徐菲菲，柏松，袁志剛

（1.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽 1 1 0 1 6 8；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 1 1 0 0 4 3）

一種新型數(shù)字水浸超聲探傷系統(tǒng)的研制

徐菲菲1，柏松2，袁志剛2

（1.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽 1 1 0 1 6 8；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 1 1 0 0 4 3）

本文介紹了一種新型數(shù)字水浸超聲探傷系統(tǒng)的設(shè)計方法與實現(xiàn)工藝。該系統(tǒng)采用A型脈沖反射式結(jié)構(gòu)，利用可編程A S I C技術(shù)實現(xiàn)超聲數(shù)字信號處理，基于P C和F P G A平臺研制一種新型模塊化的超聲探傷系統(tǒng)，成功應(yīng)用于航空復(fù)合材料餅盤件的缺陷檢測，并取得良好的應(yīng)用效果。

水浸超聲探傷系統(tǒng)；A型脈沖反射式；A S I C；F P G A

無損檢測被認(rèn)為是現(xiàn)代工業(yè)的重要支柱，而超聲波探傷技術(shù)是無損檢測重要手段之一，它是提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品性能的必要手段。由于超聲波探傷是利用材料本身或內(nèi)部缺陷對超聲波傳播所表現(xiàn)出來的聲學(xué)性質(zhì)不同，從而非破壞性的檢測被測工件內(nèi)部以及表面的缺陷情況，被廣泛應(yīng)用于機械制造、交通運輸、國防、電力等各個領(lǐng)域。

水浸超聲檢測技術(shù)是將超聲探頭和被測工件全部浸入水中，水作為超聲波傳播的耦合介質(zhì)，超聲波通過水媒介傳遞到被檢測工件進(jìn)行工件內(nèi)部缺陷檢測的技術(shù)。由于水的介質(zhì)特性，只有超聲縱波能夠在水介質(zhì)中進(jìn)行傳播，但是隨著超聲波聲束相對于被檢測工件表面可以以不同的入射角入射，因此試塊中仍然可以產(chǎn)生出縱波、橫波、表面波、蘭姆波等波形，從而實現(xiàn)不同性質(zhì)的超聲檢測。近年來微電子學(xué)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，為超聲探傷技術(shù)提供了巨大的發(fā)展動力。早期的水浸超聲探傷系統(tǒng)已不能適應(yīng)探傷技術(shù)發(fā)展的需要，一些關(guān)鍵性的性能指標(biāo)已滿足不了實際探傷的需求。當(dāng)代超聲檢測技術(shù)不僅要實現(xiàn)缺陷檢測的高準(zhǔn)確率和高可靠性，而且還要融合現(xiàn)代信息處理技術(shù)，從而實現(xiàn)超聲檢測的數(shù)字化、圖像化、實時化、智能化。因此，為提高國產(chǎn)水浸超聲探傷系統(tǒng)的水平，本文研制出一種新型數(shù)字水浸超聲探傷系統(tǒng)，對傳統(tǒng)探傷儀中信號采樣與壓縮等功能設(shè)計成專用硬件模塊，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。并使用小波變換算法對采集的超聲回波信號進(jìn)行降噪處理，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)缺陷的定量分析。

1 新型水浸超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 超聲波探傷的基本原理

超聲波具有束射性，在一定介質(zhì)中傳播時具有保持速度不變的特性，在不同介質(zhì)的界面?zhèn)鬟f時會出現(xiàn)反射、折射等現(xiàn)象。超聲波探傷技術(shù)就是利用這種超聲波束的這種性質(zhì)來判斷被檢工件內(nèi)部是否存在缺陷、異物以及其缺陷、異物的位置和大小等。

超聲波的發(fā)射和接受過程實際上就是能量轉(zhuǎn)換的過程。由于超聲波本質(zhì)上就是一種高頻率聲波，它可以通過在具有壓電特性或磁滯伸縮效應(yīng)的材料上施加高頻率可變電壓便可實現(xiàn)。即在壓電晶片兩面的電極上施加高頻交流電壓，壓電晶片就會隨著電壓的方向和大小、在厚度方向產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象。利用壓電晶片的這一特性，把伸縮振動加載被檢測工件上，工件材料質(zhì)點就會產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生超聲波。超聲波的接收過程，則是與超聲波發(fā)射相反的過程，當(dāng)超聲波回波傳回到被檢材料表面時帶動表面產(chǎn)生振動，反過來促使壓電晶片隨之發(fā)生伸縮動作，因而在壓電晶片的電極間產(chǎn)生會微小的電壓信號。對此小電壓信號進(jìn)行信號放大及濾波處理，就可在顯示器上進(jìn)行超聲波回?fù)艿挠^察和測定。

1.2 新型水浸超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該新型水浸超聲檢測系統(tǒng)由工控機、超聲發(fā)射接收模塊、運動執(zhí)行機構(gòu)、探頭、水箱等組成。超聲發(fā)射接收模塊是進(jìn)行超聲檢測的核心部件，而探頭是探傷系統(tǒng)的外部接口。超聲發(fā)射接收模塊主要作用是激勵探頭發(fā)射超聲波，同時將探頭接收的超聲波回波信號進(jìn)行采集及小信號處理，將被測工件內(nèi)部缺陷情況通過工控機以圖形方式顯示出來，從而觀測被探工件內(nèi)部有無缺陷，以及缺陷位置和缺陷大小等信息，以此來評價被檢測工件的質(zhì)量情況。探頭安裝在運動執(zhí)行機構(gòu)上，可自動執(zhí)行工控機存儲的探傷掃描程序。被探工件放置在水箱工作臺上和探頭通過水耦合進(jìn)行缺陷檢測（圖1）。

圖1 數(shù)字化水浸超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 超聲波發(fā)射接收模塊

超聲發(fā)射接收模塊以模擬式超聲探傷儀為基礎(chǔ)，基本功能主要包括超聲波的發(fā)射、接受，和對接收到的超聲回波信號進(jìn)行采樣、壓縮、去噪等處理，采用DS P技術(shù)對界面回波和由缺陷引起的回波進(jìn)行信號處理等。此外還具有閘門控制、濾波器、計算機接口等功能。模塊基本電路構(gòu)成如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射接收模塊電路原理圖

3 運動執(zhí)行機構(gòu)

根據(jù)餅盤件的實際情況,研制了一套水浸超聲探傷系統(tǒng)的自動執(zhí)行機構(gòu)。設(shè)計了機械傳動與探頭A B雙擺頭支架等機構(gòu)，設(shè)計了檢測過程自動控制裝置，該機構(gòu)帶動探頭運動，實現(xiàn)自動探傷掃描過程。A B雙擺頭支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

4 超聲探傷系統(tǒng)軟件

超聲探傷系統(tǒng)軟件從功能上可分為兩大模塊：超聲信號處理模塊和運動控制模塊，如圖4所示。超聲信號處理模塊包含超聲發(fā)射參數(shù)設(shè)定、閘門校準(zhǔn)、超聲回波信號采集、小波去噪、波形顯示、缺陷定位、T C G校準(zhǔn)等主要功能模塊；運動控制模塊主要包含掃描路徑規(guī)劃、運動參數(shù)設(shè)定、運動安全性監(jiān)測、手動/自動控制等主要功能。

圖3 A B雙擺頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 超聲探傷系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

本文以研究和設(shè)計實現(xiàn)一種新型數(shù)字水浸超聲探傷系統(tǒng)為主要內(nèi)容，分析了超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理；為提高回波信號處理速度，設(shè)計專用硬件電路進(jìn)行信號處理；通過設(shè)計A B雙擺頭結(jié)構(gòu)對被檢測件實現(xiàn)更好的掃描路徑規(guī)劃；此外，專用的超聲探傷系統(tǒng)軟件能更便捷的進(jìn)行掃描操作及缺陷定位，界面直觀且易于操作。根據(jù)掃描圖像，操作人員可以對被檢測件的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，為餅盤件內(nèi)部質(zhì)量提供有力依據(jù)。

[1沈功田，張萬嶺，壓力容器無損檢測技術(shù)綜述[J].無損檢測，2 0 0 4,2 6(1):3 7~4 1.

[2]史亦韋，超聲檢測[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2 0 0 5(8):1.

T P 2 7 4

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 1（上）-0 0 8 1-0 3

沈陽市科技計劃項目。

項目編號：F 1 5-0 0 8-2-0 0