（计算机应用技术专业论文）全数字相控阵超声无损检测系统软件算法与实现.pdf

p 毫9 9 6 1 2 硕- 研究生学位论文 ! 全塑! 塑塑堕塑苎查堡垒型墨竺竺壁簦生竺壅望! 塑矍 论文题目：全数字相控阵超声无损检测系统软件算法与实现 专业：计算机应用技术 姓名：王越 导师：胡金初 摘要 本论文是上海市科委下达上海市计算技术研究所科研项目全数字相控阵超 声无损检测系统的部分工作，侧重于算法的研究和实现。 论文首先介绍了关于无损检测、超声波检测以及相控阵超声检测的一些相关 知识及检测系统的总体设计方案。 然后在文中以较大的篇幅，描述了相控阵聚焦的原理，并根据该系统的实际 参数，抽象出一套数学模型和可行的算法，在此基础上提出了在系统开发过程及 编程实现过程中存在的一些问题；介绍了在无损检测中缺陷的分类和对回波峰常 用的识别方法，详述了系统开发过程中使用的其中一种识别方法，即判别是否存 在缺陷的算法，并给出实现之的部分核心程序：详述主控程序如何控制各部分并 协调各相关软件的工作，侵整个系统发挥最高效能，并给出主要设计框图和程序。 在文章最后，还展望本项目中若干核心技术下步工作中需要改进和发展的 地方。 关键词 算法：超声波检铡：无损检测；福控阵 硕十研究生学位论文 全数字相控阵超声无损检测系统软件算法与实现 a b s t r a c l t i t l e ：a r i t h m e t i ca n di m p l e m e n t a t i o no fa l l d i g i t a lp h a s e d a r r a yu l t r a s o n i c d e t e c t i o ns y s t e m m a j o r ：a p p l i e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y n a m e ： w a n g y u e s u p e r v i s o r ：p r o f h u j i n c h u a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c ta l l - d i g i t a lp h a s e d - - a r r a yu l t r a s o n i cd e t e c t i o n s y s t e ma s s i g n e db ys h a n g h a is c i e n c e & t e c h n o l o g yc o m m i s s i o n t h em a i nc o n t e n t i sa b o u tt h ea r i t h m e t i ca n d i m p l e m e n t a t i o n f i r s to fa l l ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h ew h o l ed e s i g n p r o j e c t a n di n t e r r e l a t e d k n o w l e d g ea b o u tn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n ，u l t r a s o n i cd e t e c t i o n ，a n dp h a s e d a r r a y u l t r a s o n i cd e t e c t i o n t h e nt h ep a p e rd e p i c t st h e p r i n c i p l eo f p h a s e d - a r r a y f o c u sa n da b s t r a c t sas e to f m a t hm o d e la n df e a s i b l ea r i t h m e t i co nt h eb a s eo ft h er e a lp a r a m e t e ro ft h es y s t e m p u tf o r w a r ds e v e r a lp r o b l e m st h a te x i s td u r i n gt h ec o u r s eo f s y s t e md e v e l o p m e n ta n d p r o g r a m i n t r o d u c e s o m em e a s u r e so f d i s t i n g u i s h t h a ta l eo f t e nu s e di n n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n ga n de c h ow a v ec r e s t t h e ni d e p i c to n eo f t h em e a s u r e si n d e t a i lt h a tu s e di nt h ec o u r s eo fn o n d e s t r u c t i v e d e t e c t i o n ，w h i c hi s t h ew a yo f d i s t i n g u i s h i n gw h e t h e r d e f e c t se x i s to rn o t t h e n p r o v i d ep a r tc o r ep r o g r a m t or e a l i z e i t t h i sp a p e ra l s op r o v i d e sm a i nf l o wc h a r tt h r o u g ha n a l y z i n gh o wm a i nc o n t r o l p r o g r a mc o n t r o l sd i f f e r e n tp a r t s t om a k et h ew h o l e s y s t e mm o r e e f f e c t i v e s e v e r a lc o r et e c h n o l o g i e st h a tn e e dt ob ea d v a n c e da n dd e v e l o p e di nf u t u r ei n t h i sp r o j e c ti se x p e c t e da n d a n a l y z e da tt h ee n d o f t h e p a p e r f k e yw o r d s 】a r i t h m e t i c ；a r i t h m e t i ci m p l e m e n t a t i o n ；u l t r a s o n i cd e t e c t i o n ； n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n ，p h a s e d a r r a yu l t r a s o n i cd e t e c t i o n 坝1 二研究生学位论文 全数相控阵超声无损检测系统软件算法与实现 第1 章绪论 1 1 论文背景 第1 章绪论 1 1 论文背景 本论文是e 海市科委下达上海市计算技术研究所科研项目全数字相控阵超 声无损检测系统的部分工作，侧重于算法的研究和实现。 本项目虽然属于无损探伤领域，但课题组的成员全部都是计算领域内的软硬 件人员。在此项目中，除了超声探伤技术外，更多地采用数学建模技术、拥控阵 技术、高速并行采样及流水线阵列处理技术、a 超b 超c 超图像重建技术，多 轴自动控制技术等多种技术。 本项目所研制的检测系统在国内尚属空白，国外也属问世不久。美国于8 0 年代中期首先推出了数字模拟混合型的产品。由于模拟线路有测量精度差和易漂 移等许多缺点，在9 0 年代中期又推出了全数字型的产品，此外德国、英国等少 数发达国家尾追其后也开发出类似的产品。 本项目的软件与数学建模的关键对象是相控阵。它最早用于雷达技术，由于 其系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损 检测中的应用受到限制。但与传统超声检测技术相比，相控阵技术具有明显的优 势如检测速度快，现场检测时只需对环焊缝进行一次简单的线性扫查而无需来回 移动即可，检测结果直观，可实现实时显示等。目前我们的研究主要集中在管道 焊缝的无损检测，但其有更为宽广的应用空间，特别是在核工业及航空工业等领 域。如核电站主泵隔热板的检测，核废料罐电子束环焊缝的全自动检测等。 1 2 论文工作 论文的工作主要分为四个阶段，具体如下： 第一阶段：研究无损检测技术与超声波技术、相控阵技术的基本原理，以及 与之相关的通常检测方案和标准：参加在上海举办的无损检测产品和技术展览 会，查阅国内外市场上现有的有关产品的资料和说明；熟悉开发环境及开发软件 的使用，为建立检测系统的数学模型做前期准备。 第二阶段：分析讨论本检测系统总体设计方案，参与完成系统中软件部分的 核心数学模型的建立，包括检测方案生成器部分的软件设计与实现、检测方 案库的设计与实现、相应系统控制程序的编写等，并作了大量的实验和算法修正。 第三阶段：进行软硬件系统的联调，算法最后确认，完成总体设计。编写相 关技术文档，完成上海市科委验收。 第四阶段：补充整理资料，论文撰写。 坝j 聊究生学位论文 全数宁相控阵超声无损检测系统软件算法与实现 第1 章绪论 12 沦文丁作 论文的安排分为七章，章：声安排如下： 第一章绪论。即本章，简要介绍本论文撰写背景及要撰写的内容与结构安 排等。 第二章超声波无损检测原理。介绍了关于无损检测、超声波检测以及相控 阵超声检测的一些相关知识，为以后的章节作内容上的准备。 第三章系统设计总体方案。对本系统的三个组成部分主控系统、爬行 器部分以及图像重建部分的组成、功能及其相互之间的运作关系进行了比较详细 的说明。并说明了后续的第四章、第五章及第六章所描述的内容在系统总体设计 中的位置。 第四章数字式相控阵动态聚焦建模与算法。详述了相控阵聚焦的原理，并 根据本系统的实际参数，抽象出一套数学模型和可行的算法，并实现之。最后提 出了在系统开发过程中存在的问题。 第五章回波峰识别与特征抽取算法与实现。介绍了在无损检测中缺陷的分 类和对回波峰常用的识别方法，详述了系统开发过程中使用的其中一种识别方 法，即判别是否存在缺陷的算法，并实现之。最后提出了在实验过程存在的问题。 第六章系统主控程序的设计与实现。详述主控程序如何控制各部分并协调 各相关软件的工作，使整个系统发挥最高效能。最后亦提出实验过程中存在的问 题。 第七章总结与展望。对本文工作进行了总结，并展望本项目中若干核心技 术下一步工作中需要改进和发展之处。 絮之篓鍪砉差篷耋警手揣抬涮藁缔掳件算法q 霉瑚， 幂2 覃“9 敬“驾早翟薯蓑 ! 皇塑兰塑丝堕塑主垄塑丝型墨竺竺竺兰堕! 茎里! 兰坚! ! ! 望 第2 章超声波无损检测原理 2 1 超声波 超声波是超过人能听到的最高频率( 2 0 k h z ) 的声波， 一般频率在2 0 0 k h z 到2 5 m h z 范围内。超声波沿直线传播，有较好的方向性，并能反射回来。 2 2 检测 2 _ 2 1 1 无损检测 无损检测技术，又称作非破坏检查技术、无损探伤技术，是第二次世界大战 后迅速发展起来的一门新兴的工程科学。它是利用物质中因有缺陷或组织结构上 差异的存在而会使其某些物理性质的物理量发生变化的现象，以不使被检查物使 用性能及形态受到损伤为前提，通过一定的检测手段来检测或测量、显示和评估 这些变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件直至生物等的性质、状态或内 部结构等等1 。 无损检测学科几乎涉及到了物理科学中的光学、电磁学、声学、原予物理学 以及计算机、数据通讯等学科，它最突出的特点是“无损伤”，因此，无损检测 的应用已经在工业生产、物理研究和生物工程等广大科技领域获得极大的重视和 迅猛发展，已经成为控制产品质量、保证设备安全运行等方面的极为重要的技术 手段。不仅如此，无损检测已经从单纯的检测技术发展为无损评价技术。它不仅 包含了无损检查与测试，还涉及到以断裂力学为基础的损伤容限设计而对产品及 设备的安全使用寿命做出评估，因此尽管无损检测技术本身并非是一种生产技 术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。 在机械制造业以及军事工业中它已经占据了相当重要的地位，在许多重要的大型 设备安全保障体系中都发挥着重要作用。 2 2 2 超声波检测 超声波之所以能探伤，主要有以下几个特性2 。 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时，则超声被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。 坝卜研究生学位论文 第2 章超声波无损榆测原理 ! 全塑兰塑丝堕塑兰至塑丝型墨竺鏊竺簦生皇壅些! 三兰羔型 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i 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o4 5 m h z ，较低频率用于粗晶材料和 衰减较大材料的检测，较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测。对于某些特殊要 求的检测，工作频率可达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3 7 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于缺损的往返时问，来确定缺损和表唐i 间的距离，也就是通过测量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、水下等各种环境下土 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b 超扫描和c 超扫描图像，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，计算机在越声波检测中己能够完成数据 采集、信息处理、过程控制和记录存储等多种功能，微处理机作为一个中心部件 来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、仪器的调整状态，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。 2 2 3 相控阵超声检测 超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶 片组成阵列，每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发 各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样，在反 射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再 将合成结果以适当形式显示3 。由其原理可知，相控阵换能器最显著的特点是可 碳1 ：研究生学位论史 全数字相控阵超声无损检测系统软件算法与实现 第2 章超声波无损检测原理 2 1 2 检测 以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点 尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调；而且探头内可快速平移声束。因此， 与传统超声检测技术相比，相控阵技术的优势是4 ( i ) 用单轴扇形扫查替代栅格形 扫查可提高检测速度。( 2 ) 不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状 复杂工件的各个区域，成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。f 3 ) 通常不 需要复杂的扫查装置，不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多 方向扫查，因此在核工业设备检测中可减少受辐照时问。( 4 ) 优化控制焦柱k 度、 焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。， 当然，相控阵技术在实现上要面临诸多挑战，如要求压电晶片电声性能好；相邻 单元间隔声性能好；避免产生旁瓣，声束角度较大时更应注意该问题；时问延迟 的精确控制以及声束方向、形状及声压分布的仿真等。 絮毒篓摹篱薹舞篓喜无损检测系统软件竺婆兰茎墼! 三：二兰竺兰二兰芏塞盏 ! 全塾羔塑丝堕塑苎垄堡堡型墨竺整竺兰堡兰兰墼! 一一! 土! ! 竺 第3 章系统设计总体方案 本项目是一个实时多处理机系统，在系统主机的统一指挥高度下分三条主线 完成各自承担的任务，如下图所示。 图3 1 系统整体设计框图 1 ) 全数字式并行处理阵列运算流水线操作的相控阵超声波检测仪。实际上 包含硬件和控制软件两部分，这里把硬件分离出来单独作以简介，控制软件与图 像重建平台作为软件一起介绍。 2 ) 三级数字控制的作业机器人。 3 ) 图像重建平台。 3 1 硬件 硬件线路是用l o 万门以上的f p g a 、c p l d 、高速大规模集成电路按专用 d s p ( 数字信号处理) 的结构设计而成，按数学模型所设定的参数( 方案) 进行 相控阵阵元及通道的选择与切换、发收控制及延时聚焦、微信号放大及程控 t g a 、3 2 路并行高速a d 转换及缓存，并行阵列累加、数字滤波阵列快速运算 以及经p c i 高速传输接口将测量结果传送数字图像重建平台。 6 硕士研究生学位论文 第3 章系统设计总体方案 ! 全墼兰塑笙堕望皇垄塑丝型墨笙竺生簦鲨! 茎塑! 一兰型! ! i ! 尘 3 2 作业机器人 图3 - 2 硬件整体设计框图 该机器人是一个具有六个自由度的作业机器人，在圆型管道焊缝检测这个特 定环境下，设计成两个自由度( 爿、y ) 是数字随动跟踪与光电偏码定位、两个 自由度( z 轴) 设计成气动( 液压) 恒压自动控制、两个自由度( d 角) 设计成 按照形边自行随动旋转，以保证两个超声波相控阵探头对称的沿着管道焊缝中心 线而又紧贴管壁爬行与平移。它可以安装多种超声波探头适应多种扫查方式，其 中的耦合液设计与附设温液循环液位恒值控制系统是力图将基于大型固定室内 设备所完成的超声波浸液检测法用到运动状态下超声波检测上来，是一种检测方 法的创新。 图3 - 3 作业机器人整体设计图 计算机 坝l 一研究生学位论文 全数字相控阵超声尢损检测系统软件算法j 实现 第3 章系统设计总体方案 3 3 软纠 3 3 软件 软件及软件编制过程中涉及到的算法是本论文的主要内容，但不包括图像处 理程序。软件部分包含以下四部分工作。 3 3 1 方案生成程序 方案，是一组数据，是根据检测的工件的相关参数，如钢管壁厚等、探头的 相关参数，如契块的角度等、检测区域的相关参数，如检测区域的分区情况等这 一系列参数，根据如本文第4 章所述算法生成的数据。这组数据将用来控制硬件 线路的动作，如何时激发何振元，以及数据如何采集等工作。 方案生成程序即是按照相应的算法写成的程序，可改变各类参数以获得一组 方案，并将其保存。 一个方案里的主要数据有：方案编号；聚焦点坐标，聚焦柱坐标：参与发剥 的振元组，声束中心线折射角；振元组内各振元的延迟时间；接收延迟时间和采 样时间窗。 3 3 2 回波峰识别与特征抽取程序 在超声无损检测中，缺陷反射波频谱或波形包含着缺陷自身大小、形状和性 质的信息。但是，要由反射波信号确定缺陷大小、形状和性质仍然是个难题，也 是一个十分重要的待解决的难题。几十年来，人们先后做过不少探索，如常用的 频谱分析等5 。近来，人工智能专家系统、人工神经网络、模式识别和分析的应 用也愈来愈广泛6 。 在本项目中，仅能精确地作到判别缺陷的有无，对缺陷的精确定位、定量和 定性尚需进一步的工作。 回波峰的识别的特征抽取程序作了这部分的工作，程序对接收到的回波作以 判别，判断是否有缺陷波的返回并初步判断了缺陷的位置和大小。 3 3 3 图像处理程序 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、灰度排条 以及m 超曲面图像，非实时地重建缺陷的b 超、c 超以及缺陷的立体数字图像 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b 、c 超及立体数字图像， 也是一种创新。所显示出来的图像比目前医用的b 超仪示波管上所显示出来的 图像要稳定和清晰许多。 坝l 研究生学位论文 全数字相控阵超声无损检测系统软件算法与实现 第3 章系统设计总体方案 33 软件 3 3 4 主控程序 系统的主控程序是所有相关软件的枢纽，是所有相关软件是否能协调工作， 发挥最高效能的重要部分。整个软件包含标定，i s a 控制卡流程控制，p c i 卡数 据接收，作业机器人控制，数据预处理，峰识别，图像处理接口几部分。 9 顺t j - 0 f 究生学位论史 全数字相控阵超声无损榆测系统软件算法与实现 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模，算法 4 i 超声检测和相拧胖 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模与算法 4 1 超声检测和相控阵 2 0 世纪3 0 年代，提出了超声波检测的早期研究，在4 0 年代出现的脉冲回 波探伤仪器( a 扫描) 成为超声波检测技术的重要标识7 。而基于脉冲回波原理 j 丁发出了很多超声波检测装置，b 扫描、c 扫描等都是其发展的产物8 。相控阵 传感器的基本概念很早就被提出，超声相控阵技术的基本思路来源于雷达电磁波 相控阵技术，医用b 超是最先采用超声相控阵技术的。最近超声相控阵也应用 在金属和复合材料的无损检测。由于多种相关高技术，如压电复合材料、纳秒级 别脉冲信号控制、数据处理和数据分析、软件技术、计算机模拟，在超声相控阵 成像技术中得到综合应用，超声相控阵技术得到快速发展。 4 2 数学模型 4 2 1 超声波传播及波形转换原理 超声波可分为纵波( 三) 和横波( s ) ，纵波的传播方向和传播介质质点运动 方向平行，它能在固体、液体和气体中传播。横波的传播方向和传播介质质点运 动方向垂直，它只能在固体中传播。相同频率超声波在同一种介质中传播，其纵 波和横波的速度是不相同的，纵波速大于横波速。 当超声波行进n - - 种介质界面时发生反射，折射和波形转换。所谓波形转换 即除了产生同类型反射和折射波以外，还会产生不同类型的反射和折射波9 。 纵波斜入射的情况如下图所示： 盯 “l a ：s i 界爵 纱 7 4 1 重i ，1 x 芒t o 。，7 j ，丹反“ 、 二。入 图4 1 纵波斜入射时反射折射示意图 o 硕士研究生学位论文第4 章数字式相控阵动态聚焦建模与算 杰 全数字相控阵超声无损检测系统软件算法与实现4 2 数学模型 各种波型办符合几何光学中的反射定律及折射定律” c 一c f 一一c s ： 五_ 一面一面 口：纵波反射角 口，：横波反射角 y ：纵波折射角 ：横波折射角 c ，：入射介质内的纵波速度 c ，：反射介质内的纵波速度 c 。：反射介质内的横波速度 c 。：折射介质内的横波速度 c ，_ 折射介质内的纵波速度 在超声波测试中，可以利用横波探测也可以利用纵波探测。本系统中是利用 横波探测( 参见4 2 2 3 节) ，那么在测试过程中，不希望有纵波的存在，以免产 生波形判断上的困难。由于纵波的折射角要大于横波折射角，故可选择适当的入 射角，使纵波全反射即纵波折射角大于或等于9 0 。，此时的折射波中只有横波存 在) ，如图4 2 所示。从图4 2 知，要使纵波全反射，只传播横波的条件为y = 9 0 。， 即s i n y = l 时，其入射角口。称为纵波临界角。 图4 - 2 纵波全反射 善角 一一 时l 口入 三咖：口中式 坝i 一研究生学位论文 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模与算法 ! 全垫兰塑丝堕塑兰重塑竺塑墨竺竺壁塞鲨! 壅墨! ! ! 塑兰堡些 从图4 - 1 及图4 - 2 知，口。= 口 则 l ：旦：c s i n 口cs i n ， “2 即 盱s i n2 等 4 2 2 检测系统结构 发射及接收超声波及其附属装置组检测系统的物理结构，由换能器、契块、 耦合剂和待检工件组成。 4 2 2 1 换能器 某些晶体，如石英、罗谢耳盐、电石和钛酸钡，向这些晶体加压即会生电。 其逆效应亦存在在电场作用下，晶体迅速变形。压电性是皮埃尔和詹克斯倨 里在十九世纪八十年代发现的。 换能器即是由这类晶体做成，由脉冲对其激励使其发出超声，同时当有超声 返回换能器根据其强度产生相应的电压。 换能器即是振元又是检测返回信号的接收器。 4 2 2 2 振元组( 探头) 由于一个振元所发出的能量有限，所以在实际应该用往往使用一组换能器组 成振元组。 超声相控阵换能器按其晶片形式主要分三类，即线阵、面阵和环形阵列。线 阵最为成熟，已有含2 5 6 个单元的线阵( 1 ) ，可满足多数情况下的应用要求； 面阵又叫二维阵列( 加，可对声束实现三维控制，对超声成像及提高图像质量 大有益处，目前已有含1 2 8 1 2 8 阵列的超声成像系统应用于金属和复合材料的 检测与性能评价“，然而同线阵相比，面阵的复杂性剧增，其经济适用性影响该 类探头在工业检测领域的应用；环形阵列在中心轴线上的聚焦能力优异、旁瓣低、 电子系统简单、应用广泛，但不能进行声束偏转控制。 本设备相控阵探头采用线形阵列，容纳晶片6 4 个。晶片成问隔状直线性分 布在探头中。使用两个阵列探头分布于焊缝两侧。它能产生上千种不同的超声束， 可配嚣4 0 0 到7 0 0 范围的扫查角度( 角) ，以满足分区扫查所需要的各种角度。 通过延时手段，让一定数量( 本系统是3 2 ) 的晶片在不同时间发射，在同一时间会 聚于被测点，这中间有的晶片发出的超声波需经两次反射，刁一能到达会聚点，则 接收时有的是一次声程，有的两次，有的三次，等等。所以接收时也要根据具 倾l l j 究生学位论文 伞数字相控阵趟声尢损检测系统软件算法o 实现 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模算法 4 2 数学模型 体接收晶片位置，决定其延时接收时间。在我们的这个振元组的使用中，不但是 为了加强超声能量，同时还要利用波的干涉，通过发射延迟来改变超声波的聚焦 点。 一， j ；i ；一 j f j ；i 一一一一一刻 f 置眉目 ，日i尸 o j 撼f 苎堕， - - 一， 迅 ，n 图4 3 线性换能器示意图 这两组振7 i 封装成左右两个探头。探头又分为直探头和斜探头两类，如卜图 所示。在这个系统中，采用斜探头。 彪滋 直探头 斜探头 图4 - 4 直探头、斜探头及超声反射情况 4 2 2 3 契块、耦合剂1 2 在斜探头里，换能器和被测工件之间使用一块有机玻璃斜楔。 使用楔块可以将超声束折射，使其偏离入射面的垂线某角度，特别在金属被 检物中广泛应用。以一定角度入射至入射面的直声束可引起波形转换。在大多数 接触法检测中，使用楔块能减少信号幅度或消除常见的前表面回波信号。 同时，由于被检工件是曲表面，安装一块适合于其曲表面的曲面楔块可以增 加探头与被检工件的接确面。 为了更有效地使声波入射工件，在探头与工件表面之间，需涂复一层良好的 耦合剂( 传声介质) 将换能器直接地与工件耦合起来。重要的是耦合剂必须很薄， 以便最大限度地减少其对声波的影响。同样重要的是不允许耦合剂截留游离的气 体，以保证接触界面上无气泡和空隙。对纵波，任何低粘度液体( 包括水) 都可作 为满意的耦合剂。对于横波，由于其只能在固体中传播，耦合剂只限用固体和非 常粘的液体，往往被固化在探头与工件之间。 由于这个系统探头是要进行移动，不能使用固体耦合剂，所以必须采用发射 纵波的探头发射纵波，进入工件之前选用适当的入射角度使纵波全反射，在工件 倾l 。研究生学位论义 ! 全墼：兰塑塑堕塑主壅塑堡型墨竺竺壁丝堡! ! 兰型! 中只有横波，即采用横波探测。 42 2 4 待检 = 件 第4 章数字j = l = 相拄昨动态聚焦建模与算汪、 4 2 数学模型 检测中，对待检工件的表面要有一定的光洁度，以减少对超光波的漫反射， 使入射工件的超声波能量最大。 在这个系统中的待检工件是钢管。检测区域是两钢管间的焊缝。 4 2 3 检测系统抽象模型 4 2 31 坐标系及相关参数 将检测系统中的钢管内壁作为彳轴，焊缝的中心线作为，轴，可把检测系 统放置到下图的坐标系中： 图4 5 检测系统坐标系 其中的主要参数： ( 1 ) 探头和振元( 此为系统的物理参数，在一个特定系统中为常数) 振元长( l a ) ：指单一一个振长的长度 振元宽( w a ) ：指单一一个振长的宽度 振元间隙( d a ) ：两个振元之间的距离 振元个数( n a ) ：振元组中所包含的振元个数 探头长( d ) ：指整个探头的长度 探头边缘长( e d ) ：探头中除了振元组外，一边的宽度 其中，l d = 2 e d + ( d a4 - w a ) n a ( 2 ) 探头的位置 远边缘至j ，轴距离( 厶) 远边缘至x 轴距离( 胁) 倾角：振元组面与钢管外表面的夹角( 口) ( 3 ) 钢管 厚度( 伽) 直径( g o ) 4 坝l 研究生学位论义 _ 牟= 数字相控阵超声无损检测系统软件算法与实现 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模与算法 4 2 数学模型 ( 4 ) 超声物理参数 介质波类声速( r i g s ) 有机玻璃纵波 2 7 2 0 钢纵波5 8 5 0 钢横波 3 2 3 0 4 2 3 2 焊缝几何形状及分区 ( 1 ) 焊缝几何形状 图4 - 6 焊缝几何形状 图中a ，b ，c ，d ，e 点的坐标分别为： a ：x = d + 3 ，3 0 2 + ( d o - 5 8 4 2 ) t a n 5 。 y = d o b ：j = d + 3 3 0 2 y = 5 8 4 2 c ：x = d y = 2 5 4 d ：x = d y = 1 2 7 e ：x = 1 2 7 s i n 3 7 5 0 + d y = 0 这样可得到a b ，b c ，d e 的直线方程： y ：址丝( 葺一毛) + 舅 一屯 其中下标l ，2 分别代表这三条线段的起点和终点。 c d 直线方程： x = d 坝l ：t i 4 究生学位论文 争数字相拄阵超声无损检测系统软件算法与实现 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模与算法 4 2 数学模型 ( 2 ) 焊缝检测分区 l 6 l 5 7 7 4 、 。 图4 7 焊缝分区示意图 由于检测的不是一个点，而是一个区域，为提高检测的精度，我们将焊缝分 为6 个区，每个区相对应地计算出一个方案或两个方案来检测。 4 2 3 3 超声波在待检工件中传播路线及方案 图4 - 8 各方案超声波束在钢管内传播路线示意图 6 坝士研究生学位论史 全数字相挖阵超声尢损检测系统软件算法与实现 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模与算法 4 2 数学模型 根据检测区域的不同，超声波束将聚焦在目标检测部位，形成7 个方案，7 个方案的行程及检测区域如图4 - 8 所示，有的经过一一次反射即两次声程到达检测 区域，有的经过两次反射即三次声程到达检测区域。 4 2 4 相控阵聚焦 由于单换能器发射超声的能量不足而使用多换能器的探头，但这就涉及到超 声的聚焦问题。 为使超声聚焦有很多方法，声束的聚焦与光束一样，可以用几何透镜、物理 透镜( 菲涅耳条带) 、或者将换能器直接做成凹面阵实现聚焦”。这些声束聚焦 的方法，其焦点都是固定的，为改变焦点，只有用机械方法调焦，但机械调焦很 不方便，速度也慢，这就限制了它的应用。这种方法可以称之为物理聚焦方法。 于是相控阵( p l a s e d a r r a y ) 方法被提出来，它是用电子技术调整焦点位置和 聚焦的方向，实现动态聚焦调节。它的基本思想是调整各振元发射信号的相位， 使得各振元到达焦点的声束具有相同相位，这就实现了聚焦。最初这种调相的移 相器还是模拟的“，而模拟式调相的精度不高。后来改成数字式延迟线进行调相 ”。实际上目前集成电路技术发展已经可以产生全数字控制信号，即不但信号的 延时、相移可以控制，就连信号的波形( 包括频率、幅度、包络) 都可以任意改 变。研制这样一套数字式多通道信号发射设备已成为可能，它的功能更为强大， 不但可以在连续波状态下工作，而且也能在脉冲波状态下工作。这种方法可以称 之为电子聚焦。 4 2 4 1 动态电子聚焦 动态电子聚焦的物理基础是波的干涉原理。设由波源s ，s ，发出的二列波， 它们的频率相同( 波长旯) ，同为纵波或横波，相位相同或相位差恒定，在行进 中相遇，在m 点波的叠加效应如下图： 图4 - 9 两列波叠加效应 当波程差占= fx ： i 为波长五整数倍时，肘处合振幅为二波振幅之和。 1 7 侦十研究生学位论义 第4 苹数字式相控阵动态聚焦建模与算涩、 全数字相控阵超声无损检测系统软件算法1 j 实现4 2 数学模型 当波程差为半波长a 2 的奇数倍时，m 处合振幅为二波振幅之差的绝对值。 对利用超声波探伤的本设备而言，探头的位置已定，希望的聚焦区位置已定， 换言之即各发出的波的声程置已定，我们可以使振元组中声程较长的波先发射， 即对应振元先激发，声程短的对应振元迟些激发，这些波的叠加效应可以实现声 束角的偏转和聚焦，以达到在规定区域聚焦的目的。 4 2 4 2 聚焦柱 图4 一l o 延迟实现声束角的偏转和聚焦 图4 一l l 聚焦柱示意图 由于超声波的波长长，所以实的超声波束聚焦不是象光线那样聚在一个点 上，而在聚焦于个柱体内，如下图所示。而我们正好可以利用聚焦柱来检测一 定的区域而不是一个点。图中f 是理论上的几何聚焦点，外围的方框是聚焦柱， 在聚焦柱内的中心线与坡口之间是需要检测的区域。 在设计发射方案时，需要让聚焦柱聚焦在坡口前3 m m 直到超过中心线 1 2 m m 处，在没计接收方案时，接收时间窗应开在检测区域回波信号返回的时 顺j 一研究生学位论文第4 章数字式相拧阵动态聚焦建模与算法 全数字相控阵超声无损检测系统软件算法j 实现4 3 相控阵动态聚焦算法 阃段内。即聚焦柱抽象了两层含义，一个是检测区域，一个是接收时间窗。 4 3 相控阵动态聚焦算法 4 3 1 动态电子聚焦的延时时问计算 相控阵检测的控制方法主要有以下三种：( 1 ) 电子扫描法：将若干发射晶片 作为一组，通过依次改变探头内的晶片作用位置，不移动探头而只利用电于扫描 改变超声波发射位置。( 2 ) 电子偏角法：通过适当控制在发射晶片组内的发射时 间，自由改变超声波入射角。( 3 ) 电子聚焦法：也通过适当控制在发射晶片组内 的发射时间，但使超声波束聚焦在任意位置。 在本算法中即要实现电子偏角，又要实现电子聚焦。下面分步实现。 步骤一：使线振元超声波旋转一定角度 图4 1 2 超声波旋转 如图所示，振元中心相距d ，相邻的两波程差a s = d s i n 护，设声速为c ， 则第f 个振源的延迟时间 其中卢0 ，l 2 ，n 为振源号，按上述延迟时问安排各振源激发，就可以是合 成波旋转一个角度目。 步骤二：使线振元超声波即旋转角度又聚焦 如下图所示，现有2 月个线阵的振源，设相邻振源中心相距d ，声束中心线 偏转角度口，到焦点距离f 。 考虑典型的第i 个振源， 在中o a b 中，o b = f d ；o a = 凡由余弦定理， a b 2 = f ! + ( ，d ) 2 2 f f d s i n 口 声程差：扛f a b 延迟时间：r = a i c + ， 9 侦i - 研究生学位论义 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模1 j 算法 全数7 相控阵超声尤损检测系统软件算法j 实现4 3 相控昨动态聚焦算法 这里f 是1 个避免产生负的延迟时间的常数值。 图4 - 1 3 超声波旋转且聚焦 上述两个基本问题给出了计算延迟时间的基本思路。 4 3 2 焦点及接收时间窗计算 参看图4 - 6 ，本项目实验用的焊缝的几何形状，及图4 7 ，对焊缝的检测分 区。 按检测要求，聚焦柱应在坡口前3 m m 直到超过中心线l 2 m m 处，如图4 1 l 所示。焦柱中点取作几何焦点，每个方案( 超声束) 都是设计用来检测某个分区， 如图4 培所示。该声束的中心线过该分区坡口线的中点，中点坐标可以通过图4 - 6 计算获得，设为( z 。，儿) ，于是声束中心线方程可确定为： y = 一x t a n p4 - y o + x o t a n 护 口= 一( 9 0 。一)，三次声程情况 口= ( 9 0 “一)二次声程情况 声束中心线折射角 将坡口直线方程右平移3 m m ，得到： y = ( y i y 2 ) ( x 1 一x 2 ) ( x z i 一3 ) 4 - y l 爿曰，b c ，d e 直线 x = d + 3 c d 直线 中心线左平移2 r a m ，方程为： z = - 2 将声束中心线方程分别和上述两方程之一求解，得到聚焦柱长度起始点 ( ，y 。) ，( ，n ) ，聚焦点坐标： 工，= ( x 。+ z ) 2 j ，= ( y 。+ y ) 2 对于接收而言，从a 到b 范围内可能有的反射回波是我们关注的对象。定义 坝士研究生学位论文 全数宁相控阵超声无损检测系统软件算法。j 实现 第4 章数字式相控阵动态聚焦建模与算法 43 相控阵动态聚焦算法 从口到b 波的行程时间的2 倍为接收时间窗。接收延迟时间应从零延迟振元激发 时刻到a 点反射回波到振元时止。当然振元组内各振元的接收延迟时间应减去从 口_ 毛l j f 的行程时间的2 倍。 依此算法，并按照a s t m1 9 6 1 9 7 全自动超声检测环型焊缝实施标准草案 规定的方案有关参数设计方案如f ( l 1 一l 7 同r 1 一r 7 ) 序号方案名称声束中心线折射角声程次数检测分区 1r l6 5 026 2r 25 5 。35 3r 37 3 03 2 4r 4 4 5 024 5r 55 0 。 25 6r 65 0 0 33 7r 75 2 。 3l 4 3 3 超声束发射和接收的数学模型 取0 延时振元的激发时刻为时间0 基准，于是各振元发射时序如下图 图4 一1 4 各振元发射时序 于是有如下结论： 1 ) 各振元行程时间+ 发射延迟时间均相等 2 ) 最早激发的振元最迟收到回波 3 ) 设0 延时振元为i o ，行程时间为瓦，则对振元组内各振元有 ，+ t i m e = 声1 2 ，n t i m e ( i ) 为振元的行程时间 于是上述时间基各振元的接收延迟时间为： t ：= + 2 t i m e ( i ) 时序 坝t 研究生学位论文第4 章数字式相控阵动态聚焦酵篓17 篓鎏 ! 全塑：至塑篓堕塑妻垄塑笙型墨竺塾竺竺鲨! 壅里! ! ：! 塑丝丝型查茎苎苎! ! ：! 墨 = 2 t , 。一f ， 考虑到聚焦是在一个聚焦柱内，参见图4 - 1 1 ，超声束进入口后均可能遇到反 射源，超声束到达b 之前也可能遇到反射源，于是对接收延迟时间和接收时间 窗用如下算法确定： f ：= 2 t , 一，一2 ( a 至0 ，的行程时i t 自j ) 时问窗 ，”= 2 x ( a 至0 厂的行程喇+ 间) 首先考虑一次声程问题，即声波经振元组发出纵波在楔块中行进经界面折 射，折射横波聚焦于焊缝某个指定的分区。 已知几何上的聚焦点坐标：( 六，l ) ( 聚焦点坐标计算方法按上述给出) 和 声波中心线的折射角p 截面的，以及在楔块和钢管内声速c ，c ，现要确定： 1 ) 探头上至多3 2 个且数目为偶数个振元，它们参与发射和接收； 2 ) 各振元的延迟时间，使之组合发射的声束以给定的中心线为中心线，且 聚焦在给定的焦点。 图4 一1 5 一次声程聚焦 对于二次和三次声程问题，即折射后再经一次和二次反射再聚焦到焊缝截面 某个分区，可以通过反射定律先求出等效的焦点坐标，化为一次声程问题处理。 其中还需要考虑到，本系统中是利用横波探测，在测试过程中，不希望有纵 波的存在，以免产生波形判断上的困难。则我们需要选择合适的纵波临界角，它 应该满足2 7 6 。 口 d 的区间及区间上的值，视为备选峰，备选峰可能有多个。如下 图，k 。，b ，l k ，b ：】两峰为备选峰。 2 ) 相邻峰合并 图5 - 5 确定备选峰 倾士研究生学位论义第5 章回波峰识别与特征抽取算法与实现 全数字相控阵超声无损检测系统软件算法与实现5 2 回波高度判断法