超聲C掃描成像自動檢測系統的研究與實現

于 波,段 劍,王浩全

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

超聲成像無損檢測是自動控制、數字信號處理等多種技術相融合的典型應用。它利用傳感器技術,通過計算機控制檢測設備,進行自動檢測,最后利用軟件實現缺陷圖像的實時顯示與處理[1]。是實現缺陷定位、定量和定性,以及無損評價的關鍵技術之一。

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,顯示被測試樣的橫斷面狀況。C掃描可以通過數控掃描系統,運用插補原理實現各種軌跡的掃描。在自動檢測中,通常采用水浸聚焦探頭進行水浸掃描。C掃描在新型復合材料、電器開關觸頭和集成電路等檢測中顯示出了一定的優越性[1-2]。

在C掃描檢測中,需要在記錄某一點缺陷有無的同時記錄這一點的坐標。進行檢測時,換能器在步進電機或人工帶動下進行迂回運動,每行進一步,發射/接收超聲信號一次。電脈沖激勵的超聲脈沖通過耦合劑進入試件,如試件中無缺陷,它可一直傳播到試件的底面。如果底面光滑且平行于探測面,按照反射原理,超聲脈沖被底面反射而返回換能器,換能器將返回的聲脈沖轉變為電脈沖,經A/D轉換傳入計算機。將每一點所提取到的超聲回波信號特征量以彩色或灰度的形式表現出來,于是便得到C掃描圖像[3-4]。

2 成像系統的總體設計

整個檢測系統由主機部分、組合探頭裝置、機械裝置、從機部分、超聲波發射接收電路和信號采集等部分組成(圖1)。

圖1 檢測系統框圖

下位機通過程序控制步進電機、超聲發射/接收電路,按照預先設計的方式對被測工件進行超聲掃描。超聲回波信號經信號調制電路處理,由數據采集系統采集輸入上位機(計算機),對信號進行處理。檢測完成后,顯示檢測結果并打印。

3 超聲波發射接收電路

發射電路主要由DC-DC電源模塊、窄脈沖發生電路和激勵電路所組成。DC-DC電源模塊用來完成10～400V的轉換,窄脈沖發生電路的任務是將下位機發送來的觸發信號轉換成窄脈沖信號,此窄脈沖信號由激勵電路激勵探頭產生。

超聲發射電路一般要求有較高的發射電壓(100～1000V),這樣可以使得電容的充電電壓較高,保證充足的發射能量來激勵壓電晶片。利用場效應管或可控硅的導通與截止時,電源電壓通過電阻向電容充電、放電,產生一短脈沖,激勵晶片發射超聲脈沖。發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,以利于后續部分對信號的處理和顯示,主要包括放大器、帶通濾波器等,起關鍵作用的部分是放大器。

筆者采用Γ型網絡和Π型網絡混合使用的辦法來實現衰減的調節。衰減調節分為粗、中、細三級衰減,粗調每檔為20dB,中調每檔為2dB,細調每檔為0.5dB。這樣可以充分調整回波信號的大小,便于進行A/D轉換。

4 下位機部分

從機部分以單片機為核心,能夠完成超聲波的發射、電機的控制和串口通信等功能。

在探頭拖動裝置中含有A,B兩個電機,分別控制探頭的橫縱向移動。在單片機的控制下,探頭以蛇形的方式行進,每行進一下,觸發發射電路發射超聲。當探頭盒行進到一定范圍時,光電傳感器會向單片機發出中斷信號,B電機行進一步后,A電機開始反向行進。

步進電機控制部分主要完成判斷旋轉方向、按順序送出控制脈沖以及判斷脈沖是否送完功能。步進電機采用三相六拍通電方式。步進電機所要走的步數存在R4中,轉向標志存放在程序狀態寄存器用戶標志位F0(D5H)。當F0=0時,步進電機正轉;當F0=1時,步進電機反轉。

下位機AT89C52單片機有一個全雙工的串行通訊口,可以與主機之間方便地進行串口通信。采用MAX232進行轉換,不但簡單而且可靠。

5 上位機部分

主機采用高檔工業控制計算機,可以完成人機交互、串行通信、數據采集、信號處理、結果顯示以及打印功能。

在軟件的設計中,為了增強系統的穩定性、可靠性和易操作性,特為用戶提供了良好的人機界面。系統基于MicrosoftWindowsXP操作系統,采用VC6.0編寫完成,主要功能有檢測參數設置、數據顯示和歷史記錄查詢等。整個界面簡單、方便、實用、美觀。

由于全波信號比檢波信號包含有更豐富的材料結構信息,為了實現信號特征量質量的提高和特征空間維數的降低,對檢測信號的全波進行了采集處理。數據采集卡采用基于PCI總線的八位A/D卡,最大采樣頻率30MHz,能夠實現對檢測信號的無失真采集。

采用信噪分離、時域或變換域的分析方法,通過對檢測信號處理和特征提取,提煉出了最能反映材料特性的信息,用來表征被檢物體內部的質量情況[4]。

雖然在信號采集過程時,硬件電路中使用了帶通濾波器,對于噪聲的消除有一定的作用,但是這種方法對放大器頻帶內的噪聲不起作用,為此,通常采用信號處理的方法來消除信號中的噪聲。降低噪聲、增強信號的方法有很多,如中值濾波、Wigner分布、信號列譜處理、人工神經網絡濾波、小波分析和高階譜降噪等。

在超聲檢測過程中,判別疵病的主要信息源是回波信號,回波信號攜帶了疵病的特征信息。針對材料中含有不同性質、不同尺寸缺陷的情況,可以選用時域信號的均值、峰值、方差、上升時間、下降時間和能量等進行考察。試驗表明,不同性質、不同形狀及尺寸的缺陷所產生的回波信號,在能量、峰值和波形持續時間(上升時間與下降時間之和)上有所變化,但有時并不明顯。通過Fourier變換將信號映射到頻域內來提取特征量,經過對幅值譜、相位譜和功率譜等的考察,發現變化明顯的特征量,以此進行成像缺陷判別[4]。

主要功能有測量參數設置、傳感器擬合標定、數據采集讀取及保存,報表生成及歷史記錄查詢等功能。

軟件完成了數據的讀取和處理,得到試驗的最終結果。它將試驗結果通過計算機和打印機等設備呈現出來,更利于試驗者對試驗結果做出判斷。此部分要實現的功能有：報表顯示檢測數據;自動建立檢測結果數據庫;提供對檢測結果數據的搜索、查詢和統計等功能;報表、曲線的打印功能。

數據分析處理軟件的參數設置包括測量人員、時間日期、路段區域和磨耗超限值,設置完畢后開始讀取數據采集,采集回來的數據應該是在0～5V之間,若不在0～5V之間的數據就應該剔除不用,顯示磨損量的數值。讀取結束后對采集的數據進行處理,存儲采集數據,可顯示打印本次測量的結果報表,可查詢這段鋼軌的檢測、磨損狀況以及使用壽命等。

在數據采集中,由于操作不當或外界干擾,或儀器的臨時故障等原因,有時會出現異常數據,即所謂異點。異點的存在會影響分析結果,必須加以剔除。

在軟件的設計中,為了增強系統的穩定性、可靠性和易操作性,特為用戶提供了良好的人機界面。利用虛擬儀器技術開發此系統,不僅可以很方便地實現復雜的數據處理功能,而且用戶界面具有美觀、交互性和個性化等特點;其模塊化的設計,大大方便了程序的修改和維護[4]。

6 試驗結果與分析

試驗樣品為布纖復合材料,其厚度為40mm;缺陷直徑為 φ1mm的橫孔,距離水與試樣界面10mm;檢測方式采用脈沖式反射法;采用點聚焦探頭(2.5MHz),其焦距為20mm 焦點直徑1mm,焦柱長度3mm。圖2為采用自行研制的C掃描成像系統對玻纖材料檢測得到的結果。圖中左邊為缺陷處,所得圖形與實際情況相符,以此可以判斷缺陷的大小和位置。

圖2 C掃描圖像

7 結論

通過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。該技術具有較小的缺陷檢測能力,不僅能夠在厚度較薄的材料中檢測出直徑為φ1mm的氣孔,而且對夾渣也能夠較為準確地檢測。

[1]西拉德 J,主編.超聲檢測新技術[M].陳積懋,余南廷,譯.北京：科學出版社,1991：471.

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

[3]劉松平,郭恩明,張謙琳,等.復合材料深度方向C掃描檢測技術[J].無損檢測,2001,23(1)：13-15.

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