钢管无损检测技术的研究

1、 辽宁科技大学本科生毕业论文 第 iv页钢管无损检测技术的研究摘要随着科学和工业技术的迅速发展，高温、高压、高速度和高负荷已成为现代工业的重要标志，但它的实现是建立在材料高质量的基础上的，为确保这种优异的质量，必须采用不破坏产品原来的形状、不改变其使用性能的检测方法，对产品进行百分百的检测，以确保其可靠性和安全性，这种技术就是无损检测技术。无损检测技术包括涡流、射线、超声、磁粉、渗透、漏磁以及超声导波等,本文分别介绍这些检测方法的特点，重点介绍超声相控阵技术的原理及发展。针对钢管无损检测生产过程的关键点和难点，将相控阵超声检测技术与涡流检测技术结合起来，设计了适用于钢管生产过程的无缝钢管在线缺

2、陷检测方案，并用工控机控制与plc控制两种过程控制方法实现对钢管在线联合无损检测。关键词: 无损检测；相控阵超声；在线测量steel pipe non-destructive testing technology researchabstractwith the rapid development of industrial technology and science, high temperature, high pressure, high speed and high load has become an important symbol of modern industry. how

3、ever, its implementation is based on the materials with high quality. in order to ensure that high quality, we have to use the measurement method that dont destroy the products original shape and dont change their performance for using to have a totally test. through the test, we can ensure the safe

4、ty and reliability of the products. this technique is called non-destructive testing technology.many techniques are included in the nondestructive testing technology, such as eddy current testing (et), radiographic testing (rt), ultrasonic testing (ut), magnetic particle testing (mt), penetrate test

5、ing (pt), magnetic flux leakage testing (mfl) and guided wave testing (gt). the characteristics of the techniques are also introduced. emphasis is put on the development and principle of ultrasonic phased array technology. aiming at the difficulties and the key points detection of nondestructive tes

6、ting for steel production process, ultrasonic phased array inspection technology is combined with eddy current flaw detection techniques to design a steel pipe flaw detection program which applies to steel pipe production process. online flaw detection with electrical relay controlling and plc contr

7、olling are realized as two process control method. the development and fundamental of phased array ultrasonic testing are also described.keywords: non-destructive testing; ultrasonic phased array; online measurement目 录1 绪论11.1 无损检测技术简介11.2 现代无损检测技术的现状及发展11.3 课题研究的背景和意义21.4 课题研究的主要内容22 各类无损检测方法简介32.1

8、 超声检测32.2 磁粉检测52.3 涡流检测52.4 渗透检测82.5 声发射检测92.6 射线检测102.7 激光全息检测102.8 红外热波检测112.9 微波检测123相控阵超声技术143.1 超声相控阵技术的概况和原理143.3.1 概述143.3.2 超声相控阵原理概述143.2 超声相控阵数据系统163.2.1 超声相控阵数据采集系统的硬件平台163.2.2 超声阵列换能器173.2.3单通道数据采集系统183.2.4主控模块193.2.5 超声波驱动电路的设计223.2.6 超声信号程控放大233.2.7 高速adc（模/数转换）243.2.8 超声相控阵系统的相位延时263.

9、2.9 超声相控阵系统的数据处理与显示成像273.3 超声相控阵技术的特点及其应用274 钢管在线无损检测方案设计294.1 方案概述294.2 基于工控机控制的联合检测方案294.2.1 组合无损检测中各方法的选择294.2.2 钢管在线组合无损检测的工艺布置304.2.3 流程图364.2.4 设备特点小结374.2.5 优点与局限性374.3 基于plc控制的联合检测方案374.3.1 方案概述374.3.2 plc简单介绍384.3.3 plc检测系统控制策略384.3.4 所采用的仪器设备及大致流程394.3.5 方案的特点394.4 两种方案的对比394.5 小结40结论41致谢4

10、2参考文献43 辽宁科技大学本科生毕业论文 第44页1 绪论1.1 无损检测技术简介无损检测 ndt （non-destructive testing），就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称1。无损检测的目的是定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许负荷、寿命或剩余寿命；检测设备在制造和使用过程中产生的结构不完整性及缺陷情况，以便改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保证设备安全，高效可靠地运行。无损检测

11、的特点：无损检测不会对构件造成任何损伤；无损检测技术为查找缺陷提供了一种有效方法；无损检测技术能够对产品质量实施监控；无损检测诊断技术能够防止因产品失效引起的灾难性后果；无损检测技术的应用范围广阔。无损检测分为常规检测技术和非常规检测技术。常规检测技术：超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检验、涡流检测。非常规无损检测技术：声发射检测、红外检测、 激光全息检测、微波检测等。1.2 现代无损检测技术的现状及发展随着现代科学和工业技术的迅速发展，工业现代化进程日新月异，高温、高压、高速度和高负荷，无疑已成为现代工业的重要标志，但他的实现是建立在材料（构件）高质量的基础上的，为了确保这些构件优异的质量

12、，还必须采用不破坏产品的形状、不改变使用性能的检测方法，对产品进行百分之百的检测（抽检），以确保产品的安全可靠性，这种技术即是无损检测技术。无损检测技术以不损害被检测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、结构件进行有效的检测和测试，借以评价他们的连续性、完整性、安全可靠性和某些物理性能，包括被检测材料和构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布和内含物等情况进行判断2。近年来，随着复合材料和复合结构的应用不断增长，对检测的要求也不断的提高，一些常规方法不再满足要求，随之产生声振检测方法，即激励被测工件产生机械振动，通过测量被测件振动的特征来判定

13、其缺陷的情况。由于航空和航天工业的发展，大量采用的新型材料，由于微波能够贯穿介电材料，微波无损检测方法应运而生。无损检测在检测和评定材料结构损伤和控制质量生产方面，仍将继续发展，在工艺领域ndt也将逐渐成为全面质量管理中的重要的一环，也使未来的材料具有更高的性价比，随着仪器自动化程度以及数据处理技术水平的不断提高，ndt不仅将对无损检测而言变得更加重要，而且将成为工艺控制的有效方法3。1.3 课题研究的背景和意义钢管是应用最广泛的钢材品种。它的质量直接影响到经济效益及人员的生命安全。世界各国都对钢管的质量检测给以极大的重视，采用了各种无损检测（ndt）方法对钢管进行严格的检测。例如，德国的ma

14、nnesmann公司和日本的住友金属公司在检测大钢管时采用超声（ut）和漏磁（mfl）方法；检测小钢管时，采用超声和涡流（et）方法，已形成了较为成熟的检测方案4。但由于其科技含量高，又采用了多项专利技术，所以成本较高，不利于我国大规模引进生产线。我国的钢管检测大量采用了超声及涡流方法，也愈来愈多地采用漏磁方法。结合最新检测技术、计算机技术和机电控制技术研制出的无损检测系统，能有效检测出产品中出现的裂缝、凹坑、孔洞等缺陷。对提高产品质量、简化操作、降低劳动强度、提高缺陷检测的准确度及分辨率和减少工业应用事故等方面都具有十分重要的现实意义。1.4 课题研究的主要内容本课题主要研究各种现有的无损检

15、测方法的原理、应用场合，分析钢管在生产过程中无损检测的关键点和难点，针对钢管生产过程的特点设计合适的测试方案，实现对钢管的无损检测。2 各类无损检测方法简介2.1 超声检测超声波检测用的高频超声波通常用压电材料产生，如水晶、钛酸钡、锆钛酸铅和硫酸钾。使用前把压电材料切成能够在一定频率下共振的片子即晶片。将晶片两面都镀上银，作为电极，把高频电压加到这两个电极上时，晶片就在厚度方向产生伸缩，这样就把电振动转变成机械振动而产生超声波。反之，将高频机械振动（超声波）传到晶片时，晶片就被振动，在晶片两极间产生频率与超声波相等、强度与超声波成正比例的高频电压，这就是超声波的接收5。当超声波传到缺陷、被检物

16、底面时会发生反射。在超声波垂直传到不同介质相接触的界面时，一部分超声波被反射，而剩余的部分就穿透过去，这两部分的比率取决于介界的两种介质的密度和其中的声速。当钢中的超声波传到空气界面时由于空气与钢的密度及其中的声速相差很大，超声波在界面上100%地反射了，它几乎完全不会被传到空气中。钢同水接触时，88%的能量被反射，12%穿透出来。因此，如果检测时垂直探头与被检物之间有空气时，超声波实际上完全传不过去，所以要用，油或甘油（接触式检测时）或水（非接触式检测时）作耦合剂，使超声波能够很好地传播，垂直探头如图2.1（a）所示。在超声波斜射到界面时，在界面上会产生反射和折射。当斜探头接触到钢件时，因为

17、两者都是固体，所以反射波和折射波都存在纵波和横波，如图2.1（b）所示。此时，反射角和折射角是有两种介质中的声速来决定的。由于折射波中同时存在纵波和横波时，对判断结果会产生困难，所以要适当调整探头入射角即探头中斜楔的角度，使入射角的角度大于纵波的临界角（就是使纵波全部反射），而被检物中只有横波射入。斜射时折射的穿透率与折射角有关。通常，当斜探头采用的折射角为3580时，穿透率最好。 （a）垂直探头 （b）斜探头图2.1 超声波检测探头超声波检测是最基本的无损检测方法。超声检测的优点：检测成本低；设备轻便，操作安全；适用对象广，金属、非金属（塑料、橡胶、木材）、复合材料（混凝土、陶瓷）均可检测；

18、对平面型缺陷比较敏感；缺陷定位比较准确；可进行单面检测。其缺点如下：存在检测盲区；检测效率低；缺陷定性还有待深入研究，缺陷定量也不够直观、方便（目前主要采用当量法）；对粗晶材料的检测比较困难；一般需要耦合剂。超声检测的一般过程如图2.2所示。 图2.2 超声检测过程超声波探伤原理如图2.3所示。图2.3 超声波探伤原理图2.2 磁粉检测铁磁性材料收到外加磁场作用时，会产生磁化，如果材料存在表面或近表面的缺陷，就会使导磁率发生变化从而使磁路中的磁力线相应发生畸变，于是一部分磁力线在材料内部绕过缺陷，还有一部分磁力线会离开表面，通过空气绕过缺陷再重新进入材料，因此就在材料表面形成漏磁场。若在此表面

19、上喷洒细小的铁磁性粉末时，表面漏磁场处能吸附磁粉形成磁痕，显示出缺陷所在的位置及其形状，达到检测缺陷的目的，这就是磁粉检测的基本原理6。磁粉检测的工艺程序如图2.4所示。图2.4 磁粉检测的工艺程序磁粉检测的优点：检测结果直观；操作简便、检测成本低；检测效率高。其缺点如下：无法确知缺陷的深度和只能使用于检测铁磁性材料的表面和近表面缺陷7。另外，其观察评定必须由检测人员的眼睛观察，难以实现真正的自动化检测，检测结果还只能通过照相或贴膜等方式保存。2.3 涡流检测当检测线圈中通有交变电流时，在线圈周围产生交变磁场；当此交变磁场相对导体做运动时，导体中会感生出涡状流动的电流，即涡流8。与涡流伴生的感

20、应磁场与原磁场叠加，使得检测线圈的复阻抗发生变化。导体内感生涡流的幅值、相位、流动形式及其伴生磁场受导体的物理特性影响，因此通过检测线圈的阻抗变化即可非破坏地评价导体的物理和工艺性能，此即涡流检测的基本原理。涡流探伤检测设备的基本原理：信号发生器产生交变电流供给检测线圈，线圈产生交变磁场并在工件中产生涡流，涡流受到工件性能的影响并反过来使线圈阻抗产生变化，然后通过信号检出电路检出线圈阻抗的变化，检测电路包括产生激励、信号拾取、信号放大、信号处理、消除干扰和显示结果等。如图2.5所示为最基本的涡流探伤检测设备的原理图。图2.5 涡流检测系统的基本组成在大多数检测中，探头的阻抗变化很小，阻抗变化小

21、于1%时，采用图2.5的检测系统很难实现测量测量绝对阻抗和电压。所以在涡流检测设备中，广泛的采用了各种电桥、平衡电路和放大器等以检测和放大线圈的阻抗变化。由于线圈阻抗变化是工件各种参数的影响的综合反映，所以在检测时，需要采用各种电路如相敏检波、滤波等，以消除干扰信号、取出所需要的信号（如缺陷信号）。常用的涡流探伤检测设备有一下两种。一种是常用于管、棒探伤的涡流检测仪器，其原理如图2.6所示。振荡器产生交变信号供给电桥和探头线圈构成电桥的一个桥臂，一般在电桥的对应位置上有一个比较线圈构成另一个桥臂。因为两个线圈的阻抗不可能完全相等，所以一般采用电桥来消除两个线圈之间的电压差。这样交流电桥一旦平衡

22、后，如工件出现异常（如缺陷），电桥不平衡产生一个微小信号输出，经过放大，相敏检波和滤波，除掉干扰信号取得所要显示和记录信号9。另一类设备是一阻抗的全面分析为基础的，这里我们不做介绍。图2.6 管材涡流检测模式图电桥：大多数涡流检测设备采用交流电桥来测量线圈之间或者线圈和参考线圈之间的微小阻抗变化。涡流检测设备中典型的电桥线路如图2.7所示。这个线路多了两个附加的桥臂，探头线圈和可变电阻并联，调节可变电阻，可以使电压矢量的幅度和相位满足平衡。电位器r2的两个线圈产生的电压矢量的相位角相等，电位器r1平衡电压适量的幅值。图2.7 典型的电桥示意图移相器：检测时设备参数或工件诸因素的变化将引起阻抗的

23、变化，如工件的某一参数改变，阻抗矢量沿着一定的相位变化。这一特征有利于在涡流检测中区别不同的参数，选择需要的参数。这在涡流检测设备中是通过相敏检波来实现的。要进行相敏检波，需要一个可供选择的参考相位，这一点是通过移相器来实现的。将某一给定电压矢量旋转一个固定角度的装置称为移相器。为了选择最好的相角，移相器最好能进行360移相而且保持幅度不变。如图2.8所示是一个能移相360的移相器。输入信号ui经过倒相后分别从晶体管的射极和集极输出至移相器的a、c两端，a、c两点信号相位相差180，由于a、c直接皆有两个r-c移相电路，当r较小时，b点相位滞后a点90。所以沿移相电位器一周，信号相位改变360

24、。调节移相电位器，可以得到任意相位差的输出信号。图2.8 360移相器涡流检测的优点是：检测结果可以直接用电信号输出，便于进行自动化检测；由于采用非接触式的方法，检测速度很快；适用于表面缺陷的检测。缺点是：对表面下较深部位的缺陷不能检测；容易产生杂乱信号；难以直接从检测所得的显示信号来判别缺陷的种类。2.4 渗透检测 渗透检测是以液体对同体的润湿能力和毛细现象（包括渗透和上升现象）为基础的检测方法。检测时在试件上浸涂具有高度渗透能力的渗透液，由于液体的润湿作用和毛细现象，渗透液便渗入试件的表面缺陷中，然后将试件表面多余渗透波清除十净，再涂一层亲和吸附力很强的白色显像剂，将渗入缺陷中的渗透液吸出

25、来，这样在白色涂层上便显示出缺陷的形状和位置，从而达到检测的目的。实际上除了上述基本过程外，有时为了使渗透容易进行，还要进行清洗、干燥等预处理。另外，为了使渗透液容易洗掉，对某些渗透液要作乳化处理等。 按缺陷的显示方法分，渗透检测可分为颜色显示的着色法和荧光显示的荧光法。按渗透液的清洗方法分，渗透探伤可分为水洗型、后乳化型和溶剂清洗型三大类。 荧光渗透检测法，采用含荧光材料的渗透液，它用波长为3600300埃的紫外线照射显示缺陷，因此须在暗空中进行。 着色渗透探伤法，采用含红色染料的渗透液，在自然光或白光下就可显示缺陷。 水洗型和后乳化型渗透检测法所用的渗透液都是用水清洗的。前者渗透液可以直接

26、用水清洗干净，而后者因渗透液本身不能用水洗掉，要把乳化剂加到试件表面的渗透液上，再用水洗净。溶剂清洗型渗透探伤法所用的渗透液使用有机剂进行清洗。 渗透检测也是一种表面缺陷的检测方法。它能探测出的缺陷的最小尺寸与渗透剂的性能、检测方法和操作以及试件表面的光洁度等因素有关，一般约为深0.02毫米，宽0.001毫米。在荧光渗透检测时，若渗透液的荧光辉度高，可提高检测的灵敏度。 渗透检测的优点是：设备和探伤材料简单，显示缺陷直观，并同时可以显示各个力一向的各类缺陷。其缺点是：只能检查开口暴露于表面的缺陷，另外操作工序较繁杂。 2.5 声发射检测声发射检测技术的基本原理是依据固体物质在应力作用下发生范性

27、形变（如金属的塑性变形、位错运动等），或者在材料中裂纹产生与扩展时，其内部因为从不稳定的高能量应力集中状态快速过渡到稳定的低能量状态，在此平衡过程中释放出来的多余能量会以弹性应力波形式表现，从而产生声发射现象，也称作应力波发射。声发射的频谱一般都很宽，其波形与发射规律比较复杂，它与材料本身的性能以及受应力的情况有关。日常生活中，例如挑选西瓜时，双手用力挤压西瓜，如果是薄皮沙瓤的成熟西瓜，会听到西瓜内部有轻微的沙沙声；又例如折断筷子时有脆断声；如果手握金属铅条弯曲，会听到锡鸣声等，这都是声发射现象10。声发射检侧技术是利用仪器检侧、分析材料中的声发射信号并据此对声发射源作出评价与判断的检测技术，

28、它是一种动态的无损检测技术。相对于前面所述的超声波检测技术而言，超声检测技术是主动发射超声波来进行检测的，因此属于主动式声学检测，而声发射检测则属于被动式的声学检测。在实际的声发射检测中，通常是把声传感器（主要是以压电效应为原理的电声换能器，简称“探头”)耦合固定在被检材料或工件表面，接收来自被检物内部的声发射信号，转换成电信号并经过处理后，分析其波形幅度或能量、频谱特征，确定声发射发生率（单位时间内发出的声脉冲数）、声发射累计数（在一定检测时间和一定频率范围内发出的声脉冲总数）等。通过确定声发射信号由声发射源到探头固定点的时间差，并利用几何定位原理，即可确定声发射源的位置。声发射检测技术的优

29、点是：轻便，能对受力构件（特别是大型构件）遥控连续动态监控与检测，能确定声发射源的位置，能实现永久性记录。其缺点是：探头必须良好地耦合在被检物表面并有适当位置的要求，检测结果不直观，被检物必须处于应力状态作用下（即需要施加应力来进行测试，或者在工作运行状态下测试，例如目前常在球罐或储罐进行水压试验的同时进行声发射监测），因此试验系统及环境的噪声干扰影响很大，对于高塑性材料还会因其声发射信号幅度低而影响检测灵敏度等。2.6 射线检测射线照相检测利用x射线和伽玛射线的众多特性，通过观察记录在射线照相胶片上的有关x射线或伽玛射线在被检材料或工件中发生的衰减变化，来判定被检材料和工件的内部是否存在缺陷

30、，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。通常，射线照相检测的过程是：由x射线管、加速器或放射性同位素源发射出x射线或伽玛射线；射线透射进入并穿越被检材料或工件；穿越而出的射线随后与放置于被检材料和工件后的射线照相胶片发生光化学作用（即胶片感光）；然后将已感光的射线照相胶片进行处理，得到一张以不同光学密度（图像）的方式记录和显示被检材料和工件内部质量密度的射线照相底片；最后，通过对射线照相底片进行观察，来分析和评价被检材料或工件的内部质量11。射线检测的主要仪器为：x射线设备和r射线设备。射线检测的优点：通用性强，可用来检测各种形状和尺寸；非常灵敏；能够对不连续进行描

31、述；被广泛应用，稳定性强。射线检测的缺点：使用辐射设备有安全危险；存在检测厚度的限制；比较费时且成本较高；需要有丰富的经验，对人的主观判断依赖性较强。2.7 激光全息检测激光全息无损检测是在全息照相技术的基础上发展起来的一种检测技术，近年来随着激光技术的发展，全息照相在无损检测领域中的应用范围迅速扩大，解决了许多过去其他方法难以解决的无损检测问题。激光全息检测是利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷的。因为物体受到外间载荷作用下会产生变形，这种变形与物体是否有缺陷直接相关，在不同的外间载荷作用下，物体表面变形的程度是不相同的。激光全息照相是将物体表面和内部的缺陷，通过外界加载的方法，使其在相

32、应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录在不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察和分析，然后判断物体内部是否存在缺陷12。 激光全息检测方法：1. 物体表面微差位移的观察方法：这种技术的依据是物体内部的缺陷在外力作用下，使它所对应的物体表面产生与其周围不相同的微差位移。然后，用激光全息照相的方法进行标胶，从而检测物体内部的缺陷。观察物体表面微差位移的方法有三种：实时法、两次曝光发、时间平均法。2. 激光全息检测的加载方法：用激光全息照相来检测物体内部缺陷的实质是比较物体在不同受载情况下的表面光波因此需要对物体施加载荷。一般使物体表面产生0.2m的微差位移，就

33、可以使物体内部的缺陷在干涉条纹图样中有所表现。常用的加载方式有：内部充气法、表面真空法、热加载法。激光全息检测的优点：检测的灵敏度高；可以检验大尺寸物体；全息检侧对被检对象没有特殊要求，可以对任何材料、任意粗糙的表面进行检测。这种检测方法还具有非接触检测、直观、检测结果便于保存的特点。但是，物体内部缺陷的检测灵敏度，取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。如果物体内部的缺陷过深或过于微小，那么，激光全息照相这种检测方法就无能为力了。2.8 红外热波检测 红外热波无损检测技术属于主动式红外热成像检测技术的一种，其核心是采用主动式控制热激励的方法，利用物体结构或材料不同时期热传

34、导特性不同的特点，针对被检物材质、结构和缺陷类型及检测条件，设计选择不同特性的热源（各种不同的加热方法）对试件进行周期、脉冲、直流等函数形式的加热，用以激发显示表面裂纹和暗藏于表面以下的各种损伤和异常结构变化，利用现代红外成像技术并在计算机控制下进行时序热波信号探测捕捉和数据采集，在时间和空间上记录热传导过程中试件表面的温场变化，应用以热波理论和现代图像处理理论为基础研制的专用计算机软件实现对实时热图像信号处理和分析。红外热波无损检测技术依据的热波理论，重点研究的是周期、脉冲、阶梯函数等变化性热源与材料及其几何结构之间的相互作用。被加热后，不同材料表面及表面下的物理特性和边界条件（内部结构）将

35、影响热波的传输，井以某种方式在材料表面的温度场变化上反映出来，通过控制热激励方法和利用热像仪探测与测量材料表面的温度场变化，将可以获取材料内部的结构均匀性信息以及其表面以下的结构信息，从而达到检测目的。红外热波无损检测技术的核心设备是红外热波探伤仪，包括高分辨率红外热像仪、加热装置（对于不同被检测物、检测环境和条件，需要有针对性地设计采用大功率闪光灯、超声波、激光、热风、感应、电流、液、机械振动等多种不同方式的热激励源）、控制系统和电源、高性能计算机及图像处理装置和专用计算机软件（主要包括快速检查规范和判别程序、系统图像处理软件、系统数据库及其管理系统等）。红外热波无损检测技术适用面广（可用于

36、所有金属和非金属材料），检测速度快（每个测量一般只需数秒钟到几十秒钟），观测面积大（根据被测对象和光学系统规格，一次测量可覆盖至平方米面积的量级，对大型检测对象还可对结果进行自动拼图处理），测量结果用图像显示，直观易懂，加热和探测在被检试件同侧，多数情况下不污染也不需接触试件，可以直接测量到损伤深度、材料厚度和各种涂层、夹层的厚度以及进行表面下的材料和结构特性识别，设备可移动、探头轻便，十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。红外热波检测技术对缺陷定位较准确，对于绝热性缺陷，表面将出现温度过热区域（即称为热斑，材料中大部分缺陷为这种类型），而导热性缺陷的表现则相反。热斑的面积可反映缺陷的大小，

37、检测结果比较直观，通过热像图可清楚地看到缺陷的位置和尺寸。缺陷深度越浅，直径越大，越易检测。红外热波检测技术的局限性主要有：对外形复杂的构件要确定缺陷的深度时更有效的数学计算模型；受加热设备的能量所限，其检测深度还不够深，对缺陷的分辨率还不如超声c扫描；对于某些金属表面需要进行抗反射处理（例如涂漆）。2.9 微波检测近年来，随着航空与航天工业的发展，大量采用新型材料，如复合材料、陶瓷材料等。一般来说对上述材料，x射线和超生检测难以获得满意的检测结果。而由于微波能够贯穿介电材料，能够穿透声衰减很大的非金属材料，所以微波检测技术在大多数非金属材料和复合材料内部的缺陷检测及各种非电测量等发面获得广泛

38、的应用微波检测原理：微波检测是根据微波的发射、透射、衍射、干涉、腔体微扰等物理特性的改变以及被检测材料的电磁特性介电常数和损耗角正切的相对变化，通过测量微波基本参数的变化，实现对缺陷的无损检测。微波检测有穿头法、反射法、散射法以及干涉法等几种方法。微波无损检测的主要优点是设备简单，操作方便，不需要耦合剂，而且很容易穿过空气介质，是非接触测量，检测速度快，可实现自动化检测。与射线检测相比，微波对人体无辐射危害。微波无损检测的缺点是它在穿透金属导体时衰减很大，并且入射波在金属导体表面的反射量很大，穿透波很少，所以不能用来检测金属导体或导电性能较好的复合材料的内部缺陷，如碳纤维增强塑料等。另外，微波

39、有近距盲区，有距离小于所使用的微波波长时，就检测不出缺陷来，一般微波不适用于测量小于1mm的缺陷。另外，微波检测还需要参考标准并要求操作人员有比较熟的技能。3相控阵超声技术3.1 超声相控阵技术的概况和原理3.3.1 概述在20世纪60年代，关于超声波相控阵技术的研究主要局限于实验室；60年代末70年代初期，医学研究者已能用相控阵技术进行人体超声成像。然而超声波相控阵技术在工业方面的应用发展缓慢，主要是因为相控阵检测系统复杂，而当时的计算机水平较低，缺乏对多晶片探头进行快速激发以及对扫描产生的大量数据文件进行处理的能力；另一个原因就是仪器费用高昂。随着计算机技术的快速发展，相控阵系统的复杂性和

40、费用都大为降低，且相控阵检测技术相对于普通超声波检测技术有明显的优势，因此该技术在工业领域逐渐兴起13。3.3.2 超声相控阵原理概述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，按一定规则的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。1.聚焦扫查超声相控阵探头由一系列的超声发射、接收阵元组成。典型的线性超声相控阵探头如图3.1（b）所示（以10阵元为例）。每个阵元发射的超声脉冲波可视为球面波，若

41、阵元110同时发射(相位相同)，则由于每个子波到达参考点f的时间不等，在f点形成的合成波束将是杂乱无规则的。但如果每个阵元按照一定的时间延迟进行发射（相位不同，如图3.2（a）所示），则可以作到各个子波同时到达f点。根据波的合成原理，在f点附近将形成一个具有一定方向的合成波束，而f点称为波束的焦点。容易看出：按一定规律控制各子阵元发射脉冲的相位，就可以改变焦点f的位置，从而实现聚焦波束的扫描。各个阵元的触发脉冲时序是一个以阵元中心对称的二次曲线，此时相控探头发出的超声波束的合成波阵面是一个曲面，从而实现了超声波束的聚焦。焦点位于晶阵面的中心线上。如果在f点存在一个声波的反射体，则声束在此处将产

42、生散射回波。此回波可被各阵元110接收，同样由于发射点到达各阵元的时间不同，必须将各路波按一定规律进行延迟，才能使各路回波同时到达各阵元，从而得到回波的合成信号14。（a）发射脉冲 （b） 聚焦扫描图3.1 相控阵探头聚焦扫查与对发射脉冲时序的要求2.偏转扫查 为了实现偏转扫查，只要控制各阵元的延迟时间，使得各阵元延迟时间成等差数列，即各个阵元的触发脉冲时序是一个等差数列，此时相控探头发出的超声波束的合成波阵面法线与晶阵面成一个交角,也就是实现了波束指向的偏转。相控阵探头偏转扫查与对发射脉冲时序的要求如图3.2所示。图3.2 相控阵探头偏转扫查与对发射脉冲时序的要求相控阵接收：换能器发射的超声

43、波遇到目标后发生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其他方向的回波信号减弱甚至抵消。同时通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方法，形成计较、变孔径、变迹等多种相控效果。相控阵接收的原理图如图3.3所示。图3.3 接收相控聚焦与偏转3.2 超声相控阵数据系统超声相控阵检测技术相比传统的超声检测在检测速度、分辨率、缺陷定量分析、降低作业强度和对复杂型面的检测都有着显著的优越性15。在本课题中，超声相控阵检测系统主要是超声信号采集系统硬件平台。硬件平台主要包括超声阵列换能器、超声波发射电路、

44、带通滤波电路、程控放大电路、高速数据采集和存储电路。3.2.1 超声相控阵数据采集系统的硬件平台超声相控阵系统的阵元数越多，其声束控制特性就越好。本课题我们以16通道的超声相控阵系统为研究对象。超声相控阵检测系统硬件主要由五大部分组成，分别是：主控模块，数据采集模块，超声波发射模块，超声信号接收模块和上位机数据处理系统。系统的组成框图如图3.4所示。系统以pc机（或者plc机）作为上位机，主要用于人机交互界面，显示多通道相控接收信号，接收键盘输入命令，管理调度各超声发射和接收模块的操作。而以fpga为控制核心的数据采集系统作为系统下位机，主要负责控制信号的产生与超声回波信号的采集。其中，上位机

45、对下位机的控制和数据交换通过rs232进行通讯。超声相控阵检测系统的工作流程如下：控计算机根据每个阵元进行相控发射参数计算出延时时间等参数，并通过rs232通讯对fpga进行参数配置；fpga读取这些参数后，配置给各阵元的发射通道，并为各发射通道准备脉冲信号；各阵元通道配置好以后，fpga再发出一个启动命令至各发射模块，产生同步信号；各通道发射电路接收到由fpga产生的激励脉冲后，产生高压窄脉冲激发压电晶片发射超声波；一次相控发射后，各阵元接收到超声回波信号，经各自接收通道程控放大、带通滤波后，通过高速a/d采集并转换为数字量，最后转换结果送入采样缓存区；fpga从采样缓存区读取a/d采样数据

46、，上传给上位机，进行多通道波形显示和后处理等操作16。图3.4 相控阵数据采集系统的框图3.2.2 超声阵列换能器超声阵列换能器是相控阵超声检测系统的重要组成部分。阵列换能器由许多压电阵元按一定的空间排列方式构成，阵元的材料、尺寸、匹配、吸声等众多参数和工艺都影响到其超声发射/接收特性这些因素都需要在选取时仔细的考虑，选择做合适的超声阵列换能器。这次研究的系统采用的是一维线阵换能器如图3.5所示。阵列单元以平面线性排列，阵元数为16。每个阵元采用18mm2.5mm0.8mm的压电陶瓷晶片制成，相邻阵元中心距为3mm，换能器的中心工作频率为3mhz。 图3.5 阵列换能器结构示意图3.2.3单通

47、道数据采集系统超声信号数据采集系统是超声相控阵检测系统中的关键部分，采集系统负责将多通道的超声接收信号数字化，并将数据存储，之后送上位机进行数据处理、波形显示等。超声数据采集的噪声、动态范围、速度、精度直接关系到后续数据处理的精度，地位十分重要。系统的16路通道的超声波发射和采集电路完全一致。本课题只针对单通道的发射接收系统进行研究，作为对超声相控阵仪研究的阶段性工作，系统的基本结构如图3.6所示。 图3.6 单通道超声数据采集框图系统原理框图如图3.6所示：fpga芯片发出脉冲信号，通过超声发射电路得到400v高压窄脉冲信号，作用于超声换能器产生超声波。超声压电晶片接收超声波信号后，晶片电极

48、间输出的电压信号经程控放大、带通滤波，送入a/d转换器，转换结果进入fpga，fpga将a/d转换结果送入高速采样缓存sram，然后由上位机读取，最后对数据进行各种算法处理。数据采集系统的核心是fpga，由它来产生ad9225的各种控制信号、sram的写入时序、基本的信号处理、对外接口时序等。前端信号调理电路将输人的模拟信号进行滤波，然后送入ad9225，ad9225在fpga的控制下开始工作。同时，ad9225的数据总线与fpga、sram存储器的数据总线是连在一起的，这样fpga可以灵活地处理ad9225的采样输出数据，既可以将数据读人fpga中进行一些滤波或是fft计算等数字处理，再将数

49、据存入本地缓存中，或是直接发出sram的写控制信号，将采样数据写入本地缓存。由sram组成的存储器充当大容量的本地存储器，对采样数据进行缓存，等待上位机将采样数据取走。3.2.4主控模块超声信号采集系统的主控系统由fpga和sram组成，fpga主要负责数据的采集控制、触发脉冲的产生和数据的存储控制。采用串口rs232，将数据采集系统采集到的数据传送给上位机。1fpga的选用fpga（fieldprogrammable gate array），即现场可编程门阵列，fpga作为超声数据采集系统中的核心器件。本系统选用altera公司的cyclone系列的ep1c6q240c8n作为本课题的核心部

50、件ep1c6芯片内部集成了5980个逻辑单元、185个用户i/o管脚、90kbits ram，最高时钟支持近200mhz，可配置为多种工作方式，包括ram、rom、fifo缓存，以及单端口和双端口模式。支持多种单端io接口标准，如3.3v、2.5v、1.8v，而且可以通过jtag接口方便地修改片内的逻辑功能，非常便于修改调试。2. 串口通讯本系统中，下位机要把所采集到的数据传送到上位机进行数据处理和波形显示，而且后续的多通道的延时电路设计也需要上位机将控制字传输给fpga芯片，综合考虑后，选用串口rs232作为fpga和上位机的通讯方式。rs232是公用电话网络数据通信而制定的标准，由于rs2

51、32的发送和接收是“对地”而言的，因此采用非平衡模式传输存在共地噪声，所以其最大传输距离和速率在标准中被限定为15米和115200bit/s。rs232标准的25条引线中有许多引脚很少使用，要完成最基本的串行通信功能，只需要txd、rxd和gnd即可。常用的9针接口各引脚的信号功能如表4.1所示。从电气特性而言，rs232总线的逻辑电平与ttl电平完全不兼容。而一般的上位机配置的是rs232c标准串行接口，rs232c采用负逻辑方式，其标准逻辑“1”对应-5v-15v电平，标准逻辑“0”对应+5+15v电平，显然两者的电气规范不一致，因此要完成上位机与数据采集系统的数据通讯，必须进行电平转换。

52、fpga 开发板中已经配置好了rs232标准串行接口。从电气特性而言，rs232总线的逻辑电平与ttl电平完全不兼容。而一般的上位机配置的是rs232c标准串行接口，rs232c采用负逻辑方式，其标准逻辑“1”对应-5v-15v电平，标准逻辑“0”对应+5+15v电平，显然两者的电气规范不一致，因此要完成上位机与数据采集系统的数据通讯，必须进行电平转换。fpga开发板中已经配置好了rs232标准串行接口。表4.1 9芯串口插座引脚信号描述引脚信号信号源类型描述1dcddce控制载波信号检测2rxddce数据数据接收3txddte数据数据发送4dtrdte控制数据终端准备好5gnd-控制信号地6

53、dsrdce控制数据设置准备好7rtsdte控制请求发送8ctsdce控制清除发送9ridce控制振铃指示3. 存储电路超声相控阵系统的一个重要工作特点就是高速多通道数据采集。这就需要大容量的高速缓存与之匹配。综合考虑常用的几种高速缓存方案（fifo、双口ram、sram）的性能、价格和实现难易后，本文选用高速sram切换方式构成a/d采样高速缓存。sram作为超声信号采集系统的本地储存器，要求所使用的储存芯片也能够运行在较高的时钟频率上，从目前市面上的存储器来看，sdram和sram都可以满足这个要求。sdram的接口时序设计复杂，但是容量可以做到很大。相反，sram接口时序设计简单，但是容

54、量有所限制。综合考虑后决定使用issi公司的sram-is61lv51216，它是3.3v供电、访问速度为10ns的512k 16位异步cmos静态sam，具有高速低功耗的特点，最重要的是is61lv51216的读写时序是异步时序，实现起来比较简单。本系统中，fpga的主频为50mhz，a/d转换器的速度是40msps，a/d转换结果经过fpga后以40msps速度写入is61lv51216，后者的读写速度为10ns，可以满足40msps数据写入速度要求。采用sram构成高速a/d采样缓存时，由于转换速度较快，如果直接将adc采样后的数据存储到sram中，对时序配置要求非常严格，如果两者时序关

55、系配合不当，就会发生数据存储出错或者掉数。利用fpga可以方便地控制时序，简单而可靠地实现采样、存储和数据传输。数据存储电路示意图如图3.7所示。ad9224的数据总线与fpga，sram的数据总线是连在一起的，这样fpga可以灵活地处理ad9224的采样输出数据，既可以将数据读入fpg中进行一些滤波或是fft计算等数字处理，再将数据存入本地缓存中，或是直接发出sram的写控制信号，将采样数据写入本地缓存。由sram组成的存储器充当大容量的本地存储器，对采样数据进行缓存，等待上位机将采样数据取走。超声数据采集通道中，采样缓存sram的容量能够提供512k点的缓存深度。对于40msps的a/d转

56、换器的采样速度，最大采样时间为512k/40m=12.8ms。而超声波在钢中的速度约为5900m/s，采样时间长度换算成超声波在钢中的声程为：12.8ms5900m/s=75.5m。而试块的厚度仅仅为25mm，大大超出一次发射和接收所需采集的数据量，能确保一次数据采集能包含超声波检测的多次回波信号。图3.7 数据存储电路图3.2.5 超声波驱动电路的设计超声波激发主电路采用窄脉冲激发方式。窄脉冲发射对缩小频带、提高探测精度具有重要意义。窄脉冲发射是通过电感或电容快速放电产生尖锐的高压脉冲信号来激励超声换能器以发射超声。本章采用的的超声波发射电路主要是靠400v的高压窄脉冲加载在超声探头的压电晶片上将电能转化成声能（机械能）。超声相控阵换能器是由16个压电晶片所组成的，每个压电晶片的发射电路是完全独立的，采用分时工作方式。发射电路的激活是由fpga来完成的，当fpga输出的脉冲作为启动信号加载在某一发射电路上时，该发射电路便开始工作。本课题我们采用一种高效的超声波发射电路，单个通道的超声波发射电路如图3.8所示。其中，max4420是一款单功率金属氧化物半导体场效应管驱动器，用于ttl/cmos输入信号转换成高压、大电流输出，40ns的延迟时间和25ns的上升或回落时间可减小功率损