參考塊上數(shù)字超聲儀聲速的測取

參考塊上數(shù)字超聲儀聲速的測取

0回波信號的采集在超聲波檢測方面，通常需要調整標準試塊（例如csk-a）上的儀器，并在參考塊（例如csk-a）上制作距離波幅曲線，以便進行檢測。傳統(tǒng)模擬超聲儀通過調節(jié)掃描比例使顯示器面板上的格子代表一定的聲程來進行定位。數(shù)字超聲儀通過信號采集單元以高頻采取回波信號幅度并轉換成數(shù)字,該數(shù)字序列與時間形成對應關系。數(shù)字超聲儀目前多用成熟的嵌入式系統(tǒng)作為開發(fā)平臺,除了發(fā)射聲波和采集回波信號的單元外,數(shù)據(jù)處理、顯示、保存等都可以用后端的程序實現(xiàn)。本文根據(jù)數(shù)字超聲儀的這些特點,從抽象的視角來提出只用一個參考試塊(CSK-ⅢA)調節(jié)數(shù)字超聲儀的聲速、延遲、探頭前沿以及折射角的方法,并分析和推導出理論根據(jù),達到簡化儀器調節(jié)和提高工作效率的目的。1超聲檢測系統(tǒng)的構成超聲波在工件中以一定的聲速進行傳播,遇到缺陷或不連續(xù)結構時產生反射波,該波反射回來被儀器接收。超聲儀從激發(fā)聲波開始計時,對每個回波信號,利用系統(tǒng)計時器提供的時間和預設的聲速,可計算得其傳播的路程,即反射體的聲程。該過程可以表述為:其中t為傳播時間,s為傳播聲程,c為工件中的聲速。在單晶片探頭系統(tǒng)中,聲波發(fā)射出去和回來的路徑是一樣的,為簡化過程,記t為實際測得時間的一半,則s反映的是單程路徑,可看成反射體到探頭的距離。聲波從晶片到工件入射點之間的傳播時間記錄為t0,計時器給出的t中含有這部分時間,為使聲程s反映從工件入射點到反射體的距離,將公式(1)修正為:為了確定實際反射體的位置,引入反射體位置到入射點的水平(記為l)和深度(記為h)兩個參數(shù),設聲波在工件中的折射角記為β,它們之間的關系如下:事實上,超聲儀在實現(xiàn)超聲檢測的過程中,獲取聲程的核心部件是計時器,它負責提供聲波的傳播時間t,c和t0通過人機交互的方式預先設置入超聲儀,聲程s通過公式(2)計算獲得,水平l和深度h通過公式(3)計算獲得,最后超聲儀在顯示器上將這些信息反饋給操作者。在具體的數(shù)字超聲儀中,c對應聲速,t0對應延遲。超聲儀沒有能力辨別預設的延遲和聲速是否正確,它只根據(jù)公式(2)和公式(3)計算每一個信號的聲程、水平和深度。2用于測量csk-a試塊中的聲音速度的理論參數(shù)2.1超聲檢測面聲程sx1和sx2的回波信號測量聲速的核心思想是利用超聲儀測取兩個已知聲程反射體上的傳播時間差,用距離除以時間求得速度。在超聲儀上,調節(jié)儀器的過程就是求解具體工件上的聲速c和延遲t0的過程。我們先在CSK-ⅠA試塊上進行示范,要用到試塊上的半徑50mm和100mm反射面。先在數(shù)字超聲儀器里面隨意輸入聲速和延遲,聲速記為cx,然后把探頭放在CSK-ⅠA試塊上(見圖1),分別測取半徑50mm和100mm圓弧反射面的回波信號,分別記錄超聲儀上顯示的聲程sx1和sx2。帶入公式(2),得到:把上述公式變成時間t的表達式,得到t1=sx1/cx+t0和t2=sx2/cx+t0反射波在兩個圓弧面上傳播的距離差是Δst=100-50=50(mm),時間差是Δtt=t2-t1,則真實聲速是ct=Δst/Δtt,將t1和t2帶入,得在公式(4)中,cx是預先設置的,sx1和sx2是儀器上讀取的,Δst從幾何結構獲取的,都是已知量,聲速可直接計算。2.2測量接頭聲程在CSK-ⅢA試塊上,由于真實聲程不能像在CSK-ⅠA試塊上直觀獲得,所以先測量探頭在試塊中的折射角β,然后求真實聲程,最后測量聲速。2.2.1回波測量如圖2所示,在CSK-ⅢA試塊上,選取兩個已知深度(h1、h2)、直徑為d的標準孔(CSK-ⅢA中,d=1mm),移動探頭獲得h1深度標準孔的最大回波,探頭位置記為P1,測量探頭前端到孔的水平距離l1,同理獲得h2深度標準孔最大回波時探頭的位置為P2,探頭前端到孔的水平記錄為l2,設探頭前沿為l0。由P1點作輔助線P1Sc平行于C1C2,則在三角形P1ScP2中,存在如下關系:在公式(6)中,l2和l1是測量獲取的,h2和h1是試塊上的已知尺寸。2.2.2角形2o在圖2中,由P1C1和P2C2平行,三角形P1C1O和三角形P2C2O相似,則有:如果恰好選擇的兩個孔深度為2倍關系,即h2=2h1,則公式(7)可以簡化為:2.2.3聲速ct的計算步驟c在超聲儀內隨意設置聲速cx,然后將探頭放在CSK-ⅢA試塊上,分別記錄兩個孔最高回波時的顯示聲程sx1和sx2。根據(jù)在CSK-ⅠA上測量計算聲速的示例,P2和P1位置的聲波傳播的時間差可以這樣計算:而聲波在P2和P1位置傳播的真實聲程差為真實的聲速ct按照如下方式計算:至此,我們在CSK-ⅢA試塊上完成折射角、探頭前沿以及聲速的測量計算。實際操作時,折射角和聲速計算獲得,然后直接輸入超聲儀。延遲t0可以按如下交互方式輸入儀器:把聲速和折射角預先設置正確,將探頭放在CSK-ⅢA上,獲取一個已知深度孔的最高回波,調節(jié)延遲,使儀器的顯示深度與真實深度相同,延遲就調節(jié)好了。3驗證與誤差分析3.1超聲儀器檢測回波過程中折射角和聲速ct下面用數(shù)字超聲儀來驗證上述推導,采用Sonic1200S+超聲儀;K1.5的探頭,普通碳鋼CSK-ⅢA試塊。按照如下步驟操作:(1)測量計算折射角β。隨意設置聲速和延遲,在儀器的厚度(THICK)菜單下,聲速(T-VEL)設為4600m/s(注:該值是隨意設置的,最好接近已知聲速)。移動探頭使探頭分別獲取深度h1=10和h2=20的兩個孔的回波,測得儀器顯示聲程sx1=24.258mm,sx2=48.763mm,測得探頭到孔水平距離l1=4mm,l2=19mm,根據(jù)公式(6)計算得到折射角:(2)計算探頭前沿l0。根據(jù)公式(8),有(3)計算聲速ct。根據(jù)公式(9),有將上述計算獲得折射角β和聲速ct設置到儀器里面,調節(jié)延遲使h1=10mm深孔的顯示深度等于其真實深度(h1-cosβ×d/2=10-cos(56.3)×0.5=9.72mm),這樣超聲波儀器的調節(jié)就完成了。把探頭移動到P2位置,測取h2的回波,儀器顯示h2孔的回波深度為19.733mm,與真實深度相差非常小,可以接受,儀器調節(jié)成功。3.2聲速的確定及分析通過公式(9)可知,在CSK-ⅢA上測算聲速涉及到儀器的顯示聲程、孔的水平距離及深度。顯示聲程讀取時受選取的最高波影響,孔的深度受機械加工的影響,水平距離受人工測量的影響。3.2.1c.xt/2f噪聲誤差我們知道,普通超聲波探頭激發(fā)的脈沖信號一般都有2個以上波長的長度,當2個波長的脈沖信號反射回來時,則會有4個波峰(波谷),當閘門讀數(shù)設置為峰值拾取法時,閘門讀取的是閘門內最高的波,如果閘門套取的不是同一個波峰(波谷),讀取的聲程可能會有半個聲波周期以上的時間誤差,我們把這個顯示聲程誤差記為dsx=cx×(T/2)=cx×1/(2f)。(公式中T為聲波在工件中的周期,f為探頭頻率)。在上例中,探頭頻率f=2.5MHz,cx=4600m/s,則誤差為:如果這個誤差發(fā)生在某次測量上(如sx1),我們來分析它對聲速ct的影響。在公式(9)中,把sx1看成變量,對ct求關于sx1的偏微分有:把相應的數(shù)據(jù)及dsx1=0.92(mm)帶入,得到:上述結果說明,在閘門讀取顯示聲程時,如果讀取的不是同一個波峰(波谷),則導致聲速誤差達到127.018m/s,在本例中,誤差偏差為127.018/3383=3.75%,是比較大的。閘門套取不同波峰(波谷)導致的誤差,可以通過一定的方法來消除。比如只顯示半波(正或負),或者測量讀數(shù)時使閘門只套住目標波,并從目標波上方以小步進向下緩慢移動,碰上信號立即停止并記錄顯示聲程。另外,如果超聲儀提供了局部波形放大功能,可以將目標信號局部放大,然后微調閘門使各次讀數(shù)能夠統(tǒng)一到同一個波峰(波谷)。3.2.2橫孔與檢測面距離的誤差參考橫孔同樣影響實測聲速值,根據(jù)JB/T8428—2006《無損檢測超聲檢測用試塊》規(guī)定,橫孔與檢測面距離的誤差不應大于±0.03mm。在公式(9)中,把h2看作變量,對ct求關于h2的偏微分dh2有:把相應的數(shù)據(jù)及dh2=0.03mm帶入,有:影響聲速的偏差為10.150/3383=0.3%,相對來說比較小。3.2.3mm我們平常所用鋼板尺的最小刻度是1mm,假設測量誤差是最小刻度的一半,即假設dl=0.5mm。公式(9)是用兩個孔的深度值求聲速,換成水平距離l2和l1,公式(9)變?yōu)?把上式中的l2看成變量,對ct求關于l2的偏微分有:與真實聲速的偏差為112.817/3383=3.3%,也是相當大的。4儀器調節(jié)和測量誤差的控制綜上所述,只用一塊CSK-ⅢA試塊可以完成數(shù)字超聲儀的調節(jié)。在推導過程中,核心思想是用了兩個已知孔的位置參數(shù),反推其他的參數(shù),該方法有如下特點:第一,一塊CSK-ⅢA試塊完成儀器的調節(jié),對于移動檢測,可以