CN101620203B - 基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备，整个设备由超声探伤仪、高速数据采集系统、微型计算机、小波分析软件、检测信号的等效量化模型和设备安全性能的评估系统组成。超声波探伤仪包括同步电路、发射电路、超声检测换能器、信号接收电路相互连接而成，高速数据采集系统采用高性能数字存储示波器来完成，包括同步触发器、增益位置调整、采集数据模式和时基、波形记录和显示等部件组成，计算机配有自行开发的小波分析集成软件、检测信号的等效量化模型和安全评估理论模型。本设备突破了传统超声探伤仪的应用局限，有效提高了探伤的灵敏度和测量准确性，为解决复杂结构的超声检测问题提供了新的装备和方法。设备使用方便，具有较高工程应用价值。

Description

基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备

技术领域：

本发明涉及一种无损检测中的超声波探伤设备。

背景技术：

缺欠(Imperfection)是指对技术要求的偏离，指结构的不均匀性，不连续性。缺欠是国际焊接学会(IIW)在IIW/IIS-SST-1157-90文件中规定的专用名词，其主要包括：①显微组织变化，如珠光体的分解与石墨化；②腐蚀减薄，腐蚀坑的大小；③缺陷的性质(裂纹、气孔、夹渣、疏松等)，尺寸大小等。

上述缺欠的三大主要类别，实际上也决定了缺欠的检测要考虑三大主要方向，即组织变化、腐蚀和缺陷三个方面。超声波是近年来无损检测技术中研究最为活跃、发展最快。它具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低和对人体无害一系列优点，广泛应用于航空航天、铁路、桥梁、石油、化工、电厂和矿山等各个工业部门，已成为保证产品质量、确保设备安全运行的一种重要手段。在超声波检测中，检测信号的准确性是评定产品性能的一个重要依据。因此，国内外超声波探伤仪已经从模拟型逐步发展到了数字型。但是，现有的数字型超声波探伤仪多是将模拟输出信号转变为数字输出信号，仅仅是输出方式的转变，而不涉及到实际检测精度的提高。

由于超声波传播在界面上存在透射、反射和折射等物理特性，超声检测过程遇到的噪声可分为声学噪声和非声学噪声。非声学噪声中经常讨论的是电噪声，声学噪声主要是结构噪声。在超声检测中，结构噪声对超声波回波信号影响尤为强烈。结构噪声是由待检材料或结构内部的微观结构对超声入射波的散射引起的。因此，根据散射理论可知，散射系数既决定结构噪声的大小，又决定结构噪声随时间(距离)衰减的速度。尤其在粗晶材料(例如奥氏体不锈钢焊缝)的超声无损检测中，由于强烈的晶粒超声波散射噪声，缺陷回波湮没在草状和林状杂波中，导致信噪比恶化问题更加突出，造成误检率和漏检率上升，给超声检测的应用带来了很大的困难。因此，超声检测过程中的信号降噪研究备受重视。随着现代工业的发展，对超声检测技术的要求也越来越高，超声检测技术的研究趋势在于向高精度、定量化和图像化的方向发展。其目的是希望能够为结构完整性评估提供有效的评判依据。

为了解决由于噪声干扰使得超声检测的应用受到限制的难题，国内外的学者基于噪声产生的机理进行了大量超声降噪研究，并取得了一系列的研究成果。硬件降噪可以有效地降低超声检测回波中的噪声，但是其降噪的效果存在一定的局限性。因此超声降噪的关键还是回波信号处理，缺陷信号所具有的更多特征信息有待挖掘。几十年来，超声信号处理技术主要围绕增强信噪比展开，包括相关技术、自适应滤波技术、时域反卷积、频域分析和时频分析等。这些方法都曾运用在实际操作中，并取得了一定的成果，但均存在一定的局限性。20世纪80年代提出的小波分析可以在多分辨下分解信号，被称为“数学显微镜”，因此小波分析成为近几年信号处理领域的研究热点，许多学者将小波分析理论已经成功地应用到了语音、图像、图形、通信、地震、生物医学、机械震动等领域。近几年的研究发现，将小波分析应用到超声波信号处理中已经取得了一定地成效。但是这些研究只是局限在将超声波检测信号提取出来后，应用相应的数学工具进行编程后对信号进行处理，这样不仅耗时大，而且不适合现场使用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种结构合理，有效提高探伤的灵敏度和测量准确性的基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备。

本发明的技术解决方案是：

一种基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备，其特征是：包括超声波探伤仪，超声波探伤仪与对超声波探伤仪得到的超声回波视频信号进行处理的数字存储示波器连接，数字存储示波器通过串行通讯功能将检测到的超声波数据采集信号传送到微计算机内存中，并采用以文件名的形式存入微计算机外存储器中，由系统功能模块对数据文件进行处理；所述系统功能模块包括对导入的文件进行降噪处理的小波降噪处理程序模块、对导入的文件进行一维连续小波分析的一维连续小波分析程序模块、对导入的文件进行连续复小波分析的连续复小波分析程序模块、对导入的文件进行一维离散小波分析的一维离散小波分析程序模块、对导入的文件进行离散平稳小波分析的离散平稳小波分析程序模块；系统功能模块与对经系统功能模块处理的信号进行等效量化处理的等效量化处理模块连接，等效量化处理模块与进行安全性能评估和计算剩余寿命的安全评定模块连接。

超声波探伤仪包括同步控制电路，同步控制电路与向探头发射高频的高频发射电路连接，探头与将超声探头接收到的超声回波转换成的电信号加以放大的接收放大电路连接；数字存储示波器包括与超声波探伤仪的同步控制电路连接的同步触发器及与超声波探伤仪的接收放大电路连接的增益位置调整电路，同步触发器与增益位置调整电路连接，一个采集数据模式和时基的电路与同步触发器及增益位置调整电路连接，采集数据模式和时基的电路与波形记录装置连接，波形记录装置与显示器连接，波形记录装置连接通过串行通讯与微计算机连接。

超声波探伤仪接收放大电路包括定量衰减器，衰减器与前置放大电路连接，前置放大电路与高频放大电路连接，高频放大电路与检波电路连接，检波电路与功率放大电路连接。

本发明结构合理，有效提高探伤的灵敏度和测量准确性。主要优点：

(1)本发明一种基于小波理论的机械设备缺欠超声检测新装备是集信号检测和处理、信号分析和产品性能安全评估于一体。其功能高度集中，有利于实现在线评估被检测设备的安全性能，并真正体现了定量无损评估的应用思想。

(2)本发明将高速数据采集系统采用高性数字存储示波器来完成，利用其专用硬件的波形捕获功能捕获高频变化信号，从而可获得更为准确的超声波检测原始信号，并利用其强大的实时显示和测量功能对检测信号进行动态监视。高性数字存储示波器通用性强，升级快，而且又有不同层次的产品可供选择，这样大大简化了设备的制造过程，而且其性能可得到充分保证。

(3)本发明开发了基于MATLAB环境下的小波分析集成处理软件，为实现超声波检测信号的全面分析提供了一个全新的集成平台。通过采用不同的小波处理方法可获得更为准确的检测信号。

(4)本发明提出了缺陷的等效量化模型，根据被检测信号的大小、位置分布和数量，将缺陷归纳为表面裂纹、穿透裂纹和深埋裂纹三种形式。

(5)本发明根据对产品检测信号的等效量化值大小，并基于组织变化、不同处理条件下焊接接头的硬度变化和力学性能变化，及相应金相显微组织和拉伸试样断口的分析，建立了设备安全状态评估的数学模型。根据相应的数学模型，确定设备剩余寿命的理论评估值。

(6)本发明设备适合工业生产现场对在役设备的在线检测，具有较好的市场推广价值。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明系统工作示意图；

图3是小波分析系统的模块程序总框图；

图4小波降噪处理程序模块框图；

图5是一维连续小波分析程序模块框图；

图6是连续复小波分析程序模块框图；

图7是一维离散小波分析程序模块框图；

图8是离散平稳小波分析程序模块框图；

图9是断裂力学评估压力容器、蒸汽管道容许缺陷尺寸和寿命的步骤图。

图10是超声波探伤仪接收放大电路电路框图。

具体实施方式：

一种基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备，包括超声波探伤仪1，超声波探伤仪与对超声波探伤仪得到的超声回波视频信号进行处理的数字存储示波器2连接，数字存储示波器通过串行通讯功能将检测到的超声波数据采集信号传送到微计算机3内存中，并采用以文件名的形式存入微计算机外存储器中，由系统功能模块4(即小波分析主程序模块)对数据文件进行处理；所述系统功能模块包括对导入的文件进行降噪处理的小波降噪处理程序模块5、对导入的文件进行一维连续小波分析的一维连续小波分析程序模块6、对导入的文件进行连续复小波分析的连续复小波分析程序模块7、对导入的文件进行一维离散小波分析的一维离散小波分析程序模块8、对导入的文件进行离散平稳小波分析的离散平稳小波分析程序模块9；系统功能模块与对经系统功能模块处理的信号进行等效量化处理的等效量化处理模块连接，等效量化处理模块与进行安全性能评估和计算剩余寿命的安全评定模块连接。

超声波探伤仪包括同步控制电路10，同步控制电路与向探头11发射高频的高频发射电路12连接，探头与将超声探头接收到的超声回波转换成的电信号加以放大的接收放大电路13连接；数字存储示波器包括与超声波探伤仪的同步控制电路连接的同步触发器14及与超声波探伤仪的接收放大电路连接的增益位置调整电路15，同步触发器与增益位置调整电路连接，一个采集数据模式和时基的电路16与同步触发器及增益位置调整电路连接，采集数据模式和时基的电路与波形记录装置17连接，波形记录装置与显示器18连接，波形记录装置连接通过串行通讯与微计算机主机20的接口19连接。

超声波探伤仪接收放大电路包括定量衰减器21，衰减器与前置放大电路22连接，前置放大电路与高频放大电路23连接，高频放大电路与检波电路24连接，检波电路与功率放大电路25连接。

图中还有计算机显示器26、键盘27、鼠标28、试样29。

本发明使用过程是：

(1)启动超声波探伤仪，通过调整重复频率开关，可得到不同频率的同步信号，由同步电路产生周期性的同步脉冲信号，用以同时触发超声探伤仪各部分电路协同工作。同步脉冲信号的重复频率决定了发射电路在单位时间内施加到超声探头上的发射电脉冲的次数，亦即决定了超声探头在单位时间内发射超声脉冲的次数。在同步脉冲信号的触发下，发射电路产生大幅度的高频电脉冲输送给超声探头，激励探头发出具有相同中心频率的脉冲超声波入射到被检材料中去。

(2)通过接收放大电路得到的超声回波视频信号送入高速数据采集系统。高速数据采集系统由高性数字存储示波器来完成，包括同步触发器、增益位置调整、采集数据模式和时基、波形记录和显示等部件组成。为了实现显示过程的同步，将同步脉冲信号送到高性数字存储示波器外同步端，以获得稳定的显示波形。利用其专用硬件的波形捕获功能捕获高频变化信号，从而可获得更为准确的超声波检测原始信号，并利用其强大的实时显示和测量功能对检测信号进行动态监视。

(3)启动微计算机与高性数字存储示波器通信程序，首先进行相关参数设置，并进行端口识别。联机成功后进入数据传送，并将其数据文件存入计算机外储器中保存。

(4)启动自行开发的基于MATLAB环境下的小波分析集成处理软件，系统功能模块总框图如图3所示，其中包括包括小波降噪处理、一维连续小波分析、连续复小波分析、一维离散小波分析和离散平稳小波分析。通过采用不同的小波处理方法可获得更为准确的检测信号。并经过文件预处理后导入应用程序环境下。

(5)对导入的文件进行降噪处理。降噪处理程序模块如图4所示。小波降噪处理是根据信号和噪声的小波系数在不同尺度上具有不同性质的机理，构造相应规则，在小波域采用其他数学方法对含噪信号的小波系数进行处理。处理的实质在于减小甚至完全剔除由噪声产生的系数，同时最大限度地保留真实信号的系数，最后由经过处理的小波系数重构原信号，得到真实信号的最优估计。小波降噪处理的具体应用过程如下：①导入检测过程中的超声波原始信号；②根据信号计算噪声强度，求出全局阈值；③选择不同母小波(Sym、db、haar、coif等)作为变换基小波函数，并确定分解层数；④应用不同母小波对信号进行多层分解；⑤依据不同层次信号计算每个层次的分层阈值；⑥根据分层阈值使用软阈值方法对信号进行降噪处理；⑦将处理后的小波系数进行小波逆变换，重构信号。⑧导出降噪处理后的信号，并显示相应波形。

(6)对导入的文件进行一维连续小波分析。一维连续小波分析的具体应用过程如下：①装载超声波检测原始信号波形数据；②选择不同母小波(Sym、db、haar、coif、bior、rbio、demey等)作为变换基小波函数，并确定分析尺度；③调用MATLAB环境中提供的函数库中相应小波分析函数进行分析计算；④显示一维连续小波分析后的相应波形。

(7)对导入的文件进行连续复小波分析。连续复小波分析的具体应用过程如下：①装载超声波检测原始信号波形数据；②选择不同母小波(cgau、cmor、shan、fbsp等)作为变换基小波函数，并确定分析尺度；③调用MATLAB环境中提供的函数库中相应小波分析函数进行分析计算；④显示连续复小波分析后的相应波形。

(8)对导入的文件进行一维离散小波分析。一维离散小波分析的具体应用过程如下：①装载超声波检测原始信号波形数据；②选择不同母小波(haar、db、sym、coif、bior、dmey等)作为变换基小波函数，并确定分析尺度；③调用MATLAB环境中提供的函数库中相应小波分析函数进行分析计算；④显示一维离散小波分析后的相应波形。

(9)对导入的文件进行离散平稳小波分析。离散平稳小波分析的具体应用过程如下：①装载超声波检测原始信号波形数据；②对信号进行单尺度一维小波分析；③进行平稳小波逆变换重构；④进行多层平稳小波分析；⑤进行多层逆变换重构信号分析；⑥选择不同母小波并确定分解层数进行阈值去噪处理。

(10)对降噪处理后的信号进行等效量化处理。根据被检测信号的大小、位置分布和数量，分析缺陷的存在形式，并等效为当量裂纹长度。

(11)依据当量裂纹长度，按图9所示的断裂力学评估压力容器、蒸汽管道容许缺陷尺寸和寿命的步骤，进行安全性能评估，计算剩余使用寿命。

综上所述，从超声波信号检测→高速数采集→信号处理和分析→缺陷等效量化→设备安全性能评估，实现了工作全过程。

Claims (3)

1.一种基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备，其特征是：包括超声波探伤仪，超声波探伤仪与对超声波探伤仪得到的超声回波视频信号进行处理的数字存储示波器连接，数字存储示波器通过串行通讯功能将检测到的超声波数据采集信号传送到微计算机内存中，并采用以文件的形式存入微计算机外存储器中，由系统功能模块对数据文件进行处理；所述系统功能模块包括对导入的文件中的数据采集信号进行降噪处理的小波降噪处理程序模块、对导入的文件中的数据采集信号进行一维连续小波分析的一维连续小波分析程序模块、对导入的文件中的数据采集信号进行连续复小波分析的连续复小波分析程序模块、对导入的文件中的数据采集信号进行一维离散小波分析的一维离散小波分析程序模块和对导入的文件中的数据采集信号进行离散平稳小波分析的离散平稳小波分析程序模块；系统功能模块与对经系统功能模块处理的信号进行等效量化处理的等效量化处理模块连接，等效量化处理模块与进行安全性能评估和计算剩余寿命的安全评定模块连接；所述等效量化处理是根据被检测信号的大小、位置分布和数量，分析缺陷的存在形式，并等效为当量裂纹长度。

2.根据权利要求1所述的基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备，其特征是：超声波探伤仪包括同步控制电路，同步控制电路与向探头发射高频的高频发射电路连接，探头与将超声探头接收到的超声回波转换成的电信号加以放大的接收放大电路连接；数字存储示波器包括与超声波探伤仪的同步控制电路连接的同步触发器及与超声波探伤仪的接收放大电路连接的增益位置调整电路，同步触发器与增益位置调整电路连接，一个采集数据模式和时基的电路与同步触发器及增益位置调整电路连接，采集数据模式和时基的电路与波形记录装置连接，波形记录装置与显示器连接，波形记录装置连接通过串行通讯与微计算机连接。

3.根据权利要求2所述的基于小波理论的机械设备缺欠超声检测设备，其特征是：超声波探伤仪接收放大电路包括定量衰减器，衰减器与前置放大电路连接，前置放大电路与高频放大电路连接，高频放大电路与检波电路连接，检波电路与功率放大电路连接。

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