石油钻杆接头超声波检测方法研究【研究类】【无图】
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石油钻杆接头超声波检测方法研究
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石油钻杆接头超声波检测方法研究论文.doc
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目 录
摘 要1
1 绪论1
1.1 超声波检测的概要1
1.2 国内外研究现状1
1.3 本论文的主要工作2
2 超声波检测的基本原理2
2.1 超声波传感器2
2.2超声波探伤基本方法3
2.3 超声波检测的常用方法5
3 系统组成7
3.1超声波检测技术7
3.2检测系统的组成8
3.3 数据显示方法9
3.4探伤数据的显示10
3.5 探伤图像处理及滤波算法11
4 系统的硬件设计13
4.1 单片机系统及显示电路14
4.1.1 芯片74LS24414
4.1.2 四位共阳极LED数码管14
4.1.3 单片机系统及显示电路15
4.2 超声波发射电路15
4.2.1 超声波换能器16
4.2.2 芯片74LS0417
4.3 超声波检测接收电路17
4.3.1 超声波检测接收电路17
4.3.2 芯片CX20106A18
5 系统的设计19
5.1 主函数21
5.2 超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
6.1元器件的焊接23
6.2 电路调试与分析23
7结语24
参考文献25
致 谢26
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；A扫描；B扫描
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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；A 扫描；B 扫描AbstractOil drill pipe joints is one of the specially designed components for oil exploration. In order to ensure safe use in underground, the connector does not allow more than the standard defects. Therefore, an indispensable component in the defect detection has become for the production of oil drill pipe joints. Ultrasonic testing is one of the main methods used in defect detection of drill pipe joints.As the drill pipe joint of complex shape, high specifications: at the same time from the use of security considerations, and must be on the transverse and longitudinal defects were 100% flaw, therefore, on drill pipe joints by ultrasonic detection with a certain degree of difficulty. In practical production, mostly by manual inspection methods were detected; and manual testing in low production efficiency, difficult issues such as the inspection quality. Therefore, this paper developed a suitable for practical production of drill pipe ultrasonic automatic test system, it is to ensure the safe use of drill pipe joint has important significance.This paper is mainly divided into four parts to discuss the petroleum drill rod joint of ultrasonic detection method research.The second part introduces the ultrasonic detection system and the testing data is displayed, and the commonly used digital image processing methods are introduced briefly; then the actual testing data, according to the system flaw characteristic, put forward the effective image processing and defect extraction method.The third part introduces the testing system application, on the system to realize the automatic flaw detection of the overall process of the general description.The fourth part of the device s overall effect to make objective evaluation, and the future of its application and improvement measures are discussed.The paper from the actual project, solving the joint detection difficulties, finally realizes the automatic, efficient detection of drill pipe joint. the system improvement program.Key words：Petroleum drill rod joint; probe; the probe bracket; image processing; A scanning; B scanning目 录摘 要 .11 绪论 .11.1 超声波检测的概要.11.2 国内外研究现状.11.3 本论文的主要工作.22 超声波检测的基本原理 .22.1 超声波传感器.22.2 超声波探伤基本方法 .32.3 超声波检测的常用方法.53 系统组成 .73.1 超声波检测技术 .73.2 检测系统的组成 .83.3 数据显示方法.93.4 探伤数据的显示 .103.5 探伤图像处理及滤波算法.114 系统的硬件设计 .134.1 单片机系统及显示电路.144.1.1 芯片 74LS244 .144.1.2 四位共阳极 LED 数码管.144.1.3 单片机系统及显示电路.154.2 超声波发射电路.154.2.1 超声波换能器.164.2.2 芯片 74LS04 .174.3 超声波检测接收电路.174.3.1 超声波检测接收电路.174.3.2 芯片 CX20106A .185 系统的设计 .195.1 主函数.215.2 超声波发生子函数和超声波接收中断函数.226 软硬件调试及性能.236.1 元器件的焊接 .236.2 电路调试与分析.237 结语.24参考文献 .25致 谢 .26石油钻杆接头超声波检测方法研究01 绪论1.1 超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 36CrNiM04，国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。1.2 国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。由于中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文1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。1.3 本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2.1 超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2020000Hz。当声波的振动频率大于 20KHz 或小于 20Hz 时，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。石油钻杆接头超声波检测方法研究22.2 超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2-1图 2-1 平行于管轴的径向缺陷的探测方法对于小径管的探伤，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 2-121sin11ClCl式中 Cl1-入射纵波在第一介质中的声速，Cl2-折射纵波在钢管的声速中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文3图 2-2 探伤入射角范围同时，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： 2-2Rr1sin入射角必须满足： 2-3)1(sin12RCtrCl式中，Cl1-入射纵波在第一介质中的声速；Cl2-折射纵波在钢管中的声速。Ct折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： 2-4)1(sin21sin11RCtrClClCl 2-5)21 (21ClCDtt石油钻杆接头超声波检测方法研究4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 t 和外径 D 之比必须小于 05(1-Ct/Cl2)对于钢管而言， （t/D0.22)实际探伤中，一般认为，管材横波探伤的 t/D 值最大不得超过 20。2.3 超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 2-3 图所示。图 2-3 超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 40mm以上管材的一般探伤。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穿透法探伤 反射法探伤中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文5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，从而使探伤技术达不到应有的标准。图 2-4 接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 GBT57771996 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 10mm 左右的管材。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。石油钻杆接头超声波检测方法研究6超声波接收单片机控制器LED 显示和报警超声波发送扫描驱动图 3-1 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、LED 显示和报警及扫描驱动程序组成。具体的框图如图 3-1 所示：3.1 超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中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文7伤仪就是根据这个原理设计的。 脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是 A 扫描式的，所谓 A 扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵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 A 扫描式的，所谓 A 扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵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。3.2 检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(AD)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TCPflP协议，基于ClientServer(探伤机计算机)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。AD转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号，并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 AT89C51 和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 LED 数码管实时显示距离，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 3-2 图所示。石油钻杆接头超声波检测方法研究8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 3-2 超声波系统组成图3.3 数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)A扫描显示：是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)B扫描显示：是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)C扫描显示：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 3-3 超声波探伤数据显示方式中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文9(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、ALOK成像技术、衍射成像技术和SAFT成像技术等。本课题中，我们采用了A扫描和B扫描两种数据显示方式。由以上的介绍我们可以看出，A扫描图像接近于常见的示波器显示的图像，为大家所熟悉。而B扫描图像可以直接看出缺陷在整个探测面上的分布情况，比较直观。探伤过程中，检测数据以A扫描的方式进行采集。探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1mm进行一次数据采集，即采集一组A扫描图像数据。这样，就能得到整个工件轴向的所有A扫描图像数据。同时，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A扫描图像数据信息的同时绘制B扫描图像。这样，当扫查结束的时候，B扫描图像也形成了。B扫描图像实际显示的是工件的纵截面。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char Data，其中，i代表所属的通道数(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)；J代表对应B扫描的横坐标值，k代表对应B扫描的纵坐标值，Data数值本身代表此(j，k)位置点对应信号的幅值大小，在B扫描图像中，它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RST格式存储成文件供显示时使用。3.4 探伤数据的显示图3-4 探伤数据显示操作界面图3-4所示的是数据显示操作界面，其中与数据显示有关的控件是按钮“打开， “B扫描显示比例”和“A扫描显示比例” 。石油钻杆接头超声波检测方法研究10图3-5 探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。3.5 探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、B扫描成像图像)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vc+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。中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文11（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*N的阵列，滤波后的图像为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： 3-1),(),(1),(jijifMyxg式中的x,y=0，1，2，N-1，S是(x，y)点领域中心点坐标的集合，M是S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。 3-2snmnmfMyxg),(),(1),(TnmfMyxfsnm),(),(1),(式中T是一个规定的非负域值，当一些点和他们邻值的差值不超过规定的T域值时，仍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）频域低通滤波石油钻杆接头超声波检测方法研究12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(ILPF)2)巴特沃思低通滤波器(BLPF)3)指数滤波器(ELPF)4)梯形滤波器(TLPF)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A扫描和B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VC+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 4-1 所示，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=CT2，式中的 C 为超声波波速。在常温下，空气中的声速约为 340ms。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 4-1 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中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文134.1 单片机系统及显示电路4.1.1 芯片 74LS24474LS244 是 TTL 八同相三态缓冲器/线驱动器，其 CMOS 器件对应为 74HC244,常用在单片机 MCU 系统中，作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。 4.1.2 四位共阳极 LED 数码管管脚顺序：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。12-9-8-6 四个脚为公共引脚，A-11，B-7，C-4，D-2，E-1，F-10，G-5，DP-3。图 4-2 74LS244 引脚功能图图 4-3 四位共阳 LED 数码管内部连接图石油钻杆接头超声波检测方法研究144.1.3 单片机系统及显示电路单片机采用 89S51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波转化器所需的 40KHz 方波信号，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 LED 数码管，段码用 74LS244 驱动，位码用 PNP 三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图 4-4 所示：4.2 超声波发射电路超声波发射电路原理图如图 4-5 所示。发射电路主要由反向器 74LS04 和超声波换能器构成，单片机 P1.0 端口输出的 40KHZ 方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另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 R10 和 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 输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 4-4 单片机及显示电路原理图中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文154.2.1 超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4-6 所示，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 4-6 超声波转化装置图图 4-5 超声波发射电路原理图石油钻杆接头超声波检测方法研究164.2.2 芯片 74LS0474LS04 是 6 非门(反相器)它的工作电压 5V，它的内部含有 6 个 coms 反相器，74LS04 的作用就是反相把 1 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：43 超声波检测接收电路4.3.1 超声波检测接收电路集成电路 CX20106A 是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 38KHZ 与测距的超声波频率 40KHZ 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图 4-8。实验证明用 CX20106A 接收超声波（无信号时输出高电平） ，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容 C4 的大小可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。图 4-7 74LS04 管脚图中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文174.3.2 芯片 CX20106A其中图 4-9、4-10、4-11 分别为芯片 CX20106A 的外观图、引脚功能图以及 A、B、C、D四点的波形图图 4-8 超声波接收电路图 图 4-9 CX20106A 外观图石油钻杆接头超声波检测方法研究18表 4.1 CX20106A 引脚功能表引脚号引脚功能1超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40k。2该脚与地之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻 R1 或减小 C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C1 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为 R1=4.7，C1=1F。3该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4接地端。5该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取 R=200k 时，f042kHz，若取 R=220k，则中心频率 f038kHz。6该脚与地之间接一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为 22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8电源正极，4.55V。图 4-10 CX20106A 引脚功能图图 4-11 CX20106A 的 A、B、C、D 点的波图中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文195 系统的设计超声波检测的软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。由于 C 语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序具有较高的效率并且容易精确计算。程序和超声波接收中断程序逐一介绍。图 5.1 示意了超声波测量钻杆的原理，即超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器 R 接收到，此时只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式为： 5-12)(2tcsd其中，d 为被测物与测距离器的距离；s 为声波往返的路程；c 为声速；t 为声波往返所用的时间。由于超声波也是一种声波，其速度 c 与温度有关，表 5.1 列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以教正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。超声波测距仪图 5-1 超声波测距原理图表 5.1 不同温度下超声波声速表温度/c-30-20-100102030100声速（m/s）313319325323338344349386石油钻杆接头超声波检测方法研究205.1 主函数主函数程序首先是对系统环境初始化，设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时计数器模式，置位总中断允许位 EA 并将显示端口 P0 和 P2 清零。然后调用超声波发射子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时 0.1ms（这也是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断 0 接收返回的超声波信号。由于采用的是 12MHz 的晶振，计数器每计一个数就是 1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器 T0 中的数（即超声波往返所用的时间）按上式计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时取 20时的声速 344m/s，则有 5-200172210000C TTdcm其中：T0为计数器 T0 的计数值。测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式送往 LED 显示约 0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用 C 语言编写。图 5.2为主函数程序流程图。 开始系统初始化系统初始化发送超声波脉冲等待反射超声波计算距离显示报警图 5-2 主函数流程图 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文215.2 超声波发生子函数和超声波接收中断函数超声波发生子函数的作用是通过 P1.0 端口发送 2 个左右超声波脉冲信号（频率约为40KHz 的方波） ，脉冲的宽度为 10us 左右，同时把计数器 T0 打开进行计时。超声波发生子函数比较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程。超声波测距器主函数利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 INT0 引脚出现低电平） ，立即进入中断函数。进入该中断后就立即关闭计时器 T0停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。若计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距成功标志字赋值 2 以表示本次测距不成功。 图 (a) 主程序流程图 图 (b) 定时中断子程序图 (c) 外部中断子程序图 5-3 程序流程图外部中断入口关外部中断读取时间值计算距离结果输出开外部中断返回开始单片机初始化定时中断子程序有回波吗？外部中断子程序NY定时中断入口定时器初始化发射超声波三方向均发射完否？停止发射返回NY石油钻杆接头超声波检测方法研究226 软硬件调试及性能6.1 元器件的焊接焊接是制造电子产品的重要环节之一，如果没有相应的工艺质量保证，任何一个设计精良的电子装置都难以达到设计指标。对焊点的基本要求：（1）可靠的电气连接，焊接是电子线路从物理上实现电气连接的主要手段，锡焊连接不是靠压力而是靠焊接过程形成的牢固连接的合金层到达电气连接的目的。（2）足够的机械强度，焊接不仅起到电气连接的作用，同时也是固定元器件，保证机械强度连接的手段。（3）光洁整齐的外观，良好的焊点要求焊料用量恰到好处，外表有金属光泽，没有粒尖，桥接等现象，并且不伤及导线的绝缘层及相邻元器件。6.2 电路调试与分析供电电路是否正常是系统能否正常工作的前提，因此首先对电源部分进行调试，接上电源，测得电源电压输出应该是 5V。并且测得 P1.0 口的输出信号频率接近 40 KHz，满足实际要求。超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器TCT40-10F1（T 发射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心频率为 40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容 C4 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为 770cm，测距仪最大误差不超过 1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。下图为超声波测距器测量的角度范围：超声波测距器60 度图 6-1 超声波测距器测量的角度范围中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文237 结语超声波检测技术目前已经比较成熟，工业项目中用的也较多。随着工业应用对钢管质量要求的提高，对管材检测实施的超声检测要求和技术也在不断提高。例如，传统无缝钢管探伤中，主要是对纵向缺陷的检测，而现在越来越多的应用需要探测横向缺陷和对钢管进行测厚。相应地，也在无缝钢管探伤的技术上，人们开始研究和使用一些新的技术。例如，环形探头阵列技术，相控阵技术等。这也是钻杆接头及其类似工件超声波探伤方法研究的方向。
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