CN106198725A - 一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统及检测方法，检测系统由特征导波收发主机、特征导波传感器和上位机组成；特征导波传感器沿着被检焊缝方向平行布置于被检焊缝上端面，特征导波收发主机的传感器信号输入端、输出端分别与特征导波传感器相连，通讯串口与上位机相连，上位机装有数据处理分析软件及数据库。检测方法采用比值模态分析法分离各模态波包，选取特定模态根据脉冲回波法定位缺陷；利用平滑伪Wigner‑Ville时频图提取能量信息，评定缺陷大小；提取波形特征，查询波形对比数据库判断缺陷类型。该系统可实现在役检测，检测效率高、成本低、方便携带，尤其适用于大型设备结构长距离焊缝的快速、高效检测，自动化程度高。

Description

一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统及检测方法。
背景技术
焊缝作为大型钢板结构和设备中的重要连接部位，其结构的安全性直接影响着工业生产的效率和安全。缺陷作为焊缝危害程度的重要因素，对产品的使用性能和使用寿命影响极大。按我国现行的法规标准和通用做法，在机械设备制造过程中对于焊接后形成的对接焊缝都需要进行一定数量的超声或射线检测，以保障产品质量。
传统的超声检测技术采用的是逐点扫查法，不仅费时费力，而且存在一定的检测盲区。射线检测技术广泛用于压力容器焊缝的检测，但是其准备时间长、检测成本高，且射线对人体有害。所以，以上两种检测方法已越来越不能满足工业生产中对大型设备对接焊缝的高时高效检测。
超声导波检测是近年来发展起来的无损检测新方法，一次扫描即可测量传播路径上整个厚度范围内包括内部和表面的所有缺陷，并且可同时实现缺陷定位与尺度检测，速度快、效率高，在很多大型长输结构如管道、铁轨等已得到了广泛的应用，但在大型板料结构焊缝缺陷无损检测的应用仍停留在理论研究和实验室阶段，而未实现真正的商业应用。
由于超声波在横截面不变的窄长结构中传播会形成超声导波，而当超声导波沿着焊缝方向传播时，能量主要集中在焊缝中，可以形成特定的导波模态——焊缝特征导波，利用这一特性可以将其应用于对接焊缝的缺陷检测。但是，对于管道、铁轨等一维结构，接收信号的回波较干净，而对于焊缝等二维结构，特征导波固有的多模态及频散特性使得回波波形十分复杂，因此如何对各模态的波包进行分离，实现缺陷的定位、定量和定性分析显得十分重要。
中国专利CN205210025U公开了一种检测焊缝缺陷的超声波检测系统，其包括信号发生机构、信号接收机构和用于信号处理的计算机，其中信号发生机构由信号发生器和功率放大器组成，信号接收机构由三维扫描平台和数字示波器组成；该系统三维扫描平台和数字示波器的使用增加了硬件成本，且通过计算机将所测量信号与之前实验中得出的结果对比，可判断金属是否存在焊缝缺陷，而不能得到具体焊缝缺陷的定位、定量和定性信息。
中国专利CN102537669A公开了一种基于超声导波聚焦的管道缺陷检测方法和系统，采用多通道相控阵阵列在不同检测距离下进行多次聚焦，将每个聚焦区的最大振幅记录并构建缺陷形貌尺寸信息；该系统对传感器的安装要求较高，且需要多次移动检测，该方法利用了时延技术实现聚焦，适合管道而不适用于焊缝缺陷的检测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统及检测方法，解决了传统焊缝缺陷检测技术检测效率低的问题。
一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，由特征导波收发主机、特征导波传感器及上位机组成；
所述特征导波传感器沿着被检焊缝方向平行布置于板材的被检焊缝的上端面；所述特征导波收发主机的传感器信号输入端、传感器信号输出端分别与特征导波传感器相连，所述特征导波收发主机的另一个通讯串口与上位机相连，实现焊缝缺陷检测过程中信号的传输；上位机的数据处理分析软件的人机界面采用LabVIEW编程，通过Mathscript节点调用MATLAB算法，实现缺陷信息的提取；
所述特征导波收发主机由信号发生器、功率放大器、前置放大器、滤波电路和采集通信板卡组成；
所述上位机输入信号调制参数，生成激励信号传输给所述信号发生器，所述信号发生器产生导波激励信号经功率放大器放大后激励所述特征导波传感器，所述特征导波传感器在被检焊缝中激励焊缝特征导波，激励焊缝特征导波沿着被检焊缝传播，遇到缺陷或端面产生回波信号被特征导波传感器接收，特征导波传感器接收的回波信号经前置放大器放大、滤波电路滤去杂波，然后利用采集通信板卡对放大、滤波后的回波信号进行A/D采集、记录，最后将数字信号输入所述上位机，利用上位机的数据处理分析软件及数据库进行数据的处理分析。
进一步，所述上位机输入信号调制参数，包括波特率、波包对数、DAC单位时间、定时发送时间间隔；所述信号发生器产生导波激励信号的激励方式包括点动激励和定时发送两种。
进一步，所述功率放大器采用两级放大的形式，第一级采用运算放大器实现，第二级采用对称的推挽放大电路实现，信号放大至50V及以上。
进一步，所述特征导波传感器可采用压电晶片，也可采用压电薄膜。
进一步，所述特征导波传感器的工作方式可以为自发自收的单探头方式，可以为收发分开的双探头方式，也可以为一发多收或多发多收的探头阵列组合方式。
进一步，所述特征导波传感器可利用专用超声耦合剂增加与被检焊缝表面的耦合效果，同时利用特制的探头固定器将特征导波传感器压紧于被检焊缝上。
进一步，所述特征导波收发主机利用金属盒将信号发生器、功率放大器、前置放大器、滤波电路、采集通信板卡封装在内部；特征导波收发主机面板上设有开/关机按钮、信号激励按钮、信号采集按钮、传感器信号输入端、传感器信号输出端及通讯串口；特征导波收发主机面板的背面设有外接电源线。
进一步，所述采集通信板卡的采样率在5MHz及以上。
一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测方法，包括以下步骤：
步骤(1)，绘制接收信号的包络图，提取包络曲线中各波峰的到达时间及对应幅值；
步骤(2)，依据群速度比值系数恒定原则，将疑似为来自相同结构的不同模态回波波包进行组合，计算各群速度比值系数；当比值系数接近同一值时，可初步确定为来自相同结构的组合模态，在此基础上，将其它的待分析模态与已分析模态作为一对组合模态进行分析，以此类推，将各种模态所对应的波包进行分离；
步骤(3)，依据幅值比值系数恒定原则，对步骤(2)的模态分离结果进行检验，并选取特定模态利用脉冲回波法实现缺陷定位；
步骤(4)，通过步骤(2)的模态分离结果绘制平滑伪Wigner-Ville时频图，根据平滑伪Wigner-Ville时频图的能量信息对缺陷大小进行评定；
步骤(5)，通过步骤(2)的模态分离结果提取波形特征，查询波形对比数据库判断缺陷类型。
本发明的有益效果是：
(1)对于对接焊缝的缺陷检测，本发明采用的导波检测能一次性检测较大范围和较长距离，且覆盖传播路径上整个厚度范围内包括内部和表面的所有缺陷，相对于超声检测的逐点扫查方式，检测效率大大提高。
(2)本发明制备的对接焊缝缺陷检测系统由一个特征导波收发主机、特征导波传感器和一台上位机组成，方便携带，并且可实现在线检测。
(3)特征导波收发主机的元器件高度集成、封装，外部只含有少许按钮和端口，操作简单方便。
(4)上位机的数据处理分析软件，采用比值模态分析法对各模态的波包进行分离，选取特定模态根据脉冲回波法实现缺陷定位；利用平滑伪Wigner-Ville时频图提取能量信息，对缺陷大小进行评定；提取波形特征，查询波形对比数据库判断缺陷类型，最终实现对焊缝缺陷的定位、定量、定性检测。
附图说明
图1为一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统的结构示意图；
图2为一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统的系统框图；
图3为本发明接收回波信号的信号包络图；
其中，1-板材；2-被检焊缝；3-特征导波传感器；4-特征导波收发主机；5-上位机；6-信号发生器；7-功率放大器；8-前置放大器；9-滤波电路；10-采集通信板卡；41-开/关机按钮；42-信号激励按钮；43-信号采集按钮；44-传感器信号输入端；45-传感器信号输出端；46-通讯串口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、2所示，一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，由特征导波收发主机4、特征导波传感器3及上位机5组成；
特征导波传感器3沿着被检焊缝2方向平行布置于板材1的被检焊缝2的上端面；特征导波收发主机4的传感器信号输入端44、传感器信号输出端45分别与特征导波传感器3相连，特征导波收发主机4的另一个通讯串口46与上位机5相连，实现焊缝缺陷检测过程中信号的传输；
特征导波收发主机4由信号发生器6、功率放大器7、前置放大器8、滤波电路9和采集通信板卡10组成，采集通信板卡10的采样率在5MHz及以上；
上位机5输入信号调制参数，生成一定频率的经高斯窗调制的激励信号传输给信号发生器6，信号发生器6产生导波激励信号经功率放大器7放大后激励特征导波传感器3，特征导波传感器3在被检焊缝2中激励焊缝特征导波，激励焊缝特征导波沿着被检焊缝2传播，遇到缺陷或端面产生回波信号被特征导波传感器3接收，特征导波传感器3接收的回波信号经前置放大器8放大、滤波电路9滤去杂波，然后利用采集通信板卡10对放大、滤波后的回波信号进行A/D采集、记录，最后将数字信号输入所述上位机5，上位机5的数据处理分析软件的人机界面采用LabVIEW编程，通过Mathscript节点调用MATLAB算法，实现缺陷信息的提取，最终实现对对接焊缝的健康检测；
上位机5输入信号调制参数，包括波特率、波包对数、DAC单位时间、定时发送时间间隔；信号发生器6产生导波激励信号的激励方式包括点动激励和定时发送两种。
功率放大器7采用两级放大的形式，第一级采用LM6171运算放大器实现，第二级采用两对三极管组成对称的推挽放大电路实现，信号放大至50V及以上。
特征导波传感器3可采用压电晶片，也可采用压电薄膜；本发明优选采用压电晶片制成压电特征导波传感器；特征导波传感器3的工作方式可以为自发自收的单探头方式，可以为收发分开的双探头方式，也可以为一发多收或多发多收的探头阵列组合方式；本发明优选采用收发分开的双探头方式，即一个作为发送传感器，另一个作为接收传感器；特征导波传感器3采用医用超声耦合剂增加与被检焊缝2表面的耦合效果，同时利用特制的磁性表座探头固定器将特征导波传感器3压紧于被检焊缝2上。
特征导波收发主机4利用金属盒将信号发生器6、功率放大器7、前置放大器8、滤波电路9、采集通信板卡10封装在内部；特征导波收发主机4面板上设有开/关机按钮41、信号激励按钮42、信号采集按钮43、传感器信号输入端44、传感器信号输出端45及通讯串口46；特征导波收发主机4面板的背面设有外接电源线。
工作过程：为了检测对接焊缝中是否有缺陷，下面按下列步骤进行无损检测：
本实施例中板材1为两块尺寸为800mm*800mm*10mm的245钢进行对接焊，焊接方式为自动埋弧焊，被检焊缝2两面余高为3.6mm和4mm；
(1)将所述特征导波收发主机4的传感器信号输入端44、传感器信号输出端45分别与所述特征导波传感器3的发送传感器、接收传感器的信号传输端口相连，通讯串口46与所述上位机5相连，并将外界电源接口插上电源；将所述特征导波传感器3的发送传感器和接收传感器沿着被检焊缝2方向平行布置于板材1的被检焊缝2的上端面，并利用医用超声耦合剂增加与被检焊缝2表面的耦合效果，再利用特制的磁性表座探头固定器将所述特征导波传感器3的发送传感器和接收传感器压紧于被检焊缝2上。
(2)打开上位机5，启动特征导波收发主机4的开/关机按钮41；选择上位机5的通讯串口号，设置激励信号的调制参数，本实施例中波特率设为9600，波包对数设为20，DAC单位时间设为5，定时发送时间间隔设为200ms，信号发生器6产生导波激励信号的激励方式选择“定时发送”；接着按下特征导波收发主机4的信号激励按钮42，本实施例中激励信号为20周期的高斯窗调制正弦信号，信号中心频率为350KHz；经过3-5s继续按下信号采集按钮43；3-5s信号采集完成，运行上位机5的数据处理分析软件提取缺陷信息，得到该对接焊缝中是否有缺陷，若有，可知其位置、大小以及缺陷类型。
(3)将缺陷检测结果生成检测报表，可连接打印机打印，检测完成后关闭上位机5及特征导波收发主机4，拆除整理连线。
一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，绘制接收信号的包络图，提取包络曲线中各波峰的到达时间及对应幅值；
步骤(2)，依据群速度比值系数恒定原则，将疑似为来自相同结构的不同模态回波波包进行组合，计算各群速度比值系数，由于传播路径相同，也即传播时间比值系数相同；当比值系数接近同一值时，可初步确定为来自相同结构的组合模态，在此基础上，将其它的待分析模态与已分析模态作为一对组合模态进行分析，以此类推，将各种模态所对应的波包进行分离；
步骤(3)，依据幅值比值系数恒定原则，对步骤(2)的模态分离结果进行检验，并选取特定模态SH1模态利用脉冲回波法实现缺陷定位；
步骤(4)，通过步骤(2)的模态分离结果绘制平滑伪Wigner-Ville时频图，根据平滑伪Wigner-Ville时频图的能量信息对缺陷大小进行评定；
步骤(5)，通过步骤(2)的模态分离结果提取波形特征，查询波形对比数据库判断缺陷类型，缺陷检测结果可生成报表及连打印机打印。
如图3所示，利用本发明一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统及检测方法检测一条长800mm、宽5mm、厚10mm的对接钢板焊缝2时，由上位机5绘制的所接收回波信号的信号包络图，该包络曲线有14个波峰，各波峰的到达时间及对应幅值记录如表1所示。利用比值模态分析法，对各模态的波包进行了分离和判定，得出各波包的性质如表1所示，并且识别出波包10为疑似缺陷回波，基于脉冲回波法选取特定模态SH1模态进行缺陷定位，可得出该缺陷距离焊缝上端面556.4mm(总板长800mm)。
表1
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，其特征在于，由特征导波收发主机(4)、特征导波传感器(3)及上位机(5)组成；
所述特征导波传感器(3)沿着被检焊缝(2)方向平行布置于板材(1)的被检焊缝(2)的上端面；所述特征导波收发主机(4)的传感器信号输入端(44)、传感器信号输出端(45)分别与特征导波传感器(3)相连，所述特征导波收发主机(4)的另一个通讯串口(46)与上位机(5)相连，实现焊缝缺陷检测过程中信号的传输；上位机(5)的数据处理分析软件的人机界面采用LabVIEW编程，通过Mathscript节点调用MATLAB算法，实现缺陷信息的提取；
所述特征导波收发主机(4)由信号发生器(6)、功率放大器(7)、前置放大器(8)、滤波电路(9)和采集通信板卡(10)组成；
所述上位机(5)输入信号调制参数，生成激励信号传输给所述信号发生器(6)，所述信号发生器(6)产生导波激励信号经功率放大器(7)放大后激励所述特征导波传感器(3)，所述特征导波传感器(3)在被检焊缝(2)中激励焊缝特征导波，激励焊缝特征导波沿着被检焊缝(2)传播，遇到缺陷或端面产生回波信号被特征导波传感器(3)接收，特征导波传感器(3)接收的回波信号经前置放大器(8)放大、滤波电路(9)滤去杂波，然后利用采集通信板卡(10)对放大、滤波后的回波信号进行A/D采集、记录，最后将数字信号输入所述上位机(5)，利用上位机(5)的数据处理分析软件及数据库进行数据的处理分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，其特征在于，所述上位机(5)输入信号调制参数，包括波特率、波包对数、DAC单位时间、定时发送时间间隔；所述信号发生器(6)产生导波激励信号的激励方式包括点动激励和定时发送两种。
3.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，其特征在于，所述功率放大器(7)采用两级放大的形式，第一级采用运算放大器实现，第二级采用对称的推挽放大电路实现，信号放大至50V及以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，其特征在于，所述特征导波传感器(3)可采用压电晶片，也可采用压电薄膜。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，其特征在于，所述特征导波传感器(3)的工作方式可以为自发自收的单探头方式，可以为收发分开的双探头方式，还可以为一发多收或多发多收的探头阵列组合方式。
6.根据权利要求1或4所述的一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，其特征在于，所述特征导波传感器(3)可利用专用超声耦合剂增加与被检焊缝(2)表面的耦合效果，同时利用特制的探头固定器将特征导波传感器(3)压紧于被检焊缝(2)上。
7.根据权利要求1所述的一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，其特征在于，所述特征导波收发主机(4)利用金属盒将信号发生器(6)、功率放大器(7)、前置放大器(8)、滤波电路(9)、采集通信板卡(10)封装在内部；特征导波收发主机(4)面板上设有开/关机按钮(41)、信号激励按钮(42)、信号采集按钮(43)、传感器信号输入端(44)、传感器信号输出端(45)及通讯串口(46)；特征导波收发主机(4)面板的背面设有外接电源线。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测系统，其特征在于，所述采集通信板卡(10)的采样率在5MHz及以上。
9.一种基于特征导波的对接焊缝缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，绘制接收信号的包络图，提取包络曲线中各波峰的到达时间及对应幅值；
步骤(2)，依据群速度比值系数恒定原则，将疑似为来自相同结构的不同模态回波波包进行组合，计算各群速度比值系数；当比值系数接近同一值时，可初步确定为来自相同结构的组合模态，在此基础上，将其它的待分析模态与已分析模态作为一对组合模态进行分析，以此类推，将各种模态所对应的波包进行分离；
步骤(3)，依据幅值比值系数恒定原则，对步骤(2)的模态分离结果进行检验，并选取特定模态利用脉冲回波法实现缺陷定位；
步骤(4)，通过步骤(2)的模态分离结果绘制平滑伪Wigner-Ville时频图，根据平滑伪Wigner-Ville时频图的能量信息对缺陷大小进行评定；
步骤(5)，通过步骤(2)的模态分离结果提取波形特征，查询波形对比数据库判断缺陷类型。
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