超声衍射回波渡越时间法的改进

超声衍射回波渡越时间法的改进

1超声tofd法超声辐射渡越时间法是20世纪70年代产生并开发的一种精确测量垂直或垂直裂缝缺陷的位置和尺寸的方法。与传统的脉冲法不同,反射回波的能量或到达时间不是用来测定缺陷的有无,而是检测缺陷的尺寸和位置。借助声速和探头几何位置等信息,该法可方便地计算缺陷上下端面的位置,进而得到缺陷的深度和长度。脉冲法的精度一般是10mm。超声TOFD法的精度可达±0.3mm。高精度和低价便携的硬件设备使该法迅速在石油化工、能源和无损检测等领域得到广泛应用。然而,超声TOFD法的盲区大大限制了它的进一步应用和深入发展。当缺陷接近于被测表面时(端部处于被测表面下8mm之内),衍射回波会与侧向波重叠。回波的到达时刻很难确定。无法计算缺陷的位置和尺寸。现有的解决方案主要集中于通过滤波、频谱分析、和希尔伯特变换等信号处理方法分离重叠的信号。然而,参数选择和计算复杂度增加了这些方法在应用上尤其是在线检测上的难度。基于超声衍射反射回波渡越时间(TOFDR)的缺陷识别技术从检测方法,而非后续数据处理角度,改进了TOFD法。该法可直接通过回波到达时间、声速和探头物理位置等信息得到缺陷的位置和尺寸。不但不需要信号的分离处理,还将盲区的范围缩减到表面下2mm之内。实验验证了该法的有效性和可行性。被测试件表面下2～35mm之内94%的缺陷可以被检测到,实际位置和尺寸同计算结果吻合,精度为±0.3mm。2最大回波信号的时间TOFD法的数学模型可用图1(a)表示。发射探头(T)和接收探头(R)分别布置在被测物的同侧表面。固定T,慢慢移动R。当缺陷位于探头对之间时,会有四种信号产生。分别是侧向波(直接从T传输到R)、底面波(经过底面反射的声波)和缺陷上下端面的衍射回波。图1(b)为各个信号到达时间的示意图。两个端面的衍射回波会在侧向波和底面波之间出现。各信号相位依次相差90度。假设探头间距为2S;缺陷深度为D;长度为L;被测件厚度为H;声速为c;缺陷与探头中间处距离为Y;声波在探头内传输时间为t0;信号传输S1,S2,S3和S4声程的时间为t1,t2,t3和t4。根据勾股定理可以得到式(1)。当Y为0的时候,缺陷位于两个探头正中间,端面反射回波幅度最大,传输时间最短。可以得到式(2):3tofdr法原理TOFD法通过探头和试件简单的几何关系以及信号到达时间差可以计算出精确的缺陷位置和长度。但它无法识别出接近表面的缺陷。当缺陷上端面或全部位于盲区(表面以下8mm之内)时,侧向波和端面衍射回波的声程差距很小,到达时间很接近,重叠现象无法避免。要通过信号到达时间差得到缺陷位置和长度,就必须先使重叠的信号分离开。TOFDR法原理如图2(a)所示。声波传播路径的确定基于一个前提,即反射发生在声程最短处。图中,接收探头不直接接收端面衍射的回波信号,而是接收经过底面反射过一次后的回波信号。端面回波的声程会比侧向波的声程大很多,甚至比底面波的声程还要大。如此,信号的到达时间差增大,重叠被巧妙地避开了。各信号到达时间如图2(b)所示。两个端面的反射回波在侧向波和底面反射波后出现。为简单起见,仅讨论缺陷位于两探头正中间的情况。假设:ta———侧向波从T到达R的时间;S1+S2+S3———T发出的声波经过缺陷上端面衍射,底面反射后被R接收的总声程;tc———到达时间;S4,S5,S6和td———下端面回波的声程和到达时间。根据勾股定理和对称原理,两个端面的总声程可由式(5)和(6)表示:以底面反射波(BW,到达时间为tb)为参考信号,两端面同BW的声程差可由式(7)和式(8)表示。信号到达时间差、声速、探头间距和试件厚度都是已知的。联立这两式可以解出缺陷上下端面的深度D和D+L。4超声波探伤检测在核工业无损检测中心,分别对五段半剖的海底管道样本进行了检测。这些管道材质为合金钢,壁厚从15～40mm不等,内部共有30余处用电火花加工的不同尺寸和深度的裂缝缺陷。宽带纵波斜探头尺寸为6mm×6mm,频率为5MHz和10MHz。偶合剂为水。选用德国USN-60型数字超声波探伤仪。为提高精度,保证具有重复性,将两个探头装在一个有刻度的实验车上,易于调整距离和位置。利用测向波和底面反射波的位置和信号间的相位关系,两端面衍射回波容易判断。根据回波信号幅度变化可以将缺陷调整到两探头正中间的位置。4.1端面深度不同在完全一致的条件下,分别用两种方法对各个管道样本进行多次检测,并按公式计算缺陷参数。TOFDR法计算结果与实际参数一致。误差在±0.3mm之内。表1显示了部分计算结果。由于最难检测到的是缺陷上端面的位置,此处仅给出部分上端面深度计算结果。当端面深度大于8mm时,两种方法均可给出满意的结果。当端面深度小于8mm的时候,TOFD方法几乎测不到衍射回波,给出的结果全为零。TOFDR方法仍可以给出与实际近乎一致的结果。只有当端面深度小于2mm时,TOFDR方法也给出零结果。可见,盲区从表面下8mm减小到了2mm。4.2不同接头频率的检测其它条件不变,仅改变两个探头之间的距离,从20～120mm,用TOFDR方法对五个典型缺陷(深度在2～20mm之间)进行检测。计算结果见图3(a)。同样,仅改变两探头的频率,对同样的缺陷进行检测,计算结果见图3(b)。可见,探头间距和频率的改变对这一深度范围内缺陷的TOFDR检测几乎没有影响。5表面回波和回波信号重叠检测在TOFD基础上,提出了一种改进的TOFDR方法。通过接收经底面反射一次后的回波信号,巧妙避开了测向波和端面回波信号的重叠,从而将盲区缩减到被测表