（检测技术与自动化装置专业论文）排水管道超声波成像检测系统研究和设计.pdf

扎m t 业人学坝f 学位论文 摘要 在我们国家，地下排水管道堵塞或者破裂造成的污染，直接或问接造成的经济损失 是相当严重的，所以研究和设计一台排水管道自动检测系统很有必要。 本文先简要叙述了课题背景、国内外发展现状、超声波特点及超声波成像的原理， 接着主要阐述了如何设计排水管道超声波成像检测系统，其中包括超声波发射、接收和 放大电路设计，成像软件的设计。在课题研究初期，对超声波信号在排水管道中的耦合 方式进行了对比论证，从沿爬行器安装8 个探头至i 探头旋转耦合到最后通过镜片反射耦 合。成像软件是用v c + + 6 0 调用采集卡的动态连接库( d l l ) 柬编写的。设计的排水 管道超声波成像检测系统能在实验室上不境下用充满水的会属瓮模拟实际排水管道的一侧 来估计垃圾淤泥的含量和内壁的磨损。 本文对用装满水的金属稚模拟实际排水管道一侧的超声波a 型成像进行了详细分 析，对金属毓底部有无垃圾碎石、会属翁底部壁磨损等情况的成像结果进行了比较，模 拟实际排水管道估计垃圾淤泥的含量以及管道内壁磨损程度。在实验室内对提出的成像 检测方案进行了实验，实验结果表明检测方案是完全可行的。并对榆洲过程中系统信噪 比、超声 回波峰值、系统检测精度分析及其改进措施、超声波成像速度和小波去噪进行 了简要的分析，总结出了影响排水管道超声波成像检测精度的若干重要因素，提出了解 决这些情况的方案。论文还对以后的通过小波分析探测排水管道管壁内部缺陷研究工作 进行了展望。 由于我们国家对排水管道成像检测的研究起步比较晚，所以本课题研究的排水管道 超声波成像检测系统对我们国家排水管道在线成像检测具有非常重要的意义，同时对提 高我国的排水管道检测水平，也具有卜分重要的意义。 关键词：排水管道，自动检测，超声波成像检测，信噪比，动态连接库 沈m t 业大学坝i ，学位论义 一_ _ 一 r e s e a r c h i n g a n d d e s i g n i n gd r a i n a g ep i p e u l t r a s o n i c i m a g i n gt e s t i n g a b 瞧t r a c t i no u rc o u i l 时，i ti sq u i t es e r i o u st h a td r a i n a g ep i p ew a i l i n gu pa n dc r a c k i n gp r o d u c e s p o l l u t i o na n dd i r e c to ri n d i r e c te c o n o m yl o s s ，s oi t i sv e r yi m p e r a t i v et h a tw ew i l lr e s e a r c ha n d d e s i g nad r a i n a g ep i p e l i n ea u t o m a t i o nt e s t i n gs y s t e m f i r s t l y ，i n a r r a t ea r t i c l e b a c k g r o u n d ，d o m e s t i c a n do v e r s e a s d e v e l o p m e n ta c t u a l i t y , u l t r a s o n i cc h a r a c t e r i s t i ca n db a s i cp r i n c i p l e so fu l t r a s o n i ci m a g i n g i nb r i e f t h e nid e m o n s t r a t e d m o s t l yh o w t od e s i g nd r a i n a g ep i p eu l t r a s o n i ci m a g i n gt e s t i n gs y s t e mi nt h et e x t 。i n c l u d i n g c i r c u i td e s i g n i n go fu l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n g ，r e c e i v i n g ，a n da m p l i f y i n g ，a n dd e s i g n i n go fi m a g i n g s o f t w a r e d u r i n ge a r l yd a y so f r e s e a r c ho f t h eq u e s t i o no f d i s c u s s i o n ，ic a r r yo u td e m o n s t r a t i o n o fu l t r a s o n i cs i g n a lc o u p l i n gm o d e si nt h ed r a i n a g ep i p e f i r s t l y ，ia s s u m et h a tim a y f i te i g h t p r o b e sa r o u n dt h es c r a m b l e r s e c o n d l y ，iu s ec o u p l i n gw a y so fr o t a r yp r o b e f i n a l l y ，is e l e c t m i r r o rr e f l e c t i n gf o rc o u p l i n gs i g n a l ip r o g r a mp r o c e d u r e so fi m a g i n gs o f t w a r et h r o u g hu s i n g v c h _ 6 0b y t r a n s f e r r i n gd y n a m i c l i n kl i b r a r yf d l l ) d r a i n a g ep i p eu l t r a s o n i ci m a g i n gt e s t i n g s y s t e m ，id e s i g n ，c a l le s t i m a t e c o n t e n t so f g a r b a g ea n ds i l t ，a n dw a r ea n dt e a ro f p i p e si n t e r i o r w a l lb yu s i n gm e t a lb a s i nf i l l e dw i t hw a t e ra n ds i m u l a t i n ga n ys i d eo fa c t u a ld r a i n a g ep i p e u n d e r l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t t h ep a p e ra n a l y z eu l t r a s o n i ca t y p ei m a g i n go fs i m u l a t i n gd r a i n a g ep i p eb yu s i n gm e t a l b a s i nf i l l e dw i t hw a t e ri nd e t a i l ic o m p a r eu l t r a s o n i ca t y p ei m a g i n g r e s u l t so fs i t u a t i o n sw h e r e t h e r ei sg a r b a g ea n ds i l to nt h eb o t t o mo fm e t a lb a s i n ，w e a ra n dt e a ro fm e t a lb a s i n si n t e r i o r w a l le t c ie s t i m a t ec o n t e n t so f g a r b a g e a n ds i l t ，a n dw e a ra n dt e a rd e g r e eo f p i p e si n t e r i o rw a l l t h r o u g hs i m u l a t i n gd r a i n a g ep i p e i nt h el a b o r a t o r y ，s o m ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt o t e s t i m a g i n gi n s p e c t i n gp l a n t h e r e s u l t sm a k ec l e a rt h a tt h ep l a ni sar e a s o n a b l es o l u t i o nt oi n s p e c t t h ed r a i n a g ep i p e s o m ei m p o r t a n tf a c t o r s ，s u c ha ss y s t e ms i g n a l t o - n o i s e ，u l t r a s o n i ce c h op e a k v a l v e ，s y s t e mi n s p e c d o np r e c i s i o na n a l y s i s a sw e l la s i m p r o v e m e n tm e a s u r e s ，u l t r a s o n i c i m a g i n gv e l o c i t y a n de l i m i n a t i n gn o i s e b yw a v e l e ta n a l y s i s w h i c he f f e c t d r a i n a g ep i p e u l t r a s o n i c i m a g i n gw o r k i n gs m o o t h l y ，a l es u m m a r i z e d ，a n ds e v e r a lm e a s u r e sa r e a l s op u t 沈阳t 业。l 学坝i 学位论立 f o r w a r dt os o l v et h e s es i t u a t i o n s e x p e c t a t i o n s ，w h i c h e x p l o r eh m e r f l a w sd r a i n a g ep i p ew a l tb y w a v e l e ta n a l y s i sa r eg i v e ni nt h e p a p e r w e c a r l y o n s t u d y i n g a n d d e s i g n i n g o f d r a i n a g e p i p ei m a g i n gt e s t i n gs y s t e m c o m p a r a t i v e l yl a t e l y t h e r e f o r e ，i ti se p o c h m a k i n ga n dm e a n i n g f u lt h a ti s t u d yt h ed r a i n a g e p i p eu l t r a s o n i ci m a g i n gt e s t i n gs y s t e mf o rp i l lc o u n t r y so n l i n eu l t r a s o n i c i m a g i n gt e s t i n g s y s t e m a n d i ti sv e r ym u c h m e a n i n g f u l t h a tw e i m p r o v eo u rc o u n t r y sd r a i n a g ep i p el e v e l k e yw o r d s ：d r a i n a g ep i p e ，a u t o m a t i o nt e s t i n g ，u l t r a s o n i ci m a g i n g t e s t i n g ，s i g n a l t o n o i s e d y n a m i c l i n kl i b r a r y 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 日期：趔：兰：! f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 枷怒 日期：椰2 ，咿 沈m 丁业人学顺l 哮位论业 1 绪论 1 1 课题背景 地下排水管道是城市地下管线的重要组成部分，其运行水平的离低直接影响城市经 济建设的发展。如今，城市建设飞速发展，污排水管道施工存在很多质量问题( 如管道 接口错位、管长不够以砖等代替、管道破裂、管道内部遗留大量砖头石缺及水泥残渣等 建筑垃圾) ，最后导致管道堵塞，出现漏水、冒水影响市容交通，严重者引起地面塌 陷，建筑物及路面存在安全隐患。目前，国内管道内部状况检测方法一般是大口径时人 钻进去检查，小口径管道无法进行检查。这种既不严谨也不科学更不安全( 以人下井查 管道) 的方法给f 1 后的管理带来隐患。 】1 1 课题研究意义 地下排水管道是污物最集中的部位，_ 1 旦发生泄漏，污染的散布速度会很快。据世 界卫生组织2 0 0 3 年5 月1 6 昂发布的调查报告，导致香港淘大花园“菲典”疫清的原因 之一，就是多个住户的u 型聚水器长期干涸，令聚水器丧失阻隔功能而形成“空气倒 流”。为避免淘大花园事件重演，特区政府将考虑改善楼房的污水道设计。香港屋宇 署检查了4 6 0 0 幢楼宇的排污系统，要求其中5 0 0 幢楼的排污系统要及时检测和维修。 北京市国土房管局也发出通知，要求在2 0 0 3 年5 月底之前对全市房屋内部排水管道进 行一次全面检查。由此看到排水管道的检测非常重要且很有需要，检测到垃圾淤泥后的 及时清理也是必须的。 同时因为排水管道堵塞或者破裂造成的经济损失也是很严重的。习此，为了减少排 水管道发生堵塞事故，对排水管道提前进行检测非常有必要。在本课题中采用超声波成 像检测系统来实现排水管道的实时检测。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外排水管道检测及清洗仪器设备的现状 英国的雷迪公司的c c t v 系统作为管道非开挖检测技术的一部分在国外的应用已经 非常普遍，是市政管理的助手。在排水施工完毕后经c c t v 检查，为工程验收把关，借 以带动地下排水管道管理科学化、规范化、自动化。c c t v 还被广泛地应用于同常管道 沈m t 业人学坝i 学位论土 普查及养护，有效地消除和解决管内存在的各种隐患和问题。c c t v 利用视频原理，以 爬行器配裁摄像镜头、灯光，通过电脑主机操作能自如地在管道内全方位检测，其状况 犹如医院的胃( 肠) 镜检查。它能即时、直观、清晰地将管道内部情况在显示仪上反映 出来，并能制作成光盘，以便分析、保留。目前引进f 勺c c t v 系统能检测3 0 0 r a m 以上 的地下管道，在小区物业和市政建设方面起到了难以估量的作用。 美国的伐克多( v a c t o r ) 2 1 0 0 型下水道冲水吸污车，可将下水道内的污物清除 及清洗步骤一次性同时完成，操作过程简单、快捷而彻底。该设备是为城市污水及雨水 管道系统清洁工作而设计的多用途清污车，本身附有一切清沈下水管道所必须的设备。 它可对直径3 0 0 m m 以上的地下管道进行综合性作业，具有疏通、清沈、抽水、吸污等 几大功能，高压射水压力3 0 0 0 p a ，对物业小区管道，尤其对市政雨、污水管道、窨井 的疏通吸污具有非常明显的功效。 德国生产的车载高压射水疏通机，能有效地用来清洗城市上下水管道、工矿企业排 污管道。清洗对象为各种结垢物、粘结物及堵塞物。清洗主要部门有发电厂、化工厂、 钢铁厂等上百种厂矿企业、医药卫生部门、机关、学校、建筑业、物业管理小区及各大 宾馆等服务性行业，即儿是使用管道的部门，皆可进行清洗。它通过乏柱塞高压泵将普 通的自来水加压至2 5 m p a 的压力。然后再通过喷头七的细小孔径( 直径l m m 左右) 喷 射出一股能量高度集中的水柱，利用这股射流可冲击、破碎各类管道中的结垢物、粘结 物和堵塞物，然后将其排除到管外。达到疏通、清净管道的目地。 同是德国生产的吸污车有“哈勒”真空吸污车，该设备主要用于抽吸装运城市环卫 液态废弃物、工业有害废液及建筑施工污泥等液态废弃物。它采用真空抽吸，压力排 出，高效省时。罐体容积3 m 3 。该设备尤为适用于抽吸小区雨、污水管道、窨井内积淀 的淤泥。 l - 2 2 国内排水管道检测现状 在国内，大多公司主要还是引进国外排水管道检测系统，自主丌发的排水管道检测 设备很少。例如，哈尔滨工业大学研究的城市主排水管道穿缆、检测机器人。咳检 测机器人主要内容及技术指标： 沈1 ；f | t 业人学i 处 学位论文 穿缆、检测机器人是解决井深超过3 米的排水管道内不能穿缆的难题，同时可以用 做排水管道内窥检查，及时发现管道内的故障隐患。“于机器人在污水中作业，加上排 水管道的特殊工作环境，穿缆、检测机器人采用履带驱动，具有在排水管道爬行的外形 结构，可以根据不同管道的具体环境自动调整位姿及行走路线。此机器人还可以作为载 体，通过安装不同的设备实现排水管道内障碍物检测及清除等作业。 可以完成任何深度排水管道穿缆作业；通过传感器实时的反馈机器人和管道内的状 态，并自动调整姿态，并可以安装摄像头用做管道内窥检测。检查井( 马葫芦) 井口直 径为0 7 米，一般深度为3 4 米，最大深度为9 米，管道直径一般为1 0 米：机器人 本体总体尺寸( m m ) ：长9 0 0 ，宽5 0 0 ，高3 1 5 ；机器人行走的最大速度：l o o m m s 。 它的应用领域：解决井深超过3 米的排水管道内不能穿缆的难题，同时可以用做排 水管道内窥检查，及时发现管道内的故障隐患。 在管道成像检测做得比较成功的公司是英国的霸迪公司。雷迪有限公司 ( r a d i o d e t e c t i o nl t d ) 是世界领先的探测仪器研发、设计生产商，成立于1 9 7 0 年，总 部位于英国布星斯托( b r i s t 0 1 ) 。是一家专门从事研发和生产各种探测、检测仪器的跨 国公司。他们生产的管道成像声纳系统p p s 3 处于世界领先水平。虽然p p s 3 精度很高， 但是不太适合现阶段中国排水管道的检测需要。而且价格昂贵，所以有鉴于此，借助雷 迪公司的研究，开发适合我们本国实际需要的排水管道成像检测系统。 国内对这个应用的研究还刚刚起步。因此，本文研究和设计开发的排水管道超声波 成像检测系统对我国的排水管道在线成像检测具有非常重要的划时代意义，同时对提高 我国的无损检测技术水平，也具有十分重要的意义。 1 - 3 超声波无损检测技术的现状 超声波无损检测( u t ) 技术作为五大常规无损检测技术之一，由于它的穿透能力 强、对人体无害，而且具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确及成本低等诸 多优点，已经广泛应用于工业及高技术产业中，并且成为国内外应用最广泛、使用频度 最高且发展较快的种无损检测技术【1 】。近几年召- 月：的国际与全国性无损检测学术会议 上，超声检测方面( 含声发射) 的论文数量都几乎占到总数的一半，成为学术研究的活 沈m 【、舰 帧擘似论文 跃分支。十余年来推动超声检测发展的主要因素是：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。 ( 1 ) 诸如复合材料和精细陶瓷等新材料的应用，使传统的超声检测方法遇 到障碍，促使人们探索采用若干特殊的超声检测途径。 ( 2 ) 计算机技术的使用国家自然科学基金与国家教委跨世纪优秀人卅培养计划 项目突飞猛迸带动了传统超声检测技术水平的提高，使其获得的结果更直观可靠， 还能方便地以= 维或三维形式成像。 ( 3 ) 现代信息科学为超声检测的发展注入了新的活力，l hj _ l 可对一些复杂的检测 信号与过程作出迅速有效的提取与解读。 ( 4 ) 特殊的构件对超声检测提出了非接触的要求，促使超声检测从换能方法上有 了新的突破。 1 4 超声波无损检测技术的发展趋势 目前在若干领域超声检测开始向超声无损评价发展，使得超声检测内容有了新的内 涵。从超声检测新技术的应用面来看，它包含了许多内容，如超声波应力与余应力测量 技术、超声导波技术、声发射新技术、超声显微镜技术、超声层析成像技术等，基于篇 幅这卑仅对超声波成像检测技术作一简要介绍吐 在现代无损检测技术中，超声波成像检测技术是一种令人注目的新技术。无损检测 技术的基本目的是检测出物体中的缺陷，并确定其位置、大小和性质。物体的超声波图 像可以提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性质，而这些性质恰是应用 断裂力学评价材料的依据，现代超声波成像技术大都有自动数据采集、自动数据处理和 自动作出评价的功能，使超声波成像成为现代定量无损检测的一种重要技术。超声波成 像技术有着非常广阔的发展前景。 超声波成像的研究最早可以追溯到1 9 2 0 年，著名的原苏联科学家萨卡洛夫 s j s o k o l o v 从1 9 2 0 年起进行了近2 0 年的声成像研究。为声学界作出了重大贡献，并于 1 9 3 5 年完成了液面成像装置。其后出于技术上的毒孛种原因。超声波成像研究进展缓 慢。6 0 年代术，由于电子技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展，声成像研究 沈阳t 业人学坝卜学位论文 恢复了生机。7 0 年代形成了几种较成熟的方法，大量商品化设备上市，在医学诊断中 得到极其广泛的应用，在工业材料超声检测中逐渐得到应用。 超声波成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。由于声波可以穿透很多不透光 的物体，故利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，声成像技术将这些信 息变成人眼可见的图像，即可以获得不透光物体内部声学特性分如的图像。 超声波成像检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、使用灵活、设备轻 巧、成本低廉，可即时对正在运行的装置和设备检验等种种优点。当然超声成像检测通 常要求工件形状比较简单，有规则，表面比较光洁。而常规超声检测的一个不足之处是 难以识别缺损的种类，只利用传统的a 超扫描法，只能判定缺损发生的位置。然而在本 系统中可以通过利用重构出的超声波c 型截面图像，可以给出缺损的具体图形，这样对 识别缺损的种类大有益处。此外，对超声频谱分析和超声全息成像方法的应用，也有助 于对缺损的定性。 随着计算机的普遍应用，超声检测仪器和检测方法都得到了迅速的发展使超声检 测的应用更为普及。在本系统中，计算机在超声波成像检测中己能够完成数据采集、信 息处理和记录存储等多种功能，微处理机作为一个中心部件柬执行处理数掘和图像的任 务。此外，在屏幕上同时显示出回波曲线和检测数据、仪器的调整状态，垃圾淤泥界面 反射波形和各种操作功能：用打印机输出可供永久记录的各种数据和图形资料，并直接 由计算机编制测试报告口j 。 经济的发展离不开技术的进步，而工业技术中的无损检测技术与工业的发展是紧密 联系的。超声无损检测作为无损检测的一部分超着非常重要的作用。各学校和研究所担 负起向社会输送无损检测人员的责任。关于超声无损检测，他们一方面要学习理论知 识，另外一方面要结合实际在实验中积累丰富的经验。在丌始做实验时，他们往往对工 件中的缺陷认识不够，如何根据回波判定排水管道中磨损缺陷的大小和垃圾淤泥的含量 存在着困难。借助于超声成像c 扫描装置，它能够直接显示工件中缺陷在任一截面的面 积图形，来确定缺陷的尺寸大小，根据图形有利于判定缺陷的性质| 4 l 。这对他们判定缺 陷的大小和确定缺陷的性质是很有帮助的。 沈阳丁业大学硕l 学位论文 接收超声检测仪送来的测量数据，实时地重建缺陷的a 超曲线，非实时地重建缺陷 的超声波c 型排水管道截面成像以及缺陷的立体数字罔像并可旋转角度和光照的立体显 示效果。在目前的金属探伤领域内，使用超声( 或射线) 的反折透射波信息重建物体 内不可见的缺陷的c 超及立体数字图像，也是一种刨新 5 】。 1 5 超声波 人能听见声音的频率为2 0 h z - 2 0 k h z ；即为呵听声波；超出此频率范围的声音：即 2 0 h z 以下的声音称为低频声波；2 0 1 d t z 以上的声音称为超声波：般说话的频率范围 为1 0 0 h z 8 k i - i z 。 声波可分为次声波、可昕声波和超声波；它们都是在弹性介质中传播的机械波：主 要区别是频率上的不同。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透 光的固体：超声波能穿透几十米的厚度，并且当超声波从种介质入射到另一种介质 时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现 象。根据超声波的这些特性和检测目标的不同研制出各种类型的超声波传感器，并在检 测技术中获得了广泛的应用，例如，水中通信装置、鱼群探知器、各种防盗装置、超声 波探伤仪、超声波测厚仪、流量计等，其中很多装霞都是基于超声测距或测厚原理【6 1 。 1 5 ，l 超声产生和接收方法概述 超声波是一种力学波，为了产生这种波，需要在源处激发机械振动。单纯的机械方 法似乎是一种很自然的手段，可是发现，用直观的机械方法，如历史上最早靠手摇齿轮 来打击的方法，只能勉强产生很低频率的微弱超声。要产生例如兆赫级的超声则几乎不 可能。随后发明了不那么直观的机械方法，即用高速流体喷注来激发流体的机械震荡， 这是实验室罩最早出现的种比较有效的产生超声的办法，它的一些经过改进的类型至 今仍在工业上应用，简单地总称为哨。不过，即使这种手段也难以产生近兆赫的超声。 1 9 世纪末，又发现了压电效应，在这基础上，加上电子学的发展，终于找到了当前主 要产生超声的方法。这不仅因为它能用于很宽的频率范围，还因为它能控制所发射超声 的许多性能。类似地，利用了磁致伸缩效应，也成为当前一釉重要的产生方法。近年来 正在发展利用激光激励超声的技术。 沈mr 业人学坝i 。学位论文 至于超声的接收，在初始时期即使原理上也不那么容易找到答案，最初使用过火焰 对声波的敏感性这一原理来检测声波，这自然是不太可靠的。稍后发现了传播管内或棒 面上观察粉末驻波图案的机械方法，现在则大都利用逆压电效应，此外，也可利用热学 方法、光学方法等等。 1 5 2 超声波的波形及其转换 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波形也不同通 常可分为以下四种。 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。它能够在固体、液体和 气体中传播：横波：质点振动方向垂直与传播方向的波，称为横波。它只能在固体中传 播；表面波：质点的振动介于横波与纵波之问，沿着表面传播振幅随深度增加而迅速衰 减的波，称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方 向，质点位移的短轴平行于传播方向。表面波只在固体表面传播：兰姆波：在板厚与波 长相当的弹性介质中传播的波，称为兰姆波，又称为板波 7 j 。 另外，按照振动的持续时剧长短，超声波又可分为连续波和脉冲波。目f 超声波测 距中，对于较短距离采用不同频率的连续波，对于较长的距离则采用脉冲波。 当纵波以某一角度入射到第二介质( 固体) 的界面时，除有纵波的反射、折射以 外，还发生横波的反射及折射。在某种情况_ f ，还能产生表面波。各种波形都符合反射 及折射定律。 纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度。由于气体和 液体的剪切模量为零，所以超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。气体中的 声速为3 4 4 m s 、液体中的声速为9 0 0 1 9 0 0 m s 。在固体中，纵波、横波和表面波三者的 声速有一定的关系，通常认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速为横波声速的 9 0 。 1 5 3 声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减 规律f s 如下： 沈阳t ! 世大学坝l 学位论殳 p 。= p 、e “x ，。= 1 0 c 2 a v ( 1 1 ) f 】2 ) 式中：只、，平面波在x 处的声压和声强； 只、，。平面波在x = o 处的声压和声强； n 衰减系数。 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想的介质 中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，就是随着声波传播的距离的增加，在单位面积内 将要减弱。敌射衰减就是声波在固体介质中的颗粒界面上散射，或在流体介质中有悬浮 粒子使超声波散射。而声波的吸收是由于介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的。介 质吸收声能并转换为热能。吸收随声波频率的升高而增加。因介质材料的性质而异， 但晶粒越大，频率越高，则衰减愈大。最大探伤厚度往往受衰减系数的限制。经常以 d b c m 或d b m m 为单位来表示衰减系数。在一般探测频率上，材料的衰减系数在到 几百之脚。例如，衰减系数为l d b m m 的材料，测声波穿透l m m 衰减l d b ；声波穿透 2 0 m m 时，衰减2 0 d b 。 1 6 超声波换能器 发射或接收超声的器件叫超声换能器。换能的含义是把一种形式的能量，如声、 光、电、热等形式之一，转换成另种形式。超声换能器所转换的对象显然是超声。并 不是所有发射或接收超声的设备都形成专用的器件，从而形成超声换能器f 9 】。另一方 面，有些种类的换能器既可产生超声，又可不加改变而接收超声；这类换能器成为可逆 的。严格讲，可逆性要求侄一方向的能量转换是等效率的。但有些d q 做可逆的超声换能 器只是近似地满足这个条件。压电换能器是目前最常用的可逆超声换能器，它在发射和 接收中都占有独特的地位。 超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探 头。它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械 沈m t 业人学颂i 峙! 能论义 振动，以产生超声波，可作为发射探头。而利用正压电效应则将接收的超声振动转换成 压电信号，可作为接收探头。 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置 就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波发射探头发出韵 超声波脉冲在介质中传到被测对象经过反射后，再返回到接收探头，这就是超声波测距 原理。 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波 的双重作用，即为可逆元件。市售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送 器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器( 接收器) 即可发送超 声波( 接收超声波) ：又可接收超声波( 发送超声波) 。市售超声波传感器的谐振频率 ( 中心频率) 一般为2 3 k h z ，4 0 k h z ，7 5 k h z ，2 0 0 k h z ，4 0 0 k h z 等。谐振频率变高。则 检测距离变短，分辨力也变高。一般二亡业材料检测用的超声波传感器的谐振频率为数兆 赫兹，甚至达到几百兆赫兹。 超声波传感器根据应用范围的不同可分为以下四类： ( 1 ) 通用性超声波传感器 超声波传感器的带宽一般为几k h z ，并具有选频特性。通用型超声波传感器的频带 窄，但是灵敏度较高，抗干扰性强，但通用型接收传感器与发送传感器是分丌使用的， 测量中必须成对使用，在多通道通信使用时，器件比较多，使用不方便，采用宽频带传 感器较为方便，因为宽频带传感器发送和接收是共用一个探头的。传感器输出丌路时， 其输出电压较高，但阻抗也高，易受噪声的影晌，通常要接入几k q 到几百k q 的电 阻。 ( 2 ) 宽带型超声波传感器 宽带型超声波传感器在工作带宽内具有二个谐振频率，即具有二个谐振点，所以， 一个传感器可以兼作接收传感器与发送传感器。 宽带传感器具有两个谐振频率，其频率特性就相当于两种传感器的组合。因此，在 很宽频带范围内，具有较高的灵敏度。 ( 3 ) 密封型超声波传感器 沈阳丁业人学埘卜学位论文 密封型超声波传感器对环境的适应性较强。 1 7 超声波脉冲反射法 脉冲反射法是超声波探头发射脉冲波到被测试件内，根据反射波的情况来检测试件 内缺陷的方法( 如图1 1 所示) 。根据仪器示波屏或者直接用示波器显示的缺陷波形进行 判断，当试件完好时，超声波可顺利到达底面，检测图形中只有表示发劓脉冲t 及底面 回波b 两个信号。若试件中存在缺陷，在检测图形中底面潮波前有表示缺陷的凹波f 。1 。 在本文中对排水管道中的内部情况探测用的超声波脉冲反射法检测基本原理跟这个原理 一样。 tb 图1 1 超声波脉冲反射法 1 8 超声波信号的耦合方式 在方案论证时，丌始拟采用探头在排水管道中旋转的方式实现对管道截面的连续扫 描成像检测。有三种可选的超声波信号耦合方式l ： ( 1 ) 电刷耦合 探头安装在主轴上，滑环连在主轴上随若主轴一起旋转，通过固定的电刷跟滑环接 触把超声波信号耦合出去。为了保证接触信号能有效的耦合，在主轴上下两侧各装有一 个滑环且用弹簧压紧。在两路信号之间还装有绝缘环，避免两路信号相互干扰影响。滑 1 0 沈阳t 业火学倾i 擘位论文 环有两种排列方式，分别是周向排列和轴向排列。在本课题中只有两路信号，所以理想 的应该选择轴向排列。如果要求通道数多则宜采用周向排列，这样空日j 面积得到很大节 省。滑环材料采用银铜合金，耦合效果会比较好。绝缘环采用聚四氟乙烯，它是高频性 能良好的绝缘材料。电刷一般用碳素电刷。 ( 2 ) 电容耦合 电容耦合的原理：对于某一种频率的交流信号可以通过选择适当的电容量，使容 抗d , n 可以忽略不计的程度。这时电容器对交流信号来说相当于通路，即能达到信号耦 合的目的。 探头安装在主轴上，电容器动片安装在主轴上随着主轴块旋转。定片固定在绝缘 外壳上。 ( 3 ) 电解液耦合 耦合原理是基于电解液中的离子导电。一般用不锈钢做为电极材料，用5 - 2 0 的氯 化钠溶液作为电解液耦台剂。这种耦合效果比较好，具有较小的腐蚀性，但是机械制作 要求比较高。 再则，多通道之间高频信号相互串绕产生的噪声由于各通道可能使用的声波的频 率不同，对噪声响应的频率不同，当各通道同肘使用时，相互之涮串绕使系统整体噪声 增加 以上所采用的高频超声波信号耦合方式属于比较经典常用的耦合方式。比较容易实 现，但就是信号衰减较大，尤其是本课题中的微弱的高频信号。出于上述原因，在最后 方案确定时决定采用比较新颖的利用镜片反射进行信号耦合的方式。 1 9 论文主要完成的工作 ( 1 ) 分析课题，按照课题要求设计相应的硬件电路，包括超声波探头激励电路和 超声波接收的前放主放电路。 ( 2 ) 用v c + + 6 0 设计超声波a 型成像软件，而且提出一种新颖的排水管道超声波 截面成像方案。 ( 3 ) 在实验室做模拟排水管道超声波a 型成像实验，并对成像结果进行分析。 2 超声波成像检测 2 1 超声波成像检测 超声波之所以能探伤，主要有以下几个特性： ( 1 ) 超声波在介质中传播时在不同介质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷， 而缺陷的尺寸等于或大于超声波波长吲，则超声波在缺陷面上反射回来，探伤仪可将反 射波显示出来。如缺陷的尺寸甚小于波长时，声波则绕射而过，不能反射。 ( 2 ) 超声波的方向性好。频率愈高方向性愈好，以很狭窄的波束向介质中辐 射。易于确定缺陷的位置。 ( 3 ) 超声波的传播能量大。如频率为1 m h z 的超声波所传播的能量，相当于振幅 相同，而频率为1 k h z 的声波的1 0 0 万倍。 超声波检测中常用的工作频率一般为0 4 5 m h z ，较低频率用于粗晶材料和衰减较 大材料的检测，较高频率可达1 0 m h z 以上。在一般对金属的探伤中，常使用i 5 m h z 的超声波，在本系统中使用的频率为2 m h z 。 利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振 以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺损、组织变化等等，因此 利用超声波检测是应用最广泛的一种重要的无损检测技术。 超声波探伤主要是通过测量信号往返回波信号的幅度及其与发射换能器之间的位 置，来确定缺损的大小和方位。这就是通常所说的脉冲反射法或a 超扫描法。此外还 有b 超扫描和c 超扫描等方法，b 超扫描可以显示工件内部缺损的纵截面图形，c 超扫 描可以显示工件内部缺损的横剖面图形。 超声波检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、使用灵活、设备轻巧、成 本低廉，可即时得到探伤结果，适合在车间、野外、水下等各种环境下工作，并能对正 在运行的装置和设备检验等种种优点。当然，超声波检测通常要求工件形状比较简单， 有规则，表面比较光洁。而常规超声波检测的个不足之处是滩以识别缺损的种类，只 利用传统的a 超扫描法，只能判定缺损发生的位置。然而在本系统中可以通过利用重 沈阳丁业人学硕小学位论丘： 构出c 超截面成像，可以给出缺损的具体图形，这样对识别缺损的种类大有益处。此 外，对超声频谱分析和超声全息成像方法的应用，也有助于对缺损的定性。 随着讨算机的普遍应用超声检测仪器和检测方法都得到了迅速的发展，使超声检测 的应用更为普及。在本系统中，计算机在超声波检测中已能够完成数据采集、信息处 理、过程控制和记录存储等多种功能，微处理器作为一。个中心部件束执行处理数据和图 像的任务。此外，在屏幕上同时显示出回波的波形曲线和检测数据、仪器的调整状念， 缺损波形和各种操作功能；用打印机输出可供永久记录的各种数据和图形资料并直接 由计算机编制测试报告。 由于传统的超声检测方法不能象射线照相那样提供直观的缺陷图像，为检测结果的 分析评定带来很多不便。为了克服常规超声检测结果缺乏直观性、再现性和可记录性的 缺点，人们一直在探索和研究超声直接成像法。为此提出过很多研究方案，进行了大量 的实验。但绝大多数方案因检测灵敏度和分辨率不够理想或设备庞大、价格昂贵、使用 条件苛刻等而难以推广和应用，超声波成像仪的发媵速度很快，软件支持程度不断提 高。排水管道超声波成像检测可以有a 型、c 型图像，目前课题只做到了a 型成像显 示，这在后面的实验结果旱有阐述。 2 2 超声波成像基本原理 本系统用3 1 5 v 、2 m h z 高压电信号脉冲激励超声波探头s p l 0 x 2 5 f g l 0 2 ；，随着探 头在管道中随着镜片旋转，反射回来的超声波经过探头，根据压电效应，超声波信号转 化为电信号进行成像。先计算超声波在有介质的条件下的波速v ，在探头旋转一周内， 计算垃圾淤泥或者管道内壁一次回波信号的时间t ，以一个定点为圆心，以v t 2 ( 当 然也可以与这个值成比例的数值) 为半径构筑圆，来模拟管道内的垃圾堆积厚度和管道 内壁缺陷情况。在探头旋转一周结束后再移动爬行器，间隔l c m 停下再次以移动后不 同的定点为圆心画圆。依次类推，就可以绘制出管道横截面内壁图像，这个管道横截面 内壁是与超声波声束垂直的，即管道内壁垃圾淤泥堵塞横截面，在计算机显示器上的纵 横坐标，分别代表管道内壁横截面的纵横坐标，它们之间有一定的换算关系。管道轴向 分辨率是l c m 。径向分辨率是0 9 度。 沈m 丁业入学蛳l 学位论文 由于被测管道是排水管道，自然想到采用水浸锅合方式。圆为探头不与管道直接接 触，所以超声波的发射和接收都比较稳定，同时因为采用旋转反射镜片的方式，这样避 免了旋转探头带来的高频信号耦合的麻烦。系统信号传输采用r s 一4 8 5 与u s b 结合起来 传输数据，其主要优点是传输距离可达到1 2 0 0 m 以上，并且可以挂接多个设备。 超声波成像检测系统是一种集超声波检测、电子技术、计算机应用和图像处理及数 字信号处理于一体的综合测试系统，是无损检测领域中新一代检测手段的代表和发展方 向，该系统的开发成功使对排水管道进行高精度、自动化、数字化无损检测成为可能。 2 3 管道内壁磨损缺陷或者管道内的垃圾淤泥位置的测定 本方案中系统对缺陷的整个回波波形进行采集和分析，从而实现了对排水管道回 波声程的精确确定。在对探头角度和声速已知的情况f ，可精确测定管内垃圾淤泥的水 平和垂直位置，并进行管道截面c 型成像，实时记录存储，事后可以加载显示，可清晰 地反映出垃圾淤泥在排水管道中的截面位置和深度，并通过计算比例用管道截面c 型成 像可形象地标注出垃圾淤泥在排水管道中的真实位置，避免了传统超声检测仪器屏幕 小、波形排列紧密、读数定位误差大和声程确定精度低的缺点。 2 1 4 管道内壁磨损缺陷大小或者管道内的垃圾淤泥大小的确定 管道内壁磨损缺陷的定量就是测定磨损厚度的大小和数量。管道内的垃圾淤泥多少 的定量是确定淤泥垃圾的大小。垃圾淤泥的大小包括垃圾淤泥的面积、长度和深度等。 本系统中对垃圾淤泥含量多少的确定采用当量法进行比对确定，它充分利用了计算机强 大的计算能力、先对标准管道内的垃圾淤泥进行肖星基准测试，并以这些基准点为标准 进行d a c 曲线拟合，获得的d a c 曲线作为对实际被测管道中的垃圾淤泥母线，由此来求 得实际排水管道中的垃圾淤泥的含量大小。 2 5 管道内垃圾淤泥含量和管道内壁磨损的成像表示 根据以上管道内垃圾淤泥的定位和