限幅采樣技術(shù)在激光超聲無損檢測(cè)中的應(yīng)用

李玉海,趙中華,童有為

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院, 廣西 桂林 541004)

無損檢測(cè)技術(shù)是在不改變被檢測(cè)對(duì)象狀態(tài)和所有性質(zhì)的前提下，對(duì)物體鑒損。激光超聲探傷是當(dāng)今主流的無損探傷的方法之一。激光超聲探測(cè)技術(shù)是一門涉及到光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科的新型交叉學(xué)科，具有非接觸、操作靈活、高準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，是近年來無損探傷的研究熱點(diǎn)[1-3]。目前，激光超聲技術(shù)被應(yīng)用在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)、航天工業(yè)和能源工業(yè)領(lǐng)域。在激光超聲探傷系統(tǒng)中，超聲回波信號(hào)分析法被廣泛應(yīng)用，其中回波信號(hào)屬于極窄脈沖信號(hào)，存在時(shí)間極短，常規(guī)AD芯片的采樣速率和采樣精度無法滿足極短超聲回波信號(hào)采集的需求。針對(duì)這個(gè)問題，筆者提出一種基于激光超聲探傷，使用單位限幅數(shù)字還原回波信號(hào)的方法，實(shí)現(xiàn)了更高頻率的超聲信號(hào)采集，提高了激光超聲無損探傷的能力?；诩す獬暉o損探傷的優(yōu)勢(shì)，通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證，使用上述信號(hào)采集方法，相比較傳統(tǒng)的信號(hào)集方法，進(jìn)一步提高了金屬探傷的準(zhǔn)確性。

1 激光超聲探傷技術(shù)原理

1.1 激光超聲原理

超聲波的產(chǎn)生和單頻激光的光強(qiáng)、金屬材料均有關(guān)。在自由金屬材料中，激光超聲的機(jī)理主要分為熱彈效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)兩種(圖1)。金屬材料表面入射激光的光功率不同，將對(duì)超聲波在能量、頻率和方向上產(chǎn)生相應(yīng)的影響。被測(cè)材料在激光照射下，吸收激光的能量，局部溫度迅速上升，發(fā)生熱性膨脹，從而激發(fā)出橫波、縱波和表面波[4]。熱彈效應(yīng)是指激光的光功率密度較低，照射到材料表面的激光能量沒有達(dá)到金屬損傷的功率密度閾值。加大激光功率密度，若入射激光的光功率密度大于107W/cm2時(shí)，該激光能量足以使金屬材料發(fā)生局部性金屬瞬態(tài)升溫融化，導(dǎo)致被測(cè)材料與激光接觸處發(fā)生燒蝕、汽化現(xiàn)象，局部材料以等離子體的形式從材料表面離開，產(chǎn)生較高能量的應(yīng)力波(超聲波)，即該過程為燒蝕效應(yīng)[5]。超聲信號(hào)的幅值與入射激光能量成正比，燒蝕效應(yīng)的光聲轉(zhuǎn)換率比熱彈效應(yīng)高，最高可達(dá)4倍。但是燒蝕效應(yīng)對(duì)被測(cè)材料產(chǎn)生了損傷，熱彈效應(yīng)機(jī)制下入射激光功率密度較低，是真正的無損激光超聲。在這種情況下，合理脈沖調(diào)制入射激光能量，在熱彈效應(yīng)機(jī)制下，提高入射激光能量，可以增強(qiáng)超聲波信號(hào)的強(qiáng)度[6-7]。

圖1 熱彈效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)

熱彈效應(yīng)機(jī)制公式如(1)所示：

(1)

金屬內(nèi)部超聲波信號(hào)時(shí)間傳播函數(shù)關(guān)系如公式(2)所示:

(2)

其中ω為超聲波信號(hào)的角頻率，K是幅度系數(shù)。x是x軸坐標(biāo)位置，λ是超聲信號(hào)的波長，φ為初始相位。

金屬內(nèi)部超聲波信號(hào)在缺陷處產(chǎn)生的反射波表達(dá)公式如(3)所示:

(3)

B為回波信號(hào)的幅值待定系數(shù)，其中θ為回波信號(hào)的初始相位，x1為缺陷處在x軸上的坐標(biāo)位置。

1.2 激光超聲回波探傷技術(shù)原理

激光超聲探傷是利用超聲波在金屬介質(zhì)中的傳播時(shí)間、幅度衰減、峰值變換程度等特性來實(shí)現(xiàn)缺陷判斷。假設(shè)超聲波在無損金屬介質(zhì)中傳播，超聲波信號(hào)隨著時(shí)間的變化，幅值也呈現(xiàn)周期性規(guī)律變化。如果該金屬介質(zhì)存在缺陷，根據(jù)超聲波信號(hào)在缺陷處發(fā)生的波反射、波透射和波轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，其中大部分能量的消耗是以波反射為主，所以目前激光超聲探傷的方法大多數(shù)以檢測(cè)回波信號(hào)為主。

激光超聲檢測(cè)原理如圖2所示。在激光超聲探傷系統(tǒng)中，使用高功率脈沖激光器(YAG)作為激勵(lì)源，產(chǎn)生高能量激光脈沖，照射到待測(cè)金屬表面，激發(fā)熱彈效應(yīng)機(jī)制，產(chǎn)生超聲應(yīng)力波[8-9]。超聲波大部分的能量將在金屬介質(zhì)內(nèi)部和表面同步沿一個(gè)方向傳播，且在金屬缺陷處，發(fā)生波反射、波透射和波轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[10]。超聲探測(cè)器功能是抓取超聲波信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電學(xué)特征信號(hào)。通過電學(xué)信號(hào)，分析超聲信號(hào)的傳播時(shí)間、幅度衰減和峰值變換等特征，綜合判斷被測(cè)金屬是否存在損傷。

圖2 激光超聲檢測(cè)原理

2 基于單位限幅數(shù)字還原采集原理

針對(duì)回波弱信號(hào)存在脈沖時(shí)間非常短，普通高速AD難以采集到的問題，提出了一種單位限幅數(shù)字還原的方法，可以實(shí)現(xiàn)更高速率的數(shù)據(jù)采集，大大提高了系統(tǒng)對(duì)極窄脈沖信號(hào)的敏感性。

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)可知，任意隨機(jī)信號(hào)必然可以表示為多個(gè)正余弦函數(shù)的累加之和，如公式(4)所示。假設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)范圍為Amin～Amax，且待檢測(cè)信號(hào)幅值范圍在其檢測(cè)范圍內(nèi)。取一個(gè)單位分割基準(zhǔn)值q，將檢測(cè)范圍設(shè)為N個(gè)單位幅值段分段檢測(cè)，每一個(gè)檢測(cè)段，都存在高速比較器，通道閾值S和輸入信號(hào)可以快速比較，并輸出有效結(jié)果(通道的閾值為q的整數(shù)倍數(shù))。當(dāng)信號(hào)在通過該高速比較器時(shí)，如果信號(hào)的幅值大于通道閾值時(shí)，高速比較器輸出結(jié)果為高電平1，反之輸出為0。統(tǒng)計(jì)同一時(shí)刻所有通道的數(shù)字輸出，經(jīng)過數(shù)字還原運(yùn)算即可恢復(fù)原始隨機(jī)信號(hào)。

(4)

(5)

(6)

其中，X(t)表示輸入系統(tǒng)的任意隨機(jī)信號(hào)，Si表示第i個(gè)高速比較器通道設(shè)置比較的閾值，Pi(t)表示第i個(gè)通道在t時(shí)刻的輸出值(1或0)，X′(t) 表示數(shù)字運(yùn)算所還原的信號(hào)，K為信號(hào)恢復(fù)常數(shù)。具體理論方法的仿真示意圖如圖3所示，原始信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)，基于單位限幅數(shù)字還原采集的方法，比較器1,2,…,N為通道的輸出時(shí)序。當(dāng)取N=25，恢復(fù)常數(shù)k=0.08時(shí)，通過信號(hào)恢復(fù)運(yùn)算公式(6)，信號(hào)恢復(fù)圖如圖3(f)所示。由此得出，采集還原系統(tǒng)性能是否可靠的關(guān)鍵指標(biāo)是比較器的數(shù)量與閾值精度，即設(shè)置的間隔閾值越小，比較器數(shù)量越多，恢復(fù)原信號(hào)的準(zhǔn)確性越高，即該方法完全適用于小范圍微弱信號(hào)的檢測(cè)。

(a) 原始信號(hào)

(b) 比較器1

(c) 比較器2

(d) 比較器…

(e) 比較器N

(f) N=25

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

激光超聲回波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)的組成主要包括單頻激光器、聲電換能器、低噪放大濾波模塊、N路模擬信號(hào)限幅比較模塊、FPGA高速數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)超聲信號(hào)特征運(yùn)算處理模塊。激勵(lì)源為單頻激光器，輸出波長1.06 μm，光束直徑約為3 mm的單頻激光。使用聲電換能器檢測(cè)超聲波信號(hào)，將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)，經(jīng)過低噪放大后，使用單位限幅采集模塊，轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。記錄所有比較器通道隨時(shí)間變化的輸出值并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算即可還原超聲信號(hào)。

圖4 激光超聲回波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

在當(dāng)前環(huán)境下，針對(duì)模擬信號(hào)的采集系統(tǒng)，通常采用AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的處理方法，AD芯片本身存在諸多硬件限制，具體表現(xiàn)在信號(hào)檢測(cè)精度、最高轉(zhuǎn)換速率和信號(hào)輸入范圍等方面。檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)對(duì)象是模擬信號(hào)，使用AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的時(shí)，采樣脈沖決定了數(shù)字轉(zhuǎn)換的速度，兩次采樣間隔必然造成短時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)的丟失。針對(duì)特定的微弱信號(hào)，在信號(hào)本身差異性較小的情況下，使用AD芯片檢測(cè)更加難以保證采樣精度。針對(duì)這一問題，采用單位限幅采集的方法彌補(bǔ)以上缺陷，從而真正實(shí)現(xiàn)高速檢測(cè)和高精度轉(zhuǎn)換。

單位限幅采集法和AD采集法的精度比較見圖5。在額定信號(hào)電壓范圍的前提下，在比較器數(shù)量較少時(shí)，單位限幅采集法的精度明顯弱于AD芯片采集，隨著比較器的數(shù)目增多，單位限幅采集法的精度急劇升高，相比較AD采集法，可以實(shí)現(xiàn)更高精度采集。在比較器數(shù)量基數(shù)很大時(shí)，精度提升變緩，可以認(rèn)為達(dá)到了單位限幅采集法的極限精度。

高速比較器示意圖如圖6所示。使用嵌入式系統(tǒng)和高精度DA芯片，輸出固定模擬電平值，作為當(dāng)前通道的最低閾值，比較器判斷閾值和輸入信號(hào)的大小關(guān)系。由數(shù)字邏輯電路搭建的比較器電路，輸出實(shí)時(shí)性極好，對(duì)輸入信號(hào)幅值突變靈敏度極高，當(dāng)輸入信號(hào)與通道閾值存在微小的差值時(shí)，該比較器可以準(zhǔn)確比較大小，正確輸出數(shù)字電平。

圖5 精度比較

Fig.5 Comparison of accuracy

圖6 高速比較器示意圖

Fig.6 High speed comparator

因?yàn)樯鲜霰容^器通道完全由數(shù)字電路搭建，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集的要求。所以基于FPGA平臺(tái)，每一路比較器通道輸出的數(shù)字電平連接到FPGA芯片引腳上，使用Verilog語言編程，實(shí)時(shí)讀取、保存通道輸出值，經(jīng)一定運(yùn)算轉(zhuǎn)化，將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。使用更高頻率完成信號(hào)采集，大大的提高了超聲檢測(cè)系統(tǒng)的探傷能力。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)是基于C#.NET桌面軟件開發(fā)的程序。在本次設(shè)計(jì)中開發(fā)的上位機(jī)，依托微軟的強(qiáng)大固件庫，具有界面友好、多線程高效協(xié)作和操作功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。軟件的開發(fā)主要采用了模塊化的開發(fā)方案和層次化的區(qū)分設(shè)計(jì)，有效降低后期代碼變更的難度。

在上位機(jī)中，根據(jù)系統(tǒng)流程，將其劃分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算模塊、視覺展示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。在連接到硬件采集器后，即可創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳輸接收任務(wù)，等待下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)接收完成后，系統(tǒng)停止接收任務(wù)，自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)數(shù)據(jù)運(yùn)算，完成對(duì)采集信號(hào)的還原并顯示，在信號(hào)視覺化后，如果采集的數(shù)據(jù)情況，較為理想，即可一鍵啟動(dòng)信號(hào)分析功能。在信號(hào)曲線繪制顯示中，X軸為時(shí)間軸(單位：ms)，Y軸為信號(hào)幅度值。軟件界面中包含參數(shù)設(shè)置區(qū)域，主要包含幅度值范圍參數(shù)、硬件通道參數(shù)、介質(zhì)傳播速度參數(shù)和采樣觸發(fā)參數(shù)。在完成信號(hào)曲線繪制后，自動(dòng)標(biāo)注峰值點(diǎn)坐標(biāo)信息，一鍵自適應(yīng)和分析缺陷有無。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中使用4 000 mm×40 mm×20 mm銅板和2 000 mm×40 mm×20 mm的鋁板為測(cè)試對(duì)象，探測(cè)點(diǎn)設(shè)置為距激光作用點(diǎn)1 m處，銅板缺陷距離探測(cè)點(diǎn)位置為1 m處，鋁板無缺陷。使用脈沖調(diào)制激光，激光脈沖能量約為420 mJ，基于FPGA鎖相環(huán)倍頻，高頻采集各個(gè)通道的實(shí)時(shí)輸出值，并發(fā)送到上位機(jī)顯示，使用PC快速運(yùn)算并分析超聲信號(hào)。

作為測(cè)試對(duì)比，實(shí)驗(yàn)方案采用不同的金屬作為被測(cè)對(duì)象。脈沖激光器在調(diào)制下，發(fā)出脈沖激光，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)，將光束聚焦在金屬材料的一端，激發(fā)熱彈效應(yīng)機(jī)制，產(chǎn)生超聲應(yīng)力脈沖。考慮到聲音在不同金屬內(nèi)傳播速度不同和金屬長度不同的情況，需要合理設(shè)置采集樣點(diǎn)數(shù)。通過判斷超聲峰值變化和衰減幅度，判斷是否存在缺陷。

超聲信號(hào)在傳輸過程中，屬于一個(gè)單位脈沖信號(hào)，如圖7和圖8所示，其中最大峰值點(diǎn)為超聲信號(hào)直接到達(dá)的主峰，幅值小的為傳播衰減信號(hào)，根據(jù)兩個(gè)明顯波峰的時(shí)間間隔Δt，可以定位缺陷回波位置。假設(shè)該金屬板中超聲波的傳播速度為CR，則缺陷位置為L=CR×Δt/2。通過對(duì)比第1波峰和第2波峰衰減程度和傳輸時(shí)延的具體情況，程序會(huì)自動(dòng)尋找第3峰值，第3峰值的幅度與第2峰值的大小比較，可以發(fā)現(xiàn)缺陷回波的能量幅值是明顯弱于端口回波的信號(hào)能量幅值，綜合上述理論，即可判斷第2波峰是否為端口回波或缺陷回波。

鋁板的超聲檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，鋁板長度為2 m，采集樣點(diǎn)顯示數(shù)量是10 000個(gè)，前兩個(gè)信號(hào)峰值間隔時(shí)間為0.409 ms[(5 930-1 840)/10 000]。已知超聲波在金屬鋁中的傳播速度約為5 000 m/s，通過mark1和mark2點(diǎn)的坐標(biāo)值運(yùn)算，定位回波位置在超聲信號(hào)傳播方向上，距離探測(cè)點(diǎn)1.024 m，結(jié)合第3峰值明顯小于第2峰值的情況，故可以判定該回波為端口回波。故而認(rèn)為當(dāng)前檢測(cè)的鋁板除端口外，沒有缺陷。

銅板的超聲檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，銅板長度為4 m，數(shù)據(jù)顯示樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為20 000，即采樣時(shí)間為2 ms。兩個(gè)信號(hào)峰值間隔時(shí)間為0.527 ms[(7 690-2 420)/10 000]。已知超聲波在金屬銅中的傳播速度約為3 800 m/s，結(jié)合mark1和mark2的位置坐標(biāo)信息，定位回波位置距離探測(cè)點(diǎn)的距離為1.001 m。程序功能自動(dòng)識(shí)別第3波峰幅度，且第3波峰明顯大于第2波峰幅度，即可推斷該回波位置不是端口回波，而是缺陷回波，所以可以判定當(dāng)前檢測(cè)金屬銅板在距離探測(cè)點(diǎn)1 m處，存在缺陷。

圖7 鋁板檢測(cè)結(jié)果圖

Fig.7 Test results of aluminum plate

圖8 銅板檢測(cè)結(jié)果圖

Fig.8 Test results of copper plate

5 結(jié)論

本文基于激光超聲理論，利用超聲波遇金屬缺陷發(fā)生回波現(xiàn)象，探查損傷位置?；趩挝幌薹鶖?shù)字還原采集原理，使用高速FPGA平臺(tái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)其功能，完成對(duì)超聲波信號(hào)的數(shù)字采集?；?Net開發(fā)上位機(jī)軟件，對(duì)超聲信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)算和處理，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)還原。依據(jù)超聲信號(hào)峰值變化和實(shí)測(cè)材料長度條件綜合考慮，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料的缺陷定位。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)入射激光密度越大，越接近觸發(fā)燒蝕效應(yīng)，光聲轉(zhuǎn)換率越高，檢測(cè)到的超聲信號(hào)幅值越大。相對(duì)于一般AD芯片采集信號(hào)頻率較低，難以檢測(cè)到存在時(shí)間非常短的超聲回波信號(hào)，而單位限幅采集，數(shù)字電路采集的頻率是普通AD采集速率的多倍，提高了超聲探傷系統(tǒng)中超聲回波弱信號(hào)檢測(cè)的能力，也提高了超聲系統(tǒng)探傷的準(zhǔn)確性。