高次幂自由曲面水浸超声系统设计与实现

摘要：本研究针对高次幂自由曲面厚度检测难题，创新提出水浸超声精密测量方法，融合高次多项式建模与LM优化算法，有效解决传统检测误差大、效率低问题。基于LabVIEW的六轴数控系统，突破探头自适应法向追踪与恒距控制关键技术。该方案显著提升复杂曲面检测精度与效率，推动超声测量技术向智能化检测体系迈进。

关键词：高次幂自由曲面厚度检测；水浸超声；六轴运动控制系统

一、绪论

（一）研究背景与意义

生活中许多自由曲面的壁厚检测都至关重要，需要精密仪器对其进行检测，不仅耗费人力物力财力且检测精度普遍不高。壁厚检测可以帮助发现潜在的结构问题，及时修复这些问题可以预防由于结构失效引发的事故。

在航空航天领域曲面构件得到广泛应用，受原材料、制造工艺和工作载荷等因素影响，这些构件难以避免出现孔隙、分层、夹杂和裂纹等缺陷，此类缺陷的存在严重影响构件结构力学性能和安全可靠性，目前超声无损检测是检测其内部缺陷的主要手段。[1]为提升厚度测量的精度，利用水浸超声技术针对高次幂自由曲面设计了厚度测量仪。

（二）研究内容

本研究主要从选取探头材料、优化传感器布局、改进数据处理算法三个方面展开。通过实验验证探头材料的灵敏度，并结合深度学习算法提升数据处理效率，构建一套高效、稳定的超声测量系统。最终，通过实际应用场景测试，验证系统的可靠性和实用性。

二、水浸超声原理

（一）超声检测原理

超声波从一种媒质传播到另一种媒质时，超声波将在界面处发生反射和折射。一部分超声波被反射到原来媒质，称为反射波。另一部分超声波将在界面处发生折射在另一媒质中传播，称为折射波。声波的反射与折射服从反射定律和折射定律。

在测量曲面厚度时，反射的部分声波将沿原路返回被探头接收，折射的声波将在曲面表面发生反射和散射，形成缺陷回波，通过分析回波信号可判断自由曲面厚度。

通过精确调整参数，能够有效提升检测的灵敏度和准确性，确保回波信号的清晰捕捉。同时，结合先进的信号处理算法，对回波数据进行深度分析，进一步优化厚度测量的结果，从而实现对自由曲面壁厚的精准评估。

（二）超声扫描成像原理

超声扫描成像根据不同的扫描方式分为A扫描成像，B扫描成像和C扫描成像，不同扫描方式下的成像结果可以从不同角度了解到工件内部的缺陷信息。

超声A扫描成像是利用超声换能器和数字探伤仪对工件表面某一点进行超声激励并对超声回波数据进行采集，将采集到的超声回波幅值大小与时间的关系绘制成曲线。在同一介质中，声束传播距离与时间成正比，因此可以从该曲线中得出扫查深度与回波幅值的关系，从而对工件中缺陷深度进行定位。

超声B扫描成像与A扫描成像不同，探头在工件表面沿直线运动，并在直线上的各个点上进行超声回波信号的采集，完成沿直线方向上的扫描后，将所有界面反射回波的大小利用辉度调制方式显示，B扫描成像显示的是与扫查表面垂直的平面信息。

超声C扫描成像是在A扫描和B扫描的基础上对工件表面进行二维扫查，通过在X方向和Y方向的直线运动扫查，获取超声回波幅值，将工件某一深度的幅值大小与颜色一一对应。[2]

三、高次幂曲面重构算法

（一）自由曲面建模与厚度定义

假设被测物体由上下表面构成，其厚度分布为两表面间的垂直距离：

（二）构建目标函数

通过传感器技术获取离散点运数据，以构建以下目标函数：

其中Wn为传感器数据权重，与测量误差成反比；为正则化系数，控制曲面平滑度；为曲面的二阶倒数Frobenius范数，惩罚剧烈曲率变化

（三）粗拟合与精优化

初始时采用4次多项式拟合表面整体趋势，通过最小二乘法求解初始系数，快速降低全局偏差，避免高阶项过早陷入局部最优。

四、测量系统设计与实现

水浸超声高次幂自由曲面厚度测量仪，主要是通过水浸超声测量的非接触式检测方式，以水为耦合剂，通过数控系统，实现工件几何特性的自动检测。

采用机械装置夹持超声换能器和传动被检测工件，通过控制系统进行扫查覆盖，同时可与数字式超声检测仪组合成A型、B型、C型显示等各种成像检测装置，从而实现自动化无损检测。

本产品基于Lab VIEW开发GSJ四轴运动控制器，搭建MCCDEMO六轴控制系统软件，实现NC控制系统，进行自动化定位、自动化测量的功能。数控机床设备常使用数控系统进行运动控制，然而在自动化超声检测设备中鲜有涉及。本产品所搭建的控制系统共含有十个功能区，这将展示数控系统在自动化超声检测设备方面的应用。

五、实验分析与验证

选取标准厚度为3.21mm的铅材圆筒。连接仪器设备，联接pc端与探头，使其对铅材圆筒进行自动扫查，对数据进行收集记录。

在研究过程中，我们对待测工件进行了多次重复实验。为了有效分析本产品测量的优越性，对数据结果进行Kendall’s tau-b以及Pearson相关性分析。其相关性均高于99%，测得待测工件厚度均为3.21mm。经过验证，本技术可以有效实现并运用与实际当中。

六、结束语

本研究针对高次幂自由曲面厚度测量中的技术难题，提出了一种基于水浸超声的精密测量方法，并构建了完整的测量系统。通过理论建模、算法优化与实验验证了该技术的可行性。

由于大数据技术越发成熟，可以引入轻量化深度学习模型，优化实时数据处理效率，同时结合数字孪生技术实现检测过程的动态仿真与预测性维护。未来，超声测量技术将进一步向智能化、网络化方向发展，助推我国在全球高端制造领域的竞争力提升。

参考文献

[1]胡宏伟，彭凌兴，周正干，等.曲面构件水浸超声检测缺陷定量研究[J].航空学报，2014，35（11）：3166-3173.

[2]赖明月.水浸超声自动检测成像系统研究[D].西安科技大学，2018.

作者简介：高慧铭（2004.2-），女，汉族，山西吕梁人，沈阳工业大学2022级机械工程学院工业工程本科在读，研究方向：无损检测。