CN1959404A - 连铸坯宏观清洁度超声波检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

连铸坯宏观清洁度超声波检测方法，实现对夹杂(渣)物的标识和判定，即首先针对采集到的超声回波信号序列，针对夹杂(渣)物反射超声回波信号的非稳态特性，采用多分辨率分析的方法在不同的频率范围内对原始超声回波信号序列进行分解分析，选择合理的时频分析消除噪声规则，来对经过分解后的原始超声回波信号进行处理。最后将经过处理后的信号重构，生成与原始超声回波信号序列相同长度的信号；将经过处理得到的信号与生产单位使用的判伤标准相比较，最终形成按照样品表面分布的夹杂(渣)物平面分布图。本发明的处理方法可以降低样品表面干扰等影响因素，提高检测的信噪比，实现连铸坯宏观清洁度的快速无损检测。

Description

连铸坯宏观清洁度超声波检测方法及装置

技术领域

本发明属于冶金材料无损检测(NDT)领域，涉及到使用超声波检查连铸坯内部夹杂(渣)物的进行检查的方法。

背景技术

通过“超纯净、超均匀、超细化”提高钢的综合性能是一种常用工艺手段，但是存在许多因素会影响到钢材的纯净度，比如卷渣、连铸偏流，进而影响钢材的质量。夹杂(渣)物是直接影响钢材纯净度的物质，对钢材的性能产生很大影响，控制夹杂(渣)物的含量非常重要。一般来说，钢的纯净度主要取决于钢中杂质含量、钢中夹杂物大小程度、夹杂物的分布情况、钢中夹杂物的类型，但是目前无论是在连铸生产线上，还是在实验室内都没有有效的手段来对钢的宏观清洁度进行检测。

众所周知，定量金相是普遍使用的用来检查钢材中的夹杂物的方法，但是金相检验的办法是无法对钢材整体的夹杂物情况进行快速检查的，首先，金相检查取样面积小。金相检验放大倍率一般在50×～1000×之间，受制样条件的限制，一般样品面积约为几cm²左右。其次，金相是二维平面检验，不能检查体积内部的夹杂(渣)情况。金相检查是二维的平面上的检查，对检查结果而言无深度概念。如果要在5mm的深度范围内全面检查尺寸约为50μm左右的夹杂物，则至少要磨100个金相镜面才行。若以金相手段来对一块100mm×200mm×5mm的钢板体积内的尺寸在50μm左右的夹杂物进行检查的话，以金相试样面积为通常的5cm²来计，在理想的状态下，则至少要磨抛并观察4000个金相镜面才能实现。而这个工作量，即使对于熟练的金相工作者，至少也需3个月才能完成。而且，在这样的情况下，还难以保证不出现遗漏。由此可见，用金相方法对体积检查，工作量巨大，难以实现。另外，随着现代炼钢水平逐步提高，大的有害非金属夹杂物出现的越来越少，所以用金相手段找到它们的机率也越来越小。

由此可见，金相方法虽然能够检查钢中的夹杂物，但是却不能实现现代钢材生产迫切需要的全面快速的检查钢材中夹杂物情况(宏观清洁度)的检测要求，它对钢材的检测结果是很不彻底的，不全面的，无代表性的，不能对钢材整体的夹杂物情况(宏观清洁度)进行检测。

超声波应用于工业检测领域已经有很长历史，并且在医疗、成像、建筑、电力等各行业应用广泛，对于超声波检测已经有了许多相关的探伤标准，但是这些标准和技术大多是针对宏观的探伤应用的，近年来，在电子、信息等行业推动下，超声检测正在进行着快速发展，但是在使用超声波检测微观尺寸缺陷的应用领域，还是一个比较新的工作。尤其是在使用无损检测的方法来检查钢材内部的夹杂(渣)物缺陷方面，还没有公开的技术或专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连铸坯宏观清洁度超声波检测装置和方法，实现对不同工艺或钢种的连铸坯材料的清洁度状况进行快速、全面的检查。

为达到上述目的，本发明的连铸坯宏观清洁度超声波检测装置，它包括，底座，其底部设有水平调节螺钉；固定框架，位于底座上，包括上横梁、固定支架；二维弧摆台，设置于底座上、固定框架内，二维弧摆台的θX和θY方向的一端均安装有一带调节旋钮的步进电机；水槽，固定于二维弧摆台上；试样钳台，安装于水槽中；扫查机构，装设于固定框架上，其包括，联轴节箱，固定于固定框架的上横梁，其上设有导轨；步进电机，设置于联轴节箱上部；Z轴方向滑座，滑设于导轨上，滚珠丝杠，与一端联接于Z轴方向滑座，另外一端连接于步进电机；Z轴方向调节手轮，联接于滚珠丝杠一端；超声探头固定杆架，套设于滚珠丝杠，与丝杠螺纹配合；Y轴方向调节手轮，设置于固定框架的上横梁Y轴方向；X轴方向调节手轮，设置于固定框架的上横梁X轴方向；超声探头，固定于超声探头固定杆架上。

所述的试样钳台包括，固定钳口，其一端设有一轴承套；活动钳口，通过丝杠及滑动轴联接于固定钳口；丝杠，一端穿过轴承套以及水槽壁，并突伸出水槽，该端部依次设有螺钉、棘轮A、棘轮B、弹簧以及螺丝座；丝杠与水槽壁联接处还设有密封套以及相应的型密封圈、螺钉、轴用弹性卡簧。

所述的轴承套为自润滑轴承套。

本发明的连铸坯宏观清洁度超声波检测方法，其包括如下步骤：

a)首先超声波探头上产生超声脉冲波，该脉冲超声波经过固定在连铸坯宏观清洁度超声波检测装置上的水槽中的水溶液的耦合作用，进入了浸没在水溶液中的连铸坯试样中；在试样内传播的超声波，如果遇到缺陷或夹杂(渣)物，声波便被反射；

b)针对采集到的超声回波信号序列，针对夹杂(渣)物反射超声回波信号的非稳态特性，采用多分辨率分析的方法在不同的频率范围内对原始超声回波信号序列进行分解分析，选择合理的时频分析消除噪声规则，来对经过分解后的原始超声回波信号进行处理；

c)最后将经过处理后的信号重构，生成与原始超声回波信号序列相同长度的信号，将经过处理得到的信号与生产单位使用的判伤标准相比较，进行是否夹杂(渣)物的判定，最终形成按照样品表面分布的夹杂(渣)物平面分布图，最终实现输出。

超声探头采用窄脉冲探头，以提高检查设备的分辨率，提高回波信号，使回波能量集中，探头选用5M～50M的工作频率；使声能集中在尽可能小的焦点处，采用聚焦探头，这样可通过调节探头与待检试样的距离，使待检目标处于聚焦区，来获得最大的检测灵敏度。

由于需要检测的是连铸坯内夹杂(渣)物的空间分布状况且夹杂物的尺寸在几十个微米左右，另外，有的被检试样过一段时间后需进行再次检测，这样对于超声检测探头的运动精度以及检测试样的空间放置位置和装夹方式就提出了很高的要求，因此，构建高精度的连铸坯清洁度检测台是实现清洁度检测的关键所在。

连铸坯清洁度的检测过程：

先根据试样的大小将试样钳台活动钳口摆放在试样钳台的适当位置上，接着旋转试样钳台旋钮，通过位于旋钮内的棘轮用恒力将被测试样固定在位于水槽中的试样钳台上，通过计算机控制扫查机构X轴和Y轴方向的步进电机，使超声探头在XY平面上置“零”(该“零”位位于二维弧摆台弧摆圆心正上方)，用计算机驱动步进电机或手轮调节超声探头在Z轴方向的位置，使其与被测试样之间达到最佳工作距离，接着在X轴方向上将超声探头移动到试样接近外轮廓处，并调节二维弧摆台在θ_Y方向的俯仰角，使试样接近外轮廓处与探头之间的距离与试样在弧摆中心处的距离一致，用同样的方法调节θ_X使试样表面与探头检测平面之间达到平行，接着确定马达的步进角和步进角度范围，使马达每步进一步所带动滚珠丝杠运动的步进量要满足系统所要达到的横向分辨率，并使X、Y方向扫描的有效行程可足够覆盖所要扫描检查试样的表面积，最后在用步进电机驱动超声探头运动的同时，用超声探头对连铸坯进行检测。为实现步进电机运动与超声探头采样速率的匹配，该检测台与计算机之间配有接口电路，可以为探头信号接收处理系统提供探头所处空间位置的编码信息，并通过相应的控制软件来协调探头采样与步进电机驱动之间的一致性。

本发明具有如下优点：

1)、X轴、Y轴和Z轴检测扫查运动机构均采用滚珠丝杠加直线滚珠轴承的形式，无低速爬行现象，运动精度高。

2)、检测扫查运动机构每一运动轴的滚珠丝杠一端均与带手轮的步进电机柔性联接，其中X轴、Y轴的另一端还有一手轮直接与滚珠丝杠相联接，每一运动轴的运动既可手动旋转手轮实现又可通过计算机驱动步进电机旋转实现。

3)检测扫查运动机构的三轴均采用步进角1.44°/0.72°的步进电机进行驱动，在用计算机对步进电机进行细分控制的情况下，其运动分辨率可达微米级。

4)、二维弧摆台的θ_X和θ_Y方向的一端均安装有一带调节旋钮的步进电机，在检测扫查Z轴锁紧状态下，对被测试样表面与超声探头运动平面的平行性进行调节时，既可通过手动也可通过计算机控制实现。

5)、试样钳台旋钮内安装有棘轮和弹簧，以保障每次夹紧试样时所施加的夹紧力是一致。

6)、试样钳台活动钳口是可以移动的，以便对不同大小的试样进行固定后，均可保证试样上有一个点与二维弧摆台的弧摆圆心重合。

7)、在检测过程中，可利用步进电机保持转矩的功能实现扫查机构上Z轴方向和二维弧摆台的锁紧，从而使超声探头与被测试样之间的联结可看作刚性联结，大大降低了扫查机构上X轴和Y轴方向步进电机在低速运行时产生的振动对检测结果的影响。

本发明提供了一种用于连铸坯清洁度检测的高精度检测台，该检测台能检测出连铸坯内微小夹杂物的空间分布状况，可用于连铸坯清洁度状况的评价，进而协助实现连铸坯宏观清洁度的快速无损检测。

本发明中关于清洁度检测用检测台，在冶金领域最好的实施例是进行连铸坯的清洁度无损检测。连铸坯在铸造过程中由于卷渣或连铸偏流，不可避免地存在着一定程度的夹渣，如何检测出铸坯中杂质的含量、夹杂(渣)物的大小程度和分布情况以及夹杂(渣)物的类型，进而确定出连铸坯的纯净度，对工艺研究的技术人员是很有意义的。本连铸坯清洁度检测台可实现连铸坯的清洁度无损检测，为确定连铸坯的纯净度提供依据。

本发明提出的用于连铸坯中夹杂(渣)物超声回波信号的处理方法可以降低样品表面干扰等影响因素，提高检测的信噪比，实现连铸坯宏观清洁度的快速无损检测。

附图说明

图1为本发明连铸坯宏观清洁度超声检测系统；

图2为本发明连铸坯清洁度检测装置主体；

图3为本发明带活动钳台水槽的结构示意图；

图4为连铸坯清洁度分析仪原理框图；

图5为连铸坯清洁度检查装置的检测处理流程；

图6为弱反射情况下的信号处理流程；

图7为子波滤波滤除噪声流程图，f为原始信号，w为噪声信号，它们叠加在一起形成信号S；

图8为检测的原始信号；

图9为经过小波5个尺度分解后的粗糙系数重构信号；

图10为经过小波分解后第5个尺度的细节信号重构信号；

图11为经过小波分解后第4个尺度的细节信号重构信号；

图12为经过小波分解后第3个尺度的细节信号重构信号；

图13为经过小波分解后第2个尺度的细节信号重构信号；

图14为经过小波分解后第1个尺度的细节信号重构信号；

图15为原始信号经过处理后重构得到的信号；

图16为自适应抵消器的原理图；

图17为本发明实施例中经加工后连铸坯试样外观形貌；

图18为采用中心频率20MHz焦距为17mm的换能器对1^#试样在扫查步长为50μm×50μm时的扫查结果，水层厚度为7mm；

图19为对试样金相解剖后的不同夹杂物形态。

具体实施方式

参见图1，连铸坯宏观清洁度超声检测系统的构成，其包括带高频聚焦超声探头的水浸式连铸坯清洁度检测装置、脉冲超声信号发射/接收处理器、数据采集卡、连铸坯宏观清洁度分析仪。

再请参见图2、图3，本发明的连铸坯宏观清洁度超声波检测装置，它包括，底座24，其底部设有水平调节螺钉25；固定框架19，位于底座24上，包括上横梁191、固定支架192；二维弧摆台22，设置于底座24上、固定框架19内，二维弧摆台22的θ_X和θY方向的一端均安装有一带调节旋钮的步进电机20、21；水槽17，固定于二维弧摆台22上；试样钳台18，安装于水槽17中；扫查机构，装设于固定框架19上，其包括，联轴节箱3，固定于固定框架19的上横梁191，其上设有导轨5；步进电机2，设置于联轴节箱3上部；Z轴方向滑座7，滑设于导轨5上；滚珠丝杠4，与一端联接于Z轴方向滑座7，另外一端连接于步进电机2；Z轴方向调节手轮1，联接于滚珠丝杠4一端；超声探头固定杆架6，套设于滚珠丝杠4，与丝杠4螺纹配合；Y轴方向调节手轮10，设置于固定框架19的上横梁191Y轴方向；X轴方向调节手轮11，设置于固定框架19的上横梁191X轴方向；超声探头13，固定于超声探头固定杆架6上；所述的试样钳台18包括，固定钳口16，其一端设有一轴承套36，该轴承套36为自润滑轴承套；活动钳口14，通过丝杠38及滑动轴39联接于固定钳口16；丝杠38，一端穿过轴承套36以及水槽17壁，并突伸出水槽18，该端部依次设有螺钉26、棘轮A27、棘轮B28、弹簧29以及螺丝座30；丝杠38与水槽17壁联接处还设有密封套33以及相应的O型密封圈31、J型密封圈32、螺钉34、轴用弹性卡簧35。

本发明中设计的连铸坯宏观清洁度分析仪主要完成用于清洁度检查时对连铸坯清洁度检查机械运动行为的控制、实现信号采集、提出了有效的用于连铸坯宏观清洁度检查的处理、提取有用信号的数字信号处理方法、及检测结果评价处理、输出的方法。连铸坯宏观清洁度分析仪可以在检测结果的基础上，按夹杂物大小级别分别给出缺陷信号总数，计算出受检试样的清洁度指标，生成的检测分析结果可以显示、存储、并按要求格式打印输出。

参见图4，其为连铸坯清洁度分析仪原理框图，脉冲发射/接受单元主要由同步电路、发射电路、接收电路、时基电路、延迟电路等组成。

首先由同步电路产生周期性的同步脉冲信号，该同步脉冲信号不仅用来控制发射电路产生一个上升时间短、脉冲窄、幅度大的电脉冲，还用来触发其它功能电路有条不紊地工作。同步电路为电阻及电容可调的多谐振荡器，使重复频率在不产生脉冲信号之间的干扰前提下可连续变化，并且提供足够高的重复频率。同步电路产生周期性的同步脉冲信号触发发射电路产生的高频脉冲波被加到超声波探头上产生超声脉冲波，即，同步电路产生的脉冲波触发发射电路中的可控硅管，使发射电路电容中存储的能量得以释放，产生一个短脉冲，加到超声换能器上并且激励换能器探头发射出脉冲超声波，该脉冲超声波经过固定在水浸式连铸坯清洁度检查机械装置上的水槽中的水溶液的耦合作用，进入了浸没在水溶液中的连铸坯试样中。在试样内传播的超声波，如果遇到缺陷或夹杂(渣)物，声波便被反射。

接收电路用以将反射回波信号加以放大，包括衰减器、高频放大器、检波器、深度补偿等电路，其动态范围可以保证足够大的不失真输出幅度。在接收电路中，采用Γ型(细调)与∏型网络(粗调)结合的方式，可以使衰减器衰减量准确，抗干扰性好，输入输出阻抗保持不变、电路频带宽度可以覆盖仪器的标称频带宽度。高频放大器是接受电路中的关部件，增益高，高频放大后的超声回波信号一方面通过检波后再经过视频放大来调制示波管的Y向扫描信号，用以即时显示检测动态A扫描结果；另一方面经由采样电路，高速A/D转换电路后将信号转变成数字信号。

图5为连铸坯清洁度检查流程图，由连铸坯清洁度检测装置实施对加工的试样进行检测，检测装置主要涉及到运动控制、超声检测信号控制、检测信号控制采集以及波形控制，采集到的原始信号可以平均处理来作出初步的消除噪声处理，读入内存的数据经过程序处理后可以同时以位图格式直接以投影方式将试样中的夹杂(渣)物输出显示。并且同时可以在硬盘上打开数据文件，将检测过程中得到的数据写入检测结果文件。清洁度检查是在经过校准后的试验条件下进行的。经过处理的2次数据可以再次以位图形式按照投影方式将试样中的夹杂(渣)物输出显示。检测报告最终总结检测条件、得到的被检连铸坯材料的清洁度指标。最后通过计算机程序作出信号的验收/拒收处理，并按照检查要求作出各种显示，相应于检查面绘出直观的缺陷分布图，最后将检查结果存储，出具检验报告，打印输出。

本发明的连铸坯宏观清洁度超声波检测方法，其包括如下步骤：

a)首先超声波探头上产生超声脉冲波，该脉冲超声波经过固定在连铸坯宏观清洁度超声波检测装置上的水槽中的水溶液的耦合作用，进入了浸没在水溶液中的连铸坯试样中；在试样内传播的超声波，如果遇到缺陷或夹杂(渣)物，声波便被反射；

b)针对采集到的超声回波信号序列，针对夹杂(渣)物反射超声回波信号的非稳态特性，采用多分辨率分析的方法在不同的频率范围内对原始超声回波信号序列进行分解分析，选择合理的时频分析消除噪声规则，来对经过分解后的原始超声回波信号进行处理；

c)最后将经过处理后的信号重构，生成与原始超声回波信号序列相同长度的信号，将经过处理得到的信号与生产单位使用的判伤标准相比较，进行是否夹杂(渣)物的判定，最终形成按照样品表面分布的夹杂(渣)物平面分布图，最终实现输出。

本发明的提高信噪比并实现夹杂(渣)物目标判定的方法，以此为依据来实现对夹杂(渣)物的标识和判定，即先经过子波信号予处理来降低检测得到的超声回波信号的噪声、达到提高信噪比的目的，然后将重构后的信号根据自定的判伤标准进行是否夹杂(渣)物的判定。通过连铸坯清洁度分析仪，可以实现信号采集、信号平均、信号时频分析、与判伤标准的比较、探伤结果分布输出及报输出。信号采集基本转换频率为检测频率的5～10倍，8位信号幅值量化。通过信号平均初步消除随机干扰噪声信号。连铸坯清洁度分析装置首先针对采集到的超声回波信号序列，针对夹杂(渣)物反射超声回波信号的非稳态特性，采用多分辨率分析的方法在不同的频率范围内对原始超声回波信号序列进行分解分析，选择合理的时频分析消除噪声规则，来对经过分解后的原始超声回波信号进行处理。最后将经过处理后的信号重构，生成与原始超声回波信号序列相同长度的信号。鉴别器将经过处理得到的信号与生产单位使用的判伤标准相比较，最终形成按照样品表面分布的夹杂(渣)物平面分布图，最终实现输出。

参见图6，以弱反射情况下的信号处理流程为例：

由于回波信号为模拟信号，为了在回波信号强度不足的时候，在后续步骤中进行子波变换等数字信号处理，在上述步骤中，首先将超声回波信号转换为数字信号，这样的好处是便于对信号进行进一步处理，来提高信噪比。

接着判断是否需要进行噪声滤除处理，如果判断结果为“是”，则进入下一个步骤，对转换后的数字信号进行噪声滤除处理并且结合图7作进一步的处理。

滤除噪声可以采用多种方法，本发明利用子波变换方法。将所述超声回波信号转换为数字信号；使用子波分析方法滤除噪声信号；用平滑函数对数字信号进行平滑处理；对经过平滑处理后的数字信号进行求导；根据经过求导运算后的数字信号的极值位置确定缺陷。

以下结合图12对利用子波变换方法进行噪声滤除处理的方式作进一步的描述。

在图7中，f为原始信号，w为噪声信号，它们叠加在一起形成信号S。

图7为子波滤波滤除噪声流程。

为了在将信号中噪声w的成分消除，如图7所示，其步骤如下：

(a)首先进入子波域表示步骤，将信号S在子波域内表示，也即选定一定形式的子波变换对数字信号S进行N层子波分解以得到N层分解系数，其形式例如可采用以下(1)～(4)所示的子波变换函数：

${\mathrm{WT}}_s(a,b)=\frac{1}{\sqrt{a}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}s\left(t\right){\mathrm{\ψ}}^{*}\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt}=\⟨s\left(t\right),{\mathrm{\ψ}}_{a,b}\left(t\right)\⟩---\left(1\right)$

其中，ψ(t)为窗函数，t为时间，常数a和b分别为尺度参数和平移参数，S(t)为所述数字化以后的原始信号， ${\mathrm{\ψ}}_{a,b}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{a}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-b}{a}\right)$ 为子波变换的基函数；

所述子波变换的基函数ψ_a，b(t)经取 $a=a_0^j$ 和 $b=k{a}_0^j{b}_0$ 离散化，并取离散化参数a₀＝2和b₀＝1后，得到下列离散化子波窗函数：

ψ_j，k(t)＝2^j/2ψ(2^jt-k)             (2)

其中，j和k为自然数，

t′＝2^jt-k                           (4)

比如图8为经过数字化以后的原始信号，图9为经过小波5个尺度分解后的粗糙系数重构信号，对应的是信号中的低频段的信号情况，图10-图14分别为经过小波5个尺度分解后的不同尺度上的细节系数重构信号，对应的是在超声信号声程范围内从低频段到高频段不同频率段的信号情况。

(b)然后，进入降噪处理步骤，对分解系数进行降噪处理。降噪处理可以采用如下两种方式，一种称为作用阈值过程，即，仅保留选定的分解系数而将其他的分解系数置为零，并且如果所述选定的分解系数的模值小于其对应的阈值，则置零，否则保持不变；另一种方式称为掩码算子过程，即，仅保留特定的分解系数而将其他的分解系数置为零。在降噪处理步骤中，对每个分解系数采用上述两种处理方式。

(c)最后，进入重建步骤，将降噪处理后的分解系数通过子波重建恢复为原始信号。根据步骤(b)处理后得到的分解系数重建恢复所述数字信号。

图15为原始信号经过上述(b)(c)步骤处理后，重构得到的声程信号，对比图8中的原始信号来看，信号的信噪比比原始信号的信噪比有明显增强，缺陷位置的判断也非常清晰。

图15为原始信号经过处理后重构得到的信号，可以看出信噪比提高明显。

在图6的对弱反射信号的信号处理流程中，经过信号噪声滤除以后的步骤就是判断是否需要消除缺陷反射波，如果判断结果为“是”，则利用自适应抵消器消除缺陷反射波并且完成后进入下一个步骤，否则直接进入平滑处理步骤。

图16为自适应抵消器的原理图，利用本发明的方法，在上述步骤中利用自适应抵消器消除界面反射波的步骤，其好处是可以消除被检测试样表面对检测超声信号的干扰。

如图16所示，抵消器包含原始输入与参考输入，其中，原始输入为通过AD转换采集到的信号或者经过噪声滤除处理后的信号x(n)：

x(n)＝s(n)+v₀(n)                                          (5)

这里，s(n)为不包含干扰的信号分量，v₀(n)为干扰信号分量，也即缺陷反射波引起的信号分量。参考输入为与干扰信号v₀(n)相关而与信号s(n)不相关的信号分量v₁(n)。原始输入x(n)加至自适应滤波器的d_j端，参考输入v₁(n)则加至自适应滤波器的x_j输入端。图16中的自适应滤波器AF接受误差e_j的控制调整w_j，使得其输出y_j趋于等于d_j中与它相关的v₀(n)，因此e_j作为d_j与y_j之差就接近于信号分量s(n)。

然后在图6的流程中，用平滑函数θ(t)对AD转换后的数字信号或者经过上述步骤处理的数字信号x(t)进行平滑处理从而得到数字信号y(t)。

采用下列函数作为平滑函数：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=e^{-\frac{t^2}{2}}---\left(6\right)$

这里，t为时间。

在随后步骤中，对经过平滑处理后的数字信号y(t)进行求导以得到信号z⁽¹⁾(t)：

$z^{\left(1\right)}\left(t\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}y\left(t\right)---\left(7\right)$

上述步骤可以根据经过求导运算后的数字信号的极值位置确定缺陷。数字信号x(t)经平滑后再求导等效于直接用平滑函数θ(t)的导数对数字信号x(t)作处理，或者等效于用平滑函数θ(t)的导数对数字信号x(t)作子波变换，因此，子波变换的极值对应于原波形x(t)被θ(t)滤波后的转折点，也就是波形变化最快之处，对应由于缺陷而产生的缺陷回波。

值得指出的是，当噪声较小或探测设备的分辨率较高时，或者需要加快信号处理速度时，可以省略完成噪声滤除处理的步骤和消除缺陷反射波的步骤，也即直接进入平滑处理。

图17为经加工后连铸坯试样外观形貌。

进行连铸坯宏观清洁度检查的工作条件如下：

试样厚度(mm)：4；检测中心频率(MHz)：20；焦距(mm)：17；扫查步长(μm)：50×50；增益(dB)：40；高通(MHz)：12.5；低通(MHz)：30；脉冲电压(V)：300；脉冲宽度(MHz)：25；发射能量(uJ)：470；通道阈值：10％；

图18a为试样经过本发明检查连铸坯宏观清洁度后得到的缺陷宏观分布图，可以看到整个样品分布有一些弥散分布的夹杂，另外，图右侧中部有两个较大的夹杂(渣)物；

图18b为缺陷的位图细节像，可以看到两个较大的夹杂(渣)物一个由长为8点，宽为6点构成，共有25点；另一个较小，尺寸为10个点。根据扫查步长每点为50μm的长度，该处缺陷为夹渣，较大的一块夹渣长度约为400μm，而宽度约为300μm。

图18a、图18b采用中心频率20MHz焦距为17mm的换能器对1^#试样在扫查步长为50μm×50μm时的扫查结果，水层厚度为7mm。

图19为对试样金相解剖后的不同夹杂物形态，其中图19a为与图18b中右侧较大块状夹渣相对应的金相解剖形貌，其长度约为400μm，而宽度约为250μm，图19b为与图18b中左侧较小块状夹渣相对应的金相解剖形貌，其长度约为200μm，宽度约为80μm。

综上所述，本发明提高信噪比并实现夹杂(渣)物目标判定的方法，以此为依据来实现对夹杂(渣)物的标识和判定，即先经过子波信号予处理来降低检测得到的超声回波信号的噪声、达到提高信噪比的目的，然后将重构后的信号根据自定的判伤标准进行是否夹杂(渣)物的判定。通过连铸坯清洁度分析仪，可以实现信号采集、信号平均、信号时频分析、与判伤标准的比较、探伤结果分布输出及报警输出。信号采集基本转换频率为检测频率的5～10倍，8位信号幅值量化。通过信号平均初步消除随机干扰噪声信号。连铸坯清洁度分析装置首先针对采集到的超声回波信号序列，针对夹杂(渣)物反射超声回波信号的非稳态特性，采用多分辨率分析的方法在不同的频率范围内对原始超声回波信号序列进行分解分析，选择合理的时频分析消除噪声规则，来对经过分解后的原始超声回波信号进行处理。最后将经过处理后的信号重构，生成与原始超声回波信号序列相同长度的信号。鉴别器将经过处理得到的信号与生产单位使用的判伤标准相比较，最终形成按照样品表面分布的夹杂(渣)物平面分布图，最终实现输出。

Claims (7)

1.连铸坯宏观清洁度超声波检测装置，其特征是，它包括，

底座，其底部设有水平调节螺钉；

固定框架，位于底座上，包括上横梁、固定支架；

二维弧摆台，设置于底座上、固定框架内，二维弧摆台的θ_X和θY方向的一端均安装有一带调节旋钮的步进电机；

水槽，固定于二维弧摆台上；

试样钳台，安装于水槽中；

扫查机构，装设于固定框架上，其包括，

联轴节箱，固定于固定框架的上横梁，其上设有导轨；

步进电机，设置于联轴节箱上部；

Z轴方向滑座，滑设于导轨上，

滚珠丝杠，与一端联接于Z轴方向滑座，另外一端连接于步进电机；

Z轴方向调节手轮，联接于滚珠丝杠一端；

超声探头固定杆架，套设于滚珠丝杠，与丝杠螺纹配合；

Y轴方向调节手轮，设置于固定框架的上横梁Y轴方向；

X轴方向调节手轮，设置于固定框架的上横梁X轴方向；

超声探头，固定于超声探头固定杆架上。

2.如权利要求1所述的连铸坯宏观清洁度超声波检测装置，其特征是，所述的试样钳台包括，

固定钳口，其一端设有一轴承套；

活动钳口，通过丝杠及滑动轴联接于固定钳口；

丝杠，一端穿过轴承套以及水槽壁，并突伸出水槽，该端部依次设有螺钉、棘轮A、棘轮B、弹簧以及螺丝座；丝杠与水槽壁联接处还设有密封套以及相应的型密封圈、螺钉、轴用弹性卡簧。

3.如权利要求1所述的连铸坯宏观清洁度超声波检测装置，其特征是，

所述的轴承套为自润滑轴承套。

4.连铸坯宏观清洁度超声波检测方法，其包括如下步骤：

a)首先超声波探头上产生超声脉冲波，该脉冲超声波经过固定在连铸坯宏观清洁度超声波检测装置上的水槽中的水溶液的耦合作用，进入了浸没在水溶液中的连铸坯试样中；在试样内传播的超声波，如果遇到缺陷或夹杂(渣)物，声波便被反射；

b)针对采集到的超声回波信号序列，针对夹杂(渣)物反射超声回波信号的非稳态特性，采用多分辨率分析的方法在不同的频率范围内对原始超声回波信号序列进行分解分析，选择合理的时频分析消除噪声规则，来对经过分解后的原始超声回波信号进行处理；

c)最后将经过处理后的信号重构，生成与原始超声回波信号序列相同长度的信号，将经过处理得到的信号与生产单位使用的判伤标准相比较，进行是否夹杂(渣)物的判定。

5.如权利要求1所述的连铸坯宏观清洁度超声波检测方法，其特征是，

将所述超声回波信号转换为数字信号。

6.如权利要求1所述的连铸坯宏观清洁度超声波检测方法，其特征是，

利用子波变换分析方法。

7.如权利要求1所述的连铸坯宏观清洁度超声波检测方法，其特征是，

超声探头采用窄脉冲探头。

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