（精密仪器及机械专业论文）超声波探伤信号的数字处理技术的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 超声波数字检测技术在无损检测中有着重要的作用。超声波探伤信号的数字 滤波和数字检波是根据对超声波回波信号的采样点进行相关的数字信号处理，重 构出其波形的包络线，准确定位出回波的峰值和波峰时间值，从而来确定缺陷大 小及其在焊缝中的位置。该方法具有检测速度高、处理灵活、适应范围广泛、精 度高以及检测方便等优点，随着计算技术和信息技术的高速发展，它必将越来越 受到人们的关注。 本课题以超声波探伤的基本原理和数字信号处理的基本方法为基础，根据实 际使用需要设计出了超声波探伤信号的预处理硬件电路以及数字带通滤波器和 数字检波器，并根据实验结果验证其正确性。 本课题完成的主要工作 1 详细论述了超声波探伤的基本原理和数字信号处理的基本方法，并分析将两 者合理结合在一起的方案，提出了相应的数学处理模型。 2 设计了数字滤波和数字检波相应的前端预处理硬件电路，实现了超声波回波 信号的准确采集。 3 提出了超声波探头实际发射频率的自动识别方法，利用分段扫频技术实现了 频率自动识别功能，并编写了相关的程序进行验证。 4 设计出了超声波信号的数字带通滤波器，并用m a t l a b 编写了相关的软件程 序，对输入的采集信号进行了实验，得到了较好的效果。 5 设计出了超声波信号的数字检波器，并用m a t l a b 编写了相关的软件程序进 行测试和实验，得出了满足要求的波形和包络线，并详细分析了实验图形和 结果。 关键词：超声波信号数字滤波数字检波h il b e r t 变换 a b s t r a c t u l t r a s o n i cd i g i t a lt e s t i n gt e c h n i q u eh a sa l li m p o r t a n tf u n c t i o ni nt h ef i e l do ft h e n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g a c c o r d i n gt ot h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n go ft h es a m p l i n g p o i n t st h ed i 百t a lf i l t e r i n ga n dd e t e c t i o no fu l t r a s o n i ce c h os i g n a lc a nr e c o n s t r u c tt h e e n v e l o p i n gc u r v eo ft h ew a v e ，e x a c t l yl o c a t ee c h op e a kv a l u ea n di t st i m e ，a n ds o 缸 t h es i z eo ff l a wa n di t sl o c a t i o ni nt h ew e l d i n gl i n e t h em e t h o dh a sm a n yr e m a r k a b l e a d v a n t a g e s s u c ha sh i g h l yt e s t i n g s p e e d , f l e x i b l ep r o c e s s i n g ，w i d es p h e r eo f a p p l i c a t i o n ，a c c u r a t e l yl o c a t i n gt h ef l a w sa n dc o n v e n i e n c ee r e a l o n gw i t h t h e h i 曲- s p e e dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c e r t a i n l yi t w i l lg e tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nf u t u r e b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fu l t r a s o n i ct e s t i n ga n dt h eb a s i cm e t h o d so fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，t h i st h e s i sh a sd e s i g n e dp r e p r o c e s s e dh a r d w a r ec i r c u i t ，ad i g i t a l f i l t e ra n dad i g i t a ld e t e c t o ra c c o r d i n gt ot h en e e do fp r a c t i c a lu s ea n dv a l i d a t e di t s c o r r e c t n e s sb ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ef o l l o w i n ga r em a i na c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i s ： 1 d e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l e so fu l t r a s o n i ct e s t i n ga n dt h eb a s i c m e t h o d so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a n a l y s i so fc o m b i n i n gb o t hr e a s o n a b l y , p u t t i n gf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lp r o c e s s i n gm o d e l 2 d e s i g n e dt h ef r o n tp r e p r o c e s s e dh a r d w a r ec i r c u i to ft h ed i g i t a lf i l t e ra n d d e t e c t o ra n da c h i e v e da c c u r a t ea c q u i s i t i o no ft h eu l t r a s o n i cs i g n a l 3 p u tf o r w a r dt h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nm e t h o do fu l t r a s o n i cp r o b ea c t u a l f r e q u e n c y , u s e ds u b s e c t i o ns c a n n i n gt e c h n i q u et op e r f o r mt h i sf u n c t i o na n d c o m p i l e dc o r r e l a t i v ep r o g r a m t ov a l i d a t ei t 4 d e s i g n e dt h ed i g i t a lf i l t e r o fu l t r a s o n i cs i g n a l ，c o m p i l e dc o r r e s p o n d i n g m a t l a bs o f t w a r ep r o c e d u r e ，t o o ka l le x p e r i m e n tt o w a r d si n p u ta c q u i s i t i o n s i g n a la n dg o tg o o dr e s u l t s 5 d e s i g n e dt h ed i g i t a ld e t e c t o ro fu l t r a s o n i cs i g n a l ，c o m p i l e dc o r r e s p o n d i n g m a t l a bs o f t w a r ep r o c e d u r et ot a k et e s t i n ga n de x p e r i m e n t i n ga n dg o tg o o d w a v ea n de n v e l o p i n gc u r v e a l s oa n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nd e t a i l k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，d i g i t a ld e t e c t i o n ，h i t c ht r a n s f o r m 独创性声明 _ 本人声明所譬交的学位论文是本人在导师指导一卜进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文t t 特别加以标注和致谢之处外，论文巾不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为扶得苤鲞盘堂或其他教箭机构的学位或证 二b 而使用过的材1 - ：1 。我一同1 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 f l j 了明确的说明并表示了嘲意。 学位论文作名签名： 磊五 签字日期： 乃，7 年厂月形f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨奎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壅盘鲎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： 私易 导师签名： 签州期：劢7 年石月，彳同 r 宇彭份 签字r 期：勿护7 年月，f 同 第一章绪论 第一章绪论 随着我国科学和工业技术的迅速发展，工业现代化进程日新月异，它的实现 是建立在材料高品质的基础之上的，为确保这种优异的质量，必须采用不破坏产 品原来的形状、不改变使用性能的检测方法，对产品进行百分之百的检测，以确 保产品的安全可靠性，这种技术就是无损检测技术。 1 1 无损检测简述【1 - 2 】 无损检测以不损害被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学 现象，对各种工程材料、零部件进行有效地检验和测试，借以评价它们的连续性、 完整性、安全可靠性及某些物理性能。包括探测材料或构件中是否有缺陷，并对 缺陷的形状、方位、大小、取向、分布和内含物等情况进行判断；还能提供组织 分布、应力状态以及某些机械和物理量等信息。无损检测工序在材料和产品的静 态和动态检测以及质量管理中，已成为一个不可缺少的重要环节。 无损检测技术是一类在工业发展中有着重要作用的新兴技术，它是由其可靠 性、安全性与经济性决定的。无损检测技术的可靠性指的是，它可以在不损坏工 件完好性的情况下百分之百地检测，所以不会产生像破坏性取样检测方法所固有 的漏检问题。无损检测技术的安全性指的是，它能把隐藏在材料与结构中的危害 性缺陷检测出来，因此它的使用会使被检工件安全运行。它的经济性则是指无损 检测技术的利用会创造出巨大的经济效益。随着计算机技术和信息技术的飞速发 展和时代的进步，超声波无损探伤的数字化、自动化、图像化、以及智能化成为 了研究的热点，尤其是超声成像技术和缺陷的自动识别技术的运用，不仅可以用 图像的方式直观的显示内部缺陷，而且可以利用现代信号分析处理技术，对缺陷 进行定量分析和无损评价。 无损检测技术的理论基础是材料的物理性质，其发展过程几乎利用了世界上 所有物理研究的新成就、新方法，可以说材料物理性质研究的发展与无损检测技 术的发展是同时进行的。在无损检测技术中利用的材料物理性质有：材料在弹性 波的作用下呈现出的性质，在射线照射下呈现出的性质，在电场、磁场、热场作 用下呈现出的性质等等【3 】。现代无损检测技术还应包括计算机数据和图像处理、 图像的识别与合成以及自动化检测技术。无损检测的目的主要来源于三个方面： 质量管理，在役检测，质量鉴定。无损检测技术在现代工业的各个方面都有着广 第一章绪论 泛的应用：体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役 的各个阶段；体现在新材料和新技术的研究中；也体现在保证机器零件、最终产 品的可靠性和安全性上【4 1 。当代的世界各国都非常重视无损检测技术在国民经济 各领域中的作用，投入大量的科研经费研究此技术以提高本国的产品竞争力和促 进本国的经济发展。 1 2 超声波检测技术 超声波检测技术与其它无损检测技术相比，具有适用范围广、速度快、缺陷 定位准确、成本低、灵敏度高、使用方便、对人体无害以及便于现场操作等优点， 而且它的输出是以波形的直观形式体现的，使得能利用当前飞速发展的计算机技 术、信号处理技术和现代控制技术，从而大大地提高了检测的精确性和可靠性。 因而，超声波检测技术是国内外使用范围最广、使用频率最高并且发展速度最快 的无损检测技术。 1 2 1 超声波探伤的发展 s o k o l o v 在1 9 2 9 年首先提出了用超声波来探测金属体内部结构和缺陷的建 议，1 9 3 1 年m u l h a u s e r 获得了一项关于超声检测方面的德国专利，4 年之后， s o k o l o v 首次发表了在液体槽子里，用穿透法做实物试验的结果。世界上第一台 超声波探伤仪是以s o k o l o v 的简单系统为原型的，它在第二次世界大战后出现在 市场上，是比利时这个国家批量生产的，命名为u l t r a s o n e l 。这种第一代超声 探伤仪，由于使用穿透法探伤，效果并不是很好，因而很快就过时了。几乎就在 同一时期，美国的f i r e s t o n e 和英国的s p r o u l e 首次介绍了脉冲回波探伤仪，使 超声检测技术发展到了一个重要的阶段。在各种探伤仪中这是最成功的一种，因 为它具有广泛的通用性，其检测结果也容易解释，并且这种方法的利用，除了手 工检测外，还可以和先进的自动化系统联合使用。自从诞生了第一种脉冲回波探 伤仪后，依据同样的原理产生了无数种其它的探伤仪器，并在很多方面得到了许 多的改良。 随着计算机技术的飞速发展，目前国内外在超声波检测领域都向着自动化、 图像化、智能化以及数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。 国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，相关的超声探伤仪器生产和研 究的公司有美国的泛美公司、德国的k - k 公司、加拿大的r dt e c h 公司、法国 的s o f r a t e s t 公司和西班牙的t e c n a t o m 公司等，这些公司生产的超声波探伤仪 器在世界上处于领先水平。 2 第一章绪论 在国内，超声探伤仪的发展很快，目前已经形成自己的研制和生产基地，并 且许多公司都推出了自己的系列产品，如南通精密仪器、广东汕头超声仪器研究 所、中科院武汉物理研究所、鞍山美斯等公司和研究机构都推出了自己的超声探 伤仪产品，但与国外同类产品的水平还有一定的差距。 1 2 2 超声波探伤的优势 超声波用于无损检测技术是由其特性决定的【5 】： ( 1 ) 超声波的穿透能力强：超声波在大多数的介质中传播时，传播损失的 能量小，传播的距离大，穿透能力强，在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。 这是其它探伤方法无法与之媲美的。 ( 2 ) 超声波的能量高：超声波的探伤频率远远高于声波，而能量与频率的 平方成正比，因而超声波的能量远远地大于声波的能量。实验表明，材料的声速、 声阻抗、声衰减等特性具有丰富的信息，这是超声波用于探伤检测的物理基础。 ( 3 ) 超声波的方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损 检测中使用的超声波，其波长在毫米的数量级。超声波具有像光波一样良好的方 向性，经过专门的设计可以定向发射，这样一来就能很容易地在被检测的材料中 发现缺陷。 ( 4 ) 当遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：人们利用超 声波在介质中传播时这些物理现象，经过精心的设计使超声检测工作的灵活性、 准确性得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的基本原因。 ( 5 ) 超声波对人体无害：超声波是机械波，因而不会像电磁波那样对人体 有危害。因此在探伤过程中，人员不需要防护装置。这使得其应用场合可以不受 限制。 。( 6 ) 超声波探伤设备简单，大小如一收音机，携带方便、操作简单、运用 灵活、使用范围广嘲。 由上述特点可知，超声探伤法较其它的探伤方法有其独特之处，所以目前被 广泛的应用于工业生产中。目前，国内大部分超声探伤仪仍使用模拟电路进行滤 波和检波，但由于模拟电路设计比较复杂且一旦设计完成后就不易修改了，使得 超声探伤仪难以适应多变的客观对象和使用要求，并且精度也很难达到很高的要 求，所以采用数字处理技术进行探伤作业能克服模拟电路探伤的这些不足之处， 这正是本课题研究的意义所在。 第一章绪论 1 3 数字信号处理技术 数字信号处理是2 0 世纪6 0 年代前后发展起来的一门新兴学科。在近半个世 纪的发展中，数字信号处理技术的发展始终是伴随数字信号处理理论的进步、成 熟和集成电路的技术进步而发展起来的。数字信号处理技术的迅速发展是从2 0 世纪6 0 年代开始的，其主要标志是两项重大进展，即快速傅里叶变换( f f t ) 算法 的提出和数字滤波器设汁方法的完善订1 。 1 3 1 数字信号处理的发展 自1 8 2 2 年傅里叶在研究热传播理论时发现傅里叶级数及理论以来的1 0 0 年 里，科学家们一直在研究、探索和完善信号处理和数字信号处理的基础理论和应 用。在2 0 世纪6 0 年代初期，数字信号处理的基础理论研究已经比较成熟，各种 应用算法研究和算法的快速实现方法是应用研究的重点。如离散信号分析及变换 理论、各种d f t 快速变换算法及理论、数字滤波器分析与设计方法等。1 9 6 5 年 c o o l e r 和t u k e y 发明了快速傅里叶算法( f f t ) ，使傅里叶分析的速度提高了数百 倍，从而为数字信号处理的应用奠定了基础。但由于当时计算机技术和数字技术 发展水平的限制，计算速度不高，数字信号处理理论的实现技术一直处于实验室 研究阶段，应用受到限制。2 0 世纪7 0 年代后，由于集成电路技术的发展，使得 用硬件实现f f t 和数字滤波器等算法成为可能。进人2 0 世纪8 0 年代以来，随着 电子计算机、大规模集成电路( l s i ) 技术的发展，1 9 8 1 年美国德州仪器公司研制 出了第一片数字信号处理器t m s 3 2 0 c i o d s p ，以后各种数字信号处理器的出现和 不断成熟，首先使得音频范围内的数字信号处理技术得到了广泛的实时应用。当 时通用数字信号处理器的内部结构已采用改进的哈佛结构和乘法累加器硬件单 元，只是并行处理的能力还比较弱。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，由于超大规模集成电路( v l s i ) 技术，以及微处理 器技术和计算机技术的迅猛发展，数字信号处理无论在理论上还是在工程应用， 都是发展最快的学科之一，并且日趋完善和成熟。特别是2 0 世纪9 0 年代中后期， 由于i n t e r n e t 网络迅猛发展和高清晰度数字电视的研究及各种网络通信、多媒 体技术的普及和应用，极大的刺激了数字信号处理理论尤其是数字信号处理技术 在工程上的实现和推广应用。数字信号处理理论也由经典理论发展到现代信号处 理理论，模糊逻辑、小波变换、神经网络等理论成为新的研究热点。 随着时代的进步，适应数字信号处理的d s p 器件也得到了长足发展。d s p 的产生主要是为了满足通信、雷达、数字电视等领域对实时数字信号处理的需要。 实时处理要求处理器具有极高的处理速度，能够对外部事件迅速做出反应，并且 4 第一章绪论 具有强大的i o 吞吐能力【引。面对d s p 巨大的市场和广阔的发展前景，世界上最 大的几个半导体公司都对此投入巨资。如a d 、t i 、m o t o r o l a 、s e m i c o n d u c t o r 、 s i e m e n s 等公司都在全力开发和生产d s p 器件。不同公司d s p 的侧重点都有所 不同，开发者可以根据实际应用需要选择合适的型号【9 】。现在，数字信号处理技 术正以惊人的速度向纵深和高级的方向发展，它的应用范围仍在不断扩展，据估 计这种趋势还要持续一个较长时期，未来的发展可能会比过去的进程更为激动人 心，必将引起某些应用领域的飞跃性转折。 1 3 2 数字信号处理的优势 数字信号处理系统具有以下一些明显的优点u 引： 1 ) 精度高：模拟网络的精度由元器件决定，模拟元器件的精度很难达到1 0 。 以上，而数字系统只要1 4 位字长就可达到1 0 1 的精度。在高精度系统中，有时 只能采用数字系统。 2 ) 可靠性强：因为数字系统只有两个信号电平“0 ”和“1 ，因而受周围环 境的温度及噪声的影响短小。而模拟系统的元器件都有一定的温度系数，且电平 是连续变化的，易受噪声、温度等外界环境影响。 3 ) 灵活性高：数字系统的性能主要是由乘法器的系数决定，而系数是存放 在系数存储器中的，因而只需改变存储的系数就可得到不同的系统，相对改变模 拟系统方便得多。随着工艺水平的提高，集成度越来越高，可运用的频率也越来 越高。 4 ) 时分复用：时分复用就是利用数字信号处理器同时处理几个通道的信号。 由于某一路信号的相邻两抽样值之间存在着很大的空隙时间，因而可在同步器的 控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一个信号处理 器，后者在同步器的控制下，算完一路信号后再算另一路信号。处理器的运算速 度越快，能处理的信道也就越多。 5 ) 容易大规模集成：由于数字器件具有高度规范性，并且对电路参数的要 求不严，故便于大规模集成和生产，产品的成品率高，而且实现相同功能的数字 器件相对于模拟器件的体积和重量都较小。 由于数字信号处理的突出优点，使得我们在采用模拟方法进行钢板探伤时有 些性能比较难以达到使用要求或者说达到使用要求需要进行更复杂的模拟电路 设计时，我们可以采用数字处理技术进行探伤作业，这样一来，既能得到比较好 的探伤效果，而且还能使探伤检测变得灵活方便。 第一章绪论 1 4 程序设计方法 在本课题中数字滤波器和数字检波器在设计完成后需要用m a t l a b 高级语 言进行相关的验证和调试工作，故需对编写高级语言程序进行相关的论述，以便 使后续的编制程序工作顺利合理。高级语言程序设计，不要求程序员了解机器硬 件，而且高级语言程序的可移植性好，不需作任何修改或者只需作少量修改，就 可以在不同的机器上运行。高级语言的另一个优点是它与人类语言非常相似，远 比机器语言方便【l 。 对于一般的问题，设计一个程序大概要经过以下几个步骤：建立数学模型、 选定算法、编程、测试及调试。 ( 1 ) 建立数学模型 建立数学模型是程序设计中最复杂的一步。好的数学模型本身就是一个定 律，它要通过大量观察、分析、推理、验证等工作才可以得到。在本课题中，设 计的数字带通滤波器和数字检波器就是需要建立的数学模型。 ( 2 ) 选定算法 算法是解决问题的方法与步骤。经常采用的算法设计技术主要有迭代法、穷 举搜索法、递推法、贪婪法、回溯法、分治法、动态规划法等等。另外，为了以 更简洁的形式设计和描述算法，在设计算法时又常常采用递归技术，用递归描述 算法。解决一个问题往往有多种算法，一个算法的好坏将直接影响到一个程序的 质量。通常设计一个好的算法应考虑达到以下要求：正确性，可读性，健壮性， 效率与存储空间需求。本课题设计中主要采用搜索法和递推法这两种算法。 ( 3 ) 编程 ， 编程就是将选定的算法从非计算机语言的描述形式转换为计算机语言的语 句形式描述出来。这个过程和特定的高级语言有关，同一个算法可以用不向的高 级语言来实现。因此，在编程前首先要选择开发的语言。每种语言都有自己的特 点，为一个特定的项目选择语言时通常可以考虑以下因素：应用领域；算法和计 算的复杂性；软件运行的环境；用户需求( 特别是性能需求) ；数据结构的复杂性； 开发人员的水平。在本课题中根据实际情况采用m a t l a b 语言，因为它编程灵 活、使用方便，并且极易变换成c 语言程序下载到仪器中使用。 ( 4 ) 测试及调试 编程完成以后，首先采用静态审查程序，即由人工“代替”或“模拟”计算 机，对程序进行仔细检查，然后将高级语言源程序输入计算机，经过编译、连接， 然后运行。在编译、连接及运行时如果在某一步发现错误，就必须找到错误并改 正。然后再从重新编译运行，直到得到正确结果为止。然后进行测试，除了要有 6 第一章绪论 测试数据外，还应同时给出该组测试数据应该得到怎样的输出结果。在测试时将 实际的输出结果与预期结果比较，若不同则表示发现了错误。对非法的和非预期 的输人数据也要像合法的和预期的输入数据一样进行测试。另外，还要检查程序 是否做了不应该做的事【1 2 】。 1 5 本课题的研究意义和主要工作 本课题所研究的超声数字带通滤波器突破了单纯靠前端硬件电路滤波功能 的频带局限性，可随着探头发射频率的变换自动识别实际发射频率并以实际发射 频率为准进行相应高精度的滤波，不但能滤掉由于钢板自身晶粒大小，周围环境 的干扰等产生噪声信号，而且其自动化程度大大提高，方便了使用要求。本课 题设计的数字检波器能从采集到的超声离散信号序列恢复出的包络线，从而为信 号波形的捕捉和峰值点的准确定位奠定了基础，通过区分两个超声回波信号的峰 值延时来得到探测缺陷的位置和高度等需要测量的几何量，满足探测需要，而且 高速发展的计算技术和信息技术也为数字信号处理的分析提供了强大的工具。 本论文在研究超声波探伤基本原理和数字信号处理基本方法的基础上，针对 实际中遇到的问题，设计了数字滤波器、数字检波器及其相关的预处理电路。主 要工作如下： 1 分析了超声波探伤的基本原理和数字信号处理的基本方法等通用技术问题。 2 设计了超声波数字滤波和数字检波的预处理硬件电路，并介绍了各部分的电 路构成。 3 设计了超声波探头的实际发射频率的分段扫描的软件识别方法。 4 设计和实现了超声信号的数字带通滤波器，并编写了相关的软件程序进行测 试和实验。 5 设计和实现了超声信号的数字检波器，并编写了相关的软件程序进行测试和 实验，并详细分析了实验结果。 7 第二章超声波探伤的基本原理和方法 第二章超声波探伤的基本原理和方法 超声波是超声振动在介质中的传播，它是在弹性介质中传播的机械波，与声 波和次声波在弹性介质中的传播相同，区别在于超声波的频率高于2 0 k h z 。它 是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应力波的形式 传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质，它能透 入物体内部并可以在物体中传播。工业超声波检测中常用的工作频率一般为 0 5 m 1 0 m h z ，较低频率用于粗晶材料和衰减较大材料的检测，较高频率用于 细晶材料和高灵敏度检测【l3 1 。有些特殊的检测工作，往往需要对超声波的频率做 出特殊的选择。如粗晶材料的超声检测常选用1 m h z 以下的工作频率，而金属陶 瓷等超细晶材料的超声检测，其选择频率可达1 0 m - 2 0 0 m h z ，甚至更高。 2 1 超声波探伤的基本原理 、 在超声波探伤中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概 念。如几何声学中的反射、折射定律及波形转换，物理声学中波的叠加、干涉、 绕射、及惠更斯原理等。超声无损检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性( 声 速、声压、声衰减、声阻抗等) 来实现对非声学量( 如密度、温度、流速、厚度、 缺陷等) 的测定。在充满超声波的空间或在介质中超声波振动所波及的质点占据 的空间叫超声场。超声场具有一定的大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时， 才有可能被发现。为了描述超声波声场，常用声压、声强、声阻抗、质点振动位 移和质点振动速度等物理量，其相关的原理介绍如下。 2 1 1 声压 声波在介质中传播时，介质中的各质点的位移会导致各位置附近的质点群时 疏时密，从而各点的压强会随之变化。在某一既定点上有声波传播时比无声波传 播时所增加的压强称为声压。由于质点位移是周期性的，故声压也是周期性的。 超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强只，与没有超声波存在时同一点的 静态压强只之差称为该点的声压，用p 表示：p = 曰一e o ，单位为帕。 对于平面余弦波传播时，介质每一点的声压随着时间和距离而变化。可以表 示为： 第二章超声波探伤的基本原理和方法 p = p c a a o c o s 一争+ 予 2 一 式2 - 1 中p 介质密度，c 介质中的波速，彳价质质点的振幅， 国质点振动的圆频率，f 时问，x 至波源的距离。 由上式可知声压极大值：i i = l p c o l ，可见声压绝对值与介质的波速、质 点振动的圆频率、质点的振幅成正比。因为超声波的频率高，所以超声波比声波 的声压大。 2 1 2 声强 在超声波传播的方向上，单位时间内介质中单位截面上通过的声能叫声强， 常用i 表示，单位为w c m 2 。 现以纵波在均匀的各向同性的固体介质中传播为例，可以证明平面波传播 为： ，= 吉倒2 国2 = j 1 2 磊1 = 吉瑶 2 2 由式2 2 可以看出，超声波的声强正比于质点振动位移振幅的平方，正比于 质点振动角频率的平方，还正比于质点振动速度振幅的平方。由于超声波的频率 高，其强度远远大于声波的强度。 2 1 3 声阻抗 超声波在介质中传播时，任一点的声压p 与该点速度振幅v 之比叫声阻抗， 常用z 表示。声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。 z ：旦2 - 3 y 由式2 3 可以看出在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度就越 小。可以证明z = p c ，这仅是声阻抗与介质的密度和声速之间的数值关系，而非 物理学表达式。z = 加构成了超声检测中缺陷可检性的基础。如果没有缺陷与周 围介质的声特征阻抗差异，就不能将此缺陷检测出来。 声波在传播过程中使其中的质点振动，质点具有动能，而在该质点处产生的 形变又使之具有势能。所以，声波传播的过程就是动能与势能交替传播的过程。 当然，由于声阻抗的存在，其传播的过程也是能量衰减的过程，它的衰减也是有 一定规律的。 9 第二章超声波探伤的基本原理和方法 2 1 4 声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现 象称为超声波的衰减。在传声介质中，单位距离内某一频率下声波能量的衰减值 叫做该频率下该介质的衰减系数，单位为d b m 。 引起超声波衰减的原因很多，主要分为扩散衰减、散射衰减和吸收衰减口4 。 1 扩散衰减是指超声波在传播过程中，因其波前在逐渐扩散从而导致超声 能量逐渐减弱的现象。这是因为随着传播距离的增加，波面愈来愈大，使单位面 积上的能量逐渐减少。超声波扩散衰减取决于波阵面的几何形状，而与传播的介 质性质无关。对于平面波，波阵面为平面，波束并不扩散，因此不存在扩散衰减； 对于柱面波，波阵面为圆柱面，波束向周围扩散，存在扩散衰减，其扩散规律为： 柱面波声压与距离平方根正反比；对于球面波，波阵面为球面，波束向四面八方 扩散，存在扩散衰减。 2 散射衰减是指超声波在传播过程中，遇到声阻抗不同的异质界面( 如粗 大晶粒的界面) 产生的反射、折射和波形转换的现象。它是由物质的不均匀性产 生的。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最后转换为热能。当 试件中晶粒较粗大时，被散射的超声波被接收探头接收后在示波屏上出现“林状 回波”，使信噪比下降，严重时真正的缺陷反射波则隐匿其中，这时不管是提高 探伤仪的发射电压，还是增加增益，都是没有作用的。通常超声波检测多晶材料 时，对频率的选择都注意要使其波长远大于材质的平均晶粒度尺寸。 3 吸收衰减是指超声波在介质中传播时，由于质点间的摩擦和热传导引起 的声波能量减弱的现象，叫做超声波的吸收衰减。介质质点问的摩擦、磁畴运动、 材料中的位错运动等都是导致吸收衰减的原因。通过介质的热传导将热能向周围 传播，导致超声波能量的损失。对于固体介质来说，吸收衰减相对于散射衰减几 乎可以略去不计；但对于液体介质来说，吸收衰减则是主要的。 应该指出的是，超声探伤中所谓的衰减仅指介质对超声波的衰减作用，即与 介质有关的、表征介质声学特性的材质衰减。它包括介质粘滞性引起的吸收衰减 和介质界面杂乱反射引起的散射衰减，不包括扩散衰减。吸收衰减和散射衰减使 材料超声检测工作受到限制，分别克服两种限制的方法略有不同。 l o 第二章超声波探伤的基本原理和方法 2 2 超声波探伤的基本方法 2 2 1 超声探头的选择 实现不同形式能量问的转换叫换能器。频率高于声波频率的一些声学换能 器叫超声换能器。即超声换能器是实现超声波声能与电能相互转化的器件，它可 以把声能转换成电能，也可以把电能转换成声能。 超声波换能器，主要是用电来产生和接收超声的换能器。它利用材料的压 电效应来进行能量转换功能，是实现无损检测的关键部件，一般称为探头。探头 是与检测方法紧密联系在一起的。由于检测方式的多样性，所以探头的种类也是 多种多样的。虽然超声探头多种多样，其结构形式也各有特点，但基本上都是由 压电晶片、背衬吸声体、波形转换器和壳体所组成的。 超声波探伤中，超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探头是电子 设备和超声场问联系的纽带，起着耳目作用，是超声检测设备的重要的组成部分， 而不是检测装置的附件。它的基本形式是直探头和斜探头。直探头主要用于发射 和接收纵波，斜探头常用的有横波探头、表面波探头、板波探头等，其它的探头 一般都是它们的变型。探头的主要性能指标是频率，但还有检测灵敏度和分辨力。 探伤前，应根据探伤对象的形状、超声的衰减规律和检测技术要求来选择探 头。超声波探伤频率一般在0 5 m , - - - - 1 0 m h z 之间，选择范围大。一般来说选择频 率时需要考虑以下因素：频率的提高有利于发现更小的缺陷，这是由于波的绕射， 超声波探伤灵敏度约为半波长的原因；频率高，分辨率高，有利于分辨相邻的缺 陷；频率高，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷进行定位；但 是频率高，波长短，近场区容易出现盲区，不利于探伤检测；频率的提高，相应 的衰减也会急剧增加；频率越高，缺陷反射指向性越好，但这样回波信号不易被 探头所接收。由以上分析可知，频率的高低对探伤有较大的影响。一般在保证探 伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。对于晶粒较细的锻件和焊接件等，一 般选用较高的频率，常用2 5 m - - - , 5 0 m h z ；对于晶粒较粗大的铸件，一般选用较 低的频率，常用0 5 m 2 5 m h z 。实际探伤中要全面分析考虑各方面的因素，合 理选择探头发射频率。在本课题中由于考虑的对象是对焊缝缺陷进行探伤，其属 于晶粒较细的焊接件，故探头选用较高的频率，取5 0 m h z 进行实验。 第二章超声波探伤的基本原理和方法 2 2 2 脉冲反射法 超声波检测的方法有透射法、共振法、脉冲反射法、t o f d 法等等。这里主 要讲述应用较为广泛的脉冲反射法和近几年来快速发展的t o f d 法。 脉冲反射法是一种利用探头发射超声信号到被检测对象内，然后根据反射回 波来检测试件缺陷的方法。脉冲反射法主要是指缺陷回波法。缺陷回波法是根据 示波器上显示的缺陷波形进行相关检测的方法，此方法是脉冲反射法的基本方法 【l6 】 o ( a )( b ) 图2 - 1 脉冲反射示意图 图2 - 1 是缺陷回波法的示意图，当试件完好时，超声波可顺利地传播到达底 面，示波器中显示的只有表面波b 和底面回波d 两个信号，如图2 - 1 ( a ) 所示。 若试件中存在缺陷，则在示波器中底面回波前有缺陷的回波f ，如图2 - 1 ( b ) 所示。 在此方法探伤过程中，示波器上通常除了有表面波b 、底面回波d 和缺陷回波f 外，还会出现一些其他因素引起的非缺陷回波，影响对缺陷的正确判断。这时就 需要用超声波反射、折射和波型转换理论进行相关的修正工作，从而达到正确探 伤的目的。 2 2 31 o f d ：法 2 0 世纪7 0 年代末，超声波衍射时差测量( t o f d ) 技术在欧洲问世，进入 9 0 年代以后，随着计算机技术和信息技术的发展，t o f d 技术在西方发达国家得 到了快速发展，其理论也逐渐成熟，并且越来越多地用于实际的仪器中。 t o f d 法，是指在焊缝缺陷检测中，利用缺陷上下端部的衍射波传播的时间 延迟差来进行缺陷定位定量方法的总称。因而，从另外一个意义上讲，凡是利用 缺陷上下端部衍射波的时差来进行定量检测的方法一般都称为t o f d 法。它依据 的物理学原理是惠更斯原理。t o f d 法，是2 0 世纪7 0 年代末由英国h a r w e l l 实 验室的s i l k 和l i d i n g t o n 提出的【1 7 】。近几年来，t o f d 技术作为一种先进的无损 检测技术在西方国家的一些行业有着大规模应用的趋势，特别是随着信息电子技 术的迅速发展，t o f d 技术也得以实现快速的发展。采用t o f d 检测法可以实 现自动化实时检测。由于其检测的前端装置( 扫描器和探头) 可以制作的较小， 1 2 第二章超声波探伤的基本原理和方法 所以不但可以在焊接过程中对工件进行检测，同时也可以实现在役检测，方便了 工业使用。此外，该方法检测出来的结果再现性也比较好，可以用于监测缺陷的 生长。但在实际检测中，t o f d 法在试件的上下面存在检测的盲区，而且如果缺 陷高度倾斜，纵向扫描就很难将其检测出来。有时候，并不严重的缺陷，如点状 缺陷，显示出来的结果却好像是一个裂纹。因此，为了保证检测的准确性和精确 性，实际的探伤作业中t o f d 技术通常和其它的无损检测技术相配合来进行检 测，比如和脉冲反射法相结合就能达到几乎1 0 0 的焊缝缺陷检出掣1 8 】。t o f d 方法现行的标准主要是英国的b s7 7 0 6 标准和欧洲的e n v5 8 3 6 标准【l9 1 。它的 探伤示意图如图2 2 所示【2 们。 j 酚 ， v 。“一内一 1 图2 2t o f d 探伤原理图 从图2 2 可以看出，将频率、角度、尺寸相同的发射探头和接收探头按一定 的距离相向对称放置在焊缝的两侧，发射探头发出超声纵波在试件内部传播，利 用缺陷端部的衍射波来测量缺陷自身高度。在没有缺陷的地方，得到的信号仅为 试件表面传播的侧向表面波和底面反射的回波，但在有缺陷的地方，还会接收到 来自缺陷上下端的衍射波。所以利用探伤图形上的各个信号到达的时间延迟差， 便可得到缺陷的高度和深度。在通常的方法中，入射角如果偏离1 0 。，其灵敏 度约降低2 5 d b ，而t o f d 法却只降低5 d b ，相对来说减少了很多，而且此方法 还具有不易受裂纹斜度影响的良好性能。t o f d 法通常使用的频率为2 m 1 0 m h z 的纵波探头1 2 ，这是因为纵波最先到达接收探头，并且纵波容易发生衍 射，同时纵波的应用还可以简化接收到的波形。从图2 2 还可以看出，t o f d 法 探伤作业时无需使探头在试件表面作前后或左右或转动扫描，所以缺陷定量精度 与扫描间距一般无关。 第二章超声波探伤的基本原理和方法 m 豇浚缺陷顶靖缺陷底靖 雇面回波 一 量 箭射浚衍射波 l 一 一 j 一v 1 j r 。y y 一响二 图2 3t o f d 法探伤的典型波形示意图 t o f d 法的典型探伤波形如图2 3 所示【2 2 】，当发射探头发出超声信号后，首 冼到达接收探头的信号是通过试件表面传播的正向信号波( 侧向表面波) ，它是 测量缺陷的参考；如有缺陷则纵波在缺陷上端产生衍射波，形成负向的信号回波 ( 缺陷上端波) ，同样在缺陷下端的衍射波则形成正向的信号回波( 缺陷下端波) ； 最后接收到的是由底面反射的负向信号波( 底面回波) 。如果不计波型转换，在 试件中由缺陷产生的信号均在侧向表面波与底面回波之间到达，这是因为侧向表 面波和底面回波在发射探头与接收探头之间传播的声程最短和最长的缘故。同样 的道理，缺陷上端部产生的衍射信号会在缺陷下端部产生的信号之前到达接收探 头。此外，a c 波形还提供了相关的相位信息来帮助判断缺陷的性质。由图2 3 可看到，侧向表面波和底面回波的相位相反，缺陷上下端衍射波的相位也相反。 侧向表面波与缺陷上端部产生的衍射波的传播时间延迟差与缺陷的深度有关，缺 陷上下端部产生的衍射波的传播时间延迟差与缺陷的高度有关。所以关于缺陷深 度和缺陷高度的检测，都是由接收到的超声波信号的传播时间延迟差来确定，而 与超声信号的波幅( 强度) 无关。 由上述超声波探伤的基本原理和方法可以看出，虽然超声波探伤的各种具体 方法和原理不尽相同，但是都是利用探头发射超声信号在测试工件中传输，并且 都会产生表面波和底面回波，而且当遇到缺陷时还会在两端部产生回波，接收探 头接收到工件的表面波、底面回波和缺陷回波后，探伤系统依据信号的时差或者 波峰值来判断缺陷的位置和大小。这正是数字处理技术能用于各种超声探伤的基 础，因为超声探伤中的数字处理技术关心的是如何根据采集到的信号来恢复原信 号的包络线，从而捕捉波形和定位波峰，进而来确定缺陷的位置及大小，而采用 何种超声探伤方法和原理与之关系不大，所以一般来说，数字处理技术几乎能用 于各种探伤仪。 1 4 第三章超声探伤回波信号的调理与采集 第三章超声探伤回波信号的调理与采集 本实验室设计的是一套四通道超声探伤采集卡。它包括了超声波发射电路、 接收信号通道的选择、限幅电路、增益放大电路、模拟滤波电路、数据采集电路、 系统控制电路、数据传输接口( u