超声相控阵数据采集系统的设计

超声相控阵数据采集系统的设计

1传统超声相控阵技术超声检测广泛应用于检测领域。最近几年发展起来的超声相控阵检测技术,因其灵活可控的声束偏转和聚焦等特性受到业界重视,为无损检测提供很大的便利。传统超声相控阵技术利用控制阵元硬件发射超声波的延时来实现相控阵的目的,但会有扫描时间过长,数据量过大的缺点。本文根据实际研制经验,在压电线阵各传感阵元经一轮收发扫描后,计算机软件根据各阵元位置情况计算接收延时,利用软件代替硬件实现超声相控阵的聚焦、偏转,充分利用计算机强大的计算能力,构建了一种基于虚拟仪器的压电线阵超声相控阵检测系统,利用该系统对缺陷试块进行验证试验。2超声相控阵技术相控阵超声检测中比较重要的一点就是超声相控阵可以实现超声波聚焦,与光学聚焦有一定程度上的类似,超声波聚焦也是将原本平行的声束会聚到一处。正如前期有光线聚焦作用的显微镜更容易观察被测物体一样,超声波的聚焦也将更有利于检测工件缺陷。而与光学聚焦不同的是,由于声音的速度和频率与光相差太大,光的会聚不需要考虑光程、相位问题,而声音则不然,要利用声音的增益叠加,声音必须同时刻同相位到达目标聚焦点。而相控阵探头或压电阵列外的一点,如线性压电阵列,很容易发现该点到各个阵元的距离不一致,即声程不一样,相差几mm到十几mm,在一次典型的超声探测中,例如,软钢中,声速可达5930m/s,若选择超声频率5MHz,则声波波长为1.186mm,这意味着上文所提声程差可达数个声波波长,故在相控阵超声检测时,若对阵列中各阵元采集的信号不加以精确的相对时间延时,因各声波的相位差距,将导致声波干涉的不确定性,从而影响超声探伤结果。基于此,相控阵超声检测技术是利用电子的方法控制超声换能阵元阵列中各阵元发射同种频率信号的延时,因信号频率相同,各阵元发出的声波是相干的,在指定目标聚焦位置后,通过计算阵列中各阵元到目标聚焦位置的声程差,精确控制各阵元发射信号的延时,各阵元发射的超声波将同相位地到达目标聚焦位置,声程差被消除,因声波同频率同相位,声波将干涉加强,各声波叠加而形成一个新的波阵面,声波能量得到加强,由此实现对超声波束聚焦位置、指向性的灵活控制,并加强了声波能量。相当于不断改变阵列中各阵元的空间排列方式,从而改变叠加波束的指向、聚焦位置。同理,在接收过程中,也要以一定规则接收各阵元的信号并进行信号的合成,再将合成结果予以显示。总的来说,超声相控阵技术就是通过不断控制超声换能阵元阵列中各阵元发射和接收信号的延时来不断改变波束指向和聚焦,多角度、深度下扫描试块内部是否有缺陷,达到探伤的目的。但是,该方法的劣势在于,为进行整个内部扫描,需要不断改变波束聚焦角度、聚焦深度等参数,会导致数据太多以及采集过程时间太长。而由波的独立作用原理可知,几列波在空间传播时,无论是否相遇,各个波都将保持各自原有的频率、波长、振动方向、传播方向继续传播,并不会因其它波的存在而改变。也就是说,几列波在空间相遇时,在相遇区域内任一点振动是各列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和,因此,对于超声相控阵技术,各探头激励波经延时后合成射入工件再接收回波与各探头单独射入工件再在接收回波时延时合成有相同的效果,有鉴于此,本文采用一种无角度扫描再软件聚焦的方法。无角度扫描是相对于常规超声相控阵技术需要不断变换扫描角度而言的,此方法在数据采集时更简单、高效。如图1所示,设有i+1个均匀排列的线性压电阵列,标号从0到i,各压电阵元轮流作为驱动阵元向试块中发同幅同相的激励信号,并以激励信号始发初相位时刻作为各接收阵元接收信号的0时刻,剩余阵元依次轮流作为传感阵元接收响应信号,也就是说每次激励阵元和传感阵元轮转后都是单发单收的,每个阵元作驱动阵元时共进行i次采集,整个无角度扫描总共要进行i×(i+1)次采集,如此以完成原始信号(raw)的采集。3激发市场活力如图2所示,本系统采用的硬件有计算机,数据采集卡(含数字I/O口),电荷放大器,功率放大器,多通道切换器,线性压电阵列等,软件基于虚拟仪器LabVIEW编程环境,实现系统对所有软硬件进行管理配置、嵌入数据采集算法、以及后期对数据进行各种分析处理,最终实现超声信号的采集,分析,处理,缺陷识别,显示缺陷和数据存储等多种功能。系统数据采集流程:由激励波形产生模块产生激励信号,其中激励信号波形根据探伤所采用的算法不同而变化。由于采集卡输出的激励模拟信号比较微弱,所以激励信号往往需经过功率放大器进行放大,然后作用于压电片传感网络中。通过采集卡数字I/O通道控制输出数字量以控制多通道切换模块的通道选择,实现对各压电传感阵元处于发射或接收的工作方式的选择以及对整个激励传感网络切换扫查顺序的控制。传感阵元得到的信号往往比较微弱且信噪比较低,电荷放大器模块用于滤波和放大该传感信号,高速数据采集模块将对由电荷放大模块处理后的信号进行采集。采集的信号输入到计算机进行存储和处理。完成如上数据采集之后,就得到了无角度扫描的原始信号数据,下面进行软件聚焦,先选定目标焦点,以0号阵元的位置作为极坐标的原点,设目标聚焦点坐标为D(θ,d),聚焦分为两步:第一步,每个阵元作为驱动阵元时,以该驱动阵元到目标聚焦点D的声程为参考声程,参考声程与声速之比即为参考时间,通过计算剩余各阵元到目标聚焦点的声程,再计算它们相对于该参考声程的声程差,根据声速转换为时间延时;如图1,i表示压电阵元标号,θ表示目标聚焦处与标号为0的压电阵元连线与压电阵列的夹角,d表示目标聚焦处距0号压电阵元的距离,Xi表示目标聚焦处距i号压电阵元的声程。c为超声在试块中的声速。Δti分别表示i号压电阵元与0号压电阵元的声程差和延时差。b表示相邻压电阵元间距,本文中c=5930m/s,b=12mm。Xi=(dcosθ−ib)2+d2sin2θ−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(1)Δti=xi−dc其中i∈(0,1,2,3,⋯)(2)Xi=(dcosθ-ib)2+d2sin2θ(1)Δti=xi-dc其中i∈(0,1,2,3,⋯)(2)通过式(1)和(2),可以求出每个阵元相对于目标焦点的延时大小。将各剩余阵元的响应信号在参考时间处作截断处理,如图3(a)所示,得到在目标聚焦点前后的两段信号,根据时间延时ts-ti的正负确定需要提前还是滞后|ts-ti|相位,从而对两段信号进行相应的平移处理并进行拼接,再将i组延时好的信号进行叠加合成。因为共有i+1个阵元,每个阵元都会轮流作为驱动阵元,所以通过以上方法共得到i+1组信号,并且每组信号都是以各个驱动阵元作为参考的,所以,经以上计算后,实现的效果相当于所有阵元分别自发自收一次经加强的信号;第二步,对第一步合成好的i+1组信号,因每组信号分别相当于i+1个参考阵元自发自收一次信号,可以选定其中一组的驱动阵元作为参考阵元,这里选择0号阵元为参考阵元,将其它i组信号相对焦点和各自参考阵元进行延时后再次进行合成,总合成时各阵元相对参考阵元延时如图3(b)所示,合成信号效果相当于选定的参考阵元自发自收一次再次经加强的信号。4钢块的排列验证试件是一块310mm×110mm×30mm的钢块,其中心有一个直径为5mm的圆孔缺陷,将压电阵列排列在试块上方,如图4所示。采用上文的方法采集好数据并进行分析。4.1缺陷处时,加信号显示出“清”、“出”这里以0号阵元为例,将0号阵元作为驱动器时其它阵元采集的原始信号、选定焦点延时后的信号、延时后叠加信号显示出来,当正好聚焦在缺陷处时,如图5所示。可以看到,单驱动下几组信号叠加合成后,噪声信号被明显削弱,缺陷信号还是很明显的。而当没有聚焦在缺陷处时,如图6所示。可以看到,因为缺陷处失焦,各接收阵元信号延时后,因相位偏差,使得缺陷信号不明显。所以单个驱动下的信号叠加能用来初步判断缺陷情况。4.2本方案的可行性分析各驱动阵元都按指定焦点叠加好各自的信号后,就可以在该焦点处进行信号的总合成,如果该焦点正好在缺陷处,如图7所示。可以看到,由于同相位的增益作用,合成的信号中缺陷信号十分明显,损伤信息也比较丰富,方便后期进一步数据处理。并且经过两阶叠加合成,噪声改善十分明显。分析缺陷波形时域图,可见缺陷回波在23.9μs处,计算缺陷位置5930m/s×23.9μs÷2=70.86mm,相同参考系下,缺陷的实际位置在69.20mm,相对误差只有2.39%,比较吻合实际。至此,试块中的缺陷已被识别并定位。而如果聚焦位置不在焦点处,如图8所示。可以看到经两阶叠加合成,如果未聚焦在缺陷处,几乎不会显示任何损伤信号。实际探伤时,可以根据焦点位置缺陷响应信号的增益情况判断该焦点位置是否存在缺陷。通过以上验证,该方案具有可行性。而在实际应用中通过与传统超声相控阵方法对比,本方案具有如下优点:1)经济性好:传统方法由于必须采用多路采集的方法,对数据采集卡的采样率的参数要求苛刻,相比较而言,本方案因为采用软件聚焦加多通道切换的方法,每个时刻实际上只有一个通道采集数据,采集卡不需要太高的采样率,采集卡的价格也会相对廉价的多。2)时效性高:传统方法的变焦发生在采集时,为使检测覆盖整个工件,其采集时间将会非常漫长;而本方案的采集时间只进行N×(N-1)次自切换采集,计算机软件完成变焦工作,检测时间将会大大缩短。3)数据简洁:传统方法在采集时变焦,多次变焦将会积累大量数据,不利于管理。本方案采集时只会产生N×(N-1)个通道的数据,