基于超声相控阵技术的透平叶片内部缺陷重心坐标检测法

技术领域

本发明属于工业超声无损检测技术领域，具体涉及一种基于超声相控阵技术的透平叶片内部缺陷三维重心坐标精密检测方法。

背景技术

透平叶片是透平机械，如汽轮机、燃气轮机、水轮机中用以引导流体按照一定方向流动，并推动转子旋转的重要部件。以燃气轮机为例，叶片是在燃气轮机上与高温高压高流速的工作介质相互作用并实现能量转换的核心气动零件，其制造通常采用精密铸造成型工艺，且需要在极高的温度和压力下承受巨大的工作载荷。由于叶片无论在制造还是服役阶段，都可能在其内部形成诸如缩孔、疏松、裂纹、夹渣等形式的缺陷，将严重影响燃气轮机整机的工作性能、使用寿命以及运行的安全可靠性。因此，研究透平叶片缺陷的检测技术，对提高我国燃气轮机制造水平、突破发达国家的技术封锁具有重大而深远的战略意义。

常规的无损检测技术主要有射线检测，超声检测，渗透检测，涡流检测等方式，由于透平叶片的型面是复杂的曲面结构，通常由具有较大密度的镍基高温合金材料精密铸造成形，且叶身厚度从几个毫米到几十毫米不等，常规的渗透检测，涡流检测等方式主要是针对待测对象近表面的缺陷进行检测，一般检测范围为几个毫米，无法有效获取检测对象的内部缺陷；射线检测方法主要采用工业射线对叶片进行透照，借助胶片成像来实现对叶片内部缺陷的检测。该方法具有成像分辨率高、灵敏度高、直观可靠等优点，在工业无损检测领域发挥着重要的作用。但此方法本质上是将叶片沿透照方向在胶片上投影成像，故仅能够清晰显示出缺陷的二维特征信息，对于缺陷在透照方向上的三维特征信息却无法显示，即使是经验丰富的专业技术人员也很难精确估计这一维度上的信息，工作效率较低，重复性较差。工业CT技术通过对待测对象进行大量切片，然后采用图像重构技术重建零件的内部结构，可以直观、准确的反映出零件的内部结构，从而获取精确的三维特征参数，但由于工业CT设备费用高昂、检测费用昂贵、对零件需要进行大量切片，时间利用率较低，不适合用于透平叶片的大批量检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于超声相控阵技术的透平叶片内部缺陷重心坐标检测法，针对于实际工程应用中对检测成本、检测效率以及准确度等方面的要求，根据当前叶片内部缺陷定位方式存在的精度不高、可靠性不足、定位模型不完善等多方面的问题。

本发明采用以下技术方案：

基于超声相控阵技术的透平叶片内部缺陷重心坐标检测法，采用超声相控阵探测系统对经过合理分区的叶片进行检测，将检测数据导入计算机图像处理系统得到缺陷的二维质心坐标；通过叶片的设计基准，利用三坐标机测量叶片叶身与基准边缘的多组数据，拟合出沿叶身宽度方向与基准线方向的函数关系式，按照空间关系推导出缺陷的三维重心坐标，最终完成缺陷的三维重心坐标精密定位检测。

进一步的，包括以下步骤：

S1、根据叶片叶身曲面及厚度分布，对叶片进行分区；

S2、用超声相控阵探头对叶身进行分区扫查检测，在超声相控阵仪器上面进行A、C、S显示并对检测结果进行数据保存；

S3、在计算机上对叶片各个分区检测结果依次进行融合，重构出叶片的整体图像，通过图像处理技术对融合后的图像进行处理，获取缺陷的二维质心坐标

S4、利用三坐标机探测叶身与叶片设计基准相交线的多组数据，拟合出叶身曲面的空间关系式；

S5、通过叶片的设计基准建立三维坐标系，通过建立空间几何关系得出缺陷的深度坐标z，按照空间关系推导出缺陷的三维重心坐标(x,y,z)。

进一步的，步骤S1中，按照叶片的平均厚度，根据探头扫查方向，将叶片的叶根和叶冠各分成上下两个区域，叶根侧两区域的平均厚度大于叶冠侧两区域的平均厚度，叶冠侧区域根据叶片型面曲率突变进行划分。

进一步的，步骤S2中，探头为8×8mm的线阵点探头，扫查垂直于接触面，沿叶身方向在各个分区进行逐行扫查，扫查完一个分区后再进行下一个分区的扫查，直至完成叶身所有区域的扫查。

进一步的，步骤S3中，按照步骤S2中探头检测方案，获取叶片的检测图像，以C显示为主要显示方式，假设检测图像的像素点个数为M×N，则缺陷质心坐标计算如下：

其中，I(x_i,y_i)表示计算机读取图像每个像素点的像素值，I表示图像像素点矩阵，_i表示图像像素构成的矩阵I的行，_j表示图像像素构成的矩阵I的列。

进一步的，步骤S4中，通过三坐标机采集30～50组叶片型面数据，拟合叶身曲面空间关系式z＝f(y₁)，y₁表示叶片的设计基准线。

进一步的，步骤S5中，首先建立以缺陷G点表示缺陷的重心，接触点C表示探头中心与叶片表面的接触位置，C'点表示接触点C在xoy平面上投影点的几何关系图。

进一步的，步骤S5包括以下步骤：

S5.1、设CC'＝z₀,AC'＝n,OC'＝m，OA＝a,OC＝c,AC＝b，C'是接触点C在平面xoy上的投影，根据CC'⊥平面xoy，则CC'⊥OC'，CC'⊥AC'，确定边长关系如下：

S5.2、根据步骤S3得到的缺陷G点的二维坐标(x_G,y_G)，以及CA⊥OA，则有a²+b²＝c²；

S5.3、探头中心与叶片表面接触点C距离平面xoy的距离CC’等于设计基准线y₁处的z轴坐标z＝f(y₁)，即z₀＝f(y₁)，z₀表示探头中心接触点C到点C在平面xoy上的投影点C’的距离，结合超声相控阵成像图，确定缺陷重心位置d；

S5.4、根据步骤S5.3求得的z₀，结合步骤S5.1和S5.2，得到缺陷重心的z向坐标z_G。

进一步的，步骤S5.3中，缺陷重心位置d如下：

其中：v表示材料中超声波声速，t表示缺陷处超声传播时间。

进一步的，步骤S5.4中，缺陷重心的z向坐标z_G表示如下：

其中：v表示材料中超声波声速，t表示缺陷处超声传播时间，CC'表示探头中心与叶片表面接触点C距离平面xoy的距离，y₁表示基准线，GC表示缺陷点距离探头的距离。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于超声相控阵技术的透平叶片内部缺陷重心坐标检测法，基于叶片的设计基准建立参考坐标系，利用三坐标机测量叶身与设计基准相交线的多组数据来拟合叶身表面与基准之间的曲面关系式，再通过超声相控阵探头测量叶片内部缺陷，用专用融合软件对检测得到的图像进行区域融合，再通过空间几何关系式获取缺陷三维重心坐标的准确位置，为叶片类零件的精密定位提供了一种基于叶片本身设计基准的定位方法，可以作为企业缺陷定位标准的参考，针对目前工业采用的叶片内部缺陷的二维定位方式，可以为技术人员提供叶片缺陷的三维定位方法，更准确、高效。

进一步的，本方法先根据叶片叶身曲面及厚度分布，对叶片进行合理分区；然后用超声相控阵探头对叶身进行分区检测，并对检测结果进行数据保存；然后在计算机上用专用融合软件TomoView对叶片各个分区检测结果依次进行融合，重构出叶片的整体图像；通过图像处理技术对融合后的图像进行处理，获取缺陷的二维质心坐标；再利用三坐标机探测叶身与叶片设计基准相交线的多组数据，拟合出叶身曲面的空间关系式；最后通过叶片的设计基准建立三维坐标系，按照空间关系推导出缺陷的三维重心坐标(x,y,z)，相比于叶片内部缺陷射线检测三维坐标定位人工评片，本方法的精度可以提高1～2个数量级，可以有效而准确定位缺陷三维重心位置。

进一步的，对叶片进行分区，一方面是为根据叶片自身厚度关系，便于用超声相控阵探头进行检测时厚度参数的设置，提高检测效率；另一方面，叶片自身曲面曲线变化趋势，在区域3和区域4处叶片曲面发生突变，为了获取更准确的探头接触面中心与其在xoy面上的投影点距离CC’，故进行如此分区。

进一步的，根据探头检测方案，获取叶片检测图像，以C显示为主要的显示方式，假设检测图像的像素点个数为M×N，通过计算机编程技术求取缺陷二维质心坐标，根据叶片内部缺陷三维空间检测示意图，及探头检测路径关系，可知求取的二维质心坐标即为内部缺陷重心实际的x，y的坐标值，如此，即把求取缺陷重心坐标转化为求取剩下的重心z坐标。

进一步的，利用三坐标机拟合叶身曲面的空间关系式，目的在于求取叶片表面与设计基准的关系式z＝f(y₁)，这样，探头在叶片表面进行扫查时，利用探头中心的坐标值对应到z＝f(y₁)中，从而得到CC’的值。三坐标机的检测精度高，为得到准确的检测值作了保证。

进一步的，建立以缺陷G点表示缺陷的重心，接触点C表示探头中心与叶片表面的接触位置，C’点表示接触点在xoy平面上投影点的几何关系示意图目的在于直观地表现缺陷与依据叶片设计基准所建立的三坐标系的空间位置关系，方便推到缺陷重心z坐标的准确关系式。

进一步的，根据以上几步推到得到缺陷重心的三维重心坐标，由于工业领域叶片类零件内部缺陷的定位一般是利用缺陷的二维质心或者三维重心作为定位标准，如此即实现了叶片内部缺陷的定位，另外，采用以上技术方案，可以获取精度在数μ到数十个数μ的内部缺陷三维重心坐标检测值，在现有基础上提高缺陷三维重心坐标定位精度1-2个数量级，已经远远优于当前采用的缺陷三维重心坐标定位评价机制。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明超声相控阵探测系统连接示意图；

图2为本发明实施流程示意图；

图3为叶片的分区检测示意图；

图4为叶片分区检测结果示意图；

图5为超声相控阵检测空间几何关系示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于超声相控阵技术的透平叶片内部缺陷重心坐标检测法，检测系统如图1所示。对经过合理分区的叶片进行检测，通过探头的移动，检测到叶片内部缺陷并在超声相控阵仪器上面进行A、C、S等显示，然后保存数据，数据导入计算机图像处理系统，通过TomoView专用融合软件将分区检测的叶片区域进行逐一融合，再用计算机对融合后的叶片图像进行图像处理，从而得到缺陷的二维质心坐标通过叶片的设计基准，用三坐标机测量叶片叶身与基准边缘的多组数据，从而拟合出沿叶身宽度方向与基准线方向的函数关系式，通过建立空间几何关系，从而求得缺陷的深度坐标z，最终完成缺陷的三维重心坐标(x,y,z)精密定位检测。

以燃气轮机G50四级动叶片为例，本方法基于叶片的设计基准建立参考坐标系，利用三坐标机测量叶身与设计基准相交线的多组数据来拟合叶身表面与基准之间的曲面关系式，再通过超声相控阵探头测量叶片内部缺陷，用专用融合软件对检测得到的图像进行区域融合，再通过空间几何关系式获取缺陷三维重心坐标的准确位置。

请参阅图2，本发明一种基于超声相控阵技术的透平叶片内部缺陷重心坐标检测法，包括以下步骤：

S1、根据叶片叶身曲面及厚度分布，对叶片进行合理分区；

确定叶片分区方案

燃气轮机叶片叶身表面是复杂的空间曲线，对G50四级动叶片而言，整体尺寸规格为，而叶身厚度从2～13mm不等，为了便于超声相控阵探头与叶片表面更好贴合，选用了规格为的线阵点探头，型号为5L16-CA00；同时，为方便探头的检测，需要对探头的检测路径进行合理规划，这就需要对叶片进行合理分区，叶片的分区方案如图3所示。

叶片的1、3区域的平均厚度较2、4区域要大，4区域的划分主要是依托于叶片型面，在3、4区域交汇处，叶片型面曲率发生突变，为了方便后续步骤建立三维坐标系，这里把4区域从该处进行划分；

S2、用超声相控阵探头对叶身进行分区检测，并对检测结果进行数据保存；

用超声相控阵检测仪对叶片进行检测时，需要设置如叶片材料、超声波声速、检测厚度、显示方式(A/C/S/B)等参数，为了参数设置的方便，减少操作过程，设计点探头的扫查垂直于接触面、沿叶身方向在各个分区进行逐行扫查，扫查完一个分区后再进行下一个分区的扫查，直至完成叶身所有区域的扫查。

S3、在计算机上用专用融合软件TomoView对叶片各个分区检测结果依次进行融合，重构出叶片的整体图像；通过图像处理技术对融合后的图像进行处理，获取缺陷的二维质心坐标；

按照步骤S2中探头检测方案，获取叶片的检测图像，以C显示为主要的显示方式，如图4所示，是一幅叶片某分区融合后的图像，其中包含两个缺陷。

为了求取该两个缺陷的质心坐标，假设该图像的像素点个数为M×N，则有缺陷质心坐标公式：

其中，，I(x_i,y_i)表示计算机读取图像每个像素点的像素值，I表示图像像素点矩阵，_j表示图像像素构成的矩阵I的列，_i表示图像像素构成的矩阵I的行，由以上关系式，可以通过计算机读取图像每个像素点的像素值I(x_i,y_i)，并保存数据，再通过编程求取缺陷二维质心坐标

S4、利用三坐标机探测叶身与叶片设计基准相交线的多组数据，拟合出叶身曲面的空间关系式；

通过三坐标机采集30～50组叶片型面数据，利用Matlab软件拟合叶身曲面空间关系式z＝f(y₁)，y₁轴表示叶片的设计基准线。

S5、通过叶片的设计基准建立三维坐标系，按照空间关系推导出缺陷的三维重心坐标(x,y,z)。

燃气轮机叶片型面是复杂的空间曲面，为了更好的说明超声相控阵探头检测模型，建立如图5所示的几何关系图。

其中，缺陷G点表示缺陷的重心，接触点C表示探头中心与叶片表面的接触位置，C'点表示接触点C在xoy平面上的投影点，设CC'＝z₀,AC'＝n,OC'＝m，OA＝a,OC＝c,AC＝b。

S5.1、因为C'是接触点C在平面xoy上的投影，所以有关系式CC'⊥平面xoy,则CC'⊥OC',CC'⊥AC'，根据边长关系有：

S5.2、在步骤S3中已经通过图像的像素点关系，实现用计算机读取缺陷图像每个像素点的信息，通过计算机编程求取缺陷的二维质心坐标(x,y)，则由缺陷的二维几何信息与图5三维几何示意图，可以得知，缺陷G点的二维坐标(x_G,y_G)可以通过公式1求得；又因为探头是垂直于叶片表面进行逐行扫查，则满足CA⊥OA，则有：

a²+b²＝c²>

S5.3、要想求得该坐标系下缺陷在z轴方向的坐标，就必须知道C到C'的距离。已知在步骤S4中用三坐标机实现了叶片设计基准与叶片表面型面的空间关系式z＝f(y₁)，由于探头沿着叶片扫查方向曲率平缓，且探头是8×8mm的线阵点探头，可以认为探头在某个分区进行逐行扫查移动时，探头中心与叶片表面接触点C距离平面xoy的距离CC'等于设计基准线y₁处的z轴坐标z＝f(y₁)，即z₀＝f(y₁)，z₀表示探头中心接触点C到点C在平面xoy上的投影点C’的距离，再结合超声相控阵成像图，可以求得缺陷重心的位置d，根据关系式：

其中：v表示材料中超声波声速，t表示缺陷处超声传播时间。

即燃气轮机叶片采用的是镍基高温合金，超声波在该材料中的声速为5770m/s，缺陷处超声传播时间可以通过相控阵测量仪器的A/S显示图中读取数据，一般时间t在10^-8～10^-9数量级，即测得的CG值小数部分在数μ到数十个μ之间。

S5.4、由步骤S5.3求得的z₀＝f(y₁)，再结合关系式2和3，有缺陷重心z向坐标z_G：

结合步骤S3中缺陷二维质心坐标可得缺陷实际三维重心坐标为采用实验室型号为Global classic SR575的三坐标机，其测量精度-最大允许探测误差MPEP≤1.9μm，即z₀＝f(y₁)小数部分在数个μ的范围，综合考虑z_G的精度可以达到数十个μ；

另一方面，燃气轮机叶片一般采用精密铸造的方式加工成形，其表面精度一般可以达到2丝(10个μ)。

综合考虑本发明缺陷坐标的测量精度，与叶片精密铸造成形的精度要求已经可以达到同一个数量级，而目前工业常用的叶片射线检测人工胶片评片的精度仅为mm级，本发明在现有基础上可以提高缺陷三维重心坐标定位精度1～2个数量级，已经远远优于目前采用的缺陷三维重心坐标定位评价机制。

本发明以燃气轮机G50四级动叶片为例，基于叶片的设计基准建立适用于叶片的三维坐标系，通过超声相控阵检测技术建立叶片内部缺陷三维几何关系示意图，用三坐标机测量叶片表面型面的多组数据，拟合叶片型面曲线关系式z＝f(y₁)，结合超声相控阵C显示通过计算机图像处理技术计算缺陷二维质心坐标，再根据叶片内部缺陷几何关系，推导出缺陷重心的三维坐标实现缺陷的精密定位测量。

当前，医学B超检测人体内部生理病变的精度一般只能达到mm级，且由于人体内部生理器官的具体位置各异，一般只能实现对病灶大小的粗略检测，没有实现对病灶的位置定位。优选的，本发明方法也为医学领域的B超检测人体内部生理病变提供病灶精密定位的新思路。本发明不仅能实现更高的检测精度，同时，也能为病灶的定位提供借鉴。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。