石油钻杆接头超声波检测方法研究【毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 石油钻杆接头超声波检测方法研究 摘 要 石油钻杆接头是石油开采中重要的专用部件之一。为保证在井下的安全使用，接头不允许有超过标准的缺陷存在。因此，对石油钻杆接头进行缺陷检测已成为其生产中不可缺少的环节。超声检测是应用于钻杆接头缺陷检测的主要方法之一。 由于钻杆接头的形状复杂、规格较多，同时从使用安全性考虑，又必须对横向和纵向缺陷进行 100探伤，因此，对钻杆接头进行超声波检测具有一定的难度。在实际生产中，大都采用手工探伤方式进行检测；而手工探伤存在生产效率低、探伤质量难等问题。所以，本课题设计了适用于实际 生产的钻杆接头超声自动检测系统，它对保证钻杆接头的安全使用具有重要意义。 本论文主要分四部分讨论了对石油钻杆接头超声波检测方法的研究。 第一部分首先阐述了超声波管材探伤的一般方法，然后结合石油钻杆接头的特殊性，逐步提出解决其探伤问题的特殊方法。 第二部分首先介绍了超声波检测系统的组成和探伤数据的显示方式，并对数字图像处理的常用方法进行了简要的介绍；然后对实际探伤数据，根据本系统探伤的特点，提出了有效的图像处理和缺陷提取方法。 第三部分简要介绍了本探伤系统的应用，对系统实现自动探伤的整体流程作了概括性说明。 第四部分对装置的整体效果作了客观的评价，并对其未来的应用领域和改进措施进行了讨论。 论文从实际的工程项目出发，逐一解决了接头检测存在的难点，最终实现了钻杆接头的自动、高效检测。 给出了系统的改进方案。 关键词： 石油钻杆接头 ； 探头组 ；探头架 ；图像处理； il is of In to in an in of is of in of As of at of be on 00% on by a of In by in as a of it is to of is to of is to on to of of of s to of of A B 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 目 录 摘 要 . 1 1 绪论 . 1 声波检测的概要 . 1 内外研究现状 . 1 论文的主要工作 . 2 2 超声波检测的基本原理 . 2 声波传感器 . 2 . 3 声波检测的常用方法 . 5 3 系统组成 . 7 . 7 . 8 据显示方法 . 9 . 10 伤图像处理及滤波算法 . 11 4 系统的硬件设计 . 13 片机系统及显示电路 . 14 片 74. 14 位共阳极 码管 . 14 片机系统及显示电路 . 15 声波发射电路 . 15 声波换能器 . 16 片 74. 17 声波检测接收电路 . 17 声波检测接收电路 . 17 片 . 18 5 系统的设计 . 19 函数 . 21 声波发生子函数和超声波接收中断函数 . 22 6软硬件调试及性能 . 23 . 23 路调试与分析 . 23 7结语 . 24 参考文献 . 25 致 谢 . 25 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 1 全套资 料带 ， 系 414951605 或 1304139763 1 绪论 声波检测的概要 无损检测技术，又称非破坏检查技术，它是以不损伤被检测物体为前提，利用材料的物理性质因有缺陷而发生变化这一事实，通过一定的检测手段来检测或测量、显示和评估相应的变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件直至生物等的性质、状态或内部结构等等。超声波检测技术是无损检测技术的一种，它利用超声波来研究物体内部的结构和缺陷，最早由苏联的萨哈诺夫于 1929 年提出来，经过几十年的发展，如今已经比较成熟。我国从五十年代开始引进超 声探伤技术对金属材料及其制品进行探伤。现在，该技术已在各个工业部门得到了普遍应用，并产生了大批的专业技术人员，进行了大量的研究开发工作，在某些方面已具有较高的水平。我国已经制定了各种探伤标准，促进了探伤工业的逐步规范化。本论文讨论超声波无损检测技术在检测中的应用。石油钻杆接头作为公母螺栓是连接石油钻杆管体的关键部件。由于钻杆一般在几百、几千米的地下、极为复杂的地质条件下钻井，承受了拉、压、扭、冲、剪等各种作用力，甚至还将承受瞬间的突变载荷。作为管体与管体之间的连接件，在打井的过程中承受了比管体更加恶劣的工况 条件、更复杂的应力，其质量的优劣直接关系到石油钻探的成败。因此，钻杆接头的质量优劣关系重大，出厂前必须对其进行全面的无损检测。钻杆接头用钢主要分油淬钢种和水淬钢种，国内各大油田现主要使用油淬调质 36外通常使用水淬调质钢。考虑到钻杆接头的材质及检测要求，以及超声波无损检测的主要特点 (易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断 )，本课题我们使用超声波对石油钻杆接头进行在线检测。 内外研究现状 在四五十年代，超声波检测方法有了进一步的发展，它们使用了超声波探头、处理器、液晶荧屏显示器。这 一代产品较前两代有了质的飞跃，特别是荧屏显示的使用表明开始出现动态显示系统。超声波探头及处理器就开始工作，显示器上就会出现所检测的接头动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。 在综合前几代的优点检测系统则使用超声波探头、处理器、魔幻镜显示器，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知石油钻杆接头，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒工作人员。免提电话结合起来，并设计了语音功能，是目前市面上比较先进的检测雷达 系统。而且颜色款式多样，不过造价较高。 近些年则使用超声波探头、后视摄像机、控制器、监视器，超声波信号接入显示控制器，同时将视频监视子系统中的摄像探头信号接入显示控制器，通过安装的检测系统显示控制器的自动切换电路、字符叠加器、微处理器，将显示控制器的输出再接入监视器，这样实现自动切换图像、监视、超声波测距、自动报警等功能。超声无损检测是以超声波作石油钻杆接头超声波检测方法研究 2 为采集信息的手段，在不损坏被测对象的情况下探测其内部缺陷的方法。由于超声波独特的物理特性 (穿透力强、集束性好、信息携带量大等 )，使其易于实现快速准确的在线无损检测和 无损诊断，因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到了广泛的应用。生产超声波传感器的主要材料的价格一直居高不下，成为探测器推广应用的瓶颈。可以预见，随着新材料、新工艺在探测器制作中的应用，使低价格、高性能的探测器的实现和普及成为可能。 由于现在国外的产品技术高，精度高，但是不适合中国的国情，而且价格昂。因此，特此研究一种高性能而且价格低廉的石油钻杆接头超声波检测系统，来适应当今国内行情。 论文的主要工作 石油钻杆接头是石油开采中重要的专用部件之一。为保证在井下的安全使用，接头不允许有超过标 准的缺陷存在。因此，对石油钻杆接头进行缺陷检测已成为其生产中不可缺少的环节。超声检测是应用于钻杆接头缺陷检测的主要方法之一。 由于钻杆接头的形状复杂、规格较多；同时从使用安全性考虑，又必须对横向和纵向缺陷进行 100探伤，因此，对钻杆接头进行超声检测具有一定的难度。在实际生产中，大都采用手工探伤方式进行检测；而手工探伤存在生产效率低、探伤质量难以保证等问题。所以，本课题研发了适用于实际生产的钻杆接头超声自动检测系统，它对保证钻杆接头的安全使用具有重要意义。 本论文主要研究和讨论了对石油钻杆接头超声波检测方法 的研究。 首先阐述了超声波管材探伤的一般方法，然后结合石油钻杆接头的特殊性，逐步提出解决其探伤问题的特殊方法。然后在介绍了超声波检测系统的组成和探伤数据的显示方式，并对数字图像处理的常用方法进行了简要的介绍，然后对实际探伤数据，根据本系统探伤的特点，提出了有效的图像处理和缺陷提取方法。简要介绍了本探伤系统的应用，对系统实现自动探伤的整体流程作了概括性说明。装置的整体效果作了客观的评价，并对其未来的应用领超声波检测方式方法和改进措施进行了讨论。论文从实际的工程项目出发，逐一解决了接头检测存在的难点，最终实现了 钻杆接头的自动、高效检测。 2 超声波检测的基本原理 声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。 科学家们将每秒钟 振动 的次数称为声音的 频率 ，它的单位是赫兹。我们人类 耳朵 能听到的声波频率为 2020000 声波 的振动频率大于 20小于 20，我们便听不见了。因此，我们把频率高于 20000 赫兹的声波称为 “超声波 ”。 它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米 的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 3 声波探伤基本方法 石油钻杆接头中常见的缺陷有裂纹、夹层、夹杂、折叠和翘皮等。由于工业上要求进行探伤的探头主要是工作在高温、高压条件下或有其它特殊用途，因此必须进行绝对严格的安全测试，且必须满足一定的测试精度。超声无损检测是以超声波作为采集信息的手段，在不损坏被测对象的情况下探测其内部缺陷的方法。由于超声波独特的物理特性 (穿透力强、集束性好、信息携带量大等 )， 使其易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到了广泛的应用。本论文即使研究超声波对石油钻杆接头的检测方法。 由于探头在热轧或冷拔过程中沿轴线方向的压延伸长，其受力和变形主要在厚度方向上，从而造成缺陷方向大多数与管材轴线平行 (轴向缺陷 )。因此在探头探伤中，本着声束轴线与缺陷反射面垂直的原则，一般采用垂直于管轴的空间斜入射的横波探伤法，如图 2于小径管的探伤，为了解决耦合闯题，一般采用水浸法；对于大径管的探伤，耦合和补偿问题比较容易解决，可以采用直接接触法探伤。超声波管材轴向缺陷的探伤是有条件的，其入射角的确定原则是既能在钢管中产生纯横波，又能探测到管内外壁缺陷。如图4所示管材探伤中，为了使折射纵波不进入管内，则需要声束入射角大于第一临界角，既 211 2中 图 2行于管轴的径向缺陷的探测方法 石油钻杆接头超声波检测方法研究 4 图 2伤入射角范围 同时，为了检测管内壁的的缺陷，折射横波必须投射到内壁上，因此，折射的横波的折射角必须满足： 2射角必须满足： )1(s 2 2中， 钢管中的声速。 射横波在钢管中的声速。综上，要用单一横波进行管材探伤且可同时探得内外壁缺陷， 范围必须满足式下式： )1(s 1 221(21 t 2国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 5 据此，可进一步推得单横波管材探伤的条件为 (t 为管材壁厚， D 为管材外径 )：即探头壁厚 之比必须小于 0 5(1于钢管而言，（ t/D际探伤中，一般认为，管材横波探伤的 t/0。 声波检测的常用方法 超声无损检测是以超声波作为采集信息的手段，在不损坏被测对象的情况下探测其内部缺陷的方法。由于超声波独特的物理特性 (穿透力强、集束性好、信息携带量大等 )，使其易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到了广泛的应用。从探伤原理上说，超声波探伤方法主要可分为两大类，穿透法、脉冲反射法，其原理图如 2 图 2声波探伤主要方法 透射法探伤由两组探头组成，一组探头专门向工件内发射超声束，另组探头专门接受透过工件的声信号，由接收到声信号的强弱来判断工件内部缺陷的有无及大小。这种方法不存在盲区，且声程衰减小，适用于高衰减材料，但因其探测灵敏度低且无法对缺陷进行定位，因此实际探伤中使用的较少。脉冲反射法探伤是利用脉冲波入射到异质界面上的反射效应进行探伤的方法。它采用一个兼发兼收的超声探头，检出缺陷反射声压信号，并将其显示在荧光屏上。相对于穿透法而言，脉冲反射法探测灵敏度高，缺陷定位准确，且探伤 操作方式灵活，因此是目前世界各国广泛使用的超声探伤方法。此外，还有结合以上两种探伤方法优点的双晶探头脉冲反射法，目前也具有广泛的应用。本论文利用脉冲反射法，研究了超声波对石油钻杆接头的检测方法。 接触探伤法是指探头与表面直接接触进行探伤的方法。为了实现良好的声耦合，要求探头按照管材的规格制成圆弧形，使其与管材探侧面完全吻合。管材表面需涂敷耦合剂。沿管材圆周方向探测。对于周向缺陷，沿探头轴向探测。 由于接触法探伤时在探头与管材之间没有过多的耦合剂，所以声能衰减较小，周向有效探测范围较大。但是，由于这种方法是平 面声束投射到曲面上，声束个点的入射角差别较大，使管内折射波形较为复杂，所以必将导致探测灵敏度降低和内外壁探测灵敏度差别的增大，且曲率半径愈小，此种现象愈严重，因此，接触法只适用于直径为 40上管材的一般探伤。不适于小口径管材的探伤和高精度探伤。这就存在了所谓的局限性，不能适合其他的比较特殊的管材，在直径过小的管材则不能够对其进行精准的探测，从而使探穿透法探伤 反射法探伤 石油钻杆接头超声波检测方法研究 6 伤技术达不到应有的标准。 图 2触法探伤示意图 还有一种方法叫管材水浸法，它是指探头与管材不接触，二者之阔以水作为耦合介质进行探伤的方法。 它是以 横波为主，这种方法不仅克服接触法探伤所存在的探头容易磨损等特点，而且具有一系列优点，如可采用聚焦探头，因而显著提高探伤灵敏度；便于实现机械化和自动化，从而大大提商生产效率；可使用廉价的耦合介质，使生产成本显著降低等。因此，水浸法的应用已日趋普遍，尤其进行大批量管材检测的冶金、石油、化工、机械等部门，应用更为广泛。我国现有的无缝钢管超声波探伤大多是按照 1996 横波水浸法原理进行检测。国际上也普遍采用此方法，如美国、俄罗斯等国家。但是，由于超声波在水与管材的交界面所产生的反射而使声能大为衰减， 实际传入管材内部的横波能量很弱。所以，水浸法的有效探测范围比接触法要小得多。鉴于水浸法探伤显著改善了探伤工艺条件，因此。它既适用于大口径管材，也适用于小口径管材。目前，用这种方法最小可探测直径为 10 首先，我们介绍了超声波管材探伤的条件和常用方法，然后在此基础上进一步讨论了特殊管材 石油钻杆接头的探伤方法。介绍这一部分时，我们首先给出了钻杆接头的实际剖面图，直观地提出对其进行超声探伤的特殊性，即厚管壁、形状复杂、型号繁多。然后，针对这几点特殊性，逐步提出解决办法，完成管材探伤的探头设计；最 后，讨论了以上探头的组合方式和探头架的扫查方式，实际探伤时由机械传动部分带动探头架沿规定路线扫描，即完成了探伤装置的硬件设计部分。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 7 超声波接收 单片机 控制器 示和报警 超声波发送 扫描驱动 图 3超声波测距器系统设计框图 3 系统组成 此超声波检测系统由超声波发送装置、超声波接收装置、单片机、控制器、 示和报警及扫描驱动程序组成。具体的框图如图 3示： 声波检测技术 超声波检测技术特点： （ 1）超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。（ 2）超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。（ 3）超声波在异种介质的界面上将产生反射、 折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。（ 4）超声波的能量比声波大得多。（ 5）超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置 和形状。 超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。 超声波探伤仪的种类繁多，但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。一般在均匀材料中，缺陷的存在将造成材料不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质 的界面上会发生反射。反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。 石油钻杆接头超声波检测方法研究 8 脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是 谓 坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个工件中存在一个缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后就会发生反射，反射回来的能量又被探头接收到，在显示器屏幕中横坐 标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷波在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。 脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是 谓 坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个工件中存在一个缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后就会发生反射，反射回来的能量又被探头接收到，在显示 器屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷波在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。 测系统的组成 超声波检测系统由探头、信号发生接收装置、放大器、衰减器、模数 (A D)转换器，以及对整个系统进行控制的计算机组成。传统的检测设备，整个系统运行在单机之上，主机负责硬件控制、信号采集、转换、处理、显示等诸多任务，这将导致主机负载过重，系统检测效率较低。考虑到通过网络传输数据的高速性，我们将扫描检测任务分开在两台计算机中完成 ，这样，不仅检测效率能得到很大提高，而且能减少系统的硬件成本。其检测系统示意图如图 22所示，其中，外部虚线框是整个检测系统的组成图。内部虚线框则表示探伤机的内部组成，其主要完成超声信号的发射接收、模数转换、信号控制等功能。电脑(计算机 )主要完成超声信号的分析、处理和显示等功能。探伤机和计算机由网络连接，其利用 于 伤机计算机 )模式，实现了两台计算机之间的实时数据传输和通信控制。 探头与信号发生接收装置相连，并固定在探头架上，探头架由步进电机控制，可根据工件型 号 (用户输入 )自动调整其高度和扫查范围。检测位置和检测距离由伺服电机带动机械装置，连接探头进行准确定位。 A 将数字信号输入计算机，在计算机内完成数据的显示和处理工作。 这次方法是 采用单片机 超声波技术相结合的方法来完成超声波的 检测 工作。通过单片机控制超声波的发射和接收，并且用 码管实时显 示 距离，便于 工作人员观测；而且能够通过改变电路元器件参数的大小，有效的进行控制测量距离的大小，它具有集成化程度较高，高精度，高性能，和低价格等优点，是一个值得 推广的方案。 如3所示。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 9 据显示方法 常见的超声探伤数据显示方式可分为如下几类 (1)超声波探伤中最基本的一种数据显示方式，它以纵坐标代表反射波的幅度，以横坐标代表声波的传播时间，从缺陷波的幅度和位置来确定缺陷的大小和位置。 (2)以亮点显示接受信号，以荧光屏面代表被检测对象由探头移动线和声束决定的截面。纵坐标代表声波的传递时间，横坐标代表探头的水平位置，它可以显示出缺陷在纵截面的二维特征。 (3)示：是以亮点或暗点显示接收信号，以荧光屏面代表被检测对象的投影面。这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不能给出深度。 图 3声波探伤数据显示方式 信号发生装置 探头 信号接受装置 信号放大器 伺服电机 数据显示与图像处理 电脑 A/D 转换装置 信号衰 减控制 图 3超声波系统组成图 石油钻杆接头超声波检测方法研究 10 (4)其他显示方式：除上述三种显示方式以外，目前国际上正在大力研究和发展更加完善的图像显示技术，如超声全息成像技术、 射成像技术和 本课题中，我们采用了 扫描两种数据显示方式。由以上的介绍我们可以看出，大家所熟悉。而 情况，比较直观。探伤过程中，检测数据以 头架沿着工件长度方向进行纵向扫描。数据采集电路以预定的采样频率进行采样，保证至少探头每移动 1采集一组 样，就能得到整个工件轴向的所有 时，以工件长度为横坐标轴，以工件周向展开宽度作为纵坐标轴，在同步电路的控制下，在采集 扫描图像。这样，当扫查结束的时候， 探伤过程中，对伤波数据的存储及显示是非常必要的，有利 于对探测情况的详细分析和比较数据的存储格式被声明为一个三维数组 中， 因为一般的检测系统都是由若干个通道组成，不同通道使用不同的探头组检测不同的部位。本项目使用的检测系统包含 7个通道 )； 扫描的横坐标值， 扫描的纵坐标值， j， k)位置点对应信号的幅值大小，在 被转化为对应点的灰度值，以颜色深浅进行显示。将每一个点的信号值都存储到这个三维数组中，并以 伤数据的显示 图 3伤数据显示操作界面 图 3中与数据显示有关的控件是按钮“打开，“ “ 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 11 图 3伤数据显示操作界面 打开操作使其对数据文件的读取和显示，它将读出的数据存入数据成员的字符数组并在函数中使用。 伤图像处理及滤波算法 对探伤方法的分析可知，探伤结果 (A、 除包括有用的伤波信号以外，还存在大量固有波 (工件边沿波信号 )和随机干扰波信号 (噪声等 )，这些干扰信号会干扰视线、影响探伤效果，严重的甚至造成误判，给探伤 带来危害，因此必须消除，即必须进行相应的图像滤波处理操作。目前，广泛使用的，也是最为有效的图像处理方法是用计算机来完成的数字图像处理技术，本实验中我们采用计算机 语言编写程序来完成图像的滤波、处理工作。下面，我们首先介绍一下图像滤波处理的常用方法，然后给出本实验采用的图像处理方法。 滤波操作在图像处理中也叫做平滑操作，其目的是为了消除噪声。图像噪声的来源有三：一为在光电、电磁转换过程中引入的人为噪声；二为大气层电 (磁 )暴、闪电、电压、浪涌等引起的强脉冲性冲击噪声的干扰；三为自然起伏性噪声，由物理量的不 连续性或粒子性所引起，这类噪声又可分成热噪声、散粒噪声等。噪声消除的方法可分为空问域和频率域，又可分为全局处理和局部处理，还可以按线性平滑、非线性平滑和自适应平滑来区分。下面简要介绍邻域平均、空间滤波、频率滤波、多图像平均、自适应滤波及中值滤波滤波等方法。 石油钻杆接头超声波检测方法研究 12 （ 1）邻域平均法 邻域平均法是一种局部空间域处理的算法。设一幅图像 f伍 y)为 N*波后的图像为 g(x， y)，它的每个象素的灰度级由包含在 (x， y)的预定邻域的几个象素的灰度级的平均值所决定，即用下式得到平滑的图像 ： ),(),(1),( 3中的 x,y=0， 1， 2， ， x， y)点领域中心点坐标的集合， 内坐标点的总数。以上算法简单，计算速度快，但他的主要缺陷是在降低噪声的同时使图像产生模糊，特别在边沿和细节处，邻域越大，模糊越厉害。为了减少这种效应，可以采用阈值法，也就是形成平滑图像。 (),(1),( ),(),(1),( 3中 一些点和他们邻值的差值不超过规定的 保留这些点的像素灰度值。这样平滑后的图像比邻域平均法模糊程度减少。当某些点的灰度值与各邻点灰度的均值差别较大时，它必然是噪声，则取其邻域平均值作为该点的灰度值，它的平滑效果仍然是很好的。 （ 2）中值滤波 中值滤波是一种不同于卷积算法的非线性区域处理方法。它一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点灰度值的中值替代指定点 (一般是窗口的中心点 )的灰度值。对于奇数个元素，中值是 指按大小排序后，中间的数值；对于偶数个元素，中值是指排序后中间两个元素灰度值的平均值。因为区域中像素值发生随机突变的像素经排序后，将位于队首或队尾，因此取得的中问像素值是正常的像素值。所以，中值滤波可以有效地除去随机噪声，并得到较好的视觉效果。并且由于它在实际运算过程中并不需要图像的统计特征，所以比较方便。在一定的条件下，中值滤波可以克服线性滤波器所带来的图像细节模糊，而且对虑除脉冲干扰及图像扫描噪声最有效。 （ 3）空间域低通滤波 从信号频谱分析的知识，我们知道信号的慢变部分在频率域属于低频部分，而信号的快 变部分在频率域是高频部分。对图像来说，它的边缘以及噪声干扰的频率分量都处于空间频率域较高的部分，因此可以采用低通滤波的方法来去除噪声，而频域的滤波又很容易从空间域的卷积来实现，为此只要适当地设计空间域系统的单位冲击响应矩阵就可以达到虑除噪声的效果。 （ 4）频域低通滤波 这是一种频域滤波法，对于一幅图像，它的边缘、跳跃部分以及噪声都代表图像的高频分量，而大面积的背景区和慢变部分则代表图像的低频分量，用频域低通滤波法除去其中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 13 高频分量就能去掉噪声，从而使图像得到平滑。常用的几种低通滤波法包括： 1)理想低通滤波器 (2)巴特沃思低通滤波器 (3)指数滤波器 (4)梯形滤波器 (本章中我们主要介绍了三大部分：检测系统组成和探伤数据显示、探伤图像的处理及探伤数据的分析。第一部分中我们首先介绍了超声波检测系统的组成和探伤数据的显示方式，并对实验所采用的 扫描的具体实现过程进行了详细的叙述。然后，针对探伤数据的存储格式和显示图像的绘制方法，我们介绍了具体使用的 操作函数。第二部分中我们又分两部分展开论述。首先介绍了几种常用的图像处理滤波算法，并对其优缺点进行了比较分析。然 后，在第一部分，我们对实验测量数据及现场测量数据进行了分析，用事实证明了该检测设备的可靠性和检测精度。 4 系统的硬件设计 如图 4示，超声波检测系统由定时器、控制系统、超声波接收发射装置、显示器等组成。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。 从而测出发射和接收回波的时间差 T，然后求出距离 S=2，式中的 C 为超声波波速。在常温下，空气中的声速约为 340m s。由于超声波也是一种声波，其传播速度 C 与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。因本系统测距精度要求很高，所以通过对温度的检测对超声波的传播速度加以校正。超声波传播速度确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 图 4超声波测距原理框图 定时器 控制 显示器 调制器 计时器 振荡器 接收检测 超声波发射器 超声波接收器 石油钻杆接头超声波检测方法研究 14 片机系统及显示电路 片 744同相三态缓冲器 /线驱动器，其 4用在单片机 为单片机的输入输出数据缓冲器，在选通时输入数据送到总线上，在非选通时对总线呈高阻态。 位共阳极 码管 管脚顺序：从数码管的正面观看，以第一脚为起点，引脚的顺序是逆时针方向排列。12 图 474脚功能图 图 4四位共阳 码管内部连接图 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 15 片机系统及显示电路 单片机采用 89用 12精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。 单片机用 口输出超声波转化器所需的 40波信号，利用外中断 0 口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 4位共阳 码用74码用 极管驱动。单片机系统及显示电路如下图 4示： 声波发射电路 超声波发射电路原理图如图 4射电路主要由反向器 74超声波换能器构成，单片机 0一路经两极反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻 11一方面可以提高反向器 74出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。 图 4单片机及显示电路原理图 石油钻杆接头超声波检测方法研究 16 声波换能器 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如图4示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间没有外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，使机械能转换为电信号， 这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 图 4超声波转化装置图 图 4超声波发射电路原理图 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 17 片 744 6 非门 (反相器 )它 的工作电压 5V， 它 的内部含有 6 个 相器， 74 变成 0，平时在使用中请注意不要芯片的管脚顺序搞错了，下面是芯片的管脚图 ： 4 3 超声波检测接收电路 声波检测接收电路 集成电路 一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外 遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38测距的超声波频率 40为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图 4验证明用 收超声波（无信号时输出高电平），具有