超声TOFD检测及图像处理方法的研究

1、北京交通大学硕士学位论文超声TOFD检测及图像处理方法的研究 姓名:吴军芳申请学位级别:硕士专业:光学指导教师:滕永平20050301硕士学位论文 超声TOFD检测及图像处理方法的研究超声TOFD检测及图像处理方法的研究 摘 要TOFD(Time OfFI Jight Diffraction,即衍射时差法检测方法是根据 在缺陷端部产生的衍射信号之间的时间差来对缺陷进行定位和定量测量 的无损检测方法,由于其具有检测速度快、精度高、缺陷检出率商、定 位准确、可以得到缺陷尺寸、经济方便等优点I卜3】,目前已在焊缝检测中 得到了日益广泛的应用。本论文主要分三大部分讨论了TOFD检测原理 及其图像处理方

2、法。论文第一部分阐述了TOFD检测方法的理论和数学模型,介绍了其 特点和发展情况。论文第二部分介绍了TOFD检测所用的探头的性能特点。笔者自行 研制了几组探头和参考试块,并对探头进行电路匹配,通过大量的实验, 测试探头性能,得到了有用结论。论文第三部分讲述了TOFD检测中计算机程序的开发思路和相关算 法。程序可以将检测得到的数据以B扫描图像和A扫描图像的形式显示 出来,并可对B扫描图像进行放大、滤波等预处理,在此基础上实现了 缺陷自动识别,以及缺陷位置和尺寸等数据的自动求取和存储。论文从提高程序实用性的角度出发,阐述了TOFD检测系统原理及 其相关的图像处理方法和数据算法,并已在程序中实现。关

3、键词:TOFD检测方法探头图像处理B扫描A扫描中值滤 波缺陷识别缺陷尺寸硕士学位论文 超声TOFD检测及图像处理方法的研究The Research of Image Processing in Ultrasonic TestTime of Flight Diffraction MethodAbstractThe TOFD(Time-of-fitght Diffractionmethod is one of the Non-destructive testing methods.It can get the size and location of flaws according to the

4、difference between the time of retum diffraction signals from the tips of flaws.It has been used wildly in testing welding line because it has the virtues of highly testing speed,highly accuracy,highly inspection rate.economy and convenience etc.This thesis is divided into three parts to discuss the

5、 TOFD method and the digital image processing methods used in TOFD test.Firstly.expatiating the theory and mathmodal of TOFD method, introducing the characteristics and developments of TOFD.Secondl5introducing the performance of probes used in TOFD test.The author has developed several probes and re

6、ference blocks fur experiments. The probes have been matched.Some useful conclusions have been summed through a plenty of experiments.Thirdly,elaborating the developing thinkingand related arithmetic ofcomputer program in TOFD test.Theprogram can display the sampled dataThe thesis elaborates the pri

7、nciple of TOFD test system and related硕士学位论文 超声TOFD检测及图像处理方法的研究image processing methods and arithmetic which have been realized in program-Keyword:TOFD test method Probe Image processing BScan AScan Median filter Flaw recognize Flaw size硕士学位论文 第一章 绪 论第一章 绪 论1.1无损检测技术概论材料的检测与评价对于控制和改进生产过程中的产品质量、保证零 件

8、和产品的可靠性以及提高生产效率等都起着关键性作用。各种测试技 术及有关材料科学和物理科学的发展,为无损检测技术的应用提供了新 的可能。无损检测技术以不损伤被检测物体为前提,利用材料的物理性 质因有缺陷而发生变化这一事实,测定其相关的变化量,用物理量的变 化推断材料内部是否存在缺陷,从而判断被检测物体是否合格,进而评 价其适用性。因为其可以保证材料和构件的高质量、高性能以及安全、 经济、有效的使用,近年来无损检测技术受到工业界的普遍重视,特别 是在冶金、机械、石油、化工、航空、航天等各个领域有广泛的应用Illo 无损检测的对象目前以会属材料为主,其中又以钢铁为主,虽然有 一定的共性,但在客观上被

9、检对象的实际情况又是千差万别的。从尺寸 上分,有大尺寸的容器、设备和小尺寸的机械零件;从制造工艺上分, 有焊接、锻造、铸造等;从形状上分,有规则的板材、管材等和不规则 的零件;此外,缺陷的大小和位置也各不相同。这就要求我们根据实际 情况采用不同的无损检测方法。目前常用的无损检测方法有超声检测J(UT、射线检测(RT、磁粉检测(MT、渗透检测(PT和电磁检 测(ET以及声发射技术、红外检测、微波检测、激光全息检测等。所 有的无损检测方法都很重要,但没有一种是万能的。不管采用哪种检测 方法,要完全检查出异常部位是不可能的,而且往往不同的检测方法会 得到不同的信息,因此,一般检测中会综合应用几种方法

10、来提高检测结 果的可靠性。1.2脉冲反射式超声检测技术简介超声波是一种看不见、摸不着、听不见的弹性波。它具有指向性好、 1二。j 。传播性好和传播速度几乎不变的特点。利用超声波来研究物体内部的结 构和缺陷,最早是由苏联的萨哈诺夫于1929年提出来的l锄。经过几十年 的发展,如今已经比较成熟。我国从五十年代开始引进超声探伤技术对金属材料及其制品进行探 伤。现在,该技术已在各个工业部门得到了普遍应用,并产生了大批的 专业技术人员,进行了大量的研究开发工作,在某些方面已具有较高的 水平。我国已经制定了各种探伤标准,促进了探伤工业的逐步规范化131。常用的超声波检测方法是脉冲反射法,实际应用中,有单探

11、头自发 ,自收和双探头一发一收两种模式14j,其原理见图1.1。l发射器发射的声脉 冲形成声束,在传播的途中遇到缺陷。如果缺陷比声束的截面积小,则 有一部分声波会到达底面。声波遇到缺陷会产生反射,反射波的强弱和 方向取决于缺陷的形状和大小,其一部分会被接收器接收反射波按照 发射器一反射面一接收器的通过时间显示。因为缺陷比底面距离探测面 近,所以缺陷回波显示在底面回波之前。反射波由其强度即振幅表示, 通过时间给出缺陷的距离。在波速一定、波型一定的情况下,时间刻度 可以换算为缺陷距表面的距离。脉冲反射法根据反射回波的时间来确定缺陷的位置,并根据回波能 量的大小利用当量法来估算缺陷的尺寸。荫以,其检

12、测结果就会受到诸 如缺陷形状、缺陷方向、耦合状态以及检测人员的经验等主客观因素的 影响,就可能出现错检、漏检等情况。正是由于脉冲反射法有这些不足 之处,使得它在应用中有一定的局限性,不能对工件进行准确而全面的 评测。随着超声波无损检测技术的不断发展,出现了TOFD超声波检测法,不仅可以确定缺陷的位置,还可以计算出缺陷的大小,弥补了脉冲 反射法的不足。由于其具有准确、快速、经济的特点,现在已经得到了 越来越广泛的应用。6。 64。 4 p晕0 (a单探头模式 (b双探头模式图1.1超声波脉冲反射法示意图1.3TOFD发展概况TOFD技术是20世纪70年代末由英国Ha rwell试验室(uKAEA

13、 的S i l k和Lidington先生发明的。它是一种可以精确测量缺陷尺寸的 超声波检测技术。20世纪80年代,在英国核工业领域中,要求减少缺 陷高度测量的失误,以精确进行断裂力学评估,TOFD技术的发展为设 备的可用性评估提供了精确的试验数据。此技术在国外应用在石油、天 然气和石油化工等工业领域。随着对该技术理解的深化,该技术以其检 测的快速性和尺寸测量的可靠性必将得到更加广泛的应用【51。1993年英国首先制定了TOFD相关标准BS7706161。欧共体在此基础硕士学位论文 第一章 绪 论上,制定了有关焊缝TOFD法检测的标准ENV583.6(超声波衍射时差 法用于缺陷检测和定量【7】

14、。各国也有自己的行业标准。在这些标准中, 都对TOFD的原理和应用做了阐述。国外对TOFD的研究已经有二十几年了,现已经可以用TOFD技术 来完成其他检测方法无法完成的检测,已经实现了工件焊接和使用过程 中的实时检测,并可以监测缺陷的生长情况。国内对TOFD技术的研究刚刚开始,目前仍以应用为主,还没有统 一的标准。很多科研机构只是完成了理论验证,还没有成熟的自主产品。 交大无损检测实验室经过努力,已经推出了国内第一套自主开发的 TOFD检测系统。1.4本论文的主要工作本论文在研究TOFD方法理论和前人研究成果的基础上,主要分三 大部分讨论了TOFD检测原理及其图像处理方法。第一部分阐述了TOF

15、D检测方法的理论和数学模型,介绍了其特点 和发展情况。在此基础上,简单介绍了TOFD检测系统的基本结构。 第二部分介绍了TOFD检测所用的探头的性能特点。笔者自行研制 了几组探头和参考试块,并对探头进行电路匹配,通过大量的实验,测 试探头性能,得到了有用结论。第三部分讲述了TOFD检测中计算机程序的开发思路和相关算法。 程序可以将检测得到的数据以B扫描图像和A扫描图像的形式显示出 来,并可对B扫描图像进行放大、滤波等预处理,在此基础上实现了缺 陷自动识别,以及缺陷位置和尺寸等数据的自动求取和存储。硕士学位论文第二章珊D检测原理第二章TOFD检测原理2.1理论基础当超声波在传播途中遇到障碍物(缺

16、陷时,除了产生反射波和透 射波以外,还会在缺陷的端部产生衍射波,如图2.1所示。衍射波能量 在很大角度范围内传播,并假定它们都源于缺陷端部。TOFD方法正是 用这个原理来进行检测181。2l一入射波:2一反射波:3一透射波;4、5一衍射波图2.1超声波传播示意图TOFD检测采用一对宽声柬纵波斜探头,个为发射探头T,用来 产生检测超声波;一个为接收探头R,用来接收缺陷的衍射回波信号。 如图212所示,发射探头T发射宽声束超声波,在工件内传播。其中, 有一部分沿表面传播,直接被接收探头R接收,形成外壁正向信号波,i,称其为侧面波,它是区分和测量缺陷的参考:、在工件中传播的超声波遇 到焊缝中的缺陷后

17、在缺陷上尖端产生衍射波,形成负向信号波,称为缺 陷上端衍射波,简称上端波。同样,超声波在缺陷下端也会产生衍射渡, 被接收探头R接收后形成正向信号波,称为缺陷下端衍射波,简称下端5硕士学位论文 第二章TOFI检测原理波。还有一部分超声波抵达工件底面,经反射后被接收探头R接收,形 成负向信号,称为底面波。从图中可以看出,缺陷回波都位于侧面波和 底面波之间,所以,侧面波和底面波就成为检测时识别缺陷回波的一个 依据。图2.2TOlD原理图2.2数学模型TOFD技术是根据回波信号之间的时间差来确定缺陷的深度、高度 和尺寸的19】。如图2.3示,假设探头间距为2S,垂直于焊缝表面的缺陷 深度为d,X为缺陷

18、距两个探头之间中心平面的水平偏差。设超声波在 固定点入射试件,在试件中传播速度为C,在位于D点的缺陷端点发生 衍射,至达接收探头的时间为T.则有下式:CT=d 2+(s.x21尼+d 2+(s+x21尼 (2.1 当x=0时,T最小,此时式(2.1为:CT=2d 2+s 2严 (2.2 一般以侧面波作为参考,则深度d通过计算D点衍射波与侧面波的时间 6一硕士学位论文 第二章TOFD检测原理差TD来得出d=1/2TD产+4TDCS1陀r打 hIS 一旧/ 1。>1,2s一探头间距;s一探头问距的一半;d一缺陷深度;D一缺陷上端点;L、M一声程:x一缺陷距攘头之间中心平面的偏差图2.3TOl

19、D数学模型(2.32.3数据显示方式TOFD检测所得数据一般以A扫描和B扫描的形式显示,见图2.4。 A扫描图像是一维图像,表示某一位置上沿焊缝厚度方向的检测情况。 横坐标为时间轴,可以表示焊缝厚度方向的距离,纵坐标为振幅,用来 表示回波的振动情况。B扫描是二维图像,由无数个A扫描图像组成。 以灰度表示每一点的振幅。可以认为B扫描图像显示了焊缝纵截面的信 息,其中,一个坐标轴为时间轴,表示沿焊缝厚度方向的距离,另一个 坐标轴为距离轴,表示沿焊缝长度方向的位置。形成B扫描图像时,首先对A扫描图像进行分析,并用数字表示其 各点的波高。例如,可以用0表示正满屏高度,显示为白色;用255表 示负满屏高

20、度,显示为黑色;用128表示该点幅值为0,显示为灰色。 一7一硕士学位论文 第二章TOFD检测原理然后将一系列A扫描图像并列,这样,就可以把A扫描图像组合成B扫 描图像。通过对B扫描图像进行分析,我们可以知道缺陷的位置、深度、 高度和大小等相关信息,为断裂力学分析和工程应用提供依据。 A扫描图像 B扫描图像图2.4TOFD检测数据显示方式2.4扫描方式TOFD一般以B扫描的方式进行检测和图像显示,如图2.5所示。 根据探头扫查方向和声柬方向之间的关系,又可分为纵向扫描(又称非 平行扫描和横向扫描(又称平行扫描。图中上图为纵向扫描,即探头8一硕士学位论文 第二章TOFD检测原理的扫查方向与超声波

21、声束方向垂直;下图为横向扫描,即探头扫查方向 和超声波声束方向平行。在实际检测中,一般采取纵向扫描的方式。图2.5TOFD扫查方式2.5优势及局限性任何一种技术的产生和发展,都是因为其具有特定的某些优势,能 够满足某些要求,弥补以前的技术的某些不足。TOFD与超声波脉冲反 射法相比,主要有以下优点:1.TOFD是通过对时间差的分析计算来确定缺陷的位置和尺寸,而 不依赖信号幅度,所以个人主观因素、表面条件和耦合剂对信号 的影响没有回波技术中那么明显。 一9硕士学位论文 第二章TOFI检测原理2.由于TOFD采用宽声束探头,覆盖范围广,所以受探头位置和缺 陷方向的影响较小。3.TOFD只使用纵波,

22、所以任何模式转换波都会以低速传播,从而 不会影响到接收信号。4.从TOFD检测得到的B扫描图像中,我们可以获得比以往更多的 关于缺陷的信息。5.使用TOFD方法,可以提高缺陷的检出率,对缺陷的定性和定量 分析也更精确了。检测的整体可靠性较高。正是由于TOFD有以上优点,使得它的应用越来越广泛。但是,没 有任何一项技术可以是万能的,TOFD方法当然也有一定的局限性,主 要表现在:1.由于受侧面波和底面波的影响,在上下表面存在盲区,使得近表 面的缺陷检出率降低。2.用于粗晶粒材料和各向异性材料的检测时,晶面散射会对检测结 果产生影响,因此,需要进一步验证,并需要进行额外的数据处 理。 3.由于采用

23、了宽声束探头,所以衍射信号会比较宽,使得一个点缺 陷显示出来的信号类似于个线缺陷。可以在检测后,对探头声 束特性进行分析,从而对图形进行修正。4.由于衍射信号的强度比反射信号的强度小很多,为了提高检测的 准确性,需要采用前置放大电路,对衍射回波信号进行放大处理。 但这样会使噪音增大,所以要对显示图像进行滤波处理。2.6TOFI检测系统见图2.6所示,TOFD检测系统由内曼编码器的扫查器、探头、脉冲 一10一硕士学位论文 第二章TOFD检测原理发生装置、包含前置放大器的接收装置、模数(A/D转换器、编码器 控制器,以及对整个系统进行控制的计算机组成。两个探头与超声发射 设备相连,并固定在扫查器上

24、,探头间距可根据工件厚度进行调节。扫 查器可由电动或手工驱动,靠附有磁铁的4个轮子,沿在焊缝方向布置 的导轨进行扫查。检测位置和检测距离由磁性或光学编码器输入计算机。 /l鬻I.回一I和存储I L兰二J。. 匦叵/图2.6TOFD检测系统示意图A/D转换器与超声设备相连,并将采集到的A扫描图像输入主机。通过 对大量的A扫描图像进行处理,可以得到B扫描图像。2.7TOFD应用由于TOFD方法具有检测灵敏度高、检测速度快、精度高、缺陷检 出率高、定位准确、可以确定缺陷尺寸等优点,目前己广+泛用于锅炉、 压力容器及结构件等的焊缝检测。采用TOFD检测系统可以实现自动化实时检测。并且,由于其现场 检测

25、的前端装置是扫描器及探头,易于制作的较小,所以可以在焊接过 程中对工件进行检测,并可以实现在役检测,从而节约时间,降低成本。硕士学位论文 第二章TOFD检测原理此外,由于其检测结果的再现性好,所以可以用于监测缺陷的生长。 如果缺陷高度倾斜或扭曲,比如横向裂纹,纵向扫描就很难将其检 测出来。有时候,并不严重的缺陷,如点缺陷,显示却好像是一个裂纹。 而且,由于其在工件的上下表面存在检测盲区,所以,为了保证检测的 准确性和精度,实际检测中TOFD技术需要和其他的无损检测技术配合 进行检测。2.8小结TOFD(Time Of Hight Diffraction,即衍射时差法检测方法与传统 的脉冲回波法

26、不同,其采用一对宽声束斜探头对工件进行扫描,根据回 波信号之间的时间差来确定缺陷的位置和大小,所以,其具有检测速度 快、灵敏度高、定位准确、重复性好等优点,并可以弥补传统检测方法 不能确定缺陷大小的不足:但是由于有侧面波和底面回波信号的影响, 在上下两个表面存在大约1.5mm2mm的盲区。所以,为了保证缺陷检 出率,TOFD方法应该和脉冲反射法或者相控阵系统结合起来,才能得 到理想的检测结果。目前,TOFD法主要应用于锅炉、压力容器的焊缝 检测。一12硕士学位论文 第三章TOFO探头性能研究第三章TOFD探头性能研究超声探头,也叫超声换能器,是超声检测中用来探测物体的探测头, 实际上是一种电声

27、和声电转换器件。探头能收集和反映大量的声学信息, 是超声检测系统的重要组成部分,其性能好坏直接影响到检测的精度和 准确性,所以有必要对探头性能进行研究【10l。按照实现电一声能量转换的原理不同,探头可以利用磁致伸缩和电 磁感应的原理来发射和接收超声信号,也可以利用静电效应、光电效应 和机械振动等原理来发射和接收超声信号。但用的最多的,还是利用压 电效应原理制造的超声探头,它是一种可逆式的能量转换器件。实现电 一声能量转换的关键部件是压电元件。一般将压电元件固定安装在探头 壳体内部【ll】。3.1压电超声探头某些电介质(如晶体、陶瓷、高分子聚合物等在其适当的方向旌 加作用力时,内部的电极化状态会

28、发生变化,在电介质的某相对两表面 内会出现与外力成正比的符号相反的束缚电荷。这种由于外力作用使电 介质带电的现象叫做压电效应。相反地,若在电介质上加一外电场,在 此电场作用下,电介质内部电极化状态会发生相应的变化,产生与外加 电场强度成正比的应力或者应变,这一现象叫做逆压电效应。凡是具有压电效应的材料,统称为压电材料。压电材料是非金属和 电介质晶体结构,也称压电晶体。压电式超声探头是利用某些材料的压电效应制成的超声探头,其优 点是制作和使用都比较简单,发射和接收的灵敏度高,可用频率范围宽 等,是目前超声检测中使用最为广泛的探头。当对其加上一个电脉冲时硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究就能

29、发射超声波;反之,当加上一个声脉冲时又会产生电脉冲。再配上 产生和接收电信号的装置,就构成了完整的超声检测系统。由于被检工件是由不同的材料和不同的工艺所制成,而且工件形状 也是各种各样的,因此,为了满足对各种工件的超声波检测要求,必须 采用不同类型的探头。也就是说。种类繁多的探头是根据不同的检测要 求所产生的。按其结构和用途不同,压电超声探头可作以下分类:压电超声探头 按接触方式分 二三二:探头(一探头的基本结构图3.1所示为一般探头的基本结构。探头主要由阻尼块1、晶片2、 和保护膜3组成。此外,还有壳体、与仪器连接的高频同轴电缆的插 接件等。头头头头探探探探头直斜斜波探 波波波面波 纵横纵表

30、板 , 、 ; 分形 波 的 生 产 按 等头 ,探 头 温 探 高 斜 、 双 ,头 和 头 探 头探 型 探 焦 微 壹 聚 、 双线 头 、 探 头焦 用 探 聚 医 双点 如 合 头0联头探头 式探角探 割焦变用 分聚 可专 , , 、 分 途 用 防 探 按硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究(二直探头纵波直探头结构如图3.2所示。为使声束能垂直入射到工件中去, 壳体的轴线应与晶片表面垂直。保护膜是为了使晶片不受到磨损。阻 尼块除影响超声波的脉冲宽度以外,还能抑制晶片的径向振动。1一阻尼块;2一晶片:3一保护膜图3.1超声探头的基本结构 1一插头;2一引线;3一阻尼块 4一品片;

31、5一保护膜图3.2直探头结构(三斜探头当超声波从一种介质传播到另一种介质时,其入射方向相对于异 质界面而言,可以是垂直入射,也可以是倾斜入射。当垂赢入射时, 只有反射和透射;当倾斜入射时,除反射外,透射波要发生折射现象, 同时伴随有波型转换。所谓波型转换,就是在第二介质中传播的波型 已不同于入射波的波型。如图3.3所示,有一束平面纵波L以声速cl入射到由阻抗为Z1= p 1Cl和Z2=p'2'C2的两种介质所构成的平面界面上的0点。0点称为入 射点。L称为入射波。入射波L的主声束轴线与界面法线的夹角n I称 为入射角。根据几何光学原理,声束L入射到平面界面上时,有一部硕士学位论

32、文 第三章TOFD探头性能研究分反射回第一介质,即Ll和T1,分别称为反射纵波和反射横波。因为 L1仍在第一介质中传播,声速仍为c,T。的速度为ct。Lt与法线的夹 角n I称为纵波反射角。T1与法线的夹角a。1称为横波反射角。而另一 部分声波将通过界面,进入第二介质,并发生波型转换。这时,根据 入射角a.的大小不同,在第二介质中传播的波,可能是纵波、横波或 表面波,或兼而有之。k称为折射纵波,速度为C1,T2称为折射横 波,速度为c。Bl称为纵波折射角,B。称为横波折射角。图3.3卢波在平面异质界面上的反射和折射声波在平面界丽上的反射和折射现象满足几何光学的反射定律和 折射定律。即对于反射来

33、说,反射纵波满足式:_Sin(1I:!L国 (3.1 Sinof c、。可知:a,一n:反射横波满足式:折射纵波满足式: 垫。!Lslnotfcf(3.2 (3.3硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究折射横波满足式 Sill%cIsinlB, c,(3.4.sino.L;旦 (3.5 sinj, cf由于在同一介质中,纵波的传播速度要大于横波的传播速度,所以 岛>氏。随着入射角a,的增大,岛和臣也会逐渐增大,当臣=90。时, 纵波沿介质表面传播,在第二介质中传播的就只有横波,此时对应的 入射角称为第一临界角a,。根据折射定律,可知:旺j=arcsin阜 (3.6 C,同理可知当仁,:

34、90。时,横波沿介质表面传播,在第二介质中没有超 声波传播,此时对应的入射角称为第二临界角a。a一arcsin_cI (3.7 C因此随着入射角不同,会有以下几种情况:1当O.t<0【,时,在第二介质中同时存在纵波和横波。12当n,<%(a。时,在第二介质中只有横波。3当O.t>q。时,在第二介质中即没有纵波,也没有横波。在实际检测中,可以根据实际情况,选择合适的探头。斜探头正是利用纵波斜入射到工件界面上产生波型转换的原理, 来产生和接收超声波的。由于纵波斜入射的波型转换结果可能产生横硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究波或者同时产生纵波和横波,所以可以分为纵波斜探头和横

35、波斜探头。 斜探头结构如图3.4所示。阻尼块和晶片的材料和功能,与直探头 相同。透声锲的形状可以多种多样,但有一个基本要求:声波在透声 锲中传播时不能返回晶片,即由透声锲底面反射回来的声波只能由阻 尼块吸收,以免出现杂波干扰。有机玻璃具有加工性好、声耦合性好、 声衰减小等优点。因此,一般被用作透声锲材料。l一吸声材料;2一斜锲:3一压电品片;4一阻尼块;5一引线;6一插头 图3.4斜探头结构3.2TOFD探头的研制探头作为检测系统中首要的组成部分,其性能好坏直接影响到检测 的精度和准确性,所以有必要对TOFD探头的性能进行研究。为此,笔 者设计加工了几组探头和试块,通过大量的实验,对TOFD探

36、头的折射 角、前沿距离、延迟时间等性能及其衍射特性进行了分析研究【埘。 TOFD法是利用超声波的衍射原理来对工件进行检测的。由于在同 一介质中纵波的传播速度大于横波的传播速度,而且纵波比横波更容易 产生衍射,所以TOFD采用了小角度纵波斜探头。为了满足检测要求, 其应该具有较高的转换效率,以获得较高的检测灵敏度;同时,还要进 行阻抗匹配,以提高声能透过率。(一探头角度的选择为了实现快速全面的检测,对不同厚度的工件应采用不同角度的探 头,以保证声束覆盖率。根据欧共体标准,探头角度的选择可根据表1和表2进行。对于70mm以下的工件,用一对探头检测就可以了。对于70mm以 上的工件,就要把工件沿厚度

37、方向分割成几个区域,每个区域用一对探 头进行检测。这几个区域可以同时进行检测,也可以分别单独进行检测。 考虑到工业中常见的焊缝厚度在20mm左右,本次实验选择了角度为 60。和70。的两种探头。表1用于70mm以下钢材检测的探头选择参考表工件厚度 中心频率 晶片尺寸 探头角度 <10mm 1015MHz 26mm 50。一70。 10mm一30mm 510MHz 26mm 50。一60。 30mm一70mm 25MHz 612mm 45。一604表2用于70mm以上钢材检测的探头选择参考表厚度范围 中心频率 晶片尺寸 探头角度 0mm-30mm 5一l味mz 26mm 50。一70。 3

38、0mm一100 25MHZ 612mm 45。一60。 100mm-300mm l一3MHz 1025mm 45。一604(二晶片尺寸的确定晶片的尺寸影响到产生的超声波声场的指向性。对圆形晶片来说, 声场的指向角由下式确定:sinOo 2台 。-8 式中,碥=1。22,D为晶片直径。而尺寸相同的矩形晶片的指向性要好而IOFD方法要求使用宽声束覆盖检测区域,所以要适当减小晶片的尺l。 :寸。在本次实验中,采用了6ram和lOmm两种尺寸的圆形晶片。(三晶片频率的选择虽然高频超声波在介质中传播时容易产生衰减,而且其林状回波多, 影响反射回波的判断,但是对TOFD的衍射回波影响不大,而且高频超声 波

39、分辨力高,所以,TOFD检测中一般采用高频探头。本次实验采用了5MHz 和10MHz两种频率的探头。(四本实验所用探头本次实验所设计和使用的探头采用常用的PZT压电晶片,延迟块分 别采用了两种声速不同的有机玻璃来制作。共加工了3组探头,每组2个探头,分别标号l号、2号。具体参数见表3。表3探头参数(五探头的匹配TOFD检测所用探头应该是宽频带高频探头,其产生的超声波脉冲周 期应该在2个以内。未经匹配的探头,其波形较为杂乱,不符合检测要 求,所以在使用探头之前,必需对其进行匹配,使其产生的超声波达到硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究(a匹配前波形和频谱 (b匹配后波形和频谱图3.5探头匹配

40、前后的波形和频谱对比3.3试块的设计制作实验中所用的试块共2组,采用20号钢制作,具体尺寸见图3.6和 图3.7。每组加工了种人工缺陷,分别为不同深度的平底孔和横通孑L, 模拟点状和条状缺陷,具体说明里表4和表5。分别用来研究探头入射 点随探头间距的变化规律和超声波在缺陷端部产生最大衍射效率时探头 折射角的变化规律。实验所用测试仪器为基于PC机的插卡式超声波设备。采用的板卡 为SUSC880超声波成像界面卡I埘。该界面卡具有发射强度强、接收带宽 宽、脉宽和阻抗可调等特点,完全能够满足TOFD检测的要求。硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究图3.61试块尺寸表41麓块参数图3.7F试块尺寸(

41、共4块表524试块参数.22硕士学位论文 第三章TOFB探头性能研究3.4TOFD探头入射点的变化由于TOFD方法采用的是一对宽声束斜探头,所以在检测过程中的 任意时刻,作用在不同深度缺陷上的是超声波束豹不同部分,从面可以 同时检出同一个缺陷的上端和下端。同理,对同一个缺陷,若探头间距 不同,也会是超声波束的不同部分传播到其端部并产生衍射,因此可以 想象,产生衍射的超声波在工件界面的入射点是变化的。也就是说,探 头的实际折射角、前沿距离和超声波在斜楔内的延迟时间会随着探头间 距的变化而变化。为了精确地确定探头的入射点,从而提高检测精度,笔者编写了一 个程序,可以根据缺陷和探头的相关尺寸求出探头

42、的入射点,算法原理 见图3,8。图中:A、E一晶片中心点:B、D一所求探头实际入射点:c一缺陷端部:卜晶片中心点在检测面上的投影点;e探头前沿;一晶片中心的高度:卜晶片中心距晶片前沿的距离;卜探头间距;de一陷深度;a一超声 波入射角;卜探头折射角。瑶3.8计算探头入射点原理图图中,左侧为发射探头,右侧为接收探头,超声波沿ABCDE方向 传播。其中,B点是所求实际的超声波入射点,角b为所关注的探头折 射角。设超声波在斜楔内的速度为c,在工件内的速度为C:,则从图中 可知,所求的入射点B必须满足折射定律,即:.23.硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究!墼:三L sinbc, 式中:Sinn

43、=筹 sin扫:s/2+BG 口C (3。9 (3.10 (3.aa探头的折射角可以由下式给出:tanb:s/2+BG f3.1 aep延迟时间为:爿口t=-一h(3.13 而BG就是探头的前沿距离。只要在程序中输入探头和缺陷的相关尺寸 L、H、S、dep,以及斜楔内和工件内超声波的速度,就可采用逼近法求 得超声波的入射点B,从而得出对同一缺陷,不同探头间距所对应的探 头折射角、前沿距离以及延迟时间,并可绘制出理论上的变化曲线。为 了对理论曲线进行验证,笔者进行了一系列实验,分别用3组探头对18试块上的不同深度的平底孔(巾2ram进行检测,实测回波信号的时间, 并与软件计算的理论结果进行对比,

44、二者吻合。图3.9所示为以6mm 60。 的两个探头对10mm深、10mm高的巾2ram平底孔进行检测时超声波传 播的实测时间和理论计算时间的对比图,二者最大偏差为0.04us。图3.9缺陷回波信号实测时坷和理论对闯对比圈硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究在此,仍以巾6mm60。探头对10mm深、lOmm高的巾2ram平底孔 检测为例,其探头折射角、前沿距离和延迟随探头间距的变化曲线,如 图3.10示。从图中可以看出,随着探头间距S从20mm增加到120mm, 探头折射角b从59_3。增加到81.4。,前沿距离BC从6.8mm缩短到 6.5mm,延迟时间从1_62us增加到1.67us。

45、其中,前沿距离和延迟时间 的变化不是很大,在一般的检测中可以忽略。用其余几组探头对其它的 人工缺陷进行检测,也有相同的变化规律。因此,TOFD检测过程中探 头的实际折射角是变化的,探头的标称折射角只是给我们提供超声波束 的方向和范围;注意到这一点,有助于我们更深入地理解TOFD检测方 法,并灵活掌握其应用。(a折射角与探头间距的关系(b前沿距离与探头间距的关系硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究(c延迟时同和探头间距的关系图3.10探头参数的变化曲线3.5TOFI探头的衍射特性TOFD检测中,入射超声波在缺陷端部产生的衍射波会以相同的概 率向四周传播,所以,被接收探头接收到的信号就很弱。如

46、果能够知道 在什么情况下超声波在缺陷端部的衍射效率最高,那么就可以充分利用 探头发射的超声波能量进行检测。因此,有必要对超声波在缺陷端部产 生衍射效率最高时对应的探头的折射角进行研究,得出一定的规律,从 而指导我们的实际检测。由于探头发射的超声波能量在晶片中心轴线上最强,离中心轴线越 远,能量越低,所以,检测时得到的绝对最大衍射波就应该是由沿晶片 中心轴线传播的超声波束产生的,其对应的折射角就是探头的标称折射 角。实验结果也验证了这一点。为了消除声束能量的影响,得到衍射效 率最高时对应的探头折射角的归一化分布规律,可以先分别测出每组探 头的1号和2号探头对缺陷的反射波高,再分别以1号和2号探头

47、为发 射探头测出缺陷的衍射波高,然后对实验结果进行归一化处理,计算公 式如下:F:旦!:里2Rl。R 226硕士学位论文 第三章TOFD探头性能研究式中:Dl一以1号探头为发射探头测得的缺陷衍射波高D:一以2号探头为发射探头测得的缺陷衍射波高最,-I号探头对缺陷的反射波高R:2号探头对缺陷的反射波高用每一组探头对不同深度的每一个横通孔进行测试。每次令探头间距S 在一定范围内变化,s每增加2mm记录一组数据,求出一个F值,然后 找出F值最大的点,就是该组探头在该缺陷端部产生最大衍射效率的点。 然后,就可以用前面设计好的程序计算出对应的探头折射角。因为横通 孔有上沿和下沿,会有两个衍射回波,所以可

48、以得到两组实验数据。 经过对一系列不同深度的m 1mm横通孔进行实验,得到了两条超声 波在缺陷端部产生衍射效率最大时对应的探头折身寸=角的变化曲线,见图 3.11示。图中,横坐标为缺陷深度,级坐标为角度。从图中可见,当超声波在缺陷端部衍射效率最大时,不同探头对应 的实际折射角有相似的变化规律,并且,对同一缺陷,不同探头的折射 角基本差别不大。当缺陷埋藏较浅时,处于探头的近场区,声场分布比 较复杂,虽然对衍射波幅废影响不大,但对反射波幅度影响较大,所以, 不同探头的折射角差别较大,但都在70。到80。之间。随着缺陷深度增 加,各个探头的折射角都趋于70。,也就是说,当超声波在缺陷端部衍 射效率最

49、大时对应的探头的实际折射角与探头的标称折射角没有必然的 联系,并且不同的探头有基本相同或者相近的实际折射角。3.6小结本章主要对压电超声探头进行讨论。首先介绍了压电效应的原理和 一些常用的压电材料。然后对压电超声探头的基本结构和分类进行说明。 在此基础上,对TOFD探头进行了讨论。笔者设计了几组探头和参考试硕士学位论文 第三章TOED探头性能研究块,并通过大量的相关实验对TOFD探头的特性进行研究,得出了一些 有用结论。首先,在TOFD检测过程中,探头的实际入射点会随着探头 间距的变化而变化,从而使探头的实际折射角变大,计算时应考虑此因 素。其次,在TOFD检测中,探头的实际折射角与标称角度没

50、有必然的 联系,且当超声波衍射效率最大时对应的探头折射角一般在70。80。 之间。随着缺陷深度增加,此折射角趋于709,也就是说,当超声波在 缺陷端部衍射效率最大时不同的探头有基本相同或者相近的实际折射 角。所以。在用TOFD方法进行焊缝检测的过程中,首先要根据被测工 件的厚度和检测要求,决定选择多大角度的探头,在检测中要注意探头 的实际折射角会随着探头间距的增加而变大,而检测过程和结果不应受 到其标称折射角的影响。另外,检测时,在保证超声波覆盖范围的前提 下,应尽量使探头的实际折射角在70。附近,这样可以得到最大的衍射 效率,充分利用超声波能量,并提高缺陷检出率。硕士学位论文 第三章TOFD

51、探头性能研究图3.11最大衍射效率时不同探头折射角的变化.29.硕士学位论文 第四章 图像处理方法的研究第四章图像处理方法的研究所谓图像处理,就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或应 用需求的行为1141。图像处理的手段有光学方法和数字方法。光学方法已 经有很长的发展历史,从简单的光学滤波到激光全息技术,光学处理理 论已经日趋完善,而且处理速度快,信息容量大,分辨率高,又很经济。 但是光学处理图像精度不够高,稳定性差,操作不方便【15l。从20世纪 60年代起,随着电子技术和计算机技术的不断提高和普及,数字图像处 理(Digital Image Processing进入高速发展时期。所谓数

52、字图像处理就 是利用数字计算机或其它数字硬件,对从图像信息转换而得的电信号进 行某些数学运算,以提高图像的实用性。例如从卫星图片中提取旦标物 的特征参数,三维立体断层图像的重建等。数字图像处理技术处理精度 比较高,而且还可以通过改进处理软件来优化处理效果。随着计算机技 术的发展,必将促进数字图像处理技术的飞速发展【161。4.1数字图像的基本概念人眼看到的任何自然界的图像都是连续的模拟图像,其形状和形态 表现由图像各位置的颜色所决定【171。对于平面黑白图像,可以用f(x,y 来表示(x,y处的灰度值。由于计算机仅能处理离散的数据,所以如 果要用计算机进行图像处理,必须把连续的图像函数转化为离

53、散的数据 集。连续的模拟图像经过由成像系统、采样系统和量化器组成的图像采 集系统,转化为离散的数字图像。数字图像F是连续图像,O,y的一种 近似表示,通常由采样点的值所组成的矩阵来表示:硕士学位论文 第四章 图像处理方法的研究F=,o厂Go,1厂G1,(qM一1 fQM一岛 f心一q for-1,1f冰一1,M-1每一个采样点叫做一个像素(pixel。上式中,M、N分别为数字图像在 横、纵方向上的像素数。在计算机内通常用二维数组来表示数字图像的 矩阵。把像素按不同的方式进行组织或存储,就得到不同的图像格式,常 见的图像格式有:BMP、TGA、PCx、GIF、TIFF、JPGE等。在Window

54、s 系统中,最常用的图像格式是位图格式BMP。数字图像的采集设备主要有扫描仪、数字相机和图像采集卡等。通 过对数字图像进行一定的处理。即图像处理,可在一定程度上改善图像 的分辨质量和形成特殊的视觉效果。数字图像处理由数字图像处理系统 完成,其结构如图4.1所示,主要包括图像采集系统、计算机图像处理 系统和图像输出系统三部分。模拟图像图4.1图像处理系统计算机图像处理系统由计算机软硬件系统组成。计算机图像处理的 软件系统是基于数字图像处理的理论和算法而设计的一系列程序,用以 实现图像的增强、变换、变形、压缩等操作。硕士学位论文 第四章 图像处理方法的研究4.2常见数字图像处理方法图像处理就是用一

55、系列的特定操作来改变图像的像素,以达到特定 的目标,比如使图像更清晰,或从图像中提取某些特定的信息等。数字 图像处理从功能上可以分为像质改善、图像分析、图像重建三大类。从 图像处理对图像像素的处理方式上可以分为点处理和区域处理。点处理 是一种输出像素值仅取决于输入像素值的图像处理方法:区域处理的输 出像素值不仅与输入的像素值有关,而且与输入像素在一定范围内的相 邻像素值有关。区域处理在数字图像处理中占有重要地位。本章主要讨 论区域处理方法。区域处理在处理某一像素时,利用与该像素相邻的一组像素,经过 某种变换得到处理后图像中某一点的像素值。目标像素的领域一般是由 像素组成的二维矩阵,该矩阵的大小

56、为奇数,目标像素位于该矩阵的中 央,即目标像素就是区域的中心像素。经过处理后,目标像素的值为经 过特定算法计算后所得的结果。区域中心像素周围的那些像素值在二维 方向土提供了图像的亮度变化趋势的信息。图像中心像素的亮度在一定 距离上的变化速率称为图像的空问频率。区域处理将改变图像的空间频 率信息,减缓或增强图像中的某些特定的频率分量。区域处理算法一般是针对灰度图像进行的,对于RGB彩色图像,可 以分别对其R、G、B分量进行处理,最后再组合各颜色分量,以得到彩 色输出图像。主要的区域处理算法有卷积、低通滤波、高通滤波、中值滤波和边 缘检测等。其中,卷积算法的应用最为广泛,大部分的区域处理都采用 卷

57、积算法来实现。低通滤波的基本思路是保留图像空间频率的低频成分, 减少图像的高频成分,从而使得图像中那些本来不明显的低频成分就更容易识别了,因此使图像变得平滑,在视觉效果上变得模糊。高通滤波 则是增强图像的高频空间频率成分,而阻挡低频空间频率成分。高通滤 波将使图像锐化,使图像更加醒目,在视觉上,就显得更清晰。但是, 高通滤波也同时放大了图像噪声。中值滤波是种不同于卷积算法的区域处理方法。它一般采用一个 含有奇数个点的滑动窗口,将窗口中各点灰度值的中值替代指定点(一 般是窗口的中心点的灰度值。对于奇数个元素,中值是指按大小排序 后,中间的数值;对于偶数个元素,中值是指排序后中间两个元素灰度 值的平均值。因为区域中像素值发生随机突变的像素经排序后,将位于队首或队 尾,因此取得的中问像素值是正常的像素值。所以,中值滤波可以有效 地除去随机噪声,并得到较好的视觉效果。图4.2(a为一幅焊缝B扫描图像,4.2(b为对其进行中值滤波 得到的图像。(a焊缝B扫描图像 (b中值滤波结果 图4