多通道虚拟超声检测系统研究

多通道虚拟超声检测系统研究

张广明陈自强刘彦民王裕文

摘 要：多通道虚拟超声检测系统由计算机、3块PC插卡(多通道超声发射／接收卡、超声图像卡与步进电机驱动卡)、聚焦探头和机械系统组成，能够实现A、B、C扫描成像，数据处理，缺陷定位，定性和定量分析．将计算机技术、虚拟仪器技术、信号和图像处理技术引入超声无损检测领域，拓宽了传统超声检测的应用范围．该系统采用多通道扫描成像，大大提高了系统检测效率，与传统超声成像系统相比具有检测效率高、精度高、功能强、体积小、参量可用软件调节等优点．
关键词：超声无损检测；超声成像；虚拟仪器
中国图书资料分类法分类号：TB55

Multi-Channel Virtual Ultrasonic Testing

Zhang GuangmingChen ZiqiangLiu YanminWang Yuwen
（Xi＇anJiaotongUniversity，Xi＇an 710049， China）

Abstract：The multi-channel virtual ultrasonic testing system uses three PC cards. They consist of the multi-channel ultrasonic transmit／receive card, ultrasonic graphic card, and step motor drive card. The A,B,C scan and data processing can be implemented. Virtual instrument and signal image process technology are introduced for ultrasonic nondestructive testing (NDT),while the range of applicability for traditional ultrasonic testing is extended. Other improvements include test efficiecy, precision, and software for the adjustment of governing parameters．
Keywords:ultrasonic NDT;ultrasonic imaging;virtual instrument

数字超声成像无损检测一般是利用点探头扫描或利用相控阵探头形成模拟超声图像，然后利用专用图像卡将其转化成数字图像〔1〕．由于超声图像能直观再现工件内部缺陷的大小、形状等，故数字超声成像技术在无损检测领域应用较为广泛．但是，该技术存在以下几个问题，制约了其应用．(1)点探头扫描通常都是机械扫描，扫描速度慢，系统成像效率低，在检测大工件时尤为突出．（2）工业用相控阵探头制造成本高，系统复杂，目前国内尚少见该类探头．（3）传统数字超声成像系统主要有2种：一种是以传统超声波探伤仪为基础开发的，这类系统应用时，一些对检测结果影响较大的检测参量如衰减、增益、激励重复频率、激励脉冲宽度必须手动调节，不利于检测自动化与智能化；另一种是以智能化芯片(CPU)为基础开发的，此类系统软件功能不强大．为了解决这些问题，我们研究开发了多通道虚拟超声检测系统．整个系统为插卡式虚拟仪器，能完成对多个聚焦探头的顺序接收、量化、成像、图像处理等功能，系统参量几乎全部采用软件调节，大大增加了系统的灵活性，使仪器具有了虚拟的功能，向真正智能化超声成像系统迈进了一大步．
1系统构成与工作原理
多通道虚拟超声检测系统由计算机、3块PC插卡(多通道超声发射／接收卡、超声图像卡与步进电机驱动卡)、多个聚焦探头和机械系统组成〔2〕，原理框图如图1所示．机械系统包括精密三维扫描工作台、多工位自动回转台、专用夹具和水槽．

图1多通道虚拟超声检测系统原理图

该系统在计算机的控制下协同工作．首先，进行系统初始化；其次，计算机控制步进电机驱动精密三维工作台，从而带动多个探头对工件进行扫描．每到一个扫描位置，超声发射／接收卡将高压激励脉冲以重复激励频率不断加载到每个聚焦探头上，完成超声波的发射，并依次接收每个探头产生的回波信号，与此同时数据采集电路工作，将模拟超声信号转化成数字信号，然后由计算机处理并存储、显示、打印超声图像，最后对缺陷进行分析．
传统牡闾酵飞?璩??上裣低呈芑?瞪?杷俣认拗疲?谏?璺直媪Ω叩那榭鱿拢?觳庑?屎艿停?绫舅?郧把兄频某??匏鸺觳馕⒒??硐低常?鄙?璺直媪ξ?．177mm时，C扫描一个（45×45)mm2的工件需40 min左右．用多通道虚拟超声检测系统，采用四通道扫描则只需13 min就可完成该工件的C扫描成像．在工厂实际应用中，通常不需要如此高的扫描分辨力．适当降低扫描分辨力，增加通道数，该系统基本上就能满足在线检测要求．
图2为传统点探头的扫描路径，图3为四通道虚拟超声检测系统的扫描路径．按图3路径扫描时将所用的4个探头装夹在专用夹具上，由精密扫描工作台同时拖动，按预定的路径扫描．4个探头的初始位置可根据工件的大小调整．图3把图2分割为4个小区域，每个探头的扫描面积仅为原来的1／4，这样大大减少了机械扫描时间，取而代之的是电子切换时间．由于电子切换速度相对机械扫描速度要快得多，所以电子切换时间几乎可以忽略不计．如果增加通道数量，还可成倍地提高检测效率．该系统设计为16通道，可一次装夹16个探头．实际检测中所用探头的数量会受工件大小和水浸聚焦探头外径的限制．

图2传统点探头扫描路径图3四通道虚拟超声检测系统扫描路径

多通道虚拟超声检测系统不仅对提高大工件检测效率有十分重要的意义，对于小工件，检测时可通过一次扫描完成多个工件的成像检测，也能大大提高检测效率．
2系统硬件设计
2．1多通道超声发射／接收卡
多通道超声发射／接收卡是整个系统的一个关键部分，它涉及到系统的检测效率和图像质量，由＋600V高压电源生成电路、超声发射／接收器与多通道电子切换器3大部分组成〔3〕，其原理框图如图4所示．超声发射／接收器相当于一台普通超声波探伤仪，但其体积小，参量全部采用软件调节．多通道电子切换器对接收信号进行高保真切换，由计算机控制．超声发射／接收器产生的高压激励脉冲以重复激励频率不断加载到每一探头上，多通道电子切换器保证每一探头产生的微弱接收信号依次不失真地送到超声发射／接收器的接收口．

图4多通道超声发射／接收卡原理框图

2．2超声图像卡
超声图像卡是整个系统的另一关键部分，它涉及到图像的质量、数据采集精度、速度、系统功能等．为了满足实际需要，该卡设计了模数转换电路、时钟电路、窗口控制电路、扫描选择电路、声特性测量电路、数据存储电路和总线管理电路等〔2〕，其中A／D转换速率为40 MHz，具有8位分辨力．为了提高数据采集、存储速度，系统设计了256 kB的卡内存储器，其原理框图如图5所示，NAL.ECHO、Sync.trig、Delay.trig是从多通道超声发射／接收卡来的信号：NAL.ECHO为模拟超声信号，Sync.trig为同步信号，Delay.trig为延迟采样脉冲信号．
2．3步进电机驱动卡
为了提高系统的检测精度和效率，便于实现自动化和智能化，该系统采用步进电机驱动三维精密工作台．步进电机驱动卡利用计算机的数据线和地址线，通过接口电路的设计构成柔性环分器，实现对步进电机的控制．按照系统提示输入一些工件及其安装的信息，系统可完成自动对焦．

图5超声图像卡原理框图

2．4机械系统设计
机械系统是该系统的重要执行部件，是实现自动扫描、在线检测的关键所在，机械部件的质量优劣直接影响整个系统的检测精度．本文研制的机械系统包括：精密三维扫描工作台，多工位自动回转台和专用夹具〔4〕．精密三维工作台由3个一维工作台组合而成，主要功能在于带动探头对工件扫描以及自动调整探头的焦点位置．多工位自动回转台分为4工位和8工位，其主要作用是装夹工件，不仅使检测自动化，而且可使检测时间和装卸时间重合，提高检测效率．专用夹具用于夹持并调整多个聚焦探头，使它们的焦平面处在同一个平面上．
3系统软件设计
该系统的软件是在WINDOWS环境下，利用Visual C＋＋开发的，软件采用模块化设计原则．系统软件包括：接口电路初始化模块，参数输入与数据库模块，自动对焦模块，A、B、C扫描模块，声特性测定模块，图像处理模块，缺陷分析模块和数字示波器模块等．
4实验结果与讨论
多通道虚拟超声检测系统是一台集超声无损检测与评价技术、超声成像技术、计算机软硬件技术、信号处理技术于一体，具有虚拟功能的仪器．图6是利用该系统对一高压开关动触头钎焊界面C扫描成像的结果．实验中所用聚焦探头是定做的中心频率为10MHz、焦柱直径为0．5mm、焦距为30mm的水浸聚焦探头．实验时采用4探头扫描成像，检测效率是单探头检测效率的300％～400％．为了提高系统检测精度(缺陷分辨力与缺陷定位精度)，除了采用聚焦探头和高精度扫描以外，还研究了小波分析等信号处理方法来提高图像质量和系统缺陷分辨力．该系统横向分辨力为0．25mm，纵向分辨力为1个波长长度(它由工件材料和聚焦探头中心频率决定)，扫描分辨力为0．003mm．步进电机驱动的精密三维扫描工作台保证缺陷的精确横向定位，定位精度同系统扫描分辨力；缺陷深度定位由超声图像卡决定，定位精度同系统纵向分辨力．缺陷定量分析主要利用检测结果图像计算缺陷面积来完成．

图6多通道虚拟超声检测系统的实验结果

系统在实际应用中所需检测参量，如衰减、增益、重复激励频率、激励脉冲宽度、延迟采样时间、采样的回波次数、步进精度、成像方式等，既可由操作者根据检测要求从系统数据库中选择，也可另行输入．当前，这些参量还不能由计算机自动确定，我们正在进一步研究，使其成为一台真正的智能化系统．
5结论
多通道虚拟超声检测系统实现了A、B、C扫描成像、多探头扫描高速成像、自动对焦、超声波在材料中的传播速度测定、多断层一次性B、C扫描成像、信号处理与缺陷分析等功能，并可作为数字示波器使用．系统经过多次反复实验，稳定可靠，与传统超声成像系统相比具有检测效率高、精度高、功能强、体积小、参量能用软件调节等优点．

作者简介：男，1969年8月生，机械工程学院激光红外研究所，博士生．

作者单位：西安交通大学， 710049， 西安

参考文献：
〔1〕张志永.水浸聚焦超声探伤原理.北京：国防工业出版社， 1985．
〔2〕张广明.超声无损检测微机图像处理系统的研究：〔硕士学位论文〕.西安：西安交通大学机械工程学院， 1996.
〔3〕刘彦民.智能虚拟超声仪P／R插卡的研制：〔硕士学位论文〕.西安：西安交通大学机械工程学院， 1997.
〔4〕马宏伟，张广明，牛伸克，等.超声无损检测水浸扫描装置的研制.西安矿业学院学报， 1997， 17（增刊)： 146～148．