[发明专利]一种超声相控阵楔块自检测系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声波相控阵无损检测领域，尤其涉及一种超声相控阵楔块自检测系统及其方法。

背景技术

超声相控阵技术广泛地应用于无损检测行业。该技术采用电子系统控制波束偏转从而达到对不同方向和位置进行扫查的目的。由于采用动态聚焦等方法，能够在不同深度上获得较高的分辨率和灵敏度。

相控阵成像可以利用较小的换能器，在不移动或者少移动的条件下，对较大被测区域扫描成像，因而在医学和工业检测中得到广泛应用，如在医学成像中，将探头放在肋骨间隙，可以对心脏等胸腔内器官实时成像；在无损检测中，可利用相控阵横波成像，探测位于40°～70°方向的缺陷，这些区域的探测往往是其他方法难以实现的，如图1所示。对于超声相控阵横波成像检测，需要精确地知道超声楔块的尺寸，通过计算每一个阵元发出的超声波，如何通过楔块进入被检测物体，才能够精确地调整每一个阵元的发射延时，从而达到精确聚焦的目的。同时，楔块的尺寸还被用于计算声束所照射的角度及覆盖区域，用于把超声的声束数据变换到实际的物理位置，从而完成对缺陷的精确定位。

但是，实际的加工及旧楔块的磨损往往导致已知的楔块尺寸与实际尺寸有较大差别。对于新加工的超声相控阵楔块，往往由于加工误差导致了标定的尺寸不够精确，导致信噪比和检测位置不精确。对于旧楔块，由于有磨损，更加导致了超声相控阵检测性能的下降。

超声相控阵无损检测的关键问题在于两点：第一、精确地已知阵元位置，计算各个阵元传播延时，从而精确地控制相位，实现高信噪比的聚焦；第二，精确地进行图像变形，从而对于缺陷的精确定位。而上述两点将会造成超声相控阵成像分辨率下降及缺陷定位不准确等问题。因此，解决上述两个问题的关键在于精确地知道超声相控阵楔块的几何参数。

针对超声相控阵横波成像中斜楔块几何参数不精确的问题，目前往往采用测量尺寸的方法，例如，采用游标卡尺，或者采用激光测量等技术测量精确尺寸；对于旧的磨损楔块，如需测量则要返回厂商，往往采用更换新楔块的方法。但是这些方法要么测量费事，要么更换成本太高。

发明内容

为了解决现有技术中斜楔块的几何参数精度的问题，本发明提供了一种新的超声相控阵楔块自检测系统及其方法。通过超声波自动测量楔块的尺寸，并且能够对磨损楔块进行测量，从而能够实时监测楔块的使用状态，达到自动测量和少更换斜楔块的目的。

一方面，本发明提供了一种超声相控阵楔块自检测系统，包括超声相控阵换能器、斜楔块。超声相控阵换能器包括多个阵元，各个阵元处于单发单收模式。超声相控阵换能器固定的设置在斜楔块上。系统通过在进行超声相控阵成像前，对斜楔块的几何参数进行测量。系统通过检测各个阵元的脉冲返回时间以及斜楔块材料的声速，估计斜楔块的实际几何参数。

更优的，本系统还包含测量斜楔块材料声速的部分，包括平楔块。其中，平楔块与斜楔块为相同的材料，且厚度为已知。超声相控阵换能器固定的设置在平楔块上，系统通过检测各个阵元的脉冲返回时间以及平楔块的厚度，估计出斜楔块材料的声速。

在上述一种超声相控阵楔块自检测系统中，主要包括了平楔块、超声相控阵换能器和斜楔块。在平楔块和斜楔块上，分别先后的设置了相同的超声相控阵换能器。在平楔块和斜楔块与超声相控阵换能器的连接面之间还填充了耦合液。超声相控阵换能器包括多个阵元，将超声相控阵换能器设置为单发单收模式，即各个阵元依次对被检测物体发射声波并接收信号。从而通过将超声相控阵换能器与平楔块固定时获得各个阵元的返回时间和平楔块的厚度，估计楔块材料的声传播速度。通过将超声相控阵换能器与斜楔块固定时获得的各个阵元的返回时间以及楔块材料的声速，估计斜楔块的实际几何参数。

另一方面，本发明的实施例提供了一种超声相控阵楔块自检测方法。通过对上述装置的使用，以及通过计算公式，从而得到斜楔块的实际几何参数。

上述方法的步骤分别为：

将超声相控阵换能器固定的设置在斜楔块上；其中，超声相控阵换能器设置为单发单收模式；

利用收集的超声相控阵换能器信号估计各个阵元声波经底面的返回时间；

利用各个阵元发射超声波经底面的返回时间和斜楔块材料的声速，对斜楔块的几何参数进行估计；

利用估计的斜楔块的几何参数，重新修正超声相控阵成像系统中计算聚焦延时时的斜楔块的几何参数。

更优的，本方法还包括一种测量斜楔块材料声速的步骤：

将超声相控阵换能器固定的设置在已知厚度的平楔块上；

将设置了超声相控阵换能器的平楔块设置在被检测物体上；其中，超声相控阵换能器设置为单发单收模式；