專利名稱：全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)及方法，可廣泛地應(yīng)用于石油/化工、冶金/機械、航空/航天、市政/建筑、造船/核電等領(lǐng)域的無損探傷。
背景技術(shù)：
就相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)而言，目前國內(nèi)的產(chǎn)品大多為單探頭和基于模擬電路的控制裝置組成的產(chǎn)品，近年為研計和已著手研制的相控制陣超聲波無損檢測設(shè)備其技術(shù)水平都停留在半模擬半數(shù)字的設(shè)計方式上，不便于調(diào)試，檢沒精度不高，工作效率低，此外檢測數(shù)據(jù)難于長期保存供深度分析和存檔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種全數(shù)字式相控陣無損檢測系統(tǒng)，包括用于指揮與調(diào)度整個檢測系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)主機；控制完成一組波束在特定位置點上聚焦的全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀；帶有相控陣超聲波探頭并可在被檢測管道上運行的超聲波檢測爬行器；可顯示檢測結(jié)果的多維數(shù)字圖像重建工作平臺；可控制爬行器的運動方向及速度的爬行器控制計算機；爬行器控制計算機的操作界面；所述系統(tǒng)主機通過ISA口、232接口分別與超聲波檢測儀、爬行器控制計算機雙向連接，所述超聲波檢測儀通過PCI口將檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)主機，所述的超聲波檢測儀與相控陣超聲波探頭雙向連接，所述爬行器控制計算機通過232接口與爬行器的驅(qū)動器及執(zhí)行模塊雙向連接，所述爬行器控制計算機將控制數(shù)據(jù)顯示在操作界面上，所述系統(tǒng)主機最終將檢測結(jié)果數(shù)據(jù)傳送給圖像重建工作平臺并實時/非實時顯示。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種上述全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)所采用的檢測方法，本方法為在系統(tǒng)主機的統(tǒng)一調(diào)度與指揮下，分三條作業(yè)流水線分別按一段段的作業(yè)內(nèi)容去完成各自在檢測過程中所承擔(dān)的工作任務(wù)，第一條流水線為全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀，其將結(jié)果數(shù)據(jù)高速傳輸至數(shù)字圖像重建工作平臺；第二條線為爬行器，其可以攜帶各種超聲波探頭進行多種掃查，并反饋信號給數(shù)字相控陣超聲波檢測儀；第三條為多維數(shù)字圖像重建工作平臺，可以數(shù)字顯像的方式顯示檢測結(jié)果。
本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點1、所需要的聚焦聲束和回波接收是由多路高速電子器件控制完成的，不需要改變控頭和檢測區(qū)域的相對位置即可以高速完成對檢測區(qū)域的聲束聚焦掃描檢測，具有很高的工作效率。
2、可以數(shù)字化地精細(xì)確定聚焦聲束掃描方案和缺陷反射源位置，提高了檢測質(zhì)量。
3、與多路高速的數(shù)字電路發(fā)射和接收控制裝置以及上位工業(yè)控制機相結(jié)合，可以實現(xiàn)回波數(shù)據(jù)的A超、B超、C超等圖象顯示；建立回波數(shù)據(jù)庫供長期存檔，為開發(fā)帶檢測結(jié)果評價智能化功能的超聲檢測系統(tǒng)提供可能性。


圖1本發(fā)明全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所示的全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測儀的工作原理圖。
圖3是圖1所示的爬行器控制計算機的手動操作流程圖。
圖4是圖1所示的爬行器控制計算機的自動操作流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示本系統(tǒng)包括用于指揮與調(diào)度整個檢測系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)主機1；控制完成一組波束在特定位置點上聚焦的全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀2；帶有相控陣超聲波探頭31、32并可在被檢測管道上運行的超聲波檢測爬行器3；可顯示檢測結(jié)果的多維數(shù)字圖像重建工作平臺4；可控制爬行器3的運動方向及速度的爬行器控制計算機5；爬行器控制計算機的操作界面6。所述系統(tǒng)主機1通過ISA口、232接口分別與超聲波檢測儀2、爬行器控制計算機5雙向連接；所述超聲波檢測儀2通過PCI口將檢測結(jié)果數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)主機1；所述的超聲波檢測儀2與相控陣超聲波探頭31、32雙向連接；所述爬行器控制計算機5通過232接口與爬行器3的驅(qū)動器33及執(zhí)行模塊34雙向連接，所述爬行器控制計算機5將控制數(shù)據(jù)顯示在操作界面6上；所述系統(tǒng)主機最終將檢測數(shù)據(jù)傳送給圖像重建工作平臺4并顯示。
一、系統(tǒng)主機1系統(tǒng)主機1設(shè)有數(shù)學(xué)模型軟件、檢測方案數(shù)據(jù)庫、總調(diào)程序模塊、信息管理數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)軟件，整個檢測系統(tǒng)就是在它的指揮與調(diào)度下分三條作業(yè)線協(xié)調(diào)交錯地工作。
1、數(shù)學(xué)模型軟件根據(jù)超聲波的縱/橫波在介質(zhì)中的傳播、折射、反射等聲學(xué)原理；相控陣超聲波合成波陣面的形成及入射角的改變；波束聚焦及焦點掃描的數(shù)學(xué)描述方法構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型并開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用軟件，運行該軟件可生成檢測方案。
2、檢測方案數(shù)據(jù)庫根據(jù)超聲波檢測工藝要求和國(家、際)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由數(shù)學(xué)模型形成一組組控制超聲儀、機器人及圖像重建軟件運行的參數(shù)，這些參數(shù)組的集合稱之為檢測方案數(shù)據(jù)庫，簡稱方案庫。
3、總調(diào)程序模塊具有標(biāo)定檢測和結(jié)果顯示和打印等功能，利用人-機界面進行方案選擇、臨時參數(shù)設(shè)置，并通過通信驅(qū)動軟件去指揮超聲儀、機器人、圖像重建平臺協(xié)調(diào)地工作。
4、信息管理數(shù)據(jù)庫將檢測結(jié)果的原始數(shù)據(jù)有序地保存起來，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，稱之為信息管理數(shù)據(jù)庫。這些原始數(shù)據(jù)可供a)離線的圖像處理。b)產(chǎn)品質(zhì)量分析。c)操作人員的業(yè)績管理及班、日、月處報表。
5、其他軟件還有一些應(yīng)用軟件嵌入在超聲檢測儀、爬行器和圖像重建工作平臺中，如數(shù)字濾波、數(shù)值跟蹤控制、數(shù)字圖像重建與立體顯示等，不在此處贅述。
二、全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀2如圖2所示，該全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀2包括邏輯操作控制器21及與該邏輯操作控制器21均雙向連接的發(fā)射通道選擇切換及延時電路22、常用方案庫23、發(fā)射控制電路24、線性放大及TGC程控放大電路26、A/D采樣及緩存電路27、并行陣列累加及數(shù)字濾波陣列運算電路28；所述發(fā)射通道選擇切換及延時電路22發(fā)送控制信號給發(fā)射控制電路24并控制相控陣超聲波探頭31、32的超聲波發(fā)射及聚焦，所述的接收通道選擇切換及延時電路25接收反射的超聲波，所述接收通道選擇切換及延時電路25、線性放大及TGC程控放大電路26、A/D采樣及緩沖電路27、并行陣列累加及數(shù)字濾波陣列運算28依次連接并通過高速并行傳輸?shù)腜CI橋接電路將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)主機1；所述的邏輯操作控制器21通過ISA口和PCI橋與系統(tǒng)主機雙向連接。整個檢測過程是在邏輯控制器操作下進行的，具有并行處理、流水線操作的DSP處理器部分專用功能，它在本系統(tǒng)中所承擔(dān)的功能是在某一個時間段Ti(如≤2ms)內(nèi)，按照數(shù)學(xué)模型所構(gòu)建的一個檢測方案的有關(guān)參數(shù)，確定相控陣中發(fā)射晶振的選取通道的選擇、依次發(fā)射的延遲時間和能量，以完成一組波束在特定位置點上的聚焦；同理，可作出線控陣中接收振源的選取、通道及其放大倍數(shù)的選擇、依次接收時間的決定及其采樣的時寬的選擇，完成對該聚焦點反射超聲波信號的接收；令在檢測的時間序列Ti(I＝0，1，2，……n)中，逐行或逐列或按工藝檢測要求的格式完成上述的發(fā)射波束聚焦與焦點反射接收，簡稱焦點掃描。每次檢測所得到的結(jié)果高速傳輸至系統(tǒng)主機或其他處理平臺所建立的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中去，以供產(chǎn)品分析、圖像重建和作業(yè)信息管理之用。
三、爬行器控制計算機可以調(diào)速、可以正/反向爬行和左/右平移；可以手動/自動操作，所謂手動即可分別在控制微機或伺服電機驅(qū)動器的鍵盤上輸入命令和數(shù)據(jù)，而自動則是接受系統(tǒng)主機的命令；可以正/反向限位，且正向限位時自動歸零(算起始位置)；可以勻速或等步長正/反向爬行或左/右平移，且正向爬行步長為1mm，左右平移步長為0.1mm。
如圖3所示爬行器控制計算機的“手動”鍵盤操作如下啟動爬行器控制計算機后，先執(zhí)行步驟101、雙擊“PMAC8”左鍵，此時屏幕102顯示出三個框，分別為手動、自動、退出；執(zhí)行步驟103、單擊“手動”左鍵，此時屏幕104顯示所示的對話框，如執(zhí)行步驟105，輸入滾動行走步數(shù)，再按向上箭頭，則爬行器依指令滾動；如執(zhí)行步驟106，按復(fù)位鍵后、再按◎鍵細(xì)調(diào)零點，則爬行器依指令復(fù)位；如執(zhí)行步驟107，輸入水平行走步數(shù)，再按左右箭頭，則爬行器依指令平移。
如圖4所示爬行器控制計算機的“自動”鍵盤操作如下執(zhí)行步驟201、單擊“自動”左鍵，此時屏幕202顯示所示對話框，如執(zhí)行步驟203、單擊“打開通信口”鍵，則爬行器控制計算機接受上位微機命令；如執(zhí)行步驟204、單擊“關(guān)閉通信口”鍵，則爬行器控制計算機退出自動控制系統(tǒng)。
同時，爬行器控制計算機接受系統(tǒng)主機命令，其通信速率為9.6Kpbs，通信幀格式8.N.1。
系統(tǒng)除了采用上述爬行器控制計算機及系統(tǒng)主機的命令操作外，還可采用由驅(qū)動器直接操作，這樣本系統(tǒng)構(gòu)成三級操作模式，當(dāng)前級出現(xiàn)故障時，可逐級降級使用。
四、爬行器3它是一類似于自動噴漆、噴釉、焊接、機械加工的多軸控制的作業(yè)機器人在大口徑管道焊縫無損檢測特殊情況下的應(yīng)用，因而有些軸的自由度，可以退化或用簡易的運動形式取代，本實施例中該爬行器具有六個自由度，其中兩軸進行伺服數(shù)字控制，兩軸進行氣動液壓自動控制，兩軸實施隨形邊自動轉(zhuǎn)動。
五、多維數(shù)字圖像重建工作平臺4通過各種射線及超聲波在不透明的物體內(nèi)傳播所發(fā)生的物理變化而獲取的數(shù)字信息來繪制物體內(nèi)部的圖像已較廣泛地應(yīng)用于當(dāng)前的測量學(xué)領(lǐng)域，它真實、直觀地給人們提供出不可見的物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，便于進行深入地科學(xué)分析，本專利基于超聲波在兩種聲阻抗不同的介質(zhì)的交界面通過時產(chǎn)生一定強度的反射波，且兩者的聲阻差異越大界面反射波就越強，利用反射波出現(xiàn)的時刻和強度，可以準(zhǔn)確地繪制出鋼鐵管壁內(nèi)缺陷的形狀、位置。
本發(fā)明在系統(tǒng)主機1的統(tǒng)一調(diào)度與指揮下，分三條作業(yè)流水線分別按一段段的作業(yè)內(nèi)容去完成各自在檢測過程中所承擔(dān)的工作任務(wù)，系統(tǒng)主機按超聲學(xué)原理和檢測工藝構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并生成檢測方案庫，又根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俾室蠓謩e使用高/中速接口和相應(yīng)的通信驅(qū)動程序進行半/全雙功通信。第一條為全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀2，采用超大規(guī)模集成電路按專用DSP的結(jié)構(gòu)設(shè)計而成的，在檢測方案所設(shè)置的有關(guān)參數(shù)控制下，流水線的每一段分別完成超聲波相控陣振元的選取和通道的切換，以實現(xiàn)波束聚焦/掃描；通道微信號放大、并行/陣列高速采集/緩存；檢測數(shù)據(jù)并行/陣列累加；數(shù)字濾波陣列運算以及將其結(jié)果數(shù)據(jù)高速傳輸至數(shù)字圖像重建工作平臺。第二條線為爬行器3，它可以即時設(shè)置速度、方向、位置進行正/反向爬行和橫向平移，可以攜帶各種超聲波探頭進行多種掃查，它的三級控制構(gòu)架可以逐級降級使用，因此具有很高的靈活性和可靠性。第三條為多維數(shù)字圖像重建工作平臺4它可由系統(tǒng)主機承擔(dān)也可另設(shè)微處理機承擔(dān)，或?qū)⑵渲械膶崟r圖像重建放在系統(tǒng)主機中完成，而非實時的二維/三維數(shù)字圖像重建部分以及作業(yè)管理及產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)庫可以放到另設(shè)的微處理機中，同時系統(tǒng)主機和數(shù)字圖像重建工作微機都可以聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳。
權(quán)利要求
1.一種全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括用于指揮與調(diào)度整個檢測系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)主機(1)；控制完成一組波束在特定位置點上聚焦的全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀(2)；帶有相控陣超聲波探頭(31、32)并可在被檢測管道上運行的超聲波檢測爬行器(3)；可顯示檢測結(jié)果的多維數(shù)字圖像重建工作平臺(4)；可控制爬行器(3)的運動方向及速度的爬行器控制計算機(5)；爬行器控制計算機的操作界面(6)；所述系統(tǒng)主機(1)分別與超聲波檢測儀(2)、爬行器控制計算機(5)雙向連接，所述超聲波檢測儀(2)將檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)主機(1)，所述的超聲波檢測儀(2)與相控陣超聲波探頭(31、32)雙向連接，所述爬行器控制計算機(5)與爬行器(3)的驅(qū)動器(33)及執(zhí)行模塊(34)雙向連接，所述爬行器控制計算機(5)將控制數(shù)據(jù)顯示在操作界面(6)上，所述系統(tǒng)主機最終將檢測結(jié)果數(shù)據(jù)傳送給圖像重建工作平臺(4)并實時/非實時顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的系統(tǒng)主機(1)設(shè)有數(shù)學(xué)模型軟件、檢測方案數(shù)據(jù)庫、總調(diào)程序模塊、信息管理數(shù)據(jù)庫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀(2)包括邏輯操作控制器(21)及與該邏輯操作控制器(21)均雙向連接的發(fā)射通道選擇切換及延時電路(22)、常用方案庫(23)、主鐘(24)、線性放大及TGC程控放大電路(26)、A/D采樣及緩存電路(27)、并行陣列累加及數(shù)字濾波陣列運算電路(28)；所述發(fā)射通道選擇切換及延時電路(22)發(fā)送控制信號給發(fā)射控制電路(24)并控制相控陣超聲波探頭(31、32)的超聲波發(fā)射及聚焦，所述的接收通道選擇切換及延時電路(25)接收反射的超聲波，所述接收通道選擇切換及延時電路(25)、線性放大及TGC程控放大電路(26)、A/D采樣及緩沖電路(27)、并行陣列累加及數(shù)字濾波陣列運算(28)依次連接并通過高速并行傳輸?shù)腜CI橋接電路將檢測結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)主機(1)；所述的邏輯操作控制器(21)與系統(tǒng)主機(1)雙向連接。
4.一種全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測方法，其特征在于，本方法為在系統(tǒng)主機(1)的統(tǒng)一調(diào)度與指揮下，分三條作業(yè)流水線分別按一段段的作業(yè)內(nèi)容去完成各自在檢測過程中所承擔(dān)的工作任務(wù)，第一條流水線為全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀(2)，其將結(jié)果數(shù)據(jù)高速傳輸至數(shù)字圖像重建工作平臺；第二條線為爬行器(3)，其可以攜帶各種超聲波探頭進行多種掃查，并反饋信號給數(shù)字相控陣超聲波檢測儀(2)；第三條為多維數(shù)字圖像重建工作平臺(4)，可以數(shù)字顯像的方式顯示檢測結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測方法，其特征在于，所述的爬行器的控制模式為三級操作模式，即爬行器控制計算機及上位微機的命令操作，以及驅(qū)動器的直接操作，當(dāng)前級出現(xiàn)故障時，可逐級降級使用。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測方法，其特征在于，所述的爬行器控制計算機可采用手動或自動操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測方法，其特征在于，所述的爬行器控制計算機的“手動”鍵盤操作如下啟動爬行器控制計算機后，先執(zhí)行步驟(101)、雙擊“PMAC8”左鍵，此時屏幕(102)顯示出三個框，分別為手動、自動、退出；執(zhí)行步驟(103)、單擊“手動”左鍵，此時屏幕(104)顯示所示的對話框，如執(zhí)行步驟(105)，輸入滾動行走步數(shù)，按向上箭頭，則爬行器依指令滾動；如執(zhí)行步驟(106)，按復(fù)位鍵后、再按◎鍵細(xì)調(diào)零點，則爬行器依指令復(fù)位；如執(zhí)行步驟(107)，輸入水平行走步數(shù)，按左右箭頭，則爬行器依指令平移。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測方法，其特征在于，所述爬行器控制計算機的“自動”鍵盤操作如下執(zhí)行步驟(201)、單擊“自動”左鍵，此時屏幕(202)顯示所示對話框，如執(zhí)行步驟(203)、單擊“打開通信口”鍵，則爬行器控制計算機接受上位微機命令；如執(zhí)行步驟(204)、單擊“關(guān)閉通信口”鍵，則爬行器控制計算機退出自動控制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)，包括系統(tǒng)主機(1)；全數(shù)字相控陣超聲波檢測儀(2)；超聲波檢測爬行器(3)；多維數(shù)字圖像重建工作平臺(4)；爬行器控制計算機(5)；爬行器控制計算機的操作界面(6)；所述系統(tǒng)主機(1)分別與超聲波檢測儀(2)、爬行器控制計算機(5)雙向連接，所述超聲波檢測儀(2)將檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)主機(1)。本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點1.可高速完成對檢測區(qū)域的聲束聚焦掃描檢測，具有很高的工作效率。2.可以數(shù)字化地精細(xì)確定聚焦聲束掃描方案和缺陷反射源位置，提高了檢測質(zhì)量。3.可以實現(xiàn)回波數(shù)據(jù)的A超、B超、C超等圖象顯示；建立回波數(shù)據(jù)庫供長期存檔。
文檔編號G01N29/06GK1521503SQ0311522
公開日2004年8月18日 申請日期2003年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者熊明光 申請人:上海市計算技術(shù)研究所, 上海市計 技術(shù)研究所