全自動薄壁筒超聲成像系統方案設計

摘要：本文提出了利用超聲波特征掃描成像技術檢測大口徑薄壁筒缺陷的方法，研制了變截面薄壁筒超聲成像檢測系統。該系統在自動檢測的過程中，實時記錄檢測數據并對數據進行處理，根據波形特征自動生成檢測圖像，在檢測完成后自動保存所有檢測數據，實現了大口徑薄壁筒超聲在線檢測的自動化、數字化、圖像化。

關鍵詞：薄壁筒 特征掃描 超聲探傷 超聲成像系統

1 檢測原理及系統總體框架

全自動薄壁筒超聲成像系統是由傳統的C掃描成像發展而來。它采取特征掃描的方法，利用計算機全波列采集檢測信號，提取和存儲超聲波形的上升時間、下降時間、脈沖周期和頻譜特性等，經信號處理后進行成像顯示。它除了能檢測局部缺陷外，還能對檢測信號進行頻譜分析和數字濾波，通過各種特征量的提取和重構，能實現缺陷的自動識別，從而提高定量精度。

薄壁筒由兩端的液壓卡盤撐緊，在主軸電機的驅動下旋轉，裝在主軸一端的旋轉編碼器發出同步脈沖信號，經分頻和脈寬調節后作為六通道探傷儀的觸發脈沖，并經過延時電路后觸發六通道高速數據采集卡。數據采集卡對超聲波探頭接收的信號進行全波列采集，經過計算機對波形的數字信號處理和特征提取，依據掃描成像原理，以偽彩色圖的方式生成檢測圖像。

系統總體框圖如圖1所示：

2 系統硬件設計

系統硬件部分主要包括機械掃查系統、電氣控制系統、超聲探傷系統等幾部分。

2.1 機械掃查系統 機械掃查系統主要包括機械掃查裝置，液壓系統和耦合液循環供給系統。

機械掃查裝置的外形類似于雙頭車床，主要包括：鑄鐵床身、導軌、床頭減速箱、尾架以及由刀架托板改造成的掃查臺。機械掃查裝置在電機的驅動下主要完成包括主軸旋轉、掃查臺平移、探頭組伸縮（升降）、探頭組旋轉和尾架平移等動作。主軸旋轉和掃查臺平移完成對整個薄壁筒外表面的掃查，探頭組（包括水盒）的伸縮可以滿足不同直徑被檢測工件的要求，探頭組旋轉使探頭組完成對被檢測工件漸變截面的跟蹤，尾架的移動則可以對不同長度的薄壁筒進行檢測。液壓系統主要完成對檢測薄壁筒的夾緊和對尾架的固定，機械掃查裝置上的兩個液壓控制卡盤承擔工件支撐，卡盤進入薄壁管內部撐緊工件，液壓卡盤由回轉油缸驅動，可以在撐緊工件的情況下完成旋轉動作。耦合液循環供給系統主要完成對水盒內耦合液的供給。為保證探頭和被檢測工件耦合良好，水盒里的耦合液不斷從水盒上方溢出，需要保持對水盒里耦合液的供給。水泵將水箱里的耦合液不斷的抽出，通過管道送入水盒，由水盒溢出的耦合液流進安裝在導軌下面的水槽內，水槽中間有個漏斗，耦合液通過漏斗流回水箱，完成整個循環。另外，在管路的中間安裝的節流閥可以控制耦合液的流量。

2.2 電氣控制系統 電氣控制系統以可編程序邏輯控制器（PLC）為核心，完成對整個機械掃查系統和同步時序的控制。PLC響應按鈕的命令控制包括機械掃查裝置、液壓系統和耦合液供給系統在內的整個機械掃查系統動作，同時控制同步時序。限位開關輸入PLC的輸入端，對機械掃查裝置起保護作用，保證手動按鈕操作的安全性。PLC通過通訊電纜與上位計算機連接，實現了整個系統的軟界面自動控制。

2.3 超聲探傷系統 超聲探傷系統（如圖2）是本系統的核心，完成超聲波的發射、接收、放大，信號的采集、處理等功能。主軸旋轉編碼器的位置脈沖被送到由PLC控制的時序控制電路，經過時序控制電路的分頻、調整脈寬、延時等處理后作為發射/接收電路和數據采集卡的外觸發脈沖，保證超聲波發射、接收以及信號采集的同步性。其中，接收電路中還包含了前置放大電路部分，對接收到的超聲回波信號進行前置放大，放大后的信號可以滿足長傳輸導線遠距離傳輸的需要。高速數據采集卡主要包括程控放大、模數轉換和信號處理等功能。接收電路接收的超聲波信號被送到采集卡，首先是進行信號放大，這部分放大可由程序控制，放大后的信號經過模數轉換成為數字信號，經過采集卡上的CPLD做信號處理后通過PCI總線送入計算機，由計算機完成對數據的進一步處理、存儲并在顯示器上生成掃描圖像。

3 系統軟件設計

系統軟件的設計配合系統硬件，主要完成包括機械掃查系統自動控制、超聲信號數據采集及數字信號處理、缺陷成像、檢測報告打印等功能。軟件采用模塊設計，主要包括六大模塊，即：人機交互界面模塊、機械、液壓系統控制及參數調整模塊、超聲信號數據采集及數字信號處理模塊、波形處理及增益調整模塊、特征掃描成像模塊、圖像處理及缺陷判定模塊。人機交互界面模塊包括整個系統軟件的所有界面設計，是人機交互的界面平臺，良好的界面設計是可以給操作人員帶來很多的方便。機械、液壓系統控制及參數調整模塊完成對系統的軟界面控制，因為本系統的控制由PLC來完成，上位計算機是通過串口與PLC完成通訊的，所以，此模塊主要是完成對串口通訊程序的編寫。超聲信號數據采集及數字信號處理模塊完成對超聲信號的采集和對采集信號的數字處理，本系統采用的是基于PCI總線的高速數據采集卡，采集的數據通過PCI總線輸入計算機，此模塊主要調用采集卡驅動程序完成對采集卡參數的設定和數據采集，并對得到的數據進行數字信號處理。波形處理及增益調整模塊在開始自動掃查前的探頭組初始位置調整及程控增益調整功能。在自動掃查檢測開始前，需要對探頭組的初始位置進行調整，使縱波直入射探頭與被檢測工件表面對正，此模塊將采集的超聲信號以波形的方式顯示，根據波形調整探頭組及程控增益。特征掃描成像模塊完成對采集的超聲回波信號特征的提取和存儲，并根據信號的多種特征成像顯示。圖像處理和缺陷判定模塊完成對整個掃描存儲的結果進行后處理以及生成打印報告。

4 檢測實驗結果

采用外徑308mm，壁厚30mm的鋁管，在不同位置上做了各種人工缺陷。設定掃查長度1800mm，周掃查點數360個，螺距3mm，采樣頻率100MHz，圖3是對標樣一個通道的檢測結果。系統的檢測分辨率可達0.2m，從圖上可以直接看到各種缺陷并確定缺陷的位置。

5 結論

本系統實現了大口徑薄壁筒超聲檢測的自動化、數字化、圖像化。系統充分實現了超聲探傷自動化，通過上位機與下位機的外部通訊，實現了系統所有動作的軟界面控制。系統在自動檢測的過程中，實時記錄檢測數據并對數據進行處理，根據波形特征自動生成檢測圖像，在檢測完成后自動保存所有檢測數據，并直接生成打印報告。系統能實現對波形、檢測圖像的回顯，可以供檢測人員對其進行后處理。使探傷工作一目了然。并且已經成功地應用于某工業領域。

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作者簡介：閆軍喜（1964-），男，河南夏邑縣人，河南商丘技師學院高級講師，研究方向：物理相關課程的教學與研究。