技术摘要：
本发明公开了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其装置，其中方法包括：向电磁超声斜入射SV波探头通入初始激励频率为f1的脉冲电流，使待测身管内部产生沿入射角θ1传播的SV波；电磁超声斜入射SV波探头接收超声回波并得到A扫信号；依次向电磁超声  全部
背景技术：
身管作为火炮、枪械等常规武器的重要组成部分，其安全不仅关乎作战人员的安 全，而且在作战中起到重要的作用。在射击过程中，身管药室部位受到高温高压、高速火药 燃气以及弹头摩擦等作用，导致内壁出现微裂纹，随着发弹数量的增加，这些微小裂纹会逐 渐扩展形成开口裂纹，并且整个药室尺寸口径会发生变化，导致炮弹的出射角、射程等偏离 预期值，降低炮弹的作战精度。 目前，常用的身管检测方法有CCD摄像法、涡流探伤法、射线探伤法、渗透探伤法、 磁粉探伤法和激光投影法。CCD摄像法将光学摄像头投射出与身管轴线正交的光圈，对光圈 成像，但是这种方法成本高，镜头聚焦极短，并不能检测管道内壁缺陷。涡流检测法采用激 励线圈使身管上产生涡流，通过涡流变化得到表面缺陷信号，但是很难获取缺陷深度方向 的信息，同时也无法检测近表面/内部缺陷。射线检测法对身管缺陷定位准确，但是由于身 管尺寸较大，移动不方便，检测成本高，很难实现身管的原位在线检测。渗透检测方法对于 身管表面光洁度要求很高，表面不开口的近表面缺陷无法检出，灵敏度很低。磁粉探伤法能 够检测出表面以及近表面的开口缺陷，但是与磁力线平行的缺陷不易检出。 传统水浸超声检测方法也可以应用于身管内部损伤检测，但是由于身管长度达8- 9米，直径在200mm以上，所需水槽体积庞大，实现大型身管原位检测难度很大。压电超声、相 控阵超声通过在身管表面涂抹耦合剂，可以用于身管原位检测。由于耦合剂可能对身管表 面造成腐蚀、身管表面涂有约0.5mm防护非金属材料等问题，以及身管为曲面、变径，无法保 证探头的楔块与曲面、变径身管良好贴合，或者在检测过程中需要不断地更换楔块，导致检 测效率低，无法实现快速检测。 电磁超声作为一种新型无损检测技术，由于不需要耦合剂以及不用对身管外表面 进行预处理，对检测环境要求不高，已广泛应用于石油管道和钢轨等部位的在线检测。 目前关于电磁超声斜入射体波检测方法及其装置的专利报道主要有以下几个： 专利申请号CN110333291A公布了“一种SV波偏转角度可调的电磁超声换能器及其 设计方法”，通过在曲折线圈与待测工件之间设置两个可沿曲折线圈宽度方向来回移动的 铜片屏蔽部分导线，获得相应的有效激励部位和聚焦点。 专利申请号CN200910073193.2公布了“一种基于电磁超声斜入射体波的检测装置 及方法”，通过阵列探头与电磁超声探伤仪相连，每组阵列由2个超声波探头组成，其中一个 探头接收缺陷波，另一个探头接收端面反射波，可以用于车轮轮箍缺陷检测。通过比较缺陷 波的有无、强度和端面波的幅值，进行缺陷大小及类型的定量分析。 专利申请号CN200910073193.2公布了“一种单向线聚焦电磁超声斜入射体波换能 5 CN 111595946 A 说　明　书 2/11 页 器及采用该换能器检测金属内部缺陷的方法”，采用两个曲折线圈水平叠加设置，两线圈到 聚焦线的距离之差为正弦信号波长的1/4，每个线圈导线到聚焦线的距离之差为波长的1/ 2，从而实现线聚焦电磁超声斜入射体波换能器单向发射超声波。 上述几种专利都是基于平面斜入射体波检测方法，而身管具有曲面、变径等复杂 结构，上述方案无法适用于曲面身管内部缺陷的成像检测及原位检测。
技术实现要素：
本发明提供了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其 装置，用于实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹等缺陷的检测。 第一方面，提供了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法， 包括： 向具备柔性曲折线圈的电磁超声斜入射SV波探头通入初始激励频率为f1的脉冲 电流，使待测身管内部产生沿入射角θ1传播的SV波； 电磁超声斜入射SV波探头接收超声回波并得到A扫信号； 按照固定的频率间隔Δf，依次向电磁超声斜入射SV波探头通入激励频率为f＝f1 Δf·(i-1)的脉冲电流，使待测身管内部对应产生沿入射角θi传播的SV波； 采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号进行加权组合 和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。 采用柔性曲折线圈，可确保电磁超声斜入射SV波探头与曲面变径身管良好贴合， 通过调整激励频率，改变斜入射SV波的入射角，将得到的A扫信号进行加权组合和坐标校 正，实现B扫(扇扫)成像，可获得缺陷的剖面几何信息，实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁 开口裂纹等缺陷的检测。 进一步地，所述采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号 进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像，具体包括： 采集不同激励频率fi对应产生的沿入射角θi传播的SV波的A扫信号； 测试同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，确定入射角-幅值曲线， 并据此得到不同入射角的A扫信号对应的权修正系数； 将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像， 所述B扫图像中的每一列代表一组修正后的入射角为θi的A扫信号； 在合成的B扫图像的基础上，将纵坐标改为测量纵向位置信息，将横坐标改为测量 横向位置信息，完成坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。 由于电磁超声斜入射SV波探头中线圈的阻抗参数随着激励频率的改变而变化，但 是阻抗匹配参数一般不调整，另外不同激励频率点对应的脉冲功放输出功率也不同，导致 相同反射面对应的不同激励频率的缺陷反射波幅值不同，因此在进行B扫成像时，需要进行 不同入射角A扫信号的权系数修正，通过测试同一声程的端角反射波在不同入射角时对应 的幅值，即确定“入射角-幅值曲线”，据此确定不同入射角的A扫信号的权修正系数，将不同 入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像。通过上述对A扫信 号进行加权修正的处理，可提高检测结果的精度及可靠性。 进一步地，所述实现变入射角体波加权组合B扫成像之后还包括以下步骤： 6 CN 111595946 A 说　明　书 3/11 页 在进行加权组合和坐标校正后得到的B扫图像中，取缺陷反射波幅值最大的A扫信 号； 将该A扫信号中缺陷反射波幅值与含人工预制的缺陷对比试样进行比较，确定缺 陷的当量大小； 获取该A扫信号中缺陷波包的飞行时间，并根据该飞行时间确定缺陷位置。 进一步地，所述获取该A扫信号中缺陷波包的飞行时间，并根据该飞行时间确定缺 陷位置，具体包括： 根据该A扫信号中缺陷波包的飞行时间t算出缺陷与电磁超声斜入射SV波探头的 直线距离为L＝v*t/2，其中v表示斜入射SV波的声速； 缺陷与电磁超声斜入射SV波探头的水平距离、垂直距离分别为d1＝L·sinθ、d2＝ L·cosθ，θ为斜入射SV波的入射角。 进一步地，所述实现变入射角体波加权组合B扫成像之后还包括： 当一个预设探测位置完成变入射角体波加权组合B扫成像后，将电磁超声斜入射 SV波探头移动到下一个预设探测位置，并记录电磁超声斜入射SV波探头的位置信息； 在该下一个预设探测位置重复完成变入射角体波加权组合B扫成像； 重复上述步骤，直至待测身管全长度范围内所有预设探测位置均完成变入射角体 波加权组合B扫成像； 基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷的 三维图像。 具体检测时，先控制电磁超声斜入射SV波探头沿待测身管周向检测一周，然后控 制电磁超声斜入射SV波探头沿待测身管轴向移动，然后再沿待测身管周向检测一周，随后 控制电磁超声斜入射SV波探头再沿待测身管轴向移动，依此类推，直至完成待测身管全长 度范围内所有预设探测位置均完成变入射角体波加权组合B扫成像，最后基于所有预设探 测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内部缺陷三维图像，一方面使检测结果 更加直观，从而提高缺陷的检测灵敏度和检测效率，同时也实现曲面身管的原位检测。 第二方面，提供了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测装置， 包括依次连接的信号发生器、射频功率放大器、激励端阻抗匹配电路、电磁超声斜入射SV波 探头、接收端阻抗匹配电路、滤波器、前置放大器、数据采集卡，所述信号发生器、数据采集 卡均与PC机连接； 所述信号发生器用于接收所述PC机的激励指令，依次产生激励频率渐变的脉冲电 流； 所述射频功率放大器用于将信号发生器产生的脉冲电流放大，然后经所述激励端 阻抗匹配电路通入所述电磁超声斜入射SV波探头； 所述电磁超声斜入射SV波探头用于在依次通入放大后的激励频率渐变的脉冲电 流后使待测身管内部产生入射角渐变的SV波；还用于接收多组对应不同入射角的SV波的超 声回波信号，并经过所述接收端阻抗匹配电路传输至滤波器； 所述滤波器用于将超声回波信号滤波后传输至所述前置放大器； 所述前置放大器用于将滤波后的超声回波信号进行放大后传输至数据采集卡； 所述数据采集卡用于将超声回波信号由电信号转换为数字信号后传输至所述PC 7 CN 111595946 A 说　明　书 4/11 页 机； 所述PC机用于向所述信号发生器发送激励指令；还用于接收所述数据采集卡传输 的多组超声回波信号，得到沿不同入射角传播的SV波的多组A扫信号，并对得到的多组A扫 信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。 该装置工作时，首先由PC机向信号发生器发送激励指令，控制其依次产生激励频 率渐变的脉冲电流，然后经过发大后通入电磁超声斜入射SV波探头，进而使待测身管内部 产生入射角渐变的SV波，电磁超声斜入射SV波探头还接收多组对应不同入射角的SV波的超 声回波信号，并经过滤波、放大和信号转换后传输至PC机，得到沿不同入射角传播的SV波的 多组A扫信号，PC机对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体波加 权组合B扫成像，可获得缺陷的剖面几何信息，实现身管中的内部裂纹/孔洞、内壁开口裂纹 等缺陷的检测。其中，激励端阻抗匹配电路将电磁超声斜入射SV波探头中线圈的阻抗值与 射频功率放大器的输出阻抗进行共轭匹配，保证线圈获得最大的激励功率；接收端阻抗匹 配电路用于将电磁超声斜入射SV波探头接收到的功率能够最大化地转移至前置放大器。 进一步地，所述对得到的多组A扫信号进行加权组合和坐标校正，实现变入射角体 波加权组合B扫成像，具体包括： 获取同一声程的端角反射波在不同入射角时对应的幅值，确定入射角-幅值曲线， 并据此得到不同入射角的A扫信号对应的权修正系数； 将不同入射角对应的A扫信号按照对应的权修正系数进行修正，并合成B扫图像， 所述B扫图像中的每一列代表一组修正后的入射角为θi的A扫信号； 在合成的B扫图像的基础上，将纵坐标改为测量纵向位置信息，将横坐标改为测量 横向位置信息，完成坐标校正，实现变入射角体波加权组合B扫成像。 进一步地，所述电磁超声斜入射SV波探头包括外壳、弧形永磁体、柔性曲折线圈、 导磁不导电的柔性支撑垫片、固定机构； 所述永磁体、曲折线圈、柔性支撑垫片均设置于所述外壳内部，且所述柔性支撑垫 片设置于所述永磁体下表面，所述曲折线圈设置于所述柔性支撑垫片下表面； 所述固定机构安装于所述外壳上，且所述固定机构抵靠在所述永磁体表面并将其 固定。 在永磁体下表面设置一层导磁不导电的柔性支撑垫片，可防止曲折线圈与永磁体 之间形成超声波，以及通过柔性支撑垫片与柔性曲折线圈的配合使用，可使电磁超声斜入 射SV波探头与待测身管的检测面良好贴合并提高信噪比。 进一步地，所述曲折线圈的单匝导线为多导线分裂式结构，且所述曲折线圈采用 柔性印刷PCB制作；可保证曲折线圈与待测身管的检测面良好接触，曲折线圈可根据检测面 的弧度随意弯曲，使用灵活方便。 所述固定机构包括设置于所述永磁体两侧且与所述永磁体两侧斜面配合的斜楔， 以及设置于所述永磁体上方且与所述永磁体上表面配合的曲面压板，所述曲面压板及两个 斜楔均通过固定螺栓安装于所述外壳上。通过调节固定螺栓可以实现斜楔与永磁体的相对 移动，可以改变永磁体与待测身管的提离高度。 进一步地，所述电磁超声斜入射SV波探头的外侧下方设置有多个滚轮，且其中一 个滚轮上安装有用于记录电磁超声斜入射SV波探头位置信息的编码器，所述编码器与所述 8 CN 111595946 A 说　明　书 5/11 页 PC机连接； 还包括与所述PC机连接的运动控制系统，所述电磁超声斜入射SV波探头安装于所 述运动控制系统上，所述运动控制系统用于接收PC机的移动控制指令将所述电磁超声斜入 射SV波探头依次移动到待测身管全长度范围内所有预设探测位置； 所述PC机还用于向所述运动控制系统发送移动控制指令，还用于接收所述编码器 发送的位置信息，并基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息，得到待测身管内 部缺陷的三维图像。 通过PC机控制运动控制系统，进而实现将所述电磁超声斜入射SV波探头移动到待 测身管上的预设探测位置，根据所有的预设探测位置可提前设置好移动控制指令，实现电 磁超声斜入射SV波探头移动到待测身管全长度范围内所有预设探测位置的自动化控制，进 而实现基于所有预设探测位置的B扫图像及对应的位置信息得到待测身管内部缺陷的三维 图像，从而提高缺陷的检测灵敏度和检测效率，实现曲面身管的原位检测。 有益效果 本发明提出了一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检测方法及其 装置，采用柔性曲折线圈，可确保电磁超声斜入射SV波探头与曲面变径身管良好贴合，可以 保证换能效率，避免常规压电超声由于探头与身管曲面贴合不佳问题导致换能效率下降。 通过调整激励频率，改变斜入射SV波的入射角，将得到的A扫信号进行加权组合和坐标校 正，实现B扫(扇扫)成像，可获得缺陷的剖面几何信息；在检测过程中，不用物理机械装置控 制，仅仅改变通入电磁超声斜入射SV波探头中的脉冲电流的激励频率，就可使SV波的主声 束发生偏转，单一探头通过改变激励频率就可发射不同斜入射角的超声波，操作简单方便， 能够有效提高检测效率和检测能力。在B扫图像中取缺陷反射波幅值最大的A扫信号，可根 据缺陷反射波幅值和飞行时间实现缺陷精准地定量和定位分析。 附图说明 图1是本发明实施例提供的一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检 测装置结构示意图； 图2是图1提供的实施例中电磁超声斜入射SV波探头结构示意图； 图3是图2提供的实施例中曲折线圈结构示意图； 图4是本发明实施例提供的一种身管曲面电磁超声变入射角体波加权组合成像检 测方法结构示意图； 图5是本发明实施例提供的基于洛伦兹力斜入射SV波激励原理示意图； 图6是本发明实施例提供的斜入射SV波检测待测身管内壁缺陷示意图； 图7是本发明实施例提供的多入射角加权组合B扫成像示意图； 图8是本发明实施例提供的电磁超声斜入射SV波探头在待测身管长度范围内的扫 查示意图。