CN103543208B - 基于频谱分析原理减小tofd检测近表面盲区的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于频谱分析原理减小TOFD检测近表面盲区的方法，属于超声无损检测技术领域。该方法采用一套包括TOFD超声检测仪、集成TOFD操作软件的计算机、TOFD探头、扫查装置、校准试块及数字示波器构成的超声测试系统。针对TOFD检测中近表面区域进行扫查，对采集到的包含有缺陷信息的混叠时域信号进行频谱分析，读取幅度谱中谐振频率，结合材料纵波声速计算出直通波与缺陷上尖端衍射波声程差，进而确定近表面盲区内缺陷埋深。与其他减小近表面盲区深度的方法相比，该方法对硬件系统无额外要求，不受限于被检工件厚度，具有较好的工程应用价值。

Description

基于频谱分析原理减小TOFD检测近表面盲区的方法

技术领域

本发明涉及一种基于频谱分析原理减小TOFD检测近表面盲区的方法，其属于超声无损检测领域。

背景技术

超声衍射时差法(Time of Flight Diffraction，简称TOFD)是利用缺陷的衍射波信号来对缺陷进行定位定量的一种超声检测方法。TOFD具有能够实时成像、定量精度高、缺陷检出率高的优点，近年来得到了越来越广泛的应用。但是，由于直通波具有一定脉冲宽度，在TOFD检测中存在近表面盲区，是TOFD检测技术应用的局限性之一。

对于近表面盲区问题，现有解决方法有TOFD与脉冲反射法相结合法（TOFDR）、图像能量分布方法、二次反射法(TOFDW)、衍射横波法(S-TOFD)。其中TOFDR需要TOFD与脉冲反射法两套检测系统，增加了对测试系统的硬件要求，丧失了TOFD法中检测速度快、实时成像的优点；图像能量分布方法中缺陷信号的提取效果受待处理图像的成像质量影响较大，存在侧向波抑制不完全或损伤缺陷信号的问题；TOFDW法定位依赖底面反射回波，因而受被检工件厚度影响较大；S-TOFD法是通过衍射横波对近表面缺陷进行定位的，但是在TOFD检测中波型转换机制复杂，辨识有效信号的难度较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于频谱分析原理减小TOFD检测近表面盲区的方法，针对TOFD检测中近表面区域进行扫查，对采集到的包含有缺陷信息的混叠时域信号进行频谱分析，读取幅度谱中谐振频率，结合材料纵波声速计算出直通波与缺陷上尖端衍射波之间的声程差，进而确定近表面盲区内缺陷埋深。

本发明采用的技术方案是：一种基于频谱分析原理减小TOFD检测近表面盲区的方法采用一套包括TOFD超声检测仪、集成TOFD操作软件的计算机、TOFD探头、扫查装置、校准试块及数字示波器构成的超声测试系统，所述超声测试系统对包含有近表面缺陷信息的混叠时域信号进行采集及后处理，并根据频谱分析后得到的幅度谱中谐振频率f_n计算缺陷上尖端衍射波与直通波的声程差，进而确定近表面缺陷埋深，所述方法的测量步骤如下：

（1）对被检工件近表面区域TOFD检测参数进行选择，根据被检工件情况，针对厚度方向小于工件厚度20%，宽度方向至少覆盖整个焊缝这一检测范围，选择合适的探头并调整探头中心间距、时间窗口范围、检测灵敏度、脉冲重复频率和扫查增量；

（2）确定步骤（1）TOFD检测参数下的近表面盲区深度，利用与被检工件声学性能相同的对比试块，通过试验测定近表面盲区的大小，或者，测量直通波脉冲宽度t_p，根据近表面盲区计算公式（1），通过理论计算得到近表面盲区深度

$D_{\mathrm{ds}}={[{\left(\frac{{\mathrm{ct}}_p}{2}\right)}^2+{\mathrm{sct}}_p]}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

其中，D_ds是近表面盲区深度，c是材料纵波声速，t_p是直通波脉冲宽度，s是1/2探头中心间距；

（3）对被检工件近表面进行扫查并采集时域信号，利用校准好的上述TOFD测试系统，基于步骤（1）中确定的检测参数进行检测，将TOFD探头对称放置于被检工件焊缝两侧，沿焊缝方向进行D扫查，根据直通波的变化可以发现近表面缺陷，明确缺陷在焊缝长度方向上的位置后，沿垂直于焊缝方向对目标缺陷进行B扫查，记录存储得到B扫图，并通过数字示波器将B扫查抛物线顶点处的时域信号导出；

（4）对采集得到的B扫查抛物线顶点处时域信号进行频谱分析，由于直通波具有一定脉冲宽度，导致直通波与近表面缺陷的上尖端衍射波发生波形混叠，根据波的干涉原理，在对采集到的混叠时域信号进行FFT变换所得到的幅度谱中f_n处会出现极大或极小值

$f_n=\frac{\mathrm{nc}}{4l}(n=\mathrm{1,2,3}...)---\left(2\right)$

其中f_n和n分别为谐振频率和谐振频率阶数，l是直通波与缺陷上尖端衍射波之间的半声程差；

读取谐振频率，根据公式（2）计算得到l，代入公式（3）中，即可求得缺陷埋深d

$d=\sqrt{{(s+l)}^2-s^2}---\left(3\right)$

其中，d是近表面缺陷埋深，s是1/2探头中心间距。

本发明的有益效果是：这种基于频谱分析原理减小TOFD检测近表面盲区的方法采用一套包括TOFD超声检测仪、集成TOFD操作软件的计算机、TOFD探头、扫查装置、校准试块及数字示波器构成的超声测试系统。针对TOFD检测中近表面区域进行扫查，对采集到的包含有缺陷信息的混叠时域信号进行频谱分析，读取幅度谱中谐振频率，结合材料纵波声速计算出直通波与缺陷上尖端衍射波声程差，进而确定近表面盲区内缺陷埋深。与其他减小近表面盲区深度的方法相比，该方法对硬件系统无额外要求，不受限于被检工件厚度，具有较好的工程应用价值。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是TOFD超声测试系统硬件结构连接示意图。

图2是被检工件缺陷分布及TOFD探头放置示意图。

图3是对比试块近表面缺陷D扫图。

图4是对比试块近表面缺陷时域信号。

图5是埋深5mm底面开口槽B扫图及抛物线顶点处时域信号。

图6是埋深5mm底面开口槽时域信号幅度谱。

具体实施方式

在基于频谱分析原理减小TOFD检测近表面盲区的方法中采用的超声测试系统由图1中所示Dynaray Lite超声检测仪、集成UltraVision3.2R操作软件的计算机、标称频率5MHz的TOFD探头、扫查装置、校准试块及DPO4032数字示波器构成。它采用的测量以及处理步骤如下：

（1）研究对象为碳钢试块，尺寸140mm×50mm×35mm（长×宽×高），其中的底面开口槽埋深5mm，经测量得到材料纵波声速为5954m/s。采用所述校准好的超声测试系统，并选用探头频率为5MHz，晶片尺寸6mm，入射角度为60°的两TOFD探头。将两探头对称放置于焊缝两侧，并设置探头中心间距2s=34mm，见图2。设置A扫描时间窗口，使得时间窗口的起始位置为直通波到达接收探头前0.5μs以上，时间窗口的终止位置为底面反射波到达接收探头后0.5μs以上；系统增益设置为45dB；脉冲重复频率设置为128Hz；扫查增量设置为0.3mm。

（2）采用选择好的参数对包含不同埋深横通孔的碳钢对比试块进行测试，对于埋深2、4、6mm的Ф2mm横通孔，其D扫图结果及相应时域信号分别见图3（a）–（c）、图4（a）–（c），从图中可看出由于横通孔的上尖端衍射波与直通波发生了混叠，无法根据扫查结果直接定位。对于埋深8mm的Ф2mm横通孔，其D扫结果及相应时域信号分别见图3（d）、4（d），从图中可看出横通孔的上尖端衍射波与直通波刚好不混叠，可以根据扫查结果直接定位。据此判断在本次采用的TOFD测试系统及检测参数下近表面盲区深度为8mm。为对测试结果进行进一步验证，采集了一个无缺陷处的直通波，经测量直通波脉冲宽度为0.65μs，根据公式（1）计算得到理论近表面盲区深度为8.3mm，这与测试结果基本一致。

（3）将探头置于被检工件焊缝两侧，沿焊缝方向进行D扫查，根据直通波的变化确定缺陷在焊缝长度方向的位置后，沿垂直于焊缝方向进行B扫查，通过数字示波器将B扫查抛物线顶点处的时域信号导出，用来进行信号后续处理。缺陷B扫图与B扫查抛物线顶点处的时域信号分别见图5（a）、（b）。

（4）对采集到的时域信号进行傅里叶变换，得到幅度谱见图6。已知材料纵波声速c=5954m/s，从图中可以读取两个相邻的谐振频率f₂=3.7MHz，f₄=7.1MHz，代入公式（2）可得直通波与缺陷的平均半声程差l=0.83mm；将s、l值代入公式（3），计算得到缺陷埋深d=5.4mm；已知缺陷的实际埋深为5mm，计算误差为0.4mm。

Claims (1)

1.一种基于频谱分析原理减小TOFD检测近表面盲区的方法，其特征是：采用一套包括TOFD超声检测仪、集成TOFD操作软件的计算机、TOFD探头、扫查装置、校准试块及数字示波器构成的超声测试系统，所述超声测试系统对包含有近表面缺陷信息的混叠时域信号进行采集及后处理，并根据频谱分析后得到的幅度谱中谐振频率f_n计算缺陷上尖端衍射波与直通波的声程差，进而确定近表面缺陷埋深，所述方法的测量步骤如下：

(1)对被检工件近表面区域TOFD检测参数进行选择，根据被检工件情况，针对厚度方向小于工件厚度20％，宽度方向至少覆盖整个焊缝这一检测范围，选择合适的探头并调整探头中心间距、时间窗口范围、检测灵敏度、脉冲重复频率和扫查增量；

(2)确定步骤(1)TOFD检测参数下的近表面盲区深度，利用与被检工件声学性能相同的对比试块，通过试验测定近表面盲区的大小，或者测量直通波脉冲宽度t_p，根据近表面盲区计算公式(1)，通过理论计算得到近表面盲区深度

$D_{\mathrm{ds}}={[{\left(\frac{{\mathrm{ct}}_p}{2}\right)}^2+{\mathrm{sct}}_p]}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

其中，D_ds是近表面盲区深度，c是材料纵波声速，t_p是直通波脉冲宽度，s是1/2探头中心间距；

(3)对被检工件近表面进行扫查并采集时域信号，利用校准好的TOFD测试系统，基于步骤(1)中确定的检测参数进行检测，将TOFD探头对称放置于被检工件焊缝两侧，沿焊缝方向进行D扫查，根据直通波的变化发现近表面缺陷，明确缺陷在焊缝长度方向上的位置后，沿垂直于焊缝方向对目标缺陷进行B扫查，记录存储得到B扫图，并通过数字示波器将B扫查抛物线顶点处的时域信号导出；

(4)对采集得到的B扫查抛物线顶点处时域信号进行频谱分析，由于直通波具有一定脉冲宽度，导致直通波与近表面缺陷的上尖端衍射波发生波形混叠，根据波的干涉原理，在对采集到的混叠时域信号进行FFT变换所得到的幅度谱中f_n处会出现极大或极小值

$f_n=\frac{\mathrm{nc}}{4l}(n=\mathrm{1,2,3}\·\·\·)---\left(2\right)$

其中f_n和n分别为谐振频率和谐振频率阶数，l是直通波与缺陷上尖端衍射波之间的半声程差；

读取谐振频率，根据公式(2)计算得到l，代入公式(3)中，即可求得缺陷埋深d

$d=\sqrt{{(s+l)}^2-s^2}---\left(3\right)$

其中，d是近表面缺陷埋深，s是1/2探头中心间距。