（光学专业论文）环形阵列式超声波换能器的研究.pdf

中文摘要 摘要：近年来，为了满足社会生产和发展的需要，石油与化学工业、锅炉制 造业等领域越来越广泛地使用各种无缝钢管。用于制造无缝钢管的材料中不可避 免的存在夹渣及材质疏松，使成型后的钢管表面与内部出现裂纹或折叠等缺陷， 形成安全隐患。因此，对无缝钢管进行无损检测已成为其生产过程中必不可少的 环节。超声波检测技术是应用于无缝钢管无损探伤的主要方法之一。 无缝钢管的超声波检测已有比较成熟的技术，但小径薄壁管材的超声波检测 技术在换能器环节仍有很多不足之处。为此，本课题研制了环形阵列式超声波换 能器，它对提高无缝管材的自动化探伤效率具有显著效果。 论文分三部分讨论了基于环形阵列式超声波换能器的无缝管材检测方法。 第一部分首先阐述超声波管材探伤的一般方法，继而分析找出其中一部分有 待于改良的方面，逐步提出解决问题的特殊方法。 第二部分选定r 5 05 p 斜入射柱面声透镜聚焦探头来组成换能器阵。首先分析 了无缝管材水浸法探伤中，声透镜探头的工艺参数确定原则；然后从理论及实验 两方面讨论了r 5 0 探头的声场特性，明确了其功效。 第三部分首先使用r 5 0 探头对刻有人工标准伤的试块进行检测，并分析检测数 据，然后根据实验结果，归纳环形阵列式超声波换能器的具体组成方式，最后简 单介绍应用了该换能器阵的探伤系统。 图2 3 幅，表5 个，参考文献2 6 篇 关键词：超声波；水浸探头；环形阵列；无缝钢管；小口径 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，av a r i e t yo fs e a m l e s sp i p ea r ei n c r e a s i n g l yu s e di n f i e l d so fo i la n dc h e m i c a li n d u s t r y , b o i l e rm a n u f a c t u r e t h u ss a t i s f i e sn e e d so f d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o n t h em a t e r i a l su s e di nt h em a n u f a c t u r eo fs e a m l e s sp i p e i n e v i t a b l ye x i s t ss l a ga n dl o o s em a t e r i a lw h i c hm a y b eat h r e a tf o rs e c u r i t y i tb r i n g s f o r m i n gs t e e lt u b ec r a c k so rd e f e c t s b o t hi nt h es u r f a c ea n di n t e r n a l a sar e s u l t ， n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gf o rs e a m l e s ss t e e lt u b e sh a sb e c o m ea l le s s e n t i a ll i n ki nt h e p r o d u c t i o np r o c e s s u l t r a s o n i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h em a i nm e t h o d sf o r n o n d e s t r u c t i v et e s t i n go fs e a m l e s ss t e e lt u b e s t h e r ea r em o r ef u l l - b l o w nt e c h n o l o g i e si nu l t r a s o n i ct e s t i n go fs e a m l e s ss t e e lp i p e b u tt h et e c h n o l o g yf o rt h i n w a l l e dt u b eo fu l t r a s o n i ct e s ts t i l le x i s tm a n yd e f i c i e n c i e si n t h es u b j e c to fu l t r a s o u n dt r a n s d u c e r t h i sp a p e rm a d eaf o c u so nt h ed e v e l o p m e n to f r i n ga r r a yo f u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fs e a m l e s sp i p ea u t o m a t e d t e s t i n g f i r s t l y , g e n e r a lm e t h o d so fp i p eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o na r es t a t e da n dt h e nw e f i n do u ta r e a st h a tn e e dt ob ei m p r o v e da n dg r a d u a l l yr a i s e dt h es p e c i a lm e t h o dt os o l v e t h ep r o b l e m s s e c o n d l y , w ep u tf o r w a r dt h er 5 05 pp r o b et om a k eu pt h i sa r r a y w ea n a l y z et h e p r i n c i p l e so fd e c i d i n gt h ec r a i t w o r kp a r a m e t e ri nt h ew a t e ru l t r a s o n i ce x a m i n a t i o na n d t h e nd i s c u s st h ep r o p e r t i e so fs o u n df i e l do fr 5 0p r o b e t h u sm a k ec l e a ro fi t s e f f e c t i v e n e s sb o t hi nt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la s p e c t s t h i r d l y , w eu s e dt h er 5 0p r o b et o t e s tt h es a m p l ew i t ha r t i f i c i a ls t a n d a r d d i s f i g u r e m e n ta n dt h e na n a l y z et h et e s t i n gd a t a w ec o n c l u d et h es p e c i f i cc o m p o s i t i o n o ft h ea r r a yb a s e do nt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a tt h ee n do ft h ep a p e r , w eb r i e f l y i n t r o d u c et h ed e t e c t i o ns y s t e m sw i t ht h et r a n s d u c e ra r r a y k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ct e s t ；w a t e ru l t r a s o n i ce x a m i n a t i o np r o b e ；s e a m l e s s s t e e lt u b e s ；r i n g - a r r a y c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 e t 签字日期： 年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 3 6 致谢 本论文是在我的导师滕永平副教授的悉心指导下完成的，滕永平副教授严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来滕 永平老师对我的关心和指导。 赵中龄老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向赵中龄老师表示衷心的谢意。 吴迪师兄对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在为期两年半的学业及撰写论文期间，陈宁宁师兄、王科师姐对我论文中的 声场测量及探头覆盖角度等研究工作给予了热情帮助，熊文超师弟对我论文中声 压曲线图的绘制提供了大力协助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的爸爸妈妈，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 1 1 超声波检测技术概述 1引言 n d t 是无损检测的英文缩写( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) ，指对材料或工件实施一 种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测手段【i 】。 通过无损检测，能发现材料或工件内部和表面所存在的缺陷，能测量工件的 几何特征和尺寸，能测定材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。 n d t 包含了许多种已有效应用的方法，最常用的有：射线检测、超声检测、涡 流检测、磁粉检测、渗透检测、目视检测、泄漏检测、声发射检测、射线透视检 测等。 超声检测( u l t r a s o n i ct e s t i n g u t ) 是指用超声波来检测材料和工件、并以超 声检测仪作为显示方式的一种无损检测方法，利用超声波的众多特性( 如反射和 衍射) ，通过观察显示在超声检测仪上的有关超声波在被检材料或工件中发生的传 播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存在缺陷。从而在不破坏或不 损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。超声波检测技术是工 业无损检测技术中应用最为广泛的检测技术之一，也是无损检测领域中 应用和研究最为活跃的技术之一。 1 2 超声波检测常用方法及其原理 超声波具有众多与众不同的特性，如：声束指向性好( 能量集中) ；声压声强 大( 能量高) ，传播距离远；穿透能力强；在界面处会产生反射、透射( 或折射) 和波型转换，以及产生衍射等。 通常，根据所需处理的实际问题的不同，超声检测采用不同的技术： 教波源不同可分为：连续波、脉冲波； 按波型不同可分为：纵波、横波、表面波、板波、爬波； 按接收方式不同可分为：回波( 反射) 、穿透、共振； 按耦合方式不同可分为：接触法、液浸法； 按探头数不同可分为：单探头、双探头、多探头。 在超声波探伤中，由于使用的波型、发射和接收的方法、信号的显示方式、 探头与工件耦合的特点、工件形状和缺陷类型、实现探伤的手段等都不相同，所 以从不同的方面出发，就可以按不同的归纳方式进行分类。要想把探伤方法按一 种格式严格分类是不可能的。现仅将一些常用的金属超声波探伤方法综合归纳于 图1 1 。 连续波脉冲波 双探头单探头l l 上 共振法穿透法反射法 l 液浸法i 触法1li 同嘲l 斜角探 i 伤法jl 伤法 t卜 纵波横波 测厚及探测衰广泛虑探洲焊 测城槽 减较人川十材 缝及纵 蚀麓 的材料料内鄙波小易 及分层缺| ：；f 1 的发现的 性缺陷检褒缺陷 袭i 斫波 探测衷 哑及近 表层缺 陷 图1 1 常用超声波探伤方法的分类 1 2 1 脉冲反射法与穿透法 脉冲回波( 脉冲反射) 技术是超声检测中最常用的一种技术，其所用的超声 波是一种脉冲波，即波源振动持续时间很短( 通常是微秒数量级) 、仅在很短一段 时间内有振幅( 间歇发射) 的一种机械波动【2 】。 通常，脉冲回波超声检测的过程是：由超声检测仪( 亦称超声波探伤仪) 产 生脉冲电信号，输入到换能器上，激励换能器的压电晶片发射脉冲超声波：超声 波透射( 或折射) 进入被检材料或工件中，经过反射或衍射等传播变化，最终又 被换能器的压电晶片所接收，再转换成电信号，输送回超声检测仪显示出来；最 后，通过对显示屏进行观察，来分析和评价被检材料或工件的内部或表面质量。 脉冲反射法的优点是换能器只接触被检体的个面就能够进行探伤，探测灵 敏度高，缺陷可以定位。在垂直探伤时，主要利用纵波，斜射探伤时主要利用横 波。其缺点是存在盲区，检测近表面缺陷能力较差，当声柬轴线不垂直缺陷反射 面时容易漏检，由于需要往复传播，不利于高衰减材料的检测。 脉冲反射法如图1 2 所示，一般只用一个探头发射兼接收超声波。当工件完好 1r a ) 无缺陷 j r b ) 有小缺陷c ) 有人缺陷 图1 2 脉冲反射法 时，显示器上只有始波和底面回波出现。当工件中有小于声束截面的小缺陷时， 在始波和底波之间还有缺陷波出现。由缺陷波在时基轴上的位置可以确定缺陷在 工件中的位置，缺陷回波高度在某种程度上可以反映缺陷大小。有缺陷波时，底 波高度下降。当工件中有大于声束截面的大缺陷时，超声波声束全部被缺陷反射， 显示器上只有始波和缺陷波出现，底波消失。 由此可见，当使用脉冲反射法进行超声波检测时，对可能的缺陷大小的判定 以及选取具有合适声场的探头都是非常关键的工作。这些工作将在下文中有着具 体体现。 穿透法：由发射探头发射的超声波通过被检工件后被接收探头接收，在此过 程中根据超声波被缺陷散射等引起的衰减程度探测工件里的缺陷。当工件完好时， 可接收到较强的信号，当工件有小缺陷时，部分声能被反射，接收到较弱的信号。 当工件内有大缺陷将声能全部反射时，另一个探头完全接收不到超声信号。 穿透法的优点是几乎不存在盲区，声程衰减小。缺点是不能进行缺陷定位。 由于声波衍射现象的存在，检测灵敏度低，需要专用探头夹持装置以使两个探头 对准，操作不便，实际应用比较少。 本课题所用的探头全部为脉冲反射式。 1 2 2 直接接触法与液浸法 直接接触法是指探头直接与工件探测面接触的探伤方法，具有方便、灵活、 耦合层薄、声能损失小等优点，可利用各种波型进行检测。为使声能有效地传递， 一般在探头与被检工件间涂覆一层很薄的耦合剂。直接接触法的缺点是影响探伤 的因素难以控制，例如探头所加压力大小、耦合层后薄、接触面积大小等，加上 探头容易磨损，对工件表面粗糙度要求严，检测速度低，使其应用受到限制。 液浸法是使超声波在探头与工件之间通过一定距离的液体耦合剂传播进行探 伤的方法。因常用水作为耦合剂，又称水浸法。由于探头与工件不直接接触，适 用于检测表面粗糙的工件，既可以减少探头磨损，又能消除直接接触法中那些难 以控制的因素，同时也提高扫描速度，缩短检测时间，便于进行自动化探伤。此 外，探头对于工件的角度可以自由改变，加上采用聚焦声束，所以特别适用于曲 面工件的斜射探伤1 7 j 。 本课题研究的环形阵列式超声波换能器中的探头均为水浸声透镜聚焦探头。 1 3 旋转式管材超声波探伤方法 无缝钢管是机械、电力、石油、化工、航空、造船及其他重要工业部门大量 使用的一种金属材料，它一般是作为成品材料制成零部件直接应用到设备的关键 部位上。在无缝钢管制造中，由于材料中的夹杂或材质输送，使成形后的钢管表 4 面或内部产生裂纹和折叠等缺陷( 如图1 3 所示) ，存在安全隐患，尤其是高温 i i l 图1 3 管材中的常见缺陷 高压下使用的无缝钢管，质量要求高，需进行无损检测。为了向各工业部门提供 大量优质的管材，努力实现高速度自动化无损检测，是管材生产发展中一种必然 的趋势。近年来，管材的自动化无损检测技术获得很快发展，不少新方法新工艺 相继投入工业应用，尤其是管材自动超声波检测技术的发展更为显著。 管材自动化探伤的目的是为了改善操作条件，降低探伤人员的劳动强度和实 现高速探伤，提高声场效率，目前常用的方法有以下几种： 探头旋转式：此种设备形式是探头架本身为一个旋转体，探头架轴心与被测 管材轴心同心，探头架旋转，管材直线前进，穿过探头架，从而实现对管材的螺 旋形扫查( 图1 4b ) 。缺点是必备一套探头与探伤仪之间的电信号耦合装置。这不 仅使探测灵敏度有一定损失，而且增加了干扰信号的因素。 管材旋转式：此种设备形式是被测管材本身旋转前进，探头固定( 图1 4 a ) 或管子原地旋转，探头移动( 图1 4c ) ，从而实现对管材的螺旋形扫查。缺点是管 子旋转的传动机构比较复杂，管材高速旋转前进时，容易产生剧烈跳动，使探伤 无法进行。 本课题研究了环形阵列式超声波换能器，应用该换能器阵的探伤系统不仅较 好的解决了上述难题，而且大大提高了检测效率，降低了误检、漏检率，具体方 法将在后文中陆续阐述。 a 白 图1 4 管材水浸法探伤设备形式 a ) 管材旋转前进探头不动；b ) 管材直线前进探头旋转；c ) 管材旋转探头直线前进 6 2斜入射柱面声透镜线聚焦探头 超声波换能器，又称超声波探头，是实现电能和声能相互转换的一种器件。 在探伤过程中，由超声波探伤仪发射电路产生的超声频率的电震荡脉冲通过探头 转换成机械振动，以超声波的形式发射到被检工件中去；而后，被缺陷反射回来 的超声信号又由探头接受并通过探头转换成电信号，送入超声波探伤仪的放大器 进行放大，然后进行显示。因此，探头所起的作用是如何有效地使电能和声能之 间进行转换，在穿透式或单发单收式的超声波探伤中，伴随不同的目的，探头将 负有发射和接收等不同任务，而在脉冲反射式超声波探伤中，一个探头将同时附 有发射和接收的双重任务。 换能器是整个探伤系统中最为重要的一环，为了满足对各种工件的超声波探 伤要求，必须设计不同类型的探头，探头的各种参数与探伤方法的适合与否直接 影响探伤的成败。 2 1 各种类型的探头和用途 直探头是使超声波垂直入射被检体的探头，主要用来发射和接收纵波，所以 也称纵波探头。直探头被广泛用于锻件、铸件、板材等的探伤。 斜探头是使超声波倾斜入射被检体的探头，主要用来发射和接收横波，所以 也叫横波探头。斜探头主要用于焊缝、管材等的探伤。 可以改变入射角的探头称为可变角探头，它可以在工件内产生纵波、横波、 表面波和板波。可变角探头是板波探伤不可缺少的探头。 两块晶片装在同一探头里，一个晶片用来发射另一个晶片用来接收的探头称 为双晶片探头，又称分割式探头或组合式探头。双晶直探头常在晶片下方装有延 迟块，使超声波延迟一段时间后射入工件，可检测近表面缺陷，常用于薄工件检 测和测量厚度。 能将超声波汇聚成细束状( 线状或点状) 的探头称为聚焦探头。把压电晶片 做成凹面状，在工艺上比较困难，灵活性较差，因此大多采用加声透镜的方法。 一般聚焦探头多在水浸法中使用。点聚焦探头灵敏度高，但探伤速度慢；线聚焦 探头灵敏度低一些，但扫查速度快。图2 1 为斜入射线聚焦探头的基本结构图。 7 j e 基窑丝盘堂亟坐位垃奎赶牡挂叵童透镜缝塞盏拯选 _ | ； 、 声透 镜 阻尼 块 压电 晶片 图2i 斜入射柱面卢透镜线聚焦探头结构 2 ，2 超声波的发射和接收 产生超声波的方法有很多，如热学法、力学法、静电法、电磁法、电动法、 磁致伸缩法、激光法以及压电法等等。目前在超声波探伤中应用得最普遍的方法 是压电法，而在高温探伤方面电磁法有很大的优越性。 有些单晶体和多晶陶瓷材料在受到应力时能在材料中产生电场这种效应称 为压电效应，具有这种性能的材料成为压电材科。 压电材料不仅具有压电效应，而且具有逆压电效应。所谓逆压电效应是指这 类材料在电场的作用下将发生变形。如果对这类材料施加交变电压，那么它将发 生交替的压缩和拉仲。山此而产生振动。振动的频率与所施加的交变电压的频率 相同，若所旌加的电频率订：超声波频率范啊内，则产的振动是超声频的振动。 如果把这种振动耦合到弹性介质中去，那么在弹性介质中传播的波即为超声波。 2 3 声透镜聚焦探头概述 把平面活塞压电换能元件与平面球面( 或圆柱面) 声透镜胶合，构成球面( 或 圆柱面) 折射面，发射的声波经过折射可形成球面( 或柱面) 会聚的波阵面。 图2 2 曲面换能器有源自聚焦型探头几何参数 这种探头系用部分球壳或圆管形压电元件作为换能元件，如图2 2 所示，其几 何焦距等于元件的曲率半径，即f = r ；波阵面的开角，由换能器的半孔径a 和 几何焦距f 决定； m = a r c s i n ( a 汴、) 当波阵面开角o ) 。时，焦点区域内的声压分布可由下列积分表示：m 3 0 p ( x ，r ) = k f p or e i k x e 一厶( b s i n c o ) s i n t o d t o ( 2 1 ) 式中：p ( x ，) 声场中点( x ，) 处的声压( p a ) ； 岛压电元件表面的波阵面上的声压( p a ) ； 五煤质中的声波长( m ) ； 以零阶贝塞尔函数； 国角坐标( r a d ) 。 焦点处的声压办与压电元件表面声压岛之比尺，称为波阵面放大系数： k p = p s p o = k f ( 1 一e o s o j ) = s 旯f = k h ( 2 2 ) 式中：s 波阵面的面积，s = 2 n f 2 ( 1 一e o s c o , ) ( m 2 ) ； 9 乃焦点上的声压( p a ) ； h 曲面的深度( m ) 。 焦点平面上的声压分布为 州乃掣地掣i 式中以为一阶贝塞尔函数，x = o - c o 。 焦点平面上的径向声压分布如图2 3 所示。 在p ( r o ) = o 处，r o = 0 6 1 f x a ； 在= o 1 p ：处，- - 0 5 4 f 2 a 。 ( 2 3 ) 图2 3 球面波阵面聚焦的焦平面上径向声压分布曲线 事实上，声轴上声压最大值出现在声焦距c 。所决定的声焦点上，而不是几何 焦距f 决定的几何焦点上。 声焦距e 。与几何焦距f 之问的关系式如下： 当k 。1 l 或h 1 7 5 1 时， ( f c 。) f 一1 2 k ，2( 2 4 ) 当1 1 k 。 8 或1 7 5 2 h 1 2 7 2 时 等= 【等- o 6 3 5 ( 等) 2 + 0 2 1 2 8 ( - - - 阜- ) 3 】 1 - 等】 ( 2 5 ) i o 式中：t o = a 2 2 , 为半径a 的平面活塞探头的近场长度。 焦点区域沿声轴的长度范围用下式计算： a x = 2 2 ( 1 一c o s o ) , n ) = 2 f 2 h( 2 6 ) f t o 和c 毛的关系如图2 4 所示。不难看出，声焦距的极限值为近场区长度 的9 0 ，且只有在几何焦距为近场区长度的2 倍以内时，才能有效地通过改变透 镜曲率半径影响声焦距。同时： 1 声焦点并非不占空间的集合点，而是近似圆柱体，若晶片半径为口，则 相对轴上声压下降6 d b 处的圆柱体即焦柱直径为 d r 扭= o 7 1 生( 2 7 ) “ 圆柱体长度近似为 2 d ，i a (28)d1z 一 、， 2 鉴于折声材料的声阻抗率显著低于晶片相应参数，应在二者之间插入 2 4 匹配层，以提高探头灵敏度和轴向分辨力。 3 在凹透镜情况下，其中心最薄处应取为2 4 厚，按匹配层概念处理，当 比按2 2 取值有更好的灵敏度和轴向分辨力。 图2 4 f 乇与c l o 的关系曲线 2 4 小径薄壁无缝管材探伤换能器参数 根据1 2 2 及上述介绍，直接接触法是将平面的声束投射到曲面上，声束各点 的入射角差别较大，使管内折射波型较为复杂，所以必将导致探测灵敏度降低和 增大内外壁探测灵敏度的差别，且曲率半径越小，此种现象越严重，因此，接触 法只适用于直径为4 0 毫米以上管材的一般探伤，而不适用于小口径管材的自动化 探伤和高精度探伤，故本论文着重介绍管材的水浸法探伤。 由于平面声束投射于管材表面时，因曲面的反射不仅在管子外壁产生声能的 大量损耗，而且折射横波在管内也将由于折射时发散而使声能衰减，这对探伤是 十分不利的。因此水浸法一般都采用聚焦探头，它可使传入管材的横波波束汇聚， 能量集中，从而提高探伤灵敏度。 水浸法探伤时以横波为主，利用纵波倾斜入射时在两种介质界面发生折射和 波型转换的原理来实现。用特制的纵波探头，使其偏离管子中心入射，因而在水 与管材的交界面产生折射和波型转换，当探头和管材配置的适当时，便可在管中 激发出纯横波。 l i 图2 5 管材探伤入射角范围 1 2 2 4 1 入射角窗口 入射角确定的原则见图2 5 。 为了使折射纵波厶不进入管内，以使仪器荧光屏上不出现折射纵波的缺陷反 射讯号，则要求纵波折射角厦。9 0 。，即要求： 嵋s i n 一挚( 2 9 )ln、 ， l - l 2 式中声束入射角； g 水中纵波声速； g ，管中纵波声速。 同时为了探测管内壁缺陷，折射横波必须投射到管内壁上，因此水中纵波入 射角还必须使折射横波的折射角满足：这时的入射角为管材中得到纯粹横波，即 纵波全反射的入射角，称为第一临界角。 展 3 0 0 v 负尖艨冲 下降时间 5 0 0 0 h z l 增蕴范潮 2 0d b 褒减、6 0 d bj 蚣。步长l d b l l 频怡宽度 o 5 m h z - 1 5 m h z ( 一3 d b ) ，可选o 0 1m h z - 2 3m h z ( 3 d b ) l l 噪声9 6 u v 蝴( 6 0 d b 增益全颁带宽) l 聚样频率 8 0 m h zt 8 位分辫率) l 数獬缓存 1 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8k b 软件设置 l 数獬传输最离速度5 m 眺支持数掘直接读取 l i 编舻5 汁数器3 轴a b 桕( 每轴1 6 位)l i 接插件g 5 ：发射，接收，9 针接口：编码计数绍号l l 功率 9w l 板卡尺寸 1 7 5 x1 0 2 x1 8 m m ( 不台接插件) | 扫描器尺寸 5 5 0x4 0 0x4 0 0 嗍 ； ； 扫描范嘲 3 5 0 x 2 8 0 m m l ； 扫掐镑噬 x 轴：o 0 2i t b l l _ y 轴：o 0 1m m | l 操作系统 i w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p l 2 4 表3 内伤波实验数据分析： 增益( d b )回波位置( u s )水声程( m m )覆盖角度 同波幅度( ) a 3 l4 4 5 l1 769 2 b4 0 6 0 7 018 1 09 6 c4 5 5 9 5 9 2 01 0 9 8 d 4 79 6 7 6 2 1 58 6 不难看出，a 与d 的实验结果对探伤大大不利，其中d 管不仅没有达到预想 的覆盖角度，甚至对增益的要求也相对较高，严重的影响了探伤灵敏度。故此， 采取是探头对称轴偏离管材( 5 r a m ) 入射的方法进行测量，尝试结果显示，情况大有 改观。 需要特别注意的是，其中d 管之所以测量数据不好，和其壁厚与外径之比大 于o 2 2 的临界值有关，这种情况下已经无法产生纯横波。 图3 2 调整后的探头位置 能量衰减的原因分析【2 5 ：我们通过实验，直观地发现了缺陷波波幅递减严重 的情况。从理论上分析，水浸超声波探伤中，声波在管壁内传播的能量衰减是很 严重的，因为水的声特性阻抗远小于钢，故声波从水向钢和从钢向水的反复透射 率很小；又因为声波在管壁内锯齿形传播时，每次反射都伴随波型转换，而在水 中转换成的超声波纵波又完全被水吸收，这就更显著地增大了超声衰减，也就是 说，无缝钢管水浸超声波探伤时大部分声能都被损耗了。可以证明，若钢管外表 面浸水( 内孔为空气) ，用水浸法探伤缺陷回波信号要比接触法低4 d b ，若钢管内孔 也充水，则缺陷回波信号要低6 d b ，由于实验室条件所限，无法得到足够强的伤波 是不必担心的，实际探伤中通常采取喷水法或水膜法进行耦合，也就是上述所说 的管材中心孔中无水。 表4 内伤波实验数据： 增益( d b )回波位置( u s ) 水声程( m m )覆盖角度 回波幅度( ) a2 11 0 3 43 01 07 3 b2 41 0 3 1 74 31 0 7 3 c3 01 0 9 2 34 61 57 7 d3 41 1 0 4 94 43 04 9 表5 外伤波实验数据： 增益( d b )同波位置( u s ) 水声程( m m ) 覆盖角度 回波幅度( ) a1 81 1 1 0 83 01 59 4 b2 11 0 9 9 54 31 57 3 c2 61 1 6 1 64 62 09 3 d2 31 1 7 0 84 43 56 6 由此可见，探头轴心与管材对称轴的小幅度错位( 5 r a m ) 是有必要的，不仅 提高了内伤灵敏度，也使内外伤的灵敏度趋于一致。 3 2 探头排列方式 若要实现对无缝钢管周向的全覆盖，至少需要7 2 个探头组成的探头组，而由 于水声程及管材半径的限制，不可能只用一个探头架，以a 管为例，探头镜片宽 度为3 0 m m ，晶片到管材中心距离为3 0 + 3 5 = 6 5 t u r n ，根据几何关系，此种情况下， 个探头架所能允许的最大探头数为1 3 个，所以拟定探伤系统需要3 个探头架， 每个探头架上1 2 个探头，每个探头对应一个通道，错位依次排放来满足探伤需求。 随着被检管材半径的减小，探头架的数量也随之减少，d 管只需要一个探头 架，1 2 个探头即可实现周向的全覆盖。 探头阵列与管材均不旋转，管材直线前进。 由于每个通道的探头与钢管轴线有小幅度错位，实际上从外观来看，探头的 排列程螺旋装围绕在被检钢管周围。如图3 4 所示。 3 3 探伤系统的硬件部分 图3 4 探头分布 探伤过程分为三个步骤【1 2 】： 1 被检测的无缝钢管自动上料 2 探伤时，被检测的无缝钢管匀速前进，其直线运动速度及螺距可调 3 对无缝钢管探测到的缺陷进行自动标伤，自动分选和自动下料 3 3 1 总体布局 根据探伤要求的具体情况，即灵敏度高，可靠性好，批量不太大，在超声探 伤方面采取被检管匀速前进，探头架与管均不旋转的扫查方案。被检管经水箱前 壁和后壁上与管径配合的圆孔穿过水箱，两个圆孔对被检管起定位作用。超声探 头固定在水箱的探头架上，对穿过水箱的钢管进行扫查，如果将水箱内的水排出， 把探头架上的超声探头取下换上涡流点探头，便可进行工件旋转的涡流探伤，上 述超声水浸聚焦探伤与点探头涡流探伤相结合的探伤线，简称超声涡旋线，超声 涡旋线由三部分组成： 第一部分是进料辊道与台架，辊道固定在台架上。 第二部分是水箱与台架，水箱内设有探头架。水箱固定在一个平台上，平台 下水平面内设有滑轨和丝杠机构，使得平台可以在水平面内与被检管垂直的方向 上前后移动，上述平台叫做水平移动平台。水平移动平台下面是一个可以上下移 动的垂直移动平台，垂直移动平台也是通过滑轨和丝杠机构来移动的。若管子的 移动方向称为左右，则水箱的水平移动是前后移动，水箱的第二个自由度是上下 移动。 第三部分是出料辊道与台架，其结构与进料辊道和台架完全一样。 图3 5 探伤系统机械结构 3 3 2 被检管传输机构 涡穿线的输送装置是带有“v 形凹槽的圆柱辊，固装在进料了出料传送装置 的台架上，在靠近探头的两个圆柱辊上面，各有一个用气缸带动的小压紧轮，目 的是防止管材在运行过程中发生振动。圆柱辊轴的一端装有一个齿形皮带轮，通 过齿形带和固装在台面下支座上的一个直流电动机输出轴联接，电机的动力经齿 形带传递至圆柱辊，带动圆柱辊转动，这样就带动了放在圆柱辊v 形槽内的被检 管向前移动，如图3 5 所示。 3 3 3超声板卡 探伤仪内有六块p c i 接口超声板卡，每块板卡支持1 2 个探伤通道。各个通道 独立实现超声波探头的激发和数据的接收。 3 3 4数据采集卡选取 超声波缺陷信号时基时间宽度一般为0 6 2 0 p s ，上升沿时间为1 0 4 0 n s ，为 了获得不失真的缺陷波采样信号，采样频率应大于2 倍激励换能器的频率。以 2 5 m h z 探头为例，一个高频周期为4 0 0 n s ，则激励2 5 m h z 换能器前沿应小于 l o o n s ，而一些频带较宽的探伤仪前沿时间己小于1 0 n s ，在这样窄脉冲宽度下工作， 采样频率应大于5 m h z ，如缺陷波信号持续时间为1g s ，则至少在一个缺陷波信 号时间内采样5 以上。但是实际上要高于激励频率1 0 倍及以上，才能保证采样波 形不畸变，不丢失峰值，即2 5 m h z 采样，即使这样也难保证峰值点不漏。由于过 高的数据采集将极大提高仪器的成本，促使许多新办法的出现，如：峰值保持器、 圈波检波后采集、随机采样保持值等都是确保峰值不漏，降低采样率的。本实验 采用8 0 m h z 数据采集卡。以超声缺陷回波上升沿1 0 0 n s 为例，假定回波峰是近似 直角三角波，按8 0 m 采样频率计算，图3 6 左右两种采集方式峰值点误差为1 2 5 n s ， 即1 2 5 1 0 0 = 1 2 5 波幅差，按分贝计算2 0 1 9 ( 1 0 0 8 7 5 ) = 1 2 d b 差。因此数据信号 采集速度及峰值采集点直接影响了超声波探伤仪的垂直线性，是数字化超声技术 一项重要指标。 2 9 图3 6 包含峰值的采样( 左) 和不包含峰值的采样( 右) 超声波探伤仪的发射电路产生高压( 负) 脉冲，激励超声波换能器产生高频振 荡，从而形成脉冲超声波，这种脉冲超声波信号经放大处理后，形成相当复杂的 检波脉冲信号。由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏至数伏，而示波 管全调制所需电压要几百伏，所以接收电路必须具有约1 0 5 的放大能力( 即1 0 0 d b ) 。 这种工作原理，使得模拟电路处理只能简单进行一些时域分析，而数字电路处理 就能进行频域、能量及相关数据等复杂过程。视频放大器在数字化处理上己被高 速a d 卡取代。当数字化数据存储之后，就可以利用数字信号处理技术实现对数据 的识别、滤波、时频分析、检测、调制、解调、均衡等。其目的都是为了滤除信 号的背景噪声干扰，削弱信号中的多余信息量，便于估计信号的特征参数，或变 换成易分析及易识别的形式。 3 4 探伤系统的设计及软件控制流程 为了解决检测系统中单机受限和电磁噪声干扰问题，系统需要采取网络传输 超声信号的方法，目的是将检测任务分开在两台甚至多台计算机中完成，计算机 间采用网络传输数据，可以提高检测效率，克服现场环境噪声的干扰。由于网络 系统将超声信号的采集和处理分开完成，超声系统取得了比一体机更快的处理速 度，提高了系统重复频率。这种方法可利用多台工控机组成通道数足够多的探伤 系统，并且因为无须对模拟信号进行放大传输处理，能够抑制现场电气设备对探 头信号的电磁干扰。网络系统利用前置计算机作为探伤机，将超声探头产生的检 测模拟信号直接转换为数字信号，通过网络传输到操作机，操作机再对数据进行 处理，得到检测结果。为了使操作机系统控制软件具有直观性，互动性和操作简 便性，系统软件设计在w i n d o w x p 下运行，程序的流程图如图3 7 所示： 图3 7 钢管超声扫描成像系统软件流程图 通过网络接口可将探伤机端超声信号采集模块与操作机端计算机设备相连， 在操作机端计算机中检测软件的控制下实现数字智能化超声检测。网络传输系统 的结构如图3 8 所示，主要包括3 个模块：探伤机数据采集与转换模块，操作机数 据处理与显示模块，网络数据传输与通信模块。探伤机由探头和检测设备组成， 检测得到模拟信号通过d 转换为数字信号，再进行简单的数据压缩处理工作后通 过网络传输至操作机，操作机再对数据进行进步的处理和成像等工作，工作流 程如图3 9 所示。网络系统使用服务器客户机的工作模式，利用t c p i p 协议进行传 输，达到扫描成像系统对数据传输的要求。 韭峦窑迪厶堂亟生也监塞墨堙堂珏显塑岜弦逸能墼臣 一一 控制与管理 一 # “e$ 屿首理n 柝监控输出设 l 。+ i 8 * 设 幽3 8 阿络 输系统的结构示意削 主控计算机检测计算机 开始l 网 、l 络 状杏显示l ) 数 据 、l 传 波形显示j ) 输 一 j ， c 图像显示l j p 、l p 结柬l一 蚓3 9 系统【作流b 示意目 4 总结与展望 本论文详细叙述了环形阵列式超声波换能器的组成及特性，以此为论据提出 了一种新的无缝钢管自动化探伤方法，探伤系统包含6 个环形换能器阵，7 2 个通 道。被检管材直线前进，探头阵列和被检管材均不旋转，实时的数据处理和a 扫 描、b 扫描显示。利用该探伤系统得到的人工伤结果表明该探伤系统基本达到了预 期的探伤目的。 ( 1 ) 该探伤系统实现了对直径2 5 7 0 m m 的薄壁无缝钢管管体的声场全覆 盖。 ( 2 )由于该探伤系统采用了管材及探头架均不旋转的方式，这对降低 随 动装置难度和保持探伤灵敏度的一致性有着很好的改善。耦合效果也 大大提高。 ( 3 ) 该探伤系统可以保证探伤速度达到3 0 m m i n ，要高于同类产品。 ( 4 ) 该探伤系统对人工伤的检测完全符合g b 5 7 7 7 1 9 9 6c 8 级标准，漏检率 为0 。 由于一种人工缺陷不足以满足不同类型缺陷的判伤需要，同时标准试块的材 质和