第二章TOFD技术的信号及处理

1、第二章第二章 TOFD技术的信号及处理技术的信号及处理张志超福建省特种设备检验研究院TOFD、UT/RT/MT/PT、GG2.1模拟信号的数字化 软件展示。 2.1.1模拟信号与数字信号 在时间和数量上都是连续的物理量，称为模拟量。 即取值为即取值为无限多个无限多个。 在时间和数值上都表现出离散特性的物理量，称时间和数值上都表现出离散特性的物理量，称为数字量。即取值为为数字量。即取值为有限多个有限多个。2.1.1模拟信号与数字信号 数字波形和脉冲波形 2.1.1模拟信号与数字信号 模拟信号：容易失真，精度低，抗干扰能力差，远距离传输和大规模的存储都很困难，也无法进行复杂的分析处理等等，但速度快

2、， 。 数字化来记录保存超声波检测数据有很多优点： 1.能够实现检测数据的长期和海量的存储。 2.便于采用各种信号处理的操作，比如信号增强、平均、叠加等等。 3.可以随时取来使用、再分析等等，而且文件传输方便。 4.精度比较高，抗干扰能力强。 2.1.2模拟信号数字化和采样定理 模拟信号数字化的主要原理是，对模拟波形用相同的时间间隔来进行取样，每个样本的信息包括幅度、位置和相位。 采样频率（数字化频率）：每秒钟内将模似信号采样频率（数字化频率）：每秒钟内将模似信号转换为数值序列的数目。转换为数值序列的数目。采样定理 ：奈奎斯特（Harry Nyquist）极限 采样定理 ：要使信号采样后能够不

3、失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。因为只有这样才可以保证正弦波的每个半周期内至少有一个采样点，这被称为Nyquist极限。 不能保证每个半周期内都有一个样本，将不能重建正确的频率。失真。 2.1.3实际应用的采样频率 采样数量越多，重构的波形越精确。采样点数量越大，仪器所需要的存储空间也就越大，扫查的速度也会降低。2.1.3实际应用的采样频率 总之，对模拟信号进行采样时，使用的数字化频率至少是该信号频率的两倍，工业检测应用的数字化频率应该至少是探头中心频率的5倍。 典型的探头频率如2MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz，则所使用的数字化采样频率至少应该达到10 MHz，2

4、5 MHz，50 MHz，75 MHz。常用仪器大都是100MHz的采样率。 举例 5MHz的探头，t1 = 1/5 = 0.2ms 25MHz的采样频率，t2 = 1/25 = 0.04ms t1/ t2= 0.2/0.04=5+100%-100%0.04ms2.1.4信号带宽 时域信号：信号表示为时间的函数。 频域域信号：信号表示为频率的函数。 简谐信号（正弦波余弦波）时域和频域的对应关系：)2sin()(0fAtx傅里叶变换理论 任何时域信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的叠加。 矩形波： 理想矩形波的高频分量是无穷的。)7sin715sin513sin31(sin4)( ttttA

5、tf探头的中心频率0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12MHzPeak value探头的带宽0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12MHz100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%Bandwidth 3.5MHzBandwidth measured at .707 of peak value探头的频谱High frequencyShort wavelengthLow frequencylong wavelength100%80%60%40%20%0%宽频带探头的波长带通宽度 TOFD检测仪的滤波器带通宽度一般为：0.52倍探头中心频率。

6、High pass filter set at 4MHzLow pass filterset at 7MHz超声脉冲波形的傅里叶变换（FFT） 超声脉冲波形：用不同频率的正弦波的多次叠加得到。 -6dB带宽： -6dB上、下限截止频率之间的范围。 采样频率至少大于-6dB上限截止频率的两倍。2.1.5混叠 当用频率fs对一个信号进行采样时，信号中fs/2以上的频率不是消失了，而是对称的映像到了fs/2以下的频带中，并且和fs/2以下的原有频率成分叠加起来，这个现象叫混叠。 若 各次谐波调制频谱将相互交叠，称为频谱混叠。这时基带频谱已发生变化，将无法无失真地恢复原信号。 观察采样信号的频谱，可看

7、到 处就象一面镜子，将信号频谱超过 的部分反射回来，造成混叠，故将 称为折叠频率。 max2 ffssf21sf21sf21混叠 fs=183.48MHz，fIN=125MHz fs/2=91.74MHz，fIN-fs/2=125-91.74=33.26MHz 91.74-33.26=58.48MHz fs/2-（fIN-fs/2）=fs-fIN =183.48-125=58.48MHz消除混叠的方法1. 2. 使用低通滤波器滤掉高于fs/2的频率成分。max2 ffs2.1.6滤波器的选用 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。统。 按通带和

8、阻带的相互位置不同分为：按通带和阻带的相互位置不同分为： 低通低通滤波器（滤波器（LPF） 高通高通滤波器（滤波器（HPF） 带通带通滤波器（滤波器（BPF） 带阻带阻滤波器（滤波器（BEF） 按是否使用有源器件分：按是否使用有源器件分： 无源无源滤波器滤波器 有源有源滤波器滤波器各种滤波器理想的幅频特性各种滤波器理想的幅频特性|A|0C通带通带阻阻带带A0|A|0CA0通带通带阻阻带带|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通（1）低通）低通（2）高通）高通（1）带通）带通（1）带阻）带阻滤波器的幅频特性滤波器的幅频特性 -3dB截止频率：通过信号的电平降低到输入电平的

9、70%。0.707 H截止频率截止频率0 1|A|0 10.707 L|A|TOFD检测仪的滤波器带宽 TOFD检测仪的滤波器带通宽度的最小范围：0.52倍探头中心频率。 5MHz探头：2.510MHz；宽一点：211MHz。 15MHz探头：1022MHz；若最大采样频率为40MHz，为避免混叠，取1020MHz。2.2信号幅值的量化 信号幅值的量化通过A/D转换器实现。 A/D转换器要经过：采样、保持、量化、编码四个过程。信号幅值的量化 TOFD系统配置的计算机有8、10、12位三种A/D转换器。 n位输出的A/D转换器能区分个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程的1/2

10、n。 8位A/D转换器，输入信号最大值5V，则能区分出输入信号的最小电压： =5000mV28=19.53mV模拟信号的数字量化 十进制整数转换为二进制整数：除2取余，至商为零，所得余数倒序排列。 A点：2V，102，二进制编码：01100110 B点：3V，153，二进制编码：10011001 C点：4V，204，二进制编码：11001100动态范围dB (A1/A2)20log102.3检测过程中的数据采集量 数字化频率：F，数字化样本间隔：Ss。 t微秒时间A扫的样本数量: 焊缝长10m，每毫米采集一个A扫，A扫长度20s，数字化频率50MHz，则数据量： 数字化频率100MHz，需要2

11、0M。F1S FtSt10M1050201000072.4灰度成像和D扫描图 显示屏显示的A扫是数字采样后得到的信息，它是由一组表示数字化样本的点绘制而成的。纵坐标表示幅度 ，横坐标表示传输的时间。从A扫中可以进行幅度和时间测量。灰度等级+100%-100%-128+127Zero 在D扫图像中，不同的灰度等级表示不同的信号幅度。 纯白色表示+100%满屏信号，中间灰色表示0%的位置，纯黑色表示-100%满屏。A扫转化为图像灰度成像和D扫描图 D扫或者B扫图像都是由一系列A扫波转化而来的。色点的数量取决于采样频率，色点的灰度取决于采样点的幅度。 2.4.2对比度增强 在一个小的振幅刻度范围内使

12、用全灰度等级，从而实现对比度增强。例如在-50%到+50%全屏高度范围内使用全灰度等级，振幅超出+50%显示为纯白，低于-50%显示为纯黑，这样可以使信号的微小变化也很容易被发现。 缺点：幅度超出 50%的信号就会饱和而无法观察。2.4.3图像的压缩和展开 放大和缩小。 展开：重复使用样本数据充满整个屏幕。 压缩：省略一些样本数据（如每隔一个省略一个）使图像充满充满整个屏幕。2.4.4一幅“合格的”的扫描图像 TOFD扫查图像的横坐标代表扫查方向和探头相对位置，纵坐标是声波传输时间，代表工件厚度方向。 A扫信号的波幅在成像的过程中会转换成对应的灰度，图像中信号显示由一些白色和黑色的条纹构成，条

13、纹的白与黑次序与信号的相位有关。 直通波、底面反射波、变型波及缺陷的上下端点信号。 测量信号的传输时间、深度值或缺陷的高度值时，通常测点选在条纹的白-黑交界或者黑-白交界处。 “合格的”的扫描图像 其增益设置比较适当，直通波A扫波幅在40%-80%之间； 扫查过程很平稳，获取的信息比较完整； 直通波没有被干扰，扫查速度适当均衡，耦合良好； 缺陷信号清晰明显； 下表面反射波很直而且下表面变型波显示正常等等。 2.5信号的处理与分析2.5.1 信号平均信号平均 从裂纹尖端得到的TOFD衍射信号是非常弱的，需要较高水平的放大倍数,因此由于信号中的噪声影响经常难以发现衍射信号。噪声通常是由系统获取的随

14、机电信号造成的，因此可以通过信号平均来减少噪声。 N个连续A扫叠加，再除以N，信噪比增强N的平方根倍。 SNRa=N1/2SNRs 前提：获取的有用的信号应是基本一致的，有强相关性；噪声是随机的。 当噪声是相关的而非随机的时候，信号平均没有太大帮助。2.5.1 信号平均 有用信号保留，幅值没有变化，而噪声信号幅值降低。 平均值是2的倍数。N=16，信噪比提高4倍；N=256，信噪比提高16倍。N越大，计算机处理的数据量越大。 平均处理提高了信噪比，但平均数的增加会降低扫查的速度。2.5.2图像拉直 工件表面不平，或水层厚度不均匀，产生信号时差，水速为钢速的四分之一，时差明显。 原理：从某一条A

15、扫信号上选取某一点（一般选在直通波的第一个或第二个半周期），以其特定电压作为触发电平，并以该点作为时间基准点，将其与其它A扫逐个对比，信号的波形相应部分会触发记录时间起点，对时间偏移进行修正，使其在图像中的位置保持恒定，使直通波拉直。图像拉直2.5.3直通波的去处（差分） 近表面缺陷信号隐藏在直通波信号之下而无法观察时采用。 手动设置选取某一条具有典型直通波信号而没有缺陷信号的A扫信号（一般选取靠近缺陷前面的）作为参考波形，当激活“差分”功能时，软件将参考波形与指定的A扫逐个对比，从指定的A扫中减去参考波形的直通波信号。留下的就是缺陷信号，从而显示出缺陷图像。 缺陷信号隐藏在底波信号之下时也可

16、以采用“差分”功能。直通波的去处（差分）2.6 用于缺陷定位和定量的曲线拟合指针 由于声束扩散，缺陷的端点会形成一个向下弯曲的特征弧形显示抛物线指针。 缺陷图像与左右抛物线指针完全拟合，说明缺陷是一个点；缺陷图像与左右抛物线指针不能完全拟合，说明缺陷有一定长度，应按照线性缺陷测量方法拟合。 线性缺陷中部各信号产生相互抵消性干涉，使线性缺陷中部各的信号所给出的组合图像是直线，只在两端特征弧形。 可从A扫信号解释。2.6.1点状缺陷的特征弧线拟合2.6.2线状缺陷的特征弧线拟合2.6.3弧线拟合指针的设计 是一种测量工具，在不同深度上弧线的曲率不同。 特征弧线形状与：缺陷深度、PCS、探头移动方向

17、有关。 对D扫： 是双曲线方程。 B扫图，缺陷信号并非单纯的双曲线，但十分相似。 通常称抛物线指针。1-422222kyktC2.8 合成孔径聚焦（SAFT） SAFT （Synthetic Aperture Focusing Technique） SAFT算法最早被应用于雷达技术，来提高算法最早被应用于雷达技术，来提高雷达图像的横向分辨率。该算法是一种很雷达图像的横向分辨率。该算法是一种很有前景的高级成像方法，它可以用低指向有前景的高级成像方法，它可以用低指向性的信号源和较低的工作频率来获得很高性的信号源和较低的工作频率来获得很高的方位分辨率。该算法在超声相控阵领域的方位分辨率。该算法在超声

18、相控阵领域中得到了应用。中得到了应用。合成孔径聚焦 常规超声提高测量精度-声束聚焦：聚焦只能在近场内实现，增大N：增大探头直径和提高频率来增大焦距，但有限。 合成孔径聚焦技术：提高缺陷测长精度，改进横向分辨力，同时提高信噪比。 横向分辨力：超声波分辨两相邻两缺陷的能力。 纵向分辨力：超声波分辨沿声束轴线相邻两缺陷（小声程差）的能力。一般要求两信号的波峰与波谷的分贝差大于6dB。合成孔径聚焦的原理合成孔径聚焦的原理 将探头沿指定轨迹扫描，在等距地若干点上发射声束，并接收存储信号，然后对各点上探头接收到信号进行处理，合成孔径算法的的数据处理是利用检测时采集的信号在相应空间位置的相关叠加完成。根据探头位置、重建点空间位置、信号传输时间的对应关系，计算出运动轨迹上各个接收位置的时间延迟或相位差，通过延时补偿后迭加的方法得到各像素点的值，在有缺陷的地方回波信号同相叠加，信号加强，在无缺陷的地方回波信号的叠加是随机和无序的，信号相对减弱。合成孔径聚焦的作用 单个小直径的探头可以产生大直径探头或阵列探头的效果，获得很高的横向分辨力。 常规超声距离越远，声束越宽，横向分辨力越低。 合成孔径聚焦距离越远，扫描距离越长，合成孔径越长，横向分辨力越高。 探头直径越小，声束展开角越大，合成孔径越长，横向分辨力越高。SAFT