石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究【2013年最新整理畢業(yè)論文】

石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 摘 要 石油鉆桿接頭是石油開(kāi)采中重要的專(zhuān)用部件之一。為保證在井下的安全使用，接頭不允許有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷存在。因此，對(duì)石油鉆桿接頭進(jìn)行缺陷檢測(cè)已成為其生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)。超聲檢測(cè)是應(yīng)用于鉆桿接頭缺陷檢測(cè)的主要方法之一。 由于鉆桿接頭的形狀復(fù)雜、規(guī)格較多，同時(shí)從使用安全性考慮，又必須對(duì)橫向和縱向缺陷進(jìn)行 100探傷，因此，對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)具有一定的難度。在實(shí)際生產(chǎn)中，大都采用手工探傷方式進(jìn)行檢測(cè)；而手工探傷存在生產(chǎn)效率低、探傷質(zhì)量難等問(wèn)題。所以，本課題設(shè)計(jì)了適用于實(shí)際 生產(chǎn)的鉆桿接頭超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，它對(duì)保證鉆桿接頭的安全使用具有重要意義。 本論文主要分四部分討論了對(duì)石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法的研究。 第一部分首先闡述了超聲波管材探傷的一般方法，然后結(jié)合石油鉆桿接頭的特殊性，逐步提出解決其探傷問(wèn)題的特殊方法。 第二部分首先介紹了超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的組成和探傷數(shù)據(jù)的顯示方式，并對(duì)數(shù)字圖像處理的常用方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹；然后對(duì)實(shí)際探傷數(shù)據(jù)，根據(jù)本系統(tǒng)探傷的特點(diǎn)，提出了有效的圖像處理和缺陷提取方法。 第三部分簡(jiǎn)要介紹了本探傷系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷的整體流程作了概括性說(shuō)明。 第四部分對(duì)裝置的整體效果作了客觀(guān)的評(píng)價(jià)，并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域和改進(jìn)措施進(jìn)行了討論。 論文從實(shí)際的工程項(xiàng)目出發(fā)，逐一解決了接頭檢測(cè)存在的難點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了鉆桿接頭的自動(dòng)、高效檢測(cè)。 給出了系統(tǒng)的改進(jìn)方案。 關(guān)鍵詞： 石油鉆桿接頭 ； 探頭組 ；探頭架 ；圖像處理； A 掃描； B 掃描 Abstract Oil drill pipe joints is one of the specially designed components for oil exploration. In order to ensure safe use in underground, the connector does not allow more than the standard defects. Therefore, an indispensable component in the defect detection has become for the production of oil drill pipe joints. Ultrasonic testing is one of the main methods used in defect detection of drill pipe joints. As the drill pipe joint of complex shape, high specifications: at the same time from the use of security considerations, and must be on the transverse and longitudinal defects were 100% flaw, therefore, on drill pipe joints by ultrasonic detection with a certain degree of difficulty. In practical production, mostly by manual inspection methods were detected； and manual testing in low production efficiency, difficult issues such as the inspection quality. Therefore, this paper developed a suitable for practical production of drill pipe ultrasonic automatic test system, it is to ensure the safe use of drill pipe joint has important significance. This paper is mainly divided into four parts to discuss the petroleum drill rod joint of ultrasonic detection method research. The second part introduces the ultrasonic detection system and the testing data is displayed, and the commonly used digital image processing methods are introduced briefly； then the actual testing data, according to the system flaw characteristic, put forward the effective image processing and defect extraction method. The third part introduces the testing system application, on the system to realize the automatic flaw detection of the overall process of the general description. The fourth part of the device s overall effect to make objective evaluation, and the future of its application and improvement measures are discussed. The paper from the actual project, solving the joint detection difficulties, finally realizes the automatic, efficient detection of drill pipe joint. the system improvement program. Key words： Petroleum drill rod joint； probe； the probe bracket； image processing； A scanning； B scanning 目 錄 摘 要 . 1 1 緒論 . 1 1.1 超聲波檢測(cè)的概要 . 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 1 1.3 本論文的主要工作 . 2 2 超聲波檢測(cè)的基本原理 . 2 2.1 超聲波傳感器 . 2 2.2 超聲波探傷基本方法 . 3 2.3 超聲波檢測(cè)的常用方法 . 5 3 系統(tǒng)組成 . 7 3.1 超聲波檢測(cè)技術(shù) . 7 3.2 檢測(cè)系統(tǒng)的組成 . 8 3.3 數(shù)據(jù)顯示方法 . 9 3.4 探傷數(shù)據(jù)的顯示 . 10 3.5 探傷圖像處理及濾波算法 . 11 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 13 4.1 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 . 14 4.1.1 芯片 74LS244 . 14 4.1.2 四位共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管 . 14 4.1.3 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 . 15 4.2 超聲波發(fā)射電路 . 15 4.2.1 超聲波換能器 . 16 4.2.2 芯片 74LS04 . 17 4.3 超聲波檢測(cè)接收電路 . 17 4.3.1 超聲波檢測(cè)接收電路 . 17 4.3.2 芯片 CX20106A . 18 5 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 19 5.1 主函數(shù) . 21 5.2 超聲波發(fā)生子函數(shù)和超聲波接收中斷函數(shù) . 22 6軟硬件調(diào)試及性能 . 23 6.1 元器件的焊接 . 23 6.2 電路調(diào)試與分析 . 23 7結(jié)語(yǔ) . 24 參考文獻(xiàn) . 25 致 謝 . 25 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 1 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯(lián)系 414951605 或 1304139763 1 緒論 1.1 超聲波檢測(cè)的概要 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，又稱(chēng)非破壞檢查技術(shù)，它是以不損傷被檢測(cè)物體為前提，利用材料的物理性質(zhì)因有缺陷而發(fā)生變化這一事實(shí)，通過(guò)一定的檢測(cè)手段來(lái)檢測(cè)或測(cè)量、顯示和評(píng)估相應(yīng)的變化，從而了解和評(píng)價(jià) 材料、產(chǎn)品、設(shè)備構(gòu)件直至生物等的性質(zhì)、狀態(tài)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等。超聲波檢測(cè)技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的一種，它利用超聲波來(lái)研究物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷，最早由蘇聯(lián)的薩哈諾夫于 1929 年提出來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已經(jīng)比較成熟。我國(guó)從五十年代開(kāi)始引進(jìn)超聲探傷技術(shù)對(duì)金屬材料及其制品進(jìn)行探傷。現(xiàn)在，該技術(shù)已在各個(gè)工業(yè)部門(mén)得到了普遍應(yīng)用，并產(chǎn)生了大批的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，進(jìn)行了大量的研究開(kāi)發(fā)工作，在某些方面已具有較高的水平。我國(guó)已經(jīng)制定了各種探傷標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了探傷工業(yè)的逐步規(guī)范化。本論文討論超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)中的應(yīng)用。石油鉆桿接頭作 為公母螺栓是連接石油鉆桿管體的關(guān)鍵部件。由于鉆桿一般在幾百、幾千米的地下、極為復(fù)雜的地質(zhì)條件下鉆井，承受了拉、壓、扭、沖、剪等各種作用力，甚至還將承受瞬間的突變載荷。作為管體與管體之間的連接件，在打井的過(guò)程中承受了比管體更加惡劣的工況條件、更復(fù)雜的應(yīng)力，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到石油鉆探的成敗。因此，鉆桿接頭的質(zhì)量?jī)?yōu)劣關(guān)系重大，出廠(chǎng)前必須對(duì)其進(jìn)行全面的無(wú)損檢測(cè)。鉆桿接頭用鋼主要分油淬鋼種和水淬鋼種，國(guó)內(nèi)各大油田現(xiàn)主要使用油淬調(diào)質(zhì) 36CrNiM04，國(guó)外通常使用水淬調(diào)質(zhì)鋼?？紤]到鉆桿接頭的材質(zhì)及檢測(cè)要求，以及超聲 波無(wú)損檢測(cè)的主要特點(diǎn) (易于實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損診斷 )，本課題我們使用超聲波對(duì)石油鉆桿接頭進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在四五十年代，超聲波檢測(cè)方法有了進(jìn)一步的發(fā)展，它們使用了超聲波探頭、處理器、液晶熒屏顯示器。這一代產(chǎn)品較前兩代有了質(zhì)的飛躍，特別是熒屏顯示的使用表明開(kāi)始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)。超聲波探頭及處理器就開(kāi)始工作，顯示器上就會(huì)出現(xiàn)所檢測(cè)的接頭動(dòng)態(tài)顯示，色彩清晰漂亮，外表美觀(guān)，安裝很方便。不過(guò)液晶顯示器外觀(guān)雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。 在綜合前幾代的優(yōu)點(diǎn)檢測(cè)系 統(tǒng)則使用超聲波探頭、處理器、魔幻鏡顯示器，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測(cè)知石油鉆桿接頭，并以不同等級(jí)的聲音提示和直觀(guān)的顯示提醒工作人員。免提電話(huà)結(jié)合起來(lái)，并設(shè)計(jì)了語(yǔ)音功能，是目前市面上比較先進(jìn)的檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)。而且顏色款式多樣，不過(guò)造價(jià)較高。 近些年則使用超聲波探頭、后視攝像機(jī)、控制器、監(jiān)視器，超聲波信號(hào)接入顯示控制器，同時(shí)將視頻監(jiān)視子系統(tǒng)中的攝像探頭信號(hào)接入顯示控制器，通過(guò)安裝的檢測(cè)系統(tǒng)顯示控制器的自動(dòng)切換電路、字符疊加器、微處理器，將顯示控制器的輸出再接入監(jiān)視器，這樣實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)切換圖像、監(jiān)視、超聲波測(cè)距、自動(dòng)報(bào)警等功能。超聲無(wú)損檢測(cè)是以超聲波作石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 2 為采集信息的手段，在不損壞被測(cè)對(duì)象的情況下探測(cè)其內(nèi)部缺陷的方法。由于超聲波獨(dú)特的物理特性 (穿透力強(qiáng)、集束性好、信息攜帶量大等 )，使其易于實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損診斷，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)藥和科學(xué)研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。生產(chǎn)超聲波傳感器的主要材料的價(jià)格一直居高不下，成為探測(cè)器推廣應(yīng)用的瓶頸?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著新材料、新工藝在探測(cè)器制作中的應(yīng)用，使低價(jià)格、高性能的探測(cè)器的實(shí)現(xiàn)和普及成為可能。 由于現(xiàn)在國(guó)外的產(chǎn)品技術(shù)高，精度高， 但是不適合中國(guó)的國(guó)情，而且價(jià)格昂。因此，特此研究一種高性能而且價(jià)格低廉的石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)適應(yīng)當(dāng)今國(guó)內(nèi)行情。 1.3 本論文的主要工作 石油鉆桿接頭是石油開(kāi)采中重要的專(zhuān)用部件之一。為保證在井下的安全使用，接頭不允許有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷存在。因此，對(duì)石油鉆桿接頭進(jìn)行缺陷檢測(cè)已成為其生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)。超聲檢測(cè)是應(yīng)用于鉆桿接頭缺陷檢測(cè)的主要方法之一。 由于鉆桿接頭的形狀復(fù)雜、規(guī)格較多；同時(shí)從使用安全性考慮，又必須對(duì)橫向和縱向缺陷進(jìn)行 100探傷，因此，對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行超聲檢測(cè)具有一定的難度。在實(shí)際生產(chǎn)中 ，大都采用手工探傷方式進(jìn)行檢測(cè)；而手工探傷存在生產(chǎn)效率低、探傷質(zhì)量難以保證等問(wèn)題。所以，本課題研發(fā)了適用于實(shí)際生產(chǎn)的鉆桿接頭超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，它對(duì)保證鉆桿接頭的安全使用具有重要意義。 本論文主要研究和討論了對(duì)石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法的研究。 首先闡述了超聲波管材探傷的一般方法，然后結(jié)合石油鉆桿接頭的特殊性，逐步提出解決其探傷問(wèn)題的特殊方法。然后在介紹了超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的組成和探傷數(shù)據(jù)的顯示方式，并對(duì)數(shù)字圖像處理的常用方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，然后對(duì)實(shí)際探傷數(shù)據(jù)，根據(jù)本系統(tǒng)探傷的特點(diǎn)，提出了有效的圖像處理和缺陷提 取方法。簡(jiǎn)要介紹了本探傷系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷的整體流程作了概括性說(shuō)明。裝置的整體效果作了客觀(guān)的評(píng)價(jià)，并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)超聲波檢測(cè)方式方法和改進(jìn)措施進(jìn)行了討論。論文從實(shí)際的工程項(xiàng)目出發(fā)，逐一解決了接頭檢測(cè)存在的難點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了鉆桿接頭的自動(dòng)、高效檢測(cè)。 2 超聲波檢測(cè)的基本原理 2.1 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。 科學(xué)家們將每秒鐘 振動(dòng) 的次數(shù)稱(chēng)為聲音的 頻率 ，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟?lèi) 耳朵 能聽(tīng)到的聲波頻率為 2020000Hz。當(dāng) 聲波 的振動(dòng)頻率大于 20KHz 或小于 20Hz 時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。因此，我們把頻率高于 20000 赫茲的聲波稱(chēng)為 “超聲波 ”。 它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線(xiàn)而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 3 2.2 超聲波探傷基本方法 石油鉆桿接頭中常見(jiàn)的缺陷有裂紋、夾層、夾雜、折疊和翹皮等。由于工業(yè)上要求進(jìn)行探傷的探頭主要是工作在高溫、高壓 條件下或有其它特殊用途，因此必須進(jìn)行絕對(duì)嚴(yán)格的安全測(cè)試，且必須滿(mǎn)足一定的測(cè)試精度。超聲無(wú)損檢測(cè)是以超聲波作為采集信息的手段，在不損壞被測(cè)對(duì)象的情況下探測(cè)其內(nèi)部缺陷的方法。由于超聲波獨(dú)特的物理特性 (穿透力強(qiáng)、集束性好、信息攜帶量大等 )，使其易于實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損診斷，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)藥和科學(xué)研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本論文即使研究超聲波對(duì)石油鉆桿接頭的檢測(cè)方法。 由于探頭在熱軋或冷拔過(guò)程中沿軸線(xiàn)方向的壓延伸長(zhǎng)，其受力和變形主要在厚度方向上，從而造成缺陷方向大多數(shù)與管材軸線(xiàn)平行 (軸 向缺陷 )。因此在探頭探傷中，本著聲束軸線(xiàn)與缺陷反射面垂直的原則，一般采用垂直于管軸的空間斜入射的橫波探傷法，如圖 2-1 對(duì)于小徑管的探傷，為了解決耦合闖題，一般采用水浸法；對(duì)于大徑管的探傷，耦合和補(bǔ)償問(wèn)題比較容易解決，可以采用直接接觸法探傷。超聲波管材軸向缺陷的探傷是有條件的，其入射角的確定原則是既能在鋼管中產(chǎn)生純橫波，又能探測(cè)到管內(nèi)外壁缺陷。如圖4所示管材探傷中，為了使折射縱波不進(jìn)入管 內(nèi)，則需要聲束入射角大于第一臨界角，既 21sin 11 ClCl 2-1 式中 Cl1-入射縱波在第一介質(zhì)中的聲速， Cl2-折射縱波在鋼管的聲速 圖 2-1 平行于管軸的徑向缺陷的探測(cè)方法 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 4 圖 2-2 探傷入射角范圍 同時(shí)，為了檢測(cè)管內(nèi)壁的的缺陷，折射橫波必須投射到內(nèi)壁上，因此，折射的橫波的折射角必須滿(mǎn)足： Rr1sin 2-2 入射角必須滿(mǎn)足： )1(sin 12 RCt rCl 2-3 式中， Cl1-入射縱波在第一介質(zhì)中的聲速； Cl2-折射縱波在鋼管中的聲速。 Ct折射橫波在鋼管中的聲速。綜上，要用單一橫波進(jìn)行管材探傷且可同時(shí)探得內(nèi)外壁缺陷， 范圍必須滿(mǎn)足式下式： )1(s in21s in 11 RCt rClClCl 2-4 )21(21 ClCDt t 2-5 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 5 據(jù)此，可進(jìn)一步推得單橫波管材探傷的條件為 (t 為管材壁厚， D 為管材外徑 )：即探頭壁厚 t 和外徑 D之比必須小于 0 5(1-Ct/Cl2)對(duì)于鋼管而言，（ t/D0.22)實(shí)際探傷中，一般認(rèn)為，管材橫波探傷的 t/D 值最大不得超過(guò) 20。 2.3 超聲波檢測(cè)的常用方法 超聲無(wú)損檢測(cè)是以超聲波作為采集信息的手段，在不損壞被測(cè)對(duì)象的情況下探測(cè)其內(nèi)部缺陷的方法。由于超聲波獨(dú)特的物理特性 (穿透力強(qiáng)、集束性好、信息攜帶量大等 )，使其易于實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的 在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損診斷，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)藥和科學(xué)研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。從探傷原理上說(shuō)，超聲波探傷方法主要可分為兩大類(lèi)，穿透法、脈沖反射法，其原理圖如 2-3 圖所示。 圖 2-3 超聲波探傷主要方法 透射法探傷由兩組探頭組成，一組探頭專(zhuān)門(mén)向工件內(nèi)發(fā)射超聲束，另組探頭專(zhuān)門(mén)接受透過(guò)工件的聲信號(hào)，由接收到聲信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)判斷工件內(nèi)部缺陷的有無(wú)及大小。這種方法不存在盲區(qū)，且聲程衰減小，適用于高衰減材料，但因其探測(cè)靈敏度低且無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行定 位，因此實(shí)際探傷中使用的較少。脈沖反射法探傷是利用脈沖波入射到異質(zhì)界面上的反射效應(yīng)進(jìn)行探傷的方法。它采用一個(gè)兼發(fā)兼收的超聲探頭，檢出缺陷反射聲壓信號(hào)，并將其顯示在熒光屏上。相對(duì)于穿透法而言，脈沖反射法探測(cè)靈敏度高，缺陷定位準(zhǔn)確，且探傷操作方式靈活，因此是目前世界各國(guó)廣泛使用的超聲探傷方法。此外，還有結(jié)合以上兩種探傷方法優(yōu)點(diǎn)的雙晶探頭脈沖反射法，目前也具有廣泛的應(yīng)用。本論文利用脈沖反射法，研究了超聲波對(duì)石油鉆桿接頭的檢測(cè)方法。 接觸探傷法是指探頭與表面直接接觸進(jìn)行探傷的方法。為了實(shí)現(xiàn)良好的聲耦合，要求探頭按照 管材的規(guī)格制成圓弧形，使其與管材探側(cè)面完全吻合。管材表面需涂敷耦合劑。沿管材圓周方向探測(cè)。對(duì)于周向缺陷，沿探頭軸向探測(cè)。 由于接觸法探傷時(shí)在探頭與管材之間沒(méi)有過(guò)多的耦合劑，所以聲能衰減較小，周向有效探測(cè)范圍較大。但是，由于這種方法是平面聲束投射到曲面上，聲束個(gè)點(diǎn)的入射角差別較大，使管內(nèi)折射波形較為復(fù)雜，所以必將導(dǎo)致探測(cè)靈敏度降低和內(nèi)外壁探測(cè)靈敏度差別的增大，且曲率半徑愈小，此種現(xiàn)象愈嚴(yán)重，因此，接觸法只適用于直徑為 40mm 以上管材的一般探傷。不適于小口徑管材的探傷和高精度探傷。這就存在了所謂的局限性，不能適 合其他的比較特殊的管材，在直徑過(guò)小的管材則不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行精準(zhǔn)的探測(cè)，從而使探 穿透法探傷 反射法探傷 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 6 傷技術(shù)達(dá)不到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)。 圖 2-4 接觸法探傷示意圖 還有一種方法叫管材水浸法，它是指探頭與管材不接觸，二者之闊以水作為耦合介質(zhì)進(jìn)行探傷的方法。 它是以橫波為主，這種方法不僅克服接觸法探傷所存在的探頭容易磨損等特點(diǎn)，而且具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如可采用聚焦探頭，因而顯著提高探傷靈敏度；便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，從而大大提商生產(chǎn)效率；可使用廉價(jià)的耦合介質(zhì)，使生產(chǎn)成本顯著降低等。因此，水浸法的應(yīng)用已日趨普遍，尤其進(jìn)行大批量管材檢測(cè)的冶金、石 油、化工、機(jī)械等部門(mén)，應(yīng)用更為廣泛。我國(guó)現(xiàn)有的無(wú)縫鋼管超聲波探傷大多是按照 GB T5777 1996 橫波水浸法原理進(jìn)行檢測(cè)。國(guó)際上也普遍采用此方法，如美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家。但是，由于超聲波在水與管材的交界面所產(chǎn)生的反射而使聲能大為衰減，實(shí)際傳入管材內(nèi)部的橫波能量很弱。所以，水浸法的有效探測(cè)范圍比接觸法要小得多。鑒于水浸法探傷顯著改善了探傷工藝條件，因此。它既適用于大口徑管材，也適用于小口徑管材。目前，用這種方法最小可探測(cè)直徑為 10mm 左右的管材。 首先，我們介紹了超聲波管材探傷的條件和常用方法，然后在此基礎(chǔ)上 進(jìn)一步討論了特殊管材 石油鉆桿接頭的探傷方法。介紹這一部分時(shí)，我們首先給出了鉆桿接頭的實(shí)際剖面圖，直觀(guān)地提出對(duì)其進(jìn)行超聲探傷的特殊性，即厚管壁、形狀復(fù)雜、型號(hào)繁多。然后，針對(duì)這幾點(diǎn)特殊性，逐步提出解決辦法，完成管材探傷的探頭設(shè)計(jì)；最后，討論了以上探頭的組合方式和探頭架的掃查方式，實(shí)際探傷時(shí)由機(jī)械傳動(dòng)部分帶動(dòng)探頭架沿規(guī)定路線(xiàn)掃描，即完成了探傷裝置的硬件設(shè)計(jì)部分。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 7 超聲波接收 單片機(jī) 控制器 LED 顯示和報(bào)警 超聲波發(fā)送 掃描驅(qū)動(dòng) 圖 3-1 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 3 系統(tǒng)組成 此超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)送裝置、超聲波接收裝置、單片機(jī)、控制器、 LED 顯示和報(bào)警及掃描驅(qū)動(dòng)程序組成。具體的框圖如圖 3-1 所示 ： 3.1 超聲波檢測(cè)技術(shù) 超聲波檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)： （ 1）超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質(zhì)中沿直線(xiàn)傳播，具有良好的指向性。（ 2）超聲波在介質(zhì)中傳播過(guò)程中，會(huì)發(fā)生衰減和散射。（ 3）超聲波在異種介質(zhì)的界面上將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來(lái)的反射波，從而達(dá)到探測(cè)缺陷的目的。（ 4）超聲波的能量比聲波大得多。（ 5）超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測(cè)深度大，由于超聲波在異質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，尤其是不能通過(guò)氣體固體界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷 （缺陷中有氣體）或夾雜，超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時(shí)，就會(huì)全部或部分反射。反射回來(lái)的超聲波被探頭接收，通過(guò)儀器內(nèi)部的電路處理，在儀器的熒光屏上就會(huì)顯示出不同高度和有一定間距的波形?？梢愿鶕?jù)波形的變化特征判斷缺陷在工件重的深度、位置和形狀。 超聲波探傷優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害，能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。超聲波探傷對(duì)缺陷的顯示不直觀(guān)，探傷技術(shù)難度大，容易受到主客觀(guān)因素影響，以及探傷結(jié)果不便于保存，超聲波檢測(cè)對(duì)工作表面要求平滑，要求富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類(lèi)、適合于厚度較 大的零件檢驗(yàn)，使超聲波探傷也具有其局限性。 超聲波探傷儀的種類(lèi)繁多，但脈沖反射式超聲波探傷儀應(yīng)用最廣。一般在均勻材料中，缺陷的存在將造成材料不連續(xù)，這種不連續(xù)往往有造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射。反射回來(lái)的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 8 脈沖反射式超聲波探傷儀大部分都是 A 掃描式的，所謂 A 掃描顯示方式即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被檢測(cè)材料中的傳播時(shí)間或者傳播距離，縱坐標(biāo)是超 聲波反射波的幅值。譬如，在一個(gè)工件中存在一個(gè)缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個(gè)界面之后就會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量又被探頭接收到，在顯示器屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會(huì)顯示出來(lái)一個(gè)反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個(gè)位置就是缺陷波在被檢測(cè)材料中的深度。這個(gè)反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。 脈沖反射式超聲波探傷儀大部分都是 A掃描式的，所謂 A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被檢測(cè)材料中的傳播時(shí)間或者傳播距離 ，縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個(gè)工件中存在一個(gè)缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個(gè)界面之后就會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量又被探頭接收到，在顯示器屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會(huì)顯示出來(lái)一個(gè)反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個(gè)位置就是缺陷波在被檢測(cè)材料中的深度。這個(gè)反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。 3.2 檢測(cè)系統(tǒng)的組成 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由探頭、信號(hào)發(fā)生接收裝置、放大器、衰減器、模數(shù) (A D)轉(zhuǎn)換器，以及對(duì)整個(gè) 系統(tǒng)進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)組成。傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在單機(jī)之上，主機(jī)負(fù)責(zé)硬件控制、信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等諸多任務(wù)，這將導(dǎo)致主機(jī)負(fù)載過(guò)重，系統(tǒng)檢測(cè)效率較低?？紤]到通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的高速性，我們將掃描檢測(cè)任務(wù)分開(kāi)在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)中完成，這樣，不僅檢測(cè)效率能得到很大提高，而且能減少系統(tǒng)的硬件成本。其檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖 22所示，其中，外部虛線(xiàn)框是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的組成圖。內(nèi)部虛線(xiàn)框則表示探傷機(jī)的內(nèi)部組成，其主要完成超聲信號(hào)的發(fā)射接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)控制等功能。電腦(計(jì)算機(jī) )主要完成超聲信號(hào)的分析、處理和顯示等功能。 探傷機(jī)和計(jì)算機(jī)由網(wǎng)絡(luò)連接，其利用 TCPflP協(xié)議，基于 Client Server(探傷機(jī)計(jì)算機(jī) )模式，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和通信控制。 探頭與信號(hào)發(fā)生接收裝置相連，并固定在探頭架上，探頭架由步進(jìn)電機(jī)控制，可根據(jù)工件型號(hào) (用戶(hù)輸入 )自動(dòng)調(diào)整其高度和掃查范圍。檢測(cè)位置和檢測(cè)距離由伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械裝置，連接探頭進(jìn)行準(zhǔn)確定位。 A D轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)完成數(shù)據(jù)的顯示和處理工作。 這次方法是 采用單片機(jī) AT89C51 和超聲波技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)完成超 聲波的 檢測(cè) 工作。通過(guò)單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和接收，并且用 LED 數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯 示 距離，便于 工作人員觀(guān)測(cè)；而且能夠通過(guò)改變電路元器件參數(shù)的大小，有效的進(jìn)行控制測(cè)量距離的大小，它具有集成化程度較高，高精度，高性能，和低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)值得推廣的方案。 如3-2 圖所示。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 9 3.3 數(shù)據(jù)顯示方法 常見(jiàn)的超聲探傷數(shù)據(jù)顯示方式可分為如下幾類(lèi) (1)A掃描顯示：是超聲波探傷中最基本的一種數(shù)據(jù)顯示方式，它以縱坐標(biāo)代表反射波的幅度，以橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間，從 缺陷波的幅度和位置來(lái)確定缺陷的大小和位置。 (2)B掃描顯示：是以亮點(diǎn)顯示接受信號(hào)，以熒光屏面代表被檢測(cè)對(duì)象由探頭移動(dòng)線(xiàn)和聲束決定的截面?？v坐標(biāo)代表聲波的傳遞時(shí)間，橫坐標(biāo)代表探頭的水平位置，它可以顯示出缺陷在縱截面的二維特征。 (3)C掃描顯示：是以亮點(diǎn)或暗點(diǎn)顯示接收信號(hào)，以熒光屏面代表被檢測(cè)對(duì)象的投影面。這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能給出深度。 圖 3-3 超聲波探傷數(shù)據(jù)顯示方式 信號(hào)發(fā)生裝置 探頭 信號(hào)接受裝置 信號(hào)放大 器 伺服電機(jī) 數(shù)據(jù)顯示與圖像處理 電腦 A/D 轉(zhuǎn)換裝置 信號(hào)衰減控制 圖 3-2 超聲波系統(tǒng)組成圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 10 (4)其他顯示方式：除上述三種顯示方式以外，目前國(guó)際上正在大力研究和發(fā)展更加完善的圖像顯示技術(shù)，如超聲全息成像技術(shù) 、 ALOK成像技術(shù)、衍射成像技術(shù)和 SAFT成像技術(shù)等。 本課題中，我們采用了 A掃描和 B掃描兩種數(shù)據(jù)顯示方式。由以上的介紹我們可以看出，A掃描圖像接近于常見(jiàn)的示波器顯示的圖像，為大家所熟悉。而 B掃描圖像可以直接看出缺陷在整個(gè)探測(cè)面上的分布情況，比較直觀(guān)。探傷過(guò)程中，檢測(cè)數(shù)據(jù)以 A掃描的方式進(jìn)行采集。探頭架沿著工件長(zhǎng)度方向進(jìn)行縱向掃描。數(shù)據(jù)采集電路以預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行采樣，保證至少探頭每移動(dòng) 1mm進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，即采集一組 A掃描圖像數(shù)據(jù)。這樣，就能得到整個(gè)工件軸向的所有 A掃描圖像數(shù)據(jù)。同時(shí)，以工件長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)軸 ，以工件周向展開(kāi)寬度作為縱坐標(biāo)軸，在同步電路的控制下，在采集 A掃描圖像數(shù)據(jù)信息的同時(shí)繪制 B掃描圖像。這樣，當(dāng)掃查結(jié)束的時(shí)候， B掃描圖像也形成了。 B掃描圖像實(shí)際顯示的是工件的縱截面。 探傷過(guò)程中，對(duì)傷波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示是非常必要的，有利于對(duì)探測(cè)情況的詳細(xì)分析和比較數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式被聲明為一個(gè)三維數(shù)組 char Data，其中， i代表所屬的通道數(shù) (因?yàn)橐话愕臋z測(cè)系統(tǒng)都是由若干個(gè)通道組成，不同通道使用不同的探頭組檢測(cè)不同的部位。本項(xiàng)目使用的檢測(cè)系統(tǒng)包含 7個(gè)通道 )； J代表對(duì)應(yīng) B掃描的橫坐標(biāo)值， k代表對(duì)應(yīng) B掃描的縱坐標(biāo)值 ， Data數(shù)值本身代表此 (j， k)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)信號(hào)的幅值大小，在 B掃描圖像中，它被轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的灰度值，以顏色深淺進(jìn)行顯示。將每一個(gè)點(diǎn)的信號(hào)值都存儲(chǔ)到這個(gè)三維數(shù)組中，并以 RST格式存儲(chǔ)成文件供顯示時(shí)使用。 3.4 探傷數(shù)據(jù)的顯示 圖 3-4 探傷數(shù)據(jù)顯示操作界面 圖 3-4所示的是數(shù)據(jù)顯示操作界面，其中與數(shù)據(jù)顯示有關(guān)的控件是按鈕“打開(kāi)，“ B掃描顯示比例”和“ A掃描顯示比例”。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 11 圖 3-5 探傷數(shù)據(jù)顯示操作界面 打開(kāi)操作使其對(duì)數(shù)據(jù)文件的讀取和顯示，它將讀出的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)成員的字符數(shù)組并在函數(shù)中使用。 3.5 探傷圖像處理及濾波算法 對(duì)探傷方法的分析可知，探傷結(jié)果 (A、 B掃描成像圖像 )除包括有用的傷波信號(hào)以外，還存在大量固有波 (工件邊沿波信號(hào) )和隨機(jī)干擾波信號(hào) (噪聲等 )，這些干擾信號(hào)會(huì)干擾視線(xiàn)、影響探傷效果，嚴(yán)重的甚至造成誤判，給探傷帶來(lái)危害，因此必須消除，即必須進(jìn)行相應(yīng)的圖像濾波處理操作。目前，廣泛使用的，也是最為有效的圖像處理方法是用計(jì)算機(jī)來(lái)完成的數(shù)字圖像處理技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)中我們采用計(jì)算機(jī) vc+語(yǔ)言編寫(xiě)程序來(lái)完成圖像的濾波、處理工作。下面，我們首先介紹一下圖像濾波處理的常用方法，然后給出本實(shí)驗(yàn)采用的圖像 處理方法。 濾波操作在圖像處理中也叫做平滑操作，其目的是為了消除噪聲。圖像噪聲的來(lái)源有三：一為在光電、電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中引入的人為噪聲；二為大氣層電 (磁 )暴、閃電、電壓、浪涌等引起的強(qiáng)脈沖性沖擊噪聲的干擾；三為自然起伏性噪聲，由物理量的不連續(xù)性或粒子性所引起，這類(lèi)噪聲又可分成熱噪聲、散粒噪聲等。噪聲消除的方法可分為空問(wèn)域和頻率域，又可分為全局處理和局部處理，還可以按線(xiàn)性平滑、非線(xiàn)性平滑和自適應(yīng)平滑來(lái)區(qū)分。下面簡(jiǎn)要介紹鄰域平均、空間濾波、頻率濾波、多圖像平均、自適應(yīng)濾波及中值濾波濾波等方法。 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 12 （ 1）鄰域平均法 鄰域平均法是一種局部空間域處理的算法。設(shè)一幅圖像 f伍 y)為 N*N的陣列，濾波后的圖像為 g(x， y)，它的每個(gè)象素的灰度級(jí)由包含在 (x， y)的預(yù)定鄰域的幾個(gè)象素的灰度級(jí)的平均值所決定，即用下式得到平滑的圖像 ： ),(),(1),(jijifMyxg 3-1 式中的 x,y=0， 1， 2， ， N-1， S是 (x， y)點(diǎn)領(lǐng)域中心點(diǎn)坐標(biāo)的集合， M是 S內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)的總數(shù)。以上算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，但他的主要缺 陷是在降低噪聲的同時(shí)使圖像產(chǎn)生模糊，特別在邊沿和細(xì)節(jié)處，鄰域越大，模糊越厲害。為了減少這種效應(yīng)，可以采用閾值法，也就是形成平滑圖像。 snmnmfMyxg),(),(1),( TnmfMyxfsnm ),(),(1),( 3-2 式中 T是一個(gè)規(guī)定的非負(fù)域值，當(dāng)一些點(diǎn)和他們鄰值的差值不超過(guò)規(guī)定的 T域值時(shí)，仍保留這些點(diǎn)的像素灰度值。這樣平滑后的圖像比鄰域平均法模糊程度減少。當(dāng)某些點(diǎn)的灰度值與各鄰點(diǎn)灰度的均值差別較大時(shí)，它必然是噪聲，則取其鄰域平均值作為 該點(diǎn)的灰度值，它的平滑效果仍然是很好的。 （ 2）中值濾波 中值濾波是一種不同于卷積算法的非線(xiàn)性區(qū)域處理方法。它一般采用一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，將窗口中各點(diǎn)灰度值的中值替代指定點(diǎn) (一般是窗口的中心點(diǎn) )的灰度值。對(duì)于奇數(shù)個(gè)元素，中值是指按大小排序后，中間的數(shù)值；對(duì)于偶數(shù)個(gè)元素，中值是指排序后中間兩個(gè)元素灰度值的平均值。因?yàn)閰^(qū)域中像素值發(fā)生隨機(jī)突變的像素經(jīng)排序后，將位于隊(duì)首或隊(duì)尾，因此取得的中問(wèn)像素值是正常的像素值。所以，中值濾波可以有效地除去隨機(jī)噪聲，并得到較好的視覺(jué)效果。并且由于它在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中并不需要 圖像的統(tǒng)計(jì)特征，所以比較方便。在一定的條件下，中值濾波可以克服線(xiàn)性濾波器所帶來(lái)的圖像細(xì)節(jié)模糊，而且對(duì)慮除脈沖干擾及圖像掃描噪聲最有效。 （ 3）空間域低通濾波 從信號(hào)頻譜分析的知識(shí)，我們知道信號(hào)的慢變部分在頻率域?qū)儆诘皖l部分，而信號(hào)的快變部分在頻率域是高頻部分。對(duì)圖像來(lái)說(shuō)，它的邊緣以及噪聲干擾的頻率分量都處于空間頻率域較高的部分，因此可以采用低通濾波的方法來(lái)去除噪聲，而頻域的濾波又很容易從空間域的卷積來(lái)實(shí)現(xiàn)，為此只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)空間域系統(tǒng)的單位沖擊響應(yīng)矩陣就可以達(dá)到慮除噪聲的效果。 （ 4）頻域低通濾波 這是一種 頻域?yàn)V波法，對(duì)于一幅圖像，它的邊緣、跳躍部分以及噪聲都代表圖像的高頻分量，而大面積的背景區(qū)和慢變部分則代表圖像的低頻分量，用頻域低通濾波法除去其中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 13 高頻分量就能去掉噪聲，從而使圖像得到平滑。常用的幾種低通濾波法包括： 1)理想低通濾波器 (ILPF) 2)巴特沃思低通濾波器 (BLPF) 3)指數(shù)濾波器 (ELPF) 4)梯形濾波器 (TLPF) 本章中我們主要介紹了三大部分：檢測(cè)系統(tǒng)組成和探傷數(shù)據(jù)顯示、探傷圖像的處理及探傷數(shù)據(jù)的分析。第一部分中我們首先介紹了超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的組成和探傷數(shù)據(jù)的顯示方式，并對(duì)實(shí)驗(yàn)所采用的 A掃描和 B掃描的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。然后，針對(duì)探傷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式和顯示圖像的繪制方法，我們介紹了具體使用的 VC+操作函數(shù)。第二部分中我們又分兩部分展開(kāi)論述。首先介紹了幾種常用的圖像處理濾波算法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析。然后，在第一部分，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，用事實(shí)證明了該檢測(cè)設(shè)備的可靠性和檢測(cè)精度。 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 如圖 4-1 所示，超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由定時(shí)器、控制系統(tǒng)、超聲波接收發(fā)射裝置、顯示器等組成。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 T，然后求出距離 S=CT 2，式中的 C 為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為 340m s。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度 C 與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。因本系統(tǒng)測(cè)距精度要求很高，所以通過(guò)對(duì)溫度的檢測(cè)對(duì)超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。 圖 4-1 超聲波測(cè)距原理框圖 定時(shí)器 控制 顯示器 調(diào)制器 計(jì)時(shí)器 振蕩器 接收檢測(cè) 超聲波發(fā)射器 超聲波接收器 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 14 4.1 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 4.1.1 芯片 74LS244 74LS244 是 TTL 八同相三態(tài)緩沖器 /線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，其 CMOS 器件對(duì)應(yīng)為 74HC244,常用在單片機(jī) MCU 系統(tǒng)中，作為單片機(jī)的輸入輸出數(shù)據(jù)緩沖器，在選通時(shí)輸入數(shù)據(jù)送到總線(xiàn)上，在非選通時(shí)對(duì)總線(xiàn)呈高阻態(tài)。 4.1.2 四位共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管 管腳順序：從數(shù)碼管的正面觀(guān)看，以第一腳為起點(diǎn)，引腳的順序是逆時(shí)針?lè)较蚺帕小?2-9-8-6四個(gè)腳為公共引腳， A-11， B-7， C-4， D-2， E-1， F-10， G-5， DP-3。 圖 4-2 74LS244 引腳功能圖 圖 4-3 四位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管內(nèi)部連接圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 15 4.1.3 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 單片機(jī)采用 89S51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。 單片機(jī)用 P1.0 端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的 40KHz 方波信號(hào)，利用外中斷 0 口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，段碼用74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下圖 4-4所示： 4.2 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 4-5所示。發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) P1.0 端口輸出的 40KHZ 方 波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩極反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻 R10 和 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。 圖 4-4 單片機(jī)及顯示電路原理圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 16 4.2.1 超聲波換能器 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-6 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間沒(méi)有外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 圖 4-6 超聲波轉(zhuǎn)化裝置圖 圖 4-5 超聲波發(fā)射電路原理圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 17 4.2.2 芯片 74LS04 74LS04 是 6 非門(mén) (反相器 )它 的工作電壓 5V， 它 的內(nèi)部含有 6 個(gè) coms 反相器， 74LS04的作用就是反相把 1 變成 0，平時(shí)在 使用中請(qǐng)注意不要芯片的管腳順序搞錯(cuò)了，下面是芯片的管腳圖 ： 4 3 超聲波檢測(cè)接收電路 4.3.1 超聲波檢測(cè)接收電路 集成電路 CX20106A 是一款紅外線(xiàn)檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHZ 與測(cè)距的超聲波頻率 40KHZ 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如圖 4-8。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20106A 接收超聲波（無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 C4 的大小可以改變接收電路的靈敏度和 抗干擾能力。 圖 4-7 74LS04 管腳圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 18 4.3.2 芯片 CX20106A 其中圖 4-9、 4-10、 4-11 分別為芯片 CX20106A 的外觀(guān)圖、引腳功能圖以及 A、 B、 C、 D四點(diǎn)的波形圖 圖 4-8 超聲波接收電路圖 圖 4-9 CX20106A 外觀(guān)圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 19 表 4.1 CX20106A 引腳功能表 引腳號(hào) 引腳功能 1 超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40k。 2 該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R1 或減小 C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍 數(shù)增大。但 C1 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R1=4.7， C1=1F。 3 該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 3.3f。 4 接地端。 5 該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200k時(shí)， f042kHz，若取 R=220k，則中心頻率 f038kHz。 6 該腳與地之間接一 個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 7 遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為 22k，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。 8 電源正極， 4.5 5V。 圖 4-10 CX20106A 引腳功能圖 圖 4-11 CX20106A 的 A、 B、 C、 D 點(diǎn)的波圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 20 5 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 超聲波檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。由于 C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序具有較高的效率并且容易精確計(jì)算。程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。 圖 5.1 示意了超聲波測(cè)量鉆桿的原理，即超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波信號(hào)遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就會(huì)被超聲波接收器 R接收到，此時(shí)只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。該距離的計(jì)算公式為： 2 )(2 tcsd 5-1 其中， d 為被測(cè)物與測(cè)距離器的距離； s 為聲波往返的路程； c 為聲速； t 為聲 波往返所用的時(shí)間。 由于超聲波也是一種聲波，其速度 c 與溫度有關(guān)，表 5.1 列出了幾種不同溫度下的超聲波聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可以認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右越陶Ｂ曀俅_定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用抗干擾措施。 表 5.1 不同溫度下超聲波聲速表 溫度 /c -30 -20 -10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 超聲波測(cè)距儀 圖 5-1 超聲波測(cè)距原理圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 21 5.1 主函數(shù) 主函數(shù)程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并將顯示端口 P0 和 P2 清零。然后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí) 0.1ms（這也是超聲波測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后才打開(kāi)外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是 12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1us，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波往返所用的時(shí)間）按 上 式計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20 時(shí)的聲速 344m/s，則有 001722 1 0 0 0 0C T Td c m 5-2 其中： T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值。 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)。圖 5.2為主函數(shù)程序流程 圖。 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)初始化 發(fā)送超聲波脈沖 等待反射超聲波 計(jì)算距離 顯示報(bào)警 圖 5-2 主函數(shù)流程圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 22 5.2 超聲波發(fā)生子函數(shù)和超聲波接收中斷函數(shù) 超聲波發(fā)生子函數(shù)的作用是通過(guò) P1.0 端口發(fā)送 2 個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約為40KHz 的方波），脈沖的寬度為 10us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子函數(shù)比較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以采用匯編語(yǔ)言編程。 超聲波測(cè)距器主函數(shù)利用外中斷 0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷函數(shù)。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。 若計(jì)時(shí) 器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示本次測(cè)距不成功。 圖 (a) 主程序流程圖 圖 (b) 定時(shí)中斷子程序 圖 (c) 外部中斷子程序 圖 5-3 程序流程圖 外部中斷入口 關(guān)外部中斷 讀取時(shí)間值 計(jì)算距離 結(jié)果輸出 開(kāi)外 部中斷 返回 開(kāi)始 單片機(jī)初始化 定時(shí)中斷子程序 有回波嗎？ 外部中斷子程序 N Y 定時(shí)中斷入口 定時(shí)器初始化 發(fā)射超聲波 三方向均發(fā)射完否？ 停止發(fā)射 返回 N Y 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 23 6 軟硬件調(diào)試及性能 6.1 元器件的焊接 焊接是制造電子產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)之一，如果沒(méi)有相應(yīng)的工藝質(zhì)量保證，任何一個(gè)設(shè)計(jì)精良的電子裝置都難以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。 對(duì)焊點(diǎn)的基本要求： （ 1）可靠的電氣連接，焊接是電子線(xiàn)路從物理上實(shí)現(xiàn)電氣連接的主要手段，錫焊連接不是靠壓力而是靠焊接過(guò)程形成的牢固連接的合金層到達(dá)電氣 連接的目的。 （ 2）足夠的機(jī)械強(qiáng)度，焊接不僅起到電氣連接的作用，同時(shí)也是固定元器件，保證機(jī)械強(qiáng)度連接的手段。 （ 3） 光潔整齊的外觀(guān)，良好的焊點(diǎn)要求焊料用量恰到好處，外表有金屬光澤，沒(méi)有粒尖，橋接等現(xiàn)象，并且不傷及導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層及相鄰元器件。 6.2 電路調(diào)試與分析 供電電路是否正常是系統(tǒng)能否正常工作的前提，因此首先對(duì)電源部分進(jìn)行調(diào)試，接上電源，測(cè)得電源電壓輸出應(yīng)該是 5V。并且測(cè)得 P1.0 口的輸出信號(hào)頻率接近 40 KHz，滿(mǎn)足實(shí)際要求。 超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用 15 的超聲波換能器TCT40-10F1（ T 發(fā)射）和 TCT40-10S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線(xiàn)平行并相距 4 8cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C4 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序， 測(cè)距儀能測(cè)的范圍為 7 70cm，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò) 1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。下圖為超聲波測(cè)距器 測(cè)量的角度范圍： 超聲波測(cè)距器 60 度 圖 6-1 超聲波測(cè)距器測(cè)量的角度范圍 石油鉆桿接頭超聲波檢測(cè)方法研究 24 7 結(jié)語(yǔ) 超聲波檢測(cè)技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，工業(yè)項(xiàng)目中用的也較多。隨著工業(yè)應(yīng)用對(duì)鋼管質(zhì)量要求的提高，對(duì)管材檢測(cè)實(shí)施的超聲檢測(cè)要求和技術(shù)也在不斷提高。例如，傳統(tǒng)無(wú)縫鋼管探傷中，主要是對(duì)縱向缺陷的檢測(cè)，而現(xiàn)在越來(lái)越多的應(yīng)用需要探測(cè)橫向缺陷和對(duì)鋼管進(jìn)行測(cè)厚。相應(yīng)地，也在無(wú)縫鋼管探傷的技術(shù)上，人們開(kāi)始研究和 使用一些新的技術(shù)。例如，環(huán)形探頭陣列技術(shù)，相控陣技術(shù)等。這也是鉆桿接頭及其類(lèi)似工件超聲波探傷方法研究的方向。 但是，國(guó)內(nèi)對(duì)石油鉆桿接頭的超聲波檢測(cè)