徐菲菲，柏松，袁志刚

（1.中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8；2.中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 4 3）

一种新型数字水浸超声探伤系统的研制

徐菲菲1，柏松2，袁志刚2

（1.中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8；2.中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 4 3）

本文介绍了一种新型数字水浸超声探伤系统的设计方法与实现工艺。该系统采用A型脉冲反射式结构，利用可编程A S I C技术实现超声数字信号处理，基于P C和F P G A平台研制一种新型模块化的超声探伤系统，成功应用于航空复合材料饼盘件的缺陷检测，并取得良好的应用效果。

水浸超声探伤系统；A型脉冲反射式；A S I C；F P G A

无损检测被认为是现代工业的重要支柱，而超声波探伤技术是无损检测重要手段之一，它是提高产品质量，保证产品性能的必要手段。由于超声波探伤是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播所表现出来的声学性质不同，从而非破坏性的检测被测工件内部以及表面的缺陷情况，被广泛应用于机械制造、交通运输、国防、电力等各个领域。

水浸超声检测技术是将超声探头和被测工件全部浸入水中，水作为超声波传播的耦合介质，超声波通过水媒介传递到被检测工件进行工件内部缺陷检测的技术。由于水的介质特性，只有超声纵波能够在水介质中进行传播，但是随着超声波声束相对于被检测工件表面可以以不同的入射角入射，因此试块中仍然可以产生出纵波、横波、表面波、兰姆波等波形，从而实现不同性质的超声检测。近年来微电子学和计算机技术的飞速发展，为超声探伤技术提供了巨大的发展动力。早期的水浸超声探伤系统已不能适应探伤技术发展的需要，一些关键性的性能指标已满足不了实际探伤的需求。当代超声检测技术不仅要实现缺陷检测的高准确率和高可靠性，而且还要融合现代信息处理技术，从而实现超声检测的数字化、图像化、实时化、智能化。因此，为提高国产水浸超声探伤系统的水平，本文研制出一种新型数字水浸超声探伤系统，对传统探伤仪中信号采样与压缩等功能设计成专用硬件模块，以提高系统响应速度。并使用小波变换算法对采集的超声回波信号进行降噪处理，基于神经网络技术实现缺陷的定量分析。

1 新型水浸超声探伤系统结构原理

1.1 超声波探伤的基本原理

超声波具有束射性，在一定介质中传播时具有保持速度不变的特性，在不同介质的界面传递时会出现反射、折射等现象。超声波探伤技术就是利用这种超声波束的这种性质来判断被检工件内部是否存在缺陷、异物以及其缺陷、异物的位置和大小等。

超声波的发射和接受过程实际上就是能量转换的过程。由于超声波本质上就是一种高频率声波，它可以通过在具有压电特性或磁滞伸缩效应的材料上施加高频率可变电压便可实现。即在压电晶片两面的电极上施加高频交流电压，压电晶片就会随着电压的方向和大小、在厚度方向产生伸缩现象。利用压电晶片的这一特性，把伸缩振动加载被检测工件上，工件材料质点就会产生振动，从而产生超声波。超声波的接收过程，则是与超声波发射相反的过程，当超声波回波传回到被检材料表面时带动表面产生振动，反过来促使压电晶片随之发生伸缩动作，因而在压电晶片的电极间产生会微小的电压信号。对此小电压信号进行信号放大及滤波处理，就可在显示器上进行超声波回拨的观察和测定。

1.2 新型水浸超声探伤系统结构

该新型水浸超声检测系统由工控机、超声发射接收模块、运动执行机构、探头、水箱等组成。超声发射接收模块是进行超声检测的核心部件，而探头是探伤系统的外部接口。超声发射接收模块主要作用是激励探头发射超声波，同时将探头接收的超声波回波信号进行采集及小信号处理，将被测工件内部缺陷情况通过工控机以图形方式显示出来，从而观测被探工件内部有无缺陷，以及缺陷位置和缺陷大小等信息，以此来评价被检测工件的质量情况。探头安装在运动执行机构上，可自动执行工控机存储的探伤扫描程序。被探工件放置在水箱工作台上和探头通过水耦合进行缺陷检测（图1）。

图1 数字化水浸超声探伤系统结构原理图

2 超声波发射接收模块

超声发射接收模块以模拟式超声探伤仪为基础，基本功能主要包括超声波的发射、接受，和对接收到的超声回波信号进行采样、压缩、去噪等处理，采用DS P技术对界面回波和由缺陷引起的回波进行信号处理等。此外还具有闸门控制、滤波器、计算机接口等功能。模块基本电路构成如图2所示。

图2 超声波发射接收模块电路原理图

3 运动执行机构

根据饼盘件的实际情况,研制了一套水浸超声探伤系统的自动执行机构。设计了机械传动与探头A B双摆头支架等机构，设计了检测过程自动控制装置，该机构带动探头运动，实现自动探伤扫描过程。A B双摆头支架结构示意图如图3所示。

4 超声探伤系统软件

超声探伤系统软件从功能上可分为两大模块：超声信号处理模块和运动控制模块，如图4所示。超声信号处理模块包含超声发射参数设定、闸门校准、超声回波信号采集、小波去噪、波形显示、缺陷定位、T C G校准等主要功能模块；运动控制模块主要包含扫描路径规划、运动参数设定、运动安全性监测、手动/自动控制等主要功能。

图3 A B双摆头结构示意图

图4 超声探伤系统软件结构图

5 结语

本文以研究和设计实现一种新型数字水浸超声探伤系统为主要内容，分析了超声探伤系统结构原理；为提高回波信号处理速度，设计专用硬件电路进行信号处理；通过设计A B双摆头结构对被检测件实现更好的扫描路径规划；此外，专用的超声探伤系统软件能更便捷的进行扫描操作及缺陷定位，界面直观且易于操作。根据扫描图像，操作人员可以对被检测件的质量进行准确的判断，为饼盘件内部质量提供有力依据。

[1沈功田，张万岭，压力容器无损检测技术综述[J].无损检测，2 0 0 4,2 6(1):3 7~4 1.

[2]史亦韦，超声检测[M]，北京：机械工业出版社，2 0 0 5(8):1.

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沈阳市科技计划项目。

项目编号：F 1 5-0 0 8-2-0 0