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SAFT技术在大厚度焊缝检测中的应用

数控产品网 www.cncproduct.com   2014-02-25   来源:网络转载   阅读:605次

合成孔径聚焦技术(以下简称“SAFT”)是指通过综合多个处于不同几何位置的超声波换能器所接收到的信号,实现一个等效的大孔径换能器,从而提高对目标区域内反射体的分辨能力。

图1所示为多个探头组成的一个阵列。假设在这些探头共同照射区域内的某个点上存在一个点缺陷,其回波到达各个探头的时间取决于它与各个探头的几何关系,那么,按照各个不同的到达时间,将该点到达各个探头的回波幅度叠加,得到该点的合成反射强度。由于其他点与各个探头之间的几何关系不同于该点,由其他点造成的各个反射回波不能完全被叠加进来。因此,如果将每个探头都看作为理想点源时,按此方法计算出的各个点的合成反射强度就仅取决于该点本身的反射,而与其周围的反射无关。

在满足远场条件下,即目标与换能器距离R>时(λ表示超  声波的波长),单个换能器的半功率角为β0.5>0.84,其远场角度分辨率为半功率角,远场横向分辨率=半功率角×纵向距离,纵向分辨率=声速×脉冲宽度/2,对于一个给定的深度,存在一个最大的综合长度(最大合成孔径) Lsym=合成孔径的半功率角合成孔径的横向分辨率即基,元换能器直径的一半,与波长和纵向距离无关。当每个探头的孔径为d时,横向分辨率为d/2。

在对大厚度焊缝进行超声波检测时,由于声程很长,脉冲信号在传播过程中衰减严重,导致缺陷信号变得很微弱,实际信噪比降低。为此而引入的高增益放大器又不可避免地引入了电噪声,与此同时,自动探伤机所使用的电动机和驱动器又产生干扰信号,这些干扰信号有可能串入高增益放大器,被放大成为“草波”。图2所示是大厚度焊缝自动探伤中超声波探伤回波信号的一个实例,其信噪比只有3.7dB,严重影响了正常缺陷信号的显示。

通过采取小波分析和降噪技术对信号进行处理,使得高通滤波得到信号的细节,低通滤波得到信号的大致形貌,在各个分辨率下得到的细节和大致形貌共同构成了描述信号特征的小波系数。图3显示了所示信号的小波5阶分解结果。

使用不同的小波变换方法对信号进行处理,得到了图4~图6的结果。

对信号的分析实验表明,采用Sym4小波对大厚度焊缝的超声波回波信号进行降噪处理,可以获得相对较好的效果,而采用高阶FIR滤波器的效果也与其接近。考虑到实际实现的速度和存储量,采用了FIR滤波器。为了更好地消除随机噪声,利用超声波信号反复重复的特点,在高阶FIR滤波器的基础上增加了平均,充分发挥了所研制的超声波信号采集处理系统的硬件优势,在FPGA中订制了信号平均和148阶FIR电路,滤波效果如图7所示,信噪比达到21.9dB。

在确定了超声采集信号的处理方案后,在MATLAB软件平台上自主设计了专门应用于SAFT仿真分析的仿真软件simSAFT。通过该软件,模拟了不同孔径和聚焦深度等参数变化对试验效果的影响,从而发现,对于不同的合成孔径长度,得到的缺陷分辨率不同。以6?dB斑点的大小为参考量,合成孔径长度对缺陷面积和长度的分辨率影响是,随着合成孔径长度的增大,分辨率逐渐提高,但是当合成孔径长度增加到一定量时,分辨率不再提高。另外,在方位向上进行SAFT处理,对缺陷宽度的分辨率基本没有影响。图8是模拟反射点深度为200mm的合成孔径对分辨率的影响,其中仿真的探头晶片大小是20mm×20mm。

图9反映了聚焦深度偏差对分辨率的影响。模拟反射点的深度是450mm,当聚焦深度大于450mm并逐渐增大时,从图中可以看出,6dB斑点的面积和长度值逐渐增加,分辨率降低。另外,在方位向进行SAFT处理,聚焦深度对缺陷的宽度分辨率基本没有影响。

图10是聚焦深度对定位误差的影响。模拟反射点的深度是450mm,当聚焦深度大于450mm并逐渐增大时,从图中可以看出,对于缺陷位置水平方向的误差和深度方向的误差都会产生影响,并且对水平方向和深度方向定位的影响趋势是相同的。

基于上述模拟试验得到的结果,我们认为这一方案是切实可行的,能够符合大型锻焊件超声波自动检测技术课题在相关方面的要求。

将本课题中设计制作的超声波自动检测系统应用到最大厚度为600mm的金属试块的检测中,对试块500~600mm深度范围内的区域进行检测。两个超声波探头L和R进行联合扫查。在此,对两个探头接收到的数据最大值做了统一处理,即令两个探头接收到数据的最大值相同,从而消除因两个探头增益不同而造成的影响。从未作SAFT处理的图像中可以看到,在530mm深度处,针对同一缺陷,探头L测得的长度为20.9mm,探头R测得的长度为27.6mm(长度是弧线两端点的横坐标差)。进行SAFT处理后,探头L测得的长度为15mm,探头R测得的长度为20.9mm。

由于两个探头接收的数据已经得到了最大值统一处理,消除了增益不同带来的影响,所以采用测量值较小的缺陷长度作为缺陷的测量长度结果。对SAFT处理前、后缺陷的尺寸测量结果见表中所示。

综合上述实验数据,可以看出,在大厚度焊缝的实际检测过程中,应用本文介绍的SAFT方法可以得到很好的检测效果,对检测缺陷的尺寸及方位定量更精确,有效消除了超长声程和信号衰减对检测结果的干扰,在实际生产应用中能够得到可信度更为精确的结果。

CncProduct.Com(编辑:小朱)
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