（测试计量技术及仪器专业论文）基于数字信号处理技术的钢轨超声检测系统的研究.pdf

摘要 铁路运输在我国的交通运输系统中占据着非常重要的地位，因此如何保证铁 路运输的安全是一个非常重要的课题。其中对铁路钢轨的定期检测是保证铁路运 行安全的重要保障之一。便携式的钢轨超声探伤仪是我国目前铁路钢轨检测的主 要手段。 本文在认真调研和深入分析的基础上，对现有的钢轨超声探伤仪所存在的难 以准确判断伤损的问题，研究开发了以d s p 为核心的数字式钢轨超声探伤仪。 它相比较旧式模拟探伤仪有很多优点：伤损判断更加准确；具有自动报警功能， 可以防止操作人员的人为失误；检测的结果可通过u s b 口或r s 2 3 2 口转存到计 算机中或其它的存储设备中，便于日后的进一步分析；可以在检测的过程中对采 集到的数据实时进行各种算法处理，实现更加强大的功能，使检泌更加准确；用 液晶屏显示代替传统的示波管显示，操作界面更加友好，显示内容更加丰富。从 而降低了人工劳动强度，大大提高检测的效率和准确性。 具体完成的工作有： ( 1 ) 本论文对超声检测理论与技术进行了仔细地研究，自行设计开发了以 d s p 和m c u 为核心的数字式钢轨超声探伤仪。系统由模拟电路和数字电路组成， 模拟电路完成超声的发射接收及信号的调理，数字电路完成信号处理和波形显示 等功能。 ( 2 ) 对超声波与钢轨中伤损的相互作用的机理进行了研究，对超声回波信 号进行了认真的分析，设计了回波抑制及增益补偿模型，并编制了软件，实验表 明模型对提高对伤损的判断准确度有重要的作用。 ( 3 ) 设计了一种新的数据采集压缩算法，将数据的采集和压缩有机的融合 到一起，在采集率为1 4 m 时，实现1 6 倍的压缩率，提高了有效信号的捕捉能 力，从而提高了检测的准确度。 ( 4 ) 最后对超声探伤仪的各项基本功能进行了验证，并且对整机进行了实 验，并且对实验结果及误差进行了分析。 关键词：钢轨超声探伤，回波，d s p ，m c u ，双口r a m a b s t r a c t r a i l a g et a k e sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h es y s t e mo ft r a f f i c ，s or e g u l a r l yt e s t i n gt h e r a i li so n eo fm a i nm e t h o d st og u a r a n t e et h es a f eo fr a i l a g e ap o r t a b l ei n s t r u m e n t w i mu l t r a s o n i ct od e t e c tt h er a i li st h em a i nm e a n su s e df o rt e s t i n gt h er a i l r o a di n c h i n an o w a d a y s t h i st y p eo fi n s t r u m e n ti sb a s e do na n a l o gt e c h n o l o g y i tc a no n l y p r o c e s st h ec o l l e c t e du l t r a s o n i cs i 嚣u ds i m p l e l ya n di sn o te a s yt ou s e t h ei n c o r r e c t r e s u l ti se a s i l yg o tb e c a u s eo p e r a t o r sc a no n l ye s t i m a t et h ef l a wi nt h er a i lb y w a t c h i n gt h eu l t r a s o n i cw a v e f o r mo nt h es c r e e n m o r e o v e rt h ef u n c t i o no f p r o c e s s i n g t h ed a t ao f t h i si n s t r u m e n ti sn o tv e r yg o o d t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r dan e wp r o j e c tt or e s o l v et h ed i s a d v a n t a g e so ft h e o l dt y p eo fi n s t r u m e n t i t sm a i ni d e ai st od e v e l o pan e w t y p eo fi n s t r u m e n tb a s e d o n s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，i tw i l lh a v em a n ya d v a n t a g e sc o n t r a s tt ot h e o l do n e s ， s u c ha sd e t e c t i o ni sm o r ep r e c i s i o n , c a l lg i v ea na l a r ma u t o m a t i c a l l yw h e nf m dt h e f l a wa n dc a l lp r e v e n tt h em i s t a k em a d eb yo p e r a t o r s ，t h ed a t ac a nb er e c o r d e dt o c o m p u t e ro ro t h e rm e m o r yf o rf u t u r ea n a l y s e ，c a nr e a l i z et h em o r ec o m p l i c a t e d f u n c t i o nw h e nd e t e c tt h er a i l ，u s el c dt oe n r i c ht h ec o n t e n td i s p l a y e d ，s oi ti se a s yt o l l s ea n dr a i s et h ee f f i c i e n c yo f d e t e c t i o n m a i nw o r k sh a v i n gb e e na c h i e v e da r ef o l l o w i n g ： 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fd e t e c t i o nu s e du l t r a s o n i cw a s d e t a i ls t u d i e d ，a n dak i n do fd i g i t a lp o r t a b l er a i ld e t e c t o rm a i n l yb a s e do nd s pa n d m c uw a sd e v e l o p e d t h es y s t e mw a sm a d eu po fa n a l o gc i r c u i ta n dd i g i t a lc i r c u i t t h ef u n c t i o no fa n a l o gc i r c u i tw a st oe m i ta n dr e c e i v et h eu l t r a s o n i c ，a d j u s tt h e r e c e i v e ds i g n a l ；t h ef u n c t i o no fd i g i t a lc i r c u i tw a st op r o c e s st h er e c e i v e ds i v aa n d d i s p l a yw a v e f o r m 2 t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nu l t r a s o n i ca n df l a wi nr a i lw a sr e s e a r c h e d ，t h eu l t r a s o n i c e c h ow a sa n a l y z e d t h em o d e lo fe c h or e s t r a i n i n ga n dg a i nc o m p e n s a t i o nw a s d e s i g n e d ；t h es o f t - w a r eo nt h eb a s i so ft h i sm o d e lw a sp r o g r a m m e d t h i sm o d e lw a s p r o v e dv e r ye f f e c t i v ef o ra c c u r a t ed e t e c t i n gt h ef l a wi nt h er a i lw i t he x p e r i m e n t s 3 an e wk i n do fc o l l e c ta n dc o m p r e s sa l g o r i t h mw a sd e s i g n e dc o m b i n i n gc o l l e c t w i t l lc o m p r e s s u pt os i xt i m e sc o m p r e s s i n gr a t i ow a sr e a l i z e dw h e nt h ec o l l e c t i o n r a t i ow a s1 4 m t h ea b i l i t yo fc a p t u r i n gt h ee f f e c t i v es i g n a la n dt h ea c c u r a c yo f d e t e c t i o nw a sr a i s e d 4 ，t h eb a s i cf u n c t i o n so ft h ed i g i t a lf l a wd e t e c t o rw i t hu l t r a s o n i cw a sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t s ，t h er e s u l to fe x p e r i m e n t sa n d e r r o rw e r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：r a i lf l a wd e t e c t i o nw h hu l t r a s o n i c ，e c h o ，d s p ，m c u ，d u a l p o r ts t a t i c r a m 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，也不包含为获得叁逮盘堂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： 王舜 签字日期： 文n f 年月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基洼盘堂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： 王勇 导师签名： 签字日期：矗m 芦年月日 签字日期：如婢1 月弓e l 第一章绪论 第一章绪论 现代工业的不断发展使得对物体内部缺陷的检测技术在国民经济发展中显 示出越来越重要的地位。超声无损检测技术随着计算机和微处理器技术、数字信 号处理技术及集成电路( i c ) 技术的发展，在几乎所有的工业和医疗部门得到了 广泛的应用。由此可见，超声无损检测技术的发展是提高我国工业企业经济利益， 推进我国工业化进程，发展生产力的重要技术手段。 本章内容简要介绍了超声无损检测的发展历史及发展现状，并结合国内外钢 轨超声检测技术的发展和存在的问题，提出了本课题的研究意义和主要内容。 1 1 超声检测技术的历史和发展现状 超声检测是指超声波在被检材料中传播时，根据材料中缺陷所显示的声学性 质对超声波传播的影响来检测其缺陷的方法。利用声波检测的方法在很早以前就 被人类所采纳，例如敲打物体听其声音来判断被检物体是否有损伤就是一种原始 的检测手段。钢轨的手工检查就是这种方法的沿袭。 而真正应用超声波进行检测是近半个世纪的事情，尤其在第二次世界大战爆 发后，超声波探伤技术得到了迅速发展。从1 9 3 6 年德国研制了穿透法探伤仪后， 美国、英国相继制成脉反射式探伤仪，法国利用声脉反射原理研制出声纳设备， 用于探测潜水艇。许多工业发达国家采用a 型脉冲反射式探伤仪进行钢铁、造 船和机械制造中的探伤。5 0 年代后期超声检测已在医疗领域内被广泛应用。随 后利用衰减器进行缺陷定量，对超声全息回波频谱的分析、焊缝缺陷的评估、数 字式探伤仪和成像技术都有了突破性的发展。 我国从5 0 年代开始引进超声探伤技术，4 0 多年来发展很快尤其在固体中缺 陷对声波散射理论研究上；在电磁超声、高温检测、表面波、板波探伤技术上； 在通用型、便携式、多通道和c 扫描成像探伤仪的开发应用上，达到了国际先 进水平。 近年来超声探伤技术对材料性能的检测和评价；电磁超声、激光超声、空气 耦合超声等非接触超声探伤技术的发展；高频超声对陶瓷材料、集成电路和低密 度芯片粘结材料的探测；以及采用微波处理技术，对超声波探伤仪进行自动选择 探测参数，校准操作工艺，判断检测结果，记录和存储检澳0 数据取得的显著进展； 使超声探伤技术进入了全新阶段。 超声探伤的主要优点有： 一、穿透能力强，可测厚度大，一般可达数米，是所有无损探伤方法中检测 天津大学硕士论文 厚度最大的。 二、检测灵敏度高，当一个存在于钢中的空气分层厚度为1 0 1 6 i n m 时，反射 率已有2 1 ，当厚度为1 0 。5 m m 时，反射率可达到9 4 ，其检测灵敏度居所有无 损检测方法之首。 三、可适用多种波形、各种探头作不同方向的探测，能探测出工件内部和表 面各种取向的缺陷。 四、指向性好，能方便、正确地对缺陷定位。随着成像技术的发展，缺陷的 定位、定量更加准确和直观。 五、检测速度快，费用低。即使手工操作，超声波探伤的速度也比其他方法 快，且无需防护和固定工作场所。实施时仅损耗少量电能和耦合剂。在计算机与 检测设备形成一体后，检测速度将大大领先于其它各种检测方法。 1 2 超声检测技术在钢轨检测中的应用 正是基于钢轨的自身的特点和超声探伤的种种优点，超声探伤被广泛应用在 铁路钢轨检测中。简单的说，钢轨的超声探伤是利用超声波原理，对钢轨的损伤 进行探测，探头发射出声波，遇到钢轨中的裂纹或焊缝之后会反射回来一定强度 的“回波”，回波经过处理，就可以得出被测钢轨是否有损伤、损伤程度及损伤 的位置。 钢轨探伤可用于检测刚生产出的钢轨中和已经安装在轨枕上的钢轨中的缺 陷。刚生产出的所有钢轨在通过生产线时都要接受超声波的检测。对于已安装使 用的钢轨缺陷检测，则使用探伤仪进行现场探伤。由于涉及到在正常运行期间安 全接近轨道、天气以及在各种情况下对复杂信号判断之类的实际困难，因此现场 作业中钢轨探伤是最复杂的一种作业。国内外钢轨现场检测有两种方法：一、检 测人员利用便携式超声渡探伤仪在轨道上步行探伤，这是传统的检测方法，通常 称为人工检测方法。二、将超声设备安装在车辆上，车辆在线路上运行时以相对 较高的速度检测轨道。 1 9 5 4 年l o 月铁道部率先引进瑞士m a t i s a 公司生产的以声响指示的共振式 探伤仪用于钢轨探伤，这是我国直用超声探伤技术的开端。随后国内有关院所开 始致力于探伤仪和探伤方法的研究。纵观我国钢轨超声探伤技术的发展，大体经 过了电子管一晶体管一集成化，即调频连续波一单通道脉冲反射波一多通道、多 功能的脉冲波的三个阶段。 耳前国内已有七家厂家进行钢轨超声探伤仪的生产，1 9 9 3 年国家颁发了多 通道a 型显示钢轨超声波探伤仪技术条件使我国的钢轨超声波探伤纳入了标 _ 无津大学硕士论文 厚度最大的。 二、检测灵敏度高，当一个存在于钢中的空气分层厚度为1 0 4 m m 时，反射 率已有2 1 ，当厚度为1 0 5 m m 时，反射率可达到9 4 ，其检测灵敏度居所有无 损检测方法之首。 三、可适用多种波形、各种探头作不同方向的探测，能探测出工件内部和表 面各种取向的缺陷。 四、指向性好，能方便、正确地对缺陷定位。随着成像技术的发展，缺陷的 定位、定量更加准确和直观。 五、检测速度快，费用低。即使手工操作，超声波探伤的速度也比其他方法 快，且无需防护和固定工作场所。实施时仅损耗少量电能和耦台剂。在计算机与 检测设备形成一体后，检测速度将大大领先于其它各种检测方法。 1 2 超声检测技术在钢轨检测中的应用 正是基于钢轨的自身的特点和超声探伤的种种优点，超声探伤被广泛应用在 铁路钢轨检测中。简单的说，钢轨的超声探伤是利用超声波原理，对钢轨的损伤 进行探测，探头发射出声波，遇到钢轨中的裂纹或焊缝之后会反射回来一定强度 的“回波”，回波经过处理，就可以得出被浏钢轨是否有损伤、损伤程度及损伤 的位置。 钢轨探伤可用于检测刚生产出的钢轨中和已经安装在轨枕上的钢轨中的缺 陷。刚生产出的所有钢轨在通过生产线时都要接受超声波的检测。对于已安装使 用的钢轨缺陷检测，则使用探伤仪进行现场探伤。由于涉及到在正常运行期阊安 全接近轨道、天气以及在各种情况下对复杂n g 判断之类的实际困难，因此现场 作业中钢轨探伤是最复杂的一种作业。国内外钢轨现场检测有两种方法：一、检 测人员利用便携式超声波探伤仪在轨道上步行探伤，这是传统的检测方法，通常 称为人工检测方法。二、将超声设备安装在车辆上，车辆在线路上运行时以相对 较高的速度检测轨道。 1 9 5 4 年1 0 月铁道部率先引进瑞士m a t i s a 公司生产的以声响指示的共振式 探伤仪用于钢轨探伤，这是我国应用超声探伤技术的开端。随后国内有关院所开 始致力于探伤仪和探伤方法的研究。纵观我国钢轨超声探伤技术的发展，大俸经 过了电子管一晶体管一集成化，即调频连续波一单通道脉冲反射波一多通道、多 功能的脉冲波的三个阶段。 目前国内已有七家厂家进行钢轨超声探伤仪的生产，1 9 9 3 年国家颁发了多 通道a 型显示钢轨超声波探伤仪技术条件使我国的钢轨超声波搽伤纳入了标 通道a 型显示钢轨超声波探伤仪技术条件使我国的钢轨超声波探伤纳入了标 第一章绪论 准化轨道。 随着1 9 8 9 年北京铁路局从澳大利亚引进首台钢轨探伤车，使我国的钢轨超 声探伤向着高速、自动化迈进。 1 3 本课题研究的意义和主要内容 铁路运输在我国的交通运输系统中占据着非常重要的地位，因此如何保证铁 路运输的安全是一个非常重要的课题，其中保证铁路钢轨的安全性是很重要的一 项。铁路钢轨由于气候原因而热胀冷缩或工作时间过长达到疲劳极限等原因，都 有可能使钢轨内部出现缝隙或伤损，这些伤损如果没有被及时发现，在列车经过 时就有可能发生钢轨断裂导致列车的脱轨，从而给国家和旅客的生命安全带来重 大损失。因此，国家每年都要定期对全国的铁路钢轨进行检测，以确保列车行进 的安全。 由于线路质量和线路繁忙程度不同，国内和国外的钢轨探伤方法有很大的区 别。国内以便携式钢轨超声探伤仪检测为主；国外则以大型钢轨探伤车为主，便 携式钢轨超声探伤仪为辅。因为欧美等国钢轨中的缺陷主要存在于钢轨轨头中 央，而我国钢轨的缺陷主要是由于夹杂和表面擦伤等引起的，都存在于轨头内侧。 因此，适合欧美等国的钢轨探伤工艺并不适合我国。另外，欧美等国的线路繁忙 程度要远远小于我国，有利于大型钢轨探伤车的检测。 现阶段，我国所使用的钢轨超声探伤仪还是模拟探伤仪或以单片机为核心的 简单数字化探伤仪，它存在着以下几个方面的问题： ( 1 ) 只能够对采集到的超声回波信号进行简单的处理，通过示波管显示回 波波形而且操作不方便。 ( 2 ) 检测结果受到操作人员主观因素影响较大，操作人员只能通过观察仪 器显示屏的波形来判断伤损，而且不能对采集到的数据进行进一步的处理。 ( 3 ) 更为重要的是国际施工检验标准规定，超声波检测必须有可靠和可信 的现场记录，而模拟钢轨超声探伤仪无法实现对检测结果的记录功能。 因此从提高施工质量、检验水平和管理水平，以及同国际接轨等方面考虑， 都有必要增加超声检测中的智能化处理和自动记录与报警的功能。 本文在认真调研和深入分析的基础上，对现有的钢轨超声探伤仪所存在的问 题提出了一种全新的解决方案。将以d s p 为核心的数字信号处理技术应用到钢 轨超声探伤仪中，开发出全新的数字式钢轨超声探伤仪。它相比较旧式模拟探伤 仪有很多优点： ( 1 ) 发现钢轨内部有伤损时具有自动报警功能，可以防止操作人员的人为 天津大学硕士论文 失误。 ( 2 ) 检测的结果可通过u s b 口或r s 2 3 2 口转存到计算机中或其它的存储 设备中，便于日后的进一步分析。 ( 3 ) 可以在检测的过程中对采集到的数据实时进行各种算法处理，实现更 加强大的处理功能，使检钡i 的结果更加准确。 ( 4 ) 用液晶屏显示代替传统的示波管显示，操作界面更加友好，显示内容 更加丰富，从而降低了人工劳动强度，大大提高检测的效率。 ( 5 ) 特有的抑制显示功能，可以将不必要的杂波滤去并生成模拟回波，使 超声回波波形简单明了，易于观察分析。 ( 6 ) 以d s p 算法程序为数据处理核心，日后升级可只对d s p 软件进行升 级而无需改动系统的硬件结构，从而大大节约成本。 完成本课题所需要具体完成的工作有： ( 1 ) 本论文对超声检测理论与技术进行了仔细地研究，自行设计开发了以 d s p 和m c u 为核心的数字式钢轨超声探伤仪。系统由模拟电路和数字电路组成， 模拟电路完成超声的发射接收及信号的调理，数字电路完成信号处理和波形显示 等功能。 ( 2 ) 对超声波与钢轨中伤损的相互作用的机理进行了研究，对超声回波信 号进行了认真的分析，设计了回波抑制及增益补偿模型，并编制了软件，实验表 明模型对提高对伤损的判断的准确度有重要的作用。 ( 3 ) 设计了一种新的数据采集压缩算法，将数据的采集和压缩有机的融合 到一起，在采集率为1 4 m 时，实现1 6 倍的压缩率，提高了有效信号的捕捉能 力，从而提高了检测的准确度。 ( 4 ) 最后对超声探伤仪的各项基本功能进行了验证，并且对整机进行了实 验，并且对实验结果及误差进行的分析。 第二章钢轨超声检测系统及工作原理 第二章钢轨超声检测系统及工作原理 本章主要对超声检测理论与技术进行了仔细地研究，包括超声检测的物理基 础，与超声波检测相关的各种物理量的定义和超声波在介质中的各种特性等。并 在此基础上介绍了超声波a 型显示钢轨探伤仪的工作原理，着重分析了超声检 测中缺陷的定位、定量和定性的方法。 2 1 超声检测技术检测机理 如果以频率，来表征声波，并以人的可感觉频率为分界线，可以把声波划分 为次声波( ， 2 0 k h z ) 。 原则上凡是能将其它形式能量转换成超声震动形式的能量都可以发生超声 波。如机械方法，热效应法，磁伸缩法和电磁声法。在超声探伤中利用最广的是 利用某些压电材料( 如石英，锆钛酸铅等) 的压电效应，来实现超声波的发射和 接收。 超声波是一种机械波，机械震动与波动是超声探伤的基础。在超声波检测中， 主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本理论和基本概念。如几何声学中的 反射、折射定律及物理声学中的叠加、干涉、绕射等。本章将结合课题中所涉及 到的钢轨超声探伤的应用，对相关理论做必要的阐述。 2 1 1 超声场的物理量 充满超声波的空间称为超声场。从物理学的观点来看，超声场是没有边界的， 但是被测对象都有一定的范围、尺寸和形状。因此我们主要研究距离辐射源有一 定距离或范围的超声场，并甩声压、声阻抗和声强几个物理量来描述。 1 声压p 声压是超声场中介质各点在交变振动时某一瞬间所受的附属压强，实质上是 附属压强n 和没有超声存在时的静态压强p 。之差。 介质中每一点的声压是一个随时间、距离而变化的物理量，声压的绝对值与 声速和频率成正比。就不同固体而言，声压因材料性质、密度( p ) 和声速( c ) 的差异也有所不同。 超声场中某一点的声压p 可以用公式( 2 - 1 ) 表示： p = n - p o = , o c a c a s i i l 【( f 一争】 公式( 2 - 1 ) 天津大学硕士论文 其中p 是介质密度，c 表示超声波在介质中传播的速度，a 是介质质点的振 幅，国是介质质点振动的角频率，z 是该点到波源的距离。又因为c o = 2 矿，所以 超声场中某一点的声压和超声波的频率成正比。 2 声阻抗z 介质中任何一点的声压和该质点的振速y 之比，称为声阻抗。声阻抗是一 个重要的声场特性，表示在超声场内介质质点震动的难易程度，因为声阻抗对超 声波的传播有阻尼作用。它与声压p 以及介质中声速y 的关系为： z - ! ：剪 y 。 公式( 2 - 2 ) 当超声波由一种介质传入另一种介质，或是从介质的界面上反射时，主要取 决于这两种介质的声阻抗。在所有传声介质中，气体、液体和固体的z 值相差较 大，试验证明气体、液体与金属之间特性声阻抗之比接近于1 ：3 0 0 0 ：8 0 0 0 。 3 声强f 声强是声强度的简称，常用j 来表示，单位为w e m 2 。它表示在单位时间内 在垂直于声速传播方向上的介质单位面积上所通过的平均能量，即声波的能流密 度。 4 分贝d b 在超声场内由于声强的变化范围很大，数量级可以相差很多，用通常数字表 示和运算很不方便，并且人耳对声音响度的感觉近似的与声强的对数成正比，于 是采用对数( 贝尔) 来表示两个声波强度( ，) 之比。实际上贝尔这个单位太大， 通常取其十分之一称为分贝，用符号d b 表示。 贝尔数= l g 去，分贝数= l 。l 鼍i 1 1 ( d b ) 公式( 2 3 ) 又因为声强与声压的平方成正比，所以a d b = 2 0 1 9 ( p 1 2 ) ，由此表明分贝 是两个强度( 或幅度) 比的对数表示。 2 1 2 超声场的结构和声压的分布规律 1 超声场的结构 超声场的形貌随波源和传播介质形状、尺寸等的不同而各异。一般以圆形芯 片辐射声波来描述超声场的结构，该波源可看作有无数的子波组成，每个子波在 空间发出球面波，相互迭加形成超声场的特殊结构。 如图2 - l 中所示，声源正前方声能集中的锥形区称为主声束，其中声轴上的 声能最大。紧靠声源附近，主声束周围的区域称为副声束，副声束轴线倾斜于芯 第二章钢轨超声检测系统及工作原理 片表面，能量弱，截面小，且声能变化无规律。 1 一副辨声束，2 一主声柬，3 - 声轴 图2 - 1 芯片辐射声场示意图 2 超声场中声压分布规律 图2 - 2 为圆芯片声轴上的声压分布曲线，由此可将芯片辐射声场分成以下两 个区域： n 2n3 n 6 n 图2 - 2 横坐标距离，纵坐标声压振幅 ( 1 ) 近场区( o s 聒) 具有复杂声束能量的区域叫近场区，又称近场干涉区。近场区内声轴上声源 高低起伏变化剧烈，距声源越近，声压最大值和最小值的点分布越密。 ( 2 ) 远场区( 工 n ) 近场以远的声场即“_ ，值t ：, z y l , 的区域称为远场区。在远场区中超声波以一 定的指向角传播，而且随着距离的增大，声压幅值单调下降。x _ 3 n 时，声压变 化规律和球面波相似，因此在探讨远场中声压变化规律时均用球面波声压关系进 行运算。 2 1 3 超声场的指向特性 超声能量集中在一个方向发射的特性称为指向性。如图2 - 3 中所示，声源发 出的超声波在靠近声源较近的范围可以看作是笔直传播，经过一段距离后，按一 定角度扩散传播。 表示指向性锐度的角称为指向角。它是描述超声场指向特性的标准，是超声 场声束轴线与声柬边缘之间的夹角，又称半扩散角0 ，指向角的大小取决于芯片 天津大学硕士论文 直径d 和波长五。芯片尺寸越大，频率越高，指向性越好。其关系为： s i l l 臼= 刁告 公式( 2 - 4 ) 式中卵为常数，取决于超声场中边缘声压与轴线声压之比。 图2 - 3 理想化的圆芯片辐射场 2 1 4 超声波在介质中的传播特性 1 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射 超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，并不改变方向。但遇到异 质界面( 即声阻抗差异较大的异质界面) 时，会产生反射和透射现象。即有一部 分超声波在界面上被反射回第一介质，另一部分透过介质交界面进入第二介质。 ( 1 ) 单一界面 当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时，将在第一介质中产生与入射波 方向相反的反射波，在第二介质中产生与人射波方向相同的透射波。反射波与透 射波的声压是按一定比例分配的。这个分配比例由声压反射率和声压透射率来表 示。界面上的反射波声压p ，和入射波声压p 0 之比称为界面的声压反射率，用r 来表示( z 1 是介质1 的声阻抗、五是介质2 的声阻抗) ： 。旦：兰凸 公式( 2 5 ) p oz ，+ z 一、 界面上透射波声压与入射波声压之比称为界面的声压透射率，用t 来表示： 产尝：2 彳墨 公式( 2 6 ) 肋z ，+ z ， ( 2 ) 薄层界面 在进行超声波检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷层，这些都可以归结为 超声波在薄层界面的反射和透射问题。 超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同， 第二章钢轨超声检测系统及工作原理 异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，形 成一系列的反射和透射波。当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各 次反射波和透射波就会互相干涉。由于以上原因，声压反射率和声压透射率的计 算比较复杂。 2 超声波斜入射到平界面上的反射和折射 在两种不同介质之间的界面上，声波传输的几何性质与其它任何一种波的传 输性质相同，即斯涅尔定律是有效的。但是，特殊的是声波沿倾斜角到达固体介 质的表面时，由于介质的界面作用，将改变其传输模式( 例如由纵波变为横波， 反之亦然) 。 在斜入射情况下，各种类型的反射波和透射波的声压反射率和声压透射率不 仅与界面两侧介质的声阻抗有关，而且还和入射波的大小和入射角有关，其理论 计算公式更为复杂，这里就不再详述。 2 1 5 超声波的散射、绕射和衰减 1 超声波的散射 超声波在介质中传播时遇到小于波长的障碍物，使超声波向各个不同方向产 生不规律反射、折射或衍射的现象称为散射。散射的结果使声能分散，穿透力降 低。 2 超声波的绕射 超声波在传播过程中经过障碍物边缘或小孑l 时，所产生的展衍现象称为绕射 ( 如图2 - 4 所示) 。衍射现象取决于障碍物尺寸d 和波长 之比。当压兄时， 声波只有绕射；d = a 时，有绕射和反射，且产生阴影区；d 五时，阴影区较大。 散射角o 可由公式( 2 - 7 ) 确定： 口= a r c s i n ( 1 2 2 告) ，。为缺陷直径 公式( 2 - 7 ) ( a ) 障碍绕射 图2 - 4 超声波的绕射现象 ( b ) 小孔绕射 3 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增大，声压逐渐减弱的现象称为衰 天津大学硕士论文 减。引起衰减的原因有三个方面：一是声束扩散引起的衰减；二是散射引起的衰 减；三是介质的吸收引起的衰减。 2 2 钢轨超声检测系统的组成及工作原理 超声探伤仪是利用超声波反射或透射原理检查工件缺陷的电子仪器。超声波 的发射和接收是利用某些晶体的压电效应来实现的。 当晶片上受到交变应力( 即机械振动) 时，它将同步产生交变电场( 称之为 正压电效应) ，相反在交变电场作用下，它又会产生与电场同步伸缩的机械振动 ( 称之为逆压电效应) 。 首先，仪器产生电震荡并加于探头芯片，激励芯片发射超声波；同时将探头 接收回来的电信号进行放大，通过一定的形式显示出来，从而得到被探工件内部 有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息。图2 5 为一个基本的超声检测系统的系统 框图。 图2 - 5 超声检测系统的系统结构 超声波探伤仪的种类有很多，分类方法各不相同，若按缺陷显示的方式可以 分为a 型显示，b 型显示，c 墨! 显示。 b 型显示是一种能够显示被检工件的横截面图像，指示反射体的大致尺寸及 其相对位置的超声信息显示方法。 c 型显示则能够显示被检工件纵刹面图像，这种显示方式的特点是探头接收 到的缺陷信号以亮点和暗点来绘出缺陷的水平投影位置，因此显示屏上所代表的 是被检工件的投影图，一般不能给出缺陷深度。 本文所设计的钢轨超声探伤系统所采用的显示方式为a 型显示( 如图2 - 6 所示) ，因为它具有检测灵敏度高、定位准确、定量方便、操作灵活，使用范围 广等优点。a 型显示是以水平基线( x 轴) 表示距离和时间，用垂直于基线的纵 轴( y 轴) 表示幅度的一种信号显示方式。对同一均匀介质而言，由于超声波传 播时间和缺陷埋藏深度成正比，因此可以根据缺陷回波在显示屏水平在线的位置 确定缺陷的深度，用回波幅度的高低来衡量缺陷的大小。 第二章钢轨超声检测系统及工作原理 图2 - 6 a 型显示示意图 超声探伤的基本方法有两种，脉冲发射法和穿透法。 1 脉冲反射法 根据发射脉冲信号幅度及其在显示屏上显示的位置来判断缺陷的方法，称为 脉冲发射法。它是应用最为普遍的方法，它的优点是：适用范围广，探伤灵敏度 高，缺陷定位准确，操作方便。缺点是：反射波受缺陷取向的影响，超声波在传 播过程中衰减大，对近表面缺陷的检测能力差。 目目目 止_ 人儿从人_ l ( a ) 无缺陷( b ) 有小缺陷( c ) 有大缺陷 图2 7 脉冲反射法探伤原理 2 穿透法 这是最早采用的超声检测方法。其原理是一个探头发射的超声波透过整个工 件被另一个探头接收，根据超声波在工件中的能量变化来判断缺陷或工件质量。 穿透法的优点是：工作中不存在探测盲区，超声波传播过程中衰减小，判定缺陷 方法简单，适用于连续的自动化探伤。其缺点是：探伤灵敏度低，分辨率差，不 能确定缺陷位置，一般需要专用的探头夹持装置。 目目目 止九九 ( 8 ) 无缺陷( b ) 有小缺陷( c ) 有大缺陷 图2 - $ 穿透法探伤原理 天津大学硕士论文 为了实现对钢轨的全方位快速检测，本系统采用5 个探伤通道轮流工作的脉 冲反射法探伤方法，系统显示采用a 型显示。 2 3 超声检测信号分析 目前常用的a 型显示超声探伤仪只能提供“时间或水平位置”和“回波高 度”两个信息，必须根据这两个信息结合具体情况对被测工件做出正确的判断。 采用数字化处理技术的钢轨超声探伤系统可以将一部分的分析和处理交给d s p 来进行，同时结合操作人员的经验，对工件中的伤损进行判定，提高检测的准确 性。本章主要讲述了如何利用脉冲反射式探伤方法所碍到的缺陷回波波形来确定 工件中缺陷的大小，性质和位置。 2 3 1 影响缺陷波波高的因素 利用a 型显示法来判断工件中的缺陷时，反射回来的缺陷波的高度是进行 判伤的重要依据之一，因此分析和掌握影响缺陷波波高的因素，不仅有利于对缺 陷的做出正确评定，而且对实际探伤中分析和判断缺陷具有重要的指导意义。影 响缺陷回波高度的因素归纳起来有以下几个方面： 一、缺陷本身的大小、形状、取向、表面状态及内含物性质及缺陷的位置。 二、仪器和探头的特性及它们之间的连接和匹配。 三、探测面的形状、粗糙度及工件的组织结构等。 在仪器和探头、被测工件的状态一定的情况下，主要是缺陷状态对反射波波 高的影响。 1 缺陷位置的影响 相同面积的缺陷，由于其位置不同，得到的反射波高度也不相同。在近场区 内反射波的高低与声场能量分布有关。在远场区，随着距离的增加，反射波高度 下降。若缺陷位置相同，则缺陷越大反射波越高。当缺陷面积大于声束截面时， 声波全反射，反射波饱和，且不再随缺陷面积的增大而变化。 2 缺陷形状的影响 通常把缺陷的形状简化为圆片形、球形和圆柱形三种。根据各种规则形状缺 陷波波高的近似计算，一般在探头一定、缺陷位置一定的情况下，缺陷波波高随 缺陷直径的变化速度是：圆片形缺陷最快，长圆柱形缺陷最慢；在缺陷直径一定 时，缺陷波波高随距离的变化速度是：圆片形和球形缺陷较快，长圆柱形缺陷较 慢；在缺陷位置和直径都相等时，缺陷波波高以长圆柱为最高，圆片形次之，球 形最低。当缺陷很小时，缺陷的形状对缺陷波波高的影响很小。 第二章钢轨超声检测系统及工作原理 3 缺陷方向的影响 声波垂直于缺陷表面，反射波最高；若两者有倾斜角时，反射波波高降低。 当倾斜角较大时，缺陷波接收不到。 用斜探头探伤时，有时不仅缺陷干涉面不与声束轴垂直，而且当获得缺陷的 最大反射回波时，缺陷并不处在声柬轴线上，此时探头接收到的声压受发射波指 向性与反射波指向性两者同时影响。 由于缺陷方向对反射波高度的影响，为有效的发现钢轨内各种取向的缺陷， 钢轨探伤仪均配置了不同焦度的探头同时探伤，增加小角度探头就是为了弥补 3 7 。探头对螺孔小角度裂纹难于发现的不足。 o 1 0 0 l 波高 00 0 l 0 0 0 0 1 2 0 。1 0 。u 。1 0 。2 0 。 人射角 图2 - 9 缺陷倾斜度与干涉波高度的关系 4 缺陷表面粗糙度的影响 声波垂直入射时，缺陷表面凹凸程度与波长的比值越大，反射波波高就越低。 比值小于1 g 或凹凸不平的高度小于l 3 波长时，反射能量约为光滑表面反射能 量的9 0 以上。声波斜入射时，其结果与垂直入射相反。 5 缺陷回波指向的影响 无论垂直入射还是倾斜入射，缺陷波的指向性与缺陷大小有关，并随着缺陷 大小不同而有很大差异。 6 缺陷性质的影响 声波在界面的反射率是由界面两边介质的声阻抗决定。基于这个原理，一般 含有气体的缺陷例如钢中的白点、气孔等，其声阻抗与钢的声阻抗相差很大，因 此声波的反射很强。而非金属夹杂等缺陷，由于声阻抗与钢的声阻抗相差很小， 缺陷的反射波相应减弱，声波在缺陷上的透射和吸收明显高于白点、气孔等缺陷。 2 3 2 缺陷的定位、定量和定性 对工件中的缺陷进行分析，主要包括- - r j y 面：缺陷的定位，缺陷的定量和 缺陷的定性。需要指出的是，在超声检测中a 型显示法对缺陷的定性是比较复 天津大学硕士论文 杂和困难的，需要操作人员具有一定的实际经验。 2 3 2 1 缺陷的定位 测定缺陷在工件中的具体位置，称为缺陷的定位。一般确定一个物体在空间 中的位置，应用三坐标描述。由于超声波探伤中，探头与缺陷间的相互关系，常 用垂直高度和水平距离的二轴坐标确定缺陷的位置。 测距是指探测范围，包含了探测声程和与其相对应的水平距离和垂直深度， 可以根据被检工件的厚度、探伤方法以及选用的探头来确定。在探伤仪使用前需 要对测距进行校正，目的是使时基线上的每一个刻度值能正确代表实际的探测声 程，水平距离或垂直深度，以便对缺陷进行准确定位。 1 垂直法探伤的定位 垂直法探伤( 如图2 1 0 所示) 的定位比较简便，缺陷的水平位置就在探头 入射点之下，只要测定缺陷在工件内的深度，即可对缺陷进行定位。 止州 刨 图2 1 0 垂直探伤法定位示意图 工件的探测长度为l ，距探头距离为h 的地方有一处伤损。可以通过采集到 的超声回波中的缺陷波和底波的出现时间间隔来确定缺陷在工件中的位置日： 日；曼。l b 公式( 2 - 8 ) 2 斜角法探伤的定位 斜角法探伤的定位比较复杂，缺陷的水平位置不在探头入射点的法线上，需 要通过三角函数关系，计算出缺陷的水平距离和垂直深度。 第二章钢轨超声检测系统及工作原理 ( 1 ) 相对测定法 将探头分别在缺陷两侧移动，使缺陷的反射波显示在同一高度，并记下两次 反射回波高度相同时探头在工件表面的位置d 和o ，缺陷的位置即在( o ，o ) 中点的正下方，如图2 1 1 所示。 图2 - 1 1 相对测定法图2 1 2 声程换算法 ( 2 ) 声程换算法 当时基线按声程测距，就可以根据缺陷回波在显示屏上的位置m 和声程比 例系数k ，得到缺陷距探头入射点的声程s ，然后按照三角函数关系计算出缺陷 距工件表面的深度，以及缺陷在工件表面的投影点d 距探头入射点o 的水平距 离己，如图2 - 1 2 所示。 h = s o c o s 卢，l = s o s i n 公式( 2 9 ) ( 3 ) 直接定位法 当时基线按水平测距，即可根据缺陷回波位置m 和水平系数k 的乘积，直 接测定缺陷距探头入射点的水平距离，缺陷的深度由公式( 2 1 0 ) 确定。 h ：三 t g p 公式( 2 - 1 0 ) 采用直接定位法，将时基线校正后，显示屏上的每一个亥4 度代表的声程及换 算水平、深度的比例系数k 一定，所以可按直接定位法测定伤损的位置和深度。 2 32 2 缺陷的定量 测定缺陷在工件内的大小和数量，称为缺陷的定量。 1 以底波强度作基准的定量法 ( 1 ) 百分比法 当工件底面大于声柬截面面积且回波未达到饱和时，以底波高为基准，使波 高达到显示屏满幅。移动探头位置，在不改变灵敏度的条件下，使缺陷波达到最 高，分别纪录下缺陷回波和底波的高度，由两者之比得到缺陷的相对大小，使用 天津大学硕士论文 此法不必考虑探头的接触状态，探测面形状、材质、耦合等因素。其缺点是不能 得到缺陷的真实大小，只是一个与底波相对的百分数，并且要求仪器的动态范围 和垂直线性良好。 ( 2 ) 声压比法 缺陷波和底波高度与缺陷反射声压p ，和底面反射声压如成正比，而声压比 又可以用d b 表示： d b = 2 0 1 9 p i = 2 0 l 嘶一2 。l g e b 公式( 2 1 1 ) 因此，在配有衰减器的仪器中，当知道底波和缺陷波的相对d