数字超声波探伤扫描技术应用

陈昌华,杨永安(邮编243000,马鞍山市马钢技术中心,机电公司)

 

    超声检测技术作为工业上五大常规无损检测技术之一,一直被人们广泛地应用。数字超声波探伤扫描技术能得到断面上的二维信息及被检测物体缺陷三维空间结构,因此断层图像的三维重建在工业无损探伤的领域有着极其重要的实用价值和研究意义。随着电子技术和软件的进一步发展,数字化超声探伤仪有着广阔的发展前景。相信在不久的将来,以图像显示为主的超声波探伤扫描技术将会在工业检验中得到广泛应用。

主题词  超声波探伤;A扫描B扫描C扫描D扫描3D扫描TOFD扫描相控阵扫描多通道扫描

 

NUMBERALIZATION ULTRASONIC TESTING SCAN TECHNOLOGY APPLICATION

Chen Changhua

(Technology Center of Maanshan Iron & Steel Company  Limited)

 

Abstract: Ultrasonic testing technology, as one of the five conventional NDT technology, has been applied widely all the time. Two-dimensional information in section and three-dimensional space structure of the defects can be gained by use of the numberalization ultrasonic testing scan technology. Therefore, the three-dimensional reconstruct of the section image has played an important pole in practice and research in the industry NDT field. With the further development of the electronics and software, the numeralization ultrasonic testing instrument will hold a bright prospect. It is believed that the image display, as the primary feature of ultrasonic testing scan technology, is becoming more and more popular in the industry testing field in the near future.

Keywords: Ultrasonic Testing, A Scan, B Scan, C Scan, D Scan, 3D Scan, TOFD Scan, Phased Array Scan, Multi-channel Scan

 


1.     前言

数字信号的处理是用程序来实现的。通常超声波探伤进行的处理是去除信号中的噪声,其次是将已经去除噪声的信号进行再处理,包括增益控制、衰减补偿、信号包络、FFT分析及图像显示等。超声信号经接收部分放大后,由AD模数转换器变为数字信号传给电脑,换能器的位置可受编码电机控制或由人工操作,由转换器将位置变为数字传给电脑。电脑再把随时间和位置变化的超声波形进行复杂的处理,得出了探伤的各种扫描数据,进而设置有关参数或将处理结果波形、图形等在屏幕上显示、打印出来或给出光、声识别及报警信号。

作为与X射线技术并列的两大无损检测手段之一,超声波探伤技术由于其自身的特点,首先受到了以微电脑为代表的新技术的影响。从二十世纪七十年代以来,计算机应用开始进入超声波探伤领域。起初由于电子电路和电脑技术发展的限制,还不可能制造出与微电脑一体化的便携式数字超声波探伤仪。计算机应用的主要形式以传统的模拟超声波探伤仪通过某种接口与小型或微型计算机联机,完成某种特定工件的自动化探伤或探伤波形进行一些简单处理(信号处理)。直到二十世纪八十年代以后,随着集成电路技术和微电脑技术的快速发展,与微电脑一体的全数字化的便携式超声波探伤仪终于走向了广阔的检测市场。二十世纪八十年代中后期我国陆续出现了一些超声波形采样装置,超声波形记录仪,超声波形分析仪,以及分析仪与探伤仪一体化的设备,可以切换显示模拟数字混合便携式超声波探伤仪。

二十世纪八十年代中期,国际上数字超声波探伤技术出现了突破,新一代便携式全数字仪器得到迅速发展。相比之下国内的技术显得落后。可喜的是,我国研究人员奋起直追,到二十世纪九十年代初陆续研制出了自已的便携式全数字仪器,且仪器功能和性能指标已能和国外先进仪器相媲美,并有自己独到之处。更值得一提的是,我国的数字式超声波探伤仪技术正在走向成熟,正在由样机研制阶段向批量化、产业化阶段过渡。

 

2.       A型超声波探伤扫描技术

A型超声波探伤因其回声显示采用幅度调制(amplitude modulation)而得名。A型显示是超声波探伤最基本的一种显示方式,即在阴极射线管(CRT)荧光屏上,以横坐标代表被探测物体的深度(时间轴),纵坐标代表回波脉冲的幅度,故由探头(换能器)定点发射获得的回波所在的位置可测得工件的厚度、缺陷在工件中的深度以及缺陷的大小。根据回波的其它一些特征,如波幅和波密度等,还可在一定程度上对缺陷进行定性分析。

由于A型显示的回波图,只能反映局部的回波信息,不能获得在工件上需要的解剖图形,且缺陷的准确性与操作者的识图经验关系很大,因此其应用价值已渐见低落。如图1 A型扫描显示。

1  A型扫描

 

3.       B型数字超声波探伤扫描技术

为了获得工件内部的解剖图像,继A型超声波探伤应用于现场,B型、C型、D型、3D型、TOFD型和相控阵数字超声波探伤又先后问世,由于它们的一个共同特点是实现了对工件的断层显示,通常将这类仪器称为超声断层扫描探伤仪。

虽然B型超声波探伤因其成像方式采用辉度调制(brightness modulation)而得名,其图像所显示的却是工件的二维超声断层图(或称剖面图)。B型超声波探伤采用辉度调制方式显示深度方向所有界面反射回波,但探头发射的超声声束在水平方向上却是以快速电子扫描的方法(相当于快速等间隔改变A超探头在工件上的位置),逐次获得不同位置的深度方向所有界面的反射回波,当一帧扫描完成,便可得到一幅由超声声束扫描方向决定的垂直平面二维超声断层图像,称之为线扫断层图像。也可以通过改变探头的角度(机械的或者电子的方法),从而使超声波束指向方位快速变化,使每隔一定小角度,被探测方向不同深度所有界面的反射回波,都以亮点的形式显示在对应的扫描线上,便可形成一幅由探头摆动方向决定的垂直扇面二维超声断层图像,称之为扇扫断层图像。如图2的线扫断层图像显示。

2  B型扫描

线扫式断层B型超声波探伤适用于平面型工件,如对板材的检查,而扇扫断层B型超声波探伤适用于对R部位的检查。现代B型超声波探伤通常同时具备以上两种探查功能,通过配用不同的超声探头,可方便地进行转换应用。

 

4.       C型数字超声波探伤扫描技术

C型超声波探伤是在B型的基础上发展起来的,它具有X射线拍片相类似的图像。我们知道,B型超声波探伤获得的是一帧垂直断层图像,即被探查工件的垂直解剖图像,但却不易获得被探查工件的水平解剖图像。然而,在实际应用上,有时往往需要检查焊接的工件,这就要求探伤显像仪能具有X射线拍片的类似效果。因此,人们在B型的基础上研制成功了C型超声波探伤。

C型超声波探伤采用多元线阵探头实现水平面上的xy方向综合扫描,即在水平x方向采用和B型一样的电子扫描方式,而在水平y方向上通过机械的方法使探头移动。

如果仅仅在探头的扫描方法上采取以上措施,仍不能在显示上获得C型声像图,要获取某一探测深度的C型声像图,还需在接收回路设计一个距离选择开关,并通过控制该开关的开通时间,来控制同一深度的回波信号被接收显示,由此获得该深度的平面C型声象图。如图3 C型连续谱扫描及图4 C型灰度扫描显示。如果使多元线阵探头通过机械的方法绕轴摆动,则可获得任意深度的曲面C型声象图。

3  C型连续谱扫描

4  C型灰度扫描

如果距离选择开关的开通时间不是一个常数,而是一个线性变量或者为一非线性函数,则接收的不再是同一深度的回波信号,由此获得的深度切面图在Z方向为一斜面或为一曲面声象图,通常将这种声象图称为F型声象图,这样的超声波探伤称为F型超声波探伤仪。

 

5.       D型数字超声波探伤扫描技术

D型超声波探伤与B型超声波探伤显示方式相同,区别在于D型超声波探伤是侧面图,而B型超声波探伤是主视图。D型超声波探伤深度方向所有界面反射回波,与探头发射的超声声束在垂直方向电子扫描的方法,逐次获得不同位置的深度方向所有界面的反射回波,当N帧扫描完成后,便可得到一幅由超声声束扫描方向决定的垂直平面二维超声断层图像(截面图)。如图5 D型扫描显示。

5  D型扫描

 

6.        3D数字超声波探伤扫描技术

使用三维图像,进行精确的三维结构分析,通过XYZ纵横截面的观察,能够分析工件缺陷的侧面及断层立体结构。数据场的三维可视化(3D图形)如图6 C型投影图、B型主视图扫描及7 3D型图像对照显示。

6  C型投影图、B型主视图扫描

7  3D型图像扫描

容易的XY轴操作和设置通过“左转”“右转” “上转”“下转”按钮,或者直接设定一个数值都可以确定观察区域的上下限。选择步进值后,XYZ图像系列就可以自动获得。如图83D型图像扫描按钮。

8  3D型图像扫描按钮

 

7.       TOFD数字超声波探伤扫描技术

衍射时差法 (TOFD)是一种依靠从待检工件内部结构(主要是指缺陷)的“端角” 和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法。TOFD超声检测技术与常规超声脉冲回波技术相比能够提供更先进的缺陷检测和定量能力,它主要利用超声脉冲正向散射的衍射和反射信号。TOFD 已经得到ASTM E2373-04ASME VIII Code 2235CEN ENV 583-6 (2000) BS 7706 (1993)等标准的认可。TOFD 对于判定缺陷的真实性和准确定量上十分有效。同时,TOFD 可以和脉冲反射法相互取长补短。例如,检出焊缝中部的缺陷,判断缺陷是否向表面延伸等就是它的强项。二十世纪七十年代中期由UKAEA Harwell发现的定量很准,之后成为一种标准的定量技术,在二十世纪九十年代初,TOFD开始用于管线单独使用TOFD的缺陷检出率很高。相位变化如图9 TOFD型扫描显示。

 


9  TOFD相位变化

在一幅好的 TOFD图上可以清晰地看到直通波。一般用于校准。如果待检工件表面比较干净缺陷信号比较明显,内壁反射很强。典型TOFD 成像如图10 TOFD型扫描显示。

 

 

   

 

 

 

 


10  TOFD型扫描

 

8.       相控阵数字超声波探伤扫描技术

应用相控阵技术,对施加于线阵探头的所有振元的激励脉冲进行相位控制,亦可以实现合成波束的扇形扫描,应用此技术实现波束扫描的B型超声波探伤称为高速电子扇扫即相控阵扫描B超仪。

对成线阵排列的多个声学上相互独立的压电振元同时给予电激励,可以产生合成波束发射,且合成波束的方向与振元排列平面的法线方向一致,这种激励方式称为同相激励。如果对线阵排列的各振元不同时给予电激励,而是使施加到各振元的激励脉冲有一个等值的时间差τ,如图11的相控阵扫描原理,则合成波束的波前平面与振元排列平面之间,将有一相位差θ。

 

 

 

 

 

 

 

11 相控阵扫描原理

如果均匀地减少τ值,相位差θ也将随着减少。当合成波束方向移至θ=0时,使首末端的激励脉冲时差取反并逐渐增大,则合成波束的方向将向-θ增大的方向变化,如果对超声振元的激励给予适当的时间控制,就可以在一定角度范围内实现超声波束的扇形扫描。这种通过控制激励时间而实现波束方向变化的扫描方式,叫做相控阵扫描。

各相邻振元激励脉冲的等差时间τ与波束偏向角θ之间的关系由下式给出

                             

式中,C=5900/秒,为超声波在工件中传播的平均速度;d为相邻振元的中心间距。车轮轮缘缺陷的扇形扫查截面图如图12的相控阵扫描。

12  相控阵扫描

 

9.       多通道数字超声波探伤扫描技术

对工件进行自动化或半自动化超声波检测的方法,关键在于使用机械化传动或驱动装置实现自动扫查,还要解决检测信号的自动处理、实现多通道检测、自动记录检测结果等,以提高检测的效率。影响自动化超声检测的因素很多,除了检测仪器、探头、检测工艺、耦合方式以及缺陷自身特点、操作人员的技术水平等方面,很重要的内容就是机械化装置的合理设计与机械部件的加工、装配精度,运动精度等等,这些因素都会直接影响自动化超声检测的可行性与系统的工作可靠性、稳定性,以及检测速度与效率。


随着自动控制技术与电子技术、自动化技术的不断发展,特别是电子计算机技术的应用进入无损检测领域,使得多通道自动化超声检测技术获得迅速的发展,例如已经出现了32通道甚至数百通道钢板自动化超声检测系统、大型螺旋焊管的焊缝自动化超声检测系统、铁路钢轨的在役自动化高速检测(检测速度可高达60公里/小时),火车车轮的自动化超声检测等等,智能化、数字化的自动超声检测系统已经获得很大发展,可以预期将会有更多更好更快更可靠的自动化超声检测系统出现和投入应用。如图13的多通道数字超声波探伤扫描显示。

13  多通道超声波扫描

 

10.   结束语

数字信号处理是研究用运算对信号实现滤波、检测、调制、解调、均衡等功能的手段,同时也是对信号进行各种变换与频谱估计的方法。其目的都是为了滤除信号的背景噪声干扰,削弱信号中的多余信息量,便于估计信号的特征参数,或变换成易分析及易识别的形式。一般来说,超声波探伤的波形分析、频谱分析与随机信号处理是现代数字超声信号分析的三个主要部分。

随着电子技术和软件技术的日新月异的发展,数字式超声波探伤仪的发展有着无限广阔的前景。预计在今后不长的一段时间内,技术的进步将会加速进行。仪器从性能上、功能上,以及体积、重量等诸方面都将有很大的改观,数字式超声波探伤仪的发展正方兴未艾。

缺陷定性历来是UT检测的一个疑难问题,现代人工智能学科的发展为实现仪器自动缺陷定性提供了可能,运用模式识别技术和专家系统,把大量已知缺陷的各种特征量输入样本库,使仪器接受人的经验,并经过学习后而具备自动缺陷定性的能力(自学习识别)。

我们认为,今后几年内将是我国数字式超声波探伤发展的关键时期,机遇与挑战并存。相信在现有的基础上,在国家高科技政策的推动下,通过科研人员和产业界的努力,具有先进水平和高性能价格比的国产新一代数字式超声波探伤仪将相当部分地取代传统的模拟探伤仪,使我国的超声探伤技术手段有一个大的改观,将极大地缩小与先进国家的差距。