TFM實時成像技術在缺陷檢測中的應用

程 欣，池作和，陸銘慧

(1.中國計量大學，浙江 杭州 310018；2.江西省特種設備檢驗檢測研究院，江西 南昌 330029；3.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063)

0 引言

壓力容器制造過程中常見的缺陷有隧道型孔洞和根部未焊合，這些缺陷無一不危害構件的安全運行。隨著超聲檢測技術的不斷發展，相控陣(PA，Phased Array)在缺陷檢測中得到越來越多的應用[1-4]。目前工業實際中大多采用的相控陣扇形掃查得到缺陷圖像，存在缺陷圖像畸變，難以準確定性等問題[5-8]。利用全聚焦法(TFM，Total Focusing Method)得到的缺陷圖像具有更高的檢出率、還原度更高、成像更清晰等優點，是近來超聲檢測領域的1個研究熱點[9]。

在TFM的缺陷成像方面，國內外學者做出了以下研究工作：孫昌立等[10]利用MATLAB平臺編程，在沒有機械移動超聲探頭掃描情況下得到缺陷三維成像，但沒有涉及到不同深度缺陷的對比研究，實際應用范圍有限。楊貴德等利用現場可編程門陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)實現實時三維TFM檢測，并將其與二維TFM作對比，而對比試驗僅是圖像展示，沒有具體的定性、定量、定位數據的對比。彭國平等[11]采用一維線陣探頭獲得二維切片數據，并通過3d-DOCTOR軟件實現對接焊縫典型缺陷的三維重建，而重建過程存在延時，檢測效率不高。

本文采用TFM的二維和三維實時超聲成像技術，分別使用一維線陣和二維面陣實現缺陷的二維和三維成像，并與傳統PA檢測得到的圖像作對比，能檢出各種類型缺陷，在檢測鋁合金壓力容器內取向復雜的各類缺陷方面有較好的應用前景。

1 全聚焦實時成像檢測原理

TFM是基于全矩陣數據采集(FMC，Full Matrix Capture)的1種超聲后處理成像方法[12]。在全矩陣數據采集過程中假設有n個超聲換能器陣元，每個陣元依次單獨激發。當某個陣元激發時，n個陣元均采集超聲回波時域信號并儲存，此時刻獲得n列回波信號。然后依次激發所有陣元，即可獲得n×n列超聲回波時域信號[13]。

TFM成像算法中，以相控陣探頭中心為原點，建立直角坐標系，P點為待測物上任意1點，坐標為(x，y)，通過計算P點到各陣元中心的距離，可獲得P點在每列回波信號中的振幅，P點對應的全矩陣數據表示為Sij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)，各回波信號疊加，獲得表征該點信息的回波振幅I(x,y)。通過對檢測區域進行像素點劃分，如圖1所示，即可依次得到待測區域內每點的成像，每個表征點的回波振幅大小可表示為式(1)：

圖1 全聚焦成像算法示意Fig.1 Schematic diagram of TFM imaging algorithm

(1)

式中:Sij為陣元i激勵、陣元j接收的回波信號中表征點(x,y)的振幅信息；tij(x,y)是聲回波傳送的時間，如式(2)所示:

(2)

式中：xi,xj分別為發射陣元信號和接收信號陣元中心的橫坐標；c為聲波在待測物體中的傳播速度，m/s。

通過以上計算，將檢測區域中每1點的聲波信息(振幅、延時等)提取出來，疊加到目標成像區域對應的位置，并對每1點進行全息重構，從而得到檢測圖像[14]。

2 TFM檢測試驗研究

為了驗證TFM具有檢出率高、測量誤差小、成像還原度高等特點，分別用傳統算法與TFM對鋁合金試樣進行檢測，對比其試驗結果。

2.1 試塊設計

設計1塊鋁合金試樣(150 mm×95 mm×17.5 mm)，并在試樣中加工了不同尺寸的孔、線槽、弧槽，分別模擬壓力容器制造中可能出現的孔洞和不同形態未焊透，如圖2所示。

圖2 鋁合金樣板俯視圖Fig.2 Vertical view of aluminum alloy template

以下試驗采用SUPOR-32P相控陣設備和對應探頭5.0L64(探頭頻率5.0 MHz，64陣元直探頭)、4.0M32(4 MHz，32陣元斜探頭)分別實現線掃和扇掃，以及CTS-PA22T相控陣全聚焦設備和對應探頭5L64-0.6×10(探頭頻率5.0 MHz，64陣元線陣直探頭，陣元間距0.6 mm，陣元寬度10 mm)SM8×8-1.5×1.5(探頭頻率5.0 MHz，8×8陣元面陣直探頭，陣元間距1.5 mm×1.5 mm)、36°斜楔塊分別實現2d-TFM和3d-TFM檢測。

2.2 孔的檢測

為了測量試樣中內圓弧上平底孔的孔徑和埋深，將探頭5.0L64放置在試樣下底面進行線掃，探頭放置位置如圖3中探頭1所示，通過相控陣圖譜對應的刻度分別讀取對應平底孔徑大小與埋深，將探頭5L64-0.6×10和SM8×8-1.5×1.5分別放置在上述線掃探頭同樣位置，得到平底孔的2d-TFM和3d-TFM檢測數據。為了測量半橫通孔的埋深，將該探頭放置在試樣前側面進行掃查，探頭位置如圖3中探頭2所示，測得半橫通孔埋深，線掃成像如圖4所示，將探頭5L64-0.6×10和SM8×8-1.5×1.5分別放置在上述線掃探頭同樣位置，得到2d-TFM和3d-TFM檢測數據，2d-TFM成像如圖5所示，3d-TFM成像如圖6所示。以上測得所有數據與設計值的對比見表1。

表1 平底孔、半橫通孔測量數據對比Table 1 Measurement data comparison of flat-bottom hole and half transverse penetration hole

圖3 探頭放置圖Fig.3 Arrangement of detectors

圖4 半橫通孔線掃成像圖Fig.4 Linear scanning image of half transverse penetration hole

圖5 半橫通孔2d-TFM成像圖Fig.5 2d-TFM image of half transverse penetration hole

圖6 半橫通孔3d-TFM成像圖Fig.6 3d-TFM image of half transverse penetration hole

分析以上圖像和數據可以得到：

1)3d-TFM檢測對于不同缺陷大小的孔徑、平底孔埋深、半橫通孔埋深，其誤差均在6.5%以內，相比另2種方法，檢測結果更為精確，對于孔長的三維成像還原度更高。

2)2d-TFM檢測方法準確度高于線掃，孔徑尺寸還原度更高。

2.3 線槽的檢測

為了測量試樣中不同線槽的寬度、深度，將探頭5.0L64放置在試樣下底面進行線掃，探頭位置如圖3探頭1所示，通過相控陣圖譜對應的刻度分別讀取不同線槽的數據，將探頭5L64-0.6×10和SM8×8-1.5×1.5分別放置在上述線掃探頭同樣位置，得到線槽的2d-TFM和3d-TFM檢測數據，以上所有測量數據見表2。為了對比線槽不同檢測方法的成像效果，將斜探頭4.0M32放置樣板前側面進行扇掃，探頭位置如圖3探頭2所示，扇掃成像如圖7所示，將探頭5L64-0.6×10(粘連36°斜楔塊)和SM8×8-1.5×1.5(粘連36°斜楔塊)分別放置在上述扇掃探頭同樣位置，2d-TFM成像如圖8所示，3d-TFM成像如圖9所示。

表1(續)

表2 線槽測量數據對比Table 2 Measurement data comparison of linear chute

圖7 線槽扇掃成像圖Fig.7 Linear scanning image of linear chute

圖8 線槽2d-TFM成像圖Fig.8 2d-TFM image of linear chute

圖9 線槽3d-TFM成像圖Fig.9 3d-TFM image of linear chute

分析以上圖像和數據可以得到：

1)3d-TFM能檢測到線槽寬度，而其他2種方法不能，3d-TFM測量結果更加全面。

2)3d-TFM對于線槽寬度的測量誤差均在4%以內。

3)3d-TFM對于線槽深度的測量誤差不超過0.52%，精確度明顯高于其他2種方法，而2d-TFM的測量誤差不超過1.48%，精確度高于線掃。

4)扇掃只能檢測到距離探頭較近的3根線槽，對于較遠的2根線槽存在漏檢，而2d-TFM與3d-TFM均能掃到5根線槽，檢出率更高。

2.4 弧槽的檢測

為了測量試樣中不同弧槽的寬度、深度，將探頭5.0L64放置在樣板下底面進行線掃，探頭位置如圖3探頭1所示，通過相控陣圖譜對應的刻度分別讀取不同弧槽的數據，將探頭5L64-0.6×10和SM8×8-1.5×1.5分別放置在上述線掃探頭同樣位置，得到弧槽的2d-TFM和3d-TFM檢測數據。為了對比弧槽不同檢測方法的成像效果和扇徑，將斜探頭4.0M32放置樣板前側面切口處進行扇掃，探頭位置如圖10所示，扇掃成像如圖11所示，將探頭5L64-0.6×10(粘連36°斜楔塊)和SM8×8-1.5×1.5(粘連36°斜楔塊)分別放置在上述扇掃探頭同樣位置，2d-TFM成像如圖12所示，3d-TFM成像如圖13所示，以上所有測量數據見表3。

圖10 斜切口面探頭掃查俯視圖Fig.10 Detecting diagram of vertical view

表3 弧槽測量數據對比Table 3 Measurement data comparison of arc chute

圖11 弧槽扇掃成像圖Fig.11 Fan sweeping image of arc chute defects

圖12 弧槽2d-TFM成像圖Fig.12 2d-TFM image of arc chute

圖13 弧槽3d-TFM成像Fig.13 3d-TFM image of arc chute

分析以上圖像和數據可以得到：

1)3d-TFM能檢測到弧槽寬度，而其他2種方法不能，3d-TFM測量結果更加全面。

2)3d-TFM對于弧槽寬度的測量誤差在8%以內。

3)2d-TFM的測量誤差不超過2.07%，精確度高于傳統PA。

4)3d-TFM對于弧槽扇徑的測量誤差不超過0.16%，精確度明顯高于其他2種方法，而2d-TFM的測量誤差不超過0.625%，精確度高于傳統PA。

5)扇形掃查只能檢測到扇徑為80 mm的弧槽，對于扇徑為50 mm的弧槽存在漏檢，而2d-TFM和3d-TFM均能掃到2根弧槽，檢出率更高。

3 結論

本文采用基于TFM的實時超聲成像技術，與傳統扇形掃查進行對比，并獲得以下結論：

1)3d-TFM對于各類缺陷測量數據精度在每1個維度上相對其他2種方法更高：對于孔類缺陷，測量誤差在6.5%以內；對于槽類缺陷，測量誤差在8%以內。2d-TFM的測量精度比傳統PA更高：對于孔類缺陷，測量誤差在30%以內；對于槽類缺陷，測量誤差在2.07%以內。

2)3d-TFM檢測能獲取3個維度的數據，對于孔類缺陷能夠較好顯示面陣探頭下方樣板的多個缺陷立體成像，還原度較高，可以掌握缺陷的三維形態走向；對于槽類缺陷，TFM檢測還原度高于扇形掃查。

3)TFM檢測相對于扇形掃查，能檢出更多缺陷，可減少漏檢。

基于TFM的實時超聲成像技術在對于孔洞、線槽、弧槽缺陷檢測結果均優于相控陣扇形掃查方法。