數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù)應(yīng)用ppt

1、數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù)應(yīng)用,2,摘 要,超聲檢測(cè)技術(shù)作為工業(yè)上五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，一直被人們廣泛地應(yīng)用。數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù)能得到斷面上的二維信息及被檢測(cè)物體缺陷三維空間結(jié)構(gòu)，因此斷層圖像的三維重建在工業(yè)無(wú)損探傷的領(lǐng)域有著極其重要的實(shí)用價(jià)值和研究意義。隨著電子技術(shù)和軟件的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字化超聲探傷儀有著廣闊的發(fā)展前景。相信在不久的將來(lái)，以圖像顯示為主的超聲波探傷掃描技術(shù)將會(huì)在工業(yè)檢驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。,3,Abstract,Ultrasonic testing technology, as one of the five conventional NDT technology, has

2、been applied widely all the time. Two-dimensional information in section and three-dimensional space structure of the defects can be gained by use of the numberalization ultrasonic testing scan technology. Therefore, the three-dimensional reconstruct of the section image has played an important pole

3、 in practice and research in the industry NDT field. With the further development of the electronics and software, the numeralization ultrasonic testing instrument will hold a bright prospect. It is believed that the image display, as the primary feature of ultrasonic testing scan technology, is bec

4、oming more and more popular in the industry testing field in the near future.,4,1. 前言,數(shù)字信號(hào)的處理是用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常超聲波探傷進(jìn)行的處理是去除信號(hào)中的噪聲，其次是將已經(jīng)去除噪聲的信號(hào)進(jìn)行再處理，包括增益控制、衰減補(bǔ)償、信號(hào)包絡(luò)、FFT分析及圖像顯示等。超聲信號(hào)經(jīng)接收部分放大后，由AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳給電腦，換能器的位置可受編碼電機(jī)控制或由人工操作，由轉(zhuǎn)換器將位置變?yōu)閿?shù)字傳給電腦。電腦再把隨時(shí)間和位置變化的超聲波形進(jìn)行復(fù)雜的處理，得出了探傷的各種掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)而設(shè)置有關(guān)參數(shù)或?qū)⑻幚斫Y(jié)果波形、圖形等在

5、屏幕上顯示、打印出來(lái)或給出光、聲識(shí)別及報(bào)警信號(hào)。,5,作為與X射線技術(shù)并列的兩大無(wú)損檢測(cè)手段之一，超聲波探傷技術(shù)由于其自身的特點(diǎn)，首先受到了以微電腦為代表的新技術(shù)的影響。從二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)始進(jìn)入超聲波探傷領(lǐng)域。起初由于電子電路和電腦技術(shù)發(fā)展的限制，還不可能制造出與微電腦一體化的便攜式數(shù)字超聲波探傷儀。計(jì)算機(jī)應(yīng)用的主要形式以傳統(tǒng)的模擬超聲波探傷儀通過(guò)某種接口與小型或微型計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，完成某種特定工件的自動(dòng)化探傷或探傷波形進(jìn)行一些簡(jiǎn)單處理（信號(hào)處理）。直到二十世紀(jì)八十年代以后，隨著集成電路技術(shù)和微電腦技術(shù)的快速發(fā)展，與微電腦一體的全數(shù)字化的便攜式超聲波探傷儀終于走向了廣闊的檢測(cè)市場(chǎng)

6、。二十世紀(jì)八十年代中后期我國(guó)陸續(xù)出現(xiàn)了一些超聲波形采樣裝置，超聲波形記錄儀，超聲波形分析儀，以及分析儀與探傷儀一體化的設(shè)備，可以切換顯示模擬數(shù)字混合便攜式超聲波探傷儀。,6,二十世紀(jì)八十年代中期，國(guó)際上數(shù)字超聲波探傷技術(shù)出現(xiàn)了突破，新一代便攜式全數(shù)字儀器得到迅速發(fā)展。相比之下國(guó)內(nèi)的技術(shù)顯得落后?？上驳氖牵覈?guó)研究人員奮起直追，到二十世紀(jì)九十年代初陸續(xù)研制出了自已的便攜式全數(shù)字儀器，且儀器功能和性能指標(biāo)已能和國(guó)外先進(jìn)儀器相媲美，并有自己獨(dú)到之處。更值得一提的是，我國(guó)的數(shù)字式超聲波探傷儀技術(shù)正在走向成熟，正在由樣機(jī)研制階段向批量化、產(chǎn)業(yè)化階段過(guò)渡。,7,2. A型超聲波探傷掃描技術(shù),A型超聲波探傷

7、因其回聲顯示采用幅度調(diào)制（amplitude modulation）而得名。A型顯示是超聲波探傷最基本的一種顯示方式，即在陰極射線管（CRT）熒光屏上，以橫坐標(biāo)代表被探測(cè)物體的深度（時(shí)間軸），縱坐標(biāo)代表回波脈沖的幅度，故由探頭（換能器）定點(diǎn)發(fā)射獲得的回波所在的位置可測(cè)得工件的厚度、缺陷在工件中的深度以及缺陷的大小。根據(jù)回波的其它一些特征，如波幅和波密度等，還可在一定程度上對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析。,8,由于A型顯示的回波圖，只能反映局部的回波信息，不能獲得在工件上需要的解剖圖形，且缺陷的準(zhǔn)確性與操作者的識(shí)波經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大，因此其應(yīng)用價(jià)值已漸見(jiàn)低落。如圖1的車輪輪箍A型掃描顯示波形。,9,3. B型數(shù)字

8、超聲波探傷掃描技術(shù),為了獲得工件內(nèi)部的解剖圖像，繼A型超聲波探傷應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，B型、C型、D型、3D型、TOFD型和相控陣數(shù)字超聲波探傷又先后問(wèn)世，由于它們的一個(gè)共同特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件的斷層顯示，通常將這類儀器稱為超聲斷層掃描探傷儀。,10,雖然B型超聲波探傷因其成像方式采用輝度調(diào)制（brightness modulation）而得名，其圖像所顯示的卻是工件的二維超聲斷層圖（或稱剖面圖）。B型超聲波探傷采用輝度調(diào)制方式顯示深度方向所有界面反射回波，但探頭發(fā)射的超聲聲束在水平方向上卻是以快速電子掃描的方法（相當(dāng)于快速等間隔改變A超探頭在工件上的位置），逐次獲得不同位置的深度方向所有界面的反射回波，

9、當(dāng)一幀掃描完成，便可得到一幅由超聲聲束掃描方向決定的垂直平面二維超聲斷層圖像，稱之為線掃斷層圖像。,11,也可以通過(guò)改變探頭的角度（機(jī)械的或者電子的方法），從而使超聲波束指向方位快速變化，使每隔一定小角度，被探測(cè)方向不同深度所有界面的反射回波，都以亮點(diǎn)的形式顯示在對(duì)應(yīng)的掃描線上，便可形成一幅由探頭擺動(dòng)方向決定的垂直扇面二維超聲斷層圖像，稱之為扇掃斷層圖像。如圖2的線掃斷層圖像顯示。,12,線掃式斷層B型超聲波探傷適用于平面型工件，如對(duì)板材的檢查，而扇掃斷層B型超聲波探傷適用于對(duì)R部位的檢查。現(xiàn)代B型超聲波探傷通常同時(shí)具備以上兩種探查功能，通過(guò)配用不同的超聲探頭，可方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)換應(yīng)用。,13,4

10、. C型數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù),C型超聲波探傷是在B型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它具有X射線拍片相類似的圖像。我們知道，B型超聲波探傷獲得的是一幀垂直斷層圖像，即被探查工件的垂直解剖圖像，但卻不易獲得被探查工件的水平解剖圖像。然而，在實(shí)際應(yīng)用上，有時(shí)往往需要檢查焊接的工件，這就要求探傷顯像儀能具有X射線拍片的類似效果。因此，人們?cè)贐型的基礎(chǔ)上研制成功了C型超聲波探傷。,14,C型超聲波探傷采用多元線陣探頭實(shí)現(xiàn)水平面上的x、y方向綜合掃描，即在水平x方向采用和B型一樣的電子掃描方式，而在水平y(tǒng)方向上通過(guò)機(jī)械的方法使探頭移動(dòng)。 如果僅僅在探頭的掃描方法上采取以上措施，仍不能在顯示上獲得C型聲像圖，要獲取

11、某一探測(cè)深度的C型聲像圖，還需在接收回路設(shè)計(jì)一個(gè)距離選擇開(kāi)關(guān)，并通過(guò)控制該開(kāi)關(guān)的開(kāi)通時(shí)間，來(lái)控制同一深度的回波信號(hào)被接收顯示，由此獲得該深度的平面C型聲象圖。,15,如圖3 的C型連續(xù)譜掃描及圖4 的C型灰度掃描顯示。如果使多元線陣探頭通過(guò)機(jī)械的方法繞軸擺動(dòng)，則可獲得任意深度的曲面C型聲象圖。,16,如果距離選擇開(kāi)關(guān)的開(kāi)通時(shí)間不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)線性變量或者為一非線性函數(shù)，則接收的不再是同一深度的回波信號(hào)，由此獲得的深度切面圖在Z方向?yàn)橐恍泵婊驗(yàn)橐磺媛曄髨D，通常將這種聲象圖稱為F型聲象圖，這樣的超聲波探傷稱為F型超聲波探傷儀。,17,超聲波掃描顯微鏡應(yīng)用 C超,層間連續(xù)譜幅度C掃描圖像。z

12、軸上每層0.1mm深度變化，反應(yīng)出材料結(jié)構(gòu)的組織形貌，缺陷的發(fā)展趨勢(shì)。5mm厚度的復(fù)合材料，選擇了14層的影像剖析。,1Layer,2Layer,3Layer,18,超聲波掃描顯微鏡應(yīng)用 C超,5Layer,7Layer,8Layer,9Layer,12Layer,15Layer,19,超聲波掃描顯微鏡應(yīng)用 C超,16Layer,17Layer,19Layer,20Layer,24Layer,20,5. D型數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù),D型超聲波探傷與B型超聲波探傷顯示方式相同，區(qū)別在于D型超聲波探傷是側(cè)面圖，而B(niǎo)型超聲波探傷是主視圖。D型超聲波探傷深度方向所有界面反射回波，與探頭發(fā)射的超聲聲束在

13、垂直方向電子掃描的方法，逐次獲得不同位置的深度方向所有界面的反射回波，當(dāng)N幀掃描完成后，便可得到一幅由超聲聲束掃描方向決定的垂直平面二維超聲斷層圖像（截面圖）。如圖5的 D型掃描顯示。,21,6. 3D數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù),使用三維圖像，進(jìn)行精確的三維結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)XYZ縱橫截面的觀察，能夠分析工件缺陷的側(cè)面及斷層立體結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)場(chǎng)的三維可視化（3D圖形）如圖6 的C型投影圖、B型主視圖掃描及圖7 的3D型圖像對(duì)照顯示。,22,容易的X及Y軸操作和設(shè)置，通過(guò)“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)” “上轉(zhuǎn)”“下轉(zhuǎn)”按鈕，或者直接設(shè)定一個(gè)數(shù)值都可以確定觀察區(qū)域的上下限。選擇步進(jìn)值后，XYZ圖像系列就可以自動(dòng)獲得。如圖8

14、的3D型圖像掃描按鈕。,23,7. TOFD數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù),衍射時(shí)差法 (TOFD)是一種依靠從待檢工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角” 和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來(lái)檢測(cè)缺陷的方法。TOFD超聲檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)超聲脈沖回波技術(shù)相比能夠提供更先進(jìn)的缺陷檢測(cè)和定量能力，它主要利用超聲脈沖正向散射的衍射和反射信號(hào)。TOFD 已經(jīng)得到ASTM E2373-04，ASME VIII Code 2235，CEN ENV 583-6 (2000)， BS 7706 (1993)等標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可。TOFD 對(duì)于判定缺陷的真實(shí)性和準(zhǔn)確定量上十分有效。,24,同時(shí)，TOFD 可以和脈沖反射法相互取長(zhǎng)補(bǔ)短。例如

15、，檢出焊縫中部的缺陷，判斷缺陷是否向表面延伸等就是它的強(qiáng)項(xiàng)。二十世紀(jì)七十年代中期由UKAEA Harwell發(fā)現(xiàn)的定量很準(zhǔn)，之后成為一種標(biāo)準(zhǔn)的定量技術(shù)，在二十世紀(jì)九十年代初，TOFD開(kāi)始用于管線單獨(dú)使用TOFD的缺陷檢出率很高。相位變化如圖9的 TOFD型掃描顯示。,25,在一幅好的 TOFD圖上可以清晰地看到直通波。一般用于校準(zhǔn)。如果待檢工件表面比較干凈缺陷信號(hào)比較明顯，內(nèi)壁反射很強(qiáng)。典型TOFD 成像如圖10的 TOFD型掃描顯示。,26,TOFD典型缺陷-近表面裂紋,The crack blocks the Lateral Wave And the lower tip appears o

16、n the A-scan,2,1,27,TOFD典型缺陷-未焊透,Note the two signals from the top & bottom,1,2,3,4,28,TOFD典型缺陷-根部未焊透,Note the inverted phase between LW and defect,1,2,3,29,TOFD典型缺陷-側(cè)壁未熔合,Note the two signals from the top & bottom,1,2,3,4,30,TOFD典型缺陷-氣孔,Porosity may image in many forms whether individual or cluster

17、,1,2,31,TOFD典型缺陷-橫向裂紋,In the LW we can observe the wide beam effect on the crack,1,2,3,4,1,2,3,32,TOFD典型缺陷-根部?jī)?nèi)凹,Distortion of back-wall echo,1,2,3,33,TOFD典型缺陷-未熔合,34,8. 相控陣數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù),應(yīng)用相控陣技術(shù)，對(duì)施加于線陣探頭的所有振元的激勵(lì)脈沖進(jìn)行相位控制，亦可以實(shí)現(xiàn)合成波束的扇形掃描，應(yīng)用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束掃描的B型超聲波探傷稱為高速電子扇掃即相控陣掃描B超儀。 對(duì)成線陣排列的多個(gè)聲學(xué)上相互獨(dú)立的壓電振元同時(shí)給予電激勵(lì)，可

18、以產(chǎn)生合成波束發(fā)射，且合成波束的方向與振元排列平面的法線方向一致，這種激勵(lì)方式稱為同相激勵(lì)。,35,如果對(duì)線陣排列的各振元不同時(shí)給予電激勵(lì)，而是使施加到各振元的激勵(lì)脈沖有一個(gè)等值的時(shí)間差，如圖11的相控陣掃描原理，則合成波束的波前平面與振元排列平面之間，將有一相位差。,36,如果均勻地減少值，相位差也將隨著減少。當(dāng)合成波束方向移至=0時(shí)，使首末端的激勵(lì)脈沖時(shí)差取反并逐漸增大，則合成波束的方向?qū)⑾?增大的方向變化，如果對(duì)超聲振元的激勵(lì)給予適當(dāng)?shù)臅r(shí)間控制，就可以在一定角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超聲波束的扇形掃描。這種通過(guò)控制激勵(lì)時(shí)間而實(shí)現(xiàn)波束方向變化的掃描方式，叫做相控陣掃描。,37,各相鄰振元激勵(lì)脈沖的等差

19、時(shí)間與波束偏向角之間的關(guān)系由下式給出 或 式中，C=5900米/秒，為超聲波在工件中傳播的平均速度；d為相鄰振元的中心間距。車輪輪緣缺陷的扇形掃查截面圖如圖12的相控陣掃描。,38,相控陣和TOFD的典型缺陷-根部裂紋,射線,相控陣方法,TOFD 方法,39,相控陣和TOFD的典型缺陷-氣孔,TOFD 方法,射線,相控陣方法,40,相控陣和TOFD的典型缺陷-夾雜,射線,相控陣方法,TOFD 方法,41,相控陣和TOFD的典型缺陷-根部未融合,TOFD 方法,射線,相控陣方法,42,相控陣和TOFD的典型缺陷-根部?jī)?nèi)凹,TOFD 方法,射線,相控陣方法,43,相控陣和TOFD的典型缺陷-根部未

20、焊透,TOFD 方法,射線,相控陣方法,44,9. 多通道數(shù)字超聲波探傷掃描技術(shù),對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)化或半自動(dòng)化超聲波檢測(cè)的方法，關(guān)鍵在于使用機(jī)械化傳動(dòng)或驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃查，還要解決檢測(cè)信號(hào)的自動(dòng)處理、實(shí)現(xiàn)多通道檢測(cè)、自動(dòng)記錄檢測(cè)結(jié)果等，以提高檢測(cè)的效率。影響自動(dòng)化超聲檢測(cè)的因素很多，除了檢測(cè)儀器、探頭、檢測(cè)工藝、耦合方式以及缺陷自身特點(diǎn)、操作人員的技術(shù)水平等方面，很重要的內(nèi)容就是機(jī)械化裝置的合理設(shè)計(jì)與機(jī)械部件的加工、裝配精度，運(yùn)動(dòng)精度等等，這些因素都會(huì)直接影響自動(dòng)化超聲檢測(cè)的可行性與系統(tǒng)的工作可靠性、穩(wěn)定性，以及檢測(cè)速度與效率。,45,隨著自動(dòng)控制技術(shù)與電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，使得多通道自動(dòng)化超聲檢測(cè)技術(shù)獲得迅速的發(fā)展，例如已經(jīng)出現(xiàn)了32通道甚至數(shù)百通道鋼板自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)、大型螺旋焊管的焊縫自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)、鐵路鋼軌的在役自動(dòng)化高速檢測(cè)（檢測(cè)速度可高達(dá)60公里/小時(shí)），火車車輪的自動(dòng)化超聲檢測(cè)等等，智能化、數(shù)字化的自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)獲得很大發(fā)展，可以預(yù)期將會(huì)有更多更好更快更可靠的自動(dòng)化超聲檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)和投入應(yīng)用。如圖13的多通道數(shù)字超聲波探傷掃描顯示。,46,多通道數(shù)字超聲波探傷系統(tǒng)板材,4