一种超声-涡流复合无损检测方法及装置与流程

本发明涉及无损检测，特别涉及一种超声-涡流复合无损检测方法及装置。

背景技术：

1、超声检测和涡流检测均为工业制造、装备运维及质量检验中常用的无损检测手段。超声检测通过向被检工件发射超声波并接收缺陷反射回波，能够对工件内部的夹杂、分层、未焊透、裂纹等缺陷进行定位和定量分析，具有检测深度大、穿透能力强的特点。然而，受探头始波、声学耦合状态、近表面盲区及工件表面形貌等因素影响，超声检测对工件近表面微小裂纹、表面开口缺陷及浅层腐蚀缺陷的检测灵敏度受到限制。

2、涡流检测通过交变磁场在导电工件中形成感应涡流，并根据线圈阻抗、幅值和相位等变化识别缺陷，对表面及近表面裂纹、腐蚀和材料组织变化具有较高灵敏度，且通常无需耦合剂。但涡流信号随检测深度增加而衰减，受趋肤效应、提离变化、材料电导率和磁导率变化影响明显，难以实现对较深部位缺陷的可靠检测和准确深度定量。

3、现有检测方式通常采用超声设备和涡流设备分别实施检测，再由检测人员根据检测位置、检测时间或经验对结果进行比对。该方式存在探头位置不一致、扫描轨迹不一致、数据时间基准不统一以及结果难以对应的问题；同时，工件表面状态、耦合状态及探头贴合状态变化还可能导致误报警或漏检。尤其对于同时存在近表面缺陷和深层内部缺陷的工件，现有单一检测技术或离线组合检测方式难以形成覆盖不同深度范围的统一检测结果，检测效率、缺陷定位精度和检测可信度仍有提升空间。

技术实现思路

1、为解决现有超声与涡流检测难以在同一扫描位置对近表面和深层缺陷进行闸门化关联检测、融合判定及统一显的技术问题，本发明提供了一种超声-涡流复合无损检测方法及装置。

2、第一方面，本发明提供了一种超声-涡流复合无损检测方法，包括以下步骤：

3、将具有外壳的超声-涡流一体式复合探头贴合于被检工件的待检测表面，所述外壳内集成设置有超声波探头和涡流探头；

4、通过超声检测通道对所述超声波探头施加超声激励信号，并采集由所述被检工件返回的超声回波信号；

5、通过涡流检测通道对所述涡流探头施加交变电磁激励信号，并采集对应的涡流检测信号；

6、基于统一时间基准、探头扫描位置基准或者统一时间基准和探头扫描位置基准，对所述超声回波信号和所述涡流检测信号进行关联；

7、设置第一检测闸门和第二检测闸门，其中，所述第一检测闸门为涡流检测通道对应近表面检测区域的信号采集及缺陷判定窗口，所述第二检测闸门为超声检测通道对应深层检测区域的超声回波采集及缺陷判定窗口；

8、通过所述第一检测闸门获取近表面检测区域对应的涡流检测信号，并采用涡流缺陷识别算法得到近表面缺陷检测结果；

9、通过所述第二检测闸门获取深层检测区域对应的超声回波信号，并采用超声缺陷识别算法得到深层缺陷检测结果；

10、将所述近表面缺陷检测结果和所述深层缺陷检测结果进行位置关联、深度关联或时间关联，得到复合检测结果；

11、将所述复合检测结果以包含涡流检测信号和超声回波信号的射频波形显示于同一显示界面。

12、进一步的，根据被检工件的电导率、磁导率、表面状态和目标检测深度，确定涡流激励频率、涡流激励幅值、涡流增益和涡流相位角；

13、根据被检工件的厚度、超声波传播速度、待检测深度和超声波探头类型，确定超声激励电压、超声增益、超声发射重复频率和超声采样时间；

14、根据涡流探头的有效检测深度和超声波探头的近表面盲区，确定所述第一检测闸门参数和所述第二检测闸门参数，以使近表面检测区域和深层检测区域相接或者形成重叠检测区域。

15、进一步的，所述第一检测闸门对应被检工件表面以下0 mm至3 mm的近表面检测区域，所述第二检测闸门对应被检工件表面以下大于3 mm的深层检测区域；

16、所述第一检测闸门和所述第二检测闸门之间设置有重叠检测区域，所述重叠检测区域的范围根据涡流检测信号的有效检测深度、超声波探头的近表面盲区和检测信噪比动态确定。

17、进一步的，包括：

18、根据所述超声波探头和所述涡流探头之间的相对位置参数，对超声回波信号对应的检测位和涡流检测信号对应的检测位置进行位置偏移补偿；

19、根据所述耦合状态信号对超声回波信号进行耦合补偿，并利用经耦合补偿的超声回波信号中的表面回波特征或界面回波特征，对涡流检测信号进行提离补偿；

20、对补偿后的超声回波信号和涡流检测信号进行时钟同步处理，以使所述超声有效信号和所述涡流有效信号对应于被检工件上的同一检测位置。

21、进一步的，所述涡流有效信号输入近表面缺陷识别模型，输出近表面缺陷特征数据，包括：

22、提取所述涡流有效信号的阻抗变化特征、幅值特征、相位特征、频率响应特征和时频特征中的至少一种；

23、将提取的特征与无缺陷区域的涡流基准特征进行比较，得到近表面异常特征；

24、根据所述近表面异常特征，输出至少包括近表面异常位置、等效检测深度范围、缺陷响应幅值、缺陷类别和第一置信度的近表面缺陷特征数据；

25、其中，所述缺陷类别至少包括表面裂纹、近表面裂纹、腐蚀缺陷、夹杂缺陷和表面开口缺陷中的一种。

26、进一步的，将所述超声有效信号输入深层缺陷识别模型，输出深层缺陷特征数据，包括：

27、根据表面回波、界面回波或底面回波确定超声回波信号的时间零点；

28、利用所述第二检测闸门截取深层检测区域对应的超声回波信号，并从截取后的超声回波信号中提取回波到达时间、回波幅值、回波包络、回波形态和频谱特征中的至少一种；

29、根据所述回波到达时间、时间零点和超声波传播速度，计算深层缺陷的深度信息；

30、根据所述深度信息和提取的超声回波特征，输出至少包括深层异常位置、缺陷深度、缺陷当量、缺陷类别和第二置信度的深层缺陷特征数据。

31、进一步的，对所述近表面缺陷特征数据和所述深层缺陷特征数据进行位置一致性判断、深度连续性判断和特征相关性判断；

32、当近表面缺陷特征数据和深层缺陷特征数据位于同一检测位置或者位于预设位置容差范围内，且位于所述重叠检测区域或者满足预设深度连续性条件时，将所述近表面缺陷特征数据和所述深层缺陷特征数据融合为同一复合缺陷结果；

33、根据第一置信度、第二置信度、信号幅值、信噪比、耦合状态和位置一致性判断结果，计算所述复合缺陷结果的缺陷置信度；

34、当仅由超声检测通道或涡流检测通道输出缺陷特征数据，或者所述缺陷置信度低于预设置信度阈值时，生成待复检缺陷结果。

35、进一步的，根据耦合状态信号、超声回波信噪比、涡流检测信号信噪比、位置配准误差和缺陷置信度生成检测质量评价结果；

36、在所述耦合状态信号低于预设耦合阈值时，生成用于调整探头贴合状态、耦合剂供给量或超声增益的参数调整指令；

37、在所述涡流检测信号信噪比低于预设涡流信噪比阈值时，生成用于调整涡流激励频率、涡流增益、相位角或扫描速度的参数调整指令；

38、在所述超声回波信噪比低于预设超声信噪比阈值时，生成用于调整超声增益、超声激励电压、第二检测闸门起始位置或第二检测闸门宽度的参数调整指令；

39、在所述缺陷置信度低于预设置信度阈值时，生成用于对待复检缺陷结果对应位置进行重复扫描或加密扫描的参数调整指令；

40、将调整后的检测参数及复检结果重新输入所述近表面缺陷识别模型和深层缺陷识别模型，以更新所述复合缺陷结果。

41、第二方面，本发明还提供了一种超声-涡流复合无损检测装置，包括一体式复合探头、双通道激励与采集模块、参数配置模块、信号预处理模块、双闸门控制模块、缺陷识别与融合模块、质量评价与反馈模块、显示模块和存储模块；

42、所述一体式复合探头包括外壳、超声波探头和涡流探头，所述外壳内形成有超声探头安装腔和涡流探头安装腔，所述超声波探头设置于所述超声探头安装腔内，所述涡流探头设置于所述涡流探头安装腔内；

43、所述双通道激励与采集模块包括超声检测通道和涡流检测通道，所述超声检测通道用于基于超声检测参数激励所述超声波探头并采集超声回波信号，所述涡流检测通道用于基于涡流检测参数激励所述涡流探头并采集涡流检测信号；

44、所述参数配置模块用于接收工件信息、检测任务信息和探头标定信息，并生成超声检测参数、涡流检测参数、扫描参数、第一检测闸门参数和第二检测闸门参数；

45、所述信号预处理模块用于接收所述超声回波信号、涡流检测信号、探头位置信号和耦合状态信号，并输出经位置配准和补偿处理的超声有效信号和涡流有效信号；

46、所述双闸门控制模块包括第一检测闸门和第二检测闸门，所述第一检测闸门用于将涡流有效信号输入近表面检测区域对应的缺陷识别过程，所述第二检测闸门用于将超声有效信号输入深层检测区域对应的缺陷识别过程；

47、所述缺陷识别与融合模块用于输出近表面缺陷特征数据、深层缺陷特征数据和基于二者融合得到的复合缺陷结果；

48、所述质量评价与反馈模块用于根据所述复合缺陷结果、耦合状态信号和信噪比信息输出检测质量评价结果及参数调整指令，并将所述参数调整指令反馈至所述参数配置模块；

49、所述显示模块用于输出复合显示数据，所述存储模块用于存储工件信息、检测参数、原始检测信号、复合缺陷结果、检测质量评价结果和检测报告数据。

50、进一步的，所述超声波探头和所述涡流探头采用同轴嵌套布置、并列布置、沿扫描方向前后布置或阵列布置中的至少一种布置方式；

51、所述外壳由绝缘耐磨材料制成，所述外壳朝向被检工件的一侧设有平面接触部、弧形接触部、v形接触部、仿形接触部或柔性贴合接触部；

52、所述外壳内设置有电磁屏蔽隔离层，所述电磁屏蔽隔离层位于所述超声波探头和所述涡流探头之间；

53、所述外壳还设有耦合剂通道、储液槽、供液孔或耦合垫层中的至少一种；

54、还包括位置编码器、位移传感器、旋转编码器、扫描机构或机器人运动控制机构中的至少一种，用于向所述信号预处理模块输入探头位置信号；

55、所述双通道激励与采集模块包括统一时钟单元，所述统一时钟单元用于控制超声检测通道和涡流检测通道同步激励和同步采集，或者控制超声检测通道和涡流检测通道分时激励和分时采集；

56、所述质量评价与反馈模块包括复检控制单元，所述复检控制单元用于在复合缺陷结果为待复检缺陷结果时，向扫描机构或机器人运动控制机构输出重复扫描指令或加密扫描指令，并将重复扫描或加密扫描所得检测信号重新输入所述信号预处理模块。

57、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

58、与现有超声检测和涡流检测分别实施、检测结果离线比对的方式相比，本发明采用将超声波探头和涡流探头集成于同一外壳内的一体式复合探头，可在一次贴合及扫描过程中获取同一待检测表面对应的超声回波信号和涡流检测信号，减少因更换探头、重复扫描或扫描轨迹不一致造成的位置偏差，提高检测效率和检测结果的一致性。

59、本发明通过统一时间基准、探头扫描位置基准或二者结合的方式，对超声回波信号和涡流检测信号进行关联，使不同检测机理产生的信号能够对应至同一检测位置，为后续缺陷结果的比对、融合和追溯提供基础。通过设置对应近表面检测区域的第一检测闸门和对应深层检测区域的第二检测闸门，可依据涡流检测的近表面高灵敏度特性以及超声检测的深层穿透特性，分别提取有效检测区域内的信号并进行缺陷判定，从而降低无关信号、始波、底波或环境干扰对检测结果的影响。

60、进一步地，根据涡流探头有效检测深度和超声探头近表面盲区设置相接或重叠的检测区域，有利于弥补单一检测方式的深度覆盖不足，实现工件表面、近表面至深层区域的连续或交叉覆盖检测。通过对两类检测结果进行位置关联、深度关联或时间关联，可识别同一位置处的近表面异常和深层异常，形成复合检测结果，提升复杂缺陷或跨深度缺陷的综合判定能力。

61、此外，将包含涡流检测信号和超声回波信号的射频波形显示于同一显示界面，便于检测人员同步观察两类信号的响应特征、检测位置及缺陷判定结果，减少人工切换设备和比对不同数据界面的操作，提高检测结果的可视化程度、判读便利性及现场检测效率。