徐菲菲，柏松，袁志剛

（1.中國科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽 1 1 0 1 6 8；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 1 1 0 0 4 3）

一種新型數(shù)字水浸超聲探傷系統(tǒng)的研制

徐菲菲1，柏松2，袁志剛2

（1.中國科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽 1 1 0 1 6 8；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 1 1 0 0 4 3）

本文介紹了一種新型數(shù)字水浸超聲探傷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)工藝。該系統(tǒng)采用A型脈沖反射式結(jié)構(gòu)，利用可編程A S I C技術(shù)實(shí)現(xiàn)超聲數(shù)字信號(hào)處理，基于P C和F P G A平臺(tái)研制一種新型模塊化的超聲探傷系統(tǒng)，成功應(yīng)用于航空復(fù)合材料餅盤件的缺陷檢測(cè)，并取得良好的應(yīng)用效果。

水浸超聲探傷系統(tǒng)；A型脈沖反射式；A S I C；F P G A

無損檢測(cè)被認(rèn)為是現(xiàn)代工業(yè)的重要支柱，而超聲波探傷技術(shù)是無損檢測(cè)重要手段之一，它是提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品性能的必要手段。由于超聲波探傷是利用材料本身或內(nèi)部缺陷對(duì)超聲波傳播所表現(xiàn)出來的聲學(xué)性質(zhì)不同，從而非破壞性的檢測(cè)被測(cè)工件內(nèi)部以及表面的缺陷情況，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、國防、電力等各個(gè)領(lǐng)域。

水浸超聲檢測(cè)技術(shù)是將超聲探頭和被測(cè)工件全部浸入水中，水作為超聲波傳播的耦合介質(zhì)，超聲波通過水媒介傳遞到被檢測(cè)工件進(jìn)行工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)的技術(shù)。由于水的介質(zhì)特性，只有超聲縱波能夠在水介質(zhì)中進(jìn)行傳播，但是隨著超聲波聲束相對(duì)于被檢測(cè)工件表面可以以不同的入射角入射，因此試塊中仍然可以產(chǎn)生出縱波、橫波、表面波、蘭姆波等波形，從而實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)的超聲檢測(cè)。近年來微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為超聲探傷技術(shù)提供了巨大的發(fā)展動(dòng)力。早期的水浸超聲探傷系統(tǒng)已不能適應(yīng)探傷技術(shù)發(fā)展的需要，一些關(guān)鍵性的性能指標(biāo)已滿足不了實(shí)際探傷的需求。當(dāng)代超聲檢測(cè)技術(shù)不僅要實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)的高準(zhǔn)確率和高可靠性，而且還要融合現(xiàn)代信息處理技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)的數(shù)字化、圖像化、實(shí)時(shí)化、智能化。因此，為提高國產(chǎn)水浸超聲探傷系統(tǒng)的水平，本文研制出一種新型數(shù)字水浸超聲探傷系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)探傷儀中信號(hào)采樣與壓縮等功能設(shè)計(jì)成專用硬件模塊，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。并使用小波變換算法對(duì)采集的超聲回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)缺陷的定量分析。

1 新型水浸超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 超聲波探傷的基本原理

超聲波具有束射性，在一定介質(zhì)中傳播時(shí)具有保持速度不變的特性，在不同介質(zhì)的界面?zhèn)鬟f時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射、折射等現(xiàn)象。超聲波探傷技術(shù)就是利用這種超聲波束的這種性質(zhì)來判斷被檢工件內(nèi)部是否存在缺陷、異物以及其缺陷、異物的位置和大小等。

超聲波的發(fā)射和接受過程實(shí)際上就是能量轉(zhuǎn)換的過程。由于超聲波本質(zhì)上就是一種高頻率聲波，它可以通過在具有壓電特性或磁滯伸縮效應(yīng)的材料上施加高頻率可變電壓便可實(shí)現(xiàn)。即在壓電晶片兩面的電極上施加高頻交流電壓，壓電晶片就會(huì)隨著電壓的方向和大小、在厚度方向產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象。利用壓電晶片的這一特性，把伸縮振動(dòng)加載被檢測(cè)工件上，工件材料質(zhì)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。超聲波的接收過程，則是與超聲波發(fā)射相反的過程，當(dāng)超聲波回波傳回到被檢材料表面時(shí)帶動(dòng)表面產(chǎn)生振動(dòng)，反過來促使壓電晶片隨之發(fā)生伸縮動(dòng)作，因而在壓電晶片的電極間產(chǎn)生會(huì)微小的電壓信號(hào)。對(duì)此小電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大及濾波處理，就可在顯示器上進(jìn)行超聲波回?fù)艿挠^察和測(cè)定。

1.2 新型水浸超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該新型水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)由工控機(jī)、超聲發(fā)射接收模塊、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、探頭、水箱等組成。超聲發(fā)射接收模塊是進(jìn)行超聲檢測(cè)的核心部件，而探頭是探傷系統(tǒng)的外部接口。超聲發(fā)射接收模塊主要作用是激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭接收的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行采集及小信號(hào)處理，將被測(cè)工件內(nèi)部缺陷情況通過工控機(jī)以圖形方式顯示出來，從而觀測(cè)被探工件內(nèi)部有無缺陷，以及缺陷位置和缺陷大小等信息，以此來評(píng)價(jià)被檢測(cè)工件的質(zhì)量情況。探頭安裝在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，可自動(dòng)執(zhí)行工控機(jī)存儲(chǔ)的探傷掃描程序。被探工件放置在水箱工作臺(tái)上和探頭通過水耦合進(jìn)行缺陷檢測(cè)（圖1）。

圖1 數(shù)字化水浸超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 超聲波發(fā)射接收模塊

超聲發(fā)射接收模塊以模擬式超聲探傷儀為基礎(chǔ)，基本功能主要包括超聲波的發(fā)射、接受，和對(duì)接收到的超聲回波信號(hào)進(jìn)行采樣、壓縮、去噪等處理，采用DS P技術(shù)對(duì)界面回波和由缺陷引起的回波進(jìn)行信號(hào)處理等。此外還具有閘門控制、濾波器、計(jì)算機(jī)接口等功能。模塊基本電路構(gòu)成如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射接收模塊電路原理圖

3 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)餅盤件的實(shí)際情況,研制了一套水浸超聲探傷系統(tǒng)的自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)了機(jī)械傳動(dòng)與探頭A B雙擺頭支架等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了檢測(cè)過程自動(dòng)控制裝置，該機(jī)構(gòu)帶動(dòng)探頭運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷掃描過程。A B雙擺頭支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

4 超聲探傷系統(tǒng)軟件

超聲探傷系統(tǒng)軟件從功能上可分為兩大模塊：超聲信號(hào)處理模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊，如圖4所示。超聲信號(hào)處理模塊包含超聲發(fā)射參數(shù)設(shè)定、閘門校準(zhǔn)、超聲回波信號(hào)采集、小波去噪、波形顯示、缺陷定位、T C G校準(zhǔn)等主要功能模塊；運(yùn)動(dòng)控制模塊主要包含掃描路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定、運(yùn)動(dòng)安全性監(jiān)測(cè)、手動(dòng)/自動(dòng)控制等主要功能。

圖3 A B雙擺頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 超聲探傷系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

本文以研究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種新型數(shù)字水浸超聲探傷系統(tǒng)為主要內(nèi)容，分析了超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理；為提高回波信號(hào)處理速度，設(shè)計(jì)專用硬件電路進(jìn)行信號(hào)處理；通過設(shè)計(jì)A B雙擺頭結(jié)構(gòu)對(duì)被檢測(cè)件實(shí)現(xiàn)更好的掃描路徑規(guī)劃；此外，專用的超聲探傷系統(tǒng)軟件能更便捷的進(jìn)行掃描操作及缺陷定位，界面直觀且易于操作。根據(jù)掃描圖像，操作人員可以對(duì)被檢測(cè)件的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，為餅盤件內(nèi)部質(zhì)量提供有力依據(jù)。

[1沈功田，張萬嶺，壓力容器無損檢測(cè)技術(shù)綜述[J].無損檢測(cè)，2 0 0 4,2 6(1):3 7~4 1.

[2]史亦韋，超聲檢測(cè)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2 0 0 5(8):1.

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A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 1（上）-0 0 8 1-0 3

沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目。

項(xiàng)目編號(hào)：F 1 5-0 0 8-2-0 0