于 波,段 劍,王浩全

(1.山東非金屬材料研究所,濟南 250031;2.中北大學,太原 030051)

超聲成像無損檢測是自動控制、數(shù)字信號處理等多種技術相融合的典型應用。它利用傳感器技術,通過計算機控制檢測設備,進行自動檢測,最后利用軟件實現(xiàn)缺陷圖像的實時顯示與處理[1]。是實現(xiàn)缺陷定位、定量和定性,以及無損評價的關鍵技術之一。

1 C掃描成像原理

超聲C掃描是一種沿垂直于聲束橫斷面的二維掃描方式,顯示被測試樣的橫斷面狀況。C掃描可以通過數(shù)控掃描系統(tǒng),運用插補原理實現(xiàn)各種軌跡的掃描。在自動檢測中,通常采用水浸聚焦探頭進行水浸掃描。C掃描在新型復合材料、電器開關觸頭和集成電路等檢測中顯示出了一定的優(yōu)越性[1-2]。

在C掃描檢測中,需要在記錄某一點缺陷有無的同時記錄這一點的坐標。進行檢測時,換能器在步進電機或人工帶動下進行迂回運動,每行進一步,發(fā)射/接收超聲信號一次。電脈沖激勵的超聲脈沖通過耦合劑進入試件,如試件中無缺陷,它可一直傳播到試件的底面。如果底面光滑且平行于探測面,按照反射原理,超聲脈沖被底面反射而返回換能器,換能器將返回的聲脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳入計算機。將每一點所提取到的超聲回波信號特征量以彩色或灰度的形式表現(xiàn)出來,于是便得到C掃描圖像[3-4]。

2 成像系統(tǒng)的總體設計

整個檢測系統(tǒng)由主機部分、組合探頭裝置、機械裝置、從機部分、超聲波發(fā)射接收電路和信號采集等部分組成(圖1)。

圖1 檢測系統(tǒng)框圖

下位機通過程序控制步進電機、超聲發(fā)射/接收電路,按照預先設計的方式對被測工件進行超聲掃描。超聲回波信號經(jīng)信號調(diào)制電路處理,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集輸入上位機(計算機),對信號進行處理。檢測完成后,顯示檢測結果并打印。

3 超聲波發(fā)射接收電路

發(fā)射電路主要由DC-DC電源模塊、窄脈沖發(fā)生電路和激勵電路所組成。DC-DC電源模塊用來完成10～400V的轉(zhuǎn)換,窄脈沖發(fā)生電路的任務是將下位機發(fā)送來的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換成窄脈沖信號,此窄脈沖信號由激勵電路激勵探頭產(chǎn)生。

超聲發(fā)射電路一般要求有較高的發(fā)射電壓(100～1000V),這樣可以使得電容的充電電壓較高,保證充足的發(fā)射能量來激勵壓電晶片。利用場效應管或可控硅的導通與截止時,電源電壓通過電阻向電容充電、放電,產(chǎn)生一短脈沖,激勵晶片發(fā)射超聲脈沖。發(fā)射頻率主要由晶片的固有頻率決定。

接收電路的主要作用是將接收的超聲波加以放大、衰減和濾波,以利于后續(xù)部分對信號的處理和顯示,主要包括放大器、帶通濾波器等,起關鍵作用的部分是放大器。

筆者采用Γ型網(wǎng)絡和Π型網(wǎng)絡混合使用的辦法來實現(xiàn)衰減的調(diào)節(jié)。衰減調(diào)節(jié)分為粗、中、細三級衰減,粗調(diào)每檔為20dB,中調(diào)每檔為2dB,細調(diào)每檔為0.5dB。這樣可以充分調(diào)整回波信號的大小,便于進行A/D轉(zhuǎn)換。

4 下位機部分

從機部分以單片機為核心,能夠完成超聲波的發(fā)射、電機的控制和串口通信等功能。

在探頭拖動裝置中含有A,B兩個電機,分別控制探頭的橫縱向移動。在單片機的控制下,探頭以蛇形的方式行進,每行進一下,觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)射超聲。當探頭盒行進到一定范圍時,光電傳感器會向單片機發(fā)出中斷信號,B電機行進一步后,A電機開始反向行進。

步進電機控制部分主要完成判斷旋轉(zhuǎn)方向、按順序送出控制脈沖以及判斷脈沖是否送完功能。步進電機采用三相六拍通電方式。步進電機所要走的步數(shù)存在R4中,轉(zhuǎn)向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志位F0(D5H)。當F0=0時,步進電機正轉(zhuǎn);當F0=1時,步進電機反轉(zhuǎn)。

下位機AT89C52單片機有一個全雙工的串行通訊口,可以與主機之間方便地進行串口通信。采用MAX232進行轉(zhuǎn)換,不但簡單而且可靠。

5 上位機部分

主機采用高檔工業(yè)控制計算機,可以完成人機交互、串行通信、數(shù)據(jù)采集、信號處理、結果顯示以及打印功能。

在軟件的設計中,為了增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和易操作性,特為用戶提供了良好的人機界面。系統(tǒng)基于MicrosoftWindowsXP操作系統(tǒng),采用VC6.0編寫完成,主要功能有檢測參數(shù)設置、數(shù)據(jù)顯示和歷史記錄查詢等。整個界面簡單、方便、實用、美觀。

由于全波信號比檢波信號包含有更豐富的材料結構信息,為了實現(xiàn)信號特征量質(zhì)量的提高和特征空間維數(shù)的降低,對檢測信號的全波進行了采集處理。數(shù)據(jù)采集卡采用基于PCI總線的八位A/D卡,最大采樣頻率30MHz,能夠?qū)崿F(xiàn)對檢測信號的無失真采集。

采用信噪分離、時域或變換域的分析方法,通過對檢測信號處理和特征提取,提煉出了最能反映材料特性的信息,用來表征被檢物體內(nèi)部的質(zhì)量情況[4]。

雖然在信號采集過程時,硬件電路中使用了帶通濾波器,對于噪聲的消除有一定的作用,但是這種方法對放大器頻帶內(nèi)的噪聲不起作用,為此,通常采用信號處理的方法來消除信號中的噪聲。降低噪聲、增強信號的方法有很多,如中值濾波、Wigner分布、信號列譜處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡濾波、小波分析和高階譜降噪等。

在超聲檢測過程中,判別疵病的主要信息源是回波信號,回波信號攜帶了疵病的特征信息。針對材料中含有不同性質(zhì)、不同尺寸缺陷的情況,可以選用時域信號的均值、峰值、方差、上升時間、下降時間和能量等進行考察。試驗表明,不同性質(zhì)、不同形狀及尺寸的缺陷所產(chǎn)生的回波信號,在能量、峰值和波形持續(xù)時間(上升時間與下降時間之和)上有所變化,但有時并不明顯。通過Fourier變換將信號映射到頻域內(nèi)來提取特征量,經(jīng)過對幅值譜、相位譜和功率譜等的考察,發(fā)現(xiàn)變化明顯的特征量,以此進行成像缺陷判別[4]。

主要功能有測量參數(shù)設置、傳感器擬合標定、數(shù)據(jù)采集讀取及保存,報表生成及歷史記錄查詢等功能。

軟件完成了數(shù)據(jù)的讀取和處理,得到試驗的最終結果。它將試驗結果通過計算機和打印機等設備呈現(xiàn)出來,更利于試驗者對試驗結果做出判斷。此部分要實現(xiàn)的功能有：報表顯示檢測數(shù)據(jù);自動建立檢測結果數(shù)據(jù)庫;提供對檢測結果數(shù)據(jù)的搜索、查詢和統(tǒng)計等功能;報表、曲線的打印功能。

數(shù)據(jù)分析處理軟件的參數(shù)設置包括測量人員、時間日期、路段區(qū)域和磨耗超限值,設置完畢后開始讀取數(shù)據(jù)采集,采集回來的數(shù)據(jù)應該是在0～5V之間,若不在0～5V之間的數(shù)據(jù)就應該剔除不用,顯示磨損量的數(shù)值。讀取結束后對采集的數(shù)據(jù)進行處理,存儲采集數(shù)據(jù),可顯示打印本次測量的結果報表,可查詢這段鋼軌的檢測、磨損狀況以及使用壽命等。

在數(shù)據(jù)采集中,由于操作不當或外界干擾,或儀器的臨時故障等原因,有時會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù),即所謂異點。異點的存在會影響分析結果,必須加以剔除。

在軟件的設計中,為了增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和易操作性,特為用戶提供了良好的人機界面。利用虛擬儀器技術開發(fā)此系統(tǒng),不僅可以很方便地實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)處理功能,而且用戶界面具有美觀、交互性和個性化等特點;其模塊化的設計,大大方便了程序的修改和維護[4]。

6 試驗結果與分析

試驗樣品為布纖復合材料,其厚度為40mm;缺陷直徑為 φ1mm的橫孔,距離水與試樣界面10mm;檢測方式采用脈沖式反射法;采用點聚焦探頭(2.5MHz),其焦距為20mm 焦點直徑1mm,焦柱長度3mm。圖2為采用自行研制的C掃描成像系統(tǒng)對玻纖材料檢測得到的結果。圖中左邊為缺陷處,所得圖形與實際情況相符,以此可以判斷缺陷的大小和位置。

圖2 C掃描圖像

7 結論

通過精密掃描獲得的掃描圖像,可以較好地分析和了解材料中缺陷分布和密度情況。該技術具有較小的缺陷檢測能力,不僅能夠在厚度較薄的材料中檢測出直徑為φ1mm的氣孔,而且對夾渣也能夠較為準確地檢測。

[1]西拉德 J,主編.超聲檢測新技術[M].陳積懋,余南廷,譯.北京：科學出版社,1991：471.

[2]陳以方,駱巍,陳玉寶,等.復合材料的特征掃描成像檢測[J].無損檢測,2001,23(10)：427-431.

[3]劉松平,郭恩明,張謙琳,等.復合材料深度方向C掃描檢測技術[J].無損檢測,2001,23(1)：13-15.

[4]王浩全,曾光宇,韓焱.玻纖復合材料超聲C掃描檢測研究[J].兵工學報,2005,26(4)：570-572.