方震東，范孟豹，曹丙花，張振林

(1.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院，江蘇徐州 221116)

0 引言

超聲檢測是無損檢測領(lǐng)域中使用較為廣泛的一種檢測方法，具有操作簡便、檢測簡單等優(yōu)點。常規(guī)超聲檢測無法獲取較為直觀的檢測結(jié)果。對于厚度小、高衰減材料工件的檢測，相控陣超聲檢測雖然有較好的檢測效果，但由于超聲波在工件中傳播的復(fù)雜性造成相控陣檢測系統(tǒng)組成復(fù)雜、成本費用高等因素導致其應(yīng)用受限。超聲成像自動檢測技術(shù)能夠動態(tài)地控制超聲探頭的移動和信號的采集與保存，提高了檢測效率，廣泛應(yīng)用于航空航天[1]、鐵路交通[2]及石油[3]等領(lǐng)域。楊博等[4]開發(fā)了基于虛擬儀器的鋼管在線自動超聲檢測系統(tǒng)，但未實現(xiàn)鋼管在線自動超聲檢測圖像化結(jié)果。

本文在常規(guī)超聲檢測的基礎(chǔ)上，研制了超聲成像自動檢測系統(tǒng)，能實現(xiàn)自動化掃查和實時成像。介紹了系統(tǒng)軟、硬件平臺搭建及功能實現(xiàn)，設(shè)置動態(tài)閘門對缺陷波和底波位置進行提取；用小波閾值去噪方法對超聲信號進行處理；采用缺陷波幅值成像和底波幅值成像方式對碳纖維復(fù)合材料試件內(nèi)部進行缺陷檢測成像并比較成像效果。在 -6 dB法缺陷定量分析的基礎(chǔ)上，研究成像矩陣進行雙線性插值法對缺陷定量誤差的影響。

1 基本原理及構(gòu)成

1.1 超聲成像原理

在超聲成像檢測系統(tǒng)中，控制超聲探頭在工件上移動掃查，采集并保存每個點的超聲A掃描信號，通過提取相應(yīng)的信號特征值以彩色圖像顯示[5]。

1.2 系統(tǒng)整體構(gòu)成

超聲成像自動檢測軟硬件系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖2所示。對于特定檢測試件和超聲探頭，根據(jù)檢測試件對超聲發(fā)射/接收儀進行參數(shù)設(shè)置，檢測軟件控制驅(qū)動掃查器在工件表面進行掃查和示波器對信號數(shù)據(jù)的采集及保存，通過數(shù)據(jù)處理軟件對回波A進行數(shù)據(jù)處理、閘門運算、成像計算等進行控制。掃查完成后，可進行信號提取、信號分析及實時成像并保存成像文件。

圖1 檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件組成

超聲成像自動檢測系統(tǒng)的主要硬件組成及主要連接關(guān)系如圖3所示，包括超聲波發(fā)射/接收儀、示波器、運動控制卡、三軸移動平臺、計算機及換能器夾具等。

圖2 硬件系統(tǒng)主要組成框圖

2.1 超聲波發(fā)射/接收儀

本系統(tǒng)采用5072PR超聲波發(fā)射/接收儀，負脈沖，脈沖電壓為 -360 V，最大帶寬為1 kHz～35 MHz。通過內(nèi)部不斷有電壓觸發(fā)信號觸發(fā)產(chǎn)生尖脈沖激勵信號，激勵信號激勵超聲換能器內(nèi)的壓電晶片，壓電晶片振動產(chǎn)生超聲波傳輸?shù)皆嚰?nèi)部并接收從試件內(nèi)部反射的回波。

2.2 示波器

本系統(tǒng)采用4104A示波器進行超聲信號數(shù)據(jù)的采集，示波器帶寬為1 GHz，4個模擬通道，最大采樣率5 GSa/s，波形更新速率達到106個波形/s，提供實時波形顯示。超聲探頭每移動掃查步距后，示波器采集脈沖發(fā)生/接收儀所接收到的超聲回波信號，并采集到當前掃查點的A信號，再通過上位機程序控制示波器將采集的回波信號數(shù)據(jù)依次保存到計算機中。

2.3 掃查架

為了滿足超聲自動化檢測的需求，研制了一套計算機控制的三軸移動掃描架。通過上位機程序控制MPC08運動控制卡，可以對三軸步進電機進行控制；運動控制卡具有梯形升降速曲線，最高輸出頻率可達4 MHz，保持系統(tǒng)以較高檢測效率進行掃查。通過控制MPC08運動控制卡控制電機驅(qū)動，電機驅(qū)動三維平臺運動，從而帶動與之連接的超聲探頭在試件表面進行掃查。

2.4 超聲探頭

實驗中超聲探頭采用雙晶直探頭，頻率為5 MHz，直徑為14 mm，聚集距離為8 mm。

3 系統(tǒng)軟件及功能實現(xiàn)

檢測系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)分析軟件采用LabVIEW和MATLAB，以Windows XP或Win7作為軟件系統(tǒng)操作平臺。

3.1 檢測軟件系統(tǒng)

用戶在實驗時可按照需求選擇或設(shè)置檢測掃查參數(shù)，包括示波器VISA資源名稱、信號數(shù)據(jù)采樣率等；掃查步距、掃查速度、掃查行數(shù)和每行的掃查次數(shù)；提取缺陷波閘門的起點及寬度、底波閘門的起點及寬度等。在檢測過程中，實時顯示掃查點的A型信號波形，圖3為軟件系統(tǒng)的設(shè)置顯示界面。

圖3 軟件系統(tǒng)的設(shè)置顯示界面

3.2 動態(tài)閘門設(shè)置

檢測過程中，因金屬超聲探頭夾具發(fā)生振動或放置被測試件的工作平面的不平整，都會導致超聲探頭與試件表面的高度發(fā)生改變，從而導致被檢試件的表面回波、缺陷回波和底面回波出現(xiàn)時間會發(fā)生在時間軸上正負方向的移動，從而導致截取閘門信號出現(xiàn)較大誤差。

為了提高成像檢測精度，通過設(shè)置一個動態(tài)浮動的電子閘門來減小信號特征提取誤差。首先通過捕捉到回波信號中的表面回波波峰的位置，計算波峰出現(xiàn)時間與回波信號在水平方向起點的時間差，以此時間差對回波信號進行平移，同時，在回波信號中設(shè)置一個延時和寬度固定的信號閘門來完成回波信號的截取和信號特征的提取。

3.3 超聲信號去噪

超聲波在被檢測對象中傳播時，會受到材料結(jié)構(gòu)對超聲波的散射和衍射而引起的聲學噪聲和電子電路噪聲的干擾，這些噪聲會干擾A信號中的缺陷信號的信息。通過對信號和噪聲在小波變換不同分解尺度上的表現(xiàn)特征，選擇合適的閾值對分解后的小波系數(shù)進行處理，再進行信號重構(gòu)，得到去噪后的信號[6-7]。

本系統(tǒng)中采用sym8作為小波基，分解層數(shù)為5，選取軟閾值，而閾值函數(shù)選擇“rigrsure”，一種基于Stein的無偏似然估計原理的自適應(yīng)閾值選擇。對超聲信號進行去噪，去噪效果如圖4所示。從圖4可以看出，在去除噪聲的同時還保留了超聲回波信號的有用部分，達到良好的去噪效果。

(a)原始信號

(b)去噪后的信號

3.4 幅值成像

將采集的超聲A掃描信號進行處理，通過設(shè)置閘門獲得缺陷波和底波信號，提取出每個檢測閘門位置的信號峰值，按幅值大小賦予不同的顏色,得到幅值特征的彩色圖。

4 實驗

碳纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)和服役過程中不可避免地會產(chǎn)生分層缺陷，而分層降低了材料的壓縮強度和剛度，影響材料結(jié)構(gòu)的完整性[8]。超聲成像自動檢測系統(tǒng)可通過實時成像對其內(nèi)部的缺陷進行可視化的檢測?，F(xiàn)設(shè)計制造一塊100 mm×100 mm×4 mm的碳纖維復(fù)合材料層壓板(鋪制20層，每層厚度約為0.2 mm)，在深度為2 mm、3.8 mm處分別預(yù)埋了Φ10 mm孔缺陷，如圖5所示。

采用雙晶探頭進行檢測，掃查步進為0.5 mm，20 mm×20 mm的掃查區(qū)域，對中間層的孔缺陷進行掃查。圖6為碳纖維復(fù)合材料試樣中中間層孔缺陷的超聲A型信號。缺陷波幅值成像結(jié)果如圖7所示，底波幅值成像結(jié)果如圖8所示。

圖6 缺陷位置的A掃信號

圖7 缺陷波幅值成像

圖8 底波幅值成像

從圖7、圖8可以看出，利用缺陷波幅值成像，形狀和位置有更好的分辨率，而底波幅值成像中出現(xiàn)面積較大的干擾信號。這是由于超聲雙晶探頭的聚焦距離固定不變，碳纖維復(fù)合材料試樣內(nèi)部信號衰減較大，導致出現(xiàn)干擾信號而產(chǎn)生“偽像”。

5 缺陷定量

在 -6 dB定量方法的基礎(chǔ)上[9]，與超聲成像檢測結(jié)合定量分析缺陷，并通過對特征成像矩陣進行雙線性插值運算，對碳纖維復(fù)合材料中預(yù)埋在中層和底層的孔缺陷分別進行超聲成像缺陷定量分析，并進行對比。結(jié)合應(yīng)用超聲成像與 -6 dB法，通過計算缺陷成像面積得到孔缺陷的直徑。

雙線性插值法是通過選取插值點周圍4個鄰點的像素點進行加權(quán)作為其像素點，其算法簡單易于實現(xiàn)，能夠保持圖像較好的邊緣特征[10]。其原理是利用中心點(x,y)周圍4個鄰點的像素值g1(x1,y1)、g2(x1,y2)、g3(x2,y1)和g4(x2,y2)，分別在x,y方向作線性內(nèi)插確定像素值g(x,y)。

通過對成像矩陣數(shù)據(jù)應(yīng)用超聲成像檢測與 -6 dB法，再進行雙線性插值法對成像矩陣數(shù)據(jù)進行插值處理，得到插值處理后的缺陷成像圖。如圖9、圖10所示?？兹毕葜睆蕉拷Y(jié)果如表1所示。

(a)-6 dB法成像 (b)-6 dB法成像插值處理圖9 中層孔缺陷成像圖

(a)-6 dB法成像 (b)-6 dB法成像插值處理圖10 底層孔缺陷成像圖

缺陷位置深度-6 dB法雙線性插值法面積/mm2誤差/%直徑/mm誤差/%面積/mm2誤差/%直徑/mm誤差/%中層(10 mm)65.4316.699.138.6970.999.619.514.90底層(10 mm)68.6312.619.356.5073.1026.929.653.49

在圖9、圖10中，-6 dB法成像檢測圖像邊緣有較嚴重的鋸齒，給缺陷定量分析帶來較大誤差?；?6 dB法、雙線性插值法結(jié)合處理過的檢測圖像，檢測圖像分辨率得到提高，缺陷邊緣更清晰，能夠判斷缺陷的特征信息。

從表2可以看出，與 -6 dB法相比，經(jīng)過對 -6 dB法成像矩陣進行雙線性插值成像后，中層孔缺陷面積定量誤差由16.69% 降低到9.61%，直徑定量誤差由8.69%降低到4.90%；底層孔缺陷面積定量誤差由12.61%降低到6.92%，直徑定量誤差由6.5%降低到3.49%。通過對 -6 dB法成像矩陣進行雙線性插值法后進行成像缺陷定量分析，在像素點變化緩慢區(qū)域進行插值處理，使檢測圖像分辨率得到提高，缺陷邊緣更清晰，也降低了缺陷定量誤差。

6 結(jié)論

(1)在常規(guī)超聲檢測的基礎(chǔ)上研制了一套超聲成像自動檢測系統(tǒng)，提升了超聲檢測效率。

(2)針對在掃查時超聲探頭與試件表面的高度發(fā)生改變導致成像結(jié)果產(chǎn)生偏差，設(shè)置動態(tài)浮動的電子閘門以提高成像檢測精度；用小波變換的方法對超聲信號進行去噪處理，同時保留了回波信號的有用部分。

(3)在缺陷定量研究中，在 -6 dB法缺陷定量分析基礎(chǔ)上，對成像矩陣數(shù)據(jù)運用雙線性插值法進行處理，提高了檢測圖像分辨率，同時也降低缺陷定量誤差。