利用超声C扫描成像技术对缺陷进行定量

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1、实脸報告利用超声C扭描成像技*时缺陷进行定量jiang$u university of science and technology报告人：彭加福学 号：0640502112指导老师：魏 勤江分科技大学数理学院走用物理学2009年10月29日2009年月12日组员：彭加福、余方玉、邵爱明、胡进军、李文凯、徐大程利用超声 C 扫描成像技术对缺陷进行定量彭加福（江苏科技大学，数理学院，应用物理学）目前超声波检测技术正在向自动化以及超声检测设备的数字化、智能化方向发展，同时和其他学 科相结合，这将大大拓宽了超声波检测的应用范围。随着科学技术的发展，新材料、新技术的广泛应 用，各种结构零件向高参量、大

2、容量方向发展，这不仅要求不断提高缺陷检测的准确率和可靠性，而 且要把传统的无损检测技术和现代信息技术相结合，实现无损检测的数字化、图像化、实时化和智能 化。本实验所采用的超声c扫描成像技术通过将传统的超声检测技术、微机控制与计算机数据采集、 存贮、处理、图像显示等技术集合起来，实现了超声检测过程的自动化、数字化、图像化。采用超声 c 扫描成像技术能通过对所采集的信息进行处理，从而得到工件内部缺陷的横截面图，同时根据超声 波换能器的声场特性对缺陷的形状和大小进行定量化分析。1. 实验目的11 了解超声c扫描成像装置的设备组成，掌握通过超声c扫描成像技术实现无损检测的数字化、图 像化、实时化和智能

3、化的方法及过程；1.2掌握水浸法超声检测的理论知识及实验操作过程，通过超声C扫描成像技术对材料内部缺陷横断 面进行成像；1.3学会通过超声C扫描图像分析材料内部缺陷，对缺陷进行定性、定量及评估。2. 实验器材超声 c 扫描成像装置、水槽、各类受检金属工件（包括铝块，铸件，复合铝板，焊缝）、台式计 算机（含数据采集，储存，处理软件、扫面控制软件及图像处理软件等）、数据传输线、水浸聚焦探 头、CTS-23型超声波探伤仪、扫描控制仪。3. 实验原理3.1 水浸聚焦探头的声场压电晶片金属外套非金属彗阻尼块图1线聚焦探头结构图利用超声波成像系统对工件进行检测时，如果利用具有聚 焦特性的聚焦探头，不仅能够

4、提高检测的精度，同时可以根据 聚焦探头的声场特性判断缺陷的实际形状尺寸。因为聚焦探头 激发的声场具有声束细、声能集中、分辨力和信噪比高等优点， 并且在检测结束后对计算机显示的工件内部缺陷横截面积的 图形进行分析时，可以利用聚焦探头声场中声压分布特性得到 缺陷的大小。基于以上原因，实验中采用水浸法线聚焦探头进 行扫描，探头如图 1所示。将聚焦探头浸在水中工作，压电晶片发射的超声波看作 是平面波，按几何超声学的原理，靠近晶片的超声波平行入射， 经过透镜折射后进入水中，交轴线于 F 点，即焦点，如图 2所示。理论计算得知，在焦点附近，声压分布存在着一个直径等于，长度为L的焦柱，如图3所 示。在焦柱内

5、，声压无突变现象，我们可以通过这个焦柱确定缺陷的尺寸。其中，FF(F、21)O = 0.96九一 q 九一 ，L 沁 4X DDID 丿3.2 超声 C 扫描成像装置的基本结构设计用超声 A 型显示方式检测时，主要是通过超声波探伤仪的显示屏观察超声脉冲反射波型来判断有 无缺陷及缺陷的大小，实验现象不直观，而且必须通过专业的检测人员才能对缺陷进行定位和定量， 检测的结果受人为因素的影响较大。将传统的超声波探伤仪与计算机相结合便诞生了智能化的超声波 探伤仪。实现超声检测成像的扫描方法有机械扫描法和探头阵列电子扫描法两种。由于用换能器阵列 电子扫描法扫查的范围受到换能器阵列大小或压电体数目的限制，对

6、于较大工件进行扫描检测是困难 的。因此，目前使用较多的超声检测成像的扫描方法是机械扫描法。由于被检工件和试样的形状不同，因此必须采用不同的扫描模式，才能达到理想的检测效果。扫 描模式的控制可以在扫描控制器上完成，也可以由计算机和不同的软件程序完成。通常可采用双轴扫 描，例如X-Y扫描或Y-X扫描，对圆盘工件的R-X径向光栅扫描。图4为双轴扫描模式，图5为R-X 径向光栅扫描模式。实验中的超声波C扫描成像装置是采用机械扫描法，其扫描模式X-Y双轴扫描模式。同时其超 声发射和接收模块是在汕头超声波仪器厂的CTS-23型超声波探伤仪基础上研制的。系统硬件主要包括机械扫描装置、扫描控制器、接口电路、数

7、据采集卡、超声波探伤仪和台式计 算机。机械扫描装置是为了自动扫描工件整个区域而专门设计的，它是自动扫描的基础，它由扫描控 制器来控制。扫描控制器通过接口电路与计算机连接。扫描控制器可根据计算机发出的指令来控制机 械扫描装置的扫描，进而可以改变超声波探头的位置，达到自动扫描的目的。接口电路包括机械扫描 装置的驱动电路以及该电路与计算机之间的辅助通信电路，计算机在软件系统的控制下通过数据采集 卡和接口电路与机械扫描装置通信，即通过接口电路驱动机械扫描装置扫描工件，并同时采集超声波 回波信号，在此基础上才能进一步对信号进行分析和处理。3.3 机械扫描装置的工作原理 机械扫描装置是自动超声成像系统的重

8、要组成部分，机械扫描装置的性能直接影响探头对工件进行检测的效果。如果在扫描过程中发生定位偏差或抖动，将会对回波信号产生很大的干扰，探伤仪检 测到的信号就可能是“虚假”的信号，这就不能正确反映工件内部的缺陷情况。机械扫描装置是由水槽上部两侧安装的导轨、导轨上支杆、两个步进电机组成。两根导轨分别代 表纵轴、横轴，即 X，Y 轴。支杆的交汇处安装扫描探头，可以通过手轮调节探头的高低，通过计算 机控制与扫描控制器控制相连的两个步进电机来改变探头的 X，Y 位置。传动机构的四角装有极限控 制用的光电传感器，在扫描装置超出预设扫描范围时就自动停止扫描动作。当扫描装置超出扫描范围 后，必须关闭扫描控制器，用

9、手工方法使扫描机构脱离极限区域。超声波扫描控制器在扫描过程中由 计算机软件控制，扫描控制器控制着传动机构的运动。它有两种工作状态：手动和自动。手动用于探 伤前调节探头的初始位置，探伤前必须拨到手动调节档，通过前进和后退按钮调节 X，Y 轴位置，使 探头位于被检区域的一角。手动调节完成后，应将扫描控制器工作状态拨到自动调节档位，然后通过 计算机软件实现规定范围内的自动控制扫描。由于超声成像系统的机械扫描采用 X-Y 型扫描，为保证在检测时获得较高的检测精度，要求扫描 电机有很高的传动精度和平稳性，不能有抖动，因此在对工件进行检测时，步进电机的传动方式设计 为带传动方式。3.4 超声 C 扫描成像

10、装置的数据采集及处理 在超声波成像系统工作时，计算机采集的数据包括两部分：缺陷的回波信号和换能器的位置信号。缺陷的回波信号是这样采集的：在 CTS-23 型超声波探伤仪的时基电路上设置两个电子门，分别是界 面门和报警门。将工件表面反射的界面波调节进入界面门，这样界面门就会自动地跟踪界面波。报警 门的前沿和宽度都是可以通过二个多圈电位器进行调节。换能器在某一部位所接收到的缺陷回波被接 纳到接收电路中去放大，并显示在探伤仪的显示屏上，但是只有在报警门内的回波被采集到计算机的 数据采集卡上，数据采集卡将接收的缺陷反射回波信号进行滤波，并将其幅值的电压信号经 A/D 转换 为数字信号，再输入到计算机后

11、处理。通常报警门调节在工件的表面和底面反射回波之间，使这个范 围内的缺陷回波能被计算机采集，这个范围也就是工件内部。报警门的位置随界面门的位置变化而变 化，界面门自动跟踪界面波，这样就能保证计算机采集的回波信号都是由工件内部缺陷反射的回波信 号。聚焦换能器的位置由超声波扫描控制器控制，在扫描控制器与计算机之间是通过步进电机驱动卡 连接的，这样就可以由程序来控制扫描的范围，以及扫描的速度等。计算机同步记录换能器的位置信 号，并与接收到的缺陷回波信号对应，同时由程序对采集的数据进行处理并以图像的形式与实物1:1 的比例显示在计算机显示屏上。根据超声波成像系统检测到的回波信号的特性不同，可用不同颜色

12、在高分辨率彩色监视器上以图 像的形式显示不同特性的回波。不同的颜色既可被指定显示波形的振幅，也可被指定显示渡越时间。 由于应用了高分辨率扫描系统，扫描中要描述的回波振幅和渡越时间都可以产生，并可及时转换成彩 色图像显示。本装置所得到的实验结果是以色阶的形式反映缺陷反射回波的幅值。数据采集卡及其接口电路部分是模拟信号源与数字计算机之间的桥梁，其主要功能是完成信号的 接受及模拟信号的预处理和转换，经A/D转换的数据送至计算机进行处理及结果显示。数据采集系统 必须能够将所采集的模拟数据尽可能真实地、不失真地转换成数字信号。超声波成像系统的数据采集 技术是本系统需要解决的一个重要问题。它必须同时满足以

13、下设计要求： 如何实现数据的自动采集； 如何准确、及时的采集工件中缺陷的回波信号，并经过检波、放大、转换后使之能够被计算 机接收、处理，同时对超声波采集信号的数据处理方法设计也至关重要； 如何准确采集换能器的位置信号，为了实现上述要求，设计了信号采集、调理、转换电路来实现控制和数据采集，其方框图如图6所示：图6数据采集系统方框图超声波回波信号由超声波探头接收后转换成电压信号，由于在检测时还存在着其它信号的干扰， 因此必须将超声波回波电压信号送入滤波电路进行滤波后再送A/D转换器转换。超声回波信号经过放 大、滤波处理，再经A/D转换后将模拟信号转化为数字信号，送入RAM存贮器中存放，同时送入RA

14、M 存贮器中还有经过转换的表征超声波探头位置信息的同步信号。数据采集由检测程序的命令启动，同 时计算机可以通过工控ISA插槽将数据读入计算机，然后由计算机进行各种处理。3.5超声C扫描成像系统的软件设计在超声波成像系统中，扫描装置的控制、超 声波信号的采集、数据的存储与管理、扫描结果 的分析与显示都要由软件来实现。因此，软件功 能的稳定性、可靠性等直接影响到检测的结果的 准确性和可靠性。在软件设计时，主要包括以下几个模块：检 测设置模块、检测控制模块和数据处理模块。检 测设置模块完成的功能是：检测范围的设置，检 测步进电机速度的设置，以及在显示检测图像时 彩色色阶的设置。检测控制模块主要完成以

15、下一 些功能：探头位置的手动控制以及探头自动检测 的控制。数据处理模块完成的主要功能有：数据 采集、数据分析和检测图像优化。在进行检测时，整个系统一方面要进行扫描 检测，另一方面还要能响应用户的输入命令。这 个命令可能是键盘或鼠标命令，也可能是控制面 板上按钮发出的命令。用户的命令从功能上可以 分为两种：一种是设置命令，即用户对软件参数 进行设置以满足工作的要求；另外一种命令是探 头控制命令，即发出命令控制探头的运动，进行 探头位置的调整，以实现扫描动作。整个软件系 统的流程图如图7所示：当超声成像系统开启时，同时启动程序，首 先进入检测设置模块，在该模块要设置扫描区域 即扫描X-Y的距离，步进电机进行扫描时的步距, 以什么模式进行扫描以及扫描速度，设置好后存 盘。当软件进入控制模块时，首先要手动控制探头的起始扫描位置，调节结束后，必须将开关拔至自动扫描档，接着程序调用第一步设置模块的设置 文件，开始控制两个步进电机设置好的扫描方式进行扫描。与此同时，软件同时进入数据处理模块， 对电子阈门内的超声回波信号进行采集，同时进行数据处理并以彩色色阶的形式显示出检测图像。当 检测结束后，步进电机停止转动，同时数据采集和处理结束，保存数据，退出程序。在检测之前必须对检测的参数进行设置，包括扫描的速度，扫描的区域，扫描时每步的步距，X-Y 方向的步数，检测图像显示