參考?jí)K上數(shù)字超聲儀聲速的測(cè)取

參考?jí)K上數(shù)字超聲儀聲速的測(cè)取

0回波信號(hào)的采集在超聲波檢測(cè)方面，通常需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)試塊（例如csk-a）上的儀器，并在參考?jí)K（例如csk-a）上制作距離波幅曲線，以便進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)模擬超聲儀通過(guò)調(diào)節(jié)掃描比例使顯示器面板上的格子代表一定的聲程來(lái)進(jìn)行定位。數(shù)字超聲儀通過(guò)信號(hào)采集單元以高頻采取回波信號(hào)幅度并轉(zhuǎn)換成數(shù)字,該數(shù)字序列與時(shí)間形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。數(shù)字超聲儀目前多用成熟的嵌入式系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),除了發(fā)射聲波和采集回波信號(hào)的單元外,數(shù)據(jù)處理、顯示、保存等都可以用后端的程序?qū)崿F(xiàn)。本文根據(jù)數(shù)字超聲儀的這些特點(diǎn),從抽象的視角來(lái)提出只用一個(gè)參考試塊(CSK-ⅢA)調(diào)節(jié)數(shù)字超聲儀的聲速、延遲、探頭前沿以及折射角的方法,并分析和推導(dǎo)出理論根據(jù),達(dá)到簡(jiǎn)化儀器調(diào)節(jié)和提高工作效率的目的。1超聲檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成超聲波在工件中以一定的聲速進(jìn)行傳播,遇到缺陷或不連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生反射波,該波反射回來(lái)被儀器接收。超聲儀從激發(fā)聲波開(kāi)始計(jì)時(shí),對(duì)每個(gè)回波信號(hào),利用系統(tǒng)計(jì)時(shí)器提供的時(shí)間和預(yù)設(shè)的聲速,可計(jì)算得其傳播的路程,即反射體的聲程。該過(guò)程可以表述為:其中t為傳播時(shí)間,s為傳播聲程,c為工件中的聲速。在單晶片探頭系統(tǒng)中,聲波發(fā)射出去和回來(lái)的路徑是一樣的,為簡(jiǎn)化過(guò)程,記t為實(shí)際測(cè)得時(shí)間的一半,則s反映的是單程路徑,可看成反射體到探頭的距離。聲波從晶片到工件入射點(diǎn)之間的傳播時(shí)間記錄為t0,計(jì)時(shí)器給出的t中含有這部分時(shí)間,為使聲程s反映從工件入射點(diǎn)到反射體的距離,將公式(1)修正為:為了確定實(shí)際反射體的位置,引入反射體位置到入射點(diǎn)的水平(記為l)和深度(記為h)兩個(gè)參數(shù),設(shè)聲波在工件中的折射角記為β,它們之間的關(guān)系如下:事實(shí)上,超聲儀在實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)的過(guò)程中,獲取聲程的核心部件是計(jì)時(shí)器,它負(fù)責(zé)提供聲波的傳播時(shí)間t,c和t0通過(guò)人機(jī)交互的方式預(yù)先設(shè)置入超聲儀,聲程s通過(guò)公式(2)計(jì)算獲得,水平l和深度h通過(guò)公式(3)計(jì)算獲得,最后超聲儀在顯示器上將這些信息反饋給操作者。在具體的數(shù)字超聲儀中,c對(duì)應(yīng)聲速,t0對(duì)應(yīng)延遲。超聲儀沒(méi)有能力辨別預(yù)設(shè)的延遲和聲速是否正確,它只根據(jù)公式(2)和公式(3)計(jì)算每一個(gè)信號(hào)的聲程、水平和深度。2用于測(cè)量csk-a試塊中的聲音速度的理論參數(shù)2.1超聲檢測(cè)面聲程sx1和sx2的回波信號(hào)測(cè)量聲速的核心思想是利用超聲儀測(cè)取兩個(gè)已知聲程反射體上的傳播時(shí)間差,用距離除以時(shí)間求得速度。在超聲儀上,調(diào)節(jié)儀器的過(guò)程就是求解具體工件上的聲速c和延遲t0的過(guò)程。我們先在CSK-ⅠA試塊上進(jìn)行示范,要用到試塊上的半徑50mm和100mm反射面。先在數(shù)字超聲儀器里面隨意輸入聲速和延遲,聲速記為cx,然后把探頭放在CSK-ⅠA試塊上(見(jiàn)圖1),分別測(cè)取半徑50mm和100mm圓弧反射面的回波信號(hào),分別記錄超聲儀上顯示的聲程sx1和sx2。帶入公式(2),得到:把上述公式變成時(shí)間t的表達(dá)式,得到t1=sx1/cx+t0和t2=sx2/cx+t0反射波在兩個(gè)圓弧面上傳播的距離差是Δst=100-50=50(mm),時(shí)間差是Δtt=t2-t1,則真實(shí)聲速是ct=Δst/Δtt,將t1和t2帶入,得在公式(4)中,cx是預(yù)先設(shè)置的,sx1和sx2是儀器上讀取的,Δst從幾何結(jié)構(gòu)獲取的,都是已知量,聲速可直接計(jì)算。2.2測(cè)量接頭聲程在CSK-ⅢA試塊上,由于真實(shí)聲程不能像在CSK-ⅠA試塊上直觀獲得,所以先測(cè)量探頭在試塊中的折射角β,然后求真實(shí)聲程,最后測(cè)量聲速。2.2.1回波測(cè)量如圖2所示,在CSK-ⅢA試塊上,選取兩個(gè)已知深度(h1、h2)、直徑為d的標(biāo)準(zhǔn)孔(CSK-ⅢA中,d=1mm),移動(dòng)探頭獲得h1深度標(biāo)準(zhǔn)孔的最大回波,探頭位置記為P1,測(cè)量探頭前端到孔的水平距離l1,同理獲得h2深度標(biāo)準(zhǔn)孔最大回波時(shí)探頭的位置為P2,探頭前端到孔的水平記錄為l2,設(shè)探頭前沿為l0。由P1點(diǎn)作輔助線P1Sc平行于C1C2,則在三角形P1ScP2中,存在如下關(guān)系:在公式(6)中,l2和l1是測(cè)量獲取的,h2和h1是試塊上的已知尺寸。2.2.2角形2o在圖2中,由P1C1和P2C2平行,三角形P1C1O和三角形P2C2O相似,則有:如果恰好選擇的兩個(gè)孔深度為2倍關(guān)系,即h2=2h1,則公式(7)可以簡(jiǎn)化為:2.2.3聲速ct的計(jì)算步驟c在超聲儀內(nèi)隨意設(shè)置聲速cx,然后將探頭放在CSK-ⅢA試塊上,分別記錄兩個(gè)孔最高回波時(shí)的顯示聲程sx1和sx2。根據(jù)在CSK-ⅠA上測(cè)量計(jì)算聲速的示例,P2和P1位置的聲波傳播的時(shí)間差可以這樣計(jì)算:而聲波在P2和P1位置傳播的真實(shí)聲程差為真實(shí)的聲速ct按照如下方式計(jì)算:至此,我們?cè)贑SK-ⅢA試塊上完成折射角、探頭前沿以及聲速的測(cè)量計(jì)算。實(shí)際操作時(shí),折射角和聲速計(jì)算獲得,然后直接輸入超聲儀。延遲t0可以按如下交互方式輸入儀器:把聲速和折射角預(yù)先設(shè)置正確,將探頭放在CSK-ⅢA上,獲取一個(gè)已知深度孔的最高回波,調(diào)節(jié)延遲,使儀器的顯示深度與真實(shí)深度相同,延遲就調(diào)節(jié)好了。3驗(yàn)證與誤差分析3.1超聲儀器檢測(cè)回波過(guò)程中折射角和聲速ct下面用數(shù)字超聲儀來(lái)驗(yàn)證上述推導(dǎo),采用Sonic1200S+超聲儀;K1.5的探頭,普通碳鋼CSK-ⅢA試塊。按照如下步驟操作:(1)測(cè)量計(jì)算折射角β。隨意設(shè)置聲速和延遲,在儀器的厚度(THICK)菜單下,聲速(T-VEL)設(shè)為4600m/s(注:該值是隨意設(shè)置的,最好接近已知聲速)。移動(dòng)探頭使探頭分別獲取深度h1=10和h2=20的兩個(gè)孔的回波,測(cè)得儀器顯示聲程sx1=24.258mm,sx2=48.763mm,測(cè)得探頭到孔水平距離l1=4mm,l2=19mm,根據(jù)公式(6)計(jì)算得到折射角:(2)計(jì)算探頭前沿l0。根據(jù)公式(8),有(3)計(jì)算聲速ct。根據(jù)公式(9),有將上述計(jì)算獲得折射角β和聲速ct設(shè)置到儀器里面,調(diào)節(jié)延遲使h1=10mm深孔的顯示深度等于其真實(shí)深度(h1-cosβ×d/2=10-cos(56.3)×0.5=9.72mm),這樣超聲波儀器的調(diào)節(jié)就完成了。把探頭移動(dòng)到P2位置,測(cè)取h2的回波,儀器顯示h2孔的回波深度為19.733mm,與真實(shí)深度相差非常小,可以接受,儀器調(diào)節(jié)成功。3.2聲速的確定及分析通過(guò)公式(9)可知,在CSK-ⅢA上測(cè)算聲速涉及到儀器的顯示聲程、孔的水平距離及深度。顯示聲程讀取時(shí)受選取的最高波影響,孔的深度受機(jī)械加工的影響,水平距離受人工測(cè)量的影響。3.2.1c.xt/2f噪聲誤差我們知道,普通超聲波探頭激發(fā)的脈沖信號(hào)一般都有2個(gè)以上波長(zhǎng)的長(zhǎng)度,當(dāng)2個(gè)波長(zhǎng)的脈沖信號(hào)反射回來(lái)時(shí),則會(huì)有4個(gè)波峰(波谷),當(dāng)閘門(mén)讀數(shù)設(shè)置為峰值拾取法時(shí),閘門(mén)讀取的是閘門(mén)內(nèi)最高的波,如果閘門(mén)套取的不是同一個(gè)波峰(波谷),讀取的聲程可能會(huì)有半個(gè)聲波周期以上的時(shí)間誤差,我們把這個(gè)顯示聲程誤差記為dsx=cx×(T/2)=cx×1/(2f)。(公式中T為聲波在工件中的周期,f為探頭頻率)。在上例中,探頭頻率f=2.5MHz,cx=4600m/s,則誤差為:如果這個(gè)誤差發(fā)生在某次測(cè)量上(如sx1),我們來(lái)分析它對(duì)聲速ct的影響。在公式(9)中,把sx1看成變量,對(duì)ct求關(guān)于sx1的偏微分有:把相應(yīng)的數(shù)據(jù)及dsx1=0.92(mm)帶入,得到:上述結(jié)果說(shuō)明,在閘門(mén)讀取顯示聲程時(shí),如果讀取的不是同一個(gè)波峰(波谷),則導(dǎo)致聲速誤差達(dá)到127.018m/s,在本例中,誤差偏差為127.018/3383=3.75%,是比較大的。閘門(mén)套取不同波峰(波谷)導(dǎo)致的誤差,可以通過(guò)一定的方法來(lái)消除。比如只顯示半波(正或負(fù)),或者測(cè)量讀數(shù)時(shí)使閘門(mén)只套住目標(biāo)波,并從目標(biāo)波上方以小步進(jìn)向下緩慢移動(dòng),碰上信號(hào)立即停止并記錄顯示聲程。另外,如果超聲儀提供了局部波形放大功能,可以將目標(biāo)信號(hào)局部放大,然后微調(diào)閘門(mén)使各次讀數(shù)能夠統(tǒng)一到同一個(gè)波峰(波谷)。3.2.2橫孔與檢測(cè)面距離的誤差參考橫孔同樣影響實(shí)測(cè)聲速值,根據(jù)JB/T8428—2006《無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)用試塊》規(guī)定,橫孔與檢測(cè)面距離的誤差不應(yīng)大于±0.03mm。在公式(9)中,把h2看作變量,對(duì)ct求關(guān)于h2的偏微分dh2有:把相應(yīng)的數(shù)據(jù)及dh2=0.03mm帶入,有:影響聲速的偏差為10.150/3383=0.3%,相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。3.2.3mm我們平常所用鋼板尺的最小刻度是1mm,假設(shè)測(cè)量誤差是最小刻度的一半,即假設(shè)dl=0.5mm。公式(9)是用兩個(gè)孔的深度值求聲速,換成水平距離l2和l1,公式(9)變?yōu)?把上式中的l2看成變量,對(duì)ct求關(guān)于l2的偏微分有:與真實(shí)聲速的偏差為112.817/3383=3.3%,也是相當(dāng)大的。4儀器調(diào)節(jié)和測(cè)量誤差的控制綜上所述,只用一塊CSK-ⅢA試塊可以完成數(shù)字超聲儀的調(diào)節(jié)。在推導(dǎo)過(guò)程中,核心思想是用了兩個(gè)已知孔的位置參數(shù),反推其他的參數(shù),該方法有如下特點(diǎn):第一,一塊CSK-ⅢA試塊完成儀器的調(diào)節(jié),對(duì)于移動(dòng)檢測(cè),可以