超聲衍射回波渡越時間法的改進(jìn)

超聲衍射回波渡越時間法的改進(jìn)

1超聲tofd法超聲輻射渡越時間法是20世紀(jì)70年代產(chǎn)生并開發(fā)的一種精確測量垂直或垂直裂縫缺陷的位置和尺寸的方法。與傳統(tǒng)的脈沖法不同,反射回波的能量或到達(dá)時間不是用來測定缺陷的有無,而是檢測缺陷的尺寸和位置。借助聲速和探頭幾何位置等信息,該法可方便地計算缺陷上下端面的位置,進(jìn)而得到缺陷的深度和長度。脈沖法的精度一般是10mm。超聲TOFD法的精度可達(dá)±0.3mm。高精度和低價便攜的硬件設(shè)備使該法迅速在石油化工、能源和無損檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,超聲TOFD法的盲區(qū)大大限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用和深入發(fā)展。當(dāng)缺陷接近于被測表面時(端部處于被測表面下8mm之內(nèi)),衍射回波會與側(cè)向波重疊?；夭ǖ牡竭_(dá)時刻很難確定。無法計算缺陷的位置和尺寸。現(xiàn)有的解決方案主要集中于通過濾波、頻譜分析、和希爾伯特變換等信號處理方法分離重疊的信號。然而,參數(shù)選擇和計算復(fù)雜度增加了這些方法在應(yīng)用上尤其是在線檢測上的難度?；诔曆苌浞瓷浠夭ǘ稍綍r間(TOFDR)的缺陷識別技術(shù)從檢測方法,而非后續(xù)數(shù)據(jù)處理角度,改進(jìn)了TOFD法。該法可直接通過回波到達(dá)時間、聲速和探頭物理位置等信息得到缺陷的位置和尺寸。不但不需要信號的分離處理,還將盲區(qū)的范圍縮減到表面下2mm之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該法的有效性和可行性。被測試件表面下2～35mm之內(nèi)94%的缺陷可以被檢測到,實(shí)際位置和尺寸同計算結(jié)果吻合,精度為±0.3mm。2最大回波信號的時間TOFD法的數(shù)學(xué)模型可用圖1(a)表示。發(fā)射探頭(T)和接收探頭(R)分別布置在被測物的同側(cè)表面。固定T,慢慢移動R。當(dāng)缺陷位于探頭對之間時,會有四種信號產(chǎn)生。分別是側(cè)向波(直接從T傳輸?shù)絉)、底面波(經(jīng)過底面反射的聲波)和缺陷上下端面的衍射回波。圖1(b)為各個信號到達(dá)時間的示意圖。兩個端面的衍射回波會在側(cè)向波和底面波之間出現(xiàn)。各信號相位依次相差90度。假設(shè)探頭間距為2S;缺陷深度為D;長度為L;被測件厚度為H;聲速為c;缺陷與探頭中間處距離為Y;聲波在探頭內(nèi)傳輸時間為t0;信號傳輸S1,S2,S3和S4聲程的時間為t1,t2,t3和t4。根據(jù)勾股定理可以得到式(1)。當(dāng)Y為0的時候,缺陷位于兩個探頭正中間,端面反射回波幅度最大,傳輸時間最短?？梢缘玫绞?2):3tofdr法原理TOFD法通過探頭和試件簡單的幾何關(guān)系以及信號到達(dá)時間差可以計算出精確的缺陷位置和長度。但它無法識別出接近表面的缺陷。當(dāng)缺陷上端面或全部位于盲區(qū)(表面以下8mm之內(nèi))時,側(cè)向波和端面衍射回波的聲程差距很小,到達(dá)時間很接近,重疊現(xiàn)象無法避免。要通過信號到達(dá)時間差得到缺陷位置和長度,就必須先使重疊的信號分離開。TOFDR法原理如圖2(a)所示。聲波傳播路徑的確定基于一個前提,即反射發(fā)生在聲程最短處。圖中,接收探頭不直接接收端面衍射的回波信號,而是接收經(jīng)過底面反射過一次后的回波信號。端面回波的聲程會比側(cè)向波的聲程大很多,甚至比底面波的聲程還要大。如此,信號的到達(dá)時間差增大,重疊被巧妙地避開了。各信號到達(dá)時間如圖2(b)所示。兩個端面的反射回波在側(cè)向波和底面反射波后出現(xiàn)。為簡單起見,僅討論缺陷位于兩探頭正中間的情況。假設(shè):ta———側(cè)向波從T到達(dá)R的時間;S1+S2+S3———T發(fā)出的聲波經(jīng)過缺陷上端面衍射,底面反射后被R接收的總聲程;tc———到達(dá)時間;S4,S5,S6和td———下端面回波的聲程和到達(dá)時間。根據(jù)勾股定理和對稱原理,兩個端面的總聲程可由式(5)和(6)表示:以底面反射波(BW,到達(dá)時間為tb)為參考信號,兩端面同BW的聲程差可由式(7)和式(8)表示。信號到達(dá)時間差、聲速、探頭間距和試件厚度都是已知的。聯(lián)立這兩式可以解出缺陷上下端面的深度D和D+L。4超聲波探傷檢測在核工業(yè)無損檢測中心,分別對五段半剖的海底管道樣本進(jìn)行了檢測。這些管道材質(zhì)為合金鋼,壁厚從15～40mm不等,內(nèi)部共有30余處用電火花加工的不同尺寸和深度的裂縫缺陷。寬帶縱波斜探頭尺寸為6mm×6mm,頻率為5MHz和10MHz。偶合劑為水。選用德國USN-60型數(shù)字超聲波探傷儀。為提高精度,保證具有重復(fù)性,將兩個探頭裝在一個有刻度的實(shí)驗(yàn)車上,易于調(diào)整距離和位置。利用測向波和底面反射波的位置和信號間的相位關(guān)系,兩端面衍射回波容易判斷。根據(jù)回波信號幅度變化可以將缺陷調(diào)整到兩探頭正中間的位置。4.1端面深度不同在完全一致的條件下,分別用兩種方法對各個管道樣本進(jìn)行多次檢測,并按公式計算缺陷參數(shù)。TOFDR法計算結(jié)果與實(shí)際參數(shù)一致。誤差在±0.3mm之內(nèi)。表1顯示了部分計算結(jié)果。由于最難檢測到的是缺陷上端面的位置,此處僅給出部分上端面深度計算結(jié)果。當(dāng)端面深度大于8mm時,兩種方法均可給出滿意的結(jié)果。當(dāng)端面深度小于8mm的時候,TOFD方法幾乎測不到衍射回波,給出的結(jié)果全為零。TOFDR方法仍可以給出與實(shí)際近乎一致的結(jié)果。只有當(dāng)端面深度小于2mm時,TOFDR方法也給出零結(jié)果?？梢?盲區(qū)從表面下8mm減小到了2mm。4.2不同接頭頻率的檢測其它條件不變,僅改變兩個探頭之間的距離,從20～120mm,用TOFDR方法對五個典型缺陷(深度在2～20mm之間)進(jìn)行檢測。計算結(jié)果見圖3(a)。同樣,僅改變兩探頭的頻率,對同樣的缺陷進(jìn)行檢測,計算結(jié)果見圖3(b)?？梢?探頭間距和頻率的改變對這一深度范圍內(nèi)缺陷的TOFDR檢測幾乎沒有影響。5表面回波和回波信號重疊檢測在TOFD基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)的TOFDR方法。通過接收經(jīng)底面反射一次后的回波信號,巧妙避開了測向波和端面回波信號的重疊,從而將盲區(qū)縮減到被測表