超声底波成像方法研究

　　随着超声成像技术研究的飞速发展^[1~6],超声成像检测在越来越多的领域得到广泛应用。在对被检测工件进行超声成像处理时,必须预先设定超声检测信号闸门,保证缺陷引起的超声信号出现在闸门范围内。然而在实际检测中,由于界面波的信号通常比缺陷信号强得多,而且具有一定的波宽,因此上界面附近(即盲区)存在的缺陷信号常会被界面波信号湮没,因而无法检测;同样大小的缺陷,如果所在的深度不同,其缺陷波幅值高低不同,而超声成像时又无法对其进行增益补偿,这样深度较大处的缺陷信号有可能被噪声湮没,进而出现漏检。针对以上情况对底波成像展开了研究。

　　1　检测系统

　　检测系统为五轴水浸超声成像系统,可以实现平面、柱面、锥面和球面等工件的水浸超声成像。平动机构的X,Y和Z向定位精度为±0.05 mm,重复定位精度为0.02 mm,回转机构的R,Q向重复定位精度为±0.1°。

　　系统硬件模/数转换(A/D)采用美国NI公司NI25911卡,100 M帧/s实时采样、100 MHz频宽、8~21位精度、由频率与采样率决定单一通道、高达27位仿真自由动态范围16 MB内存,软件系统采用NI的Windows/CVI开发应用程序

　　1.1　系统结构

　　五轴水浸超声波扫查装置主要由五轴机械运动机构和开放式计算机测控系统构成,结构见图1。

　　系统工作时,由运行在工控机上的测控程序向运动控制卡发出运动指令,再由运动控制卡控制扫查机构中相应的运动轴按照程序预定的轨迹运动,与各运动轴伺服电机直连的旋转编码器将各轴的运动及位置信息反馈回运动控制卡,形成半闭环运动控制系统,以提高扫查机构的运动精度。另一方面,超声波传感器采集的信号经超声探伤仪和数据采集卡的数字化处理送入工控机,由测控程序对采集的超声波数字信号作进一步数据处理,并与编码器反馈回来的各轴的运动位置信息在系统数据库中建立起一一对应关系,以备对超声波无损检测的数字化和图像化处理。

　　1.2　扫查装置机械结构

　　扫查装置的机械结构主要由支架、水平转台、水槽、X向运动机构、Y向运动机构、Z向运动机构和探头调节机构等零部件构成(图2)。

　　2　底波检测原理^[7]

　　底面回波高度检测原理为,在一定检测灵敏度下,当被检工件的材质和厚度不变时,底面回波的幅值应是基本不变的,如果工件内部存在缺陷,由于缺陷反射,使到达底面的超声波能量减少,底面回波幅值会下降;缺陷越大,缺陷波幅度越高,底波幅度越低甚至消失。

　　利用超声底波幅度进行成像具有如下优点,①同样投影大小和深度的缺陷可以得到同样的底波指示。②闸门位置设置容易,只需选中幅值高的底波即可,即使缺陷位于其它超声检测盲区,缺陷信号被界面波信号湮没,底波依然变化明显,不会出现盲区。③超声成像检测时,对于同样投影大小的平底孔而言,如果深度位置不同,其回波幅值大小不同,回波分贝差为40lg(x2/x1),其中x1,x2为缺陷的不同深度位置。由于底波的幅值很高,当存在缺陷时,底波幅度降低,甚至消失,变化幅度明显,故利用底波幅值进行超声成像可以提高缺陷检出率。④不同性质的缺陷,其反射面不同,底波高度也不一样,在某些情况下可以利用底波来判断缺陷的性质。对于大面积缺陷(如夹层和裂纹等),其缺陷波形很强,底波消失;对于点状缺陷如气孔、夹渣或其它面积较小的缺陷,其缺陷波与底波共存。⑤底波幅值成像还可以对工件形状进行扫描,通过监测底波的变化,可以判断并得到工件外形边界信息,从而得到工件的形状图像(图3)。