，包括相控阵换能器3，用于发射和接收超声信号，所述相控阵换能器3为压电超声相控阵换能器3或电磁超声相控阵换能器3，所述相控阵换能器3包括由若干个阵元形成线阵或环阵或稀疏阵的相控阵探头；所述相控阵探头采用由32个或64个或128个阵元组成，所述相控阵探头包括发射阵元和接收阵元。其中压电超声相控阵换能器3用于将电信号与机械波相互转换，电磁超声相控阵换能器3用于将电磁信号与机械波相互转换。当相控阵换能器3为压电超声相控阵换能器3时，相控阵换能器3的下方设置有坡度可调节、底面自适应式相控阵楔块。相控阵楔块用于产生不同模态的压电超声。所述相控阵控制器2采用由16-256个通道组成。相控阵触发器4，包括用于监测相控阵换能器3工作温度的温度传感器、计算相控阵换能器3位置变化的位移编码器；相控阵控制器2，包括多个I/O接口，所述相控阵控制器2包括多个通道，且用于独立控制每个通道中电信号的输入与输出；相控阵换能器3的输入输出端分别与相控阵控制器2相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器4的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接。所述相控阵控制器2为板卡级控制器。计算机1，用于采集经相控阵控制器2转换后的信号和输出到相控阵控制器2内的采集参数。实施例2如图4所示，在该实施例中，被检对象为铝合金材料的疲劳拉伸试块，尺寸为30mm×30mm×25mm，微裂纹缺陷的尖端位于沿z轴18mm处，其长度和深度分别为12mm和25mm；为了突显本专利技术的技术特点，后续加工了两个直径为5mm圆孔，作为线性特征参照物，其中一个位于缺陷尖端沿z轴的正下方。如图2所示，使用实施例1所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法对图4的被检对象进行检测，包括以下步骤：S1、计算机1向相控阵控制器2内输入相控阵触发器4状态、超声波激励模态类型、超声波激励模式。具体的，所述相控阵触发器4状态包括相控阵触发器4使用状态和不使用状态，当为使用状态时，温度传感器、位移编码器择一使用或全部使用；所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多模式多模态超声相控阵检测系统，其特征在于，包括相控阵换能器(3)，用于发射和接收超声信号，所述相控阵换能器(3)为压电超声相控阵换能器(3)或电磁超声相控阵换能器(3)，所述相控阵换能器(3)包括由若干个阵元形成线阵或环阵或稀疏阵的相控阵探头；相控阵触发器(4)，包括用于监测相控阵换能器(3)工作温度的温度传感器、计算相控阵换能器(3)位置变化的位移编码器；相控阵控制器(2)，包括多个I/O接口，所述相控阵控制器(2)包括多个通道，且用于独立控制每个通道中电信号的输入与输出；相控阵换能器(3)的输入输出端分别与相控阵控制器(2)相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器(4)的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接；计算机(1)，用于采集经相控阵控制器(2)转换后的信号和输出到相控阵控制器(2)内的采集参数。

【技术特征摘要】
1.基于多模式多模态超声相控阵检测系统，其特征在于，包括相控阵换能器(3)，用于发射和接收超声信号，所述相控阵换能器(3)为压电超声相控阵换能器(3)或电磁超声相控阵换能器(3)，所述相控阵换能器(3)包括由若干个阵元形成线阵或环阵或稀疏阵的相控阵探头；相控阵触发器(4)，包括用于监测相控阵换能器(3)工作温度的温度传感器、计算相控阵换能器(3)位置变化的位移编码器；相控阵控制器(2)，包括多个I/O接口，所述相控阵控制器(2)包括多个通道，且用于独立控制每个通道中电信号的输入与输出；相控阵换能器(3)的输入输出端分别与相控阵控制器(2)相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器(4)的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接；计算机(1)，用于采集经相控阵控制器(2)转换后的信号和输出到相控阵控制器(2)内的采集参数。2.根据权利要求1所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统，其特征在于，当相控阵换能器(3)为压电超声相控阵换能器(3)时，相控阵换能器(3)的下方设置有坡度可调节、底面自适应式相控阵楔块。3.根据权利要求1所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统，其特征在于，所述相控阵控制器(2)采用由16-256个通道组成。4.根据权利要求1所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统，其特征在于，所述相控阵探头采用由32个或64个或128个阵元组成，所述相控阵探头包括发射阵元和接收阵元。5.使用权利要求1-4任意一项所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、计算机(1)向相控阵控制器(2)内输入相控阵触发器(4)状态、超声波激励模态类型、超声波激励模式；S2、计算机(1)向相控阵控制器(2)内输入超声激励信号、采集参数；S3、通过相控阵换能器(3)多个阵元分两次分别实现并行发射和顺序发射；S4、采集连续声场信号且传输至计算机(1)；S5、得到并行图像的线性指标A1(s)和顺序图像的线性指标A2(s)；S6、识别线性指标和补偿噪声，通过补偿噪声得到优化后的顺序聚焦信号集S7、计算非线性图像指标；S8、定量、定位评价微缺陷。6.根据权利要求5所述的非线性成像方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述相控阵触发器(4)状态包括相控阵触发器(4)使用状态和不使用状态，当为使用状态时，温度传感器、位移编码器择一使用或全部使用；所述超声波激励模态类型的种类包括体波、表面波、导波；所述超声波激励方式包括压电超声相控阵换能器(3)对应的压电方式、电磁超声相控阵换能器(3)对应的电磁方式。7.根据权利要求5所述的非线性成像方法，其特征在于，在步骤S2中，所述超声激励信号包括超声激励周期数N，激励电压V、发射阵元T的实际中心频率ωT、接收阵元R的实际中心频率ωR、发射阵元T的数量NT、接收阵元R的数量NR、像素点位于x-z坐标系的位置s、超声波在被检材料中的传播速度c、参照发射阵元To的x轴位置xm、参照接收阵元Ro的x轴位置xn，选择参照发射阵元To和参照接...

【专利技术属性】
技术研发人员：程经纬，陈学东，王冰，范志超，陈涛，关卫和，阎长周，王哲，
申请(专利权)人：合肥通用机械研究院有限公司，合肥通用机械研究院特种设备检验站有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34