（精密仪器及机械专业论文）多通道超声无损检测钢轨探伤系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 现代测试技术已成为现代工业生产和科学研究中不可缺少的手段。超声无 损检测( u n d t ) 由于不破坏被检物体而广泛应用于工业检测中。本课题在超 声波脉冲反射探伤原理的基础上，设计了一套专用于钢轨探伤的多通道u n d t 探伤系统。 钢轨探伤有其自身的特点，可分为自动探伤和人工探伤这两种工作模式。 本文在分析现代测试技术和p c 技术以及现代超声无损检测( 蜊7 1 d ) 技术发 展、应用的基础上，结合这两种工作模式及钢轨探伤的数字化、智能化的特点， 按章节分别介绍了系统的整体结构设计、硬件电路实现和软件编程调试等多方 面内容，阐述了本套系统的结构和功能。 系统硬件平台的设计采用了主从式的计算机控制系统：主机采用了p c 0 4 工业控制微型计算机，由于其本身具有强大的计算能力和完备的输入输出系统， 同时与软件平台相结合，构成了友好的人机交互操作，实现了系统的实时显示 和在线控制的功能；下位机则采用美国c y g n a l 公司新推出的c 8 0 5 1 f 系列的单 片机，其c p u 内核采用流水线结构，指令的处理能力大大提高。而且，c 8 0 5 1 f 单片机是真正能独立工作的片上系统s o c ，能有效地管理模拟和数字外设，片 内集成的非易失性存储器( f l a 跗) 使具有系统重新编程能力。与硬件平台相 对应，软件平台可划分为两部分。其中，上位机采用比。+ + 编程，下位机则采 用汇编语言来控制。 本课题设计的这套探伤系统既可以用于自动探伤，又可用于人工探伤，满 足了实际探伤的需要。另外，系统吸收了爿型、b 型和c 型超声波探伤仪在缺 陷显示上的优点，将硬件和软件的设计巧妙地结合起来，同时显示缺陷的回波 波形和运动位移及其深度位置。 随着微电子硅基技术和片上系统技术的飞速发展，本系统引入了f p g a 技 术。采用x i l i n x 公司的v i r t e x 系列的f p g a 芯片，用v h d l ( 硬件描述语言) 实现了窄脉冲的发射、数据的高速采样和显示数据的存储功能。 测试系统在测量过程中不可避免地会遇到噪声干扰。本文在分析了u n d t 系统中噪声可能来源的基础上着重分析了对系统影响最大的脉冲噪声的特征 及其消除方法，优化了系统设计。针对系统中仍存在一些不足，论文中提出了 改进的方向。 关键词：多通道钢轨探伤系统超声无损检测 a b s t r a c t m o d e r nt e s t i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l em e a s u r ei nt h ef i e l d s o fm o d e r ni n d u s t r ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h u l t r a s o n i cn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ( u n d d i sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a lt e s t i n gb e c a u s ei td o e s n td e s t r o yt h et e s t e d o b j e c t b a s e d o nt h eu l t r a s o n i c p u l s er e f l e c t i n gt h e o r y , w e h a v e d e s i g n e d a m u l t i c h a n n e lu n d td e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hi ss p e c i f i c a l l yu s e df o rt h es t e e lr a i l t h er a i ld e t e c t i o nh a si l so w nc h a r a c t e r i s t i ca n di th a st w ow o r k i n gm o d e s ， w h i c ha r em a n u a ld e t e c t i o na n da u t o m a t i cd e t e c t i o n t h i sr e s e a r c hh a s f u l l y a n a l y z e dt h em o d e r nt e s t i n gt e c h n o l o g y 、p ct e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n ta s w e l la sa p p l i c a t i o no ft h em o d e mu n d t t e c h n o l o g y c o m b i n e dw i t ht h ed i g i t a l 、 i n t e l l i g e n tc h a r a c t e r i s t i co f t h er a i ld e t e c t i o na n dt h et w ow o r k i n gm o d e s ，t h i st h e s i s h a si n t r o d u c e dt h es y s t e md e s i g n 、t h er e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r ea n dt h ed e b u go f t h es o f t w a r ei nt h es e r i a lc h a p t e r sa n dh a sd e s c r i b e dt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n so f t h es y s t e m t h eh a r d w a r ei sc o m p o s e do fu l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o nm o d u l e 、r e c e i v i n ga n d c h o o s i n gm o d u l e 、s i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e 、s y s t e mc o n t r o lm o d u l ea n du p p e r c o m p u t e rc o n t r o lm o d u l e t h es y s t e ma p p l i e sm a s t e r s l a v ec o m p u t e rc o n t r o lm o d e ： t h em a s t e r c o m p u t e r i sap c 1 0 4i n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e r ，w h i c h h a s s e l f - c o n t a i n e di 0s y s t e ma n dt h es t r o n gc o m p u t a t i o na b i l i t y , a n di tc a nr e a l i z et h e r e a l - t i m ew a v ed i s p l a ya n dc o n t r o l ；t h es l a v ec o m p u t e ri so n eo ft h ec 8 0 51fs e r i e s s i n g l ec h i pc o m p u t e r ，w h o s ec o r ea p p l i e st h ep i p e l i n i n gs t r u c t u r ea n dt h u si m p r o v e s t h ei n s t r u c t i o n sp r o c e s s i n gv e l o c i t y c 8 0 51fc o m p u t e ri sar e a l s y s t e mo nc h i p ， w h i c hc a nw o r ki n d e p e n d e n t l ya n dc a nm a n a g et h ea n a l o g u ea n dd i g i t a lp e r i p h e r a l d e v i c e s a tt h es a n l et i m e ，t h ei n t e g r a t e df l a s hm e m o r ye n a b l e st h es y s t e mh a v i n g t h er e p r o g r a m m a b l ea b i l i t y ，a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r e ，t h es o f t w a r ec a nb ed i v i d e d i n t ot w op a r l s w eu s ev c + + t op r o g r a mt h em a t e rc o m p u t e rw h i l eu s i n gt h e a s s e m b l yl a n g u a g e t or e a l i z et h er e a l t i m ec o n t r o lo f t h es l a v ec o m p u t e r t h eu n i q u ef e a t u r eo ft h i s s y s t e mi s s k i l l f u l c o m b i n i n gt h em e r i t so ft h ea t y p e 、bt y p e a n dc t y p e w a v e d i s p l a y i n g i t c a l ln o t o n l yd i s p l a y t h e d i s t a n c e - a m p l i t u d ec u r v eo ft h ee c h o ，b u ta l s os h o wt h em o v i n gp o s i t i o na n dd e p t h o f t h ed e f e c t sa c c o r d i n gt ot h ed e t e c t e dr a i l w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i cs i l i c o nt e c h n o l o g ya n dt h e s o c t e c h n o l o g y ，w eu s ev i a e x s e r i e sf p g a ，p r o g r a m m e dw i t hv h d l t or e a l i z et h e t r a n s m i s s i o no ft h en a t o w p u l s ea n d d a t ac o m p r e s s i o n t h ea r t i c l eh a sa l s oa n a l y z e dt h ep o s s i b l en o i s es o u r c e so ft h eu n d t s y s t e m a n dp r o p o s e ds o m es o l u t i o n s m e a n w h i l e ，t h ea r t i c l ep r o p e r l ye x p a n d e dt h ef u n c t i o n o f t h eu n d t s y s t e mc o m b i n i n g t h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y ， k e y w o r d s ： m u l t ic h a n n e l ，s t e e lr a i l ，d e t e c t i o ns y s t e m ，u l t r a s o n i c ，n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 现代工业的不断发展使得物体内部缺陷的探伤在国民经济发展中显示出 其越来越重要的地位。超声波无损检测u n d t ( u l t r a s o h i cn o n d 8 s t r “c r i v e t e s t i n gt e c h n o l o g y ) 技术是本世纪5 0 年代后才迅速发展起来的一种探伤方法， 由于不破坏被检物体而广泛应用于工业检测中。同时，计算机和微处理机技术、 数字信号处理技术及集成电路( 庀) 技术的迅速发展，促进了超声波无损检测 ( u n d t ) 技术在研究领域和应用领域中的大力发展。u n d t 技术己日趋成熟， 几乎渗透到所有工业及医疗部门，如作为基础工业的钢铁工业、机器制造业、 建筑业、石油化工业、铁路运输业、核电工业及医学诊断等重要部门。在某些 场合，如大型油罐的在役测试u n d t 技术己成为唯一可行的检测手段。由此 可见，u n d t 技术的发展是提高我国工业企业的经济效益，推进我国工业化进 程，发展生产力的重要技术进步手段。 基于工业计算机的测量与控制、高速数据采集和处理系统，以及智能模块 等技术的现代阶d ，技术可以实现探伤过程的数字化、智能化。将微电脑或 计算机以及以计算数字为核心的数值仿真与数值模糊等技术应用到u n d t 检 测系统中完全可以排除检测中的人为干扰，并自动、准确和迅速地将被检对象 的大量信息综合起来进行全面分析，得到实时显示的且接近于实际的结果，从 而达到对受检对象进行精确描述的目的。综上所述，建立基于p c 的u n d t 自动测试与控制系统有着非常广阔的应用前景和市场价值。 1 2 现代超声无损检测( u a o ，) 技术的发展及应用 现代u n d t 技术具有被测对象范围广、检测深度大、定位准确、检测灵 敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于现场使用等优点，是 国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。u d 丁技 术是一门交叉学科，集声学、仿生学、电子技术、电子计算机、计量技术、激 光技术、频谱分析等新技术为一体。这些技术逐步汇集成现代u n d t 技术， 已将近有百年的历史了。 一、u n d t 技术的发展 人类真正科学地开展超声波技术的研究还是从1 8 8 0 年，c u r i e 发现压电效 应开始的。同任何科学技术样，人类在自然界和社会活动的需求是超声技术 发展的动力。1 9 1 2 年有人提出用超声波探测海底冰山的设想；1 9 1 7 年研制成 第一章绪论 了第一个压电式超声波发射器；1 9 2 8 年有人提出用超声波探测材料内部缺陷 的设想，并制成了第一个连续波超声波探伤仪。 二十世纪八十年代末、九十年代初，计算机和数字信号处理技术的迅猛发 展使得超声技术进入了个全新的发展领域。与传统超声技术完全不同，新的 超声技术可以具有以下特点：在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量， 环境适应能力强，可以实现在线测量。 数字信号处理就是数字形式的数据计算，这是任何计算机处理数据的依 据。数字信号处理技术在超声波探伤领域中应用的独特之处在于其处理的数据 并不是由键盘输入的数据或文本，而是来自于超声波换能器( 或探头) 本身。 从裂纹处返回的回波在到达超声波换能器后，通过换能器的压电效应，超声 波信号被转换成电压信号，并随着时间的推移迅速而平稳地变化。这一平稳变 化的电压可以表示出探伤区域内缺陷的分布情况。但是，这个电压模拟信号需 要转换成一组数字信号，它可描绘出与转换前的超声波信号变化完全相同的信 息，这样也能判断探伤区域内是否有缺陷存在，甚至能描述出缺陷尺寸的大小。 所不同的是现在新的数字信息表现形式更适合于p c 机的处理，对于业已普及 应用的微处理机和p c 机进行计算、显示和储存来说是一种理想的形式。 采用工业界能够提供的设备，这种电压数字转换技术才能实际应用于超 声波探伤系统。而且，现在这种技术已完全实用化，从经济上讲也能用得起这 种检测设备。这些设备可检测出超声波传感器的每秒4 0 1 0 0 万次范围内的电 压输出，并将所得的数字传输给p c 机进行分析，这能力加上现代p c 机所 具备的通用处理能力，使得d 丁新技术有效地扩展至工业界特别是铁道技 术中的实际应用。随着数字信号处理技术的发展，全数字式多功能超声检测系 统的开发成为近年的新趋势。目前，国外的典型代表有美国p a c 公司的 m 1 s t r a s 2 0 0 1 d w c 公司的f 4 0 0 0 和德国v a l l e n 公司的a e s y 4 。 今后，人工智能技术将逐渐引进超声检测中，为进一步提高超声检测的精 度、可靠性提供了有效的手段。 我国超声检测技术的研究、应用领域已不断扩大，仪器研制技术水平不断 提高，表明我国超声检测技术发展已经走出低谷。随着新一代全数字化超声仪 器和功能强大的信号处理软件的问世，尤其是人们对超声检测技术理论的更深 层次的研究与认识，超声检测技术将经历一个更高层次的发展阶段并将获得更 广泛的应用。 二、硼曰丁技术的研究及应用领域 超声波检测技术是利用超声波物理效应，从超声信号中抽取信息再推断出 结论的过程。在超声波检测理论即相关技术方面开展的主要研究有：脉冲超声 第一章绪论 波在固体中的传播特性：包括在均匀介质、多晶介质、板状介质、多层介质、 随机介质等复杂介质中的传播特性；超声波换能器的脉冲激励特性及其所发射 脉冲的声场特性、声束特性；计算机化的u n d t 设备的原理：用户友好界面 操作系统软件；超声数字信号处理，包括人工智能、神经网络、模式识别、相 位补偿；各种扫描成像技术，包括振幅距离聚焦成像( a l o k ) 、超声计算机 层析成像( 丁) 等。近年来，取得了大量有关u n d t 基础理论和方法、仪 器仪表、设备、器材等研究成果，为u n d t 技术的持续发展和走向成熟提供 了可靠保证。 随着u n d t 理论水平的提高，应用领域和频度也日益扩大。目前己大量 应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在役检查：如钢板、管道、焊缝、 路轨、机车车辆零部件及集成电路引线的检测。国内外开发了许多有用的检测 方法和技术，如美国国家航天航空管理局e w i s 研究中心采用- o 2 5 m i _ i z 的激 光聚焦束激发超声波，通过触点换能器得到超声波衰减信号来检测高温材料； 美国国家标准和技术研究所利用电磁超声技术( e m a t ) 预测定硬化钢的强度： 日本大阪瓦斯公司利用s h 波的e m a t 技术检测管道的腐蚀。我国在钢板超声 多次重合探伤法、固体内超声动态聚焦扫描技术及各种超声自动探伤法和超声 成像检测法等方面的研究也有很大进展。另外，u n d t 技术也用于检测大型结 构、压力容器和复杂设备：如不锈钢焊缝及堆焊层、裂缝自身高度和高温超声 检测、铁路钢轨内部缺陷超声自动检测系统等。与现代工业高速度、高精度、 高分辨率、高可靠性等要求相结合的超声检测设备，正在向实现仪器的自动化 和计算机化方向发展，成为微机控制自动超声检测系统。本文所研究的多通道 钢轨探伤系统正这类智能化、标准化、精确化的u n d t 探伤系统。 1 3现代钢轨u n o t 技术的国内外发展现状 钢轨探伤可用于检测生产出的钢轨及已经安装在轨枕上的钢轨中的缺 陷。刚生产出来的所有钢轨在其通过生产线时都要接受超声波检测。此时，多 发射器系统用于确保一次通过检测站便可获得最大的探测量。这些探头( 发射 器) 排列在钢轨断面周围，因此，轨头、轨腰和轨底处的缺陷都会得到检测和 定位。常用的探伤速度在l m s e c 以上。检测出的任何缺陷都被记录下来，并 在该部位喷上油漆标记以便此后单独进行人工确定检查。 对已安装使用的钢轨的缺陷检测，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点的一种作业。国外的现 场探伤有两种方法：第一是检测人员利用便携式超声波探伤仪在轨道上步行探 第一章绪论 伤，这是传统的检测方法，通常称为人工检测法；第二种方法是将超声波设备 安装在车辆上，车辆在线路网上运行时以相对较高的速度检测轨道。 由于线路质量和运输调节的不同，国内的钢轨探伤方法与国外的探伤方 法并不相同。国内以超声波探伤仪的研制为主，而国外则以发展大型钢轨探伤 车为主，手推式钢轨探伤车为辅。由于欧美等国钢轨中的缺陷主要存在于钢轨 轨头中央，而我国钢轨的缺陷主要是由于夹杂和表面擦伤等引起的，又多存在 于轨头内侧，因此，适合于美国线路的钢轨探伤工艺并不适合于我国钢轨探伤 的检查；另外，欧美等国的行车密度比我国小得多，所以可为钢轨探伤提供足 够的检测时间。 为了适应我国变化了的铁路运输条件，实现以超声波探伤仪进行探伤是符 合我国钢轨探伤的实际需求的。本文所研究的多通道数字式自动探伤仪就是为 此而做出的一个尝试和探索，系统采用我国颁布的探伤仪通用技术条件 ( z b 2 3 0 8 4 ) ，超声波探伤用探头性能测试方法( z b y 2 3 1 8 4 ) 和脉冲反射式超 声波探伤系统性能测试方法( z b j 0 4 8 7 ) 等标准。目前，我国对u n d t 钢轨 自动检测有自己的标准： 1 ) 对于被探伤的钢轨，应大于5 0 k g m ，钢轨两端不可探伤的长度均不大 于2 0 0 m m 。 2 ) 确保被检验的最小横截面积为：5 0 k g m 的钢轨：轨头部分不小于 5 0 ，轨腰部分不小于j d ，轨底部分见附录图，图2 向) 和图3 白j ；大 于5 0 k g m 以上的重轨：轨头部分不小于7 0 ：轨腰部分不小于6 0 ，轨底 部分见附录，、图2 晒j 和图3 伯j 。这是根据探头发射声影确定的。由此， 我们在本系统中采用五个探头检测钢轨，各探头的位置如图2 - 6 所示。 3 ) 探头频率为22 5 5 m h z 。 4 ) 在对钢轨进行超声波检测时，应备有静态样轨和动态样轨。其中，静态 样轨用以校订检测灵敏度。因为当超声波检测钢轨的缺陷信号超过阈值时，此 钢轨应报废。静态样轨的轨头、轨腰长度应大于l o o m m ，轨底长度不小于 1 2 0 m m ；动态样轨的作用则是在探头与试块相对静止状态下调整起落架，在探 头与试块相对运动状态下调整报警灵敏度以及检测运行机构的稳定性。动态样 轨的长度不小于6 m 。静态样轨和动态样轨的形状都同被探伤的钢轨对应部分 一致，是按规定的当量人工缺陷制作的、无报警电平以上的缺陷的试样。 5 ) 检测设备可以是模拟式超声探伤仪或数字式超声波探伤仪。采用多闸 门系统，报警器闸门起始位置、宽度及报警灵敏度是可调的。探伤仪应工作稳 定，即在同一探伤条件下，回波高度的变化量不大于3 d b 。 第一章绪论 1 4本课题的主要目的、工作内容和意义 传统超声波探伤仪类似于早期的示波器，只能简单地显示回波信号波形， 测量结果只能通过计算波形所占的网格进行人工读数并需经过许多中间计算 环节才能得到最终结果，所以测量精度低，误差较大，测量过程复杂。而且， 探伤波形也不易保存，难以作进一步分析。 本课题提出一种运用微处理器，微电子技术、e d a 等先进技术研制的专 用于钢轨自动探伤的多通道数字式探伤仪，有助于解决以上问题。 本文充分研究了超声波探伤原理，针对项目测试的实际要求及我国钢轨 u n d t 的探伤标准，自己开发了一套阶，d 7 1 钢轨自动探伤系统，构造的这套 多通道数字式超声波探伤系统是基于回波波高的高速采样保持和a d 转换进 行的数据采集。 本系统的硬件平台是由上位机和下位机组成的。其中，上位机是p c 1 0 4 工控机；以c y g a n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 0 3 单片机芯片、高速转换丌关芯片及可 编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y s j 构成下位机的主体部分。采用 这种上、下位机结构，可以确保上位机有充裕的时间去完成用以进行人机交互、 执行探伤操作程序和报警程序：而大量的数据采集，系统控制、中间处理、实 时控制等繁忙事务则交由下位机去完成。这样，既有利于提高系统的探伤速度， 也为开发用户应用软件留出充足的时间余量。 本课题在下位机的设计中采用了模块化的设计方式，解决了多通道探伤系 统的同步问题。同步脉冲是每一轮缺陷检测的开始，在一轮缺陷检测中，五个 通道依次进行各自通道的探伤。本课题将衰减量、抑制电平、报警电平、闸门 位置及宽度等原来的手动按键调节，改为微机键盘调节与键盘直接输入相结合 的方式，工控机可进行监控管理。另外，本课题对回波声程等参数能进行实时 计算、存储，同时也能实时显示采集到的各路通道的波形。 本课题的创新之处是吸收了a 型、b 型和c 型超声波探伤仪在缺陷显示 方面的优点，不仅能实现回波波形的距离一波幅显示( 即a 型显示) ，还能同 时显示缺陷在钢轨俯视图中的运动位置( 即b 型显示) 和缺陷在钢轨俯纵截 面图中的位置( 即c 型显示) 。这是本套系统的特色之处，可以让检测人员实 时地掌握缺陷的位置和深度，更好地控制探伤过程。 与硬件平台设计相对应的是系统软件平台的设计。软件平台也是由两个部 分组成：下位机用汇编语言编程，完成对整个系统的实时控制和波形采样：用 v i s u a lc + + 编辑上位机的人机对话界面( h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) ，用户对本 系统能进行方便、简洁的操作，交互对话易于理解。同时，上位机与下位机的 第一章绪论 通讯程序，使操作人员能对系统进行实时控制、管理。另外，利用v c 提供的 a p i 函数，上位机就具备了帮助能力、打印功能和容错能力。 本课题引进了e d a 技术，分析了美国x i l i n x 公司f p g a 的工作原理、设 计结构和用v h d l 语言开发的技巧，将此技术引入到了系统的自动测试与控 制中，完成了系统数据的高速采样和压缩、窄脉冲的发射的工作，使得系统能 实时显示回波波形，分析缺陷数据。 本系统不仅具有常规信号处理的能力还能够采集波形信号，系统的软件， 除常规参数、波形采集、事后分析、源定位、图表显示等基本功能外，还具有 波形记录与分析的功能，以后还可配置模式识别和多通道处理等软件，以完善 和提高系统的整体性能。 本课题充分讨论了测试控制系统中的噪声的来源，详细分析了所设计的 u n d t 系统中所采取的消除噪声的措施。同时，结合现场探伤的实际需要和现 有的控制技术、通讯技术、热点技术，如人工智能在u n d t 技术中的应用， 适当地展开了本研究工作，提出了有待于进一步深入研究的问题。 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性( 声速、衰减、反射、声 阻抗等) 来实现对非声学量( 如密度、浓度、温度、流速、厚度、缺陷等) 的 测定。 2 1 u n d t 技术的物理基础 超声波是一种机械波，由物体机械振动产生，具有波长、频率和传播速 度等物理量。机械振动与波动是u n d t 的物理基础。本文着重讨论与钢轨超 声探伤有关的超声场的特征值，超声波的反射、折射现象，超声波换能器的衍 射现象。 2 1 1 超声场的特征值 超声波传播所涉及到的空间或部分介质称为超声场。当被探测的物体置于 超声场内时，就有可能被探测到。用来描述超声场的特征值有声压、声阻和声 强。 、声压尸 垂直作用于单位面积上的压力称为压强。当介质中有超声波传播时，介质 质点的振动使得介质中压强交替变化。声压就是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p n 之差称为该点的声 压，用尸表示，单位帕斯卡。 超声场中某一点的声压可以用公式( 2 1 ) 表示： j d = 只一异= p c a c os i n c o ( t 一三) 公式( 2 - 1 ) l 其中p 是介质密度，c 表示超声波在介质中的传播速度，a 是介质质点的 振幅，是介质质点振动的角频率，x 是该点与波源的距离。又因为：2 ， 所以，超声场中某一点的声压于超声波的频率成正比。 二、声阻抗z 声阻抗是介质中某一点的声压与该点质点振动速度v 之比。在同一声压 下，声阻抗越大，质点的振动速度就越小。也就是说，声阻抗是表示超声场中 介质对质点振动的阻碍作用，它与声压p 以及介质中声速v 的关系如公式 ( 2 2 ) 所示： z = i p = ；d c 、声强， 声强是以垂直于超声波传播方向上 公式( 2 2 ) 每秒每平方厘米的面积上流过的能量 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 表示的。声强实质上是单位面积中的功率，如公式( 2 3 ) 所示： ，：三：掣 公式( 2 3 ) 彳2 、7 由公式( 2 3 ) 可知，超声场中，声强与频率成正比。由于超声波的频率 很高，故超声波的声强很大。这是超声波能用于探伤的重要依据。 2 1 2 声波的反射、折射现象 超声波探伤时，通常需要在超声波换能器与被测物体表面之间用一层耦 合剂进行耦合。这种多层媒质的情况服从超声波在薄层界面的反射和折射规 律。假定第一介质的声阻抗为z ，超声波通过声阻抗为z ，的第二介质薄层进 入声阻抗为z 1 的第三介质中。第一介质和第三介质分别向x 轴左方和右方延 至无限远处，但两者之间夹有一层厚度为d 的第二介质，如图2 1 所示。 介质( 1 )介质( 2 )介质( 3 ) z lz 2 7 “j x d ab 图2 - 1 三层介质情况的反射和折射 超声波换能器在发射模式下，发射的超声波从第一介质沿x 正向垂直入 射于分界面一，一部分声波反射回第一介质，另一部分透过一而进入第二介 质，但到分界面b 处又发生反射和折射。最后，有一部分超声波可以透过口而 进入第三介质。同理，超声波换能器在接收模式下，接收从各界面返回的声波。 我们所关心的往往是第一媒质中入射的超声波究竟有多少能反射回来。这时超 声波换能器接收到的回波声压只与入射波声压只之比，称为声压往复透射率 7 ，如公式( 2 4 ) 所示。 ，：笠：量生：坚圣! ：公式( 2 4 ) 异p op l ( z 2 + z 1 ) 2 从公式( 2 - 4 ) 可知，声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关，与 从何种介质入射到界面无关。界面两侧介质的声阻抗相差愈小，声压往复透射 率就愈高，反之就愈低。而往复透射率高低直接影响探伤灵敏度的高低。 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 2 1 3 声波的衍射现象及超声场的远场、近场特性 衍射现象是许多子波叠加的结果。超声波换能器在发射模式下，辐射面上 的每一点可以看成是一个子波的振源，而超声波换能器产生的声场就是这些子 波迭加的结果。 一、超声场的远场特性 超声波换能器是一个小圆片的形状，在远场区中可以看做是一个振源，其 表面上的每一点所辐射出的半球面波( 子波) 是没有指向性的。但空间中某一 点的声压是这些子波迭加的结果( 即超声波的衍射) ，却有指向性。如图2 - 2 所示为远场区中用指向性图案描述空间某一点声压的指向性。 y - n x 图2 - 2 超声换能器远场区的指向性 图2 2 所示的指向性图案是由一个主瓣与几个副瓣组成，其物理意义是扩 散角0 = 0 时声压极大，0 逐渐增加时，声压减小。所以，波束越集中，声场的 波束指向性就越好，扩散角越小，声压越大，波束的能量就会越大，对探伤就 越有益。 二、超声场的近场特性 在换能器表面附近，即近场区，由于衍射的结果，沿某轴向各点的声场会 周期性地出现极大值和极小值。这样，近场区对探伤定量是不利的因为有可 能会出现处于声压极小处的较大缺陷回波可能较小，而处于声压极大值处的较 小缺陷回波可能较大，从而很容易引起误判，甚至漏检。因此，应该尽量避免 在近场区进行探伤定量。如图2 3 所示。 9 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 图2 - 3 轴向近场衍劓 图2 3 中，代表离换能器距离x 处的声强， 一1 ：。i n2 罢( 石曩丁一枷 i 。 2 、 “ 由公式( 2 5 ) 可求出声强极大值处的坐标为 k 2 i 函2 再( 2 n 百一 4 口2 2+ 1 、2 。代表声场的极大值，则有 公式( 2 - 5 ) 公式( 2 - 6 ) 公式( 2 6 ) 中，n 为0 ，1 ，2 ，等整数：a 为超声波换能器的半径。最 远的极大值相当于一= 0 时，对应的距离为： 4 d2 一 2 2 砑一 由公式( 2 7 ) 可知，当n 五时，“了a 2 。这说明x 后就不再有声 强极大值出现，即进入了远场范围。所以，要避免在x 这一范围内探伤。 2 2 多通道l n 0 1 钢轨探伤的原理 钢轨之所以要探伤是因为线路上的钢轨在承担繁重的运输任务过程中，不 免要产生各种伤损，一些看得见的伤损可以及时处理。有些伤损在钢轨内部， 是肉眼看不见的，如钢轨头部存在冶金中残留的夹杂和白点而引起的核伤，它 可以造成钢轨横向裂纹及轨头断裂：由残留的带状组织而造成的轨头或轨腰水 平裂纹或分层，有时会使轨头或轨底劈裂即垂直裂纹；还有螺栓孔周边裂纹等。 这些看不见的内伤，只有通过钢轨探伤仪才能发现，然后根据探伤结果对钢轨 进行处理。图2 - 4 表明了u n d t 钢轨探伤时可能测量到的缺陷种类。 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 水平缺 图2 - 4 钢轨上需探伤的缺陷种类 横向缺陷 腰处的斜裂纹 陷 多通道探伤仪是基于单通道探伤仪的工作原理，各通道的超声波换能器既 可以独立地发射、接收脉冲，又可以依据探伤实际情况的需要，灵活地组合， 即一个通道作为发射通道，另一个通道作为接收通道。探伤原理都是一样的， 电能与声能之间的转换以及超声波在弹性介质中的物理特性是钢轨超声波探 伤原理的基础。 u n d t 单通道探伤仪的原理是：由同步电路产生的同步触发脉冲分别触 发高频发射电路、反射式报警电路。高频脉冲由f p g a 提供，用于激励超声 波换能器。一个短的高频超声波脉冲射入被测材料中，以直线运行直至遇到某 种障碍。这一障碍或许是该零件的远端，亦或是一条裂纹。f 象声音从山谷的 背部发出回声一样，超声波的脉冲被反射回来，由于换能器的可逆效应，反射 回来的超声波被超声波换能器监听到并转换成电脉冲，传输给一套电子系统。 经过高频调谐接收放大和检波后，可显示和记录这些信号，给出定量的缺陷指 示。若已知脉冲发射的时间以及脉冲在钢轨中运行的速度，那么就可以计算出 缺陷的位置。同时，当该时间的反射脉冲与所设置的报警范围相对应时，即触 发报警电路。 根据超声波换能器( 探头) 的类型其探伤原理还可以分为纵波探伤和横波 探伤。本课题采用纵波探伤，其原理如下所述。 如图2 5 所示使用直探头时，超声波通过耦合剂进入工件。如果工件中 没有缺陷，超声波会一直传播到工件底面。如果底面光滑且平行于探测面，超 声波将被反射回探头探头将返回的超声脉冲转变成电脉冲：如果工件中有缺 陷，超声波的一部分被缺陷反射回探头，其余部分到达底面后再反射回探头。 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 缺陷至探头距离 _ _ 一 工件厚度 卜卜卜 卜一 缺陷波水平刻度 _ 一 底波水平刻度 2 - 5 纵波探伤 2 3 多通道u n d t 钢轨探伤系统的总体设计 缺陷 底面 多通道u n d t 钢轨探伤系统的总体设计从缺陷显示方法、探伤仪的工作 模式、探头的选取及其探伤的位置及其工作模式等三个方面阐述。 一、本系统的缺陷显示方式 探伤仪的种类很多，最常用的分类方法是按照缺陷的显示方法将超声波探 伤仪分为a 型、b 型和c 型。 l 、a 型超声波探伤仪通过高频脉冲电路产生高频电压，加在超声波换能 器上。超声波换能器将电波变成超声波并传入工件中。超声波在遇到缺陷或底 面时又发生反射，接收到反射波的超声波换能器，将超声波转换成电波，输入 到接收电路中进行放大、检波最后在荧光屏的纵坐标上显示出来。所显示的脉冲高 度与超声波换能器所接收的超声波能量成比例。通过缺陷波在荧光屏上横坐标的位置， 可以对缺陷定位；通过缺陷波在荧光屏上纵坐标的高度，可以估计缺陷的大小。a 型显 示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间( 或距离) ，纵坐标代表 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 反射波的幅度。 2 、b 型显示是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代 表的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播方向( 或距离) ，因而 可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。 3 、c 型显示也是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠 机械扫描来代表探头在工件表面的位置。因而当探头在工件表面移动时，超声 波探伤仪显示的是工件内部缺陷的平面图形( 即从探头方向看的投影) ，但不 能显示缺陷的深度。 a 型、b 型、c 型超声波探伤仪的三种显示分别如图2 - 6 所示。 ( a ) a 型显示( b ) b 型显示( c ) c 裂显示 图2 - 6 缺陷的a 型、b 型、c 型显示 本系统吸收了这三种超声波探伤仪的显示优点，在显示缺陷回波幅度的同 时，也能显示钢轨纵截面缺陷的深度以及俯视面中缺陷的分布状况。下面介绍 本系统的探伤方法。 二、本系统的工作模式 钢轨探伤有自己的特点，即探伤时有两种情况：其一是探伤仪的自动探伤。 在检测新生产的钢轨时，探伤仪是静止的，钢轨在传送带的传送下经过探伤仪 而被探伤，即探头是固定的，而被测钢轨是运动的：其二是人工探伤。钢轨一 旦投入使用就被固定在枕木上了，但铁路线上的钢轨在被使用一段利间后会有 磨损，需要及时探伤。在这种情况下，可用钢轨探伤车进行人工探伤。此时， 探头被固定在探伤车上，而操作人员会以一定的速度推动探伤车移动进行探 伤，即钢轨是固定的，而探头是运动的。无论是哪种情况探伤，其探伤原理和 探伤方法是类似的。 匦 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 三、本系统探头参数的确定 探头又称为超声波换能器，主要由压电晶片组成，基于压电晶片的压电效 应，可以发射、接收超声波。探头根据其结构不同，可分为直探头、斜探头、 双晶探头等。由多个探头组合在一起就构成了超声波换能器阵列。检测时，如 果只使用单一角度的探头，声束不可能覆盖整个钢轨截面，也不可能全部探测 到钢轨的各种缺陷。所以，既需要有垂直入射声束，又要有倾斜入射声束，且 以不同角度入射，刁能使声束到达钢轨各部位进行全面探测。根据理论分析： 探头要做成0 0 、3 0 0 、5 0 0 三种角度入射束才能满足要求。如果用单一通道进 行探测，需要在钢轨上进行反复探测，效率太低。基于钢轨探伤的客观要求， 探伤必须从单一通道向多通道发展，以便在一次探伤过程中能够全面探测。 图2 7 多通道钢轨探伤时换能器的检测位置 本系统根据第一章中所述的我国钢轨超声波探伤标准的要求，采用多个探 头进行检测。探伤前，在钢轨的不同位置放置好探头，其探伤位置如图2 7 所 示。通过预置各探头的各种参数，如增益、补偿倍数，声速、报警方式等，来 测量钢轨中的缺陷。 由于钢轨本身的特点本探伤仪采用五通道探伤，分别探测轨头、轨腰及 轨底。为了满足探伤所要求的灵敏度和探伤区域，测量轨头和轨腰的探头a 、 探头b 和探头c 采用直探头，频率为4 m h z ，测量轨底的探头d 和探头e 采 用5 0 0 的斜探头，频率为2 m h z 。探头与仪器的连接选用损耗小、匹配好的同 轴电缆线。 多通道u n d t 钢轨探伤仪在工作时，探头有两种工作模式： ( 1 ) 单个探头的单发单收模式：某单个通道的探头首先发射脉冲，经过一段 时间后，此探头工作在接收模式下接收返回的超声波。经过后续电路对信号的 调理在屏幕上显示出相应的波形并判伤报警。 ( 2 ) 两个探头的a 发口收模式。如图2 7 所示，五个探头中，a 与口、d 与 第二章多通道u n d t 钢轨探伤系统工作的物理基础 e 分别是两组组合的探头。以一与b 这组探头为例( d 与e 与之相同) ，先由 a 通道的超声波换能器发射脉冲，紧接着由上位机触发、与下位机通讯后，由 下位机发出选通信号选择另外一个通道的超声波换能器b 做为接收器，接 收从4 通道发射脉冲的回波。经过后续电路将回波波形显示在屏幕上。a 与b 的收发功能也可以互换。 另外，在探伤前还应调整好探伤灵敏度。探伤灵敏度是指在确定的探测范 围内的最大声程处发现规定大小缺陷的能力。通过测试静态标准试样并调整好 仪器和探头，使人工缺陷的反射波高达到满幅度的5 0 ，以此作为探伤起始 灵敏度。探伤方法则采用超声波脉冲反射法，引入自动计算和自动处理，排除 了人为对探伤的不利影响，方便了操作。 连接以上所介绍的显示部分和发射部分的是数据采集与数据处理部分，这 是本系统的核心部分，完成将采集到的波形在屏幕上显示、判伤报警等功能。 而这些功能是在构建的硬件平台的基础一l ，通过软件实现的。 2 4小结 本章论述了u n d t 钢轨探伤技术的物理基础，阐述了超声场的特征值、 超声波反射和折射现象、近场和远场的特性。在此基础上论述了本系统探伤的 原理和总体设计。下面将从系统的硬件平台和软件平台两个方面描述本系统。 第三章多通道洲d r 钢轨探伤系统的构成与硬件平台