一种多界面粘接质量超声检测装置及方法与流程

1.本发明属于超声检测技术领域，具体涉及一种多界面粘接质量超声检测装置及方法。


背景技术：

2.在航空、航天和军工领域，多层粘接结构由于比模量高，减震性能优越和工艺简单等特点得到了广泛的应用，大多数粘接结构是由金属
‑
非金属
‑
非金属材料依次粘接而成，界面粘接问题一直是科研人员关注的焦点，特别是二界面及以上的界面粘接问题是该领域的难点。


技术实现要素：

3.本发明针对上述问题提供了一种多界面粘接质量超声检测装置及方法。
4.为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
5.一种多界面粘接质量超声检测装置，包括多模超声探测单元、自动扫查单元和计算机，所述多模超声探测单元用于向工件发送超声波，并采集工件反射回的超声波信号，所述自动扫查单元用于带动工件旋转和带动多模超声探测单元进行轴向移动，从而实现对工件全面的扫查，所述计算机用于控制自动扫查单元的工作，通过超声采集卡对多模超声探头采集的超声波信号进行接收，并对其进行处理和成像。
6.进一步，所述多模超声探测单元包括探头盒和位于探头盒中心的纵波探头，在所述纵波探头的左右两侧对称设置有横波探头，左右两个横波探头构成横波检测组合，在所述纵波探头的前后两侧对称设置有板波探头，前后两个板波探头构成板波检测组合，所述横波探头和板波探头均为倾斜设置，所述纵波探头、两个横波探头和两个板波探头的交叉点汇集于一点，所述纵波探头、横波探头和板波探头均安装在探头盒内。
7.再进一步，所述自动扫查单元包括工件支撑旋转结构和轴向移动结构，所述工件支撑旋转结构用于带动工件进行旋转，所述轴向移动结构用于带动多模超声探测单元进行轴向移动。
8.一种多界面粘接质量超声检测方法，主要包括如下步骤：
9.1)通过多模超声探测单元向工件某一圆周截面k中的某一点j同时发射纵波、横波和板波，并采集相应的纵波数字信号s(n)、横波数字信号h(n)和板波数字信号b(n)，其中n为采样点数，随即通过计算机分别对纵波数字信号s(n)、横波数字信号h(n)和板波数字信号b(n)进行信号处理，主要有以下步骤：
10.a)对纵波数字信号s(n)进行信号处理，首先生成大小为r(r＝2n 1，r≤n,n为正整数)的一维滤波信号模板a＝{a1,a2,
…
a
p
,
…
a
r
},其中(p＝1,2,
…
r),μ代表一维滤波信号模板a的均值，δ代表一维滤波信号模板a的标准差，将一维滤波信号模板a覆盖于纵波数字信号s(n)上，并从前往后依次滑动，当一维滤波信号模板a完全位于纵
波数字信号s(n)范围内时，取出一维滤波信号模板a所覆盖的纵波信号序列s
i
＝{s1,s2…
s
i
,
…
s
r
}，si表示所覆盖的纵波信号序列中心的纵波信号幅度值，使用s
i’替换纵波信号序列s
i
中的s
i
，其中s
i’＝s
i
×
a’，从而实现对纵波数字信号s(n)的更新，随后一维滤波信号模板a依次向后滑动，对每个纵波信号幅度值进行更新，直至一维滤波信号模板a边缘超出纵波数字信号s(n)范围，最终得到信号处理后的纵波数字信号s(n)；
11.b)对横波数字信号h(n)进行信号处理，定义一个长度为l1的横波窗口，l1＝2d 1，d为正整数，l1≤n,位于横波窗口内的横波信号序列为h(1)，
…
，h(d 1)，
…
，h(2d 1)，其中h(d 1)为位于横波窗口中心的横波信号幅度值，将横波窗口置于横波数字信号h(n)的上方，并从前往后依次滑动，当横波窗口完全位于横波数字信号h(n)的范围内时，开始对h(d 1)进行处理，具体的处理方法为：将横波窗口内的横波信号幅度值按从小到大的顺序排列，用顺序排列后得到的中位值代替原有的h(d 1)，实现横波数字信号h(n)的更新，处理完毕后，横波窗口依次向后滑动，对每个横波信号幅度值进行更新，直至横波窗口边缘超出横波数字信号h(n)的范围，最终得到信号处理后的横波数字信号h(n)；
12.c)对板波数字信号b(n)进行信号处理，定义一个长度为l2的板波窗口，l2＝2e 1，e为正整数，l2≤n,板波窗口内的板波数字信号幅度值为b(1)，
…
，b(e 1)，
…
，b(2e 1)，其中b(e 1)为位于板波窗口中心的板波信号幅度值，将板波窗口置于板波数字信号b(n)的上方，并从前往后依次滑动，当板波窗口完全位于板波数字信号b(n)的范围内时，开始对b(e 1)进行处理，具体的处理方法为：将板波窗口内的板波信号幅度值求取平均值，用平均值代替原有的b(e 1)，实现板波数字信号b(n)的更新，处理完毕后，板波窗口依次向后滑动，对每个板波信号幅度值进行更新，直至板波窗口边缘超出板波数字信号b(n)的范围，最终得到信号处理后的板波数字信号b(n)；
13.2)对信号处理后的的纵波数字信号s(n)截取有效区间，求取这一区间的纵波回波信号积分幅度特征值s
k,j
、对信号处理后的横波数字信号h(n)截取有效区间，求取这一区间的横波回波信号积分幅度特征值h
k,j
，对信号处理后的板波数字信号b(n)截取有效区间，求取这一区间的板波回波信号积分幅度特征值b
k,j
；
14.3)通过计算机向自动扫查单元发送相应的指令，工件支撑旋转结构带动工件开始旋转，同时轴向移动结构带动多模超声探测单元进行轴向移动，同时重复步骤1)和步骤2)，直至得出所有位置的纵波回波信号积分幅度特征值s
k,j
，横波回波信号积分幅度特征值h
k,j
和板波回波信号积分幅度特征值b
k,j
，最后按照检测位置，重构出完整的纵波检测结果矩阵s、横波检测结果矩阵h和板波检测结果矩阵b；根据粘接良好回波信号积分幅度特征值a1与脱粘回波信号积分幅度特征值a2确定判定值，t＝ca1 fa2,其中c、f为调节系数，范围为0
‑
1，通过调节相应的系数，分别得到相应纵波、横波和板波信号工件粘接情况的判别值t1、t2和t3，将s、h和b中的元素分别与相应的判别值进行比较，并进行阈值分割后得到新的结果矩阵s1、h1和b1；
15.4)对h1与b1对应的元素进行与操作后得到二界面结果矩阵h2,对h1与b1对应的元素进行异或操作得到三界面结果矩阵b2,对结果矩阵s1进行二值化成像，得到一界面粘接质量检测图、对结果矩阵h2进行二值化成像，得到二界面粘接质量检测图，对结果矩阵b2进行二值化成像，得到三界面粘接质量检测图。
16.与现有技术相比本发明具有以下优点：
17.本发明通过纵波、横波与板波多种模式的超声波相互融合，系统采用横、纵、板波协同工作的检测方式，纵波用于检测一界面脱粘检测，横波和板波通过采用斜入射一发一收的方式使超声波声程得到增加，从而将不同界面的特征信号分离，通过三种模式超声波的相互结合，实现界面信号的分离和提取；纵波检测一界面的粘接情况，横波与板波相融合综合检测二界面和三界面的粘接情况，从而解决了单模式超声波检测多层粘接结构困难、无法进行界面分离的问题。
附图说明
18.图1为本发明的结构示意图；
19.图2为本发明多模超声探测单元的俯视图；
20.图3为本发明多模超声探测单元的左视图；
21.图4为本发明多模超声探测单元的主视图；
22.图5为本发明实施例中工件的粘接结构示意图；
23.图6为本发明实施例中工件脱粘缺陷预制图；
24.图7为本发明实施例中一界面脱粘原始图；
25.图8为本发明实施例中一界面脱粘二值化图；
26.图9为本发明实施例中二界面脱粘原始图；
27.图10为本发明实施例中二界面脱粘二值化图；
28.图11为本发明实施例中三界面脱粘原始图；
29.图12为本发明实施例中三界面脱粘二值化图；
30.图中，工件—1、纵波探头—2、横波探头—3、板波探头—4、探头盒—5、壳体—6、绝热层—7、丁羟衬层—8、固体火箭推进剂层—9。
具体实施方式
31.为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
32.如图1至图4所示，一种多界面粘接质量超声检测装置，主要包括多模超声探测单元、自动扫查单元和计算机，所述多模超声探测单元用于向工件发送超声波，并采集工件反射回的超声波信号，所述自动扫查单元用于带动工件旋转和带动多模超声探测单元进行轴向移动，从而实现对工件全面的扫查，所述计算机用于控制自动扫查单元的工作，通过超声采集卡对多模超声探头采集的超声波信号进行接收，并对其进行处理和成像，所述超声采集卡设置在防爆盒内，所述防爆盒与工件位于同一车间内，以减小超声采集卡与工件之间的距离，防止线路过长导致信号不好。
33.进一步，所述多模超声探测单元包括探头盒和位于探头盒中心的纵波探头，在所述纵波探头的左右两侧对称设置有横波探头，左右两个横波探头构成横波检测组合，在所述纵波探头的前后两侧对称设置有板波探头，前后两个板波探头构成板波检测组合，所述横波探头和板波探头均为倾斜设置，所述纵波探头、两个横波探头和两个板波探头的交叉点汇集于一点，所述纵波探头、横波探头和板波探头均安装在探头盒内。
34.所述自动扫查单元包括工件支撑旋转结构和轴向移动结构，所述工件支撑旋转结构用于带动工件进行旋转，所述轴向移动结构用于带动多模超声探测单元进行轴向移动，
所述轴向移动结构可以为齿轮齿条结构或者丝杠结构。
35.采用上述装置对固体火箭发动机进行多界面检测，固体火箭发动机依次由壳体、绝热层、丁羟衬层和固体火箭推进剂依次粘接而成，其中壳体厚度为4mm，绝热层厚度为2mm，丁羟衬层的厚度为2mm，粘接结构示意图如图5所示，在固体火箭发动机上分别在一界面、二界面和三界面预制脱粘缺陷，沿工件轴线展开结构示意图如图6所示。
36.一种多界面粘接质量超声检测方法，主要包括如下步骤：
37.1)通过多模超声探测单元向工件某一圆周截面k中的某一点j同时发射纵波、横波和板波，并采集相应的纵波数字信号s(n)、横波数字信号h(n)和板波数字信号b(n)，其中n为采样点数，随即通过计算机分别对纵波数字信号s(n)、横波数字信号h(n)和板波数字信号b(n)进行信号处理，主要有以下步骤：
38.a)对纵波数字信号s(n)进行信号处理，首先生成大小为r(r＝2n 1，r≤n,n为正整数)的一维滤波信号模板a＝{a1,a2,
…
a
p
,
…
a
r
},其中(p＝1,2,
…
r),μ代表一维滤波信号模板a的均值，δ代表一维滤波信号模板a的标准差，将一维滤波信号模板a覆盖于纵波数字信号s(n)上，并从前往后依次滑动，当一维滤波信号模板a完全位于纵波数字信号s(n)范围内时，取出一维滤波信号模板a所覆盖的纵波信号序列s
i
＝{s1,s2…
s
i
,
…
s
r
}，si表示所覆盖的纵波信号序列中心的纵波信号幅度值，使用s
i’替换纵波信号序列s
i
中的s
i
，其中s
i’＝s
i
×
a’，从而实现对纵波数字信号s(n)的更新，随后一维滤波信号模板a依次向后滑动，对每个纵波信号幅度值进行更新，直至一维滤波信号模板a边缘超出纵波数字信号s(n)范围，最终得到信号处理后的纵波数字信号s(n)；
39.b)对横波数字信号h(n)进行信号处理，定义一个长度为l1的横波窗口，l1＝2d 1，d为正整数，l1≤n,位于横波窗口内的横波信号序列为h(1)，
…
，h(d 1)，
…
，h(2d 1)，其中h(d 1)为位于横波窗口中心的横波信号幅度值，将横波窗口置于横波数字信号h(n)的上方，并从前往后依次滑动，当横波窗口完全位于横波数字信号h(n)的范围内时，开始对h(d 1)进行处理，具体的处理方法为：将横波窗口内的横波信号幅度值按从小到大的顺序排列，用顺序排列后得到的中位值代替原有的h(d 1)，实现横波数字信号h(n)的更新，处理完毕后，横波窗口依次向后滑动，对每个横波信号幅度值进行更新，直至横波窗口边缘超出横波数字信号h(n)的范围，最终得到信号处理后的横波数字信号h(n)；
40.c)对板波数字信号b(n)进行信号处理，定义一个长度为l2的板波窗口，l2＝2e 1，e为正整数，l2≤n,板波窗口内的板波数字信号幅度值为b(1)，
…
，b(e 1)，
…
，b(2e 1)，其中b(e 1)为位于板波窗口中心的板波信号幅度值，将板波窗口置于板波数字信号b(n)的上方，并从前往后依次滑动，当板波窗口完全位于板波数字信号b(n)的范围内时，开始对b(e 1)进行处理，具体的处理方法为：将板波窗口内的板波信号幅度值求取平均值，用平均值代替原有的b(e 1)，实现板波数字信号b(n)的更新，处理完毕后，板波窗口依次向后滑动，对每个板波信号幅度值进行更新，直至板波窗口边缘超出板波数字信号b(n)的范围，最终得到信号处理后的板波数字信号b(n)；
41.2)对信号处理后的的纵波数字信号s(n)截取有效区间，求取这一区间的纵波回波信号积分幅度特征值s
k,j
、对信号处理后的横波数字信号h(n)截取有效区间，求取这一区间
的横波回波信号积分幅度特征值h
k,j
，对信号处理后的板波数字信号b(n)截取有效区间，求取这一区间的板波回波信号积分幅度特征值b
k,j
；
42.3)通过计算机向自动扫查单元发送相应的指令，工件支撑旋转结构带动工件开始旋转，同时轴向移动结构带动多模超声探测单元进行轴向移动，同时重复步骤1)和步骤2)，直至得出所有位置的纵波回波信号积分幅度特征值s
k,j
，横波回波信号积分幅度特征值h
k,j
和板波回波信号积分幅度特征值b
k,j
，最后按照检测位置，重构出完整的纵波检测结果矩阵s、横波检测结果矩阵h和板波检测结果矩阵b；根据粘接良好回波信号积分幅度特征值a1与脱粘回波信号积分幅度特征值a2确定判定值，t＝ca1 fa2,其中c、f为调节系数，范围为0
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1，通过调节相应的系数，分别得到相应纵波、横波和板波信号工件粘接情况的判别值t1、t2和t3，将s、h和b中的元素分别与相应的判别值进行比较，并进行阈值分割后得到新的结果矩阵s1、h1和b1；
43.4)对h1与b1对应的元素进行与操作后得到二界面结果矩阵h2,对h1与b1对应的元素进行异或操作得到三界面结果矩阵b2,对结果矩阵s1进行二值化成像，得到一界面粘接质量检测图、对结果矩阵h2进行二值化成像，得到二界面粘接质量检测图，对结果矩阵b2进行二值化成像，得到三界面粘接质量检测图。
44.以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
45.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。