基于二阶模式波的薄板结构超声TOFD检测盲区抑制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于二阶模式波的薄板结构超声TOFD检测盲区抑制方法，属于无损检测技术领域。该方法采用由超声探伤仪、TOFD探头、有机玻璃倾斜楔块和扫查装置组成的TOFD检测检测系统，沿待测薄板工件表面实施B扫查与信号采集，获得不同扫查位置处的A扫描信号集合。利用费马定理、斯涅尔定律与波型转换原理求解不同扫查位置处的二阶模式波最短传播声时与界面出射点位置，进而结合模拟退火算法确定晶片接收点与盲区内缺陷端点深度。与现有的可替代TOFD技术相比，该方法能够有效抑制薄板结构检测盲区并实现近表面缺陷深度定量，具有较高的工程应用价值。的工程应用价值。的工程应用价值。

Blind zone suppression method for ultrasonic TOFD detection of thin plate structure based on second-order mode wave

【技术实现步骤摘要】
基于二阶模式波的薄板结构超声TOFD检测盲区抑制方法


[0001]本专利技术涉及一种基于二阶模式波的薄板结构超声TOFD检测盲区抑制方法，其属于无损检测


技术介绍

[0002]超声衍射时差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)是一种利用缺陷端点衍射纵波时间差实施缺陷定量的无损检测方法，具有定量精度高、面积型缺陷检出率高等优点，被广泛应用于石油化工、核电等领域的焊接结构检测。然而，对近表面缺陷进行TOFD检测时，由于超声波脉冲具有一定宽度，使得缺陷端点衍射波容易湮没在直通波中，形成近表面检测盲区，导致缺陷深度定量困难。
[0003]为解决上述问题，研究人员提出了模式转换波(JIN S J,et al.Quantitative detection of shallow subsurface defects by using mode
‑
converted waves in time
‑
of
‑
flight diffraction technique[J].Journal of Nondestructive Evaluation.2020,39(2):33)、二次反射纵波(CHI D Z,et al.Shallow buried defect testing method based on ultrasonic TOFD[J].Journal of Nondestructive Evaluation,2013,32(2):164
‑
171)、半跨模式波(金士杰等.基于半跨模式波的铝合金板底面缺陷TOFD检测[J].航空学报,2023,44(2):426674)等可替代TOFD技术，其原理是采用其它形式的缺陷端点衍射/散射波替代常规TOFD所用直接衍射波，通过传播声程增加，避免与直通波发生混叠。然而，随着待检测结构厚度减小，这些衍射/散射波传播声时与来自待测工件底面的反射纵波或反射横波声时接近，二者发生耦合而导致方法适用性降低。本专利技术提出了一种基于二阶模式波的薄板结构超声TOFD检测盲区抑制方法，以减小薄板结构的检测盲区范围并实现近表面缺陷定量。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于二阶模式波的薄板结构超声TOFD检测盲区抑制方法。其目的是针对现有可替代TOFD技术在薄板结构近表面盲区抑制时受限的问题，利用波型转换原理延长衍射波传播时间，实现检测盲区抑制。考虑楔块内传播声时变化，结合斯涅尔定律和费马定理修正波型转换引起的声时计算误差，推导缺陷端点二阶模式波传播声时和路径的定量关系，并引入模拟退火算法实现近表面缺陷深度反演。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种基于二阶模式波的薄板结构超声TOFD检测盲区抑制方法，采用由超声探伤仪、TOFD探头、倾斜有机玻璃楔块和扫查装置组成的TOFD检测系统，沿待测薄板工件表面实施B扫查与信号采集，获得A扫描信号集合。根据探头和楔块尺寸信息明确探头晶片各点坐标，利用费马定理、斯涅尔定律与波型转换原理求解不同扫查位置处的二阶模式波最短传播声时与界面出射点位置，进而结合模拟退火算法确定晶片接收点与盲区内缺陷端点深度。所述方法采用如下步骤：
[0007](a)TOFD检测参数确定
[0008]根据待测薄板工件的材料、几何尺寸及检测范围，确定TOFD检测参数，包括TOFD探头频率、楔块斜楔角、探头中心间距、检测增益、采样频率、扫查步进；
[0009](b)A扫描信号集合获取
[0010]采用步骤(a)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿薄板工件表面进行B扫查，扫查步长为ΔS，步进次数为N
‑
1，共获得N个A扫描信号构成的数据集合；
[0011](c)检测坐标系建立
[0012]以待测薄板工件表面为X轴，扫查方向为X轴正向，工件深度方向为Y轴正向建立坐标系，并设扫查开始时发射探头晶片左端点在工件表面上的投影位置为坐标原点；
[0013](d)二阶模式波传播时间计算
[0014]二阶模式波是激励信号传播过程中经过一次底面反射和一次缺陷端点处波型转换后的接收信号；由于底面反射前后波型皆为激励纵波，故将二阶模式波传播时间分为衍射前时间t1和衍射后时间t2；设发射探头的中心距为2S，待测薄板工件内部纵波声速为C
L
，横波声速为C
S
，楔块内部纵波声速为C
W
，并默认声束从发射探头中点垂直探头面产生；在待测薄板工件无缺陷处读取直通波到达时间t
LW
，由式(1)得激励纵波在发射探头楔块内的传播距离q：
[0015][0016]设发射探头晶片直径为D，匹配楔块角度为α，得声束发射点坐标为(Dcosα/2,
‑
qcosα)，楔块与待测薄板工件界面处声束入射点坐标为(Dcosα/2+qsinα,0)；
[0017]设待测薄板工件厚度为h，待测缺陷端点深度为d，缺陷端点到两探头中点的水平距离为偏心距x，规定缺陷在中点右侧时，x为正数；设缺陷端点坐标为(S+Dcosα/2+qsinα+x,d)；根据斯涅尔定律，由式(2)得t1：
[0018][0019]经缺陷衍射后发生波型转换的横波界面出射点偏离理论值，接收楔块中折射角变化导致声束终点不再是晶片中点；将接收楔块界面处与接收探头晶片离散化为阵列点，设k与l分别为横波界面出射点和声束终点横坐标，其中S+Dcosα/2+qsinα≤k≤2S+Dcosα+2qsinα，2S+(D
‑
q)cosα+2qsinα≤l≤2S+Dcosα+2qsinα；进一步地，得界面实际声束出射点坐标(k,0)，接收探头晶片各点坐标为(l,
‑
[qcosα+Dsinα/2+(2S+Dcosα+2qsinα
‑
l)tanα])，则由式(3)得t2：
[0020][0021]此时利用费马定理，解出令t2最短的k值，其满足：
[0022][0023]则二阶模式波最短传播时间t为式(5)；
[0024][0025](e)TOFD检测盲区内缺陷端点深度定量
[0026]实际TOFD检测时，二阶模式波传播时间t、偏心距x可从B扫查图像中读取，而缺陷端点深度d与声束终点横坐标l未知；设式(5)为t＝f(d,l)；由于d位于TOFD检测盲区内，则0≤d≤m，m为盲区深度；将d与l的取值进行离散化，并设各元素编号为0,1,2,
…
i,
…
j,
…
；利用模拟退火算法在d与l的取值区间中寻找令|f(d,l)
‑
t|最小的最优解；令d(0)＝0，l(0)＝2S+(D
‑
q)cosα+2qsinα；在式(6)中基于概率P来判断是否同意将新解f(d(i),l(j))作为下一个解
[0027][0028]不断重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二阶模式波的薄板结构超声TOFD检测盲区抑制方法，其特征在于，采用如下步骤：(a)TOFD检测参数确定根据待测薄板工件的材料、几何尺寸及检测范围，确定TOFD检测参数，包括TOFD探头频率、楔块斜楔角、探头中心间距、检测增益、采样频率、扫查步进；(b)A扫描信号集合获取采用步骤(a)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿薄板工件表面进行B扫查，扫查步长为ΔS，步进次数为N
‑
1，共获得N个A扫描信号构成的数据集合；(c)检测坐标系建立以待测薄板工件表面为X轴，扫查方向为X轴正向，工件深度方向为Y轴正向建立坐标系，并设扫查开始时发射探头晶片左端点在工件表面上的投影位置为坐标原点；(d)二阶模式波传播时间计算二阶模式波是激励信号传播过程中经过一次底面反射和一次缺陷端点处波型转换后的接收信号；由于底面反射前后波型皆为激励纵波，故将二阶模式波传播时间分为衍射前时间t1和衍射后时间t2；设发射探头的中心距为2S，待测薄板工件内部纵波声速为C
L
，横波声速为C
S
，楔块内部纵波声速为C
W
，并默认声束从发射探头中点垂直探头面产生；在待测薄板工件无缺陷处读取直通波到达时间t
LW
，由式(1)得激励纵波在发射探头楔块内的传播距离q：设发射探头晶片直径为D，匹配楔块角度为α，得声束发射点坐标为(Dcosα/2,
‑
qcosα)，楔块与待测薄板工件界面处声束入射点坐标为(Dcosα/2+qsinα,0)；设待测薄板工件厚度为h，待测缺陷端点深度为d，缺陷端点到两探头中点的水平距离为偏心距x，规定缺陷在中点右侧时，x为正数；设缺陷端点坐标为(S+Dcosα/2+...

【专利技术属性】
技术研发人员：金士杰，林莉，王志诚，严宇，张晓峰，杨会敏，杨建龙，
申请(专利权)人：核工业工程研究设计有限公司，
类型：发明
国别省市：