（控制科学与工程专业论文）超声tofd的缺陷检测与定量研究.pdf

摘要 超声t o f d 的缺陷检测与定量研究 摘要 超声衍射时差法( t i m eo f f l i g h td i f f r a c t i o n ，t o f d ) 是一种较新 的无损检测技术，它利用超声波在缺陷端部产生的衍射信号来实现缺 陷的检出和尺寸的测量。本文利用超声t o f d 法对缺陷检测与定量进 行了研究，主要的工作有： 1 基于超声t o f d 原理，设计试块模拟人工缺陷，对探头类型 和间距进行了选择和确定。搭建实验平台，对试块扫描获得a 扫描 信号并进行抽样、量化，构建t o f d 图像。 2 为了解决人为误差所造成的侧向波不对齐现象，利用互相关 函数对t o f d 图像进行配准，较好地实现了侧向波、缺陷衍射波和底 面回波的对齐。针对t o f d 法在实际的焊缝检测时，普遍存在着噪声 的现象，提出了自适应阈值算法对t o f d 图像进行去噪，小波的多尺 度特性和阈值的自适应性在提高图像信噪比的同时，较好地保留了图 像的边缘。为了提高缺陷检测的准确度和效率，提出了基于边缘检测 的缺陷检测算法，边缘检测中的阈值采用基于图像能量分布的局部最 优阈值。试验结果表明，该算法较好地识别了图像中的缺陷信息。 3 使用超声t o f d 法对人工缺陷进行检测，缺陷尺寸测量的最 大相对误差为5 左右。为了进一步提高缺陷定量准确度，采用线性 化的方法对信号进行处理，线性化后的缺陷尺寸测量准确度得到了显 北京化t 大学硕士学位论文 著改善，最大相对误差约为3 。最后，对影响t o f d 测量精度的因 素进行了分析。 关键词：超声t o f d ，图像配准，图像去噪，缺陷检测，缺陷定量 i i a b s t r a c t s t u d yo nd e f e c td e t e c t i o n a n dq u a n t i f i c a t i o n o fu 1 月r a s o n i ct o f d a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i ct o f d ( t i m eo ff l i g h td i f f r a c t i o n ，t o f d ) i san e w n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d i tm e a s u r e sa n dd e t e r m i n e ss i z eo ft h e d e f e c tb a s e do nt h es i g n a ld i f f r a c t e df r o mt i p so ft h ed e f e c t s t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e f e c td e t e c t i o na n ds i z em e a s u r e m e n t ，t h e m a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 f i r s t l y , b a s e do nt h et o f dp r i n c i p l e s ，a r t i f i c i a lb l o c ki sd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e dt os i m u l a t ea r t i f i c i a ld e f e c t s t y p ea n dp l a c e m e n to f p r o b e sa r ea n a l y z e da n dd e t e r m i n e d t o f di m a g ei sa c q u i r e da f t e r a s c a n n i n gs i g n a l sa r es a m p l e da n dq u a n t i f i e d 2 s e c o n d l y , i no r d e rt oa l i g nt h el a t e r a le c h o e sw h i c ha r en o tw e l l s o l v e db yt h ea r t i f i c i a le r r o r s ，c r o s s c o r r e l a t i o ni si n t r o d u c e dt oa l i g nt h e a - s c a n n i n gs i g n a l s l a t e r a le c h o e s ，d i f f r a c t i o ns i g n a l sa n db a c kw a l le c h o a r ea l lw e l la l i g n e db yt h i sm e t h o d c o n s i d e r i n gt h en o i s es i g n a li nt h e i m a g i n gd u r i n gt h e w e l d i n s p e c t i o n ，a na d a p t i v ew a v e l e tt h r e s h o l d a l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d i ts e l e c t st h eo p t i m u mt h r e s h o l di ne a c hs t e p i i i 北京化t 大学硕十学位论文 s c a l e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mi m p r o v e st h es i g n a l t o n o i s e r a d i od r a m a t i c a l l yw h i l es t i l lk e e p i n gd e t a i l so ft h ed i f f r a c t i o ns i g n a l i no r d e rt o i m p r o v et h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo ft h ed e f e c t i n s p e c t i o n ，d e f e c td e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ee d g ed e t e c t i o ni s p r o p o s e d i nt h i sa l g o r i t h m ，t h r e s h o l do fe d g ed e t e c t i o ni ss e l e c t e da st h e l o c a lo p t i m u ma c c o r d i n gt ot h ei m a g ee n e r g yd i s t r i b u t i o n r e s u l t ss h o w t h a tt h i sm e t h o dc a ni d e n t i f yt h ed e f e c ti n f o r m a t i o ni ni m a g e v e r yw e l l 3 u s u a l l y , t h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o ri nt o f dd e f e c ts i z i n gi s a b o u t5 i no r d e rt oi m p r o v ei t ss i z i n g a c c u r a c y , p o s tp r o c e s s i n gi s a d o p t e db yu s i n gt h el i n e a rm e t h o d t h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o ro fd e f e c t s i z i n gi so b v i o u s l yr e d u c e dt oa b o u t3 a f t e rt r e a t m e n t f i n a l l y , t h e f a c t o r sa f f e c t i n gt o f d s i z i n ga c c u r a c ya r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ct o f d ，i m a g e r e g i s t r a t i o n ，i m a g ed e - n o i s i n g ， d e f e c td e t e c t i o n ，d e f e c tq u a n t i f i c a t i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：室兰宇嗽 关于论文使用授权的说明 沙i 口f 莎 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书2 卓竹匆 曹五室 作者签名：! ! 二二一 导师签名：狃鱼三兰 日期：兰! ：三：兰 日期：丝! ! ：篁：兰查 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 8 9 5 年德国物理学家w k 伦琴发现了x 射线，1 9 0 0 年法国海关将x 射线 应用于进出口物品的检测，x 射线作为无损检测的一种，标志着无损检测技术由 理论研究进入到了实际应用的领域【l 】。经历了一个多世纪的发展，无损检测已成 为美国、德国、日本等发达国家现代工业的重要支柱，也广泛应用于我国的冶金、 航天、机械、石油、化工等领域【2 】。无损检测涵盖了众多的技术知识，已成为现 代学科中一门重要的学科，并为产品质量和工程质量的检测提供了重要保障p 】。 无损检测以不破坏被检对象为前提，应用物理的方法，对工件的表面或内部 结构进行检测，判断其是否存在缺陷，并根据检出缺陷的特征，评价被检物体是 否具有可用性【4 】。无损检测自发展以来，衍生出了很多的检测方法，按传统的分 类来看，包括：射线检测( 1 玎) 、超声检测( u t ) 、磁粉检测( m t ) 、渗透检测 ( p t ) 和涡流检测( e t ) 。 射线检测是利用射线( x 射线、y 射线、中子射线等) 穿过材料或工件时的 强度衰减，检测其内部结构不连续性的技术。一般用于检测物体的内部情况。近 年来数字图像处理技术与射线检测的结合也为其提供了新的方向【5 1 。磁粉检测、 渗透检测、涡流检测等一般用于检测物体表面或近表面的缺陷。 超声检测是利用物体自身或缺陷的声学特性对超声波传播的影响，来检测物 体的缺陷或某些物理特性。最常用的方法是脉冲反射式探伤。相比较以上几种方 法，超声检测具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高、对 人体无害等优点。随着仪器和检测自动化的发展，超声检测在无损检测领域的应 用范围最广，技术研究最为活跃，目前涌现出了超声相控阵【6 】、超声导波【7 】、超 声衍射时差法( t o f d t i m eo f f l i g h td i f f r a c t i o n ) 等新技术。 1 9 9 6 年第1 4 届世界无损检测大会已确立无损检测( n d t n o nd e s t r u c t i v e t e s t i n g ) 向无损评价( n d e n o nd e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 方向发展的趋判2 ，这 就要求无损检测技术需要对被检对象进行较为完整、综合的评价，不但能探测其 表面或内部的缺陷，而且能准确地测量出缺陷的位置、大小等信息。而在这一方 面，超声t o f d 具有其独特的优势，主要利用缺陷端部产生的衍射信号来实现缺 陷尺寸的测型引。该技术自2 0 世纪7 0 年代研究发现以来，已得到英国、美国、 日本等国家的高度关注，并颁布了相应的标准，但迄今为止仍未达成一致p j 。而 北京化工人学硕士学位论文 在我国超声t o f d 应用不够广泛，标准化方面基本上是一片空白。针对这一问题， 在中国计量科学研究院力声所的实验条件下，本文根据超声t o f d 的特点，使用 数字信号处理和图像处理的方法对采集的t o f d 信号进行处理，研究了其在缺陷 检测和定量方面的问题，为相关标准和规范的起草和制订，提供实验依据。 1 2 国内外超声t o f d 检测技术的研究现状 2 0 世纪7 0 年代，英国h a r w e l l 无损检测中心的m a u r i cs i l k 为了更精确地测 量缺陷的尺寸而研究提出了超声t o f d 法【l o 】。与传统的超声检测方法相比，该 方法具有检出能力强、精度高、检测方便、成像直观等优点；而与x 射线检测 相比，t o f d 的检测更为直接，并能检测出x 射线容易发生误判甚至漏检的一些 缺陷。c a r v a l h o 等【l l 】采用超声t o f d 与传统的脉冲反射法对焊缝缺陷进行检测， 试验结果表明，超声t o f d 法具有更高的检出率。李衍【1 2 】采用t o f d 法与x 射 线检测法对焊接试板中的自然和人工缺陷进行了定量精度和定性准确性的比较， 试验结果表明，t o f d 法除了能检测出x 射线无法检测的测定长度为零的缺陷以 外，在长度和高度方面的测量结果与实际的缺陷尺寸一致性也更好；而在缺陷性 质的判断方面，t o f d 法相比x 射线法准确率要高出7 个百分点。对于t o f d 法的适用范围，研究人员对其的探讨不断。p r a b h a k a r a n 等【l3 】则采用u t 、r t 、 m p t 、t o f d 等对试块进行比较试验，结果认为，对压力容器的在役检测，可用 超声t o f d 法取代其他的无损检测方法。 技术人员对超声t o f d 的不断研究，促进了该技术的迅猛发展。为了规范， 各国相继出台了相应的标准。英国于1 9 9 3 年最先颁布了相关标准 b s 7 7 0 6 ：1 9 9 3 t 1 4 j ，其规定使用超声t o f d 法对在役的发电设备进行缺陷定量评价 的具体程序和要求。欧洲标准化委员会( c e n ) 在b s 7 7 0 6 ：1 9 9 3 的基础上，于 2 0 0 0 年发布了有关超声衍射时差( t o f d ) 法进行探伤和定量的标准草案d de n v 5 8 3 6 ：2 0 0 0 t 1 5 】，包括t o f d 原理、装置、调试方法、检测程序、缺陷评价及显示 记录等。2 0 0 4 年，c e n 发布了有关焊缝超声t o f d 法检测的标准草案d dc e n f f s 1 4 7 5 1 ：2 0 0 4 t j ，该标准是在原标准的基础上，对焊缝超声t o f d 技术，进一步深 化细化了有关的操作要求，包括检测等级、探头设置、灵敏度和时间窗调节、试 块细节及扫查要领等，同时增补了8 张t o f d 图像自身质量和1 0 张焊接缺陷的 典型图谱。美国机械工程师协会( a s m e ) 于1 9 9 6 年颁布了压力容器和动力锅 炉的验收标准a s m ec o d ec a s e2 2 3 5 9 t 1 7 】，最新为2 0 0 5 版，指出检测表面缺陷 时，p t 、m t 、e t 等方法更有效，不能偏废传统的方法，超声t o f d 法应该与 之相互结合，取得更好的检测效果；但可用自动超声检测方法( 包含但不特指) 2 第一章绪论 t o f d 法替代r t 。a s m e 于2 0 0 6 年发布了超声t o f d 图像显示的判读和评定准 则【l 引，包括t o f d 识谱原理和缺陷定位定量法则以及2 2 例焊接缺陷典型图谱。 美国试验与材料协会( a s t m ) 于2 0 0 4 年颁布了采用超声波衍射时差法的标准 实施规程a s t me 2 3 7 3 ：2 0 0 4 t 聊。日本非破坏检查协会于2 0 0 1 年发布了采用超声 衍射时差法的标准实施规程n d i s2 4 2 3 ：2 0 0 1 t 2 0 1 。郑晖等【9 】对上述的标准从适用范 围、探头选用、试块厚度、检测仪器要求等十二个方面进行了详尽的对比归纳， 各标准共同推动了t o f d 技术进步，但仍有一些方面尚未达成一致。 2 0 世纪9 0 年代，我国的无损检测人员对超声t o f d 进行原理的理解与吸收， 并有部分学者翻译了相关的技术文献，并逐步将该技术应用于工程检测。在我国， t o f d 最早应用于西气东输工程。另外，该技术还应用于核工业、电力和石油系 统。2 0 0 4 年，中国第一重型机械集团有限责任公司与中国特种设备检测研究院 合作制定的企业标准通过审查，成为我国第一个t o f d 企业标准【2 。目前我国 所有的t o f d 检测要么是单独申请企业标准，要么作为无损检测的一种辅助手段 不被认可【9 】。随着t o f d 应用的发展，一个关键的问题就是如何对其进行规范， 建立起我国的t o f d 标准。 尽管超声t o f d 在无损检测中的作用愈发重要，但其在应用时仍存在着一些 固有的缺陷。例如：检测仪器的增益较小时，衍射波较小容易被淹没；而增益较 大，将引入电噪声，给检测小缺陷带来干扰；焊缝t o f d 检测时由于材料组织的 复杂，将带来材料噪声；在利用t o f d 图像识别缺陷时，仍要根据相关波的相位 和位置信息进行区分；难以检测出工件底面的较小缺陷等瞄】。针对这些问题， 研究人员采用信号和图像处理的方法对超声t o f d 进行了大量的研究。 t o f d 的衍射波信号微弱容易被其他信号所掩盖，而存在于近表面的缺陷则 易与侧向波发生混叠。i d o 等i z 3 j 对t o f d 方法进行了改进，提出了o n e s k i p 法。 当探头间距是试块厚度的四倍时，o n e - s k i p 法能将侧向波和缺陷衍射信号有效地 区分开来，但探头接收到的信号包括多次波型转换后的信号，分析起来较复杂。 b a s k a r a n 等【2 4 】提出了s - t o f d 法，利用横波速度大概是纵波速度的一半这一特 性，着重研究纵波底面回波和波型转换之后的横波底面回波之间的信号，此时衍 射波不会受到侧向波的影响，缺陷检出率相比较传统的t o f d 法提高了5 1 0 。 陈天璐等【2 5 】提出了一种改进的基于衍射和反射回波的渡越时间( t o f d r ) 的缺 陷识别技术，该方法不再直接检测缺陷上下端部衍射的信号，而是通过检测经过 底面反射一次的衍射信号，结果表明，盲区缩减到被检表面以下2 m m 。 为了减小噪声给被检信号带来的影响，h a t a n a k a 等【2 6 】对9 n i 钢焊缝进行检 测，利用小波变换的方法将信号分解成不同频率的成分，并对其加权，重建a 扫描信号，提高了信噪比。m a a l m i 等【2 7 】利用改进的霍夫变换算法，提取了高噪 北京化i 太学砸学位论文 声背景下b 扫描图像中的裂纹端部衍射信号，并在提高图像分辨力方面进行了 有意义的探讨。 在利用t o f d 图像识别缺陷方面，k e c h i d a 等采用二维g a b o r 小波及模糊 c 均值聚类算法，对超声t o f d 检测的d 扫描图像进行缺陷目标提取的研究， 但该方法是基于统计特性的，小缺陷所占的面积小，容易造成漏检( 如图1 - 1 所 示) 。龚铭等口”将边缘检测算子引入到t o f d 图像中，使图掾中的衍射波信号变 得清晰。但只是对该方法进行了最初始的应用，而对于如何适用于不同的t o f d 图像，如何提高识别的准确度和效率没有进行深入的探讨。 图1 - 1d 扫描幽像中的缺帑检测 ( a ) 原始幽像：嘞分割后的图像 f i g 1 - 1 d e f e c t d e t e c t i o n i na d i m a g e ( 时o r i g i n a li a l a g e ；( 埘s e g m e n t e d1 m 8 胖 在对缺陷的定性方面，m o u r a 等p ”通过神经网络训练，对预置在试块中的不 同缺陷进行分类。实验结果表明，该方法能有效地将未融合、未渗透和孔状缺陷 等区分开来。s h i t o l e 等p ”利用神经网络、模糊逻辑和模糊神经分类器分别对 t o f d 图像中的缺陷进行分类研究，并将各种分类器的分类结果进行比较，实验 结果表明，模糊神经分类器的稳定性、精确性和可信度最高。 在提高缺陷的定位定量准确度方面，z h a a g y 等瞰提出了利用互相关函数来 提高缺陷定量准确度的方法。该方法使用采集的a 扫描信号与声波在两探头中 直接传播的信号进行互相关，相关函数的峰值( 如图l - 2 所示) 即可更为准确地 表示声波在试块中的传播时问。g a n g t 等口”采用合成孔径聚焦技术( s a f t ) 对 b 扫描图像进行处理，建立了图像s a f t 处理的数学模型，实现了b 扫描图像的 重建( 如图1 3 所示) ，以提高图像的横向分辨力。 镕一章绪论 | p 卜一1 一一 霜薯雪 瞳鼬幽醴豳 针对超声t o f d 在识别缺陷和定位定量准确度方面存在的问题，本文对其进 行了较为深入的研究，主要内容如f ： 第二章：根据超声t o f d 和各国已有标准，设计试块模拟人工缺陷井对实 验中探头的类型、问距等参数进行选择和确定。搭建实验平台，对试块进行扫描 获得a 扫描信号。为了t o f d 成像的需要，对原始数据进行抽样和量化。 北京化工大学硕十学位论文 第三章：为了解决t o f d 实验中人为误差所造成的侧向波不对齐现象，利用 互相关函数对t o f d 图像进行配准。在实际的焊缝检测过程中，t o f d 图像普遍 存在着噪声。针对这一问题，从二维图像的角度，采用小波分析对图像进行多尺 度分解，并对去噪过程中阈值的选取进行探讨，旨在去除图像噪声的同时，又能 较好地保护图像的边缘信息。超声t o f d 图像中衍射波幅度较小，仅靠人工目测 容易造成误判。为了提高检出率和准确度，提出基于边缘检测的缺陷检测算法， 并对边缘检测中的固定阈值进行改进，提出根据图像能量分布的自适应阈值，以 对不同的t o f d 图像都能有效地检出缺陷。 第四章：根据采集的数据，计算t o f d 法在缺陷定位定量方面的准确度， 并对可能存在的测量误差进行分析。 6 第_ 二章超声t o f d 数据采集与处理 2 1 引言 第二章超声t o f d 数据采集与处理 超声t o f d 在检测焊缝等工件时，除了能实现缺陷的检出以外，还能获得比 传统的超声检测方法更准确的量化信息【8 】。本章对这一超声检测新技术展开研 究，设计实验并为进一步分析处理提供数据和依据。本章余下的四节主要内容为： 第二节：介绍超声t o f d 检测技术的工作原理。这是进行实验研究最重要的 理论依据； 第三节：设计试块模拟人工缺陷以进行实验。其中涉及到试块材料的选择和 内部缺陷尺寸的设计。 第四节：探头在超声t o f d 检测中用于发射和接收信号，是影响检测灵敏度 和准确性的关键因素。若没有选择合适的参数，将增加实验结果处理的复杂度， 甚至导致实验的失败。因此对探头类型、探头间距等进行选择和确定。 第五节：搭建实验平台，对试块进行扫描获得a 扫描信号并进行预处理， 为下一步的研究提供前提基础。 2 2 超声t o f d 检测技术的工作原理 2 2 1 超声t o f d 原理 超声t o f d 法，是衍射波时差法( t i m eo f f l i g h td i f f i a c t i o n ) 的缩写，即测 量缺陷的回波衍射时间。当宽声束的超声波在传播过程中遇到线性不连续( 例如 裂纹) 时，将与缺陷相互作用，在端部发生反射、散射以及衍射现象。根据h u y g e n s 原理【3 4 】，每一个缺陷端部即成为新的声源，向3 6 0o 方向发射衍射波( 如图2 1 ) ， 此衍射波可由摆放位置合适的超声探头所接收【3 5 】。 超声t o f d 的基本原理如图2 - 2 ( a ) 所示，采用一对中心频率、晶片尺寸、折 射角相同的探头相向对称放置在试块缺陷的两侧。当超声波通过发射探头入射到 试块时，缺陷端部所产生的衍射能量可以在很大角度范围内传播p 5 1 。如图2 - 2 ( a ) 所示，超声t o f d 产生4 种信号：a 为沿试块表面传播的侧向波( l a t e r a lw a v e ) ， b 为缺陷上端衍射波( u p p e rt i p ) ，c 为缺陷下端衍射波( l o w e rt i p ) ，d 为底面反 射回波( b a c kw a l le c h o ) 。 7 北京化- t 大学硕十学位论文 2 3 1 发射波 2 接收波 3 缺陷上端衍射波 4 缺陷下端衍射波 图2 - 1 波的衍射 f i g 2 - 1d i f f r a c t i o no fw a v e s 发射探头接收探头 图2 - 2 超声t o f d 法原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo f t o f dm e t h o d ab 图2 - 3t o f d 检测的a 扫描信号 f i g 2 - 3a s c a ns i g n a lo f t o f dd e t e c t i o n 照此设置后，可得到典型的a 扫描信号如图2 3 所示，横坐标代表时间，纵 坐标代表信号幅度【15 1 。最先到达的为侧向波，最晚到达的为底面反射回波，缺 陷上端衍射波和下端衍射波将在侧向波与底面反射回波之间到达。并且可以看 出，侧向波a 和缺陷下端衍射波c 具有相同的相位，缺陷上端衍射波b 和底面反 射回波d 具有相同的相位，而a 、c 和b 、d 的相位相反。 2 2 2 超声t o f d 扫描方式 超声t o f d 法的扫描方式分为a 、b 、d 三种。a 扫描显示的是一维信号， 表示一个固定位置的采集结果【3 6 1 ，如图2 - 2 ( b ) 所示。借助该波形的相位信息， 可以对缺陷进行定性分析。 第二章超声t o f d 数据采集与处理 而b 、d 扫描可分别产生b 扫描和d 扫描图像，均由一系列a 扫描信号构 建而成，其量化方法将在2 5 3 小节中详细介绍。该图像显示直观易分辨，其区 别在于超声波的传播方向与探头的移动方向是否平行【3 ，具体描述如下： b 扫描时，探头沿着垂直于缺陷的方向移动，即探头的移动方向与超声波的 传播方向平行【3 引，检测所得的b 扫描图像如图2 4 所示。一般用于对缺陷进行 更加精确的定位与定量，作为d 扫描的补充。 f + 、 发射撵头 图2 - 4t o f d 检测的b 扫描图 f i g 2 - 4t o f db s c a ni m a g e d 扫描时，探头沿着缺陷的方向移动，即探头的移动方向与超声波的传播方 向垂直【3 8 】，检测所得的d 扫描图像如图2 5 所示。探测缺陷时，d 扫描是最主 要最适用的扫查方式。 参考线i l 图2 - 5t o f d 检测的d 扫描图 f i g 2 - 5t o f dd - s c a ni m a g e 9 北京化工大学硕士学位论文 2 2 3 缺陷尺寸测量原理 超声t o f d 检测时，假设超声能量从探头入射点进入和离开探头【38 1 。在如 图2 - 6 所示的几何条件( 缺陷在两探头问距中心) 下，超声能量从发射探头入射 到缺陷上，在缺陷端部相互作用产生衍射波后，再回到接收探头。由p y t h a g o r a s 定理可得， 2 4 s 2 + d2 = c t 1 ( 2 1 ) 2 j 2 + ( d + ，) 2 = c t 2 ( 2 2 ) 其中：s 为发射探头和接收探头的中心间距；d 为缺陷深度；，为缺陷自身高度； c 为超声波在试块中的传播速度；t ，为缺陷上端衍射波传播时间；t ，为缺陷下端 衍射波传播时间。 图2 - 6 t o f d 实验示意图 f i g 2 6e x p e r i m e n t a ls c h e m a t i cd i a g r a mo ft o f d 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 联合计算就可以得出缺陷的深度和缺陷的自身高度分别为： d = 去c 2 - f 卜4 s 2 ( 2 3 ) 二 1 ，- - - - - - 一 ，= 去c 2 - 4 s 2 - d ( 2 4 ) 二 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可以看出，根据实验设置得到c 、s ，并分别测出缺陷上、 下端部衍射波的传播时间t ，、t ：，就可以实现缺陷的测深定高。因此，关于缺陷 埋藏深度和自身高度的测量，不同于传统的超声检测，与信号的波幅无关，而是 与接收到的衍射波传播时间相关。 2 3 试块的制备 2 3 1 试块材料的选择 d dc e n f f s1 4 7 5 1 ：2 0 0 4 t 1 6 】中指出：焊缝和母材为低合金碳钢，也可使用声 衰减( 特别是散射衰减) 系数小的其他材料。 1 0 第二章超声t o f d 数据采集与处理 碳钢在钢的总产量中占8 0 左右，是基本的工业用钢。碳钢中除铁和碳两种 元素以外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入的杂质元素，它们 对钢的性能有一定影响。按钢的碳含量c 分，可分为低碳钢( c 0 2 5 ) 、中碳 钢( 0 2 5 c o 6 ) 和高碳钢( c 0 6 ) 。碳钢的钢号可用平均碳含量的万分 数的数字表示。例如钢号“2 0 ”，即表示碳含量为0 2 0 ( 万分之二十) 的碳钢【3 9 】。 根据低碳钢的定义，试块材料可选择1 5 # 或2 0 # 钢。而在实际情况中，1 5 # 和2 0 # 钢不易获得，则在制备的前期，选择了l y l 2 铝。 l y l 2 铝为高强度铝合金，其声衰减系数小，符合欧盟标准的要求。并且， 材料组织均匀，易加工缺陷，微小处易发生衍射湖】。超声t o f d 在国内处于研 究的初期阶段，大多数研究材料都是基于铝合金的 4 1 】，有利于检测结果的比较。 因此，最终确定l y l 2 铝为试块的材料。 2 3 2 试块内部人工缺陷的设计 为了验证超声t o f d 在定位和定量方面的准确度，使用电火花在试块的不同 位置加工了不同尺寸的开口槽，以模拟人工缺陷( 如图2 7 所示) ，缺陷尺寸见 表2 1 。 单位：m m 图2 - 7 试块示意图 f i g 2 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fs p e c i m e n 表2 - 1 人工缺陷几何尺寸 t a b l e2 - 1g e o m e t r yo fa r t i f i c i a ld e f e c t s 模拟缺陷序号长度( m m )宽度( m m )深度( m m ) 1 4 031 0 24 033 0 3 4 03 2 0 北京化工大学硕士学位论文 2 4 探头的选择 2 4 1 探头类型的选择 d de n v5 8 3 6 ：2 0 0 0 1 1 5 】中指出：通常为纵波，特殊情况下可使用横波探头， 但波形较复杂。纵波的传播速度快，大约是横波的两倍，总是先到达，在分析时 可不考虑波型转换的部分，易于解释。并且，纵波容易激发，具有比横波更高的 衍射系数。因此，选择纵波探头。 探头的中心频率、折射角和晶片尺寸是决定传感器性能的重要参数，也直接 影响了检测的灵敏度及准确性。 探头频率越低，波长越长，其幅值衰减越小，则探测深度越深，但分辨力变 差了，不利于内部缺陷上下端衍射波或近表面缺陷的分辨；相反，频率越高，分 辨力越高，但探测深度小【4 2 】，探头主声束扫查范围窄，不能对整个工件进行全 面的扫查。 在探头中心间距及入射点不变的情况下，探头折射角过大或过小，都可能使 得缺陷上、下端衍射波较弱【3 6 】，增加定位误差。尤其是近表面缺陷，处于探头 的近场区，声场分布较复杂，虽然对衍射波幅度影响不大，但对反射波幅度影响 较大【4 3 1 ，侧向波的波幅会随着折射角的减小而增大，以致超过缺陷的波幅，影 响缺陷的识别【2 4 】。 探头晶片尺寸的大小对声束指向性、近场区长度、远距离缺陷检出能力和近 距离扫查范围有较大影响。晶片尺寸大，波束指向性好，辐射的超声波能量大， 探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强； 但随着晶片尺寸的增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利】。 超声t o f d 探头在检测时需覆盖整个试块或工件厚度，所以应根据被检测材 料，选择合适的探头参数。本实验的试块厚度为4 0m m ，据d de n v5 8 3 6 ：2 0 0 0 t 1 5 】 标准，探头参数如表2 所示： 表2 - 2 探头参数 t a b l e2 - 2p r o b ep a r a m e t e r s 试块厚度f m m 中心频率厂m h z 辑懿角侥| o品片尺寸i l l n l 3 5 5 05 37 0 6 03 石 综合以上分析，最终确定探头的中心频率为5m h z ，折射角为6 0o ，晶片尺 寸为6m n l 。 1 2 第二章超声t o f d 数据采集与处理 2 4 2 探头间距的选择 超声t o f d 检测前，必须对探头间距( p c s p r o b ec e n 仃es e p a r a t i o n ) 进行 调整，以获得对特定深度缺陷的最佳检测结果。探头间距应该与需要关心的位置 信息相关。间距较大，可检测到较深位置；间距较小，可检测到较浅位置。对于 上下端面距离小的缺陷，则应使用较小的n g e t 4 5 1 。 d de n v5 8 3 6 ：2 0 0 0 1 5 】中对最佳双探头间距( 2 s ) 进行了阐述： 将图2 8 中缺陷1 2 高度处( 即高度中点) 的声束夹角e 称为中夹角。当中 夹角约为1 2 0 0 时，缺陷端部的衍射效率最高。发射探头和接收探头的布置应使 超声t o f d 成像的声束主轴线以此角度与缺陷所处的深度区域相交。因此，最佳 探头间距的计算公式为： 2 s = 2 d 。t a n6 0 。= 3 4 6 d 。( 2 - 5 ) 或 s = d 。t a n 6 0 。= 1 7 3 d 。( 2 - 6 ) 其中：s 为双探头间距的一半；d 。为缺陷高度中点离试块表面的距离。 中夹角应介于8 5 。e 1 6 5 。，否则缺陷端处的衍射波将减弱。 i 图2 - 8t o f d 法最佳双探头间距的设定 f i g 2 - 8b e s tp c ss e a m go f t o f d 另外，2 0 0 6a s m ec o d e 博】指出：探头间距偏大时会引起有些衍射信号幅度 降低，侧向波信号图像减弱，底波信号图像畸变，图像模糊( 如图2 - 9 所示) ； 探头间距偏小时会引起有些底波信号幅度降低，侧向波信号图像增强，底波信号 图像减弱，缺陷图像变差( 如图2 1 0 所示) 。 北京化t 学硼j 岸位论史 圉2 1 0 探头间距偏小图谱 f i g 2 1 0s m a l l e r p c s i m a g e 综合阻上分析，在进行实验时，应根据式( 2 - 5 ) 或式( 2 6 ) 来合理设置最佳的探 头间距，当然也可以按照实际需要适当地调整探头间距，分析衍射波信号的变化 以获得最佳的检测结果。 2 5 数据采集与处理 2 , 5 l 数据的采集 超声t o f d 采用超声探伤仪的双晶工作模式( 一发一收) 对如图2 7 所示的 试块进行检测。2 41 ，、节中已介绍对探头波型、巾心频率、折射角、晶片尺q 第二章超声t o f d 数据采集与处理 的选择，此处选用的探头是o l y m p u sc 5 4 3 s m ，其为纵波探头，中心频率为5 m n z ，晶片尺寸为0 2 5i n c h ( 1i n c h = 2 5 4c r n ) ，并配有型号是s t l 6 0 l 的斜楔， 其角度为6 0o ( 实验示意图如图2 6 所示) 。为了使探头和试块之间的空气间隙 不影响超声的穿透，探头与斜楔、斜楔与试块之间均采用机油耦合。数据采集采 用示波器t e k t r o n i xd p 0 7 1 0 4 来实现，系统采样频率为2 0 0m a z 。 试验采用d 扫描对图2 7 中的缺陷3 进行检测，探头间距为4 6r a i n 。由于 试块的厚度为4 0m i l l ，在l o 15 0i n n 之间，根据d dc e n t s1 4 7 5 1 ：2 0 0 4 1 1 6 1 可 确定其扫查增量为1l l l n l 。探头每移动lm l n ，保存一次数据，即得到一个a 扫 描信号，其中缺陷处的某一条a 扫描信号如图2 1 1 所示，图中虚线框中( 2 5 - 5 0 岬) 的信号为本文选取处理的信号样本。 2 5 2 信号的抽取 图2 1 1a 扫描信号 f i g 2 - 1 1a s c a ns i g n a l 超声t o f d 采集的一系列a 扫描信号，经排列将构成d 扫描图像。在实际 情况中，显示样本序列的长度受到显示器像素尺寸的限制，而原始样本序列长度 与显示样本序列长度并不相等，并且大多数时候是前者远远大于后者【4 6 1 。因此， 将对原始样本序列进行二次采样，抽取出显示样本序列。针对超声t o f d ，抽取 的原则是既可以保持缺陷的特征，如峰值点的幅值和位置等，又可以去掉多余样 本数据，从而使得显示样本序列能够正常显示。 设原始样本序列为工0 ) ， 、奄，li一矗簧 北京化工大学硕十学位论文 z ( 以) = x ( f ) lt = n r , ( 2 - 7 ) 如果希望将抽样频率z 减小到z ，那么，最简单的方法就是将x q ) 中 每m 个点中抽取一个，依次组成一个显示样本序列x ( 玎) ，即 z ( 玎) = x ( m n ) ，刀= + o o ( 2 - 8 ) 其频域中的对应关系为 一k 归) 2 古荟x ( e j ( m - 2 戚) m ) ( 2 - 9 ) 其中x ( e 加) 、x 忙加) 分别是石仍) 和x ( 疗) 的离散时间信号的傅立叶变换 ( d t f t - d i s c r e t et i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 。这样，x 0 加) 可看成是原信号频谱 x ( e 归) 先作m 倍的扩展再在缈轴上每隔2 刀r m 的移位叠加，如图2 1 2 ( b ) 和( c ) 所示，图中m = 2 。 如图2 一1 2 ( a ) 和( b ) 所示，在第一次对工( f ) 抽样时，要使抽样的结果不发生混 叠，由n y q u i s t 定理可知，抽样频率至少是最高截止频率正的两倍，即丘2 以。 而此刻，对x ( n ) 作m 倍抽取后得到，( 以) ，若保证能由x ( 以) 重建x ( f ) ，那么 x ( p 加) 的一个周期( 一万m ：r i m ) 也应等于x ( j n ) ，这就要求抽样频率z 必须 满足z 2 m f c 。如果不满足，那么x 扣) 将发生混叠，如图2 一1 2 ( c ) 所示。由 于m 是可变的，所以很难要求在不同的m 下都保证f 2 m f c 。为此，可以在抽 取之前先对x ( n ) 进行低通滤波，压缩其频带，然后再抽取【4 7 1 ，如图2 1 2 ( d ) 所示。 令h ( n ) 为一理想低通滤波器，即 h ( e j ) _ ：缆州m ( 2 - 1 0 ) 如图2 一1 2 ( e ) 所示。令滤波后的输出为v ( n ) ，则 ，( 刀) = h ( k ) x ( n - k ) ( 2 11 ) k = - * o 再令对v ( n ) 抽取后的序列为y ( n ) ，则 y ( 甩) = v ( m n ) = v ( n ) p ( n ) = 芝：h ( k ) x ( m n - k ) ( 2 1 2 ) 后二 = v ( m n ) p ( n ) 试验中原始样本序列的长度为1 0 0 0 ，对其进行m = 2 抽样，即每2 个点中抽 取1 个。抽取前后的信号如图2 一1 3 所示。可以发现，信号抽取后既保持了原始 信号所需要的信息，又去除了一些高频噪声。 1 6 第二章超声t o f d 数据采集与处理 之 量 鼍 d ) 2一-霄qdt耳 2 x 噜