本發(fā)明涉及工業(yè)超聲無損檢測技術中的三維工件內部裂紋的超聲檢測領域，特別一種“米”字形相控超聲陣列檢測三維工件裂紋的裝置及方法。

背景技術：

當今工業(yè)的發(fā)展對材料的要求越來越高，相應地對材料的無損檢測要求也越來越高，不僅要能檢測出工件存在裂紋還要能判斷出裂紋尺寸，甚至開口方向來評估裂紋對工件的破壞潛力，以及工件的使用壽命。常用的超聲無損檢測方法有：脈沖回波法，超聲衍射時差法等。

超聲衍射時差法自誕生以來以其精度高，操作容易等特點深受無損檢測青睞。超聲衍射時差法是一種依靠從待檢試件內部結構(主要是指裂紋)的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測裂紋的方法，用于裂紋的檢測、定量和定位。但是這種方法檢測三維工件時效率很低，也無法得出工件內部裂紋方向。

脈沖回波法是傳統(tǒng)的檢測方法，原理簡單，操作容易但精度不高。但是聚焦脈沖回波法檢測技術精度較高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題為：利用“米”字形相控超聲陣列對三維工件的內部裂紋進行檢測，實現(xiàn)裂紋的精確定位，同時能夠判斷裂紋位置與開口方向。

本發(fā)明采取的技術方案具體為：一種“米”字形相控超聲陣列檢測三維工件裂紋的裝置，包括超聲相控陣列和楔塊；

所述楔塊為平楔塊；

所述超聲相控陣列包括多個換能器陣元，多個換能器陣元呈“米”字形排列，組成4個等陣元的線性分支，并固定于楔塊上表面上。

進一步的，本發(fā)明檢測裝置中，楔塊周部邊緣設置有吸聲機構，可采用現(xiàn)有吸聲材料制成，繞楔塊周部邊緣設置，可用于防止柱面反射聲波干擾有用信號，提高檢測精度。

優(yōu)選的，楔塊為扁圓柱體；“米”字形換能器陣列的中心位于楔塊的中心位置。

更進一步的，本發(fā)明檢測裝置中，各線性分支分別由9個陣元組成，且所有線形性分支中位于中間的一個陣元為同一個陣元。

本發(fā)明還公開一種基于上述檢測裝置的“米”字形相控超聲陣列檢測三維工件裂紋的方法，包括以下步驟：

步驟一，將待測工件離散為點；

步驟二，利用“米”字形相控超聲陣列的各線性分支，分別對待測工件進行相控扇形掃查，以初步獲取待測工件中裂紋的位置和開口方向；

步驟三，獲取待測工件中裂紋在與“米”字形相控超聲陣列所在平面相平行的平面上的投影，選取所有陣元線性分支中與上述投影之間的平行度最大的陣元線性分支；

步驟四，利用所選取的陣元線性分支對離散后的裂紋中的各點進行相控聚焦，得到裂紋中各點的圖像及其在裂紋中深度方向的位置信息，即完成裂紋定位。

本發(fā)明步驟一中，對待測工件進行離散時，根據(jù)工件的形狀、尺寸選取不同離散方法，以長方體工件為例，設其一頂角為原點O，建立直角坐標系，使工件內部各點都有對應的坐標達到離散工件為點的目的。

優(yōu)選的，本發(fā)明步驟三中，所述投影為待測工件中裂紋在工件底部所在平面上的投影。參考平面選擇為待測工件底部，更方便相關分析。

進一步的，本發(fā)明步驟四中，對裂紋中的各點進行相控聚焦時，依次激勵各陣元發(fā)射超聲波信號，每次發(fā)射所有陣元接收回波信號。根據(jù)發(fā)射陣元、接收陣元與焦點位置得到聲程和聲時，進而得到缺陷信號被接收的時刻，以回波信號中該時刻的幅值作為像素值進而成像。

基于相控聚焦成像技術進行成像，成像法則為：

$I(x,z)=\left|{\mathrm{\Σh}}_{tx,rx}\left(\frac{\sqrt{{(x_{tx}-x)}^2+z^2}+\sqrt{{(x_{rx}-x)}^2+z^2}}{c}\right)\right|---\left(2\right)$

式中，h_tx,rx為對應發(fā)射-接收陣元的回波的信號幅值，x_tx為發(fā)射陣元坐標，x_rx為接收陣元坐標，c為工件內部聲速，I為成像結果圖中的像素值，x,z為聚焦點的橫縱坐標。

本發(fā)明的有益效果為：通過“米”字形相控超聲陣列，為待測工件內可能出現(xiàn)的各種方向的裂紋，提供合適的陣元線性分支。在進行檢測時，首先確定工件內裂紋的大致位置和方向，然后選用合適的陣元線性分支對裂紋進行相控聚焦，進而形成工件內裂紋圖像，可實現(xiàn)對工件內裂紋的精確定位，且定位速度得到提高。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明“米”字形相控超聲陣列示意圖；

圖2所示為檢測裝置應用結構示意圖；其中，1-楔塊，2-換能器陣元，3-工件內部裂紋，4-工件內部裂紋在底面投影，5-相控陣聚焦點。

圖3所示為本發(fā)明方法流程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例進一步描述。

參考圖1和圖2所示，本發(fā)明“米”字形相控超聲陣列檢測三維工件裂紋的裝置，包括超聲相控陣列和楔塊；楔塊為平楔塊；超聲相控陣列包括多個換能器陣元，多個換能器陣元呈“米”字形排列，組成4個等陣元的線性分支，并固定于楔塊上表面上。

實施例

圖1和圖2所示的實施例中，楔塊1為扁圓柱體，楔塊1邊緣設有吸聲結構；“米”字形換能器陣列的中心位于楔塊的中心位置。各線性分支分別由9個換能器陣元2組成，且所有線形性分支中位于中間的一個陣元為同一個陣元。

參考圖3，本發(fā)明基于上述“米”字形相控超聲陣列檢測三維工件裂紋的裝置的檢測方法包括以下步驟：

步驟一，將待測工件離散為點；

步驟二，利用“米”字形相控超聲陣列的各線性分支，分別對待測工件進行相控扇形掃查，以初步獲取待測工件中裂紋的位置和開口方向；

步驟三，獲取待測工件中裂紋在與“米”字形相控超聲陣列所在平面相平行的平面上的投影，選取所有陣元線性分支中與上述投影之間的平行度最大的陣元線性分支；

步驟四，利用所選取的陣元線性分支對離散后的裂紋中的各點進行相控聚焦，得到裂紋中各點的圖像及其在裂紋中深度方向的位置信息，即完成裂紋定位。

實施例

結合圖2所示，上述步驟三中，所述投影為待測工件中裂紋3在工件底部平面上的投影4。參考平面選擇為待測工件底部所在平面，更方便相關分析。

步驟一中，離散三維工件內部為點，“米”字形陣列的各線性分支分別對各自下部區(qū)域進行相控扇形掃查，各陣元延時計算法則為：

${\mathrm{\θ}}_s={\sin }^{-1}\left(\frac{c\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{d}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，θ_s為偏轉角度，c為工件內部聲速，d為陣元中心間距，Δt即偏轉掃描時各陣元間的延時，對陣列陣元施以不同的延時，產(chǎn)生不同偏轉角的波陣面，從而實現(xiàn)相控扇形掃查。相控扇形掃查為現(xiàn)有技術，與聚焦檢測相比，相控扇形掃查速度快但精度較低，因此本發(fā)明利用其初步獲取待測工件內部裂紋的大致位置和開口方向。

基于相控扇形掃查即可得到裂紋的大致位置，進而判斷線性分支是否與裂紋平行。

確定裂紋于工件底面的投影與某陣列線性分支平行之后，基于相控聚焦技術，對該線性分支以下區(qū)域進行相控聚焦處理。該線性分支下部區(qū)域包含工件內部裂紋的所有信息，僅對該線性下部區(qū)域進行相控聚焦處理就可以得到詳細的裂紋信息，簡化復雜的三維為較簡單的二維來處理，可以減少工作量，提高檢測速度，保證檢測的正確性。

步驟四中，對裂紋中的各點進行相控聚焦時，依次激勵各陣元發(fā)射超聲波信號，每次發(fā)射所有陣元接收回波信號。根據(jù)發(fā)射陣元、接收陣元與焦點位置得到聲程和聲時，進而得到缺陷信號被接收的時刻，以回波信號中該時刻的幅值作為像素值進而成像。

基于相控聚焦成像技術進行成像，成像法則為：

$I(x,z)=\left|{\mathrm{\Σh}}_{tx,rx}\left(\frac{\sqrt{{(x_{tx}-x)}^2+z^2}+\sqrt{{(x_{rx}-x)}^2+z^2}}{c}\right)\right|---\left(2\right)$

式中，h_tx,rx為對應發(fā)射-接收陣元的回波信號幅值，x_tx為發(fā)射陣元坐標，x_rx為接收陣元坐標，c為工件聲速，I成像結果圖中的像素值，x,z分別為聚焦點的橫、縱坐標。將相關數(shù)據(jù)代入式(2)中即可獲得裂紋坐標點(x,z)的像素值I，進而成像。

驗證：獲知工件內部裂紋的位置與開口方向后，取陣列中一位置合適的陣元，如陣列中間位置的陣元，向工件內部激勵超聲波，并自發(fā)自收，根據(jù)此陣元位置坐標和裂紋位置可以確定回波聲時，若實際回波在預計的時刻到達則檢測結果正確。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。