陳振華，謝飛鳴，盧 超，章 慶

(1. 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))， 南昌 330063;2.方大特鋼科技股份有限公司， 南昌 330012)

基于虛擬儀器的扁鋼內(nèi)部缺陷超聲三維成像方法研究

陳振華1,2，謝飛鳴2，盧 超1，章 慶2

(1. 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))， 南昌 330063;2.方大特鋼科技股份有限公司， 南昌 330012)

超聲三維成像技術(shù)因其能夠提供人體結(jié)構(gòu)的立體信息，而被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域；然而，由于計算量大、成本高、速度慢，工業(yè)構(gòu)件的超聲三維成像技術(shù)卻鮮見報道；彈簧扁鋼是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要鋼材品種之一，通過超聲三維成像技術(shù)測量扁鋼內(nèi)部缺陷的三維分布對于提高扁鋼質(zhì)量控制能力具有重要作用；為提高三維成像效率及降低成像系統(tǒng)的研發(fā)周期，提出高效的數(shù)據(jù)采集及三維圖像重構(gòu)方法，并基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了三維圖像重構(gòu)軟件；研究結(jié)果顯示，基于超聲水浸聚焦分層C掃描的數(shù)據(jù)提取方法能夠滿足三維成像的要求，所提出的數(shù)據(jù)重構(gòu)方法及基于虛擬儀器的三維成像軟件能夠準(zhǔn)確重構(gòu)扁鋼內(nèi)部層片狀缺陷的三維分布，是彈簧扁鋼內(nèi)部缺陷評價的有效方法。

超聲三維技術(shù)；三維圖像虛構(gòu)

0 引言

合金彈簧鋼廣泛的應(yīng)用于汽車、鐵路、重型機(jī)械、軍工，等各個領(lǐng)域，是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要鋼材品種之一[1]。夾雜物是影響扁鋼力學(xué)性能的主要因素，準(zhǔn)確測定夾雜物分布對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)工藝革新具有重要作用[2-4]。三維超聲成像能提供豐富的立體結(jié)構(gòu)信息, 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用[5-9]。理論上，可通過超聲三維成像技術(shù)測量彈簧扁鋼內(nèi)部的缺陷三維分布。然而，由于三維數(shù)據(jù)的獲取、處理、重建與可視化的計算量較大、成本高，工業(yè)構(gòu)件的超聲三維成像技術(shù)及應(yīng)用卻鮮見報道。

虛擬儀器是基于計算機(jī)為核心的硬件平臺，由用戶設(shè)計并由軟件實(shí)現(xiàn)儀器功能的計算機(jī)儀器系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短、界面美觀、使用靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、接口眾多等優(yōu)點(diǎn)[10-12]。為降低三維成像系統(tǒng)的開發(fā)周期和研發(fā)成本，本研究基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了針對于彈簧扁鋼內(nèi)部層片狀缺陷的三維成像軟件，并提出了相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與重構(gòu)。研究結(jié)果顯示，利用水浸聚焦聲束的能量分布特征特征，分層超聲水浸聚焦C掃描法可高效、準(zhǔn)確的采集扁鋼內(nèi)部層片狀夾雜物的三維成像數(shù)據(jù)；提出的數(shù)據(jù)重構(gòu)方法及基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的三維成像軟件可準(zhǔn)確顯示缺陷的三維分布及不同深度的層析C掃描圖像，為彈簧扁鋼層片狀夾雜缺陷的三維分布測量提供了有效的解決方案。

1 試樣制備

試樣為應(yīng)用最廣泛的硅錳彈簧鋼60Si2Mn彈簧扁鋼。試驗(yàn)中采用平底孔人工缺陷試樣和自然缺陷試樣，截面厚度均為16 mm。其中，人工缺陷試樣用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集方法及三維成像軟件的可行性，自然缺陷試塊用于分析缺陷三維成像技術(shù)對自然缺陷的檢測能力。人工缺陷試樣尺寸為20*35*16 mm，垂直于截面加工直徑2 mm、深度分別為：4 mm、5.5 mm、9 mm的平底孔(圖1a)；含自然缺陷的檢測試樣尺寸為22*22*16 mm(圖1b)。

圖1 檢測試樣及對比試塊(mm)

2 層片狀缺陷三維成像數(shù)據(jù)采集方法

2.1 基于超聲水浸聚焦的三維數(shù)據(jù)采集

超聲水浸聚焦法可使探頭在檢測對象上方自由移動并保持均一良好的聲耦合性能，是自動數(shù)據(jù)采集的主要方式。本研究采用水浸聚焦法對試塊進(jìn)行分層C掃描提取三維成像數(shù)據(jù)。圖2顯示：設(shè)分層掃描間隔為d，當(dāng)探頭位于位置1、2、3時，聚焦區(qū)域分別覆蓋檢測對象的a層區(qū)域、b層區(qū)域以及c層區(qū)域；探頭分別在位置1、2、3做C掃描運(yùn)動并逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)對檢測對象的完全覆蓋。由于扁鋼中夾雜的形狀一般為平行于扁鋼表面層片狀缺陷，因此通過該方法采集夾雜的三維成像數(shù)據(jù)是可行的。分層間隔d是三維數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵參數(shù)，間隔過大則易導(dǎo)致漏檢、過小則導(dǎo)致效率過低。

圖2 三維數(shù)據(jù)采集方法

2.2 分層掃描間隔的確定

受聲束干涉和聲透鏡球差的影響，聚焦聲束能量并非聚焦于一點(diǎn)，而是在焦點(diǎn)附近形成能量較高的聚焦區(qū)域，在該聚焦區(qū)域內(nèi)可保持較好的檢測精度和檢測靈敏度。本研究通過試驗(yàn)方法測量聚焦區(qū)域的聲壓分布，并據(jù)此設(shè)置層析C掃描間隔d。如圖3所示，調(diào)整探頭高度使底面反射波最高，此時聲束焦點(diǎn)位于試樣底面，據(jù)式(1)可計算探頭的實(shí)際水中焦距。

(1)

式中，F(xiàn)為探頭在水中的焦距、L為聲束焦點(diǎn)至檢測對象上表面的距離、C1為水中縱波聲速 、C2為試樣中的縱波聲速。實(shí)測C1=1 480m/s、C2=5 959m/s、水中焦距F=87mm。

上下調(diào)節(jié)探頭，聚焦區(qū)域的上下端部與底面相交并反射聲波，定義聚焦區(qū)域的端部反射波幅度下降為最高幅度的a%。調(diào)整探頭向下移動，當(dāng)反射波幅度降低為最高幅度的a%時，焦區(qū)上端與底面相交，此時焦點(diǎn)位置為LU；調(diào)整探頭向上移動，當(dāng)反射波幅度下降為最高幅度的a%時，焦區(qū)下端與底面相交，記錄焦點(diǎn)位置LL；則，焦區(qū)高度可表示為LU-LL。即：分層間隔d=LU-LL。

圖3 試驗(yàn)示意圖

按上述方法測得的底面反射波幅度隨水距的變化，并可按式(1)計算底面反射波幅度隨焦點(diǎn)位置(焦點(diǎn)距試樣上表面的距離)的變化。圖4顯示，按檢測信號幅度下降程度定義聚焦區(qū)，則若按最高幅度下降至95%定義聚焦區(qū)，則焦點(diǎn)在試塊中上下移動范圍為14.07～17.8 mm，有效聚焦區(qū)范圍為3.7 mm，即：在聚焦區(qū)3.7 mm范圍內(nèi)底面反射波能夠達(dá)到95%的最高幅度。

圖4 底面反射波幅值分布

同理，按其它幅度下降條件可測量相應(yīng)的焦區(qū)高度，如表1所示。表1顯示：聚焦區(qū)內(nèi)允許的反射波幅度衰減越大，則焦區(qū)范圍越大。然而，允許的衰減過大，必然導(dǎo)致該聚焦區(qū)域的檢測靈敏度下降。需通過試驗(yàn)方法進(jìn)一步確定聚焦區(qū)域的測量條件。

表1 各種測量條件下的焦柱高度 (底面反射波最高幅值記為A)

采用人工平底孔試塊進(jìn)行超聲C掃描成像，分析能夠保持良好檢測效果的焦區(qū)高度。調(diào)整水距，將焦點(diǎn)位置調(diào)整至試塊6.5 mm深時，焦點(diǎn)距4 mm深孔2.5 mm、距5.5 mm深孔1 mm，兩孔分別在95%條件和90%A條件下測得的聚焦區(qū)域內(nèi)(3.7 mm和5.9 mm)；而對于9 mm平底孔，焦點(diǎn)距其3.5 mm，該孔位于0.85A條件下測得的聚焦區(qū)域內(nèi)。圖5a顯示，4 mm深孔和5.5 mm深孔均可獲得較高的圖像分辨率，而9 mm深孔的掃描圖像明顯變形。因此，按95%A和90%A幅度測量條件測得的焦柱區(qū)域可滿足檢測靈敏度的要求，而按0.85A測量的焦柱范圍內(nèi)會引起圖像的變形。將焦點(diǎn)調(diào)整至9 mm深處進(jìn)行C掃描成像，9 mm深橫孔可獲得最高的分辨率。然而，由于4 mm和5.5 mm深孔分別距焦點(diǎn)5 mm和3.5 mm，這兩孔分別位于85%A和80%A測量條件的聚焦區(qū)域內(nèi)且檢測圖像嚴(yán)重變形。因此，按85%A和80%A測量的焦區(qū)范圍內(nèi)無法保持高的分辨率，如圖5b所示。綜上，可確定以端部反射為最高幅度的90%定義的焦區(qū)高度可作為三維成像數(shù)據(jù)采集的分層掃描間隔。

圖5 不同聚焦深度下檢測試樣的C掃描圖

3 三維數(shù)據(jù)重構(gòu)及編程實(shí)現(xiàn)

3.1 三維數(shù)據(jù)重構(gòu)方法

三維數(shù)據(jù)重構(gòu)是從分層C掃描采集的全波形數(shù)據(jù)中搜索缺陷特征信號、計算特征信號(缺陷)的空間坐標(biāo)，進(jìn)而重構(gòu)為缺陷的三維分布圖像。由于每層掃描數(shù)據(jù)中僅聚焦區(qū)域內(nèi)(厚度為d的分層范圍內(nèi))的反射脈沖有效。因此，在各層C掃描數(shù)據(jù)的A信號上設(shè)置一成像窗口，窗口位置及寬度與該層聚焦區(qū)域一致、窗口高度設(shè)定為略高于噪聲幅度以濾除噪聲。僅對幅度高于窗口高度、時域范圍在窗口寬度內(nèi)的檢測信號進(jìn)行脈沖波峰搜索，即：對缺陷的反射波脈沖進(jìn)行搜索。據(jù)脈沖波峰的到達(dá)時間計算缺陷深度(z軸坐標(biāo))，據(jù)掃描參數(shù)計算此時探頭在C掃描平面內(nèi)的位置(x、y坐標(biāo))；則，缺陷的空間坐標(biāo)為：(x，y，z)。將所有脈沖波峰(缺陷反射脈沖)的空間坐標(biāo)組成三維數(shù)組，并投射在三維坐標(biāo)空間中便形成了缺陷的三維空間分布，三維數(shù)據(jù)重構(gòu)過程參見圖6。

圖6 三維數(shù)據(jù)重構(gòu)流程圖

3.2 軟件界面及功能簡介

圖7為三維成像軟件的操作面板，分為4個主要功能區(qū)，包括：數(shù)據(jù)導(dǎo)入與窗口設(shè)置區(qū)、掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)、三維成像區(qū)、分層二維C掃描成像區(qū)，各區(qū)功能及設(shè)置方式詳述如下：

1) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與窗口設(shè)置區(qū)，包括：數(shù)據(jù)導(dǎo)入(存放)路徑設(shè)置、基準(zhǔn)波顯示及窗口設(shè)置。波形顯示窗口顯示基準(zhǔn)波形，通過基準(zhǔn)波上的紅色和黃色基準(zhǔn)線設(shè)置窗口位置、寬度，窗口高度則通過輸入相應(yīng)幅度進(jìn)行設(shè)置。

2) 掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)用于設(shè)置掃描信息(步進(jìn)長度及采樣間隔)、信號采樣率、材料聲速。通過掃描信息可計算缺陷在x-y平面(掃描平面)的位置坐標(biāo)，z方向的位置則由信號采樣率及材料聲速計算。

3) 缺陷三維成像區(qū)用于顯示缺陷的三維分布圖像，三維坐標(biāo)設(shè)置如下：x-y平面為C掃描平面，z方向?yàn)闄z測對象的深度(厚度)方向。此外，設(shè)置各種視角及投影，以便全方位觀察內(nèi)部缺陷。

4) 分層二維C掃描成像區(qū)用于顯示不同深度的缺陷分布，實(shí)際上為特定深度的缺陷C掃描圖像，通過該圖像能夠精確的測量缺陷在x-y平面的尺寸。

圖7 三維成像軟件前面板

3.3 軟件測試

對含3個平底孔的彈簧扁鋼試樣進(jìn)行三維成像以測試軟件功能。分別將聲束焦點(diǎn)調(diào)整至試樣中9 mm、5.5 mm、4 mm深平底孔表面，通過分層水浸超聲C掃描方法采集三維成像數(shù)據(jù)。通過設(shè)置軟件的成像窗口可在三維圖中僅顯示某一聚焦深度(單孔)的三維分布(圖8a～c)，以及全厚度層析掃描的缺陷三維分布圖(圖8d)。為便于觀察缺陷位置，三維圖像上還設(shè)置了各缺陷在平面上的投影。

圖8 對比試塊的三維成像圖

4 彈簧扁鋼超聲三維成像

對尺寸為16*22*22 mm的彈簧扁鋼試樣進(jìn)行三維超聲成像檢測。按90%A的焦區(qū)測量條件測得聚區(qū)長度5.9 mm，據(jù)此設(shè)置掃描層析間隔為5.9 mm。因此，對于16 mm厚度試樣，只需將焦點(diǎn)分別設(shè)置在距離試樣上表面3 mm、9 mm、15 mm處進(jìn)行三次C掃描即可實(shí)現(xiàn)全厚度檢測信號的采集。

將檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入成像軟件進(jìn)行三維成像，如圖9所示。將圖9a三維圖像中幾個主要的缺陷標(biāo)示為a～h，各缺陷深度如表2所示。圖9a中還顯示了缺陷在x-y平面的投影，從x-y平面的投影圖上可清晰的顯示g缺陷由g1、g2等幾個不連續(xù)的小缺陷構(gòu)成；圖9b為7 mm深的層析C掃描圖，可清晰顯示缺陷f的C掃描圖像，按圖中白色切割線測量缺陷尺寸為1.2 mm(從缺陷圖像的藍(lán)色邊界測量)；由于缺陷c深度為7.5 mm，離層析深度很近，因此圖9b中也能模糊顯示該缺陷。此外，為進(jìn)一步分析層析C掃描精度，按圖9b中白線切割試樣做金相觀察如圖8c所示；金相圖顯示缺陷f為長度為1.15 mm的扁平缺陷，與層析C掃描圖像的測量結(jié)果具有較好的一致性。

表2 各缺陷深度 (mm)

圖9 自然缺陷試樣的三維成像效果

5 結(jié)論

1) 基于虛擬儀器開發(fā)環(huán)境設(shè)計三維成像軟件，準(zhǔn)確重構(gòu)扁鋼內(nèi)部夾雜的三維分布；該軟件可進(jìn)行缺陷的投影顯示、層析C掃描顯示以及各種視角的缺陷觀察，為彈簧扁鋼內(nèi)部缺陷的分布情況提供了重要的綜合評價手段。

2) 提出三維成像的數(shù)據(jù)采集及層析掃描間隔的設(shè)置方法。針對聚焦聲束特點(diǎn)，提出通過試樣底部測量聚焦區(qū)域聲壓分布的方法，并據(jù)此設(shè)置層析間隔以保證高效、準(zhǔn)確的采集三維成像數(shù)據(jù)。

3) 對含自然缺陷的彈簧扁鋼進(jìn)行超聲三維成像，三維圖像能直觀觀察自然缺陷的三維分布，三維圖像的測量結(jié)果與金

相試驗(yàn)具有較高的一致性。

[1] 徐文亮, 張忠鏵, 張 弛. 汽車用特鋼的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 寶鋼技術(shù), 2007, (6): 17-22.

[2] 張建峰, 劉 青, 羅 昭. 60Si2Mn 彈簧鋼連鑄坯夾雜物研究[J]. 連鑄. 2011, (增刊): 299-305.

[3] 李宏鋼. 鋼中非金屬夾雜物存在狀態(tài)的不確定性與檢測[J]. 冶金分析. 2008, 28(9): 1-6.

[4] 薛正良, 李正邦, 張家雯. 不同生產(chǎn)工藝對高強(qiáng)度彈簧扁鋼夾雜物尺寸分布及疲勞性能的影響[J]. 鋼鐵, 2002, 37(1): 22-25.

[5] Lang R M, Mor-Avi V, Sugeng L, et al. Three-dimensional echocardiography: the benefits of the additional dimension[J]. Journal of the American College of Cardiology, 2006, 48(10): 2053-2069.

[6] 白培瑞, 白 凈. 基于二維陣列換能器的實(shí)時三維超聲成像技術(shù)綜述[J]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2011, 30(6): 938-944.

[7] 黃云開, 鄭 政, 楊 柳. 基于MATLAB的三維超聲成像及圖像處理[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2009, 30(4): 840-847.

[8] Wang Yandong, Jing Xiang, Ding Jianmin. Clinical value of dynamic 3-dimensional contrast-enhanced ultrasound imaging for the assessment of hepatocellular carcinoma ablation[J]. Clinical Imaging. 2016, 40:402-406.

[9] Luo W, Numata K, Morimoto M, Nozaki A, et al. Three dimensional contrast-enhanced sonography of vascular patterns of focal liver tumors: pilot study of visualization methods[J]. AJR Am J Roentgenol. 2009, 192:165-73.

[10] 王建斌, 杜云鵬, 劉 兵, 等. 基于Lab VIEW和Matlab混合編程的時反超聲導(dǎo)波激勵和采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機(jī)測量與控制, 2014, 22(3): 959-961.

[11] 寧 濤. 虛擬儀器技術(shù)及其新進(jìn)展[J]. 儀器儀表學(xué)報. 2007, 28 (4增刊): 252-254.

[12] 黃云開, 鄭 政, 楊 柳. 基于虛擬儀器的三維超聲成像系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2007, 28(增刊2): 257-260.

Ultrasonic Three Dimensional Imaging Method for Inner Defect of Spring Flat Steel Sheet Based on Virtual Instrument Technology

Chen Zhenhua1,2, Xie Feiming2, Lu Chao1, Zhang Qing2

(1.Ministerial Key Laboratory of Nondestructive Testing, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063，China; 2. Fangda Special Steel and Technology Co., Ltd., Nanchang 330012，China)

Ultrasonic three-dimensional imaging technology which can be used to obtain three dimension information of the inner structure is widely used in medical diagnosis. However, the three dimensional imaging for testing the industrial components is rarely reported, because of large calculation, high cost and long testing time. The spring flat steel sheet is one of the most important steel products for national economic construction. Quality control ability must be enhanced through three dimension imaging on the spring flat steel sheet. Ultrasonic three dimensional imaging is adopted to test the distribution of lamellar defects in spring flat steel, and the data abstraction and data rebuilding method are proposed. Moreover, the software for three dimension imaging with virtual instrument technology is also developed to implement algorithm of data rebuilding. The results indicate that the data extracted by the divided layer scanning of ultrasonic water immersion focusing method is applicable to three dimensional imaging, the data rebuilding method and related functional software can be used to show the three dimension distribution of lamellar defects in spring flat steel.

Ultrasonic three-dimensional imaging technology three-dimensional image reconstruction

2016-08-11；

2016-09-13。

江西省博士后基金資助項(xiàng)目(2015KY01);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11104129)。

陳振華(1982-)，男，江西余干人，博士，講師，主要從事測控技術(shù)與儀器，無損檢測方向的研究。

1671-4598(2017)01-0181-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.051

TG115.28

A