激励脉冲信号对超声波检测的影响

陈昌华(邮编243000马钢股份有限公司技术中心

 

摘 要  以场效应管作开关元件的超声波发射电路进行剖析,激励脉冲频率、振幅及宽度对超声换能器发射效力影响极大。重复频率选择过高,会出现幻影波、假信号。大振幅超声波在材料中传播时产生一些非线性效应。激励脉冲宽度设置为探头频率周期的一半时,回波灵敏度最大;而激励脉冲宽度设置为探头频率周期的一个周期时,分辨率最高。分析结果表明不同类型的超声波发射电路的设计应考虑激励脉冲信号对超声波检测的影响

关键词  波形激励, 脉冲频率,脉冲振幅,脉冲宽度,发射电路,超声换能器

 


1.前言

超声波探伤技术通常是对被测物体发射超声波,利用其多普勒效应、透射、反射等来获取被测物体内部的信息并经相关处理形成图像。超声波探伤技术的多普勒效应法是利用超声在遇到运动物体时发生的多普勒频移效应来获得该物体的运动方向和速度等特性;透射法则是通过分析超声穿透过被测物体之后的变化而得出物体的内部特性,其应用目前还处于研究阶段;超声波探伤仪应用最多的是通过反射法来获取物体内部特性信息的方法。反射法是基于超声在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的。

超声波功率源(或称激励脉冲信号)是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。超声波功率源就其激励方式有两种:一种是他激式,另一种是自激式。如果按末级功放管所采用的器件类型分,又可分四种:电子管式超声发生器;可控硅逆变式超声发生器;晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。电子管式与可控硅逆变式目前基本已淘汰,当前广泛使用的是晶体管式发生器。他激式超声发生器主要包括两部分,前级是振荡器,后级是放大器。一般通过输出变压器耦合,把超声能量加到换能器上。而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体,形成一闭环回路,回路在满足幅度、相位反馈条件下,组成一个有功率放大的振荡器。并谐振于换能器的机械共振频率上。

 超声波激励脉冲信号的特性,使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。例如,我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上,则可以用超声波来检测金属内部的裂纹、气孔等缺陷。在医学领域则可以用超声波技术来灭菌、清洗,更重要的用途是做成各种超声波理疗和诊断仪器。

 

2. 电路原理

A型显示脉冲超声波探伤仪的基本工作原理可用图1所示。其整机主要由同步、发射、扫描、接收放大、显示以及报警、电源七大部分组成。同步电路的作用是产生周期性的同步脉冲信号,用以同时触发超声探伤仪各部分电路协同工作,它相当于全机的指挥中心。

 

 

 

 

 

 

 

 


1 超声波探伤仪的基本工作原理

在同步脉冲信号的触发下,发射电路产生大幅度的高频电脉冲输送给超声探头,激励探头发出具有相同中心频率的脉冲超声波入射到被测材料中去,详见图2所示。发射脉冲的幅度(脉冲电压)和持续时间(脉冲宽度)的大小决定着发射功率的大小。目前商品化超声波探伤仪的发射脉冲幅度多在400-500伏范围,有些大功率的超声波探伤仪器发射脉冲幅度能高达900伏。在实际超声波检测中,可以根据具体需要调整仪器的发射功率的大小。

 

 

 

 

 

 

2 发射电路基本工作原理

发射功率大,其脉冲电压高,涉及到超声换能器元件的承受能力是否适合,如果电压太高,会导致压电晶片发热、加速老化甚至被击穿损坏,所以大功率超声波探伤仪使用的是专用探头而不能使用普通探头。此外,发射功率大,其脉冲宽度也大,会影响检测时的分辨力,在要求高分辨力,特别是近表面分辨力要求高的情况下,则不宜使用过高的发射功率。当然,发射功率大,带来了检测灵敏度高、穿透距离大、穿透力强的好处,因此必须兼顾分辨力要求和被检材料的具体情况(如材料声衰减大小)等作综合考虑。

 

3. 激励脉冲频率

传统超声检测仪器使用脉冲方式激励超声波探头,即产生一个高压放电负脉冲激励压电晶片,从而激发出超声波,这种激励方式简单可靠,但是难以控制超声波发射的各种参数如频率、振幅、脉冲宽度等。新一代超声仪器的发展趋势是采用数字化超声发射模块,波形激励方式采用多样化。在这种方式下,激励信号的频率、振幅、脉冲宽度等各种参数均可控,并可以产生任意复杂的波形信号去激励发射超声波,从而提高检测灵敏度和信噪比。

同步电路输出的控制脉冲应具有陡峭的前沿以保证分辨率的要求,以及具有一定的触发功率,此外,还必须注意同步脉冲的重复频率(单位时间内产生同步脉冲信号的次数,特别是在高速探伤的超声自动化检测系统中,这是很重要的参数之一)。目前商品化超声波探伤仪的重复频率一般在50-4000Hz范围。同步脉冲信号的重复频率决定了发射电路在单位时间内施加到超声探头上的发射电脉冲的次数,亦即决定了超声探头在单位时间内发射超声脉冲的次数。

重复频率太高时,也会使得两次超声脉冲之间的时间间隔太短,容易使第二次触发的超声脉冲与第一次触发的超声脉冲反射回波相遇而发生干扰,或者是进入了第一次触发的超声脉冲的周期内,也会形成干扰,或者说是第一次触发的脉冲波尚未充分衰减而落入第二次触发的周期内,形成干扰等等,结果会产生例如幻影波、假信号等,详见图3所示。

 

 

 

 

 

 

 

3 超声波探伤仪检测的幻影波

当被检材料透声性优良,而重复频率选择过高时,还会出现所谓“游动波”,特别在钢(例如5CrNiMo1Cr11Ni2W2MoVCr17Ni2等)或铝合金锻件中容易出现。这种游动波酷似缺陷的反射回波信号,其特点是从荧光屏水平刻度的始波位置出发缓慢地(快慢不一)向底波方向移动,直至越过第一次底波之后,从始波位置起又重新出现并向底波方向游动,在不同条件下,其移动速度不同,有时极为缓慢,在探伤检测中应注意识别。当把重复频率降低后,这种游动波现象即会消失,因此其识别也是比较简单的。

 

4. 激励脉冲振幅

振动是声学的基础,只有声源的振动才能发射出声波。超声波与普通声波一样,是振动在弹性介质中的传播。因此机械振动源和弹性介质是超声波产生的物理基础。振动物体离开平衡位置的最大距离叫振幅,振幅在数值上等于最大位移的大小。振幅是标量,单位用米或厘米等表示。机械振动中最简单的形式是一个自由度振动系统,如图4,一个弹簧振子,元件的质量为m,置于无摩擦的表面上,弹簧的弹性系数为k。如果系统具有一初始位移量,则必然有一个弹性力使系统产生振动。根据虎克定律,弹性力F=-kξ 。即是说,在弹簧的弹性限度内,弹性力F的变化与位移量的变化成正比,弹性力的方向与位移方向相反。

 

 

 

 

 

 


4 弹性质点振动系统

    在振动过程中,它只是自身做能量的转换,由势能转化为动能。在平衡位置处,动能最大,势能为零;在最大振幅处,势能最大,动能为零。对于无阻尼的自由振动来说,振子的势能与动能的和保持恒定值,所以孤立质点的振动不会发生能量的传递。但是,在连续的弹性介质中,当某一质点受到外界作用而在其平衡位置做机械振动时,通过质点间的弹性力作用,就会把这个振动传给与它相邻的质点,使后者也在自己的平衡位置附近振动,如此继续下去,机械振动就在整个媒质中传播开来。

在材料无损评价中,非线性超声的衰减特性已经受到密切注意。大振幅超声波在材料中传播时产生的一些非线性效应,是由主频产生的二次(或高次)谐波,以及驱动振幅对接受到信号的振幅的非线性相关性引起的。测试非线性效应能够获取材料的多种特性,如疲劳、微裂纹、粘合剂的粘结强度、薄膜涂层的特性等。其灵敏度远远高于超声衰减和波速测试等传统的线性方法。实际上,很多信息只能通过非线性测试才能得到。但是,在过去进行这些测试非常困难,原因是这些方法固有的特殊性,缺乏相应的检测仪器。非线性效应产生的信号常常比线性信号小几个数量级,很容易被噪声所掩盖。非线性测试需要在试样中激发振幅很大的信号。RITEC SNAP是世界上第一套专门用于材料无损评估时的非线性效应研究的超声测试系统,堪称世界一流。特别是当需要使用电磁声传感器(EMAT)和空气耦合传感器时,SNAP更可以大显身手。与其它超声系统相比,具备以下特殊性能:在复合材料和其它困难材料中,能激发非常短(短至一个循环)的RF脉冲,进行可重复的测试能激发功率高达5kW的高能RF声脉冲群,从而能驱动效率较低的传感器。

众所周知超声波振动的振幅(位移量)是超声波设备的关键指标之一。超声波振动的振幅直接代表了超声波输出能量的大小,也关系到相关材料的强度和整机的使用寿命。因为频率高,振幅小,常用的测试手段对它无能为力,故很难测量。对于超声波振动系统,从传递力的角度说FF=ma其中m是运动物体的质量,a是该质量物体的运动加速度。也就是位移量对时间的二次导数。(位移量对时间的一次导数是速度,速度再对时间的一次导数就是加速度)。若位移量太大,物体内部应力太大超过了材料本身的抗拉强度,就会造成材料开裂或断裂。一般而言,对20K系统,铝合金的振幅不要超过50um,合金钢的振幅不要超过80um,钛合金的振幅不要超过100um是比较安全的。因此,发射电路施加至压电晶片的振幅不易过大。

 

5. 激励脉冲宽度

激发脉冲超声波的电脉冲一般是一个上升沿小于20纳秒的很尖很窄的脉冲。而从超声脉冲波的波形看,其幅度是由小变大,然后又由大变小,而不是直接从大变小,并且振动可以持续1-10微秒。

发射的超声波是电压脉冲施加在探头上使之振动而产生的,虽然负尖波脉冲也可以产生超声波,但是方波表现更好的可控性和调谐性:一次方波激励使超声探头产生两次振动,以美国泛美EPOCH4仪器信号测试为例,选择PULSER SQUAREFREQ0.28MHz,波形详见图5所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


5 激励方波使超声探头产生两次振动

激励方波的宽度的调节可以使两次振动进行叠加或减弱,当脉冲宽度设置为探头频率周期的一半时(6.25MHz 时使用80ns,通过信号叠加,此时回波灵敏度最大,以美国泛美EPOCH4仪器信号测试为例,选择PULSER SQUAREFREQ6.25MHz,详见图6,7,8所示;而脉冲宽度设置为探头频率周期的一个周期时(7.6MHz 时使用132ns),两个信号反相,叠加可以产生很小的振幅信号,此时分辨率最高,以美国泛美EPOCH4仪器信号测试为例,选择PULSER SQUAREFREQ3.125MHz,详见图9,10,11所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

6 激励方波宽度80ns信号

 

 

 

 

 

 

 

 


7 回波探头一次底波信号叠加

 

 

 

 

 

 

 

 


8 探头频率6.25MHz频谱分析

 

 

 

 

 

 

 

9 激励方波宽度132ns信号

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 回波探头一次底波信号相减

 

 

 

 

 

 

 

11 探头频率7.6MHz频谱分析

在实际使用中,探头均有一定的带宽,最优的脉冲宽度必须通过实验来获得,具体调试方法:将底面回波信号设置为屏幕的80%高度左右,从该探头中心频率的一个周期开始校准脉冲宽度,但有时因为探头带宽较宽,激励脉冲宽度对波形的影响并不大。

 

6. 结束语

发射电路对整个系统的性能指标有重要影响,与其直接相关的最大检测范围、盲区范围是决定仪器性能的重要指标。与普通声波(可闻波)相比,超声波具有许多特性,其中最突出的有:由于超声波的频率高,因而波长很短,它可以像光线那样沿直线传播,使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波;由超声波所引起的媒质微粒的振动,即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以产生很大的力量。

发射电路被触发而产生为激励探头发射超声波的电脉冲,其机理是利用电容器的充放电来实现的,当重复频率太高时,电容器充放电的时间间隔将会显著缩短,将容易产生电容器尚未充电到额定电压值时就开始放电的现象,从而导致发射功率下降使检测灵敏度降低。

材料组织在超声声场的作用下,当超声波满足小振幅条件时,声源与其声场之间为线性关系,即无论在声场的任何距离上,介质质点都重复声源的振动规律,但当超声波不满足小振幅条件,而具有一定振幅(有限振幅,达到有限振幅的波为有限振幅波)时,在材料组织中,随传播距离的增加,必然有谐波成分产生,但材料组织的谐波信号微弱,主要反射(大界面产生反射)和散射(小界面产生散射)基波。由于有限振幅波的传播速度不是常数,而与介质的非线性参量及质点的振速有关,致使波形发生畸变,波形的畸变必然伴随谐波的产生,相继出现高次谐振,分谐振,高次分谐振等。

根据试验的数据,如激励的探头频率为f(MHz),方波宽度为t(ns),则有如下结论:

6.1 重复频率选择过高,将导致发射功率下降使检测灵敏度降低,以及会出现幻影波、假信号。

6.2 大振幅超声波在材料中传播时,会产生一些非线性效应,是主频产生的二次(或高次)谐波,以及驱动振幅对接受到信号的振幅的非线性相关性引起的。

6.3 匹配方波宽度为探头中心频率一半时,此时产生的波形幅度将比同等电压激励的负尖波产生的幅度高12dB 左右。

6.4 2ft=1, 方波激励可以获得良好的分辨率及灵敏度。

6.5 2ft<1, 方波激励可以获得良好的分辨率,但灵敏度下降。

6.6 2ft>1, 方波激励可以获得良好的灵敏度,但分辨率下降。

随着电子技术和软件技术的进一步发展,数字智能化超声探伤仪有着广阔的发展前景。相信不久的将来,更加先进的新一代数字智能化超声探伤仪将逐步取代传统的模拟探伤仪,以图像显示为主的探伤仪将会在工业检验中得到广泛应用。


 

 

Excitation pulse signal used in ultrasonic testing

Chen Changhua

(Technology Center of Maanshan Iron & Steel Company Limited)

 

Abstract: The field effect transistor for switching elements to analyze the ultrasonic transmitter, excitation pulse frequency, amplitude and width on the effectiveness of ultrasonic transducer launching a great impact. Select high repetition rate, there will be ghost wave, false signals. Large amplitude ultrasonic wave propagation in the material will produce a number of nonlinear effects. Excitation pulse width is set to probe the frequency half cycle, the echo maximum sensitivity; the pulse width is set to probe excitation frequency a cycle, the highest resolution. The results show that different types of ultrasonic transmitter should be designed to consider the excitation pulse signal to the ultrasonic detection.

Keywords:  Wave Excitation, Pulse Frequency, Pulse Amplitude, Pulse Width, Transmitter Circuit, Ultrasonic Transducer