楊 博，范 弘

（鋼鐵研究總院，北京 100081）

無損檢測技術(shù)是保證鋼管產(chǎn)品品質(zhì)與性能、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝的重要手段。如今，我國主要無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)為保證產(chǎn)品質(zhì)量，大都配備了無損檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)同步實(shí)施的各種鋼管缺陷的檢測。在諸多無縫鋼管自動無損檢測技術(shù)中，超聲波檢測是應(yīng)用最多的一種檢測方法，特別對那些使用條件苛刻、質(zhì)量要求高的無縫鋼管，超聲波檢測更是一項(xiàng)必不可少且首選實(shí)施的無損檢測方法［1］。

在利用超聲波技術(shù)對無縫鋼管進(jìn)行探傷檢驗(yàn)時(shí)，如果鋼管（如某些熱軋鋼管、鍛軋鋼管和在役使用后鋼管）表面的粗糙度較高，則超聲波束在入射鋼管表面時(shí)會發(fā)生漫散射，從而造成較大的聲能損失和使回波伴隨大量噪聲信號，降低了超聲波探傷的靈敏度和信噪比，影響對缺陷信號的判別以及定性、定量分析［2］。由此可見，開展對表面粗糙鋼管超聲波檢測的去噪處理，改善信號質(zhì)量和提高信噪比，進(jìn)而提高鋼管超聲波檢測的準(zhǔn)確性和可靠性，具有非常重要的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)對象與試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)選取一根φ73mm×6mm 在役使用后的石油無縫鋼管作為試驗(yàn)對象。由于鋼管是經(jīng)過一段時(shí)間使用后從油井中取出，所以鋼管表面分布著一些小腐蝕坑，經(jīng)測定鋼管表面的粗糙度Ra在25～50μm的范圍。在利用超聲波對鋼管進(jìn)行檢測時(shí)，聲束入射面的粗糙度以Ra不大于6.3μm 為宜［3］，當(dāng)鋼管表面粗糙度大于此數(shù)值時(shí)，回波信號中的噪聲即會明顯顯現(xiàn)出來，而且表面粗糙度越高，超聲波檢測的信噪比越差?？梢?，選取表面粗糙度Ra不小于25μm的鋼管作為試驗(yàn)對象，可以充分體現(xiàn)鋼管惡劣表面狀態(tài)對超聲波探傷的影響。

為了考察表面粗糙度對鋼管超聲波探傷的影響及消除噪聲和提高信噪比，按照GB／T 5777—2008《無縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在上述鋼管的內(nèi)表面制作L2 級當(dāng)量人工缺陷，即25mm×0.2mm×0.3mm（長×寬×深）縱向V 型槽口，如圖1所示。

圖1 被檢鋼管及人工缺陷

1.2 試驗(yàn)裝置

基于LabVIEW 開發(fā)的虛擬超聲波檢測的降噪處理方法，首先搭建了虛擬超聲波檢測系統(tǒng)平臺。如圖2所示，它主要包括超聲波探頭、超聲波發(fā)射裝置、接收放大裝置、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)以及超聲波檢測信號分析處理系統(tǒng)軟件等。

圖2 虛擬超聲檢測系統(tǒng)構(gòu)成

試驗(yàn)采用的超聲探頭為頻率2.5MHz、直徑12mm的單晶線聚焦直探頭。探頭采用水浸耦合方式，聲束以介于第一和第二臨界角之間的角度傾斜于鋼管表面入射，通過在鋼管表面折射產(chǎn)生的橫波對管壁人工缺陷進(jìn)行檢測［4］。為了確保固定的入射角度、消除探頭移動時(shí)的振動給檢測帶來的影響，將探頭安裝在一個專用探頭架上，探頭架與被檢鋼管表面接觸并保持隨動跟蹤，如圖3所示。

圖3 超聲波探頭和探頭架

超聲波發(fā)射單元用于產(chǎn)生高頻脈沖電壓并饋電給探頭晶片使之發(fā)射超聲波聲束；信號放大接收單元用于接收回波信號并經(jīng)過放大送給數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A／D 轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)中采用RC 諧振電路產(chǎn)生高頻脈沖電壓實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射，采用DA603集成芯片組成的放大器實(shí)現(xiàn)對回波信號的接收放大。

數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對檢測信號的A／D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)存入板載高速緩存，等待計(jì)算機(jī)讀取。采用Hantek公司的8位DSO-2150數(shù)據(jù)采集卡，其最大采樣率為150MS／s、模擬帶寬60MHz、采樣深度64K。

2 虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器的軟件部分是在Windows操作系統(tǒng)下，通過LabVIEW 開發(fā)軟件自行設(shè)計(jì)的虛擬超聲檢測信號處理平臺。通過該軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡的控制，并利用USB總線讀取數(shù)據(jù)采集卡高速緩存中的數(shù)據(jù)，以及完成對超聲檢測信號的分析處理工作。

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動

基于LabVIEW 開發(fā)的虛擬超聲檢測信號處理平臺需要調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序，才能通過USB串口總線實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡的控制和數(shù)據(jù)的讀?。?］。然而LabVIEW 不能直接調(diào)用DSO -2150數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序，需在VC＋＋6.0編程環(huán)境下將驅(qū)動程序改寫為動態(tài)鏈接庫。動態(tài)鏈接庫提供導(dǎo)出函數(shù)，再在LabVIEW 開發(fā)平臺下調(diào)用動態(tài)鏈接庫，使用其導(dǎo)出函數(shù)來實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動程序的鏈接，從而訪問數(shù)據(jù)采集卡上的I／O 端口和板載緩存，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡的控制和數(shù)據(jù)的讀取。

2.2 虛擬超聲檢測信號處理平臺的設(shè)計(jì)

虛擬超聲檢測信號處理平臺包含的主要功能有：數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置、信號的頻譜分析和FIR濾波、信號的時(shí)頻分析和小波去噪。數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置主要用來設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的工作狀態(tài)、采樣延遲和觸發(fā)方式等參數(shù)；信號的頻譜分析和FIR濾波實(shí)現(xiàn)對表面粗糙鋼管超聲波檢測信號的快速傅里葉變換（FFT）和FIR 濾波處理，通過FFT 把時(shí)域信號變換到頻域，在頻域內(nèi)對信號進(jìn)行分析，并根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)FIR 帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波處理。信號的時(shí)頻分析和小波去噪主要通過對表面粗糙鋼管的超聲檢測信號做小波變換，得到小波變換的時(shí)頻圖，再采用軟閾值法對表面粗糙鋼管的超聲檢測信號進(jìn)行去噪處理。虛擬超聲檢測信號處理平臺顯示與控制界面如圖4所示。

圖4 虛擬超聲檢測信號處理平臺顯示與控制界面

3 表面粗糙鋼管超聲波檢測信號處理

利用上述自行搭建的虛擬超聲檢測信號處理系統(tǒng)完成對表面粗糙鋼管的超聲波探傷的信號分析和處理。圖5為由1.1節(jié)所述石油鋼管獲得的超聲波檢測射頻信號，圖6為對這一射頻信號做FFT變換后的頻譜信號。從圖6可以看出，信號的頻率成分主要集中在探頭的中心頻率2.5MHz左右，但除了2.5 MHz頻率外，還存在有大量其他頻率成份，這些頻率成份中有來自探頭自身產(chǎn)生的低頻干擾信號，但大多是因?yàn)殇摴鼙砻娲植趯?dǎo)致在檢測信號中混入了不同的高頻噪聲。

圖5 表面粗糙鋼管的超聲檢測射頻信號

圖6 表面粗糙鋼管的超聲檢測頻譜信號

根據(jù)上述頻譜分析，利用FIR 加窗帶通濾波器對表面粗糙鋼管的超聲波檢測信號進(jìn)行濾波處理。試驗(yàn)中，選用主瓣寬度最小的矩形窗FIR 帶通濾波器，并將濾波器的中心頻率設(shè)為2.5 MHz，低截止頻率設(shè)為2.0 MHz，高截止頻率設(shè)為3.0MHz。圖7（a）為 經(jīng)濾波后的時(shí)域信號，圖7（b）為濾波后的頻域信號。由時(shí)域信號可以看出，經(jīng)過FIR 矩形窗帶通濾波器的濾波處理后，信號的衰減很大，而且仍然存在微弱的噪聲信號，這是因?yàn)閷τ诜瞧椒€(wěn)信號而言，傅里葉變換無法區(qū)分有用信號和噪聲信號的頻率疊加成分，所以在濾波時(shí)把部分有用信號也濾除掉了，從而導(dǎo)致信號的衰減失真。

圖7 FIR 濾波后的超聲檢測信號

對表面粗糙鋼管的超聲波檢測信號做小波變換。小波變換是將時(shí)域信號f（t）變換為時(shí)間頻率譜。要實(shí)現(xiàn)小波變換，首先應(yīng)將時(shí)域信號變換到成時(shí)間尺度平面上，再將尺度值變換為頻率值，然后以頻率值為縱坐標(biāo)、采樣序列為橫坐標(biāo)作圖即可得到小波變換的時(shí)間頻率譜。尺度a與頻率ν的關(guān)系為：

式中：νf（t）為信號f（t）的頻率；νψ（t）為小波 母函數(shù)ψ（t）的頻率。

在對表面粗糙鋼管的超聲波檢測信號進(jìn)行時(shí)頻分析時(shí)，為了節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存、縮短信號處理時(shí)間，小波母函數(shù)選擇最簡單的Haar小波函數(shù)。利用Haar小波函數(shù)對檢測信號做連續(xù)小波變換，小波變換的尺度個數(shù)設(shè)置為128，時(shí)間步長設(shè)置為－1，通過公式（1）得到小波變換的時(shí)頻圖，如圖8所示。在時(shí)頻圖中，時(shí)域內(nèi)某一時(shí)刻信號所對應(yīng)的頻率成分被很清楚地顯示出來，顏色深度決定于信號的幅值大小。在圖8中，鋼管超聲波檢測的始脈沖和界面波的幅值大，其時(shí)頻圖的顏色較深，人工缺陷（縱向V 型槽口）的信號次之，表面腐蝕坑的幅值較小，顏色較淺。從圖8可以明顯觀察到，時(shí)頻圖的背景很“不干凈”，這是由于鋼管表面腐蝕坑和其他干擾引起的噪聲所致。

圖8 超聲檢測信號小波變換時(shí)頻圖

根據(jù)上述時(shí)頻分析，利用小波變換對表面粗糙鋼管的超聲波檢測信號進(jìn)行去噪處理。試驗(yàn)中，選擇對稱性好、適于信號多分辨分解的Sym8小波函數(shù)，并將多分辨分解層數(shù)設(shè)為6層。去噪處理選用軟閾值去噪法，采用極大值極小值（Minimax）原理來估計(jì)閾值，并對每一層小波變換系數(shù)中噪聲信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差均進(jìn)行評估。圖9（a）所示為小波去噪后的時(shí)域信號，圖9（b）為去噪后信號的時(shí)頻圖。將圖9（b）與圖8作對比可以看出，經(jīng)過小波去噪后的時(shí)頻圖背景變得非常“干凈”，說明檢測信號中的噪聲被基本濾除干凈，而且將圖9（a）與圖5作對比可以看出，經(jīng)過小波去噪后，有用信號保留得非常完整，衰減很小。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖9 小波去噪后的超聲檢測信號

表1 表面粗糙鋼管超聲檢測信號處理前后的對比

針對表面粗糙鋼管的超聲波檢測噪聲高、信噪比低的問題，利用自行搭建的虛擬超聲檢測信號處理系統(tǒng)，對檢測信號分別進(jìn)行基于傳統(tǒng)傅里葉變換的FIR加窗帶通濾波和基于小波變換的軟閾值法去噪。處理前后，人工缺陷（縱向V 型槽口）的超聲波檢測信噪比（SNR）及均方根誤差（RMSE）如表1所示。由表中可以明顯看出，在利用超聲探傷技術(shù)對表面狀況達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的鋼管進(jìn)行檢測時(shí)，如果不進(jìn)行任何降噪處理，由于檢測信噪比較低，很難實(shí)現(xiàn)缺陷的可靠檢出（工業(yè)探傷的信噪比一般應(yīng)達(dá)到6～8dB以上）；而通過對檢測信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波或去噪處理后，檢測信噪比得到了明顯的改善。但是傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的FIR濾波技術(shù)，在消除噪聲的同時(shí)會把大量的有用信號也濾除掉，導(dǎo)致波形的失真；而基于小波變換的信號去噪處理，幾乎不會造成有用信號的損失，而且可以有效保持缺陷信號的特征形貌，達(dá)到更為理想的效果。

［1］李光海，沈功田，李鶴年.工業(yè)管道無損檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2006，28（2）：89－93.

［2］劉貴民，張昭光.超聲檢測中表面粗糙度引起的聲衰減補(bǔ)償［J］.無損檢測，2007，9（4）：206－207.

［3］JB／T 4730—2005.承壓設(shè)備無損檢測（JB／T 4730.3《超聲檢測》）［S］.

［4］聶向暉，譚依，王秀梅.小口徑無縫鋼管超聲波探傷［J］.無損探傷，2002（4）：17－18.

［5］陳敏，湯曉安.LabVIEW 的虛擬儀器數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國測試技術(shù)，2004，30（5）：52－54.