金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法與流程
2023-05-09 13:45:12
本發明涉及無損檢測技術領域，特別涉及一種金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法。
背景技術：
金屬板構件檢測工程中，大多只能判斷缺陷的有無並確定其位置，然而更重要的是獲得缺陷的尺寸乃至輪廓形狀等定量化的信息，這些定量信息是評價金屬板結構健康狀況、指導其維修和維護工作的重要依據。隨著對金屬板構件安全的要求日益嚴格，對金屬板構件的檢測已不能滿足於常規的判斷缺陷有無及獲得缺陷當量尺寸層面，缺陷定量描述必須向缺陷輪廓形狀描述、缺陷高精度成像、缺陷檢測結果可視化方向發展。
相對於傳統無損檢測技術，超聲導波具有衰減小、傳播距離遠、聲場100％覆蓋構件厚度、易於調節導波模態等特點，採用磁聲陣列從多角度對陣列所包圍區域進行導波檢測，能夠為缺陷的高精度成像提供更為豐富、準確的缺陷信息。然而，當導波遇到缺陷發生較強程度的散射時，散射的影響和作用佔主導地位，散射作用會使傳統導波成像方法重建的缺陷圖像中產生較多贗像，造成檢測盲區，嚴重影響了金屬材料結構件的缺陷定位及成像精度。此外，實際缺陷的形狀十分複雜，散射特徵多種多樣，幾乎無法找到統一的模型去描述散射過程及提取散射特徵。上述問題是制約電磁超聲導波檢測技術發展及缺陷成像質量的瓶頸問題。
技術實現要素：
本發明旨在至少解決上述技術問題之一。
為此，本發明的目的在於提出一種金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法，該方法能夠對金屬板的實際複雜缺陷進行高精度成像，對散射點位置和散射邊方向的求解準確、運算速度快，對實際複雜缺陷的成像效率高。
為了實現上述目的，本發明的實施例公開了一種金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法，包括以下步驟：S1：選取N個可控發射方向EMAT作為激勵換能器，選取M個全向接收EMAT作為接收換能器，其中，N、M為正整數，可控發射方向EMAT的發射角度範圍為θ1～θ2，角度步長為θs，發射角度總數目為L＝(θ2-θ1)/θs+1；S2：選擇第n個可控發射方向EMAT作為本次檢測的激勵換能器Tn，其中，n＝1,2，…，N；S3：獲取所述第n個可控發射方向EMAT的發射角度θl，並將所述第n個可控發射方向EMAT沿所述發射角度θl在待測金屬板中激發超聲導波，其中，l＝1,2，…，L；S4：從M個全向接收EMAT中選取所有接收到金屬板中的超聲導波信號的M1個全向接收EMAT，表示為Rm1，其中，m1＝1,2，…，M1，逐個判斷Rm1與所述第n個可控發射方向EMAT是否構成散射組(Tn，Rm1)，如果是，則執行步驟S5，否則，執行步驟S7；S5：對於所述散射組(Tn，Rm1)，根據Tn和Rm1的間距、發射角度和接收到導波信號的走時求解散射點的位置P；S6：根據所述散射點的位置P和散射組(Tn，Rm1)的位置，確定導波傳播和散射路徑，並求解散射邊方向；S7：判斷是否已經沿所有的發射角度θl都進行了導波激發和接收，如果是，則執行步驟S8，否則，發射角度變為θl+1，並返回所述步驟S3；S8：判斷是否所有的可控發射方向EMAT都已進行了超聲導波的激發，如果是，則執行步驟S9，否則，將可控發射方向EMAT變為Tn+1，並返回所述步驟S2；S9：將得到的所有散射點按照各自的散射邊方向進行曲線擬合，得到實際複雜缺陷的清晰輪廓圖像。
另外，根據本發明上述實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法還可以具有如下附加的技術特徵：
在一些示例中，所述可控發射方向EMAT由多個同心的開口金屬圓環、用於調節發射角度方向的鑲嵌金屬導體的旋轉滑塊組成。
在一些示例中，所述全向接收EMAT採用餅型圓周密繞線圈作為接收線圈。
在一些示例中，N個可控發射方向EMAT和M個全向接收EMAT以圓形陣列形式均勻布置在待測金屬板檢測區域周圍，並滿足M＝K*N，其中，N、M、K為正整數。
在一些示例中，相鄰兩個可控發射方向EMAT間的全向接收EMAT數量相同。
在一些示例中，所述步驟S4進一步包括：
根據超聲導波的走時判斷接收到導波信號的所有M1個全向接收EMAT與所述第n個可控發射方向EMAT是否構成散射組，具體為：
獲取超聲導波從Tn到Rm1的實測走時tr，超聲導波在金屬板中的傳播速度v，建立平面直角坐標系，得到可控發射方向EMAT的位置T，全向接收EMAT的位置R，並計算超聲導波沿直線直接從位置T傳播到位置R所用的理論時間ts為：
其中，為平面直角坐標系中位置T到位置R的向量長度；
如果tr>ts，則判斷Rm1與Tn構成散射組，否則，判斷Rm1與Tn不構成散射組。
在一些示例中，所述步驟S5進一步包括：
對於散射組(Tn，Rm1)，根據Tn和Rm1的間距發射角度和接收到導波信號的走時tr求解散射點的位置P，具體為：
在平面直角坐標系中，在△PTR中，∠PTR為已知量，根據餘弦定理，向量的長度為：
根據超聲導波從Tn到Rm1的實測走時tr和超聲導波在金屬板中的傳播速度v，計算向量的長度和向量的長度之和為：
可得到如下方程：
通過求解所述方程，確定所述散射點的位置P。
在一些示例中，在所述步驟S6中，所述散射變方向的計算公式如下：
在一些示例中，在所述步驟S9中，對散射點進行曲線擬合得到的擬合曲線為：
其中，S為散射點的個數，S為正整數，Pi(xi，yi)為第i個散射點的位置，i＝1,2，…，S。
根據本發明實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法，採用可控發射方向EMAT和全向接收EMAT以圓形陣列形式均勻布置在檢測區域周圍，利用導波信號走時篩選出散射組，建立散射點位置和散射邊方向高精度求解模型和方法，將散射點按照散射邊方向進行曲線擬合，構建實際複雜缺陷的清晰輪廓圖像，能夠對金屬板的實際複雜缺陷進行高精度成像，對散射點位置和散射邊方向的求解準確、運算速度快，對實際複雜缺陷的成像效率高。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是根據本發明實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法的流程圖；
圖2是根據本發明一個實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法的詳細流程圖；
圖3是根據本發明一個具體實施例的實驗結構示意圖；
圖4是根據本發明一個具體實施例的金屬板實際複雜缺陷輪廓成像結果圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
以下結合附圖描述根據本發明實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法。
圖1是根據本發明一個實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法的流程圖。圖2是根據本發明另一個實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法的詳細流程圖。如圖1所示，並結合圖2，該方法包括以下步驟：
步驟S1：選取N個可控發射方向EMAT(electromagnetic acoustic transducer，電磁聲傳感器)作為激勵換能器，選取M個全向接收EMAT作為接收換能器，其中，N、M為正整數，設置可控發射方向EMAT的發射角度範圍為θ1～θ2，角度步長為θs，發射角度總數目為L＝(θ2-θ1)/θs+1。
在本發明的一個實施例中，結合圖3所示，每個可控發射方向EMAT由多個同心的開口金屬圓環、用於調節發射角度方向的鑲嵌金屬導體的旋轉滑塊組成。另一方面，全向接收EMAT採用餅型圓周密繞線圈作為接收線圈。更為具體地，N個可控發射方向EMAT和M個全向接收EMAT以圓形陣列形式均勻布置在待測金屬板檢測區域周圍，並滿足M＝K*N，其中，N、M、K為正整數。並且，相鄰兩個可控發射方向EMAT間的全向接收EMAT數量相同。
步驟S2：選擇第n個可控發射方向EMAT作為本次檢測的激勵換能器Tn，其中，n＝1,2，…，N。
步驟S3：獲取步驟S2中選取的第n個可控發射方向EMAT的發射角度θl，並將第n個可控發射方向EMAT沿發射角度θl在待測金屬板中激發超聲導波，其中，l＝1,2，…，L。
步驟S4：從M個全向接收EMAT中選取所有接收到金屬板中的超聲導波信號的M1個全向接收EMAT，表示為Rm1，其中，m1＝1,2，…，M1，逐個判斷Rm1與第n個可控發射方向EMAT是否構成散射組(Tn，Rm1)，如果是，則執行步驟S5，否則，執行步驟S7。換言之，即M個全向接收EMAT接收金屬板中的超聲導波信號，假設共M1個全向接收EMAT接收到了導波信號，表示為Rm1，則逐個判斷Rm1與步驟S3中沿特定方向發射超聲導波的可控發射方向EMAT(即第n個可控發射方向EMAT)是否構成散射組(Tn，Rm1)，若是，進行步驟S5；若不是，則進行步驟S7。
在本發明的一個實施例中，步驟S4進一步包括：根據超聲導波的走時判斷接收到導波信號的所有M1個全向接收EMAT(Rm1)與此時沿特定方向發射超聲導波的第n個可控發射方向EMAT(即Tn)是否構成散射組，具體為：獲取超聲導波從Tn到Rm1的實測走時tr，超聲導波在金屬板中的傳播速度v，建立平面直角坐標系，得到可控發射方向EMAT的位置T，全向接收EMAT的位置R，並計算超聲導波沿直線直接從位置T傳播到位置R所用的理論時間ts為：
其中，為平面直角坐標系中位置T到位置R的向量長度；如果tr>ts，則判斷Rm1與Tn構成散射組，否則，判斷Rm1與Tn不構成散射組。
步驟S5：對於散射組(Tn，Rm1)，根據Tn和Rm1的間距、發射角度和接收到導波信號的走時求解散射點的位置P。
在本發明的一個實施例中，步驟S5進一步包括：
對於散射組(Tn，Rm1)，根據Tn和Rm1的間距發射角度和接收到導波信號的走時tr求解散射點的位置P，具體為：在平面直角坐標系中，由於發射方向已知，散射點必位於發射方向上，只要求得向量的長度，即可確定散射點的位置P。因此在△PTR中，∠PTR為已知量，根據餘弦定理，向量的長度為：
根據超聲導波從Tn到Rm1的實測走時tr和超聲導波在金屬板中的傳播速度v，計算向量的長度和向量的長度之和為：
因此可得到如下方程：
在上述方程中，只有是未知量，因此通過求解上述方程，即可確定散射點的位置P。
步驟S6：根據步驟S5中得到的散射點的位置P和散射組(Tn，Rm1)的位置，確定導波傳播和散射路徑，並求解散射邊方向。
具體地，在步驟S6中，在平面直角坐標系中，散射變方向的計算公式如下：
步驟S7：判斷是否已經沿所有的發射角度θl都進行了導波激發和接收，如果是，則執行步驟S8，否則，發射角度變為θl+1，並返回步驟S3。
步驟S8：判斷是否所有的可控發射方向EMAT都已進行了超聲導波的激發，如果是，則執行步驟S9，否則，將可控發射方向EMAT變為Tn+1，並返回步驟S2。
步驟S9：將得到的所有散射點按照各自的散射邊方向進行曲線擬合，得到實際複雜缺陷的清晰輪廓圖像。
具體地，在步驟S9中，對散射點進行曲線擬合得到的擬合曲線D(x)為：
其中，S為將得到的所有散射點按照各自的散射邊方向進行曲線擬合，共得到的散射點的個數，S為正整數，Pi(xi，yi)為第i個散射點在直角坐標系中的位置，i＝1,2，…，S。
為了便於更好地理解本發明，以下結合附圖，以具體實施例對本發明上述實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法進行詳細具體地描述。
實施例1
在本實施例中，該金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法包括以下步驟：
步驟1：採用4(即N＝4)個可控發射方向EMAT作為激勵換能器，採用20(即M＝20)個全向接收EMAT作為接收換能器，並以圓形陣列形式均勻布置在待測鋼板檢測區域周圍，且相鄰兩個可控發射方向EMAT間的全向接收EMAT數量都為5。另外，鋼板厚度例如為4mm，該圓形磁聲陣列的直徑例如為1m。並設置可控發射方向EMAT的發射角度範圍為80°，角度步長為8°。
步驟2：從步驟1中的4個可控發射方向EMAT中選擇第n個可控發射方向EMAT作為本次檢測的激勵換能器Tn，其中，n＝1,2,3,4。
步驟3：選擇步驟2中可控發射方向EMAT的發射角度θl，採用該可控發射方向EMAT沿此發射角度θl在待測金屬板中激發超聲導波，其中，l＝1,2，…，11。
步驟4：利用超聲導波的走時判斷接收到導波信號的所有全向接收EMAT(Rm1)與此時沿特定方向發射超聲導波的可控發射方向EMAT(Tn)是否構成散射組，超聲導波從Tn到Rm1的實測走時為tr，超聲導波在鋼板中的傳播速度為v＝3200m/s，建立平面直角坐標系，可控發射方向EMAT的位置為T，全向接收EMAT的位置為R，導波沿直線直接從位置T傳播到位置R所用的理論時間ts為：
其中，為平面直角坐標系中位置T到位置R的向量長度。
如果tr>ts，則判定Rm1與Tn構成散射組；否則，判定Rm1與Tn不構成散射組。
進一步地，逐個判斷Rm1與步驟3中沿特定方向發射超聲導波的可控發射方向EMAT是否構成散射組(Tn，Rm1)，若是，進行步驟5；若不是，進行步驟7。
步驟5：對於散射組(Tn，Rm1)，利用Tn和Rm1的間距發射角度和接收到導波信號的走時tr求解散射點的位置P。具體地，在平面直角坐標系中，由於發射方向已知，散射點必位於發射方向上，只要求得向量的長度，即可確定散射點的位置P。因此在△PTR中，∠PTR為已知量，根據餘弦定理，向量的長度為：
根據超聲導波從Tn到Rm1的實測走時tr和超聲導波在金屬板中的傳播速度v，可求得向量的長度和向量的長度之和為：
因此可列出下面的方程：
其中，只有是未知量，因此通過求解此方程，即可確定散射點的位置P。
步驟6：根據求解出的散射點位置P和散射組(Tn，Rm1)的位置，確定導波傳播和散射路徑，在平面直角坐標系中，求解散射邊方向
步驟7：判斷是否已經沿所有的發射角度θl都進行了導波激發和接收，若是，則進行步驟8；若不是，則發射角度變為θl+1，並返回步驟3。
步驟8：判斷是否所有的可控發射方向EMAT都已進行了超聲導波的激發，若是，則進行步驟9；若不是，則可控發射方向EMAT變為Tn+1，並返回步驟2。
步驟9：將得到的所有散射點按照各自的散射邊方向進行曲線擬合，共得到S＝31個散射點，在平面直角坐標系中，第i個散射點的位置為Pi(xi，yi),其中，i＝1,2，…，31，對散射點的擬合曲線D(x)為：
在本實施例中，該方法最後得到的鋼板實際複雜缺陷輪廓圖像在圖4中給出，共有31個散射點，根據散射點位置和散射邊方向形成的擬合曲線已非常接近此鋼板缺陷的實際輪廓。因此，利用本發明的方法進行金屬板實際複雜缺陷的成像檢測，成像精度較高，且可以獲得缺陷的清晰輪廓圖像。
實施例2
在本實施例中，該金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法，包括以下步驟：
步驟A：採用6(即N＝6)個可控發射方向EMAT作為激勵換能器，採用18(即M＝18)個全向接收EMAT作為接收換能器，並以圓形陣列形式均勻布置在待測鋁板檢測區域周圍，且相鄰兩個可控發射方向EMAT間的全向接收EMAT數量都為3。另外，鋁板厚度例如為3mm，該圓形磁聲陣列的直徑例如為0.8m。設置可控發射方向EMAT的發射角度範圍例如為90°，角度步長例如為10°。
步驟B：選擇第n個可控發射方向EMAT作為本次檢測的激勵換能器Tn，其中，n＝1,2,3,4,5,6。
步驟C：選擇步驟B中第n個可控發射方向EMAT的發射角度θl，採用該可控發射方向EMAT沿此發射角度θl在待測金屬板中激發超聲導波，其中，l＝1,2，…，10。
步驟D：利用超聲導波的走時判斷接收到導波信號的全向接收EMAT(Rm1)與此時沿特定方向發射超聲導波的可控發射方向EMAT(Tn)是否構成散射組，超聲導波從Tn到Rm1的實測走時為tr，超聲導波在鋁板中的傳播速度為v＝2548m/s，建立平面直角坐標系，可控發射方向EMAT的位置為T，全向接收EMAT的位置為R，導波沿直線直接從位置T傳播到位置R所用的理論時間ts為：
其中，為平面直角坐標系中位置T到位置R的向量長度。
如果tr>ts，則判斷Rm1與Tn構成散射組；否則，判斷Rm1與Tn不構成散射組。
進一步地，逐個判斷Rm1與步驟C中沿特定方向發射超聲導波的可控發射方向EMAT是否構成散射組(Tn，Rm1)，若是，進行步驟E；若不是，進行步驟G。
步驟E：對於散射組(Tn，Rm1)，利用Tn和Rm1的間距發射角度和接收到導波信號的走時tr求解散射點的位置P，在平面直角坐標系中，由於發射方向已知，散射點必位於發射方向上，只要求得向量的長度，即可確定散射點的位置P。因此在△PTR中，∠PTR為已知量，根據餘弦定理，向量的長度為：
根據超聲導波從Tn到Rm1的實測走時tr和超聲導波在金屬板中的傳播速度v，可求得向量的長度和向量的長度之和為：
因此可列出下面的方程：
其中，只有是未知量，因此通過求解此方程，即可確定散射點的位置P。
步驟F：根據求解出的散射點位置P和散射組(Tn，Rm1)的位置，確定導波傳播和散射路徑，在平面直角坐標系中，求解散射邊方向
步驟G：判斷是否已經沿所有的發射角度θl都進行了導波激發和接收，若是，則進行步驟H；若不是，則發射角度變為θl+1，並返回步驟C。
步驟H：判斷是否所有的可控發射方向EMAT都已進行了超聲導波的激發，若是，則進行步驟I；若不是，則可控發射方向EMAT變為Tn+1，並返回步驟B。
步驟I：將得到的所有散射點按照各自的散射邊方向進行曲線擬合，共得到S＝49個散射點，在平面直角坐標系中，第i個散射點的位置為Pi(xi，yi),其中，i＝1,2，…，49，對散射點的擬合曲線D(x)為：
綜上，根據本發明實施例的金屬板實際複雜缺陷磁聲陣列導波散射成像方法，採用可控發射方向EMAT和全向接收EMAT以圓形陣列形式均勻布置在檢測區域周圍，利用導波信號走時篩選出散射組，建立散射點位置和散射邊方向高精度求解模型和方法，將散射點按照散射邊方向進行曲線擬合，構建實際複雜缺陷的清晰輪廓圖像，能夠對金屬板的實際複雜缺陷進行高精度成像，對散射點位置和散射邊方向的求解準確、運算速度快，對實際複雜缺陷的成像效率高。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同限定。