СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2023 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле изделия с криволинейной внешней поверхностью и одностороннем доступе, например, шейки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, трубопроводов или трубопроводов с конусной поверхностью.

Известен способ ультразвукового контроля дефектности металлического изделия [RU 2723368 C1, МПК G01N29/04 (2006.01), G01N29/04 (2020.02), опубл. 10.06.2020], включающий размещение изделия контроля в иммерсионной ванне, сканирование изделия ультразвуковыми сигналами при возвратно-поступательном перемещении ультразвукового датчика в иммерсионной жидкости над изделием контроля поперек области контроля, регистрацию амплитуды и координаты ультразвуковых сигналов, обработку данных на компьютере и получение на дисплее двумерных ультразвуковых изображений при B- и C-сканировании изображений, образующих группу, получаемую при B-сканировании, суммируют их в одно изображение. При наличии в изделии дефекта «полистно» просматривают все ультразвуковые изображения этой группы, по которым оценивают размеры дефекта, при этом сканируют изделие контроля ультразвуковыми сигналами от датчиков линейной фазированной антенной решетки через зонную пластинку из полилактида с продольными прямоугольными отверстиями, которую прикрепляют перед датчиками, предварительно изготовив с помощью 3D-принтера, определив ее толщину t_h и размеры зон l_n из заданного математического выражения. Шаг сканирования вдоль активной ΔХ и вдоль пассивной апертуры ΔУ фазированной антенной решетки составляет не более 1 мм, определяют количество шагов сканирования N_x и N_y по осям Х и У и количество цифровых отсчетов N_z в одном ультразвуковом сигнале в каждой точке сканирования и формируют матрицу значений A (Nz, Nx, Ny), на основе которой визуализируют изображение внутреннего дефекта изделия контроля.

Недостатком данного способа является невозможность его использования для контроля изделий с криволинейными внешними поверхностями.

Известен способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия с неровными поверхностями [RU 2560754, МПК G01N29/06 (2006.01), опубл. 20.08.2015], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что две антенные решетки одна в качестве излучателя, а другая в качестве приемника на наклонных призмах, обращенных передними гранями друг к другу, размещают на поверхности контролируемого изделия на заранее рассчитанном расстоянии между собой, излучают ультразвуковые сигналы в контролируемое изделие независимо каждым элементом излучающей решетки, фиксируют отраженные от донной поверхности ультразвуковые сигналы элементами регистрирующей решетки, восстанавливают множество парциальных изображений путем умножения матрицы принятых сигналов и матрицы сигналов, рассчитанных для каждой точки изображения для точечного отражателя, учитывая трансформацию типов волн при отражениях, получают изображение профиля донной поверхности по изображению, полученному при суммировании множества восстановленных парциальных изображений с учетом трансформации типов волн при отражении от дна, по профилю донной поверхности получают таблицу значений толщины контролируемого изделия в каждой точке.

Недостатком данного способа является невозможность использования для контроля изделий с криволинейными внешними поверхностями.

Техническим результатом предложенного способа является расширение арсенала технических средств, позволяющих проводить контроль изделий с криволинейными внешними поверхностями.

Способ ультразвуковой томографии, также как в прототипе, включает размещение антенной решетки на поверхности объекта контроля, излучение ультразвуковых сигналов независимо каждым элементом решетки, фиксацию отраженных ультразвуковых сигналов всеми элементами антенной решетки, реконструкцию изображения внутренней структуры объекта контроля поочередно для каждой визуализируемой точки.

Согласно изобретению, используют гибкую антенную решетку, которую вплотную размещают на поверхности объекта контроля с плоской или криволинейной внешней поверхностью, помещенного в иммерсионную ванну. С обратной стороны гибкой антенной решетки размещают акустический датчик так, что он расположен в иммерсионной жидкости, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле. Принимают излученные в обратную сторону ультразвуковые сигналы каждым элементом гибкой антенной решетки, преобразуют в электрические сигналы, которые усиливают, оцифровывают и запоминают. По времени распространения ультразвуковых сигналов от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика определяют расстояние от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика. По этим данным определяют координаты элементов гибкой антенной решетки и полученные значения используют для реконструкции изображения методом цифровой фокусировки. Суммарный сигнал детектируют, значение максимума сохраняют в памяти изображений, а затем кодируют в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея.

Реконструируют изображение методом цифровой фокусировки, используя выражение:

где u_A(t) - суммарный сигнал, принятый антенной решеткой из точки А(x, z) объекта контроля с координатами x, z;

i, j - номера передающих и принимающих элементов антенной решетки соответственно;

I, R - общее количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля на прямом пути от антенной решетки к точке А(x, z) и на обратном пути от точки А(x, z) к антенной решетке соответственно;

М - максимальное количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля отдельно на прямом и обратном путях распространения сигнала, используемое при реконструкции изображения;

u_i,j - фрагмент реализации, полученной от элементов i, j антенной решетки;

t - текущее время;

t_Ai,j(I, R) - время задержки фрагмента u_i,j реализации, содержащего сигнал, прошедший по траектории с общим количеством (I+R) отражений от обеих границ объекта контроля;

τ_u - длительность зондирующего импульса.

Таким образом, использование акустического датчика, расположенного указанным образом с обратной стороны гибкой антенной решетки, прием сигналов, излученных этой стороной гибкой антенной решетки и определение координат каждого элемента гибкой антенной решетки позволяет получить томограмму зоны контроля изделия с криволинейной внешней поверхностью.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 показана томограмма зоны контроля кольца подшипника, полученная предложенным способом с использованием гибкой антенной решетки.

На фиг. 3 показана томограмма зоны контроля этого же кольца подшипника, полученная с использованием прямолинейной (негибкой) акустической решетки.

Устройство ультразвуковой томографии содержит гибкую антенную решетку 1 с n приемно-передающими элементами 2.1, 2.2, …, 2.n, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn) и входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn) и аналого-цифрового преобразователя 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn).

Выход каждого аналого-цифрового преобразователя 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) соединен с соответствующим входом блока памяти реализаций 6 (БПР), количество выходов которого N определено формулой:

N=n⋅(n+1)/2.

N выходов блока памяти реализаций 6 (БПР) по количеству принятых реализаций ультразвуковых сигналов соединены с соответствующими входами вычислительного блока 7 (ВБ), который связан с блоком памяти изображений 8 (БПИ), соединенным с дисплеем 9 (Д).

С вычислительным блоком 7 (ВБ) соединен блок накопительной памяти 10 (БНП). Входы синхронизации каждого генератора импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn), блока памяти реализаций 6 (БПР), вычислительного блока 7 (ВБ) и блока памяти изображения 8 (БПИ) соединены с соответствующими выходами блока синхронизации 11 (БС).

Гибкая антенная решетка 1 вплотную размещена на поверхности объекта контроля 12, помещенного в иммерсионную ванну, наполненную иммерсионной жидкостью. Акустический датчик 13 (АД) закреплен на кронштейне на стенке иммерсионной ванны так, что он размещен в иммерсионной жидкости, а гибкая антенная решетка 1 полностью расположена в его акустическом поле. Акустический датчик 13 (АД) связан через последовательно соединенные усилитель 14 (У) и компаратор 15 (К) с вычислительным блоком 7 (ВБ). Второй вход компаратора 15 (К) соединен с источником опорного напряжения 16 (ИОН).

Гибкая антенная решетка 1 является набором 16 или более приемно-передающих элементов, располагаемых матрично или линейно, например, S564-1,0*10 фирмы Doppler. Генераторы импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn) выполнены на микросхемах, имеющих импульсный ток коллектора не менее 2А и выходное напряжение 90 В, например, STHV748. Усилители 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn) и 14 (У) выполнены по типовой схеме, например, на микросхемах AD603. Аналого-цифровые преобразователи 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) выполнены, например, на микросхемах ADС9057. Блок памяти реализаций 6 (БПР), объемом не менее 64 Кб, выполнен на типовых микросхемах, например, на микросхемах IDT72V293. Вычислительный блок 7 (ВБ) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64, фирмы ATMEL. Блок памяти изображения 8 (БПИ) и блок накопительной памяти 10 (БНП) объемом не менее 100 МГб, могут быть выполнены, например, на модулях памяти, используемых в персональных компьютерах, 1ГБ DDR SDRAM PC3200, 400МГц. Дисплей 9 (Д) выполнен на матричной панели или на мониторе персонального компьютера, например, BENQ G2320HDB. Блок синхронизации 11 (БС) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64, фирмы ATMEL. Акустический датчик 13 (АД) может быть типовым, например, SF5020 (П111-5,0-К20). Компаратор 15 (К) может быть типовым, например, К521СА3.

Устройство работает следующим образом.

Объект контроля 12, например, с криволинейной поверхностью, помещают в иммерсионную ванну, заполненную иммерсионной жидкостью. Гибкую антенную решетку 1 вплотную размещают на поверхности объекта контроля 12. Акустический датчик 13 (АД), расположенный с другой стороны от гибкой антенной решетки 1, полностью погружен в иммерсионную жидкость так, что гибкая антенная решетка 1 полностью находится в его акустическом поле.

По сигналу от блока синхронизации 11 (БС) первый генератор импульсов 3.1 (ГИ1) подает сигнал возбуждения на первый приемо-передающий элемент 2.1 гибкой акустической решетки 1. В объект контроля 12 излучается зондирующий сигнал. В этот момент все приемно-передающие элементы 2.1, 2.2, …, 2.n, начинают принимать ультразвуковые сигналы из объекта контроля 12. Эти сигналы, преобразованные в электрические, усиливаются в соответствующих усилителях 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn), оцифровываются в аналого-цифровых преобразователях 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) и записываются в блок памяти реализаций 6 (БПР) независимо друг от друга, без каких-либо преобразований и временных сдвигов. Эти сигналы записываются в интервале времени, превышающем с некоторым запасом время распространения ультразвуковых сигналов от излучающего первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой антенной решетки 1 к наиболее дальней визуализируемой точке объекта контроля 12 и обратно - к самому удаленному от нее приемо-передающему элементу 2.n гибкой антенной решетки 1. Одновременно с этим процессом происходит прием сигнала, излученного обратной стороной первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой антенной решетки 1, акустическим датчиком 13 (АД), его усиление усилителем 14 (У). При превышении этим сигналом порогового уровня, который задается источником опорного напряжения 16 (ИОН), компаратор 15 (К) выдает сигнал на вычислительный блок 7 (ВБ), который фиксирует время между сигналом, излученным первым приемо-передающим элементом 2.1 гибкой антенной решетки 1 и сигналом принятым акустическим датчиком 13 (АД).

Далее второй генератор импульсов 3.2 (ГИ2) по сигналу от блока синхронизации 11 (БС) возбуждает второй приемо-передающий элемент 2.2 гибкой антенной решетки 1, который посылает в объект контроля 12 зондирующий сигнал. Снова происходит прием и запись принятых сигналов в блок памяти реализаций 6 (БПР). Но сигналы, принятые первым приемо-передающим элементом 2.1, в данном случае не записываются, так как реализация этих сигналов, согласно принципу взаимности, тождественна той, которая уже была принята вторым приемо-передающим элементом 2.2 при посылке зондирующего сигнала ее первым приемо-передающим элементом 2.1 в предыдущем цикле зондирования-приема ультразвуковых сигналов. Одновременно с этим процессом происходит прием сигнала, излученного обратной стороной второго приемо-передающего элемента 2.2, акустическим датчиком 13 (АД), его усиление усилителем 14 (У). При превышении этим сигналом порогового уровня, который задается источником опорного напряжения 16 (ИОН), компаратор 15 (К) выдает сигнал на вычислительный блок 7 (ВБ), который фиксирует время между сигналом, излученным вторым приемо-передающим элементом 2.2 гибкой антенной решетки 1 и сигналом принятым акустическим датчиком 13 (АД).

Затем в третьем цикле зондирования-приема ультразвуковых сигналов все происходит аналогично изложенному выше, только зондирующий сигнал в объект контроля 12 посылает третий приемо-передающий элемент 2.3 гибкой антенной решетки 1, а сигналы в блок памяти реализаций 6 (БПР) записываются от приемо-передающих элементов 2.3, …, 2.n, за исключением сигналов от первого 2.1 и второго 2.2 приемо-передающих элементов. Также фиксируется время между сигналом, излученным третьим элементом 2.3 гибкой антенной решетки 1 и сигналом принятым акустическим датчиком 13 (АД).

В последнем, n-ном цикле зондирования-приема n-ный приемо-передающий элемент 2.n гибкой антенной решетки 1 исполняет роль излучателя и приемника ультразвуковых сигналов, то есть работает в совмещенном режиме. При этом в блок памяти реализаций 6 (БПР) записывается всего одна реализация принятых сигналов. Также фиксируется время между сигналом, излученным n-ым приемо-передающим элементом 2.n и сигналом принятым акустическим датчиком 13 (АД).

После выполнения всех этих циклов зондирования-приема ультразвуковых сигналов, то есть после того как все приемо-передающие элементы 2 гибкой антенной решетки 1 совершат по одной посылке зондирующего сигнала, в блоке памяти реализаций 6 (БПР) окажутся записанными N=n⋅(n+1)/2 реализаций принятых сигналов. Каждая реализация - это результат зондирования и приема сигналов каждой из возможных пар приемо-передающих элементов 2.1, 2.2, …, 2.n включая и совмещенные пары, когда излучатель и приемник - один и тот же элемент. В частности, если n=16, количество реализаций N=136. Также будет записано время распространения сигнала от каждого элемента гибкой антенной решетки 2.1, 2.2, …, 2.n до акустического датчика 13 (АД).

После записи всех N реализаций в блоке памяти реализаций 6 (БПР) вычисляются расстояния от каждого элемента гибкой антенной решетки 2.1, 2.2, …, 2.n до акустического датчика 13 (АД) путем умножения времени распространения сигнала от каждого элемента гибкой антенной решетки 2.1, 2.2, …, 2.n до акустического датчика 13 (АД) на скорость распространения сигнала в иммерсионной среде. Полученные значения используют для определения координат каждого элемента гибкой антенной решетки 2.1, 2.2, …, 2.n, после этого начинается реконструкция изображения внутренней структуры объекта контроля 12 поочередно для каждой визуализируемой точки. Для этого вычислительный блок 7 (ВБ) реализует функцию:

,

где u_A(t) - суммарный сигнал, принятый гибкой антенной решеткой из точки А(x, z) объекта контроля с координатами x, z;

i, j - номера передающих и принимающих элементов гибкой антенной решетки соответственно;

I, R - общее количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля на прямом пути от гибкой антенной решетки к точке А(x, z) и на обратном пути от точки А(x, z) к гибкой антенной решетке соответственно;

М - максимальное количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля отдельно на прямом и обратном путях распространения сигнала, используемое при реконструкции изображения;

u_i,j - фрагмент реализации, полученной от элементов i, j антенной решетки;

t - текущее время;

t_Ai,j(I, R) - время задержки фрагмента u_i,j реализации, содержащего сигнал, прошедший по траектории с общим количеством (I+R) отражений от обеих границ объекта контроля;

τ_u - длительность зондирующего сигнала.

Полученный суммарный сигнал u_A(t) для каждой визуализируемой точки сохраняется в блоке накопительной памяти 10 (БНП), а затем в вычислительном блоке 7 (ВБ) суммарный сигнал u_A(t) детектируется (вычисляется его огибающая) и значение максимума полученной функции записывается в блок памяти изображения 8 (БПИ). Это значение (число) кодируется в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея 9 (Д).

На фиг. 2 показана томограмма зоны контроля кольца подшипника толщиной 15 мм. Гибкую антенную решетку 1 располагали внутри кольца, а снаружи кольца просверлили три плоскодонных отверстия диаметром 1мм и глубиной 3 мм (в центре), 2 мм (справа от центра) и 2,5 мм (слева от центра). Частота излучения составила 5 МГц. Внизу томограммы отображаются в виде темно-синих пятен три искусственно внесенных дефекта. Расстояния от решетки до дефектов составили 12 мм (в центре), 13 мм (справа от центра) и 12,5 мм (слева от центра).

На фиг. 3 показана томограмма зоны контроля этого же кольца подшипника, но при использовании негибкой акустической решетки. При этом выявляется только один дефект.

Использование: для ультразвуковой томографии. Сущность изобретения заключается в том, что размещают антенную решетку на поверхности объекта контроля, излучают ультразвуковые сигналы независимо каждым элементом решетки, фиксируют отраженные ультразвуковые сигналы всеми элементами антенной решетки, реконструируют изображение внутренней структуры объекта контроля поочередно для каждой визуализируемой точки, при этом используют гибкую антенную решетку, которую вплотную размещают на поверхности помещенного в иммерсионную ванну объекта контроля с внешней криволинейной или плоской поверхностью, с обратной стороны гибкой антенной решетки размещают акустический датчик так, что он расположен в иммерсионной жидкости, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле, принимают излученные в обратную сторону ультразвуковые сигналы каждым элементом гибкой антенной решетки, преобразуют в электрические сигналы, которые усиливают, оцифровывают и запоминают, по времени распространения ультразвуковых сигналов от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика определяют расстояние от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика, по этим данным определяют координаты элементов гибкой антенной решетки и полученные значения используют для реконструкции изображения методом цифровой фокусировки, суммарный сигнал детектируют, значение максимума сохраняют в памяти изображений, а затем кодируют в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея. Технический результат: расширение арсенала технических средств, позволяющих проводить контроль изделий с криволинейными внешними поверхностями. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ультразвуковой томографии, включающий размещение антенной решетки на поверхности объекта контроля, излучение ультразвуковых сигналов независимо каждым элементом решетки, фиксацию отраженных ультразвуковых сигналов всеми элементами антенной решетки, реконструкцию изображения внутренней структуры объекта контроля поочередно для каждой визуализируемой точки, отличающийся тем, что используют гибкую антенную решетку, которую вплотную размещают на поверхности помещенного в иммерсионную ванну объекта контроля с внешней криволинейной или плоской поверхностью, с обратной стороны гибкой антенной решетки размещают акустический датчик так, что он расположен в иммерсионной жидкости, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле, принимают излученные в обратную сторону ультразвуковые сигналы каждым элементом гибкой антенной решетки, преобразуют в электрические сигналы, которые усиливают, оцифровывают и запоминают, по времени распространения ультразвуковых сигналов от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика определяют расстояние от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика, по этим данным определяют координаты элементов гибкой антенной решетки и полученные значения используют для реконструкции изображения методом цифровой фокусировки, суммарный сигнал детектируют, значение максимума сохраняют в памяти изображений, а затем кодируют в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реконструируют изображение методом цифровой фокусировки, используя выражение:

где u_A(t) - суммарный сигнал, принятый антенной решеткой из точки А(x, z) объекта контроля с координатами x, z;

i, j - номера передающих и принимающих элементов антенной решетки соответственно;

I, R - общее количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля на прямом пути от антенной решетки к точке А(x, z) и на обратном пути от точки А(x, z) к антенной решетке соответственно;

М - максимальное количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля отдельно на прямом и обратном путях распространения сигнала, используемое при реконструкции изображения;

u_i,j - фрагмент реализации, полученной от элементов i, j антенной решетки;

t - текущее время;

t_Ai,j(I, R) - время задержки фрагмента u_i,j реализации, содержащего сигнал, прошедший по траектории с общим количеством (I+R) отражений от обеих границ объекта контроля;

τ_u - длительность зондирующего импульса.