鋼管虛擬超聲檢測(cè)信號(hào)處理技術(shù)

楊 博，范 弘

（鋼鐵研究總院，北京 100081）

無(wú)損檢測(cè)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(guó)主要無(wú)縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)為保證產(chǎn)品質(zhì)量，大都配備了無(wú)損檢測(cè)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(cè)。在諸多無(wú)縫鋼管自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，超聲波檢測(cè)是應(yīng)用最多的一種檢測(cè)方法，特別對(duì)那些使用條件苛刻、質(zhì)量要求高的無(wú)縫鋼管，超聲波檢測(cè)更是一項(xiàng)必不可少且首選實(shí)施的無(wú)損檢測(cè)方法［1］。

在利用超聲波技術(shù)對(duì)無(wú)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(huì)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(hào)，降低了超聲波探傷的靈敏度和信噪比，影響對(duì)缺陷信號(hào)的判別以及定性、定量分析［2］。由此可見，開展對(duì)表面粗糙鋼管超聲波檢測(cè)的去噪處理，改善信號(hào)質(zhì)量和提高信噪比，進(jìn)而提高鋼管超聲波檢測(cè)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(duì)象與試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)選取一根φ73mm×6mm 在役使用后的石油無(wú)縫鋼管作為試驗(yàn)對(duì)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(cè)定鋼管表面的粗糙度Ra在25～50μm的范圍。在利用超聲波對(duì)鋼管進(jìn)行檢測(cè)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(hào)中的噪聲即會(huì)明顯顯現(xiàn)出來，而且表面粗糙度越高，超聲波檢測(cè)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(duì)象，可以充分體現(xiàn)鋼管惡劣表面狀態(tài)對(duì)超聲波探傷的影響。

為了考察表面粗糙度對(duì)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(wú)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(jí)當(dāng)量人工缺陷，即25mm×0.2mm×0.3mm（長(zhǎng)×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(cè)的降噪處理方法，首先搭建了虛擬超聲波檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。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(cè)信號(hào)分析處理系統(tǒng)軟件等。

圖2 虛擬超聲檢測(cè)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(duì)管壁人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)［4］。為了確保固定的入射角度、消除探頭移動(dòng)時(shí)的振動(dòng)給檢測(cè)帶來的影響，將探頭安裝在一個(gè)專用探頭架上，探頭架與被檢鋼管表面接觸并保持隨動(dòng)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(hào)放大接收單元用于接收回波信號(hào)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(duì)回波信號(hào)的接收放大。

數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)處理平臺(tái)。通過該軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)的分析處理工作。

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)

基于LabVIEW 開發(fā)的虛擬超聲檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)需要調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，才能通過USB串口總線實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的控制和數(shù)據(jù)的讀取［5］。然而LabVIEW 不能直接調(diào)用DSO -2150數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，需在VC＋＋6.0編程環(huán)境下將驅(qū)動(dòng)程序改寫為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供導(dǎo)出函數(shù)，再在LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)下調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，使用其導(dǎo)出函數(shù)來實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)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(duì)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(cè)信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

虛擬超聲檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)包含的主要功能有：數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置、信號(hào)的頻譜分析和FIR濾波、信號(hào)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(hào)的頻譜分析和FIR濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)表面粗糙鋼管超聲波檢測(cè)信號(hào)的快速傅里葉變換（FFT）和FIR 濾波處理，通過FFT 把時(shí)域信號(hào)變換到頻域，在頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。信號(hào)的時(shí)頻分析和小波去噪主要通過對(duì)表面粗糙鋼管的超聲檢測(cè)信號(hào)做小波變換，得到小波變換的時(shí)頻圖，再采用軟閾值法對(duì)表面粗糙鋼管的超聲檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行去噪處理。虛擬超聲檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)顯示與控制界面如圖4所示。

圖4 虛擬超聲檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)顯示與控制界面

3 表面粗糙鋼管超聲波檢測(cè)信號(hào)處理

利用上述自行搭建的虛擬超聲檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)完成對(duì)表面粗糙鋼管的超聲波探傷的信號(hào)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(cè)射頻信號(hào)，圖6為對(duì)這一射頻信號(hào)做FFT變換后的頻譜信號(hào)。從圖6可以看出，信號(hào)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(hào)，但大多是因?yàn)殇摴鼙砻娲植趯?dǎo)致在檢測(cè)信號(hào)中混入了不同的高頻噪聲。

圖5 表面粗糙鋼管的超聲檢測(cè)射頻信號(hào)

圖6 表面粗糙鋼管的超聲檢測(cè)頻譜信號(hào)

根據(jù)上述頻譜分析，利用FIR 加窗帶通濾波器對(duì)表面粗糙鋼管的超聲波檢測(cè)信號(hào)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(hào)，圖7（b）為濾波后的頻域信號(hào)。由時(shí)域信號(hào)可以看出，經(jīng)過FIR 矩形窗帶通濾波器的濾波處理后，信號(hào)的衰減很大，而且仍然存在微弱的噪聲信號(hào)，這是因?yàn)閷?duì)于非平穩(wěn)信號(hào)而言，傅里葉變換無(wú)法區(qū)分有用信號(hào)和噪聲信號(hào)的頻率疊加成分，所以在濾波時(shí)把部分有用信號(hào)也濾除掉了，從而導(dǎo)致信號(hào)的衰減失真。

圖7 FIR 濾波后的超聲檢測(cè)信號(hào)

對(duì)表面粗糙鋼管的超聲波檢測(cè)信號(hào)做小波變換。小波變換是將時(shí)域信號(hào)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(hào)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(hào)f（t）的頻率；νψ（t）為小波 母函數(shù)ψ（t）的頻率。

在對(duì)表面粗糙鋼管的超聲波檢測(cè)信號(hào)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(hào)處理時(shí)間，小波母函數(shù)選擇最簡(jiǎn)單的Haar小波函數(shù)。利用Haar小波函數(shù)對(duì)檢測(cè)信號(hào)做連續(xù)小波變換，小波變換的尺度個(gè)數(shù)設(shè)置為128，時(shí)間步長(zhǎng)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(hào)所對(duì)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(hào)的幅值大小。在圖8中，鋼管超聲波檢測(cè)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(hào)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(cè)信號(hào)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(duì)表面粗糙鋼管的超聲波檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行去噪處理。試驗(yàn)中，選擇對(duì)稱性好、適于信號(hào)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(duì)每一層小波變換系數(shù)中噪聲信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均進(jìn)行評(píng)估。圖9（a）所示為小波去噪后的時(shí)域信號(hào)，圖9（b）為去噪后信號(hào)的時(shí)頻圖。將圖9（b）與圖8作對(duì)比可以看出，經(jīng)過小波去噪后的時(shí)頻圖背景變得非?！案蓛簟保f明檢測(cè)信號(hào)中的噪聲被基本濾除干凈，而且將圖9（a）與圖5作對(duì)比可以看出，經(jīng)過小波去噪后，有用信號(hào)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(cè)信號(hào)

表1 表面粗糙鋼管超聲檢測(cè)信號(hào)處理前后的對(duì)比

針對(duì)表面粗糙鋼管的超聲波檢測(cè)噪聲高、信噪比低的問題，利用自行搭建的虛擬超聲檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)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(cè)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(duì)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(cè)時(shí)，如果不進(jìn)行任何降噪處理，由于檢測(cè)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(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波或去噪處理后，檢測(cè)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(huì)把大量的有用信號(hào)也濾除掉，導(dǎo)致波形的失真；而基于小波變換的信號(hào)去噪處理，幾乎不會(huì)造成有用信號(hào)的損失，而且可以有效保持缺陷信號(hào)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2006，28（2）：89－93.

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

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

［4］聶向暉，譚依，王秀梅.小口徑無(wú)縫鋼管超聲波探傷［J］.無(wú)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(guó)測(cè)試技術(shù)，2004，30（5）：52－54.