超聲成像自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

方震東，范孟豹，曹丙花，張振林

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 引言

超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中使用較為廣泛的一種檢測(cè)方法，具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)超聲檢測(cè)無(wú)法獲取較為直觀的檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于厚度小、高衰減材料工件的檢測(cè)，相控陣超聲檢測(cè)雖然有較好的檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)組成復(fù)雜、成本費(fèi)用高等因素導(dǎo)致其應(yīng)用受限。超聲成像自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)地控制超聲探頭的移動(dòng)和信號(hào)的采集與保存，提高了檢測(cè)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(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)，但未實(shí)現(xiàn)鋼管在線自動(dòng)超聲檢測(cè)圖像化結(jié)果。

本文在常規(guī)超聲檢測(cè)的基礎(chǔ)上，研制了超聲成像自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化掃查和實(shí)時(shí)成像。介紹了系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)搭建及功能實(shí)現(xiàn)，設(shè)置動(dòng)態(tài)閘門對(duì)缺陷波和底波位置進(jìn)行提??；用小波閾值去噪方法對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行處理；采用缺陷波幅值成像和底波幅值成像方式對(duì)碳纖維復(fù)合材料試件內(nèi)部進(jìn)行缺陷檢測(cè)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(jìn)行雙線性插值法對(duì)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(cè)系統(tǒng)中，控制超聲探頭在工件上移動(dòng)掃查，采集并保存每個(gè)點(diǎn)的超聲A掃描信號(hào)，通過提取相應(yīng)的信號(hào)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(dòng)檢測(cè)軟硬件系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖2所示。對(duì)于特定檢測(cè)試件和超聲探頭，根據(jù)檢測(cè)試件對(duì)超聲發(fā)射/接收儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，檢測(cè)軟件控制驅(qū)動(dòng)掃查器在工件表面進(jìn)行掃查和示波器對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集及保存，通過數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)回波A進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、閘門運(yùn)算、成像計(jì)算等進(jìn)行控制。掃查完成后，可進(jìn)行信號(hào)提取、信號(hào)分析及實(shí)時(shí)成像并保存成像文件。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件組成

超聲成像自動(dòng)檢測(cè)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(yùn)動(dòng)控制卡、三軸移動(dòng)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)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(fù)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(hào)觸發(fā)產(chǎn)生尖脈沖激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)超聲換能器內(nèi)的壓電晶片，壓電晶片振動(dòng)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(jìn)行超聲信號(hào)數(shù)據(jù)的采集，示波器帶寬為1 GHz，4個(gè)模擬通道，最大采樣率5 GSa/s，波形更新速率達(dá)到106個(gè)波形/s，提供實(shí)時(shí)波形顯示。超聲探頭每移動(dòng)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(hào)，并采集到當(dāng)前掃查點(diǎn)的A信號(hào)，再通過上位機(jī)程序控制示波器將采集的回波信號(hào)數(shù)據(jù)依次保存到計(jì)算機(jī)中。

2.3 掃查架

為了滿足超聲自動(dòng)化檢測(cè)的需求，研制了一套計(jì)算機(jī)控制的三軸移動(dòng)掃描架。通過上位機(jī)程序控制MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡，可以對(duì)三軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制；運(yùn)動(dòng)控制卡具有梯形升降速曲線，最高輸出頻率可達(dá)4 MHz，保持系統(tǒng)以較高檢測(cè)效率進(jìn)行掃查。通過控制MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)三維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與之連接的超聲探頭在試件表面進(jìn)行掃查。

2.4 超聲探頭

實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)

檢測(cè)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(tái)。

3.1 檢測(cè)軟件系統(tǒng)

用戶在實(shí)驗(yàn)時(shí)可按照需求選擇或設(shè)置檢測(cè)掃查參數(shù)，包括示波器VISA資源名稱、信號(hào)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(diǎn)及寬度、底波閘門的起點(diǎn)及寬度等。在檢測(cè)過程中，實(shí)時(shí)顯示掃查點(diǎn)的A型信號(hào)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(dòng)態(tài)閘門設(shè)置

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

為了提高成像檢測(cè)精度，通過設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)浮動(dòng)的電子閘門來(lái)減小信號(hào)特征提取誤差。首先通過捕捉到回波信號(hào)中的表面回波波峰的位置，計(jì)算波峰出現(xiàn)時(shí)間與回波信號(hào)在水平方向起點(diǎn)的時(shí)間差，以此時(shí)間差對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行平移，同時(shí)，在回波信號(hào)中設(shè)置一個(gè)延時(shí)和寬度固定的信號(hào)閘門來(lái)完成回波信號(hào)的截取和信號(hào)特征的提取。

3.3 超聲信號(hào)去噪

超聲波在被檢測(cè)對(duì)象中傳播時(shí)，會(huì)受到材料結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波的散射和衍射而引起的聲學(xué)噪聲和電子電路噪聲的干擾，這些噪聲會(huì)干擾A信號(hào)中的缺陷信號(hào)的信息。通過對(duì)信號(hào)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(duì)分解后的小波系數(shù)進(jìn)行處理，再進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，得到去噪后的信號(hào)[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(wú)偏似然估計(jì)原理的自適應(yīng)閾值選擇。對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)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(shí)還保留了超聲回波信號(hào)的有用部分，達(dá)到良好的去噪效果。

(a)原始信號(hào)

(b)去噪后的信號(hào)

3.4 幅值成像

將采集的超聲A掃描信號(hào)進(jìn)行處理，通過設(shè)置閘門獲得缺陷波和底波信號(hào)，提取出每個(gè)檢測(cè)閘門位置的信號(hào)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(shí)驗(yàn)

碳纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)和服役過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生分層缺陷，而分層降低了材料的壓縮強(qiáng)度和剛度，影響材料結(jié)構(gòu)的完整性[8]。超聲成像自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可通過實(shí)時(shí)成像對(duì)其內(nèi)部的缺陷進(jìn)行可視化的檢測(cè)?，F(xiàn)設(shè)計(jì)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(jìn)行檢測(cè)，掃查步進(jìn)為0.5 mm，20 mm×20 mm的掃查區(qū)域，對(duì)中間層的孔缺陷進(jìn)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(hào)。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(hào)

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(hào)。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(hào)衰減較大，導(dǎo)致出現(xiàn)干擾信號(hào)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(cè)結(jié)合定量分析缺陷，并通過對(duì)特征成像矩陣進(jìn)行雙線性插值運(yùn)算，對(duì)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(jìn)行超聲成像缺陷定量分析，并進(jìn)行對(duì)比。結(jié)合應(yīng)用超聲成像與 -6 dB法，通過計(jì)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(diǎn)周圍4個(gè)鄰點(diǎn)的像素點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)作為其像素點(diǎn)，其算法簡(jiǎn)單易于實(shí)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(diǎn)(x,y)周圍4個(gè)鄰點(diǎn)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(duì)成像矩陣數(shù)據(jù)應(yīng)用超聲成像檢測(cè)與 -6 dB法，再進(jìn)行雙線性插值法對(duì)成像矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)圖像邊緣有較嚴(yán)重的鋸齒，給缺陷定量分析帶來(lái)較大誤差。基于-6 dB法、雙線性插值法結(jié)合處理過的檢測(cè)圖像，檢測(cè)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(duì) -6 dB法成像矩陣進(jìn)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(duì) -6 dB法成像矩陣進(jìn)行雙線性插值法后進(jìn)行成像缺陷定量分析，在像素點(diǎn)變化緩慢區(qū)域進(jìn)行插值處理，使檢測(cè)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(cè)的基礎(chǔ)上研制了一套超聲成像自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，提升了超聲檢測(cè)效率。

(2)針對(duì)在掃查時(shí)超聲探頭與試件表面的高度發(fā)生改變導(dǎo)致成像結(jié)果產(chǎn)生偏差，設(shè)置動(dòng)態(tài)浮動(dòng)的電子閘門以提高成像檢測(cè)精度；用小波變換的方法對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行去噪處理，同時(shí)保留了回波信號(hào)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(duì)成像矩陣數(shù)據(jù)運(yùn)用雙線性插值法進(jìn)行處理，提高了檢測(cè)圖像分辨率，同時(shí)也降低缺陷定量誤差。