超聲C掃描成像自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

于 波,段 劍,王浩全

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

超聲成像無(wú)損檢測(cè)是自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理等多種技術(shù)相融合的典型應(yīng)用。它利用傳感器技術(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)控制檢測(cè)設(shè)備,進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),最后利用軟件實(shí)現(xiàn)缺陷圖像的實(shí)時(shí)顯示與處理[1]。是實(shí)現(xiàn)缺陷定位、定量和定性,以及無(wú)損評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)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(cè)試樣的橫斷面狀況。C掃描可以通過(guò)數(shù)控掃描系統(tǒng),運(yùn)用插補(bǔ)原理實(shí)現(xiàn)各種軌跡的掃描。在自動(dòng)檢測(cè)中,通常采用水浸聚焦探頭進(jìn)行水浸掃描。C掃描在新型復(fù)合材料、電器開(kāi)關(guān)觸頭和集成電路等檢測(cè)中顯示出了一定的優(yōu)越性[1-2]。

在C掃描檢測(cè)中,需要在記錄某一點(diǎn)缺陷有無(wú)的同時(shí)記錄這一點(diǎn)的坐標(biāo)。進(jìn)行檢測(cè)時(shí),換能器在步進(jìn)電機(jī)或人工帶動(dòng)下進(jìn)行迂回運(yùn)動(dòng),每行進(jìn)一步,發(fā)射/接收超聲信號(hào)一次。電脈沖激勵(lì)的超聲脈沖通過(guò)耦合劑進(jìn)入試件,如試件中無(wú)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(cè)面,按照反射原理,超聲脈沖被底面反射而返回?fù)Q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(jì)算機(jī)。將每一點(diǎn)所提取到的超聲回波信號(hào)特征量以彩色或灰度的形式表現(xiàn)出來(lái),于是便得到C掃描圖像[3-4]。

2 成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由主機(jī)部分、組合探頭裝置、機(jī)械裝置、從機(jī)部分、超聲波發(fā)射接收電路和信號(hào)采集等部分組成(圖1)。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

下位機(jī)通過(guò)程序控制步進(jìn)電機(jī)、超聲發(fā)射/接收電路,按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方式對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行超聲掃描。超聲回波信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)制電路處理,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集輸入上位機(jī)(計(jì)算機(jī)),對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。檢測(cè)完成后,顯示檢測(cè)結(jié)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(lì)電路所組成。DC-DC電源模塊用來(lái)完成10～400V的轉(zhuǎn)換,窄脈沖發(fā)生電路的任務(wù)是將下位機(jī)發(fā)送來(lái)的觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換成窄脈沖信號(hào),此窄脈沖信號(hào)由激勵(lì)電路激勵(lì)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(lái)激勵(lì)壓電晶片。利用場(chǎng)效應(yīng)管或可控硅的導(dǎo)通與截止時(shí),電源電壓通過(guò)電阻向電容充電、放電,產(chǎn)生一短脈沖,激勵(lì)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(duì)信號(hào)的處理和顯示,主要包括放大器、帶通濾波器等,起關(guān)鍵作用的部分是放大器。

筆者采用Γ型網(wǎng)絡(luò)和Π型網(wǎng)絡(luò)混合使用的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減的調(diào)節(jié)。衰減調(diào)節(jié)分為粗、中、細(xì)三級(jí)衰減,粗調(diào)每檔為20dB,中調(diào)每檔為2dB,細(xì)調(diào)每檔為0.5dB。這樣可以充分調(diào)整回波信號(hào)的大小,便于進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

4 下位機(jī)部分

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

在探頭拖動(dòng)裝置中含有A,B兩個(gè)電機(jī),分別控制探頭的橫縱向移動(dòng)。在單片機(jī)的控制下,探頭以蛇形的方式行進(jìn),每行進(jìn)一下,觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)射超聲。當(dāng)探頭盒行進(jìn)到一定范圍時(shí),光電傳感器會(huì)向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào),B電機(jī)行進(jìn)一步后,A電機(jī)開(kāi)始反向行進(jìn)。

步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)采用三相六拍通電方式。步進(jìn)電機(jī)所要走的步數(shù)存在R4中,轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F0(D5H)。當(dāng)F0=0時(shí),步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)F0=1時(shí),步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

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

5 上位機(jī)部分

主機(jī)采用高檔工業(yè)控制計(jì)算機(jī),可以完成人機(jī)交互、串行通信、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、結(jié)果顯示以及打印功能。

在軟件的設(shè)計(jì)中,為了增強(qiáng)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(jī)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(cè)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示和歷史記錄查詢等。整個(gè)界面簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用、美觀。

由于全波信號(hào)比檢波信號(hào)包含有更豐富的材料結(jié)構(gòu)信息,為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)特征量質(zhì)量的提高和特征空間維數(shù)的降低,對(duì)檢測(cè)信號(hào)的全波進(jìn)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(duì)檢測(cè)信號(hào)的無(wú)失真采集。

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

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

在超聲檢測(cè)過(guò)程中,判別疵病的主要信息源是回波信號(hào),回波信號(hào)攜帶了疵病的特征信息。針對(duì)材料中含有不同性質(zhì)、不同尺寸缺陷的情況,可以選用時(shí)域信號(hào)的均值、峰值、方差、上升時(shí)間、下降時(shí)間和能量等進(jìn)行考察。試驗(yàn)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(hào),在能量、峰值和波形持續(xù)時(shí)間(上升時(shí)間與下降時(shí)間之和)上有所變化,但有時(shí)并不明顯。通過(guò)Fourier變換將信號(hào)映射到頻域內(nèi)來(lái)提取特征量,經(jīng)過(guò)對(duì)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(jìn)行成像缺陷判別[4]。

主要功能有測(cè)量參數(shù)設(shè)置、傳感器擬合標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集讀取及保存,報(bào)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(yàn)的最終結(jié)果。它將試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)和打印機(jī)等設(shè)備呈現(xiàn)出來(lái),更利于試驗(yàn)者對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出判斷。此部分要實(shí)現(xiàn)的功能有：報(bào)表顯示檢測(cè)數(shù)據(jù);自動(dòng)建立檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù);提供對(duì)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的搜索、查詢和統(tǒng)計(jì)等功能;報(bào)表、曲線的打印功能。

數(shù)據(jù)分析處理軟件的參數(shù)設(shè)置包括測(cè)量人員、時(shí)間日期、路段區(qū)域和磨耗超限值,設(shè)置完畢后開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)采集,采集回來(lái)的數(shù)據(jù)應(yīng)該是在0～5V之間,若不在0～5V之間的數(shù)據(jù)就應(yīng)該剔除不用,顯示磨損量的數(shù)值。讀取結(jié)束后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù),可顯示打印本次測(cè)量的結(jié)果報(bào)表,可查詢這段鋼軌的檢測(cè)、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(dāng)或外界干擾,或儀器的臨時(shí)故障等原因,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù),即所謂異點(diǎn)。異點(diǎn)的存在會(huì)影響分析結(jié)果,必須加以剔除。

在軟件的設(shè)計(jì)中,為了增強(qiáng)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(jī)界面。利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)此系統(tǒng),不僅可以很方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)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(gè)性化等特點(diǎn);其模塊化的設(shè)計(jì),大大方便了程序的修改和維護(hù)[4]。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)樣品為布纖復(fù)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(cè)方式采用脈沖式反射法;采用點(diǎn)聚焦探頭(2.5MHz),其焦距為20mm 焦點(diǎn)直徑1mm,焦柱長(zhǎng)度3mm。圖2為采用自行研制的C掃描成像系統(tǒng)對(duì)玻纖材料檢測(cè)得到的結(jié)果。圖中左邊為缺陷處,所得圖形與實(shí)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(jié)論

通過(guò)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(shù)具有較小的缺陷檢測(cè)能力,不僅能夠在厚度較薄的材料中檢測(cè)出直徑為φ1mm的氣孔,而且對(duì)夾渣也能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)。

[1]西拉德 J,主編.超聲檢測(cè)新技術(shù)[M].陳積懋,余南廷,譯.北京：科學(xué)出版社,1991：471.

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

[3]劉松平,郭恩明,張謙琳,等.復(fù)合材料深度方向C掃描檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2001,23(1)：13-15.

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