（光學(xué)工程專業(yè)論文）石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究.pdf

t i童塹厶堂亟堂垃鹼塞 生塞施 墨 中文摘要 摘要：石油鉆桿接頭是石油開采中重要的專用部件之一。為保證在井下的安 全使用，接頭不允許有超過標(biāo)準(zhǔn)的缺陷存在。因此，對(duì)石油鉆桿接頭進(jìn)行缺陷檢 測(cè)已成為其生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)。超聲檢測(cè)是應(yīng)用于鉆桿接頭缺陷檢測(cè)的主要 方法之一。 由于鉆桿接頭的形狀復(fù)雜、規(guī)格較多：同時(shí)從使用安全性考慮，又必須對(duì)橫 向和縱向缺陷進(jìn)行1 0 0 探傷，因此，對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行超聲檢測(cè)具有定的難度。 在實(shí)際生產(chǎn)中，大都采用手工探傷方式進(jìn)行檢測(cè)；而手工探傷存在生產(chǎn)效率低、 探傷質(zhì)量難以保證等問題。所以，本課題研發(fā)了適用于實(shí)際生產(chǎn)的鉆桿接頭超聲 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，它對(duì)保證鉆桿接頭的安全使用具有重要意義。 本論文主要分四部分討論了對(duì)石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法的研究。 第一部分首先闡述了超聲波管材探傷的一般方法，然后結(jié)合石油鉆桿接頭的 特殊性，逐步提出解決其探傷問題的特殊方法。 第二部分首先介紹了超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的組成和探傷數(shù)據(jù)的顯示方式，并對(duì)數(shù) 字圖像處理的常用方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹；然后對(duì)實(shí)際探傷數(shù)據(jù)，根據(jù)本系統(tǒng)探 傷的特點(diǎn)，提出了有效的圖像處理和缺陷提取方法。 第三部分簡(jiǎn)要介紹了本探傷系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷的整體流程作 了概括性說明。 第四部分對(duì)裝置的整體效果作了客觀的評(píng)價(jià)，并對(duì)其未來的應(yīng)用領(lǐng)域和改進(jìn) 措施進(jìn)行了討論。 論文從實(shí)際的工程項(xiàng)目出發(fā)，逐一解決了接頭檢測(cè)存在的難點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了 鉆桿接頭的自動(dòng)、高效檢測(cè)。 圖3 5 幅，表1 個(gè)，參考文獻(xiàn)2 5 篇。 關(guān)鍵詞：石油鉆桿接頭：探頭組；探頭架；圖像處理；b 掃描：a 掃描 分類號(hào)： e 塞窯煎厶翌亟生位邊塞旦墨! 基! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h eo i ld r i l lt u b ej o i n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fo i le x p l o i t a t i o n t oa s s u r eb e i n gu s e ds a f e l yu n d e rt h ew e l l ，i td o e sn o ta l l o we x i s t i n gm a c r o s c o p i c a lf l a w s t h a te x c e e dt h es t a n d a r d s oi ti si n d i s p e n s a b l ei nt h ep r o d u c et a c h et od ot h ef l a wd e t e c t i o n u s i n gu l t r a s o n i ct od ot h ed e t e c t i o ni so n eo ft h em a i nm e t h o d s c o n s i d e r i n gt h ep a r t i c u l a r i t yo ft h e i rf o r m sa n dt h er e q u i r e m e n to fs e c u r i t y , t h e y c u s t o m a r i l yn e e da1 0 0 d e t e c t i o na n daf u l lc o v e r i n go ft h ew o r k p i e c e ，s oi t i sh a r dt o d e t e c t p r a c t i c a l l yi nt h er e a lm a n u f a c t u r ep r o c e d u r e ，m a n u a ld e t e c t i o ni sb e i n gu s e dw i t ha l o ww o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt e s t i n gp r e c i s i o n i no u rr e s e a r c h ，w ei n v e n tan e wa u t o m a t i c s y s t e md e t e c t i n gt h eo i ld r i l lt u b ej o i n sb yu l t r a s o n i c ，i th a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y a n dh a sp r o v e di t se f f e c t i v e n e s s t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of o u rp a r t st od i s c u s so u rr e s e a r c h f i r s t l y , e x p a t i a t i n gt h eg e n e r a l l y m e t h o do ft u b ed e t e c t i o n b yu l t r a s o n i c ，a n dt h e n a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a r i t yo ft h eo i ld r i l lt u b cj o i n s ，w eg i v eo u td i f f e r e n tm e t h o d st o s o l v et h ep r o b l e m s s e c o n d l y , w ei n t r o d u c et h ed i f f e r e n tp a r t so ft h es y s t e ma n dt h ed i s p l a ym o d e so ft h ed a t a ， t h e ng i v eas i m p l er e c o m m e n d a t i o no ft h ec o m m o nm e t h o d so fd i 舀t a ii m a g ep r o c e s s i n g a f t e rt h a t w ed ot h ea s c a na n dbs c a nw i t ht h ed a t ag o tf r o mp a r to n e t h i r d l y , f r o mt h eu s e r sp o i n to fv i e w , w em a k eai n t r o d u c t i o no ft h es y s t e ma n di t sw h o l e f l o w a tt h el a s tp a r t ，1 1 1 ee f f e c te v a l u a t i o no ft h ed e v i c ei sm a d e a l s o ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l di n t h ef u t u r ea n dt h ei m p r o v e m e n tw a yo ft h ed e v i c ea r ee s t i m a t e d b a s e do nt h ea p p l i e dp r o j e c t ，p r o b l e m so ft h eo i ld r i l lt u b ej o i n td e t e c t i o na r es o l v e ds t e p b ys t e p f i n a l l y , a u t o m a t i ca n de f f e c t i v ej o i n tm e a s u r e m e n tm e t h o di sr e a l i z e d k e y w o r d s ：t h ed r i l lt u b ej o i n t ；p r o b e s ；p r o b ef r a m e ；i m a g ep r o c e s s i n g ；bs c a n ；a s c a n ； c l a s s n 0 ： 致謝 本論文的工作是在我的導(dǎo)師滕永平副教授的悉心指導(dǎo)下完成的，滕永平副教 授嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝三 年來滕老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)。 趙中齡老師悉心指導(dǎo)我們完成了實(shí)驗(yàn)室的科研工作，在學(xué)習(xí)上和生活上都給 予了我很大的關(guān)心和幫助，在此向趙老師表示衷心的謝意。 王立新同學(xué)對(duì)于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見，在此表示衷 心的感謝。 在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫論文期間，吳迪、陳寧寧等同學(xué)對(duì)我論文中的基礎(chǔ)研究 和編程工作都給予了熱情的幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。 另外也感謝我的父母和親友，他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專心完成我 的學(xué)業(yè)。 1 1 超聲波檢測(cè)技術(shù)概要 1 緒論 無損檢測(cè)技術(shù)( 1 1 ( n d t ) ，又稱非破壞檢查技術(shù)，它是以不損傷被檢測(cè)物體為 前提，利用材料的物理性質(zhì)因有缺陷而發(fā)生變化這一事實(shí)，通過一定的檢測(cè)手段 來檢測(cè)或測(cè)量、顯示和評(píng)估相應(yīng)的變化，從而了解和評(píng)價(jià)材料、產(chǎn)品、設(shè)備構(gòu)件 直至生物等的性質(zhì)、狀態(tài)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等。 超聲波檢測(cè)技術(shù)1 2 1 是無損檢測(cè)技術(shù)的一種，它利用超聲波來研究物體內(nèi)部的結(jié) 構(gòu)和缺陷，最早由蘇聯(lián)的薩哈諾夫于1 9 2 9 年提出來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已 經(jīng)比較成熟。 我國(guó)從五十年代開始引進(jìn)超聲探傷技術(shù)對(duì)金屬材料及其制品進(jìn)行探傷?，F(xiàn)在， 該技術(shù)已在各個(gè)工業(yè)部門得到了普遍應(yīng)用，并產(chǎn)生了大批的專業(yè)技術(shù)人員，進(jìn)行 了大量的研究開發(fā)工作，在某些方面已具有較高的水平。我國(guó)已經(jīng)制定了各種探 傷標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了探傷工業(yè)的逐步規(guī)范化【3 】。 本論文討論超聲波無損檢測(cè)技術(shù)在鋼管檢測(cè)中的應(yīng)用。 1 2 超聲波檢測(cè)技術(shù)原理及其常用方法 超聲無損檢測(cè)【4 】是以超聲波作為采集信息的手段，在不損壞被測(cè)對(duì)象的情況下 探測(cè)其內(nèi)部缺陷的方法。由于超聲波獨(dú)特的物理特性( 穿透力強(qiáng)、集束性好、信 息攜帶量大等) ，使其易于實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的在線無損檢測(cè)和無損診斷，因而在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)藥和科學(xué)研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 從探傷原理上說，超聲波探傷方法主要可分為兩大類【5 j = 穿透法、脈沖反射法， 其原理圖如圖1 所示。 4 一 目 l 一發(fā)射探頭；2 一接收探頭；3 - - 發(fā)射一接收探頭 圖1 ( a ) 穿透法探傷圖“b ) 脈沖反射法探傷 透射法探傷由兩組探頭組成，一組探頭專門向工件內(nèi)發(fā)射超聲束，另組探 頭專門接受透過工件的聲信號(hào)，由接收到聲信號(hào)的強(qiáng)弱來判斷工件內(nèi)部缺陷的有 無及大小。這種方法不存在盲區(qū)，且聲程衰減小，適用于高衰減材料，但因其探 測(cè)靈敏度低且無法對(duì)缺陷進(jìn)行定位，因此實(shí)際探傷中使用的較少。 脈沖反射法探傷是利用脈沖波入射到異質(zhì)界面上的反射效應(yīng)進(jìn)行探傷的方 法。它采用一個(gè)兼發(fā)兼收的超聲探頭，檢出缺陷反射聲壓信號(hào)，并將其顯示在熒 光屏上。相對(duì)于穿透法而言，脈沖反射法探測(cè)靈敏度高，缺陷定位準(zhǔn)確，且探傷 操作方式靈活，因此是目前世界各國(guó)廣泛使用的超聲探傷方法。 此外，還有結(jié)合以上兩種探傷方法優(yōu)點(diǎn)的雙晶探頭脈沖反射法，目前也具有 廣泛的應(yīng)用1 6 j 。 本論文利用脈沖反射法，研究了超聲波對(duì)石油鉆桿接頭的檢測(cè)方法。 1 3 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)的重要意義 石油鉆桿接頭作為公母螺栓是連接石油鉆桿管體的關(guān)鍵部件由于鉆桿一般 在幾百、幾千米的地下、極為復(fù)雜的地質(zhì)條件下鉆井，承受了拉、壓、扭、沖、 剪等各種作用力，甚至還將承受瞬間的突變載荷作為管體與管體之間的連接件， 在打井的過程中承受了比管體更加惡劣的工況條件、更復(fù)雜的應(yīng)力，其質(zhì)量的優(yōu) 劣直接關(guān)系到石油鉆探的成敗因此，鉆桿接頭的質(zhì)量?jī)?yōu)劣關(guān)系重大，出廠前必 須對(duì)其進(jìn)行全面的無損檢測(cè)。 鉆桿接頭用鋼主要分油淬鋼種和水淬鋼種，國(guó)內(nèi)各大油田現(xiàn)主要使用油淬調(diào) 質(zhì)3 6 c r n i m 0 4 ，國(guó)外通常使用水淬調(diào)質(zhì)鋼。 考慮到鉆桿接頭的材質(zhì)及檢測(cè)要求，以及超聲波無損檢測(cè)的主要特點(diǎn)( 易于 實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的在線無損檢測(cè)和無損診斷) ，本課題我們使用超聲波對(duì)石油鉆桿接 頭進(jìn)行在線檢測(cè)。 1 4 本論文的主要工作 本論文以實(shí)際工業(yè)項(xiàng)目為背景，以實(shí)現(xiàn)石油鉆桿接頭的自動(dòng)、全面超聲波探 傷為目標(biāo)，主要進(jìn)行了以下四大部分的論述： 第一部分首先闡述了超聲波管材探傷的一般方法，然后結(jié)合石油鉆桿接頭的 特殊性，逐步提出解決其探傷問題的特殊方法，以實(shí)現(xiàn)接頭的1 0 0 探傷。 第二部分首先介紹了超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的組成和探傷數(shù)據(jù)的顯示方式，并對(duì)數(shù) 字圖像處理的常用方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，然后對(duì)第一部分得到的探傷數(shù)據(jù)進(jìn)行 2 了a 掃描和b 掃描圖像顯示、濾波和缺陷提取等操作。 第三部分從用戶的角度簡(jiǎn)要介紹了本探傷系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷 的整體流程作了概括性說明。 第四部分對(duì)裝置的整體效果作了客觀的評(píng)價(jià)，并對(duì)其未來的應(yīng)用領(lǐng)域和改進(jìn) 措施進(jìn)行了估計(jì)。 2 探傷方法研究 管材中常見的缺陷有裂紋、夾層、夾雜、折疊和翹皮等陰，如圖2 所示。由于 工業(yè)上要求進(jìn)行探傷的管材主要是工作在高溫、高壓條件下或有其它特殊用途， 因此必須進(jìn)行絕對(duì)嚴(yán)格的安全測(cè)試，且必須滿足一定的測(cè)試精度。 超聲無損檢測(cè)是以超聲波作為采集信息的手段，在不損壞被測(cè)對(duì)象的情況下 探測(cè)其內(nèi)部缺陷的方法。由于超聲波獨(dú)特的物理特性( 穿透力強(qiáng)、集束性好、信 息攜帶量大等) ，使其易于實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的在線無損檢測(cè)和無損診斷，因而在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)藥和科學(xué)研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用罔。本論文即使研究超 聲波對(duì)石油鉆桿接頭的檢測(cè)方法。 i 夾 圖2 管材中常見缺陷 2 1 一般管材超聲波探傷的條件分析和常用方法 2 1 1管材探傷條件分析 由于管材在熱軋或冷拔過程中沿軸線方向的壓延伸長(zhǎng)，其受力和變形主要在 厚度方向上，從而造成缺陷方向大多數(shù)與管材軸線平行( 軸向缺陷) 。因此在管材探 傷中，本著聲束軸線與缺陷反射面垂直的原則，一般采用垂直于管軸的空間斜入 射的橫波探傷法【9 l ，如圖3 所示。 圖3 平行于管軸的徑向缺陷的探測(cè)方向 對(duì)于小徑管的探傷，為了解決耦合闖題，一般采用水浸法；對(duì)于大徑管的探 傷，耦合和補(bǔ)償問題比較容易解決，可以采用直接接觸法探傷。 超聲波管材軸向缺陷的探傷是有條件的【1 0 1 ，其入射角的確定原則是既能在鋼 管中產(chǎn)生純橫波，又能探測(cè)到管內(nèi)外壁缺陷。如圖4 所示管材探傷中，為了使折 射縱波不進(jìn)入管內(nèi)，則需要聲束入射角01 大于第一臨界角，既 ，n 撫s i n 4 蘭( 1 ) 式中，c 1 1 入射縱波在第一介質(zhì)中的聲速； c 1 2 折射縱波在鋼管中的聲速。 l l 圖4 管材探傷入射角范圍 同時(shí)，為了檢測(cè)管內(nèi)壁的缺陷，折射橫波必須投射到管內(nèi)壁上，因此，折射 橫波的折射角必須滿足： 盧ss i n 4 云 ( 2 ) 即入射角必須滿足： 5 島g 式中，c 1 1 - - 入射縱波在第一介質(zhì)中的聲速； c 1 2 - 折射縱波在鋼管中的聲速。 c t 折射橫波在鋼管中的聲速。 綜上，要用單一橫波進(jìn)行管材探傷且可同時(shí)探得內(nèi)外壁缺陷， 范圍必須滿足式下式： s i n - t o c t 2 l p s i l l 一1 ( 一c l lj7ctr0 2 、7 ( 3 ) 其入射角取值 ( 4 ) 據(jù)此，可進(jìn)一步推得單橫波管材探傷的條件為( t 為管材壁厚，d 為管材外徑) ： 古 0 2 2 6 時(shí)，無法使用單一橫波探測(cè)軸向缺 陷。因此，在本課題中必須考慮其它方法。 1 常規(guī)方法 現(xiàn)成的厚管壁( t d 0 2 2 6 ) 探傷方法中有兩種用得比較普遍，一種是國(guó)標(biāo)建議 使用的探傷方法，如下圖8 所示，即使用折射縱波檢測(cè)管外壁缺陷，折射橫波檢 測(cè)管內(nèi)壁缺陷，且調(diào)整入射角，使折射縱波檢測(cè)外壁的同時(shí)不透射到管內(nèi)壁。經(jīng) 計(jì)算，滿足以上條件的入射角0 的取值探測(cè)范圍為( r 、r 分別表示內(nèi)外壁半徑) ： s i n q c t a * r 口蚓n i 罌二) o 鋼r、c s 鋼r ( 6 ) 式中，c l 水水中縱波速度； c l 鋼鋼中縱波速度； c s 鋼鑰中橫波速度。 乍笨 心鄉(xiāng) 圖8 厚管肇軸向缺i ；f ；檢測(cè) 另外一種厚管壁探傷的方法( 縱波縱波一橫波法) 如圖9 所示。 9 其中，周左探頭使用橫波探測(cè)外部缺陷，并調(diào)整入射角使其不打到內(nèi)壁上， 入射角仃取值范圍為： m 1 p z 叫 周右探頭使用橫波探測(cè)內(nèi)部缺陷，入射角a 取值范圍為： a 稍試4 眇z 叫 其中，d m a x 、d m i n 分別表示厚度直徑比廠】) 的最大值和最小值。實(shí)際探傷 中，為了保證探測(cè)效果，所取角度往往在5 0 度范圍內(nèi)變化。此時(shí)，折射產(chǎn)生的縱 波會(huì)同時(shí)達(dá)到內(nèi)外管壁上，影響觀測(cè)效果。實(shí)際探傷中，可根據(jù)橫波聲程設(shè)定閘 門位置，只對(duì)閘門內(nèi)的傷波進(jìn)行記錄，以消除縱波影響，實(shí)驗(yàn)證明此法可行，且 檢測(cè)靈敏度較高。 2 2 2 3 探傷區(qū)的覆蓋問題 ( 1 ) 軸向覆蓋 軸向覆蓋需要考慮覆蓋范圍及周向缺陷取向兩個(gè)問題。采用圖1 1 所示探測(cè)方 法。兩組探頭晶片相背放置，由于探測(cè)范圍不同，各組探頭取不同的角度，每組 探頭又分別包括6 個(gè)相同的探頭，以保證完全覆蓋。通過探頭在工件上的水平運(yùn) 動(dòng)達(dá)到軸向區(qū)域的覆蓋，并且因?yàn)榫较蛳鄬?duì)，可同時(shí)檢測(cè)到取向相反的周向 缺陷。 輔后曹 - _ - _ _ - 圖1 1 軸向覆蓋區(qū) ( 2 ) 周向覆蓋 使用兩組晶片角度不同的探頭分別檢測(cè)內(nèi)外壁軸向缺陷( 每組同樣包含6 個(gè)相 同的探頭) ，并通過管壁的旋轉(zhuǎn)達(dá)到周向區(qū)域的完全覆蓋及軸向缺陷的檢測(cè)( 如圖 1 2 ) ，角度的選取原則在2 2 2 2 節(jié)中已經(jīng)討論過。 嗣左罔右 圖1 2 周向缺陷覆蓋 絲丞窯通厶至塑至堂位堡塞堡毯左選塹盔 ( 3 ) 斜面部分覆蓋 斜面探傷同樣須考慮沿斜面軸向及周向缺陷的探測(cè)。由接頭圖示可見，斜面 探傷分為內(nèi)部斜面探傷和外部斜面探傷。它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即探測(cè)體總是 斜面與水平面的組合，探傷方法如圖1 3 ( a x b ) 所示。 a ，( b ) 圖1 3 斜面覆蓋 對(duì)于圖1 3 ( a ) 所示情況區(qū)域，用滿足軸向覆蓋的探頭( 2 2 2 3 ( 1 ) ) 1 1 pn - i 覆蓋，并 且因?yàn)椴捎昧藴?zhǔn)確定位超聲成像法( 工件形狀已知) ，可對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行精確定位。 對(duì)于圖1 3 ( b ) 所示情況，擬采用在斜面上傾斜放置斜探頭的方法解決。放置方 法在2 3 節(jié)中討論。具體角度依斜面傾斜角度而定，又因?yàn)槠渚啾撤胖?，所?可以檢測(cè)到不同取向的周向缺陷。 對(duì)于難以察覺的淺層缺陷，采用爬坡探頭進(jìn)行探測(cè)。 通過以上的討論，可以看到上述各組探頭的組合可以保證工件的完全覆蓋， 并對(duì)不同取向的缺陷均有效。 ( 4 ) 其他問題 對(duì)于斜面上探頭的安裝及接頭型號(hào)多樣性問題，將在2 3 節(jié)中詳細(xì)討論。 2 2 3探頭的制作 2 2 ，3 1 超聲換能器簡(jiǎn)介【1 2 1 超聲波探傷中，超聲波的產(chǎn)生和接受過程是一種能量轉(zhuǎn)換過程，這種轉(zhuǎn)換是 通過探頭實(shí)現(xiàn)的，探頭的作用就是將電能轉(zhuǎn)換為超聲能( 產(chǎn)生超聲波) 和將超聲 能轉(zhuǎn)換為電能( 接受超聲波) 。 將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的器件稱為換能器。探頭是一種電聲能 量轉(zhuǎn)換器件。因此，探頭也稱為超聲換能器或電聲換能器。 超聲波探傷是通過探頭產(chǎn)生和接受超聲波，探頭的核心元件是薄片狀壓電晶 體，通常稱為壓電晶片。探傷儀發(fā)射電路產(chǎn)生的高頻電脈沖加于探頭時(shí)，激勵(lì)壓 電晶片發(fā)生高頻震動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。相反，當(dāng)超聲波傳至探頭而使晶片發(fā)生高頻 震動(dòng)時(shí)，晶片便產(chǎn)生高頻電震動(dòng)，送至探傷儀放大電路，經(jīng)放大和檢波，在示波 | e 巫窯迪厶鱟亟堂繾迨塞堡紐左鎏班塞 管上顯示波形。這就是超聲波的產(chǎn)生和接收過程。可以看出，探頭是利用壓電晶 片的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，同時(shí)利用壓電品片的j 下壓電效應(yīng)接收超聲波的。 2 2 3 2 常用超聲換能器的基本結(jié)構(gòu) 圖1 4 為一般探頭的基本結(jié)構(gòu)，主要由阻尼塊1 、晶片2 和保護(hù)膜3 組成。此 外，還有殼體、與儀器連接的同軸高頻電纜的插接件等。 卜阻尼塊；2 一晶片；3 一保護(hù)膜 圖1 4 超盧探頭的基本結(jié)構(gòu) 下面我們就其組成和結(jié)構(gòu)介紹幾種常用的探頭：直探頭、斜探頭和爬波探頭， 并簡(jiǎn)要介紹其制作過程。 1 直探頭 直探頭的結(jié)構(gòu)如圖1 5 所示。它可以發(fā)射和接收縱波。其中，壓電晶片是探頭 的核心元件，用來發(fā)射和接收超聲波。保護(hù)膜用來保護(hù)晶片不受到直接磨損，它 必須具備耐磨性能好，強(qiáng)度高、材料聲衰減小、透聲性能好等特點(diǎn)。在液浸法探 傷時(shí)，保護(hù)膜材料的聲阻抗z 應(yīng)與晶片材料的聲阻抗z l 和工件的聲阻抗z 2 相匹 配，其最佳關(guān)系是z - 毛毛。這是，保護(hù)膜的厚度為四分之一波長(zhǎng)，這時(shí)能獲得 聲能的最佳輻射。 2 3 t 5 插頭；2 一引線：3 一阻尼塊；4 一晶片：5 一保護(hù)膜 圖1 5 直探頭結(jié)構(gòu) 加在晶片上的電脈沖，使晶片產(chǎn)生阻尼振蕩。震動(dòng)頻率主要取決于晶片厚度 ( 半波長(zhǎng)) 。阻尼程度與晶片的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)q 。有關(guān)，也與阻尼塊的聲阻抗有關(guān)。 阻尼塊除影響脈沖超聲波的脈沖寬度以外，還能抑制晶片的徑向震動(dòng)。 1 3 些盛童塹厶翌亟堂垃詮塞鲞魚應(yīng)壟鯉殛 2 斜探頭 利用透聲塊使聲束傾斜與工件表面射入工件的探頭成為斜探頭，其基本結(jié)構(gòu) 如圖1 6 所示。其中，阻尼塊和晶片的材料和功能，與直探頭相同，但晶片形狀一 般是矩形，對(duì)透聲塊的基本要求是聲波在透聲塊中傳播時(shí)不能返回晶片，即由透 聲塊反射回來的聲波只能由阻尼塊吸收，以免出現(xiàn)雜波干擾。 i23 4s 卜吸聲材料；2 一斜鍥；3 一壓電晶片；4 一阻尼塊：5 一引線；6 一插頭 圖1 6 斜探頭結(jié)構(gòu) 3 爬波探頭 爬波是一種以縱波臨界角入射時(shí)所產(chǎn)生的波式。爬波探頭是斜探頭的特例， 其結(jié)構(gòu)如圖1 7 所示。當(dāng)斜探頭入射角接近第一臨界角時(shí)，有波形轉(zhuǎn)換得到沿工件 傳播的爬波，這種斜探頭稱為爬波探頭。爬波探頭其實(shí)就是高角度縱波探頭，它 們的的結(jié)構(gòu)相同，只是透聲塊入射角不同。 卜晶片；2 一透聲塊：3 一阻尼塊 圖1 7 爬波探頭結(jié)構(gòu) 2 2 3 3 超聲換能器的參數(shù)選擇1 1 3 l 1 探頭角度的選擇 探頭入射角的選取原則是使聲束能夠完全覆蓋探傷區(qū)，盡量減少盲區(qū)的范圍， 同時(shí)滿足檢測(cè)波形的要求( 如縱波探傷或單一橫波探傷等等) 。在2 2 2 2 節(jié)中，我 們已經(jīng)討論了適合石油鉆桿接頭探傷方法的角度選擇范圍，綜合各種因素，項(xiàng)目 中各探頭的角度選擇見下表。 1 4 e 盛鑾塹厶堂亟：! ：堂位逾塞握紐友選叢壅 探頭組探頭數(shù)探頭角度探頭架上位置 用處 軸向前 65 6 4b 掃查架中正向排列測(cè)量周向傷 軸向后6 6 5 。b 掃查架中反向排列測(cè)量周向傷 周向左 64 5 。b 掃查架左正向排列測(cè)量軸向傷 周向右6 4 5 。b 掃查架右正向排列測(cè)量軸向傷 斜前左 1斜探頭a 掃查架3 5 。左測(cè)量斜面 斜| j 右 1斜探頭a 掃查架3 5 。右測(cè)量斜面 斜蒔中 1 收發(fā)探頭a 掃查架3 5 。中測(cè)量斜面 斜后左 1斜探頭a 掃查架1 0 。左測(cè)量斜面 斜后右 1斜探頭a 掃查架1 0 。右測(cè)量斜面 斜后中 1爬波探頭a 掃查架1 0 。中測(cè)量斜面 表1 本課題采用的探頭角度 其中，斜前各探頭和斜后各探頭是為適應(yīng)不同工件的斜面角度而準(zhǔn)備的，探 傷時(shí)使用其中一組。各探頭的排列方式在下節(jié)中詳細(xì)講解。 2 晶片尺寸的確定 晶片的尺寸影響到產(chǎn)生的超聲波聲場(chǎng)的指向性。對(duì)圓形晶片來說，聲場(chǎng)的指 向角由下式確定： 1 s i n o o 。t 1 0 姜 ( 9 ) 式中，t 1 0 = 1 2 2 ，d 為晶片直徑。而尺寸相同的矩形晶片的指向性要好于圓形晶片。 由式( 9 ) 可以看出，晶片尺寸越大，聲束的擴(kuò)散角越小，聲場(chǎng)指向性越好，對(duì)檢 測(cè)有利，所以在探傷中要盡量選擇較大的晶片尺寸，但根據(jù)實(shí)際情況，晶片尺寸 也不宜過大。在本次實(shí)驗(yàn)中，采用了1 2 1 2 的矩形晶片。 3 晶片頻率的選擇 超聲波檢測(cè)頻率在( o 5 1 0 ) m h z 之制，選擇范圍比較大，頻率高，靈敏度 和分辨力高，指向性好，對(duì)檢測(cè)有利。但高頻率也使近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度大，衰減大，又 對(duì)檢測(cè)不利。 國(guó)標(biāo)規(guī)定的管材探傷的工作頻率通常選用2 5 - 1 0 m h z 。根據(jù)探傷靈敏度的需 要，本課題所選用晶片的頻率為2 5 m h z 。 4 探頭的匹配 對(duì)于初步加工完畢的探頭，可以通過匹配電感進(jìn)一步調(diào)整超聲波的脈寬、振 蕩次數(shù)和靈敏度。匹配時(shí)主要在兩電極引線日j 并聯(lián)一個(gè)與壓電晶片靜電容相匹配 的電感。實(shí)驗(yàn)證明，匹配后探頭的振蕩次數(shù)減少，波形較為整齊，而且脈沖短， 且其頻譜較寬而且均勻，有利于探傷。 匙立窯適厶堂亟堂位迨童堡魚應(yīng)選蛆盔 2 3 探頭組合和掃查方式 2 3 1探頭架排列方式 整個(gè)探傷裝置同時(shí)用兩組探頭架( a 、b ) 安置所有共3 0 個(gè)探頭，探頭架組合方 式如下圖1 8 所示 斜前，后 工 前后右 探頭架a探頭架b 圖1 8 探頭架 、b 排列方式 探頭架a 中，為了保證完全覆蓋，軸前、軸后、周左、周右各探頭組分別裝 有6 個(gè)探頭。即a 探頭架上共安裝有2 4 個(gè)探頭。探傷時(shí)，a 架沿工件軸向水平掃 查，根據(jù)工件型號(hào)進(jìn)行上下調(diào)整。 探頭架b 中，相對(duì)探頭架有l(wèi) i i f 后兩組探頭，前組探頭相對(duì)探頭架角度為3 5 。， 包括斜前左、斜前中、斜前右三個(gè)探頭；后組探頭角度為1 0 。，包括斜后左、斜 后中、斜后右三個(gè)探頭，各探頭分別測(cè)量不同取向的缺陷。探傷時(shí)，根據(jù)工件型 號(hào)選擇使用前或后組探頭。同時(shí)，b 架在斜面部分可上下移動(dòng)，且每個(gè)探頭又可根 據(jù)斜面角度調(diào)整入射角。 2 3 2 探頭架掃查方式 下圖是探頭架的掃描方式示意圖，其中水平箭頭指示的是探頭架a 的工作范 圍，工作時(shí)探頭架a 由頂部下降至指定位置，然后沿水平方向掃查工件；探頭架 b 直接由頂部下降至指定位置，探傷過程中其不再運(yùn)動(dòng)，只待探傷完畢后升起探頭 架a 、b 。 1 6 拉塞鑾逼塞堂亟堂焦逾塞遂籩直迭班窟 襻 圖1 9 探頭架掃描方式 探測(cè)點(diǎn)位置是由數(shù)模控制的：首先根據(jù)用戶輸入的接頭形狀數(shù)據(jù)在客戶機(jī)( 這 里是p c 機(jī)) 界面上建立起接頭模型圖( 即數(shù)模圖) ，并由軟件計(jì)算出數(shù)模圖上的若干 個(gè)探測(cè)位置( 工位) ，如下圖2 0 所示，然后通過控制電機(jī)來帶動(dòng)支架按工位順序運(yùn) 動(dòng)，使這些工位點(diǎn)最終轉(zhuǎn)化為實(shí)際工件上的各個(gè)探傷點(diǎn)，達(dá)到全面探傷的目的。 由此可見，通過建立數(shù)模，各種型號(hào)的接頭均可被檢測(cè)，通過按工位探傷，可對(duì) 每個(gè)工件都進(jìn)行1 0 0 掃描。 2 4 探傷過程 圖2 0 數(shù)模及工位示意圖 圖2 1 是整個(gè)探傷過程的總體流程圖。其中，探頭就位( 移探頭架到工件上特定 位置) 、探傷開始后探頭架的移動(dòng)和復(fù)位( 探頭架抬離工件) 過程都是由p c 機(jī)控制數(shù) 控機(jī)床，以帶動(dòng)機(jī)械部分完成的，可以說，探傷過程就是p c 機(jī)一數(shù)控機(jī)床探頭 架的控制過程。 探傷時(shí)，首先由使用者在p c 機(jī)控制界面上輸入待探工件的型號(hào)、尺寸數(shù)據(jù)， 計(jì)算機(jī)將自動(dòng)完成該工件的數(shù)模建立和工位計(jì)算，所得工件數(shù)據(jù)及工位點(diǎn)用于控 制與之相連的步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)設(shè)備的機(jī)械部分按要求移動(dòng)依次完 成工件就位、探頭就位、探傷、探頭復(fù)位、取出工件等操作，探傷結(jié)束。 1 7 j i 塞鑾蘊(yùn)太堂硒土堂焦途室捱氆友洼班殛 圖2 1 探傷過程流程圖 整個(gè)探傷過程完全自動(dòng)完成，且工件型號(hào)數(shù)據(jù)只需由使用者輸入一次，以后 可自動(dòng)調(diào)出使用，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。另外，如果需要 探測(cè)普通管材缺陷，只需在使用時(shí)控制探頭架b 不放下，并輸入該鋼管的型號(hào)數(shù) 據(jù)即可，因此，該設(shè)備還具有通用性，可適于各種管材探傷。 2 5 小結(jié) 本章主要介紹了鉆桿接頭的超聲波探傷方法。首先，我們介紹了超聲波管材 探傷的條件和常用方法，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了特殊管材石油鉆桿接 頭的探傷方法。介紹這一部分時(shí)，我們首先給出了鉆桿接頭的實(shí)際剖面圖，直觀 地提出對(duì)其進(jìn)行超聲探傷的特殊性，即厚管壁、形狀復(fù)雜、型號(hào)繁多。然后，針 對(duì)這幾點(diǎn)特殊性，逐步提出解決辦法，完成管材探傷的探頭設(shè)計(jì)；最后，討論了 以上探頭的組合方式和探頭架的掃查方式，實(shí)際探傷時(shí)由機(jī)械傳動(dòng)部分帶動(dòng)探頭 架沿規(guī)定路線掃描，即完成了探傷裝置的硬件設(shè)計(jì)部分。 1 8 3 數(shù)字圖像處理程序的設(shè)計(jì) 3 1 檢測(cè)系統(tǒng)組成及探傷數(shù)據(jù)顯示 第二章已經(jīng)詳細(xì)論述了石油鉆桿接頭的探傷方法和掃查過程，本節(jié)主要介紹 其檢測(cè)系統(tǒng)的組成和數(shù)據(jù)顯示方式。 3 1 1檢測(cè)系統(tǒng)組成 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)【1 4 】由探頭、信號(hào)發(fā)生接收裝置、放大器、衰減器、模數(shù)( a d ) 轉(zhuǎn)換器，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)組成。 傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在單機(jī)之上，主機(jī)負(fù)責(zé)硬件控制、信號(hào)采集、 轉(zhuǎn)換、處理、顯示等諸多任務(wù)，這將導(dǎo)致主機(jī)負(fù)載過重，系統(tǒng)檢測(cè)效率較低。 考慮到通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的高速性，我們將掃描檢測(cè)任務(wù)分開在兩臺(tái)計(jì)算機(jī) 中完成，這樣，不僅檢測(cè)效率能得到很大提高，而且能減少系統(tǒng)的硬件成本。其 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖2 2 所示，其中，外部虛線框是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的組成圖。內(nèi)部 虛線框則表示探傷機(jī)的內(nèi)部組成，其主要完成超聲信號(hào)的發(fā)射接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、 信號(hào)控制等功能。電腦( 計(jì)算機(jī)) 主要完成超聲信號(hào)的分析、處理和顯示等功能。 探傷機(jī)和計(jì)算機(jī)由網(wǎng)絡(luò)連接，其利用t c p f l p 協(xié)議，基于c l i e n t s e r v e r ( 探傷機(jī)計(jì) 算機(jī)) 模式，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和通信控制。 圖2 2 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)組成圖 探頭與信號(hào)發(fā)生接收裝置相連，并固定在探頭架上，探頭架由步進(jìn)電機(jī)控制， 可根據(jù)工件型號(hào)( 用戶輸入) 自動(dòng)調(diào)整其高度和掃查范圍。檢測(cè)位置和檢測(cè)距離 由伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械裝置，連接探頭進(jìn)行準(zhǔn)確定位。 a d 轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)， 在計(jì)算機(jī)內(nèi)完成數(shù)據(jù)的顯示和處理工作。 3 1 2數(shù)據(jù)顯示方式 常見的超聲探傷數(shù)據(jù)顯示方式可分為如下幾類f 1 司： ( 1 ) a 掃描顯示：是超聲波探傷中最基本的一種數(shù)據(jù)顯示方式，它以縱坐標(biāo)代 表反射波的幅度，以橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間，從缺陷波的幅度和位置來確定 ( 3 ) c 掃描顯示：是以亮點(diǎn)或暗點(diǎn)顯示接收信號(hào)，以熒光屏面代表被檢測(cè)對(duì)象 的投影面。這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能給出深度，如圖2 3 t1 j l l 血巨才三彩 卜工件探測(cè)面；2 缺陷；3 - 工件底面；t - 始波；f - 缺陷波；b 底波 圖2 3 常見數(shù)據(jù)顯示方式 ( 4 ) 其他顯示方式：除上述三種顯示方式以外，目前國(guó)際上正在大力研究和發(fā) 展更加完善的圖像顯示技術(shù)，如超聲全息成像技術(shù)、a l o k 成像技術(shù)、衍射成像 技術(shù)和s a f t 成像技術(shù)等。 本課題中，我們采用了a 掃描和b 掃描兩種數(shù)據(jù)顯示方式。由以上的介紹我 們可以看出，a 掃描圖像接近于常見的示波器顯示的圖像，為大家所熟悉。而b 掃描圖像可以直接看出缺陷在整個(gè)探測(cè)面上的分布情況，比較直觀。 探傷過程中，檢測(cè)數(shù)據(jù)以a 掃描的方式進(jìn)行采集。探頭架沿著工件長(zhǎng)度方向 進(jìn)行縱向掃描。數(shù)據(jù)采集電路以預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行采樣，保證至少探頭每移動(dòng) 1 r a m 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，即采集一組a 掃描圖像數(shù)據(jù)。這樣，就能得到整個(gè)工件 2 0 軸向的所有a 掃描圖像數(shù)據(jù)。同時(shí)，以工件長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)軸，以工件周向展開寬 度作為縱坐標(biāo)軸，在同步電路的控制下，在采集a 掃描圖像數(shù)據(jù)信息的同時(shí)繪制 b 掃描圖像。這樣，當(dāng)掃查結(jié)束的時(shí)候，b 掃描圖像也形成了。b 掃描圖像實(shí)際顯 示的是工件的縱截面。 3 1 3探傷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示的實(shí)現(xiàn) 探傷過程中，對(duì)傷波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示是非常必要的，有利于對(duì)探測(cè)情況的 詳細(xì)分析和比較。本小結(jié)我們介紹關(guān)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示的問題。 3 1 3 1 探傷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)1 1 叼 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式被聲明為一個(gè)三維數(shù)組c h a rd a t a 嘞啪啕，其中，i 代表所屬 的通道數(shù)( 因?yàn)橐话愕臋z測(cè)系統(tǒng)都是由若干個(gè)通道組成，不同通道使用不同的探 頭組檢測(cè)不同的部位。本項(xiàng)目使用的檢測(cè)系統(tǒng)包含7 個(gè)通道) ；j 代表對(duì)應(yīng)b 掃描 的橫坐標(biāo)值，k 代表對(duì)應(yīng)b 掃描的縱坐標(biāo)值，d a t a 嘲聊嘲數(shù)值本身代表此( j ，k ) 位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)信號(hào)的幅值大小，在b 掃描圖像中，它被轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的灰度值，以 顏色深淺進(jìn)行顯示。將每一個(gè)點(diǎn)的信號(hào)值都存儲(chǔ)到這個(gè)三維數(shù)組中，并以r s t 格 式存儲(chǔ)成文件供顯示時(shí)使用。 3 1 3 2 探傷數(shù)據(jù)的顯示【1 7 l 圖2 4 所示的是數(shù)據(jù)顯示操作界面，其中與數(shù)據(jù)顯示有關(guān)的控件是按鈕“打開，、 “b 掃描顯示比例”和“a 掃描顯示比例”。 圈2 4 數(shù)據(jù)顯示操作界面 圖z 5 “打開”界面 “打開”操作使用以下函數(shù)： v o i d c m y p r o j e c t v i e w ：o n f i l e o p e n ( ) ) 界面如圖2 5 所示。其完成對(duì)數(shù)據(jù)文件( r s t 文件) 的打開、讀取操作，它 將讀出的數(shù)據(jù)存入類c m y p r o j e c t v i e w 的數(shù)據(jù)成員字符數(shù)組： c h a r rd a t a 7 1 2 8 3 6 0 1 q b ，并在函數(shù) v o i dc w o r k v i e w ：o n d r a w ( c d c p d c ) 中使用s e t p i x e l ( i n t 】【i n t y ，c o l o r r e fc r c o l o r ) i 函數(shù)將數(shù)組數(shù)據(jù)逐點(diǎn)顯示 在屏幕上，形成b 掃描圖像，其掃描界面如圖2 6 所示。 圖2 6 b 掃描顯示界面 “b 掃描顯示比例”和“a 掃描顯示比例”按鈕可分別控制所畫b 掃描和a 掃描圖像的顯示比例，有助于對(duì)圖形的細(xì)致分析，默認(rèn)時(shí)顯示比例為1 ，即顯示 原始圖像大小 為了更直觀的觀察某一位置上沿工件長(zhǎng)度方向的回波情況，我們用如下方法 顯示用戶選定點(diǎn)的a 掃描圖像：用鼠標(biāo)在b 掃描圖像上點(diǎn)擊左鍵，使事件響應(yīng)函 數(shù)o n l b u t t o n d o w n 調(diào)用函數(shù)d r a w a s c a n 來繪制相應(yīng)點(diǎn)域的a 掃描圖像，調(diào)用過 程為： v o i dc w o r k v i e w ：o n l b u t t o n d o w n ( u i n tn n a g s ，c p o i n tp o i n o d r a w a s c a n ( r e _ p o i n t y ) ； 其中變量mp o i n t 記錄了鼠標(biāo)單擊處的坐標(biāo)，y 為其縱坐標(biāo)。a 掃描顯示界面 如圖2 7 所示。 3 2 探傷圖像處理 圖2 7 a 掃描顯示界面 由第二章對(duì)探傷方法的分析可知，探傷結(jié)果( a 、b 掃描成像圖像) 除包括有用 的傷波信號(hào)以外，還存在大量固有波( 工件邊沿波信號(hào)) 和隨機(jī)干擾波信號(hào)( 噪聲等) ， 這些干擾信號(hào)會(huì)干擾視線、影響探傷效果，嚴(yán)重的甚至造成誤判，給探傷帶來危 害，因此必須消除，即必須進(jìn)行相應(yīng)的圖像濾波處理操作【堋。 目前，廣泛使用的，也是最為有效的圖像處理方法是用計(jì)算機(jī)來完成的數(shù)字 圖像處理技術(shù)i ”l ，本實(shí)驗(yàn)中我們采用計(jì)算機(jī)v c + + 語言編寫程序來完成圖像的濾 波、處理工作。下面，我們首先介紹一下圖像濾波處理的常用方法，然后給出本 實(shí)驗(yàn)采用的圖像處理方法。 3 2 1幾種常用的濾波算法 濾波操作在圖像處理中也叫做平滑操作，其目的是為了消除噪聲。圖像噪聲 的來源有_ _ _ _ - - 1 2 0 1 ：一為在光電、電磁轉(zhuǎn)換過程中引入的人為噪聲；二為大氣層電( 磁) 暴、閃電、電壓、浪涌等引起的強(qiáng)脈沖性沖擊噪聲的干擾；三為自然起伏性噪聲， 由物理量的不連續(xù)性或粒子性所引起，這類噪聲又可分成熱噪聲、散粒噪聲等。 噪聲消除的方法可分為空問域和頻率域，又可分為全局處理和局部處理，還可以 按線性平滑、非線性平滑和自適應(yīng)平滑來區(qū)分。下面簡(jiǎn)要介紹鄰域平均、空間濾 波、頻率濾波、多圖像平均、自適應(yīng)濾波及中值濾波濾波等方法1 2 。 1 鄰域平均法 鄰域平均法是一種局部空間域處理的算法。設(shè)一幅圖像f 伍y ) 為n x n 的陣列， 濾波后的圖像為g ( x ，y ) ，它的每個(gè)象素的灰度級(jí)由包含在( x ，y ) 的預(yù)定鄰域的幾個(gè)象 素的灰度級(jí)的平均值所決定，即用下式得到平滑的圖像： g ( x ，y ) 吉羅，q ，) ( 1 0 ) 式中的x , y = 0 ，1 ，2 ，n - 1 ，s 是( x ，”點(diǎn)鄰域中一1 5 , 點(diǎn)的坐標(biāo)的集合【不包括點(diǎn) 伍，y ) 】，m 是s 內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)的總數(shù)。 以上算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，但他的主要缺陷是在降低噪聲的同時(shí)使圖像產(chǎn) 生模糊，特別在邊沿和細(xì)節(jié)處，鄰域越大，模糊越厲害。 為了減少這種效應(yīng)，可以采用閾值法，也就是根據(jù)式( 1 1 ) 所示的準(zhǔn)則形成平滑 圖像- g 力：l 擊磊，伽以若卜力一去。黽似斗丁 l f ( x ，y ) 其他( 1 1 ) 式中t 是一個(gè)規(guī)定的非負(fù)域值，當(dāng)一些點(diǎn)和他們鄰值的差值不超過規(guī)定的t 域值時(shí)，仍保留這些點(diǎn)的像素灰度值。這樣平滑后的圖像比鄰域平均法模糊程度 減少。當(dāng)某些點(diǎn)的灰度值與各鄰點(diǎn)灰度的均值差別較大時(shí)，它必然是噪聲，則取 其鄰域平均值作為該點(diǎn)的灰度值，它的平滑效果仍然是很好的。 2 中值濾波 中值濾波是一種不同于卷積算法的非線性區(qū)域處理方法。它一般采用一個(gè)含 有奇數(shù)個(gè)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，將窗口中各點(diǎn)灰度值的中值替代指定點(diǎn)( 一般是窗口的 中心點(diǎn)) 的灰度值。對(duì)于奇數(shù)個(gè)元素，中值是指按大小排序后，中間的數(shù)值；對(duì) 于偶數(shù)個(gè)元素，中值是指排序后中間兩個(gè)元素灰度值的平均值。 因?yàn)閰^(qū)域中像素值發(fā)生隨機(jī)突變的像素經(jīng)排序后，將位于隊(duì)首或隊(duì)尾，因此 取得的中問像素值是正常的像素值。所以，中值濾波可以有效地除去隨機(jī)噪聲， 并得到較好的視覺效果。并且由于它在實(shí)際運(yùn)算過程中并不需要圖像的統(tǒng)計(jì)特征， 韭壅窯迢太堂亟堂焦j 金塞熬主璺傻熊翼程度毆途進(jìn) 所以比較方便。在一定的條件下，中值濾波可以克服線性濾波器所帶來的圖像細(xì) 節(jié)模糊，而且對(duì)慮除脈沖干擾及圖像掃描噪聲最有效。 3 空間域低通濾波 從信號(hào)頻譜分析的知識(shí)，我們知道信號(hào)的慢變部分在頻率域?qū)儆诘皖l部分， 而信號(hào)的快變部分在頻率域是高頻部分。對(duì)圖像來說，它的邊緣以及噪聲干擾的 頻率分量都處于空間頻率域較高的部分，因此可以采用低通濾波的方法來去除噪 聲，而頻域的濾波又很容易從空間域的卷積來實(shí)現(xiàn)，為此只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)空間域 系統(tǒng)的單位沖擊響應(yīng)矩陣就可以達(dá)到慮除噪聲的效果。 g 0 ，y ) ；羅y ， 一 一再+ 1 ) (12)fm n ) i c ( xm + l , y 式中，6 為n x n 陣列，h 為l l 陣列。 下面是幾種用于噪聲平滑的系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)陣列： 墨= ； ； q2 擊 i ； 也= 去睦i 2 ； 。，。， 以上矩陣h 又叫低通卷積模板。 4 頻域低通濾波 這是一種頻域?yàn)V波法，對(duì)于一幅圖像，它的邊緣、跳躍部分以及噪聲都代表 圖像的高頻分量，而大面積的背景區(qū)和慢變部分則代表圖像的低頻分量，用頻域 低通濾波法除去其高頻分量就能去掉噪聲，從而使圖像得到平滑。 常用的幾種低通濾波法包括： 1 ) 理想低通濾波器( i u f ) 2 ) 巴特沃思低通濾波器( b l p f ) 3 ) 指數(shù)濾波器( e l p f ) 4 ) 梯形濾波器( 1 r i j f ) 限于篇幅，各個(gè)濾波法的實(shí)現(xiàn)過程這里不再詳細(xì)敘述。 3 2 2系統(tǒng)采用的圖像處理方法【2 2 】 在圖3 2 數(shù)據(jù)顯示界面中，點(diǎn)擊圖像處理按鈕，彈出“圖像處理”對(duì)話框，如 圖2 8 所示。 圖2 8 圖像處理界面 上節(jié)已經(jīng)指出，圖像處理操作主要完成的功能是慮除原始b 掃描圖像中由于 檢測(cè)到的工件邊沿信號(hào)和由噪聲引起的干擾信號(hào)，得到清晰、明顯的傷波信號(hào)。 為了達(dá)到這兩個(gè)目的，我們采用了兩種濾波方法i 邊緣濾波法和中值濾波法。 為了更形象的說明問題，現(xiàn)給出一組測(cè)試試驗(yàn)中得到的b 掃描圖像，如圖2 9 所示。 圖2 9 軸后探頭對(duì)應(yīng)的一組b 掃描圖像 圖中已經(jīng)給出了各信號(hào)表示的意義。我們必須分別濾除邊緣波信號(hào)和強(qiáng)、弱 噪聲信號(hào)，下面分別給予介紹。 3 2 2 1 邊緣信號(hào)濾除 邊緣信號(hào)濾波原理類似于我們前面3 2 1 節(jié)介紹的鄰域平均法。由于邊緣信號(hào) 是由超聲波掃射到工件邊緣( 沿工件一周方向) 后反射回接收器形成的，所以邊 緣信號(hào)均為沿工件長(zhǎng)度方向自始至終且強(qiáng)度基本不變的信號(hào)。根據(jù)這一特性，設(shè) 定合適的闕值k ，沿圖像每一行長(zhǎng)度方向各點(diǎn)像素值做和，其值大于某閾值的行 必定為邊緣波信號(hào)對(duì)應(yīng)的行，令此行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素的灰度值均為r g b ( o ，o ，o ) ，即 些巫窯適厶鱟亟堂位途塞塹主型攫絲堡攫莊絲邀鹽 使其變?yōu)榈咨谏?，從而消除邊緣信?hào)干擾。 3 2 2 2 噪聲濾除i 4 j 由圖2 9 已知噪聲信號(hào)分為強(qiáng)噪聲信號(hào)和弱噪聲信號(hào)【捌。弱噪聲信號(hào)的濾除使