專利名稱：近表面缺陷的超聲檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種近表面缺陷的超聲檢測方法，是一種特別適用于脈沖超聲波檢測試件時，近表面缺陷的判別方法。該方法從數(shù)字信號處理的角度給出了其實施的理論依據(jù)，實施的過程以及對一典型特例的實施效果。
背景技術：
近表面缺陷的檢測在無損檢測中是一個傳統(tǒng)而典型的研究課題。近表面缺陷的檢測方法很多，比如，脈沖超聲波反射法、磁粉探傷法、渦流檢測方法、磁記憶檢測法、漏磁檢測法、磁懸液檢測法、爬波檢測法、表面波檢測法及熱像圖法等。這些方法一般都有各自的測試對象及測試環(huán)境要求，沒有一種可用于任何測試場合的通用方法。這也是多種方法并存的原因。
在脈沖超聲反射檢測法中，靠近介質(zhì)界面的缺陷被淹沒在回波信號中，很難有效分離，導致測量盲區(qū)的存在。從信號時域的角度考慮，就是信號在時域的到達時刻比較接近，一個信號還沒有結束，而另一個信號已經(jīng)到達。在缺陷的超聲檢測中，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要有以下兩種情況。第一種情況是，傳感器發(fā)射的脈沖超聲波耦合到接收電路產(chǎn)生的信號還沒有結束，近表面缺陷的超聲回波就已到達。這時，放大電路尚未正常工作，使缺陷回波信號變小，且兩信號混疊在一起，導致近表面缺陷無法檢出。第二種情況是，由于測量距離保證了回波中沒有發(fā)射時耦合的超聲波，但是，介面回波與近表面缺陷回波疊加在一起，當缺陷回波相對介面回波較小或缺陷離表面較近時，從檢測到的時域回波中也很難發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。在實際檢測中，這種現(xiàn)象可能發(fā)生在待檢試件的上表面，也可能發(fā)生在下表面。無論哪種情況，都會導致對缺陷的檢出率下降。一般情況下，第一種情況是盡量避免發(fā)生的。解決的方法是增大傳感器發(fā)射的脈沖超聲波與表面的有效行程。比如，在傳感器的設計時在晶片的發(fā)射端增加介質(zhì)，或在傳感器與被測試件間加入介質(zhì)，也可以改變?nèi)肷浣嵌鹊取?br> 對于第二種情況，即缺陷回波與介質(zhì)表面回波疊加的情況，很難通過硬件或測試手段的改變來使兩個波形分離。目前，解決這個問題的方法主要是軟件方法，即通過一定的數(shù)字信號處理算法來實現(xiàn)信號的分離，從而實現(xiàn)對近表面缺陷的檢測。根據(jù)資料(C.Fritsch，A.Veca，Detecting small flaws near the interface inpulse-echo，Ultrasonics，Vol.42，2004，pp.797-801)，目前主要有卷積法、希爾波特變換法、對數(shù)倒頻譜法、脈沖壓縮方法等。資料中介紹的幾種方法都有各自的適應環(huán)境，使用效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于數(shù)字信號處理的近表面缺陷超聲檢測新方法。即從信號處理的角度，從試件的界面回波中有效分離出缺陷信號。以減少這類缺陷的漏檢。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明從理論上建立了近表面缺陷的超聲回波數(shù)學模型，并導出了有、無近表面缺陷時回波信號存在的差異。同時，該發(fā)明還闡述了實施這一方法的具體步驟，并用特例進行了演示。
本發(fā)明包括如下具體步驟建立數(shù)學模型，主要包括1)建立了近表面缺陷脈沖超聲回波信號的數(shù)學模型y(t)，用信號包絡、卷積、相移及沖擊響應的形式加以表述，是發(fā)明中所使用的方法的理論基礎；2)將超聲回波信號進行調(diào)制，解調(diào)，得到超聲回波信號的包絡yf(t)，它等于參考信號的包絡與被缺陷調(diào)制信號的包絡之和；參考信號獲取，主要包括3)用與實際檢測相同的測試工況，對無缺陷表面回波進行檢測，得到無缺陷表面的超聲時域回波信號，稱為參考信號；4)通過實際的測試系統(tǒng)及待檢試件，獲取超聲回波信號時間序列，再將時間序列逐點平方，映射到能量空間，獲取其對應的能量序列；5)采用數(shù)字低通濾波器，將能量信號進行解調(diào)，濾掉高頻成份，得到信號的包絡，稱為參考信號包絡；近表面缺陷檢測，主要包括6)在相同的測試工況下，測得實際超聲回波信號，按4)-5)的步驟得到實測信號包絡；7)將實測信號包絡與參考信號包絡比較，即采取逐點相減后，取絕對值，并幅值歸一化，得到剩余信號；無缺陷時，剩余信號為零，有缺陷時，剩余信號不等于零，從而做出有無近表面缺陷的判斷。
所述數(shù)字低通濾波器為22階等波紋FIR低通濾波器。


圖1為本發(fā)明流程框2為本發(fā)明理論模型推導的卷積原理示意3為無缺陷參考信號；(a)時域信號；(b)能量信號；(c)信號包絡圖4為近表面缺陷回波信號及處理結果(一)；(a)時域信號；(b)能量信號；(c)信號包絡圖5為近表面缺陷回波信號及處理結果(二)；(a)能量信號；(b)信號包絡；(c)包絡比較；(d)剩余信號
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述.
1)近表面缺陷的超聲回波模型在近表面缺陷的脈沖超聲檢測中，主要有二種情況可引起回波信號的疊加。一是近內(nèi)表面小缺陷，二是近外表面小缺陷。本發(fā)明以內(nèi)表面小缺陷作為分析對象。如果測點對應的試件中無缺陷時，反射回波中只有內(nèi)表面回波和外表面回波(不計多次反射)。如果試件中存在缺陷，則只要缺陷能形成有效的反射體，則在內(nèi)表面回波信號與外表面回波信號之間會出現(xiàn)反射回波信號(這里不考慮噪聲對弱回波信號的淹沒問題及雜波的影響)。關于這種缺陷回波信號的處理的方法很多。但是，當有的缺陷非常接近表面，導致缺陷回波與表面回波疊加在一起，從采集到的時域信號看，只有內(nèi)外表面回波，在兩表面回波之間沒有明顯的回波出現(xiàn)，所以很容易對缺陷漏判。而從頻域的角度看，由于兩處回波具有近乎相同的頻域分布，所以也很難作有效地區(qū)分。
為了導出信號的分離算法，建立了信號疊加情況下超聲反射回波信號的數(shù)學模型。設測得的超聲回波信號y(t)為y(t)＝y(tǒng)1(t)+y2(t)+n(t)(1)其中，y1(t)為表面回波；y2(t)為缺陷回波；n(t)為噪聲。
對于窄帶脈沖超聲檢測，設傳感器發(fā)射的信號x(t)為
x(t)=eiw0tg(t)---(2)]]>其中，eiw0t為諧波信號；g(t)為脈沖包絡。
則，表面回波和缺陷回波可分別表示為(暫不計噪聲)y1(t)=x(t)⊗h1(t)=eiw0tg(t)⊗h1(t)---(3)]]>y2(t)=x(t)⊗h2(t)=eiw0tg(t)⊗h2(t)---(4)]]>式中，表示卷積運算；h1(t)為表面對入射超聲波的脈沖響應；h2(t)為缺陷對入射超聲波的脈沖響應。
在實際檢測中，由于發(fā)射超聲波到達表面和缺陷的行程不同，那么到達兩個目標的發(fā)射信號的相位一定不同，假設對應的時差為t0。同時，由于發(fā)射信號一部分被表面反射，再加上二者的行程也不同，則到達兩目標的信號的幅度也不同，如果歸一化入射到表面的超聲信號的幅度，可以設到達缺陷時信號的幅度為a。則，檢測到的回波信號可表示為y(t)=eiw0t×[g(t)⊗h1(t)+ag(t-t0)⊗h2(t)]+n(t)---(5)]]>在脈沖超聲波檢測中，目標回波信號可以看作是測試系統(tǒng)、傳播路徑和目標體的卷積。如圖2所示。
如果沒有缺陷，則表面反射回波可表示為y1(t)＝x(t)hpfhsfδ(t)hsbhtb(6)如果有缺陷，則缺陷的反射回波可表示為y2(t)＝x(t)hpfhsfh2hsbhtb(7)式中，x(t)是輸入信號；hpf是傳感器測試系統(tǒng)前向沖擊響應；hsf是傳播路徑的前向沖擊響應；h1是無缺陷的沖擊響應，可取為δ(t)；h2是缺陷的沖擊響應；hsb是測試系統(tǒng)的后向沖擊響應；htb是傳播路徑的后向沖擊響應。
如果測試工況不變，則可將公式(6)代入公式(7)，并考慮時延及幅度，得y2(t)＝ay1(t)h2δ(t-t0) (8)公式(8)表明，一個缺陷信號可以表示成無缺陷表面回波與缺陷沖擊響應的卷積。此時，將y(t)表示為y(t)=y1(t)+y2(t)=y1(t)⊗[δ(t)+ah2⊗δ(t-t0)]+n(t)]]>=eiw0t×[g(t)⊗δ(t)+ag(t)⊗h2⊗δ(t-t0)]+n(t)---(9)]]>=eiw0t×[g(t)+ag(t-t0)⊗h2]+n(t)]]>由于脈沖超聲檢測中超聲波的工作頻率一般為幾MHz，頻率較高，而其脈沖包絡所對應的頻率一般較低。通過對回波信號的頻域分析，可以知道信號中含有高頻成分(超聲波工作頻率)和低頻部分(脈沖包絡的頻率)。回波信號中，信號的包絡中含有反射體的豐富信息，比如，包絡的微分中含有反映信號在上升階段上升速率的大小、下降階段信號的下降速率大小等，它也是信號振蕩幅度大小的一個度量；包絡的持續(xù)時間反映了信號振蕩時間的長短等。在實際檢測中，噪聲的能量一般集中在高頻區(qū)，信號中的高頻成分較易受到噪聲的干擾。在不計回波信號中頻率的畸變的情況下，對公式(9)中的信號進行濾波，濾掉回波信號中的高頻成分，則處理后的回波信號可以表示為yf(t)＝g(t)+bg(t-t0)h2(t) (10)式中，b為幅度系數(shù)。公式(10)中，濾波器延遲歸結到變量t中。
從公式(10)可以看出，近表面缺陷超聲回波信號的包絡等于原始信號的包絡與被缺陷調(diào)制以后的包絡之和。如果回波中沒有缺陷波的存在，則上式右邊第二項為零，此時，回波包絡中只有表面回波的包絡。在上面的公式推導中，把原始信號包絡前面的系數(shù)及相移進行了歸一化處理。
2)近表面缺陷的檢測實現(xiàn)算法設信號的采樣頻率為fs，采樣間隔為Ts，fs＝1/Ts。信號y(t)經(jīng)采樣后得到離散序列{y(n)}，n＝1，2，…，N。N為數(shù)據(jù)點數(shù)。因為超聲回波信號y(t)∈L2(R)，得到離散能量信號序列e(n)＝y(tǒng)2(n)，n＝1，2，…，N (11)為了準確獲取信號的包絡，采用數(shù)字低通濾波器，對序列e(n)進行低通濾波。濾波后的信號就是原信號的包絡，即低頻部分。它在幅度上與原信號相差一個常數(shù)倍數(shù)，其相位也有一定的延遲，將在濾波器的設計中予以考慮。經(jīng)過濾波后的信號就是信號yf(t)離散序列yf(n)。
為了檢測序列yf(n)中是否含有缺陷信號，通過對被測試件在相同的測試工況下無缺陷的超聲回波信號作為參考信號，利用與處理信號yf(t)相同的算法得到無缺陷時信號的包絡，相當于g(t)對應的離散序列。然后，對離散信號的最大幅值進行歸一化處理，減去信號處理環(huán)節(jié)引起的相位差，就可以得到一個剩余信號，從理論上講，當回波中無缺陷存在時，目標信號的包絡與參考信號的包絡是相同的，此時，剩余的信號序列應為零；當信號中有缺陷存在時，目標信號的包絡與參考信號的包絡有較大的差異，剩余的信號不為零，從公式(10)可知，剩余信號是缺陷的脈沖響應與變化了幅度和相位的參考信號包絡的卷積。
低通數(shù)字濾波器采用22階等波紋FIR濾波器，設計過程由Matlab輔助完成。
3)特例實施與驗證為了對上述方法進行驗證，發(fā)明中給出了一個實施特例，利用直探頭超聲傳感器對樣品進行了測試與分析。
首先得到參考信號，它是試件中無缺陷時內(nèi)表面的回波信號，如圖3所示。其中，(a)是表面回波的時域波形；(b)是其能量信號；(c)是其經(jīng)過低通濾波器后，得到的信號包絡，相當于公式(10)中的g(t)。
然后，對兩組近表面缺陷進行了檢測。其中，圖4中的缺陷反射面與表面相差較遠，從其時域信號(圖4(a))和能量信號(圖4(b))都可以分辨出缺陷的存在。當然，處理后的信號(圖4(c))也很容易看出缺陷的存在。單從圖4的展示中還看不出新方法的優(yōu)勢，但至少可以說明，新的方法對時域可分離信號也是適用的，不會對其產(chǎn)生誤判。但是，如果信號中高頻噪聲的加強會使時域方法中兩目標回波信號的分界線模糊，給檢測帶來一定的困難，而經(jīng)處理后的信號則不會受影響。
為了展現(xiàn)這種方法的優(yōu)勢，研究中減小了缺陷與表面的距離，此時，從測到的回波信號中上已很難分辨出是否存在缺陷，從其能量信號(圖5(a))上也很難作出區(qū)分，圖5(b)是其包絡，從包絡上可以看出它與參考信號的包絡有一定的差異，但是不明顯(圖5(c))。為此，在歸一化幅度信息并減去各處理環(huán)節(jié)引起的相移后(圖5(c)中的信號是經(jīng)過這樣處理后的信號)，從目標信號中減去了參考信號，得到的結果取其絕對值，其結果如圖5(d)所示，從中可以明顯看出它與無缺陷的參考信號的差異，說明缺陷是存在的，并且對重疊信號進行了有效的分離。
權利要求
1.一種近表面缺陷超聲檢測方法，包括如下具體步驟建立數(shù)學模型，主要包括1)建立了近表面缺陷脈沖超聲回波信號的數(shù)學模型y(t)，用信號包絡、卷積、相移及沖擊響應的形式加以表述，是發(fā)明中所使用的方法的理論基礎；2)將超聲回波信號進行調(diào)制，解調(diào)，得到超聲回波信號的包絡yf(t)，它等于參考信號的包絡與被缺陷調(diào)制信號的包絡之和；參考信號獲取，主要包括3)用與實際檢測相同的測試工況，對無缺陷表面回波進行檢測，得到無缺陷表面的超聲時域回波信號，稱為參考信號；4)通過實際的測試系統(tǒng)及待檢試件，獲取超聲回波信號時間序列，再將時間序列逐點平方，映射到能量空間，獲取其對應的能量序列；5)采用數(shù)字低通濾波器，將能量信號進行解調(diào)，濾掉高頻成份，得到信號的包絡，稱為參考信號包絡；近表面缺陷檢測，主要包括6)在相同的測試工況下，測得實際超聲回波信號，按4)-5)的步驟得到實測信號包絡；7)將實測信號包絡與參考信號包絡比較，即采取逐點相減后，取絕對值，并幅值歸一化，得到剩余信號；無缺陷時，剩余信號為零，有缺陷時，剩余信號不等于零，從而做出有無近表面缺陷的判斷。
2.所述數(shù)字低通濾波器為22階等波紋FIR低通濾波器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種近表面缺陷的超聲檢測方法，從信號處理的角度解決了脈沖式超聲波檢測試件時，近表面缺陷的識別方法。近表面缺陷檢測在超聲檢測中極易造成漏檢。本發(fā)明建立了近表面缺陷超聲回波的數(shù)學模型，從模型中推導出了這種檢測方法，即通過近表面缺陷超聲回波的時域序列，得到其能量序列，再從其能量序列中提取出信號中的慢變部分，即信號的低頻分量，再通過將其與無缺陷時的表面參考回波進行比較，就可以有效地區(qū)分出有無近表面缺陷的存在。這種方法原理清楚，實現(xiàn)簡便，可有效地區(qū)分出近表面缺陷，從而提高超聲波檢測時對缺陷的檢出率，特別是近表面缺陷，減少漏檢的概率，是一種有實用價值的方法。
文檔編號G01N29/36GK1865980SQ20061004054
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權日2006年5月23日
發(fā)明者宋壽鵬 申請人:江蘇大學