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超声波检测中缺陷数字成像方法及精确定位术

摘要：超声检测是无损检测的主要技术之一，已被广泛地应用于在线质量控制、

在役设备和关键零部件的安全检测之中。超声波探伤仪作为超声波检测技术实现

的载体，在超声波检测中具有重要的研究意义。为提高超声检测的可靠性和效率，

开发研制数字化、智能化、自动化、图像化的超声波无损探伤系统是当今无损检

测技术的必然趋势。

随着科学技术的发展，对产品质量提出了越来越高的要求，特别是产品关键

零部件的质量问题所造成的事故以及巨大的经济损失，使人们更加认识到了无损

检测诊断技术的重要性。由于超声波检测是利用材料本身或内部缺陷的声学性质

对超声波传播的影响，非破坏性的探测材料内部和表面的缺陷的大小、形状和分

布状况以及测定材料性质，具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低、设

备简单轻便和对人体无害等一系列优点。因此，超声波探伤已成为对在用工件、

材料进行无损检测的主要的手段之一，被广泛应用于机械制造、交通运输、冶金、

电力、石油、化工和国防等各领域，成为保证产品质量、确保设备安全运行的重

要手段。

一、超声波检测基本原理及成像系统的结构

超声波检测方法虽然很多，各种方法的操作也不尽相同，但它们在检测条件、

耦舍与补偿、仪器的调节、缺陷的定位、定量、定性等方面却存在一些通用的技

术问题，这些通用技术对发现缺陷并正确评价是很重要的。其中，脉冲反射法和

声波穿透法是超声波检测中最常用的方法。

1、脉冲反射法。脉冲反射法是超声波探头发射脉冲波到被检试件内，根据反射

波的情况来检测试件内缺陷的方法。根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断，

当试件完好时，超声波可顺利到达底面，检测图形中只有表示发射脉冲及底面回

波两个信号。若试件中存在缺陷，在检测图形中底面回波前有表示缺陷的回波。

2、声波穿透法。穿透法是根据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断

缺陷情况的一种方法。穿透法采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，

分别放置在试件的两侧进行检测。目前，大多数商业化的超声检测是以1—25Mm

的频率进行的，在陶瓷材料检测中使用的检测频率可高达100Mm。由于检测信号

的高额特性，一般的超声检测仅停留在对模拟量信号进行分析的水平，绝大多数

检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析

才能得出正确的结论，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。为了解

决薄壁材料的超声波检测(壁厚1—2mm)，保证所需检测精度，必须采用较高检测

频率(15Mm以上)的超声波进行检测，同时要实现快速自动检测和数据的实时存

储，高速大容量的数据采集及分析技术至关重要。目前，国内对该项技术的研究

还刚刚起步。因此数字式超声检测成像系统对我国独立自主地拥有该项技术，提

高无损检测技术水平，有十分重要的意义。

、成像系统的3总体结构。超声波检测方案是以PC微机为平台．以高速实时采

集和存储及数字成像为主要技术的实时检测系统。系统主要由下列部分组成：双

微机(或工控机)系统、超声波脉冲发射器、超声波反射信号接收器、高速数据采

集卡、数据处理和分析软件包以及传感器、探头运动和扫描控制系统等。

二、检测材料缺陷的数字成像和定位方法

、超声波的1传输特点。超声波检测是利用超声波在不同材料界面上会产生反射

和折射的性质来进行材料缺陷检测的。在两种固体介质的界面上，斜入射纵波或

横波，均可能产生反射纵波、反射横波、折射纵波和折射横波。显然，在两种不

同介质界面上发生了波型转换。探伤中使用的横波就是由纵波斜入射至楔块和工

件界面经波形转换而来。当入射波倾斜射入两异种界面时，反射波和折射波遵循

与光学相同的斯涅尔定律，即：

所以，当确定了超声波探头的放置角度后，它的反射和折射路径就可以准确地确

定，再根据声波在不同材料中的已知声速和缺陷回波距始波的时间，就可以准确

测出缺陷在材料内部的位置(或深度)。

、缺陷位置的测定。在对探头角度和声速已知2(或自动测定)的情况下，可精确

测定缺陷的水平和垂直位置，并进行延时记录，经成像显示，可清晰地反映出缺

陷在材料中的截面位置和深度，并通过3D作图技术可以形象地标注出缺陷在材

料中的真实位置。避免了传统超声检测仪器屏幕小、帔形排列紧密、读数定位误

差大和声程测定精度低的缺点。

、缺陷3大小的测定。缺陷的定量就是测定缺陷的大小和数量。缺陷的大小包

括缺陷的面积、长度