（机械电子工程专业论文）数字化钢轨超声波探伤仪的研究与开发.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr a i l d i g i t a lu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t o r b yc a of a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uj i e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 ，l ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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 谢意。 学位论文作者签名：曹喏 e t 期：蒯寻文月僻同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全帮 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 摘要 数字化钢轨超声波探伤仪的研究与开发 摘要 超声波探伤技术是无损检测诊断中应用最为广泛的方法之一。随着微电子技术的 发展和计算机技术的普遍应用，超声波检测诊断技术和检测方法得到了迅速的发展， 使超声波检测技术的应用更为普及。而传统的模拟式超声波检测诊断仪器功能比较简 单，无法满足日益增长的工业发展的需要，因此，数字化超声波探伤仪器的开发应用 就变得至关重要。 本课题是基于东北大学与某钢铁集团公司合作的“模拟超声钢轨探伤仪的数字化 改造”项目。在对超声波探伤技术、模拟式超声探伤仪、研华p c i 1 7 1 4 数据采集卡驱 动程序进行研究、试验，以及对数字式的钢轨超声探伤仪的关键技术进行深入细致的 研究后，确定了使用模拟超声波探伤仪进行超声波信号的发送、接收及处理；使用台 湾研华公司的p c i 1 7 1 4 高速模拟输入数据采集卡进行回波数据的采集以及数字化；利 用总线主控d m a 传输方式通过p c i 总线将信号采集进入工业控制计算机的实验系统。 并在此实验系统上使用编程软件完成数字化后数据的存储、波形的显示，回波数据的 回放以及缺陷数据的分析。 在深入的研究了研华p c i 1 7 1 4 数据采集卡的主要特征和工作原理，以及它的驱动 程序和控件应用的基础上，确定了以v c + + 6 0 为编程工具，a c c e s s 数据库为存储工 具，m a t l a b 为分析工具，并在w i n d o w sx p 操作系统平台下，完成了超声波探伤系 统软件编程以及软件测试工作。 然后将所存储的超声波回波信号，进行波形回放，观察超声波信号在时域中的特 征并找出缺陷数据；同时对缺陷数据利用小波去噪技术进行消噪处理，并将处理后的 数据进行小波分析，得到了超声波缺陷波形在时域以及频域的特征并在此基础上采用 神经网络技术进行了缺陷识别，得到了较为理想的结果。 另外，在实验和研究的基础上进行总结，对今后进一步的研究提供一定的参考。 关键词：超声波探伤仪；程序设计；数据采集；小波分析；神经网络 f 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr a i l d i g i t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ni so n eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e di nn o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g t h e u s eo fu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n gi n s t r u m e n t sa n dt e s t i n gh a sb e e nr a p i d l y ，d e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r w h a t sm o r e ，t r a d i t i o na n a l o g i n s t r u m e n t sc a nn o tm a t c ht h ea u t od e t e c t i n go fi n d u s t r y t h e r e f o r e ，i ti sg o i n gt ob eat r e n d t od e v e l o pa n da p p l yd i g i t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r a l lt h ew o r ki sb a s e do nt h er e s e a r c hc o l l a b o r a t e dw i t hs o m es t e e lc o r p o r a t i o n a f t e rt h er e s e a r c ha n dt e s t i n gi nu l t r a s o n i ct e s t i n g ，u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rs i m u l a t i o n ， a d v a n t e c hp c i 一1714d a t aa c q u i s i t i o nc a r dd r i v e r , a sw e l la st h er a i ld i g i t a lu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t o ro fc r i t i c a lt e c h n o l o g i e sf o rt h ei n d e p t ha n dm e t i c u l o u sl e a r n i n g d e t e r m i n et h e e x p e r i m e n t a ls y s t e mb yu s i n go fa n a l o gu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rs i m u l a t i o nu l t r a s o n i c s i g n a ls e n d i n g ，r e c e i v i n g a n dh a n d l i n g ，u s i n gt h et a i w a n sa d v a n t e c h sp c i - 1714 h i g h s p e e da n a l o gi n p u td a t aa c q u i s i t i o nc a r d se c h od a t aa c q u i s i t i o na n dd i g i t a l ；u s i n gb u s m a s t e rd m at r a n s m i s s i o nt h r o u g hp c ib u ss i g n a la c q u i s i t i o ni n t ot h ei n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e r a n d i nt h i s e x p e r i m e n t a ls y s t e m u s et h ed i g i t a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r et o c o m p l e t i o no ft h ed a t as t o r a g e ，w a v e f o r md i s p l a y , e c h od a t ap l a y b a c ka n dd e f e c td a t a a n a l y s i s o nt h eb a s i so fi n d e p t hs t u d yo ft h ei n q u i r y , p c i 1714d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dt h e m a i nf e a t u r e so f p r i n c i p l e ，a sw e l la si t sd r i v e ra n dc o n t r o la p p l i c a t i o n s ，i d e n t i f i e di nv c + + 6 0f o rt h ep r o g r a m m i n gt o o l s ，a c c e s sd a t a b a s ef o rt h es t o r a g et o o l s ，m a t l a bf o r a n a l y s i st o o l s ，a n du n d e rt h ew i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m s ，c o m p l e t e dt h e u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ns y s t e ms o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n ds o f t w a r et e s t i n g t h e ns t o r e db yt h eu l t r a s o n i ce c h os i g n a l ，w a v e f o r mp l a y b a c k ，u l t r a s o n i cs i g n a l s o b s e r v e di nt h et i m ed o m a i na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd a t at oi d e n t i f yd e f e c t s a tt h es a m e t i m ed e f e c td a t ao nt h eu s eo fw a v e l e td e n o i s i n gt e c h n o l o g y , a f t e rp r o c e s s i n gt h ed a t ad o t h ew a v e l e ta n a l y s i s ，w a v e f o r mb yt h eu l t r a s o n i cf l a wi nt h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c y f 东北大学硕士学位论文hbst r a c t d o m a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n du s i n gn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g yt oi d e n t i f yd e f e c t so nt h eb a s i s o ft h i sp o s i t i o n i n g ，h a v eb e e nm o r es a t i s f a c t o r yr e s u l t s i na d d i t i o n ，i nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c hc o n d u c t e ds u m m i n gu p ，i nt h e f u t u r et op r o v i d ef u r t h e rs t u d yo fc e r t a i nr e f e r e n c e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r , p r o g r a md e s i g n ，d a t ac o l l e c t i o n ；w a v e l e ta n a l y s i s ， n e u r a ln e t w o r k s 东北大学硕士学位论文 一 一堡 二一一 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t l 儿 第1 章绪 论1 1 1 课题的来源和研究背景l 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究背景1 1 2 超声波探伤技术的发展和在钢轨探伤中的应用2 1 2 1 超声探伤技术的历史和发展现状2 1 2 2 超声探伤的数字化研究现状3 1 2 3 超声探伤技术在钢轨探伤中的应用4 1 2 4 国内外研究现状及意义5 1 3 论文的主要工作 第2 章超声波探伤技术7 2 1 超声波探伤机理， 2 1 1 描述超声场的物理量8 2 1 2 超声波探伤方法l u 2 1 3 超声探伤仪1 2 2 2 超声探伤信号的分析1 3 2 2 1 影响缺陷回波幅度的因素”1 3 2 2 2 缺陷的定位一1 2 2 3 新技术、新方法对传统超声波探伤系统的挑战1 6 2 4 超声波探伤的通用技术问题1 7 2 4 1 频率的选择“1 ， 2 4 2 探头的选择”1 ， 2 4 3 耦合18 2 4 4 宽脉冲与窄脉冲“1 8 第3 章超声波探伤系统硬件组成2 0 v 一 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 超声探头2 0 3 1 1 压电换能器超声探头的组成2 0 3 1 2 压电换能器超声探头的主要种类2 1 3 2 模拟超声波探伤仪2 2 3 2 1 s t - 5 1 8 型超声波探伤仪简介2 2 3 3 数据采集卡及计算机2 3 3 3 1p c i 1 7 1 4 数据采集卡2 3 3 3 2 工业控制计算机2 5 3 4 系统硬件的安装与调试2 5 3 4 1 安装流程2 5 3 4 2 系统硬件的测试2 6 第4 章系统软件构建2 9 4 1 相关技术介绍2 9 4 1 1 面向对象程序设计技术2 9 4 1 2m f c 运行机制2 9 4 1 3 进程和线程的概念3 0 4 1 4 数据库技术3 1 4 1 5 编程环境介绍3 2 4 2 系统的分层设计3 4 4 2 1 系统分层设计的原因3 4 4 2 2 系统功能模块3 4 4 3 主要程序流程3 9 4 3 1 程序流程图3 9 第5 章系统信号分析处理4 3 5 1 分析方法的选择4 3 5 2 小波变换理论及人工神经网络技术4 4 5 2 1 小波函数4 4 5 2 2 小波函数的多分辨率分析4 6 5 2 3 信号的分解和重建4 7 5 2 4 人工神经网络技术4 9 5 3 系统信号分析及缺陷识别4 9 东北大学硕士学位论文 目录 5 3 1 利用小波变换实现对探伤信号的噪声抑制4 9 5 3 2 利用小波变换实现对探伤信号的分析与缺陷识别5 3 5 3 3 利用神经网络技术实现对探伤信号的分析与缺陷识别5 4 第6 章研究总结和建议6 0 参考文献6 2 致谢6 6 l t 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源和研究背景 1 1 1 课题来源 本课题是基于东北大学与某钢铁集团公司合作的“模拟超声钢轨探伤仪的数字化 改造”项目。本课题的主要任务是改造鞍钢现有的c u t - 5 1 8 型超声探伤仪，使其能够 进行超声波探伤系统的高速实时数据采集和传输、回波数字波形显示、波形存储和分 析，并完成自动探伤，成为数字化超声探伤仪。针对这一要求，进行理论研究、现场 调试、计算、系统设计和软件编程调试等工作。在对模拟式超声探伤仪进行研究、调 研、试验，及对数字式的钢轨超声探伤仪及探伤技术进行深入细致的研究后，提出了 以现有的模拟超声波探伤仪为基础，负责超声波信号的发送和接收并进行适当处理； 用台湾研华公司的p c i 1 7 1 4 高速模拟输入数据采集卡进行回波和伤波数据的采集；利 用总线主控d m a 传输方式通过p c i 总线进入工业控制计算机并使用编程软件完成波 形的显示、记录、存储和分析，从而完成数字化改造模拟探伤仪的要求。项目主要分 为四部分：系统的结构设计( 包括数据采集卡的选型、参数的计算等) 、硬件的安装和 调试、软件编程和测试以及信号分析。 1 1 2 研究背景 无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能，稳定生产工艺的重要手段。 当今世界各发达国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用。比如日 本最近制定的2 1 世纪优先发展四大领域之一的设备延寿技术中，就把无损检测放在十 分重要的位置。而在多种无损检测方法中，超声检测占有最重要的位置，近期召开的 国际无损检测会议上，有关超声检测的论文数量几乎占到总数的一半，成为学术研究 最活跃的领域，十余年来，推动超声检测发展的主要因素主要是： ( 1 ) 工业生产中的质量意识不断提高以及在役设备寿命预测技术的要求； ( 2 ) 诸如复合材料和精细陶瓷等新材料的应用； ( 3 ) 微机技术的突飞猛进带动了传统超声检测技术水平的提高，使其获得的结果 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 更加直观可靠，并能够以二维或三维形式成像； ( 4 ) 现代信息科学的快速发展使我们可以对一些复杂的检测信号与过程做出迅速 而有效的提取与解读。 随着电子技术和信号处理技术的飞速发展，现在越来越多的人将数字信号处理技 术应用于超声检测中，但由于超声检测信号尤其是高频超声检测信号本身的特点，如 持续时间很短( 只有几微秒) 、信号频率高( 数兆赫兹) 、信号较弱，易受外界干扰等，使 得对其采样从而进行频谱分析的过程不同于对一般信号的处理，很难在实际工程中得 以运用。另一方面，信号必须首先通过模数转换器( a d c ) 使其数字化。在这个过程中 要保证信息不遗漏或者不畸变，a d c 的采样率必须满足采样定理要求，但由于超声信 号的频率和持续时间远不同于一般的信号，使得超声信号的精确采样也成了一个难点。 因此，超声信号的频谱分析技术成为无损检测领域的前沿性的研究方向之一。 本课题的特点是理论和实际紧密联系，实践是检验理论正确与否的唯一标准。本 人在完成本课题的过程中，翻阅了大量的中英文资料和文献，进行了系统的、有目的 的研究，并且在深入系统的研究了研华p c i 1 7 1 4 数据采集卡的主要特征和工作原理， 以及它的3 2 位d l l 驱动程序和a c t i v e d a q p r o 控件应用的基础上，确定了以v c + + 6 0 为编程工具，并在w i n d o w sx p 操作系统平台下，进行了长期的试验研究，完成了超 声波探伤系统得硬件构建和软件编程工作。在锻炼自己的时间和动手能力的同时，也 在数字化技术和数字信号处理理论上水平上有了很大的提高。初步具备了系统设计和 信号分析处理的能力，也很好的锻炼了程序设计的能力，为以后的研究和工作打下了 扎实的基础。 1 2 超声波探伤技术的发展和在钢轨探伤中的应用 1 2 1 超声探伤技术的历史和发展现状 超声探伤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探伤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 2 o 厶o 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 相继制成脉冲反射式探伤仪，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、空气藕合 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，记录和存储检测数据取得的显著进展；使超声探伤技术 进入了全新阶段。 1 2 2 超声探伤的数字化研究现状 超声检测系统经历了三个发展阶段，即模拟式探伤仪、数字式探伤仪、以计算机 为核心的超声自动检测系统。传统的模拟式超声探伤仪主要基于手工探伤，有a ，b ，c 三种显示方式。数字化超声波探伤仪具有数据存储和运算功能，实现了探伤过程中自 动判伤、自动读出和显示缺陷的位置和当量值、存储并打印输出探伤报告，数字化超 声检测不仅解决了超声探伤可记录的问题，而且减少了人为误差，提高了探伤结果的 可信性。数字化超声波探伤仪分便携式和多通道式两类。自动超声检测系统一般选用 多通道超声卡式结构。 超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的 作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续 性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号进行 分析，大部分检测设备仅有a 扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行 人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检 测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。上个世纪八十 年代后期，由于计算机技术和电子技术的不断发展，使得超声波信号的数字化采集和 分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已经成为超声 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 波检测的发展方向。但是，这些设备也仅停留在处理超声波检测频率较低的频段的信 号上，产生这种现象的主要原因是受到高速a d 转换器和高速存储技术发展的限制。 作为超声检测系统集成开发和工程应用，以较成熟的超声模拟信号采集卡为核心 实现高速a d 转换和高速缓存，并在此基础上实现超声信号的采集、存储、图像处理、 时频域波形处理、超声缺陷识别等，进一步地通过计算机技术实现故障预测和无损评 价。 1 2 3 超声探伤技术在钢轨探伤中的应用 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，大体经过了电子管 晶体管集成化，即调频连续波单通道脉冲反射波多通道、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探伤纳入了标准化轨道。 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。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 4 国内外研究现状及意义 长期以来，我国钢轨探伤完全依靠手推式探伤仪进行人工探伤。全路现有近8 0 0 0 名专职钢轨探伤人员使用着约3 0 0 0 台手推式钢轨探伤小车，负担近7 万公里钢轨的内 部伤损检查。从1 9 8 9 年开始，铁道部先后从澳大利亚g e m c o 公司和美国 p a n d r o l j a c k s o n 公司进e l 了1 3 台大型钢轨探伤车( 其中1 2 台从美国进口) ，但目前这1 3 台大型探伤车还处在消化吸收阶段，使用情况不很理想。因此，当前我国的钢轨探伤 工作仍处于以手推式探伤小车为主，大型探伤车为辅的局面。 在国外发达国家，大型钢轨探伤车得到了成功的应用。这些国家的钢轨探伤工做 主要由探伤车来承担，人工探伤小车仅作为辅助手段，与我国目前的状况刚好相反。 所以，我们要加快研究的步伐，使我国以较快的速度跟上发达国家的发展水平。 1 3 论文的主要工作 模拟超声波钢轨探伤仪的数字化改造项目，是在保留模拟超声钢轨探伤仪的发射 和接收以及调节等功能的基础上，采用数据采集卡和计算机来进行必要的数字化处理 工作。由于超声波的频率比较高。一般在4 - 6 m h z 左右，因此对于回波缺陷信号的采 集、传输、存储、显示和信号处理，都有很高的难度。利用p c i 总线数据采集卡直接 将采集到的数据传送到工业计算机进行波形显示、存储和信号分析等，可以带来巨大 的经济利益。 本论文的主要目的是数字化超声波探伤仪的研究与开发。因此本论文进行了如下 的主要工作： ( 1 ) 系统的硬件结构设计及调试 经过学习超声波的物理特性，了解超声波探头和超声波探伤仪的使用方法，了解 p c i 1 7 1 4 数据采集卡的驱动程序及控件应用方法，确定的探伤系统的硬件结构及基本 参数，选取了p c i 总线和总线主控d m a 传输方式，完成了系统硬件结构的设计。并 且在p c 机上对采集卡进行了校准等调试，使系统能够较好的运行，为软件的设计作 好准备。 ( 2 ) 系统的软件编程 由于v c + + 具有极强的编译能力，数据库能够更系统的存储及管理数据，因此本 系统采用v c 编写数据采集程序，采用数据库技术存储采集到的数据，由于v c 的数 一5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 据处理与图形的编辑能力较弱，所以在程序中采用了n i 的c w g r a p h 控件对数据进 行图形处理，完成了超声波回波信号的高速数据采集和传输，回波数字波形显示，波 形数据存储，打印等功能模块的软件编程及测试工作。 ( 3 ) 超声波信号的分析 将所采集的超声波信号，进行波形回放，观察超声波信号在时域中的特点，根据 波形得出缺陷特点的结论。同时，采用小波分析的方法对波形进行处理，得到缺陷波 形在时频域的特征，初步判断缺陷的特征并在此基础上采用人工神经网络技术进行缺 陷识别，取得了较为理想的结果。 ( 4 ) 研究总结和建议 在实验和研究的基础上进行总结，作为今后进一步研究的参考；同时，为系统的 进一步完善和发展提出自己的建议。 6 东北大学硕士学位论文第2 章超声波探伤技术 第2 章超声波探伤技术 2 1 超声波探伤机理 超声波探伤技术是一门以物理、电子、机械以及材料学为基础的无损检测技术， 广泛用于工业( 探伤、厚度和距离测量、流量和密度测量、清洗、超声焊接) 、医疗器 械以及海洋探测等领域。 超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机 械振动。超声检测是使超声波与被检工件相互作用，根据超声波的反射、透射和散射 的行为，对被检工件进行缺陷检测、几何特性检测、组织结构和力学性能变化的监测 和表征，并进而对其应用性进行评价的一种无损监测技术。 对于宏观缺陷的监测，常用频率为0 5 m h z 2 5 m h z 的短脉冲波以反射法进行。此 时，在试件中传播的声特性阻抗( 材料密度与声速的相乘积) 有变化处( 如出现缺陷 的地方) ，则部分入射声能可被反射，根据反射信号的幅度就可对缺陷的大小做出评估。 为适应不同类型试件及不同的质量要求，可选用的波形有纵波、横波、瑞利波、兰姆 波等。采用特定的扫描显示方式及相应的电子线路可获得试件中缺陷分布及形态的图 像。 超声波用于无损检测诊断，主要是因为有以下优点： ( 1 ) 无论是金属、非金属，还是复合材料都可以超声波进行无损检测； ( 2 ) 施加给工件的超声强度低，最大作用力远低于弹性极限，不会对工件使用造 成任何影响； ( 3 ) 对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等参量较之其他无损检测 方法有优势； ( 4 ) 仅需从一侧接近被检工件，便于复杂形状工件的检测； ( 5 ) 对人体及环境无害； ( 6 ) 设备轻便，可作现场检测； ( 7 ) 所用参数设置及有关波形均可进行存储，供以后分析调用。 近年来的研究表明，超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用 提供了丰富的信息，并且成为超声波广泛应用的条件。 7 东北大学硕士学位论文第2 章超声波探伤技术 超声检测诊断技术是无损检测中应用最为广泛的方法之一，适用于各种尺寸的铸 件、轧直谏、焊缝和某些铸件。无论是有色金属和非金属，都可以采用超声法进行检 测，包括各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力和化工容器、非金属 材料等。 就物理性能检测而言，用超声法可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶 粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等。随着微电子技术的发展和计算机的普遍 应用，超声检测仪器和检测方法得到了迅速发展，使超声检测的应用更为普及。目前， 微型计算机在超声检测中能够完成数据采集、信息处理、过程控制和记录存储等多种 功能。许多超声检测仪器都把微处理器作为一个部件组装在一起，执行数据处理和图 像分析的任务。一些全电脑对话式超声探伤仪，可在屏幕上同时显示回波曲线和检测 数据，存储仪器调整状态、缺陷波形和各种操作功能。 作为无损检测方法之一，超声波检测的局限性主要是： ( 1 ) 对缺陷进行精确的定性、定量表征仍需作深入研究； ( 2 ) 为使超声波以常用的压电换能器为生源进入试件，一般需用耦合剂： ( 3 ) 对形状复杂的工件的检测有一定限制。 2 1 1 描述超声场的物理量 充满超声波的空间，或在介质中超声振动波及的质点所占据的范围称为超声场。 常用生压、声强、声阻抗、质点振动位移和质点振动速度等物理量对超声波的声场进 行描述。 2 1 1 1 声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强p 。，与没有超声场存在时同一点的静态 压强仇之差，定义为该点的声压，常用p 表示，单位为帕斯卡( 帕) ，1 见= 1 n m 2 。 对于平面余弦波，可以证明： p 2 p c a c o c o s 国( 2 ) + x 2 ( 2 1 ) 式中，p 为介质的密度；c 为超声波在介质中传播的速度；a 为介质质点的振幅； 缈为质点振动的角频率( c o = 2 x f ) ；4 缈为质点振动的速度振幅( v = a c o ) ；r 为时间；x 为至波源的距离。 - 8 东北大学硕士学位论文 第2 章超声波探伤技术 且有如f 关系式成立： p mi 刊p c a c o ( 2 2 ) 式中，为声压极大值。 可见，声压的绝对值与波速、质点振动的速度、振幅( 或角频率) 成正比。因超 声波的频率高，所以超声波比声波的声压大。 2 。1 1 2 声强 在超声波传播的方向上，单位时间内单位截面上的声能称为声强，用i 表示，单 位是w c m 2 。 以纵波在均匀的各向同性的固体介质中的传播为例，可以证明平面波传播的声强 计算公式为： ，= 三倒2 国2 1 2 p 。2 历1 = 丢瑶( 2 - 3 ) 由上式可见，超声波的声强与质点振动振幅( 彳) 的平方、质点振动角频率( 缈) 的平 方、声压( p ) 得平方，以及质点振动速度振幅( y ) 的平方成正比。由于超声波的频率高， 因此其强度( 能量) 远远大于可闻声波的强度。例如，1 m h z 声波的能量等于l o o k h z 声波能量的1 0 0 倍，等于l k h z 声波能量的1 0 0 万倍。 2 1 1 3 分贝和奈培 引起听觉的最弱声强为声强标准，在声学上称为“闻闽”，用厶表示， 厶= 1 0 。6 w c m 2 ，即f = 1 0 0 0 h z 时是引起人耳听觉的声强最小值。某一声强i 与标准 声强厶之比取常用对数的值，成为声强级，用i l 表示。声强级的单位是贝【尔】( b ) ， 即： i l = l g ( i i o ) 贝 尔】( b ) ( 2 - 4 ) 实际应用中，常用分贝( 扭) 为声强级的单位( 1 妇等于1 尔的十分之一) 。超声波 的幅度或强度的比值也经常使用分贝( d b ) 的概念，因为声强( ，) 与声压( p ) 的平方成正 比，则可得到： l d b = 1 0 1 9 ( 厶1 1 ) = 2 0 1 9 ( p ：岛) ( 2 5 ) 对于放大线性良好的超声波探伤仪，其示波屏上的波高与生压成正比，即同一点 的任意两个波高之比( e 马) 等于相应的声压之比( 局仍) ，两者的分贝差为： 9 东北大学硕士学位论文第2 章超声波探伤技术 _ 2 0 l gp _ 队_ l 1 = 2 0 1 9 每( 如) ( 2 - 6 ) p 2爿2 在实际检测时，常按照上式计算超声波探伤仪示波屏上任意两个波高的分贝差。 若对( q 哎) 或( a 仍) 取自然对数，则其单位则为奈培： 乩等- l np 1 奈培( u p ) ( 2 - 7 ) h 2p 2 姗t 令( l 只) = ( 局p ：) = p ，并分别代入式( 2 - 6 ) 与式( 2 7 ) ，则可得到： 1 砌一88 6db(2-8) l d b = 0 1 1 5 x p 2 1 1 4 声阻抗 超声波在介质中传播时，任一点的声压p 与该点速度的振幅v 的比值称为声阻抗， 用z 表示。单位是g ( c m 2 s ) 或堙( c m 2 s ) 。 z ：旦( 2 9 ) v 声阻抗表示介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，声阻抗越大，质点的振 动速度就越小。当超声波由一种介质转入另一种介质，或是从介质的界面上反射时， 其各种行为( 如反射、折射等) 主要取决于这两种介质的声阻抗。 不难证明z = p c ，但这仅是声阻抗与介质的密度和声速之间的数值关系，而不是 标准的物理学表达式。不同的介质有不同的声阻抗；对于一种介质，波型不同其声阻 抗也不同。 在所有传声介质中，气体、液体和固体的z 值相差很大。实验证明，气体、液体 与金属之间的特性声阻抗之比接近于1 ：3 0 0 0 ：8 0 0 0 。 2 1 2 超声波探伤方法 按照检测原理，可将超声波探伤方法分为脉冲反射法、穿透法和共振法三种。 2 1 2 1 脉冲反射法 超声波探头发射脉冲波到被检测工件内，根据反射波的情况来检测工件缺陷的方 法，称为脉冲反射法。 脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。 ( 1 ) 缺陷回波法 ， 东北大学硕士学位论文第2 章超声波探伤技术 缺陷回波法是根据仪器示波屏上显示的缺陷波型进行判断的检测方法，是反射法 的基本方法。当工件完好时，超声波可顺利传播达到底面，检测图形中只有发射脉冲 及底面回波两个信号，如果工件存在缺陷，在检测图形中，底面回波前存在表示缺陷 的回波。 ( 2 ) 底波高度法 当工件的材料和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的；但如果工件内存在 缺陷，则底面回波高度会下降甚至消失，依据底面回波高度的变化就可判断工件内的 缺陷情况，这种检测方法称为底波高度法。 底波高度法的优点是同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区。 但是实施该方法时要求被检测工件的探测面要与底面平行，耦合条件一致。由于该方 法检出缺陷的定位、定量不便，灵敏度也较低，因此，很少作为一种独立的检测方法， 而经常作为一种辅助手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜或小而密集的缺陷。 ( 3 ) 多次底波法 当透入工件的超声波能量较大，而工件厚度较小时，超声波可在探测面与底面之 间往复传播多次，示波屏上则出现多次底波。如果工件存在缺陷，则由于缺陷反射以 及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数会减少，同时也打乱了各次底面回波高度 依次衰减的规律，并显示出缺陷回波。根据底面回波次数，就可以判断工件有无缺陷， 这种检测方法就是多次底波法。 多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行工件的检测，缺陷 检出的灵敏度低于缺陷回波法。 2 1 2 2 穿透法 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方 法，穿透法常采用两个探头，一个用于发射，一个用于接收，分置在工件两侧进行探 测。 2 1 2 4 共振法 若声波( 频率可调的连续波) 在被检工件内传播，当工件的厚度为超声波的半波 长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差，根 据下面的公式可计算出工件的厚度。 东北大学硕士学位论文第2 章超声波探伤技术 拈害2 瓦c2 赢( 2 - 1 0 ) 2 2 石2 ( 厶一厶一。) 式中，五为工件的固有频率；厶一厶一。为相邻两共振频率；c 为被检工件的声速； 兄为波长；万为工件厚度。 当工件内存在缺陷或工件厚度发生变化时，工件的共振频率将改变。依据工件的 共振性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。共振法常用于工件 测厚。 2 1 3 超声探