厚板在线自动超声波探伤成像技术的应用及改进

厚板在线自动超声波探伤成像技术的应用及改进

Summary：超声波探伤作为一种无损检测技术已经在国防工业、冶金行业等领域广泛应用。本文着重讲述了湛江4.2m厚板在线自动超声波探伤的硬件设计、软件设计、成像技术等，并针对超声波探伤应用过程中遇到的问题进行分析，提出和采取合理的改进方案，解决生产中遇到的难题。Keys：超声波探伤，硬件设计，软件设计，成像技术。Applicationandimprovementofon-lineautomaticultrasonicflawdetectionimagingtechnologyforthickplatesZHAOJin-You(ZhanjiangIronandSteelCo.,Ltd.ThickPlateFactory,ZhanjiangCity,GuangdongProvince524000China)Abstract:Asanondestructivetestingtechnology,ultrasonictestinghasbeenwidelyusedinnationaldefenseindustry,metallurgyindustryandotherfields.Thispaperfocusesonthehardwaredesign,softwaredesignandimagingtechnologyofonlineautomaticultrasonicinspectionof4.2mthickplateinZhanjiang,andanalyzestheproblemsencounteredintheapplicationprocessofultrasonicinspection,proposesandadoptsreasonableimprovementschemestosolvetheproblemsencounteredinproduction.Keyword:Ultrasonicflawdetection,

hardwaredesign,softwaredesign,imagingtechnology.0前言当今世界，超声波探伤技术在各行各业应用广泛，其中在冶金行业主要有管材、棒材、锻件和板材等。厚板厂在线自动超声波探伤设备主要用于检测钢板表面及内部是否存在缺陷，并将检测结果依靠成像技术在人机界面上通过图谱方式展示出来，供操作人员判定钢板质量是否满足标准和用户需求。下面将针对湛江4.2m厚板在线自动超声波探伤设备的成像技术和应用进行撰写，并就应用过程中遇到的问题采取合理的解决方法。1超声波探伤硬件设计1.1硬件组成超声波探伤设备仪表单元硬件主要包括CPCI框架、CPU主板、数字板、模拟板、触发板、IO板，MUX框架及其发射板、接收板，探头、DEU、AES及通讯连接附件，以及外围的编码器等，CPIC框架主要给各模块提供电源及数据传输通道，CPU主板主要处理来自数字板、IO板和触发板的数据，数字板主要接收处理来自模拟板的信号、IO板的脉冲信号和触发板的同步信号，模拟板主要接收来自接收板的信号，触发板主要是周期产生激励电脉冲信号和给数字板发送同步信号，IO板主要是接收外部编码器脉冲信号和起始信号，并将脉冲信号发给数字板，发射板主要是给探头发射激励信号，接收板主要是接收从钢板反射回来的电压型脉冲信号，探头主要是传输和采集电脉冲信号，DEU和AES为评估及判定系统。1.2仪表工作原理CPCI仪表框架的触发板以固定频率持续地产生一个激励电脉冲信号传给MUX机箱的触发信号接收口，经MUX机箱背板传到发射板，每块发射板上有2*8个通道，一个触发信号通过CPLD调解分出8通道的发射电信号，分别打到8个探头晶片上，再通过换能器将电信号转换成超声波信号，并穿过水介质打到钢板上，完成发射过程；而后，钢板反射回一个超声波信号到探头上，通过探头上的换能器将超声波信号转换成电信号并通过通道线传到回波信号接收口传输到接收板内部，再通过对数运算，将一个线性的电信号转化为对数关系的电信号，并通过选通开关将8路探头的信号转换成一路通道分时输出，再经过MUX机箱的BNC口传送到CPCI的模拟板上，通过模拟板上的放大器、可调增益放大器、单端转差分等，将信号传输至数字板，数字板放大接收过来的差分信号，通过AD转换，将数字信号传输至CPCI的CPU板上，再经CPU板处理后发送给DEU系统，DEU将来自CPCI的数据进行处理后再发送给AES自动评估系统，如图1所示。图1仪表工作原理1.3DMA机制

CPCI数字板上有两个DMA通道，分别为DMA1和DMA2，用于传输数据到CPU板，具体实现过程如下：数字板的数字信号通过DMA1将数据传送到PCI芯片的1号存储区N1,通过DMA2将数据传送到PCI芯片的2号存储区N2，当CPU需要读取这些数据时，CPU发送读取请求，启动指定的驱动程序，N1区或N2区开放，允许操作系统提取数据到CPU应用程序数据存放区，结束一次数据读取操作；此外，DMA1和DMA2的数据传输按照固定的周期交替进行，并有一个冷却期，当DMA1数据区域在写操作时，DMA1区域在冷却期，此时无法进行数据读取，但DMA2区域此时空闲，可以进行数据读取；同理，当DMA2数据区域在写数据操作时，DMA2区域无法进行数据读取，只能从空闲的DMA1读取数据，一直以此不断交替传输数据到PCI芯片的固定存储区。2超声波探伤成像软件设计2.1交替索引成像技术

来自应用程序数据存放区的数据经应用程序运算处理后存放到数据区M1和M2，而DEU直接从CPU的M1和M2区通过交替索引的方式将数据读取到DEU的数据区E1和E2，DEU应用程序再将来自E1和E2区的数据进行处理，同时根据测长轮编码器在一个数据交替周期内走过的步长为S1，结合两者数据后读写绘制图像到DEU人机界面的图谱成像区。设编码器变化一个脉冲所经过的长度为X，数据交替的单个时间周期内编码器脉冲变化数为∆n,则S1=X×∆n假设DEU从A车仪表CPU的M1区读取A1探头的数据经DEU内部处理后写到表1中的A1探头Z1区，从M2区读取A1探头的数据经DEU处理后写到表1中的Z2区，再回到M1区读取数据经运算处理后写到Z3区，回到M2区读取数据经运算处理后写到Z4区，一直循环交替读写过程，直到完成钢板的探伤；同理，B1和A2及以后的探头也以此方式不断交替在表1成像区域对应位置绘制图像，直到钢板探伤结束。表1成像图谱注：表中的黄色和绿色区域只是为了区别来源于不同数据区M1和M2的数据，实际颜色以生产钢板成像图谱颜色为准；S1的值为表1中单个图像区的长度，如Z1的纵向长度。2.2探伤图谱显示方式

采用B+C型显示方式，是指将检测信号的幅度和传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来，并通过探头在钢板宽度上的分布位置和探头扫查方向的距离为坐标，记录下检测到的回波信号出现的深度（传播时间）在相应位置上以不同颜色（信号幅度的能量）的亮点显示出该信号的存在，没有回波信号的位置则显示灰色（原底色），同时根据被检钢板的参数下载，将所有探头对应的每个检测通道，采用对回波信号经模数转换处理后，显示在计算机屏幕上，即DEU画面上探伤图谱；同时将采集到的数字信号发送到自动评估系统，进一步用专业软件对缺陷进行分析评估，即AES图谱和质量评价的一个过程。3超声波探伤成像图谱丢失问题分析及改进3.1图谱成像信号丢失厚板厂超声波在线探伤设备的作用主要是检测钢板在钢板表面及内部质量，但近期出现了钢板成像图谱缺失信号的情况，具体情况如下：钢板头部进入探伤预留区域后，启动探伤指令，钢板继续前进，到达探伤区域后，位置传感器检测到钢板，探头抬升，开始钢板探伤过程，但在钢板前进探伤过程中，会出现信号短暂丢失的情况，呈现在DEU的图谱成像区如图2所示。

图2丢信号的图谱

图3改进后的图谱3.2问题分析及改进从图2中可以看出，丢失的数据区域主要集中在A车上，该丢失信号呈现连续或交替短暂丢失的情况，根据当时记录的A车仪表CPU主板最高温度达到86℃，该温度值触发了设定的峰值，导致CPU进入idle状态，进入idle状态的CPU不再发送数据读取请求，此时N1和N2区的数据并没有被CPU提取到CPU应用程序数据存放区，但此时数字板一直交替地往存储区N1和N2输送数据，导致最新的数据覆盖N1和N2区原来的数据，等到CPU冷却恢复到正常状态再向N1和N2区读取数据时，此时所读取的数据缺失了一段，经处理后发送给DEU处理呈现到图谱成像区就是一小块零星或连续的方形点。根据上述的分析，出现信号丢失主要原因是CPU温度过高引起CPU进入idle状态，为此针对降低CPU温度提出了3条改进建议：一、CPCI仪表框架风机改用大功率高转速风机，及时将CPU的发热量散发出去；二、在CPU主板右侧空闲的卡槽上安装卡槽式风机，专用于CPU主板冷却；三、在仪表满足快速响应生产节奏的情况下，降低处理器的无用发热量，从而降低CPU主板的温度。4总结及推广本文主要介绍了湛江4.2m厚板在线自动超声波设备的硬件设计、软件设计,包括探伤成像技术，并就在成像图谱上遇到的问题进行分析，采取有效的处理措施，使仪表CPU主板温度下降了约20℃，截止目前未发现由于温度过高引起CPU进入idle状态，从而导致钢板成像图谱出现丢信号的情况，如图3所示，有效降低误探、漏探情况，有效降低用户异议发生率。该方法可以推广到类似的工艺或设备工况上，对降低设备异常具有一定的借鉴意义。5Reference1韩辉,刘晓旭,张