专利名称：全数字相控阵超声波无损检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种全数字相控阵超声波无损检测系统及方法，可广泛地应用于石油/化工、冶金/机械、航空/航天、市政/建筑、造船/核电等领域的无损探伤。
背景技术：
就相控阵超声波无损检测系统而言，目前国内的产品大多为单探头和基于模拟电路的控制装置组成的产品，近年为研计和已着手研制的相控制阵超声波无损检测设备其技术水平都停留在半模拟半数字的设计方式上，不便于调试，检没精度不高，工作效率低，此外检测数据难于长期保存供深度分析和存档。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全数字式相控阵无损检测系统，包括用于指挥与调度整个检测系统协调工作的系统主机；控制完成一组波束在特定位置点上聚焦的全数字相控阵超声波检测仪；带有相控阵超声波探头并可在被检测管道上运行的超声波检测爬行器；可显示检测结果的多维数字图像重建工作平台；可控制爬行器的运动方向及速度的爬行器控制计算机；爬行器控制计算机的操作界面；所述系统主机通过ISA口、232接口分别与超声波检测仪、爬行器控制计算机双向连接，所述超声波检测仪通过PCI口将检测的结果数据传送给系统主机，所述的超声波检测仪与相控阵超声波探头双向连接，所述爬行器控制计算机通过232接口与爬行器的驱动器及执行模块双向连接，所述爬行器控制计算机将控制数据显示在操作界面上，所述系统主机最终将检测结果数据传送给图像重建工作平台并实时/非实时显示。
本发明所要解决的技术问题是提供一种上述全数字相控阵超声波无损检测系统所采用的检测方法，本方法为在系统主机的统一调度与指挥下，分三条作业流水线分别按一段段的作业内容去完成各自在检测过程中所承担的工作任务，第一条流水线为全数字相控阵超声波检测仪，其将结果数据高速传输至数字图像重建工作平台；第二条线为爬行器，其可以携带各种超声波探头进行多种扫查，并反馈信号给数字相控阵超声波检测仪；第三条为多维数字图像重建工作平台，可以数字显像的方式显示检测结果。
本发明具有如下突出优点1、所需要的聚焦声束和回波接收是由多路高速电子器件控制完成的，不需要改变控头和检测区域的相对位置即可以高速完成对检测区域的声束聚焦扫描检测，具有很高的工作效率。
2、可以数字化地精细确定聚焦声束扫描方案和缺陷反射源位置，提高了检测质量。
3、与多路高速的数字电路发射和接收控制装置以及上位工业控制机相结合，可以实现回波数据的A超、B超、C超等图象显示；建立回波数据库供长期存档，为开发带检测结果评价智能化功能的超声检测系统提供可能性。


图1本发明全数字相控阵超声波无损检测系统的总体结构示意图。
图2是图1所示的全数字相控阵超声波无损检测仪的工作原理图。
图3是图1所示的爬行器控制计算机的手动操作流程图。
图4是图1所示的爬行器控制计算机的自动操作流程图。
具体实施例方式
如图1所示本系统包括用于指挥与调度整个检测系统协调工作的系统主机1；控制完成一组波束在特定位置点上聚焦的全数字相控阵超声波检测仪2；带有相控阵超声波探头31、32并可在被检测管道上运行的超声波检测爬行器3；可显示检测结果的多维数字图像重建工作平台4；可控制爬行器3的运动方向及速度的爬行器控制计算机5；爬行器控制计算机的操作界面6。所述系统主机1通过ISA口、232接口分别与超声波检测仪2、爬行器控制计算机5双向连接；所述超声波检测仪2通过PCI口将检测结果数据传送给系统主机1；所述的超声波检测仪2与相控阵超声波探头31、32双向连接；所述爬行器控制计算机5通过232接口与爬行器3的驱动器33及执行模块34双向连接，所述爬行器控制计算机5将控制数据显示在操作界面6上；所述系统主机最终将检测数据传送给图像重建工作平台4并显示。
一、系统主机1系统主机1设有数学模型软件、检测方案数据库、总调程序模块、信息管理数据库等系统软件，整个检测系统就是在它的指挥与调度下分三条作业线协调交错地工作。
1、数学模型软件根据超声波的纵/横波在介质中的传播、折射、反射等声学原理；相控阵超声波合成波阵面的形成及入射角的改变；波束聚焦及焦点扫描的数学描述方法构建了数学模型并开发了相应的应用软件，运行该软件可生成检测方案。
2、检测方案数据库根据超声波检测工艺要求和国(家、际)的有关标准，由数学模型形成一组组控制超声仪、机器人及图像重建软件运行的参数，这些参数组的集合称之为检测方案数据库，简称方案库。
3、总调程序模块具有标定检测和结果显示和打印等功能，利用人-机界面进行方案选择、临时参数设置，并通过通信驱动软件去指挥超声仪、机器人、图像重建平台协调地工作。
4、信息管理数据库将检测结果的原始数据有序地保存起来，并建立相应的数据库，称之为信息管理数据库。这些原始数据可供a)离线的图像处理。b)产品质量分析。c)操作人员的业绩管理及班、日、月处报表。
5、其他软件还有一些应用软件嵌入在超声检测仪、爬行器和图像重建工作平台中，如数字滤波、数值跟踪控制、数字图像重建与立体显示等，不在此处赘述。
二、全数字相控阵超声波检测仪2如图2所示，该全数字相控阵超声波检测仪2包括逻辑操作控制器21及与该逻辑操作控制器21均双向连接的发射通道选择切换及延时电路22、常用方案库23、发射控制电路24、线性放大及TGC程控放大电路26、A/D采样及缓存电路27、并行阵列累加及数字滤波阵列运算电路28；所述发射通道选择切换及延时电路22发送控制信号给发射控制电路24并控制相控阵超声波探头31、32的超声波发射及聚焦，所述的接收通道选择切换及延时电路25接收反射的超声波，所述接收通道选择切换及延时电路25、线性放大及TGC程控放大电路26、A/D采样及缓冲电路27、并行阵列累加及数字滤波阵列运算28依次连接并通过高速并行传输的PCI桥接电路将检测数据发送给系统主机1；所述的逻辑操作控制器21通过ISA口和PCI桥与系统主机双向连接。整个检测过程是在逻辑控制器操作下进行的，具有并行处理、流水线操作的DSP处理器部分专用功能，它在本系统中所承担的功能是在某一个时间段Ti(如≤2ms)内，按照数学模型所构建的一个检测方案的有关参数，确定相控阵中发射晶振的选取通道的选择、依次发射的延迟时间和能量，以完成一组波束在特定位置点上的聚焦；同理，可作出线控阵中接收振源的选取、通道及其放大倍数的选择、依次接收时间的决定及其采样的时宽的选择，完成对该聚焦点反射超声波信号的接收；令在检测的时间序列Ti(I＝0，1，2，……n)中，逐行或逐列或按工艺检测要求的格式完成上述的发射波束聚焦与焦点反射接收，简称焦点扫描。每次检测所得到的结果高速传输至系统主机或其他处理平台所建立的相应数据库中去，以供产品分析、图像重建和作业信息管理之用。
三、爬行器控制计算机可以调速、可以正/反向爬行和左/右平移；可以手动/自动操作，所谓手动即可分别在控制微机或伺服电机驱动器的键盘上输入命令和数据，而自动则是接受系统主机的命令；可以正/反向限位，且正向限位时自动归零(算起始位置)；可以匀速或等步长正/反向爬行或左/右平移，且正向爬行步长为1mm，左右平移步长为0.1mm。
如图3所示爬行器控制计算机的“手动”键盘操作如下启动爬行器控制计算机后，先执行步骤101、双击“PMAC8”左键，此时屏幕102显示出三个框，分别为手动、自动、退出；执行步骤103、单击“手动”左键，此时屏幕104显示所示的对话框，如执行步骤105，输入滚动行走步数，再按向上箭头，则爬行器依指令滚动；如执行步骤106，按复位键后、再按◎键细调零点，则爬行器依指令复位；如执行步骤107，输入水平行走步数，再按左右箭头，则爬行器依指令平移。
如图4所示爬行器控制计算机的“自动”键盘操作如下执行步骤201、单击“自动”左键，此时屏幕202显示所示对话框，如执行步骤203、单击“打开通信口”键，则爬行器控制计算机接受上位微机命令；如执行步骤204、单击“关闭通信口”键，则爬行器控制计算机退出自动控制系统。
同时，爬行器控制计算机接受系统主机命令，其通信速率为9.6Kpbs，通信帧格式8.N.1。
系统除了采用上述爬行器控制计算机及系统主机的命令操作外，还可采用由驱动器直接操作，这样本系统构成三级操作模式，当前级出现故障时，可逐级降级使用。
四、爬行器3它是一类似于自动喷漆、喷釉、焊接、机械加工的多轴控制的作业机器人在大口径管道焊缝无损检测特殊情况下的应用，因而有些轴的自由度，可以退化或用简易的运动形式取代，本实施例中该爬行器具有六个自由度，其中两轴进行伺服数字控制，两轴进行气动液压自动控制，两轴实施随形边自动转动。
五、多维数字图像重建工作平台4通过各种射线及超声波在不透明的物体内传播所发生的物理变化而获取的数字信息来绘制物体内部的图像已较广泛地应用于当前的测量学领域，它真实、直观地给人们提供出不可见的物体内部的结构，便于进行深入地科学分析，本专利基于超声波在两种声阻抗不同的介质的交界面通过时产生一定强度的反射波，且两者的声阻差异越大界面反射波就越强，利用反射波出现的时刻和强度，可以准确地绘制出钢铁管壁内缺陷的形状、位置。
本发明在系统主机1的统一调度与指挥下，分三条作业流水线分别按一段段的作业内容去完成各自在检测过程中所承担的工作任务，系统主机按超声学原理和检测工艺构建数学模型并生成检测方案库，又根据数据传输的容量和速率要求分别使用高/中速接口和相应的通信驱动程序进行半/全双功通信。第一条为全数字相控阵超声波检测仪2，采用超大规模集成电路按专用DSP的结构设计而成的，在检测方案所设置的有关参数控制下，流水线的每一段分别完成超声波相控阵振元的选取和通道的切换，以实现波束聚焦/扫描；通道微信号放大、并行/阵列高速采集/缓存；检测数据并行/阵列累加；数字滤波阵列运算以及将其结果数据高速传输至数字图像重建工作平台。第二条线为爬行器3，它可以即时设置速度、方向、位置进行正/反向爬行和横向平移，可以携带各种超声波探头进行多种扫查，它的三级控制构架可以逐级降级使用，因此具有很高的灵活性和可靠性。第三条为多维数字图像重建工作平台4它可由系统主机承担也可另设微处理机承担，或将其中的实时图像重建放在系统主机中完成，而非实时的二维/三维数字图像重建部分以及作业管理及产品质量统计分析数据库可以放到另设的微处理机中，同时系统主机和数字图像重建工作微机都可以联网远传。
权利要求
1.一种全数字相控阵超声波无损检测系统，其特征在于，包括用于指挥与调度整个检测系统协调工作的系统主机(1)；控制完成一组波束在特定位置点上聚焦的全数字相控阵超声波检测仪(2)；带有相控阵超声波探头(31、32)并可在被检测管道上运行的超声波检测爬行器(3)；可显示检测结果的多维数字图像重建工作平台(4)；可控制爬行器(3)的运动方向及速度的爬行器控制计算机(5)；爬行器控制计算机的操作界面(6)；所述系统主机(1)分别与超声波检测仪(2)、爬行器控制计算机(5)双向连接，所述超声波检测仪(2)将检测的结果数据传送给系统主机(1)，所述的超声波检测仪(2)与相控阵超声波探头(31、32)双向连接，所述爬行器控制计算机(5)与爬行器(3)的驱动器(33)及执行模块(34)双向连接，所述爬行器控制计算机(5)将控制数据显示在操作界面(6)上，所述系统主机最终将检测结果数据传送给图像重建工作平台(4)并实时/非实时显示。
2.根据权利要求1所述的全数字相控阵超声波无损检测系统，其特征在于，所述的系统主机(1)设有数学模型软件、检测方案数据库、总调程序模块、信息管理数据库。
3.根据权利要求1所述的全数字相控阵超声波无损检测系统，其特征在于，所述的全数字相控阵超声波检测仪(2)包括逻辑操作控制器(21)及与该逻辑操作控制器(21)均双向连接的发射通道选择切换及延时电路(22)、常用方案库(23)、主钟(24)、线性放大及TGC程控放大电路(26)、A/D采样及缓存电路(27)、并行阵列累加及数字滤波阵列运算电路(28)；所述发射通道选择切换及延时电路(22)发送控制信号给发射控制电路(24)并控制相控阵超声波探头(31、32)的超声波发射及聚焦，所述的接收通道选择切换及延时电路(25)接收反射的超声波，所述接收通道选择切换及延时电路(25)、线性放大及TGC程控放大电路(26)、A/D采样及缓冲电路(27)、并行阵列累加及数字滤波阵列运算(28)依次连接并通过高速并行传输的PCI桥接电路将检测结果数据发送给系统主机(1)；所述的逻辑操作控制器(21)与系统主机(1)双向连接。
4.一种全数字相控阵超声波无损检测方法，其特征在于，本方法为在系统主机(1)的统一调度与指挥下，分三条作业流水线分别按一段段的作业内容去完成各自在检测过程中所承担的工作任务，第一条流水线为全数字相控阵超声波检测仪(2)，其将结果数据高速传输至数字图像重建工作平台；第二条线为爬行器(3)，其可以携带各种超声波探头进行多种扫查，并反馈信号给数字相控阵超声波检测仪(2)；第三条为多维数字图像重建工作平台(4)，可以数字显像的方式显示检测结果。
5.根据权利要求4所述的全数字相控阵超声波无损检测方法，其特征在于，所述的爬行器的控制模式为三级操作模式，即爬行器控制计算机及上位微机的命令操作，以及驱动器的直接操作，当前级出现故障时，可逐级降级使用。
6.根据权利要求4所述的全数字相控阵超声波无损检测方法，其特征在于，所述的爬行器控制计算机可采用手动或自动操作。
7.根据权利要求6所述的全数字相控阵超声波无损检测方法，其特征在于，所述的爬行器控制计算机的“手动”键盘操作如下启动爬行器控制计算机后，先执行步骤(101)、双击“PMAC8”左键，此时屏幕(102)显示出三个框，分别为手动、自动、退出；执行步骤(103)、单击“手动”左键，此时屏幕(104)显示所示的对话框，如执行步骤(105)，输入滚动行走步数，按向上箭头，则爬行器依指令滚动；如执行步骤(106)，按复位键后、再按◎键细调零点，则爬行器依指令复位；如执行步骤(107)，输入水平行走步数，按左右箭头，则爬行器依指令平移。
8.根据权利要求6所述的全数字相控阵超声波无损检测方法，其特征在于，所述爬行器控制计算机的“自动”键盘操作如下执行步骤(201)、单击“自动”左键，此时屏幕(202)显示所示对话框，如执行步骤(203)、单击“打开通信口”键，则爬行器控制计算机接受上位微机命令；如执行步骤(204)、单击“关闭通信口”键，则爬行器控制计算机退出自动控制系统。
全文摘要
本发明提供一种全数字相控阵超声波无损检测系统，包括系统主机(1)；全数字相控阵超声波检测仪(2)；超声波检测爬行器(3)；多维数字图像重建工作平台(4)；爬行器控制计算机(5)；爬行器控制计算机的操作界面(6)；所述系统主机(1)分别与超声波检测仪(2)、爬行器控制计算机(5)双向连接，所述超声波检测仪(2)将检测的结果数据传送给系统主机(1)。本发明具有如下突出优点1.可高速完成对检测区域的声束聚焦扫描检测，具有很高的工作效率。2.可以数字化地精细确定聚焦声束扫描方案和缺陷反射源位置，提高了检测质量。3.可以实现回波数据的A超、B超、C超等图象显示；建立回波数据库供长期存档。
文档编号G01N29/06GK1521503SQ0311522
公开日2004年8月18日 申请日期2003年1月28日 优先权日2003年1月28日
发明者熊明光 申请人:上海市计算技术研究所, 上海市计 技术研究所