用于无损检测的一种新方法

1、用于无损检测的一种新方法  杨 奕 陈以方 付德永  摘要：本文提出了一种新的相控阵检测的方法，采用合成聚焦代替动态聚焦，无需制作实际的控制超声延时发射的电路，并根据此方法，研制开发了基于计算机的一套64通道线性超声阵列的采集和信号处理实验系统。实验结果表明，这种相控阵信号处理方法，能改善信噪比，提高横向和纵向分辨率，可实际应用于工业无损检测。此外，这种新型相控阵处理技术，能提取被检测物的声阻抗、声速、频散、散射体物性等信息，可以作为一种有效的研究手段。关键词：合成聚焦; 超声相控阵; 采集和信号处理中图分类号：tn911.7 文献标识码：a 文章编号：

2、1006-883x(2003)05-0005-04  一、 引言相控阵用电子技术调整焦点位置和聚焦方向，以实现动态聚焦，与以前的机械调焦法相比，具有快速、准确、适应性强的优点，而且成像质量好，因此在无损检测的很多领域具有很大的应用潜力。但是，由于相控延时发射电路的复杂性，使其对发射信号的同步和延时要求很高，而且随着阵元数目的增加，控阵电路的制作的复杂性和成本都显著增加，因此，其广泛应用受到了极大的限制。通常情况下，相控阵的实现方法是通过多通道信号发射系统来改变每路信号的延时，控制相控阵传感器的各个阵元，使它们发出的声束在空间某点进行实际聚焦。本文提出了一种新的相控阵处理技术，可用相同

3、的信号激励各个晶片，采集回波信号存入计算机。然后，根据各个晶片到达虚拟焦点的位置计算出声程差并转换成时间差，把原本是同时发射的信号进行平移，虚拟延时发射，定点聚焦。基于这种思路，我们研制了一套实验系统，用以求证这种方法的可行性。   二、实验系统的硬件组成系统主要包括：计算机、tds210型数字示波器、tds2mm扩展模块、传感器阵列及译码选通装置等。1、试验样块及传感器阵列如图1所示，在一块尺寸为235×195.6 ×20.6mm3的铜板的顶部贴上64个紧密排列的晶片阵列，晶片尺寸为18×3 mm2 ，厚度是0.8mm，材质为pzt-5，固有

4、频率为2.8mhz。在铜板上加工7个通孔（abcdefg）作为人工缺陷，其中圆孔直径为3.2mm，长方孔截面尺寸为10×6mm2。经过计算，晶片的声阻抗为30.7×106n·s/m3，铜的声阻抗为37×106n·s/m3。阻抗匹配良好，保证了传感器的窄脉冲，以获得高分辨率。用两个译码选通电路，每次同时选通两个晶片 i 和 ii，分别发射和接收超声波，并分别与示波器通道1和2接通。采用xc16b脉冲发生器产生始脉冲来激励晶片 i ，始脉冲脉宽为240ns，电压为20v。晶片 i 受激振动发出超声波，在铜板中传播，遇到气孔与材质铜的界面反射回来，用

5、晶片 ii 接收回波信号，并送入示波器通道2。然后ds2mm扩展模块通过串口，利用计算机全波列采集示波器通道2的回波信号，提取和存储许多特征，用应用软件例如matlab分析波形，进行信号处理分析。2、tds210型示波器本系统采用美国tektronix公司的tds210型数字存储示波器，该示波器带宽为60mhz，取样速率为1gs/s，双通道输入，记录长度为2500个点，采样位数为8bit，垂直分辨率为0.4，水平精确度为±0.01%。在该示波器的tds2mm扩展模块中带有rs-232 的8位串行通信接口，可直接用带db-9型连接器的电缆连接计算机进行通信，使用非常方便。 三

6、、实验系统的软件设计本系统用vb6.0与vc6.0编程。系统依照如下步骤工作：启动后自动完成初始化，设置示波器特性，进行数据的人工采集或自动采集；在自动采集的情况下，控制光电继电器按照一定顺序，定时每次选通阵列中的两个晶片，分别接通发射和接收回路；实时采集通道2中的回波信号，并将其转换成二进制数据文件；然后利用matlab编程，对采集的信号组进行排列、移项、叠加、频谱分析等；进而可以根据信号处理的结果，对缺陷的形状、位置、大小进行成像分析。1、通信与数据采集示波器实时采集传感器阵列装置中的超声波信号，同时通过示波器把数据送入计算机内存，对常用波形参数，如周期、频率、振幅、上升/下降时间、脉冲宽

7、度、峰峰值等做测量，将波形数据与测量结果存入计算机硬盘留做日后处理。所有波形数据可存为一个3维的矩阵，（a1,a2,t）分别表示发射晶片的编号（164），接收晶片的编号（164）以及时间坐标（12500）。2、信号处理与分析常规相控阵聚焦技术，是一种动态聚焦，需要实时改变各个发射阵元的相位，从而调节焦点的位置，根据反射回波来探测缺陷信号。本系统采用合成聚焦技术，依据叠加原理，把阵元发射和接收的信号按照波动学规律合成，即通过计算机把数值信号在时空域中合成，是一种非实时的聚焦方式。它能够把能量汇聚到探测区，最大限度的收集探测点散射的信号，极大的提高信噪比，然后对合成的信号进行处理分析。3、合成聚焦

8、及缺陷检测图2是一族回波信号。从上到下依次代表的是1到64号晶片自己发射自己接收的信号。可以大致看出缺陷的分布情况。信号群a、b、c、d、e、f、g分别对应的是铜块试样中的预留孔a、b、c、d、e、f、g。因为a孔最深，所以回波靠后。在回波信号后面，与之平行等距，而且波幅有所减小的波为侧面波。如果信号足够强，可以有多次侧面波，例如b1、c1、c2、d1、d2、e1等。相控阵的原理是通过改变相邻超声传感器的相位差值，也就是调整各个晶片的发射时间，从而实现在指定位置聚焦的目的。本系统提出一种新的思路，用软件处理的方法，把信号做移项处理，虚拟延时发射、定点聚焦，而无需制作实际的相控延时和同步发射的控

9、制电路。图3代表的是1到64号晶片发射，第27号晶片接收的反射回波信号。a、b、c、d、e、f、g分别对应的是预留孔a、b、c、d、e、f、g，m1和m2是瑞利波，沿着铜块上表面传播，传播距离最短，传播时间最少。虚拟聚焦点在孔c的中心，坐标为（88，86）。因为27号晶片在孔c的正上方，发射的超声波最早达到c，也最早反射回来，所以它的声程最短，第27条信号线在整个c族信号的最前面。根据声程的不同，将64条信号进行移项处理，与27的c信号对齐，结果如图4所示。经过相位调整，所有晶片发射的超声在该点的回波信号（c）在时间上排列一致，即各个晶片发射的超声在该点处发生了实际的聚焦。理论分析结果和实际情

10、况吻合，说明此处确实存在缺陷。图5是一组对比信号。信号i是第27号晶片对孔c自发自收的回波信号。单个晶片的信号很微弱，孔c的回波峰峰值不到14mv。将图3所示的延时排列的信号与c¢叠加，得到图5所示的信号ii。明显看出，聚焦后孔c的回波信号显著增强，峰值达到0.4v，随机的噪声信号以及其它孔的回波信号都互相抵消而几乎消失，只留下一次回波及其自身的两次侧面波。虚拟聚焦点在坐标（85，86）处，即左偏c孔3mm，把延时排列后的信号叠加，结果如图5信号iii所示。幅值只有ii的五分之一。说明（85，86）处不存在实际的缺陷。将图5的信号i、ii、iii进行傅立叶变换，得到图6所示的频谱图2

11、。如图6（a）所示，由于材料颗粒以及小孔的散射作用，使得信号频率降低，信号i的能量主要集中在1.2mhz左右，有效信号的能量很低，而且信噪比较低。如图6（b）所示，信号ii的能量显著提高，约为信号i的180倍，中心频率仍为1.2m，与i的结果吻合，带宽约为0.7m，且能量分布规整。如图6（c）所示，信号iii频谱杂乱，呈散条状，且幅度很低，不是有效信号的频谱，可以进行横向滤波。信号处理分析的结果与实际情况一致。实际情况是，在（85，86）处，不存在实际的缺陷。频谱分析的结果比幅值比较的结果更加显著。对642个波形数据进行处理分析，以一定间距对铜板中的各点进行虚拟扫描聚焦，将信号的各种参数在时域

12、、频域中进行综合分析，便可得知整个铜板中缺陷的分布情况，从而在计算机上实现了数字化探伤仪的功能，甚至可以做出铜板中缺陷分布的直观示意图。 五、结束语本文提出了用软件分析的方法对超声相控阵的试验数据进行处理分析，可以避开相控延时硬件电路的设计，极大的节约了成本和时间。本文提出的信号处理方法，能很好的过滤噪声，强化有用信号，对缺陷的无损检测有很高的分辨率。参考文献：1 1     张锐.基于计算机的多功能信号测量与处理系统j.电测与仪表，2002，39：24-252 2     vinay k.ingle，j

13、ohn g.proakis. 数字信号处理及其matlab实现m. 北京：电子工业出版社，1998.147-157. a new method of phased-array ultrasonic used in ndtabstract: in this article, a new kind of array-phased ultrasonic testing method is discussed. the dynamic focusing is replaced by a synthetic focusing method with no need to devise the

14、practical circuit controlling the transmission of ultrasound. according to this method, a computer-based signal sampling and processing system of linear phased array ultrasonic with 64 channels was developed. the experimental results indicate that this kind of new technique for processing signals ca

15、n improve the signal to noise ration, increase axial and lateral resolution, and thus applying to industry ndt practically. this new array phased processing technology can extract acoustic impedance, sound velocity, frequency dispersion, the physical character of scatter, etc. so it can be used as an effective research method.keywords: synt