超声波无损检测的发展

1、超声无损检测仪器的发展超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性，其发展与电子技术等相 关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能 力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量、自动读数、 自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代，新一代的超声检测仪器一一数 字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新时代。超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图像化、小型化和多功能化发 展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年中国国际质量控 制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展 中，数字化、智能化、图像化超声仪最引人

2、注目，显示了当今世界无损检测 仪器的发展趋势。其中以德国Krauthammer公司、美国Panametrics公司、 丹麦Force Institutes公司与美国PAC公司的产品最具代表性。真正的智能 化超声仪应该是全面、客观地反映实际情况，而且可以运用频谱分析，自适 应专家网络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、 定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键 技术问题。现代的扫查装置也在向智能化方向发展。扫查装置是自动检测系统的基 础部分，检测结果准确性、可靠性都依赖于扫查装置。例如采用声藕合监视 或藕合不良反馈控制方式提高探头与工件表面的耦合稳定

3、度以及检测的可靠 性。从20世纪90年代以来，出现的各种智能检测机器人，已经形成了机器人 检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。例如日本东京煤气公司 的蜘蛛型机器人，移动速度约60m/h，重约140kg，采用16个超声探头可以对 运行状态下的球罐上任意点坐标位置进行扫描。日本NKK公司研制的机器人 借助管道内液体推力前进，可以测量输油管道腐蚀状况，其检测精度小于1mm。 丹麦Force研究所的爬壁机器人，重约10吨，采用磁吸附与预置磁条跟踪方 式可检测各类大型储罐与船体的缺陷。超声无损检测技术的发展超声无损检测技术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，体现在改

4、进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设备服 役的各个阶段和保证机器零件的可靠性和安全性上。世界各国出版的无损检测书 籍、资料文献中，超声探伤所占的数量都是首屈一指的。有关资料表明，国外每 年大约发表3000篇涉及无损检测的文献资料，全部文献资料中有关超声无损检 测的内容约占45%。在前几届世界无损检测会议论文集收录的论文中有关超声检 测的论文数遥遥领先于其它检测方法，特别是2000年10月在罗马召开的第十五 届世界无损检测会议(WCNDT)收录的663篇论文中，超声检测就占250篇。以上 这些都说明超声检测在无损检测中的突出贡献与重要地位和研究势头，所以超 声检测一直以来都是研究的热点

5、。于是，随着电子学和计算机科学技术的飞速发 展，采用人工智能技术、自适应技术、机器人技术、相关技术、信息融合技术、 激光技术和CADCAM等技术与无损检测技术有机结合以实现复杂形面复合构件 的超声扫描成像检测，是近年来国外复合材料构件无损检测领域研究的前沿课 题。下面主要探讨超声成像技术、人工智能技术、自适应技术、机器人技术和相 关技术在超声无损检测技术中的一些应用和理论分析。超声成像技术超声成像技术是在电视技术、计算机技术和信息技术的基础上发展起来的， 经历了一个漫长发展历程。早在20年代，人们就开始探索超声成像的原理及方法， 使超声成像成为最早实现的超声无损检测技术。其后由于技术上的原因，

6、早期的 超声成像检测技术很快被其它超声无损检测技术所取代。20世纪60年代，激光的 发明和光学全息技术的成就极大地刺激了人们对声像研究的兴趣。然而，在声学 领域，简单地模仿光全息等光学成像方法遇到了极大的障碍，迫使人们在新技术 基础上，根据声波的特点，发展出以扫描成像技术为主流的各种新成像方法。在现代无损检测技术中，超声成像技术是一种令人瞩目的新技术。超声图像 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，有着非常广阔的 发展前景。现代超声成像技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相 结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成 像系统的性能价格比等发

7、展直接影响超声检测图像化的进程。现代超声成像技术 大多有自动化和智能化的特点，因而有许多优点，如检测的一致性好，可靠性、 复现性高，存储的检测结果可随时调用，并可以对历次检测的结果自动比较，以 对缺陷做动态检测等。总之，超声成像技术克服了传统超声检测不直观、判伤难， 无记录的缺陷，减少了检测中人为干扰，有效地提高无损检测的可靠性，是定量 无损检测的重要工具。目前已经使用和正在开发的成像技术包括:超声B扫描成像，超声C扫描成 像、超声D扫描成像，ALOK（德文“振幅一传播时间一位置曲线”的缩写）成像， SAFT（合成孔径聚焦）成像，P扫描成像，超声全息成像，超声CT成像等技术。（二）人工智能技术

8、顾名思义，所谓人工智能技术就是用人工的方法在计算机上实现的智能。由 于人工智能是在机器上实现的模拟人类智能，因此又可称为机器或模拟智能。通 俗地说，人工智能就是研究如何使机器具有能听、会说、能看、会写、能思维、 会学习、能适应环境变化、能解决各种实际问题等功能的一门学科。目前，人工 智能的研究更多的是结合具体领域进行的，在超声无损检测应用中，主要研究 领域有专家系统和人工神经网络等。1、专家系统所谓专家系统就是一种具有特定领域内大量知识与经验的程序系统，它应 用人工智能技术，模拟专家求解问题的思维过程求解领域内的各种问题，其水 平可以达到甚至超过专家的水平。在超声界有许多检测技术高明的专家，他

9、们在 各自的工作领域中都具有丰富的实践经验和高人一筹的“绝招”，如果把对某一 探伤对象的检测经验集中起来，并以某种表示模式存储到计算机中形成知识库, 然后再把专家们运用这些知识判断缺陷的思维过程编成程序构成推理机，使得 计算机能像人类专家那样对缺陷信号进行判断，则这样的程序就是一个专家系 统。图1为一个三段结构的AI专家系统，它可以帮助那些对UT应用并不熟练的操 作人员选择最好的检测方法和检测技术去解决他所遇到的问题，该系统被称为超 声UE顾问，可为诸如“哪一种检测方法或检测技术能最好地解决我这个问题?这 样的咨询者”提供咨询服务。系统的三个组成部分分别为：a、UT方法和技术库从各超声专家搜集

10、不同的检测方法和检测技术组成UT方法和技术库，这样 做有助于消除单独某一个专家所产生的偏见。根据检测对象和要求，每一方法又 可以是多种多样的。b、UT方法和技术优先顺序的排列在这一阶段，使用者被请求回答“是否或许（YesNoMaybe） ”这一类型的 问题，这些问题涉及价格、速度、精度、设备及人员的可利用性等AI系统从所 获得的这些信息中根据实际情况及检测要求选择最合适的检测方法和检测技术。c、各类专家系统每一个专家系统对应一种UT方法，图1中只具体列出了三个专家系统，即脉 冲反射法专家系统、时间渡越衍射专家系统和各种谱分析（包括裂谱、倒谱、能 谱分析）专家系统，另外还有许多专家系统可归到其它

11、类专家系统一栏中。每一个 专家决定了所考虑的方法内具体技术的选择。AI系统可以对有关UT的任务进行决策,决策的质量既依赖于提供给AI系统的 被检测对象的信息，也依赖于所使用的A I系统的质量。它能为非技术人员进行技 术咨询时提供很好的回答，可以减少寻找人类专家时所花费的时间，且能够消除 人类专家进行技术选择时可能产生的偏见。（三）人工神经网络人工神经网络是一种以自适应为特征的无固定模型的非线性网络，可用于处 理非线性模型或很难建立模型的问题，有许多个处理单元（神经元）相互连接的 信号处理系统，单元的输出通过权值与其它单元相互连接。人工神经网络在超声检测中的应用是通过最佳似然比检测的原理由神经元

12、 之间的相互作用来实现的，信号的存储表现为网络元件互连间分布式的物理联 系，网络的识别取决于各神经元连接权值的动态演化过程。用于超声检测的神经网络是由三层感知器组成的，即输入层、输出层及隐含 层构成，如图2所示,它的输出层只有一个神经元。若该神经元被激活，即输出为 1,则判为H 1 ；若该神经元被抑制，即输出为0（-1）,则判为H 0。输入层神经元 的数目与接收到的样本数目相同（即为M）。中间层神经元的数目可视具体应用要 求来确定，通常也为1。通过调节输入层到输出层的连接权系数Wzi （i= 1, 2, ,M ）,隐含层到输出层的连接层权系数W*以及各神经元的阀值，就可以反 映似然比和门限的大

13、小。人工神经网络可实现缺陷的分类，具有很高的识别准确度，对于不完全、不 够清晰的数据同样有效；具有强大的学习能力，能从样例中学习，获取知识；易 于实现并行运算，而且便于硬件上的实现，从而可大大提高速度；由于信息在网 络中是分布表示的，因而它对带有噪声或缺损的输入信息有很强的适应能力。人 工神经网络的这些优点，使其很适合于应用到超声定量无损检测中。例如，由A dap tronics公司研制的ALN 4060智能超声探伤仪就是人工神经网络在超声检测中成功应用的代表。自适应技术自适应处理技术是由Widrow.B等人提出、20世纪60年代开始发展起来的一 门学科，它是现代信号处理的重要组成部分，对复杂

14、信号的处理具有独特的功 能。目前国内外自适应算法研究仍比较活跃，自适应滤波的优点是对处理参数依 赖性比较小，软、硬件实现均较简单，因而在工业性应用中有良好前景。近年来, 国内外学者开始尝试将自适应滤波技术用于超声无损检测，其目的是寻找一种 便捷的抗干扰手段，使得超声检测目标信号在各种干扰条件下(包括材料结构内 部各种干涉杂波)保持整齐、清晰且不畸变的波形。为各种准确的无损检测奠定 基础。自适应数字滤波是其在超声检测中应用的一个方面，图3是一个自适应数字 滤波器，具有两个输入端，信号输入端通常称之为主输入端，所期望的响应d(n) 输入端称为参考输入端。滤波器输出端y(n)就是自适应滤波器的输出端

15、，有时将 其误差e(n)引出一个误差输入端。主信号s(n)经过传输系统H(z)的频率特性和噪声干扰的影响，信号x(n) 将与主信号s(n)不同，但它蕴涵着主信号，利用自适应滤波器可从信号x(n)中 提取原来的主信号s(n)，而噪声干扰被滤波作用抑制了。对于传输系统H (z)给主 信号劣化的情况来说，当滤波器输出y(n)逼近参考输入d(n)=s(n),自适应滤波 的最佳权矢量W 0可由下式决定：H (z) % = 1W0 = H-1( z)这表明自适应滤波器的最佳滤波响应是传输系统转移函数的倒数(逆函数)， 此时自适应滤波器对主输入信号x (n)进行逆波，使其复原主信号。此外，自适应技术还用来系

16、统辨识、自适应均衡、自适应噪声抵消与谱线增 强、自适应谱估计和自适应信号处理等等。总之，自适应数字系统具有很强的自 学习、自跟踪能力和算法的简单易实现性，它在噪化信号的检测增强、噪声干扰 的抵消、波形编码的线性预测、图像自适应压缩编码、图像自适应增强复原、图 像识别的自适应分割等方面广泛应用。（五）机器人技术机器人技术的建立是20世纪人类科技的重大成就，它是一门高度交叉的前 沿学科，包含机械学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学与 人工智能等等。机器人就是像人或人的上肢并能模仿人的动作且具有智力或感觉 与识别能力的人造机器或机械电子装置。随着机器人技术的发展，机器人在汽 车、机电

17、通用机械制造、金属材料加工和无损检测中的应用日益广泛。无损检测就是以不损害被检测对象为前提，对其的各种性能进行检测，它 是实现设备安全运行、质量控制及改进生产工艺的重要手段。但在进行一些关键 部位的无损检测时，操作者常会遇到难以进入或接近的场合，如小管道内部、狭 小场所、高建筑物、水下、高低温环境和有毒容器内部等，因此，不能采用常规 方法实现检测。对此，采用遥控或自动方式的检测机器人是行之有效的方法。现 在国外已有形形色色、各种各样的无损检测机器人。下面介绍自动行走摄像机器人“ WANTED”在超声检测中的应用。如图4所 示,WANTED机器人由远距离操作的自动行走机构、微型高质量CCD彩色电

18、视摄像 机、照明装置、系统控制器、监视电视、录像系统及异物回收装置组成。行走机 构由腰带、齿轮传动和微型马达组成，通过系统控制器和缆线可控制行走机构实 现前后行走。检测头设在行走机构的前部，包括两个照明灯和一个CCD摄像系统。 在两个微型马达的驱动下，检测头能进行上下65度和左右75度的转动，对目标 进行摄像，同时将摄像信息传给监视电视和录像系统，所以操作者能对被检测 对象全面细致和快速的检测和录像。WAN TED机器人备有若干附件，如摄像镜头有标准、超广角和望远镜头，以 适应不同目的和不同场合的检测需要。另有几种用以清除或摄取被检测对象中的 异物的配件。这种机器人用于高层建筑物的维护、火力和

19、水力发电厂、各种埋设 管道和其他工厂。对直径60mm以上的管道内部超声检测则是其最突出的特点。此 外，也可用于观测各种狭小场所的内部结构。（六）相关技术相关技术是一门边缘科学，它是以信息论和随机过程理论作为基础，随着 信息科学的发展，相关技术在计算机科学、微电子学、无损检测和人工神经网络 等领域日益得到广泛的应用。下面探讨一下该技术在超声检测中的应用。在超声无损检测中，传统的脉冲回波法(Pulse echo)在许多方面得到了应 用，它利用反射体反射超声波的幅值及其出现的时间来反映反射体的大小及位 置。由于其结构简单、检测速度快，多年来一直是主要的检测方法。但是由于超 声波发射峰值功率有限，使得

20、检测距离与分辨率之比受到了限制，即要想增加 检测距离，就要牺牲分辨率；想要提高分辨率，就要减少检测距离。所以脉冲回 波法在应用中受到了限制，特别是在吸收力较强的材料中，如陶瓷、塑料等材 料。从信噪比角度分析，因为放大器的噪声与其带宽成正比，因此接收器的输 出信噪比与输入信噪比(信噪比增量)为：SNRE = SNR输出 SNR输入=B. B t， 式中，8诅、But为接收器输入输出带宽。脉冲回波法接收器的输入输出信号的带宽近似一致，故SNRE没有得到很好 的改善，即它一定要回波信号明显大于噪声。相关技术可以通过大积分时间来增 加接收器的信噪比增量，能把淹没在噪声中的信号提取出来。因为它用随机信号

21、 作发射信号，相关接收器的输出信号带宽与积分时间成正比，与发射功率无关， 提高检测范围和分辨率不需要增加超声波发射峰值功率，所以比脉冲回波法检 测能力强，在高吸收力材料中效果更明显。上文中给出了人工智能技术、自适应技术、机器人技术和相关技术在超声无 损检测技术中一些理论分析和应用，这些技术以高精度的运算、控制和逻辑判断 功能来代替大量人的体力和脑力劳动，减少了人为因素造成的误差，很好地解 决了记录存档问题，使得在无损检测中定位、定性、定量的可靠性和完备性大幅 度地提高，实现了超声检测和评价的智能化、自动化、图像化、数字化、小型化、 系列化、多功能化和信息化。为无损评价奠定更加良好的判定基础，来

22、实现复杂 形面复合构件的超声扫描成像无损检测，满足现代质量对无损检测的要求。我国超声无损检测发展的现状近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应 用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法 及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果。 许多不同用途的微机控制自动超声检测系统已经应用于实际生产。我国在这方面 开展的主要研究有：计算机化超声设备；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、相位补偿等；高频超声无损检 测技术：各种扫描成像技术：多坐标、多通道的自动超声检查系统：超声机器人

23、 检测系统：复杂构件的自动扫描超声成像检测（如5维以上多维探头调节结构等辅 助设备的开发研究）等。这其中许多成果已经达到国际先进水平，这些研究为我 国超声无损检测技术的持续发展提供了保证。无损检测的标准化和规范化，检测 仪器的数字化、智能化、图像化、小型化和系列化工作也都取得了很大发展。我 国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了 ISO, ATSM、DIN、SS、 BS、NF、JIS等一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间存在很大差 距。具体表现在以下几个方面：1、检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比

24、例较小，极大阻碍 了超声无损检测技术自动化、智能化、图像化的进展。由于经验丰富的老一辈检 测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员虽拥有丰富的计算 机等现代技术，却缺乏切实的实践经验.这有可能导致现有的超声检测软件系统 不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。特别像专家系统软件，以及有自动判伤。 自动评定缺陷级别功能的软件编写应该引起足够的重视。组织一定的人力、才力 对超声无损检测的现场经验进行收集和总结，不断充实检测理论和检测规范，把 无损检测技术人员和计算机技术人员有机结合起来，才能开发出实用的无损检测 软件。另外，应该树立对各类无损检测软件的正确观念，任何软件都是依靠正确 的检测方法、检测状态和