用于無損檢測的一種新方法

1、用于無損檢測的一種新方法  楊 奕 陳以方 付德永  摘要：本文提出了一種新的相控陣檢測的方法，采用合成聚焦代替動態(tài)聚焦，無需制作實際的控制超聲延時發(fā)射的電路，并根據(jù)此方法，研制開發(fā)了基于計算機(jī)的一套64通道線性超聲陣列的采集和信號處理實驗系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，這種相控陣信號處理方法，能改善信噪比，提高橫向和縱向分辨率，可實際應(yīng)用于工業(yè)無損檢測。此外，這種新型相控陣處理技術(shù)，能提取被檢測物的聲阻抗、聲速、頻散、散射體物性等信息，可以作為一種有效的研究手段。關(guān)鍵詞：合成聚焦; 超聲相控陣; 采集和信號處理中圖分類號：tn911.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：

2、1006-883x(2003)05-0005-04  一、 引言相控陣用電子技術(shù)調(diào)整焦點位置和聚焦方向，以實現(xiàn)動態(tài)聚焦，與以前的機(jī)械調(diào)焦法相比，具有快速、準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，而且成像質(zhì)量好，因此在無損檢測的很多領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。但是，由于相控延時發(fā)射電路的復(fù)雜性，使其對發(fā)射信號的同步和延時要求很高，而且隨著陣元數(shù)目的增加，控陣電路的制作的復(fù)雜性和成本都顯著增加，因此，其廣泛應(yīng)用受到了極大的限制。通常情況下，相控陣的實現(xiàn)方法是通過多通道信號發(fā)射系統(tǒng)來改變每路信號的延時，控制相控陣傳感器的各個陣元，使它們發(fā)出的聲束在空間某點進(jìn)行實際聚焦。本文提出了一種新的相控陣處理技術(shù)，可用相同

3、的信號激勵各個晶片，采集回波信號存入計算機(jī)。然后，根據(jù)各個晶片到達(dá)虛擬焦點的位置計算出聲程差并轉(zhuǎn)換成時間差，把原本是同時發(fā)射的信號進(jìn)行平移，虛擬延時發(fā)射，定點聚焦?；谶@種思路，我們研制了一套實驗系統(tǒng)，用以求證這種方法的可行性。   二、實驗系統(tǒng)的硬件組成系統(tǒng)主要包括：計算機(jī)、tds210型數(shù)字示波器、tds2mm擴(kuò)展模塊、傳感器陣列及譯碼選通裝置等。1、試驗樣塊及傳感器陣列如圖1所示，在一塊尺寸為235×195.6 ×20.6mm3的銅板的頂部貼上64個緊密排列的晶片陣列，晶片尺寸為18×3 mm2 ，厚度是0.8mm，材質(zhì)為pzt-5，固有

4、頻率為2.8mhz。在銅板上加工7個通孔（abcdefg）作為人工缺陷，其中圓孔直徑為3.2mm，長方孔截面尺寸為10×6mm2。經(jīng)過計算，晶片的聲阻抗為30.7×106n·s/m3，銅的聲阻抗為37×106n·s/m3。阻抗匹配良好，保證了傳感器的窄脈沖，以獲得高分辨率。用兩個譯碼選通電路，每次同時選通兩個晶片 i 和 ii，分別發(fā)射和接收超聲波，并分別與示波器通道1和2接通。采用xc16b脈沖發(fā)生器產(chǎn)生始脈沖來激勵晶片 i ，始脈沖脈寬為240ns，電壓為20v。晶片 i 受激振動發(fā)出超聲波，在銅板中傳播，遇到氣孔與材質(zhì)銅的界面反射回來，用

5、晶片 ii 接收回波信號，并送入示波器通道2。然后ds2mm擴(kuò)展模塊通過串口，利用計算機(jī)全波列采集示波器通道2的回波信號，提取和存儲許多特征，用應(yīng)用軟件例如matlab分析波形，進(jìn)行信號處理分析。2、tds210型示波器本系統(tǒng)采用美國tektronix公司的tds210型數(shù)字存儲示波器，該示波器帶寬為60mhz，取樣速率為1gs/s，雙通道輸入，記錄長度為2500個點，采樣位數(shù)為8bit，垂直分辨率為0.4，水平精確度為±0.01%。在該示波器的tds2mm擴(kuò)展模塊中帶有rs-232 的8位串行通信接口，可直接用帶db-9型連接器的電纜連接計算機(jī)進(jìn)行通信，使用非常方便。 三

6、、實驗系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)用vb6.0與vc6.0編程。系統(tǒng)依照如下步驟工作：啟動后自動完成初始化，設(shè)置示波器特性，進(jìn)行數(shù)據(jù)的人工采集或自動采集；在自動采集的情況下，控制光電繼電器按照一定順序，定時每次選通陣列中的兩個晶片，分別接通發(fā)射和接收回路；實時采集通道2中的回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件；然后利用matlab編程，對采集的信號組進(jìn)行排列、移項、疊加、頻譜分析等；進(jìn)而可以根據(jù)信號處理的結(jié)果，對缺陷的形狀、位置、大小進(jìn)行成像分析。1、通信與數(shù)據(jù)采集示波器實時采集傳感器陣列裝置中的超聲波信號，同時通過示波器把數(shù)據(jù)送入計算機(jī)內(nèi)存，對常用波形參數(shù)，如周期、頻率、振幅、上升/下降時間、脈沖寬

7、度、峰峰值等做測量，將波形數(shù)據(jù)與測量結(jié)果存入計算機(jī)硬盤留做日后處理。所有波形數(shù)據(jù)可存為一個3維的矩陣，（a1,a2,t）分別表示發(fā)射晶片的編號（164），接收晶片的編號（164）以及時間坐標(biāo)（12500）。2、信號處理與分析常規(guī)相控陣聚焦技術(shù)，是一種動態(tài)聚焦，需要實時改變各個發(fā)射陣元的相位，從而調(diào)節(jié)焦點的位置，根據(jù)反射回波來探測缺陷信號。本系統(tǒng)采用合成聚焦技術(shù)，依據(jù)疊加原理，把陣元發(fā)射和接收的信號按照波動學(xué)規(guī)律合成，即通過計算機(jī)把數(shù)值信號在時空域中合成，是一種非實時的聚焦方式。它能夠把能量匯聚到探測區(qū)，最大限度的收集探測點散射的信號，極大的提高信噪比，然后對合成的信號進(jìn)行處理分析。3、合成聚焦

8、及缺陷檢測圖2是一族回波信號。從上到下依次代表的是1到64號晶片自己發(fā)射自己接收的信號?？梢源笾驴闯鋈毕莸姆植记闆r。信號群a、b、c、d、e、f、g分別對應(yīng)的是銅塊試樣中的預(yù)留孔a、b、c、d、e、f、g。因為a孔最深，所以回波靠后。在回波信號后面，與之平行等距，而且波幅有所減小的波為側(cè)面波。如果信號足夠強(qiáng)，可以有多次側(cè)面波，例如b1、c1、c2、d1、d2、e1等。相控陣的原理是通過改變相鄰超聲傳感器的相位差值，也就是調(diào)整各個晶片的發(fā)射時間，從而實現(xiàn)在指定位置聚焦的目的。本系統(tǒng)提出一種新的思路，用軟件處理的方法，把信號做移項處理，虛擬延時發(fā)射、定點聚焦，而無需制作實際的相控延時和同步發(fā)射的控

9、制電路。圖3代表的是1到64號晶片發(fā)射，第27號晶片接收的反射回波信號。a、b、c、d、e、f、g分別對應(yīng)的是預(yù)留孔a、b、c、d、e、f、g，m1和m2是瑞利波，沿著銅塊上表面?zhèn)鞑?，傳播距離最短，傳播時間最少。虛擬聚焦點在孔c的中心，坐標(biāo)為（88，86）。因為27號晶片在孔c的正上方，發(fā)射的超聲波最早達(dá)到c，也最早反射回來，所以它的聲程最短，第27條信號線在整個c族信號的最前面。根據(jù)聲程的不同，將64條信號進(jìn)行移項處理，與27的c信號對齊，結(jié)果如圖4所示。經(jīng)過相位調(diào)整，所有晶片發(fā)射的超聲在該點的回波信號（c）在時間上排列一致，即各個晶片發(fā)射的超聲在該點處發(fā)生了實際的聚焦。理論分析結(jié)果和實際情

10、況吻合，說明此處確實存在缺陷。圖5是一組對比信號。信號i是第27號晶片對孔c自發(fā)自收的回波信號。單個晶片的信號很微弱，孔c的回波峰峰值不到14mv。將圖3所示的延時排列的信號與c¢疊加，得到圖5所示的信號ii。明顯看出，聚焦后孔c的回波信號顯著增強(qiáng)，峰值達(dá)到0.4v，隨機(jī)的噪聲信號以及其它孔的回波信號都互相抵消而幾乎消失，只留下一次回波及其自身的兩次側(cè)面波。虛擬聚焦點在坐標(biāo)（85，86）處，即左偏c孔3mm，把延時排列后的信號疊加，結(jié)果如圖5信號iii所示。幅值只有ii的五分之一。說明（85，86）處不存在實際的缺陷。將圖5的信號i、ii、iii進(jìn)行傅立葉變換，得到圖6所示的頻譜圖2

11、。如圖6（a）所示，由于材料顆粒以及小孔的散射作用，使得信號頻率降低，信號i的能量主要集中在1.2mhz左右，有效信號的能量很低，而且信噪比較低。如圖6（b）所示，信號ii的能量顯著提高，約為信號i的180倍，中心頻率仍為1.2m，與i的結(jié)果吻合，帶寬約為0.7m，且能量分布規(guī)整。如圖6（c）所示，信號iii頻譜雜亂，呈散條狀，且幅度很低，不是有效信號的頻譜，可以進(jìn)行橫向濾波。信號處理分析的結(jié)果與實際情況一致。實際情況是，在（85，86）處，不存在實際的缺陷。頻譜分析的結(jié)果比幅值比較的結(jié)果更加顯著。對642個波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以一定間距對銅板中的各點進(jìn)行虛擬掃描聚焦，將信號的各種參數(shù)在時域

12、、頻域中進(jìn)行綜合分析，便可得知整個銅板中缺陷的分布情況，從而在計算機(jī)上實現(xiàn)了數(shù)字化探傷儀的功能，甚至可以做出銅板中缺陷分布的直觀示意圖。 五、結(jié)束語本文提出了用軟件分析的方法對超聲相控陣的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可以避開相控延時硬件電路的設(shè)計，極大的節(jié)約了成本和時間。本文提出的信號處理方法，能很好的過濾噪聲，強(qiáng)化有用信號，對缺陷的無損檢測有很高的分辨率。參考文獻(xiàn)：1 1     張銳.基于計算機(jī)的多功能信號測量與處理系統(tǒng)j.電測與儀表，2002，39：24-252 2     vinay k.ingle，j

13、ohn g.proakis. 數(shù)字信號處理及其matlab實現(xiàn)m. 北京：電子工業(yè)出版社，1998.147-157. a new method of phased-array ultrasonic used in ndtabstract: in this article, a new kind of array-phased ultrasonic testing method is discussed. the dynamic focusing is replaced by a synthetic focusing method with no need to devise the

14、practical circuit controlling the transmission of ultrasound. according to this method, a computer-based signal sampling and processing system of linear phased array ultrasonic with 64 channels was developed. the experimental results indicate that this kind of new technique for processing signals ca

15、n improve the signal to noise ration, increase axial and lateral resolution, and thus applying to industry ndt practically. this new array phased processing technology can extract acoustic impedance, sound velocity, frequency dispersion, the physical character of scatter, etc. so it can be used as an effective research method.keywords: synt