超聲TOFD檢測及圖像處理方法的研究

1、北京交通大學碩士學位論文超聲TOFD檢測及圖像處理方法的研究 姓名:吳軍芳申請學位級別:碩士專業(yè):光學指導教師:滕永平20050301碩士學位論文 超聲TOFD檢測及圖像處理方法的研究超聲TOFD檢測及圖像處理方法的研究 摘 要TOFD(Time OfFI Jight Diffraction,即衍射時差法檢測方法是根據(jù) 在缺陷端部產(chǎn)生的衍射信號之間的時間差來對缺陷進行定位和定量測量 的無損檢測方法,由于其具有檢測速度快、精度高、缺陷檢出率商、定 位準確、可以得到缺陷尺寸、經(jīng)濟方便等優(yōu)點I卜3】,目前已在焊縫檢測中 得到了日益廣泛的應用。本論文主要分三大部分討論了TOFD檢測原理 及其圖像處理方

2、法。論文第一部分闡述了TOFD檢測方法的理論和數(shù)學模型,介紹了其 特點和發(fā)展情況。論文第二部分介紹了TOFD檢測所用的探頭的性能特點。筆者自行 研制了幾組探頭和參考試塊,并對探頭進行電路匹配,通過大量的實驗, 測試探頭性能,得到了有用結論。論文第三部分講述了TOFD檢測中計算機程序的開發(fā)思路和相關算 法。程序可以將檢測得到的數(shù)據(jù)以B掃描圖像和A掃描圖像的形式顯示 出來,并可對B掃描圖像進行放大、濾波等預處理,在此基礎上實現(xiàn)了 缺陷自動識別,以及缺陷位置和尺寸等數(shù)據(jù)的自動求取和存儲。論文從提高程序實用性的角度出發(fā),闡述了TOFD檢測系統(tǒng)原理及 其相關的圖像處理方法和數(shù)據(jù)算法,并已在程序中實現(xiàn)。關

3、鍵詞:TOFD檢測方法探頭圖像處理B掃描A掃描中值濾 波缺陷識別缺陷尺寸碩士學位論文 超聲TOFD檢測及圖像處理方法的研究The Research of Image Processing in Ultrasonic TestTime of Flight Diffraction MethodAbstractThe TOFD(Time-of-fitght Diffractionmethod is one of the Non-destructive testing methods.It can get the size and location of flaws according to the

4、difference between the time of retum diffraction signals from the tips of flaws.It has been used wildly in testing welding line because it has the virtues of highly testing speed,highly accuracy,highly inspection rate.economy and convenience etc.This thesis is divided into three parts to discuss the

5、 TOFD method and the digital image processing methods used in TOFD test.Firstly.expatiating the theory and mathmodal of TOFD method, introducing the characteristics and developments of TOFD.Secondl5introducing the performance of probes used in TOFD test.The author has developed several probes and re

6、ference blocks fur experiments. The probes have been matched.Some useful conclusions have been summed through a plenty of experiments.Thirdly,elaborating the developing thinkingand related arithmetic ofcomputer program in TOFD test.Theprogram can display the sampled datain B-Scan and AScan images.Th

7、e B-Scan images can be zoomed and i11.1ed.Based on these.the flaws can be recognized automatically and the size and location can be calculated and saved.The thesis elaborates the principle of TOFD test system and related碩士學位論文 超聲TOFD檢測及圖像處理方法的研究image processing methods and arithmetic which have been

8、 realized in program-Keyword:TOFD test method Probe Image processing BScan AScan Median filter Flaw recognize Flaw size碩士學位論文 第一章 緒 論第一章 緒 論1.1無損檢測技術概論材料的檢測與評價對于控制和改進生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質量、保證零 件和產(chǎn)品的可靠性以及提高生產(chǎn)效率等都起著關鍵性作用。各種測試技 術及有關材料科學和物理科學的發(fā)展,為無損檢測技術的應用提供了新 的可能。無損檢測技術以不損傷被檢測物體為前提,利用材料的物理性 質因有缺陷而發(fā)生變化這一事實,測定其相關的變化

9、量,用物理量的變 化推斷材料內部是否存在缺陷,從而判斷被檢測物體是否合格,進而評 價其適用性。因為其可以保證材料和構件的高質量、高性能以及安全、 經(jīng)濟、有效的使用,近年來無損檢測技術受到工業(yè)界的普遍重視,特別 是在冶金、機械、石油、化工、航空、航天等各個領域有廣泛的應用Illo 無損檢測的對象目前以會屬材料為主,其中又以鋼鐵為主,雖然有 一定的共性,但在客觀上被檢對象的實際情況又是千差萬別的。從尺寸 上分,有大尺寸的容器、設備和小尺寸的機械零件;從制造工藝上分, 有焊接、鍛造、鑄造等;從形狀上分,有規(guī)則的板材、管材等和不規(guī)則 的零件;此外,缺陷的大小和位置也各不相同。這就要求我們根據(jù)實際 情況

10、采用不同的無損檢測方法。目前常用的無損檢測方法有超聲檢測J(UT、射線檢測(RT、磁粉檢測(MT、滲透檢測(PT和電磁檢 測(ET以及聲發(fā)射技術、紅外檢測、微波檢測、激光全息檢測等。所 有的無損檢測方法都很重要,但沒有一種是萬能的。不管采用哪種檢測 方法,要完全檢查出異常部位是不可能的,而且往往不同的檢測方法會 得到不同的信息,因此,一般檢測中會綜合應用幾種方法來提高檢測結 果的可靠性。1.2脈沖反射式超聲檢測技術簡介超聲波是一種看不見、摸不著、聽不見的彈性波。它具有指向性好、 1二。j 。傳播性好和傳播速度幾乎不變的特點。利用超聲波來研究物體內部的結 構和缺陷,最早是由蘇聯(lián)的薩哈諾夫于192

11、9年提出來的l鋤。經(jīng)過幾十年 的發(fā)展,如今已經(jīng)比較成熟。我國從五十年代開始引進超聲探傷技術對金屬材料及其制品進行探 傷。現(xiàn)在,該技術已在各個工業(yè)部門得到了普遍應用,并產(chǎn)生了大批的 專業(yè)技術人員,進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。我國已經(jīng)制定了各種探傷標準,促進了探傷工業(yè)的逐步規(guī)范化131。常用的超聲波檢測方法是脈沖反射法,實際應用中,有單探頭自發(fā) ,自收和雙探頭一發(fā)一收兩種模式14j,其原理見圖1.1。l發(fā)射器發(fā)射的聲脈 沖形成聲束,在傳播的途中遇到缺陷。如果缺陷比聲束的截面積小,則 有一部分聲波會到達底面。聲波遇到缺陷會產(chǎn)生反射,反射波的強弱和 方向取決于缺陷的形狀和大

12、小,其一部分會被接收器接收反射波按照 發(fā)射器一反射面一接收器的通過時間顯示。因為缺陷比底面距離探測面 近,所以缺陷回波顯示在底面回波之前。反射波由其強度即振幅表示, 通過時間給出缺陷的距離。在波速一定、波型一定的情況下,時間刻度 可以換算為缺陷距表面的距離。脈沖反射法根據(jù)反射回波的時間來確定缺陷的位置,并根據(jù)回波能 量的大小利用當量法來估算缺陷的尺寸。蔭以,其檢測結果就會受到諸 如缺陷形狀、缺陷方向、耦合狀態(tài)以及檢測人員的經(jīng)驗等主客觀因素的 影響,就可能出現(xiàn)錯檢、漏檢等情況。正是由于脈沖反射法有這些不足 之處,使得它在應用中有一定的局限性,不能對工件進行準確而全面的 評測。隨著超聲波無損檢測技

13、術的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了TOFD超聲波檢測法,不僅可以確定缺陷的位置,還可以計算出缺陷的大小,彌補了脈沖 反射法的不足。由于其具有準確、快速、經(jīng)濟的特點,現(xiàn)在已經(jīng)得到了 越來越廣泛的應用。6。 64。 4 p暈0 (a單探頭模式 (b雙探頭模式圖1.1超聲波脈沖反射法示意圖1.3TOFD發(fā)展概況TOFD技術是20世紀70年代末由英國Ha rwell試驗室(uKAEA 的S i l k和Lidington先生發(fā)明的。它是一種可以精確測量缺陷尺寸的 超聲波檢測技術。20世紀80年代,在英國核工業(yè)領域中,要求減少缺 陷高度測量的失誤,以精確進行斷裂力學評估,TOFD技術的發(fā)展為設 備的可用性評估提供了精

14、確的試驗數(shù)據(jù)。此技術在國外應用在石油、天 然氣和石油化工等工業(yè)領域。隨著對該技術理解的深化,該技術以其檢 測的快速性和尺寸測量的可靠性必將得到更加廣泛的應用【51。1993年英國首先制定了TOFD相關標準BS7706161。歐共體在此基礎碩士學位論文 第一章 緒 論上,制定了有關焊縫TOFD法檢測的標準ENV583.6(超聲波衍射時差 法用于缺陷檢測和定量【7】。各國也有自己的行業(yè)標準。在這些標準中, 都對TOFD的原理和應用做了闡述。國外對TOFD的研究已經(jīng)有二十幾年了,現(xiàn)已經(jīng)可以用TOFD技術 來完成其他檢測方法無法完成的檢測,已經(jīng)實現(xiàn)了工件焊接和使用過程 中的實時檢測,并可以監(jiān)測缺陷的生

15、長情況。國內對TOFD技術的研究剛剛開始,目前仍以應用為主,還沒有統(tǒng) 一的標準。很多科研機構只是完成了理論驗證,還沒有成熟的自主產(chǎn)品。 交大無損檢測實驗室經(jīng)過努力,已經(jīng)推出了國內第一套自主開發(fā)的 TOFD檢測系統(tǒng)。1.4本論文的主要工作本論文在研究TOFD方法理論和前人研究成果的基礎上,主要分三 大部分討論了TOFD檢測原理及其圖像處理方法。第一部分闡述了TOFD檢測方法的理論和數(shù)學模型,介紹了其特點 和發(fā)展情況。在此基礎上,簡單介紹了TOFD檢測系統(tǒng)的基本結構。 第二部分介紹了TOFD檢測所用的探頭的性能特點。筆者自行研制 了幾組探頭和參考試塊,并對探頭進行電路匹配,通過大量的實驗,測 試探

16、頭性能,得到了有用結論。第三部分講述了TOFD檢測中計算機程序的開發(fā)思路和相關算法。 程序可以將檢測得到的數(shù)據(jù)以B掃描圖像和A掃描圖像的形式顯示出 來,并可對B掃描圖像進行放大、濾波等預處理,在此基礎上實現(xiàn)了缺 陷自動識別,以及缺陷位置和尺寸等數(shù)據(jù)的自動求取和存儲。碩士學位論文第二章珊D檢測原理第二章TOFD檢測原理2.1理論基礎當超聲波在傳播途中遇到障礙物(缺陷時,除了產(chǎn)生反射波和透 射波以外,還會在缺陷的端部產(chǎn)生衍射波,如圖2.1所示。衍射波能量 在很大角度范圍內傳播,并假定它們都源于缺陷端部。TOFD方法正是 用這個原理來進行檢測181。2l一入射波:2一反射波:3一透射波;4、5一衍射

17、波圖2.1超聲波傳播示意圖TOFD檢測采用一對寬聲柬縱波斜探頭,個為發(fā)射探頭T,用來 產(chǎn)生檢測超聲波;一個為接收探頭R,用來接收缺陷的衍射回波信號。 如圖212所示,發(fā)射探頭T發(fā)射寬聲束超聲波,在工件內傳播。其中, 有一部分沿表面?zhèn)鞑?直接被接收探頭R接收,形成外壁正向信號波,i,稱其為側面波,它是區(qū)分和測量缺陷的參考:、在工件中傳播的超聲波遇 到焊縫中的缺陷后在缺陷上尖端產(chǎn)生衍射波,形成負向信號波,稱為缺 陷上端衍射波,簡稱上端波。同樣,超聲波在缺陷下端也會產(chǎn)生衍射渡, 被接收探頭R接收后形成正向信號波,稱為缺陷下端衍射波,簡稱下端5碩士學位論文 第二章TOFI檢測原理波。還有一部分超聲波抵

18、達工件底面,經(jīng)反射后被接收探頭R接收,形 成負向信號,稱為底面波。從圖中可以看出,缺陷回波都位于側面波和 底面波之間,所以,側面波和底面波就成為檢測時識別缺陷回波的一個 依據(jù)。圖2.2TOlD原理圖2.2數(shù)學模型TOFD技術是根據(jù)回波信號之間的時間差來確定缺陷的深度、高度 和尺寸的19】。如圖2.3示,假設探頭間距為2S,垂直于焊縫表面的缺陷 深度為d,X為缺陷距兩個探頭之間中心平面的水平偏差。設超聲波在 固定點入射試件,在試件中傳播速度為C,在位于D點的缺陷端點發(fā)生 衍射,至達接收探頭的時間為T.則有下式:CT=d 2+(s.x21尼+d 2+(s+x21尼 (2.1 當x=0時,T最小,此

19、時式(2.1為:CT=2d 2+s 2嚴 (2.2 一般以側面波作為參考,則深度d通過計算D點衍射波與側面波的時間 6一碩士學位論文 第二章TOFD檢測原理差TD來得出d=1/2TD產(chǎn)+4TDCS1陀r打 hIS 一舊/ 1。>1,2s一探頭間距;s一探頭問距的一半;d一缺陷深度;D一缺陷上端點;L、M一聲程:x一缺陷距攘頭之間中心平面的偏差圖2.3TOlD數(shù)學模型(2.32.3數(shù)據(jù)顯示方式TOFD檢測所得數(shù)據(jù)一般以A掃描和B掃描的形式顯示,見圖2.4。 A掃描圖像是一維圖像,表示某一位置上沿焊縫厚度方向的檢測情況。 橫坐標為時間軸,可以表示焊縫厚度方向的距離,縱坐標為振幅,用來 表示回

20、波的振動情況。B掃描是二維圖像,由無數(shù)個A掃描圖像組成。 以灰度表示每一點的振幅?？梢哉J為B掃描圖像顯示了焊縫縱截面的信 息,其中,一個坐標軸為時間軸,表示沿焊縫厚度方向的距離,另一個 坐標軸為距離軸,表示沿焊縫長度方向的位置。形成B掃描圖像時,首先對A掃描圖像進行分析,并用數(shù)字表示其 各點的波高。例如,可以用0表示正滿屏高度,顯示為白色;用255表 示負滿屏高度,顯示為黑色;用128表示該點幅值為0,顯示為灰色。 一7一碩士學位論文 第二章TOFD檢測原理然后將一系列A掃描圖像并列,這樣,就可以把A掃描圖像組合成B掃 描圖像。通過對B掃描圖像進行分析,我們可以知道缺陷的位置、深度、 高度和大

21、小等相關信息,為斷裂力學分析和工程應用提供依據(jù)。 A掃描圖像 B掃描圖像圖2.4TOFD檢測數(shù)據(jù)顯示方式2.4掃描方式TOFD一般以B掃描的方式進行檢測和圖像顯示,如圖2.5所示。 根據(jù)探頭掃查方向和聲柬方向之間的關系,又可分為縱向掃描(又稱非 平行掃描和橫向掃描(又稱平行掃描。圖中上圖為縱向掃描,即探頭8一碩士學位論文 第二章TOFD檢測原理的掃查方向與超聲波聲束方向垂直;下圖為橫向掃描,即探頭掃查方向 和超聲波聲束方向平行。在實際檢測中,一般采取縱向掃描的方式。圖2.5TOFD掃查方式2.5優(yōu)勢及局限性任何一種技術的產(chǎn)生和發(fā)展,都是因為其具有特定的某些優(yōu)勢,能 夠滿足某些要求,彌補以前的技

22、術的某些不足。TOFD與超聲波脈沖反 射法相比,主要有以下優(yōu)點:1.TOFD是通過對時間差的分析計算來確定缺陷的位置和尺寸,而 不依賴信號幅度,所以個人主觀因素、表面條件和耦合劑對信號 的影響沒有回波技術中那么明顯。 一9碩士學位論文 第二章TOFI檢測原理2.由于TOFD采用寬聲束探頭,覆蓋范圍廣,所以受探頭位置和缺 陷方向的影響較小。3.TOFD只使用縱波,所以任何模式轉換波都會以低速傳播,從而 不會影響到接收信號。4.從TOFD檢測得到的B掃描圖像中,我們可以獲得比以往更多的 關于缺陷的信息。5.使用TOFD方法,可以提高缺陷的檢出率,對缺陷的定性和定量 分析也更精確了。檢測的整體可靠性

23、較高。正是由于TOFD有以上優(yōu)點,使得它的應用越來越廣泛。但是,沒 有任何一項技術可以是萬能的,TOFD方法當然也有一定的局限性,主 要表現(xiàn)在:1.由于受側面波和底面波的影響,在上下表面存在盲區(qū),使得近表 面的缺陷檢出率降低。2.用于粗晶粒材料和各向異性材料的檢測時,晶面散射會對檢測結 果產(chǎn)生影響,因此,需要進一步驗證,并需要進行額外的數(shù)據(jù)處 理。 3.由于采用了寬聲束探頭,所以衍射信號會比較寬,使得一個點缺 陷顯示出來的信號類似于個線缺陷。可以在檢測后,對探頭聲 束特性進行分析,從而對圖形進行修正。4.由于衍射信號的強度比反射信號的強度小很多,為了提高檢測的 準確性,需要采用前置放大電路,對

24、衍射回波信號進行放大處理。 但這樣會使噪音增大,所以要對顯示圖像進行濾波處理。2.6TOFI檢測系統(tǒng)見圖2.6所示,TOFD檢測系統(tǒng)由內曼編碼器的掃查器、探頭、脈沖 一10一碩士學位論文 第二章TOFD檢測原理發(fā)生裝置、包含前置放大器的接收裝置、模數(shù)(A/D轉換器、編碼器 控制器,以及對整個系統(tǒng)進行控制的計算機組成。兩個探頭與超聲發(fā)射 設備相連,并固定在掃查器上,探頭間距可根據(jù)工件厚度進行調節(jié)。掃 查器可由電動或手工驅動,靠附有磁鐵的4個輪子,沿在焊縫方向布置 的導軌進行掃查。檢測位置和檢測距離由磁性或光學編碼器輸入計算機。 /l鬻I.回一I和存儲I L蘭二J。. 匭叵/圖2.6TOFD檢測系

25、統(tǒng)示意圖A/D轉換器與超聲設備相連,并將采集到的A掃描圖像輸入主機。通過 對大量的A掃描圖像進行處理,可以得到B掃描圖像。2.7TOFD應用由于TOFD方法具有檢測靈敏度高、檢測速度快、精度高、缺陷檢 出率高、定位準確、可以確定缺陷尺寸等優(yōu)點,目前己廣+泛用于鍋爐、 壓力容器及結構件等的焊縫檢測。采用TOFD檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化實時檢測。并且,由于其現(xiàn)場 檢測的前端裝置是掃描器及探頭,易于制作的較小,所以可以在焊接過 程中對工件進行檢測,并可以實現(xiàn)在役檢測,從而節(jié)約時間,降低成本。碩士學位論文 第二章TOFD檢測原理此外,由于其檢測結果的再現(xiàn)性好,所以可以用于監(jiān)測缺陷的生長。 如果缺陷高度傾

26、斜或扭曲,比如橫向裂紋,縱向掃描就很難將其檢 測出來。有時候,并不嚴重的缺陷,如點缺陷,顯示卻好像是一個裂紋。 而且,由于其在工件的上下表面存在檢測盲區(qū),所以,為了保證檢測的 準確性和精度,實際檢測中TOFD技術需要和其他的無損檢測技術配合 進行檢測。2.8小結TOFD(Time Of Hight Diffraction,即衍射時差法檢測方法與傳統(tǒng) 的脈沖回波法不同,其采用一對寬聲束斜探頭對工件進行掃描,根據(jù)回 波信號之間的時間差來確定缺陷的位置和大小,所以,其具有檢測速度 快、靈敏度高、定位準確、重復性好等優(yōu)點,并可以彌補傳統(tǒng)檢測方法 不能確定缺陷大小的不足:但是由于有側面波和底面回波信號的

27、影響, 在上下兩個表面存在大約1.5mm2mm的盲區(qū)。所以,為了保證缺陷檢 出率,TOFD方法應該和脈沖反射法或者相控陣系統(tǒng)結合起來,才能得 到理想的檢測結果。目前,TOFD法主要應用于鍋爐、壓力容器的焊縫 檢測。一12碩士學位論文 第三章TOFO探頭性能研究第三章TOFD探頭性能研究超聲探頭,也叫超聲換能器,是超聲檢測中用來探測物體的探測頭, 實際上是一種電聲和聲電轉換器件。探頭能收集和反映大量的聲學信息, 是超聲檢測系統(tǒng)的重要組成部分,其性能好壞直接影響到檢測的精度和 準確性,所以有必要對探頭性能進行研究【10l。按照實現(xiàn)電一聲能量轉換的原理不同,探頭可以利用磁致伸縮和電 磁感應的原理來發(fā)

28、射和接收超聲信號,也可以利用靜電效應、光電效應 和機械振動等原理來發(fā)射和接收超聲信號。但用的最多的,還是利用壓 電效應原理制造的超聲探頭,它是一種可逆式的能量轉換器件。實現(xiàn)電 一聲能量轉換的關鍵部件是壓電元件。一般將壓電元件固定安裝在探頭 殼體內部【ll】。3.1壓電超聲探頭某些電介質(如晶體、陶瓷、高分子聚合物等在其適當?shù)姆较蜢?加作用力時,內部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化,在電介質的某相對兩表面 內會出現(xiàn)與外力成正比的符號相反的束縛電荷。這種由于外力作用使電 介質帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應。相反地,若在電介質上加一外電場,在 此電場作用下,電介質內部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應的變化,產(chǎn)生與外加 電場強度成

29、正比的應力或者應變,這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應。凡是具有壓電效應的材料,統(tǒng)稱為壓電材料。壓電材料是非金屬和 電介質晶體結構,也稱壓電晶體。壓電式超聲探頭是利用某些材料的壓電效應制成的超聲探頭,其優(yōu) 點是制作和使用都比較簡單,發(fā)射和接收的靈敏度高,可用頻率范圍寬 等,是目前超聲檢測中使用最為廣泛的探頭。當對其加上一個電脈沖時碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究就能發(fā)射超聲波;反之,當加上一個聲脈沖時又會產(chǎn)生電脈沖。再配上 產(chǎn)生和接收電信號的裝置,就構成了完整的超聲檢測系統(tǒng)。3.1.1用途和分類由于被檢工件是由不同的材料和不同的工藝所制成,而且工件形狀 也是各種各樣的,因此,為了滿足對各種工件的超

30、聲波檢測要求,必須 采用不同類型的探頭。也就是說。種類繁多的探頭是根據(jù)不同的檢測要 求所產(chǎn)生的。按其結構和用途不同,壓電超聲探頭可作以下分類:壓電超聲探頭 按接觸方式分 二三二:探頭3.1.2常用探頭的形式和結構(一探頭的基本結構圖3.1所示為一般探頭的基本結構。探頭主要由阻尼塊1、晶片2、 和保護膜3組成。此外,還有殼體、與儀器連接的高頻同軸電纜的插 接件等。頭頭頭頭探探探探頭直斜斜波探 波波波面波 縱橫縱表板 , 、 ; 分形 波 的 生 產(chǎn) 按 等頭 ,探 頭 溫 探 高 斜 、 雙 ,頭 和 頭 探 頭探 型 探 焦 微 壹 聚 、 雙線 頭 、 探 頭焦 用 探 聚 醫(yī) 雙點 如 合

31、 頭0聯(lián)頭探頭 式探角探 割焦變用 分聚 可專 , , 、 分 途 用 防 探 按碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究(二直探頭縱波直探頭結構如圖3.2所示。為使聲束能垂直入射到工件中去, 殼體的軸線應與晶片表面垂直。保護膜是為了使晶片不受到磨損。阻 尼塊除影響超聲波的脈沖寬度以外,還能抑制晶片的徑向振動。1一阻尼塊;2一晶片:3一保護膜圖3.1超聲探頭的基本結構 1一插頭;2一引線;3一阻尼塊 4一品片;5一保護膜圖3.2直探頭結構(三斜探頭當超聲波從一種介質傳播到另一種介質時,其入射方向相對于異 質界面而言,可以是垂直入射,也可以是傾斜入射。當垂贏入射時, 只有反射和透射;當傾斜入射時

32、,除反射外,透射波要發(fā)生折射現(xiàn)象, 同時伴隨有波型轉換。所謂波型轉換,就是在第二介質中傳播的波型 已不同于入射波的波型。如圖3.3所示,有一束平面縱波L以聲速cl入射到由阻抗為Z1= p 1Cl和Z2=p'2'C2的兩種介質所構成的平面界面上的0點。0點稱為入 射點。L稱為入射波。入射波L的主聲束軸線與界面法線的夾角n I稱 為入射角。根據(jù)幾何光學原理,聲束L入射到平面界面上時,有一部碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究分反射回第一介質,即Ll和T1,分別稱為反射縱波和反射橫波。因為 L1仍在第一介質中傳播,聲速仍為c,T。的速度為ct。Lt與法線的夾 角n I稱為縱波反射

33、角。T1與法線的夾角a。1稱為橫波反射角。而另一 部分聲波將通過界面,進入第二介質,并發(fā)生波型轉換。這時,根據(jù) 入射角a.的大小不同,在第二介質中傳播的波,可能是縱波、橫波或 表面波,或兼而有之。k稱為折射縱波,速度為C1,T2稱為折射橫 波,速度為c。Bl稱為縱波折射角,B。稱為橫波折射角。圖3.3盧波在平面異質界面上的反射和折射聲波在平面界麗上的反射和折射現(xiàn)象滿足幾何光學的反射定律和 折射定律。即對于反射來說,反射縱波滿足式:_Sin(1I:!L國 (3.1 Sinof c、。可知:a,一n:反射橫波滿足式:折射縱波滿足式: 墊。!Lslnotfcf(3.2 (3.3碩士學位論文 第三章T

34、OFD探頭性能研究折射橫波滿足式 Sill%cIsinlB, c,(3.4.sino.L;旦 (3.5 sinj, cf由于在同一介質中,縱波的傳播速度要大于橫波的傳播速度,所以 島>氏。隨著入射角a,的增大,島和臣也會逐漸增大,當臣=90。時, 縱波沿介質表面?zhèn)鞑?在第二介質中傳播的就只有橫波,此時對應的 入射角稱為第一臨界角a,。根據(jù)折射定律,可知:旺j=arcsin阜 (3.6 C,同理可知當仁,:90。時,橫波沿介質表面?zhèn)鞑?在第二介質中沒有超 聲波傳播,此時對應的入射角稱為第二臨界角a。a一arcsin_cI (3.7 C因此隨著入射角不同,會有以下幾種情況:1當O.t<

35、0【,時,在第二介質中同時存在縱波和橫波。12當n,<%(a。時,在第二介質中只有橫波。3當O.t>q。時,在第二介質中即沒有縱波,也沒有橫波。在實際檢測中,可以根據(jù)實際情況,選擇合適的探頭。斜探頭正是利用縱波斜入射到工件界面上產(chǎn)生波型轉換的原理, 來產(chǎn)生和接收超聲波的。由于縱波斜入射的波型轉換結果可能產(chǎn)生橫碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究波或者同時產(chǎn)生縱波和橫波,所以可以分為縱波斜探頭和橫波斜探頭。 斜探頭結構如圖3.4所示。阻尼塊和晶片的材料和功能,與直探頭 相同。透聲鍥的形狀可以多種多樣,但有一個基本要求:聲波在透聲 鍥中傳播時不能返回晶片,即由透聲鍥底面反射回來的聲

36、波只能由阻 尼塊吸收,以免出現(xiàn)雜波干擾。有機玻璃具有加工性好、聲耦合性好、 聲衰減小等優(yōu)點。因此,一般被用作透聲鍥材料。l一吸聲材料;2一斜鍥:3一壓電品片;4一阻尼塊;5一引線;6一插頭 圖3.4斜探頭結構3.2TOFD探頭的研制探頭作為檢測系統(tǒng)中首要的組成部分,其性能好壞直接影響到檢測 的精度和準確性,所以有必要對TOFD探頭的性能進行研究。為此,筆 者設計加工了幾組探頭和試塊,通過大量的實驗,對TOFD探頭的折射 角、前沿距離、延遲時間等性能及其衍射特性進行了分析研究【塒。 TOFD法是利用超聲波的衍射原理來對工件進行檢測的。由于在同 一介質中縱波的傳播速度大于橫波的傳播速度,而且縱波比

37、橫波更容易 產(chǎn)生衍射,所以TOFD采用了小角度縱波斜探頭。為了滿足檢測要求, 其應該具有較高的轉換效率,以獲得較高的檢測靈敏度;同時,還要進 行阻抗匹配,以提高聲能透過率。(一探頭角度的選擇為了實現(xiàn)快速全面的檢測,對不同厚度的工件應采用不同角度的探 頭,以保證聲束覆蓋率。根據(jù)歐共體標準,探頭角度的選擇可根據(jù)表1和表2進行。對于70mm以下的工件,用一對探頭檢測就可以了。對于70mm以 上的工件,就要把工件沿厚度方向分割成幾個區(qū)域,每個區(qū)域用一對探 頭進行檢測。這幾個區(qū)域可以同時進行檢測,也可以分別單獨進行檢測。 考慮到工業(yè)中常見的焊縫厚度在20mm左右,本次實驗選擇了角度為 60。和70。的兩

38、種探頭。表1用于70mm以下鋼材檢測的探頭選擇參考表工件厚度 中心頻率 晶片尺寸 探頭角度 <10mm 1015MHz 26mm 50。一70。 10mm一30mm 510MHz 26mm 50。一60。 30mm一70mm 25MHz 612mm 45。一604表2用于70mm以上鋼材檢測的探頭選擇參考表厚度范圍 中心頻率 晶片尺寸 探頭角度 0mm-30mm 5一l味mz 26mm 50。一70。 30mm一100 25MHZ 612mm 45。一60。 100mm-300mm l一3MHz 1025mm 45。一604(二晶片尺寸的確定晶片的尺寸影響到產(chǎn)生的超聲波聲場的指向性。對圓

39、形晶片來說, 聲場的指向角由下式確定:sinOo 2臺 。-8 式中,碥=1。22,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(3.3.1可以看出,晶片尺寸越大,聲場指向性越好。而IOFD方法要求使用寬聲束覆蓋檢測區(qū)域,所以要適當減小晶片的尺l。 :寸。在本次實驗中,采用了6ram和lOmm兩種尺寸的圓形晶片。(三晶片頻率的選擇雖然高頻超聲波在介質中傳播時容易產(chǎn)生衰減,而且其林狀回波多, 影響反射回波的判斷,但是對TOFD的衍射回波影響不大,而且高頻超聲 波分辨力高,所以,TOFD檢測中一般采用高頻探頭。本次實驗采用了5MHz 和10MHz兩種頻率的探頭。(四本實驗所用探頭

40、本次實驗所設計和使用的探頭采用常用的PZT壓電晶片,延遲塊分 別采用了兩種聲速不同的有機玻璃來制作。共加工了3組探頭,每組2個探頭,分別標號l號、2號。具體參數(shù)見表3。表3探頭參數(shù)(五探頭的匹配TOFD檢測所用探頭應該是寬頻帶高頻探頭,其產(chǎn)生的超聲波脈沖周 期應該在2個以內。未經(jīng)匹配的探頭,其波形較為雜亂,不符合檢測要 求,所以在使用探頭之前,必需對其進行匹配,使其產(chǎn)生的超聲波達到碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究要求,以優(yōu)化探頭性能,使其更有利于超聲檢測。探頭匹配前后的波形 對比見圖3.3.1所示,其中,左圖為匹配前的波形,右圖為匹配后的波形。 從圖中可見,經(jīng)過匹配的探頭,波形較為整齊

41、,而且脈沖短,小于2個 周期,且其頻譜較寬而且均勻。(a匹配前波形和頻譜 (b匹配后波形和頻譜圖3.5探頭匹配前后的波形和頻譜對比3.3試塊的設計制作實驗中所用的試塊共2組,采用20號鋼制作,具體尺寸見圖3.6和 圖3.7。每組加工了種人工缺陷,分別為不同深度的平底孔和橫通孑L, 模擬點狀和條狀缺陷,具體說明里表4和表5。分別用來研究探頭入射 點隨探頭間距的變化規(guī)律和超聲波在缺陷端部產(chǎn)生最大衍射效率時探頭 折射角的變化規(guī)律。實驗所用測試儀器為基于PC機的插卡式超聲波設備。采用的板卡 為SUSC880超聲波成像界面卡I塒。該界面卡具有發(fā)射強度強、接收帶寬 寬、脈寬和阻抗可調等特點,完全能夠滿足T

42、OFD檢測的要求。碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究圖3.61試塊尺寸表41麓塊參數(shù)圖3.7F試塊尺寸(共4塊表524試塊參數(shù).22碩士學位論文 第三章TOFB探頭性能研究3.4TOFD探頭入射點的變化由于TOFD方法采用的是一對寬聲束斜探頭,所以在檢測過程中的 任意時刻,作用在不同深度缺陷上的是超聲波束豹不同部分,從面可以 同時檢出同一個缺陷的上端和下端。同理,對同一個缺陷,若探頭間距 不同,也會是超聲波束的不同部分傳播到其端部并產(chǎn)生衍射,因此可以 想象,產(chǎn)生衍射的超聲波在工件界面的入射點是變化的。也就是說,探 頭的實際折射角、前沿距離和超聲波在斜楔內的延遲時間會隨著探頭間 距的變化而

43、變化。為了精確地確定探頭的入射點,從而提高檢測精度,筆者編寫了一 個程序,可以根據(jù)缺陷和探頭的相關尺寸求出探頭的入射點,算法原理 見圖3,8。圖中:A、E一晶片中心點:B、D一所求探頭實際入射點:c一缺陷端部:卜晶片中心點在檢測面上的投影點;e探頭前沿;一晶片中心的高度:卜晶片中心距晶片前沿的距離;卜探頭間距;de一陷深度;a一超聲 波入射角;卜探頭折射角?，?.8計算探頭入射點原理圖圖中,左側為發(fā)射探頭,右側為接收探頭,超聲波沿ABCDE方向 傳播。其中,B點是所求實際的超聲波入射點,角b為所關注的探頭折 射角。設超聲波在斜楔內的速度為c,在工件內的速度為C:,則從圖中 可知,所求的入射點B

44、必須滿足折射定律,即:.23.碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究!墼:三L sinbc, 式中:Sinn=籌 sin掃:s/2+BG 口C (3。9 (3.10 (3.aa探頭的折射角可以由下式給出:tanb:s/2+BG f3.1 aep延遲時間為:爿口t=-一h(3.13 而BG就是探頭的前沿距離。只要在程序中輸入探頭和缺陷的相關尺寸 L、H、S、dep,以及斜楔內和工件內超聲波的速度,就可采用逼近法求 得超聲波的入射點B,從而得出對同一缺陷,不同探頭間距所對應的探 頭折射角、前沿距離以及延遲時間,并可繪制出理論上的變化曲線。為 了對理論曲線進行驗證,筆者進行了一系列實驗,分別用3組

45、探頭對18試塊上的不同深度的平底孔(巾2ram進行檢測,實測回波信號的時間, 并與軟件計算的理論結果進行對比,二者吻合。圖3.9所示為以6mm 60。 的兩個探頭對10mm深、10mm高的巾2ram平底孔進行檢測時超聲波傳 播的實測時間和理論計算時間的對比圖,二者最大偏差為0.04us。圖3.9缺陷回波信號實測時坷和理論對闖對比圈碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究在此,仍以巾6mm60。探頭對10mm深、lOmm高的巾2ram平底孔 檢測為例,其探頭折射角、前沿距離和延遲隨探頭間距的變化曲線,如 圖3.10示。從圖中可以看出,隨著探頭間距S從20mm增加到120mm, 探頭折射角b從59

46、_3。增加到81.4。,前沿距離BC從6.8mm縮短到 6.5mm,延遲時間從1_62us增加到1.67us。其中,前沿距離和延遲時間 的變化不是很大,在一般的檢測中可以忽略。用其余幾組探頭對其它的 人工缺陷進行檢測,也有相同的變化規(guī)律。因此,TOFD檢測過程中探 頭的實際折射角是變化的,探頭的標稱折射角只是給我們提供超聲波束 的方向和范圍;注意到這一點,有助于我們更深入地理解TOFD檢測方 法,并靈活掌握其應用。(a折射角與探頭間距的關系(b前沿距離與探頭間距的關系碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究(c延遲時同和探頭間距的關系圖3.10探頭參數(shù)的變化曲線3.5TOFI探頭的衍射特性TO

47、FD檢測中,入射超聲波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射波會以相同的概 率向四周傳播,所以,被接收探頭接收到的信號就很弱。如果能夠知道 在什么情況下超聲波在缺陷端部的衍射效率最高,那么就可以充分利用 探頭發(fā)射的超聲波能量進行檢測。因此,有必要對超聲波在缺陷端部產(chǎn) 生衍射效率最高時對應的探頭的折射角進行研究,得出一定的規(guī)律,從 而指導我們的實際檢測。由于探頭發(fā)射的超聲波能量在晶片中心軸線上最強,離中心軸線越 遠,能量越低,所以,檢測時得到的絕對最大衍射波就應該是由沿晶片 中心軸線傳播的超聲波束產(chǎn)生的,其對應的折射角就是探頭的標稱折射 角。實驗結果也驗證了這一點。為了消除聲束能量的影響,得到衍射效 率最高時對應

48、的探頭折射角的歸一化分布規(guī)律,可以先分別測出每組探 頭的1號和2號探頭對缺陷的反射波高,再分別以1號和2號探頭為發(fā) 射探頭測出缺陷的衍射波高,然后對實驗結果進行歸一化處理,計算公 式如下:F:旦!:里2Rl。R 226碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究式中:Dl一以1號探頭為發(fā)射探頭測得的缺陷衍射波高D:一以2號探頭為發(fā)射探頭測得的缺陷衍射波高最,-I號探頭對缺陷的反射波高R:2號探頭對缺陷的反射波高用每一組探頭對不同深度的每一個橫通孔進行測試。每次令探頭間距S 在一定范圍內變化,s每增加2mm記錄一組數(shù)據(jù),求出一個F值,然后 找出F值最大的點,就是該組探頭在該缺陷端部產(chǎn)生最大衍射效率的

49、點。 然后,就可以用前面設計好的程序計算出對應的探頭折射角。因為橫通 孔有上沿和下沿,會有兩個衍射回波,所以可以得到兩組實驗數(shù)據(jù)。 經(jīng)過對一系列不同深度的m 1mm橫通孔進行實驗,得到了兩條超聲 波在缺陷端部產(chǎn)生衍射效率最大時對應的探頭折身寸=角的變化曲線,見圖 3.11示。圖中,橫坐標為缺陷深度,級坐標為角度。從圖中可見,當超聲波在缺陷端部衍射效率最大時,不同探頭對應 的實際折射角有相似的變化規(guī)律,并且,對同一缺陷,不同探頭的折射 角基本差別不大。當缺陷埋藏較淺時,處于探頭的近場區(qū),聲場分布比 較復雜,雖然對衍射波幅廢影響不大,但對反射波幅度影響較大,所以, 不同探頭的折射角差別較大,但都在

50、70。到80。之間。隨著缺陷深度增 加,各個探頭的折射角都趨于70。,也就是說,當超聲波在缺陷端部衍 射效率最大時對應的探頭的實際折射角與探頭的標稱折射角沒有必然的 聯(lián)系,并且不同的探頭有基本相同或者相近的實際折射角。3.6小結本章主要對壓電超聲探頭進行討論。首先介紹了壓電效應的原理和 一些常用的壓電材料。然后對壓電超聲探頭的基本結構和分類進行說明。 在此基礎上,對TOFD探頭進行了討論。筆者設計了幾組探頭和參考試碩士學位論文 第三章TOED探頭性能研究塊,并通過大量的相關實驗對TOFD探頭的特性進行研究,得出了一些 有用結論。首先,在TOFD檢測過程中,探頭的實際入射點會隨著探頭 間距的變化

51、而變化,從而使探頭的實際折射角變大,計算時應考慮此因 素。其次,在TOFD檢測中,探頭的實際折射角與標稱角度沒有必然的 聯(lián)系,且當超聲波衍射效率最大時對應的探頭折射角一般在70。80。 之間。隨著缺陷深度增加,此折射角趨于709,也就是說,當超聲波在 缺陷端部衍射效率最大時不同的探頭有基本相同或者相近的實際折射 角。所以。在用TOFD方法進行焊縫檢測的過程中,首先要根據(jù)被測工 件的厚度和檢測要求,決定選擇多大角度的探頭,在檢測中要注意探頭 的實際折射角會隨著探頭間距的增加而變大,而檢測過程和結果不應受 到其標稱折射角的影響。另外,檢測時,在保證超聲波覆蓋范圍的前提 下,應盡量使探頭的實際折射角

52、在70。附近,這樣可以得到最大的衍射 效率,充分利用超聲波能量,并提高缺陷檢出率。碩士學位論文 第三章TOFD探頭性能研究圖3.11最大衍射效率時不同探頭折射角的變化.29.碩士學位論文 第四章 圖像處理方法的研究第四章圖像處理方法的研究所謂圖像處理,就是對圖像信息進行加工以滿足人的視覺心理或應 用需求的行為1141。圖像處理的手段有光學方法和數(shù)字方法。光學方法已 經(jīng)有很長的發(fā)展歷史,從簡單的光學濾波到激光全息技術,光學處理理 論已經(jīng)日趨完善,而且處理速度快,信息容量大,分辨率高,又很經(jīng)濟。 但是光學處理圖像精度不夠高,穩(wěn)定性差,操作不方便【15l。從20世紀 60年代起,隨著電子技術和計算機

53、技術的不斷提高和普及,數(shù)字圖像處 理(Digital Image Processing進入高速發(fā)展時期。所謂數(shù)字圖像處理就 是利用數(shù)字計算機或其它數(shù)字硬件,對從圖像信息轉換而得的電信號進 行某些數(shù)學運算,以提高圖像的實用性。例如從衛(wèi)星圖片中提取旦標物 的特征參數(shù),三維立體斷層圖像的重建等。數(shù)字圖像處理技術處理精度 比較高,而且還可以通過改進處理軟件來優(yōu)化處理效果。隨著計算機技 術的發(fā)展,必將促進數(shù)字圖像處理技術的飛速發(fā)展【161。4.1數(shù)字圖像的基本概念人眼看到的任何自然界的圖像都是連續(xù)的模擬圖像,其形狀和形態(tài) 表現(xiàn)由圖像各位置的顏色所決定【171。對于平面黑白圖像,可以用f(x,y 來表示(

54、x,y處的灰度值。由于計算機僅能處理離散的數(shù)據(jù),所以如 果要用計算機進行圖像處理,必須把連續(xù)的圖像函數(shù)轉化為離散的數(shù)據(jù) 集。連續(xù)的模擬圖像經(jīng)過由成像系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和量化器組成的圖像采 集系統(tǒng),轉化為離散的數(shù)字圖像。數(shù)字圖像F是連續(xù)圖像,O,y的一種 近似表示,通常由采樣點的值所組成的矩陣來表示:碩士學位論文 第四章 圖像處理方法的研究F=,o廠Go,1廠G1,(qM一1 fQM一島 f心一q for-1,1f冰一1,M-1每一個采樣點叫做一個像素(pixel。上式中,M、N分別為數(shù)字圖像在 橫、縱方向上的像素數(shù)。在計算機內通常用二維數(shù)組來表示數(shù)字圖像的 矩陣。把像素按不同的方式進行組織或存儲,

55、就得到不同的圖像格式,常 見的圖像格式有:BMP、TGA、PCx、GIF、TIFF、JPGE等。在Windows 系統(tǒng)中,最常用的圖像格式是位圖格式BMP。數(shù)字圖像的采集設備主要有掃描儀、數(shù)字相機和圖像采集卡等。通 過對數(shù)字圖像進行一定的處理。即圖像處理,可在一定程度上改善圖像 的分辨質量和形成特殊的視覺效果。數(shù)字圖像處理由數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 完成,其結構如圖4.1所示,主要包括圖像采集系統(tǒng)、計算機圖像處理 系統(tǒng)和圖像輸出系統(tǒng)三部分。模擬圖像圖4.1圖像處理系統(tǒng)計算機圖像處理系統(tǒng)由計算機軟硬件系統(tǒng)組成。計算機圖像處理的 軟件系統(tǒng)是基于數(shù)字圖像處理的理論和算法而設計的一系列程序,用以 實現(xiàn)圖像的增

56、強、變換、變形、壓縮等操作。碩士學位論文 第四章 圖像處理方法的研究4.2常見數(shù)字圖像處理方法圖像處理就是用一系列的特定操作來改變圖像的像素,以達到特定 的目標,比如使圖像更清晰,或從圖像中提取某些特定的信息等。數(shù)字 圖像處理從功能上可以分為像質改善、圖像分析、圖像重建三大類。從 圖像處理對圖像像素的處理方式上可以分為點處理和區(qū)域處理。點處理 是一種輸出像素值僅取決于輸入像素值的圖像處理方法:區(qū)域處理的輸 出像素值不僅與輸入的像素值有關,而且與輸入像素在一定范圍內的相 鄰像素值有關。區(qū)域處理在數(shù)字圖像處理中占有重要地位。本章主要討 論區(qū)域處理方法。區(qū)域處理在處理某一像素時,利用與該像素相鄰的一

57、組像素,經(jīng)過 某種變換得到處理后圖像中某一點的像素值。目標像素的領域一般是由 像素組成的二維矩陣,該矩陣的大小為奇數(shù),目標像素位于該矩陣的中 央,即目標像素就是區(qū)域的中心像素。經(jīng)過處理后,目標像素的值為經(jīng) 過特定算法計算后所得的結果。區(qū)域中心像素周圍的那些像素值在二維 方向土提供了圖像的亮度變化趨勢的信息。圖像中心像素的亮度在一定 距離上的變化速率稱為圖像的空問頻率。區(qū)域處理將改變圖像的空間頻 率信息,減緩或增強圖像中的某些特定的頻率分量。區(qū)域處理算法一般是針對灰度圖像進行的,對于RGB彩色圖像,可 以分別對其R、G、B分量進行處理,最后再組合各顏色分量,以得到彩 色輸出圖像。主要的區(qū)域處理算法有卷積、低通濾波、高通濾波、中值濾波和邊 緣檢測等。其中,卷積算法的應用最為廣泛,大部分的區(qū)域處理都采用 卷積算法來實現(xiàn)。低通濾波的基本思路是保留圖像空間頻率的低頻成分, 減少圖像的高頻成分,從而使得圖像中那些本來不明顯的低頻成分就更容易識別了,因此使圖像變得平滑,在視覺效果上變得模糊。高通濾波 則是增強