王 燕, 陳華斌， 朱宇宏, 姚 強(qiáng)

(1.江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院, 江蘇 南京 210029)(2.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240)

超聲波衍射時(shí)差探傷法(time of flight diffraction,TOFD),是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)(主要是指缺陷)的“端角” 和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來(lái)檢測(cè)缺陷的方法．該方法適合于大厚件焊縫檢測(cè),特別是超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊縫中裂紋類缺陷檢出效果明顯,是其它檢測(cè)方法無(wú)法比擬的．目前歐洲、美國(guó)和日本已將該檢測(cè)方法應(yīng)用于長(zhǎng)管道及壓力容器的檢測(cè)[1-4]．

超聲TOFD技術(shù)與常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)相比,具有缺陷測(cè)量精度高、定量化表征缺陷位置信息的特點(diǎn),其測(cè)量精度能夠控制在±1 mm[5]．然而,現(xiàn)有的超聲TOFD設(shè)備及圖譜離線分析軟件,通過(guò)放置探頭在無(wú)缺陷位置找出直通波,采用人工方式確定A掃描波幅負(fù)向最大或者正向最大的地方,然后借助儀器內(nèi)部嵌入的離線分析軟件進(jìn)行TOFD校準(zhǔn)(直通波為參考位置),讀出深度方向顯示標(biāo)尺值．然而,上述方法在探頭頻率、角度和中心距改變需要重新校準(zhǔn),軟件自動(dòng)化功能尚欠缺．

基于現(xiàn)有商業(yè)產(chǎn)品存在的局限性,文中介紹了一種基于圖像的全新自動(dòng)標(biāo)定方法:采用圖形形態(tài)學(xué)方法對(duì)超聲TOFD圖譜進(jìn)行二值化處理,通過(guò)霍夫變換精確定位直通波波峰,最終實(shí)現(xiàn)TOFD圖譜的計(jì)算機(jī)標(biāo)定．

1 試驗(yàn)

數(shù)字化超聲TOFD采集系統(tǒng)主要由發(fā)射/接收探頭、機(jī)械掃查裝置、超聲采集卡以及外圍電路等幾部分構(gòu)成．軟件系統(tǒng)是基于C++語(yǔ)言框架自主開發(fā)設(shè)計(jì),具有顯示設(shè)置、掃查設(shè)置、測(cè)量設(shè)置和校準(zhǔn)設(shè)置,還包括離線分析功能．

文中試驗(yàn)系統(tǒng)采用南通友聯(lián)開發(fā)的USB總線超聲采集卡,基于“一發(fā)一收”模式,結(jié)合廠家開發(fā)的接口函數(shù)庫(kù),構(gòu)建超聲TOFD缺陷檢測(cè)系統(tǒng)(圖1),標(biāo)準(zhǔn)試塊選取板厚150 mm奧氏體不銹鋼焊接試樣．參考特種設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.10采用2/3T法則、依據(jù)角度和探測(cè)深度,確定探頭間距．

圖1 TOFD掃查系統(tǒng)與試塊Fig.1 TOFD scan system and specimen

2 TOFD圖譜特征分析及處理

圖2為一段典型的TOFD圖譜,灰度圖顯示了一段沿焊縫方向上的D掃圖像,波形圖是灰度圖中某一條A掃波形圖．

圖2 典型TOFD A掃查圖譜Fig.2 Typical A-scan image of TOFD

眾所周知,TOFD系統(tǒng)施加在探頭上的電壓脈沖為單極性或雙極性矩形脈沖,探頭脈沖持續(xù)時(shí)間不大于2個(gè)周期．通常超聲TOFD檢驗(yàn)的深度測(cè)量的核心問(wèn)題是選擇A掃信號(hào)上的哪一點(diǎn)作為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間:測(cè)量A掃信號(hào)起始點(diǎn)、測(cè)量信號(hào)的峰值點(diǎn)以及正負(fù)半軸變換點(diǎn)．然而,由于TOFD圖像白色區(qū)域或黑色區(qū)域存在一定寬度,還有A掃信號(hào)前半周微弱等因素,導(dǎo)致無(wú)法精準(zhǔn)找到直通波A掃信號(hào)的前沿．類似這樣的問(wèn)題,可通過(guò)TOFD圖像與A掃信號(hào)的對(duì)比,以及改變信號(hào)測(cè)量位置等手段可解決上述問(wèn)題．

基于這一思想,采用A掃缺陷信號(hào)和TOFD圖像信息相結(jié)合的方式,借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)直通波的精準(zhǔn)定位．

2.1 圖像窗口設(shè)置及預(yù)處理

TOFD圖譜是由射頻信號(hào)灰度化而來(lái),射頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的灰度值范圍是0～255．根據(jù)TOFD成像原理,直通波、底面回波、底面反射橫波這3條近似水平線將圖譜分割如下2個(gè)主要區(qū)域:縱波衍射區(qū)域、波形轉(zhuǎn)換區(qū)域(圖3)．

圖3 TOFD圖譜D掃窗口設(shè)置Fig.3 D-scan window setting of TOFD

為了提高圖像計(jì)算機(jī)處理速度,選取圖3所示的直通波-底面回波這部分區(qū)域作為待處理圖像．由于縱波在固體介質(zhì)中傳播的速度是橫波的2倍,波型轉(zhuǎn)換區(qū)寬度和縱波衍射區(qū)的圖像寬度近似相等．文中從圖3中截取時(shí)間軸一半?yún)^(qū)域的圖像來(lái)進(jìn)行分析．

考慮到A掃信號(hào)除了目標(biāo)信號(hào)之外,在圖譜數(shù)據(jù)采集、量化、傳輸過(guò)程中還產(chǎn)生隨機(jī)噪聲信號(hào),導(dǎo)致TOFD圖譜合成圖像質(zhì)量降低,需對(duì)原始圖像進(jìn)行降噪處理和圖像復(fù)原,以增強(qiáng)TOFD圖譜特征信息．原始TOFD 圖像中的直通波、缺陷信號(hào)與底面反射波相比,灰度值梯度較大,中值模糊對(duì)有大孤立點(diǎn)的圖像非常敏感,采用高斯模糊算法,處理結(jié)果如圖4．

2.2 圖譜形態(tài)學(xué)處理及閾值分割

形態(tài)學(xué)處理采用具有一定幾何形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中對(duì)應(yīng)形狀從而識(shí)別和分析圖像特征,通過(guò)形態(tài)學(xué)處理將直通波與底面回波的特征加以強(qiáng)化[6-7]．

圖4 TOFD圖譜高斯模糊處理Fig.4 Gauss smoothing of TOFD image

設(shè)f(x,y)是輸入圖像,b(x,y)為結(jié)構(gòu)元素,運(yùn)用b(x,y)對(duì)TOFD圖像進(jìn)行膨脹、腐蝕點(diǎn)運(yùn)算,具體算法為:

(1)

(2)

圖4所示的直通波在缺陷表面開口處中斷使得直通波圖像分布不連續(xù),采用36*2的矩形核對(duì)圖像進(jìn)行膨脹處理,膨脹后直通波被重新連接(圖5a))．然后對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕處理,消除圖像中的不需要細(xì)節(jié),缺陷信號(hào)的尺寸被限制在較小的范圍,同時(shí)增強(qiáng)了直通波與底面回波特征(圖5b))．

a) 膨脹

b) 腐蝕

在圖5形態(tài)學(xué)處理基礎(chǔ)之上,選用7*7模板對(duì)上述圖像進(jìn)行自適應(yīng)閾值分割處理,采用Sobel邊緣檢測(cè)算法對(duì)分割后的圖像進(jìn)行邊緣提取,處理結(jié)果見圖6．

圖6 自適應(yīng)閾值處理Fig.6 Adaptive threshold processing

2.3 直通波搜索

經(jīng)典Hough變換計(jì)算量較大,在直通波和底面回波檢測(cè)中,并不需對(duì)TOFD圖譜中所有的點(diǎn)進(jìn)行Hough變換,本文采用改進(jìn)的概率Hough變換(PPHT)進(jìn)行直通波搜索,其參數(shù)方程為:

(3)

(4)

圖7 霍夫直線搜索的坐標(biāo)位置Fig.7 Coordinate position obtained by Hough transformation

在獲得直通波粗定位后,基于TOFD圖譜背景灰度值,在待標(biāo)定的A掃信號(hào)一定領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行峰值搜索,獲取直通波的標(biāo)定坐標(biāo)．

2.4 自動(dòng)標(biāo)定算法驗(yàn)證與誤差分析

為驗(yàn)證上述自動(dòng)標(biāo)定算法的準(zhǔn)確性和可靠性,利用TOFD系統(tǒng)對(duì)厚度20 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行16次隨機(jī)D掃實(shí)驗(yàn),并與手工標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖8．

計(jì)算機(jī)標(biāo)定值與試塊厚度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.404,試塊厚度計(jì)算機(jī)測(cè)量的平均值為19.811 mm．考慮到聲束傳輸時(shí)間、耦合劑厚度變化、檢測(cè)表面平整度、聲速變化等因素對(duì)TOFD圖譜的影響,文中采用的厚度自動(dòng)測(cè)量誤差是合理的．

圖8 TOFD圖譜自動(dòng)標(biāo)定結(jié)果Fig.8 Auto calibration results of TOFD image

3 結(jié)論

1) 提出了一種超聲TOFD圖譜自動(dòng)快速標(biāo)定算法,采用高斯模糊降噪和形態(tài)學(xué)處理得到二值化的TOFD圖譜,通過(guò)改進(jìn)的概率Hough變換和峰值搜索方法對(duì)直通波進(jìn)行精確定位,并獲得了底面回波的精確位置信息．

2) 完成了自動(dòng)標(biāo)定底層代碼的集成,利用該軟件系統(tǒng),對(duì)20 mm標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行了16次隨機(jī)D掃實(shí)驗(yàn),TOFD圖譜計(jì)算機(jī)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)差為0.404,均值為19.811 mm,試驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有很高的精度和魯棒性．

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