鑄鐵超聲探傷中基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明目的就是提供一種超聲波鑄鐵探傷的新方法——鑄鐵超聲探傷中基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法，該方法較常規(guī)鑄鐵探傷檢測(cè)能夠使系統(tǒng)得到更高信噪比、更快的重復(fù)發(fā)射頻率。該方法利用鑄鐵內(nèi)部晶粒特征中平均晶粒尺寸、晶體生長(zhǎng)方向?qū)Τ暽⑸浜退p的影響，造成帶有明顯晶粒特征的噪聲時(shí)頻特性和缺陷回波的頻散特性，給出了鑄鐵承壓設(shè)備超聲探傷中基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法，包括如何對(duì)噪聲和回波信號(hào)進(jìn)行分析并得到優(yōu)化分離譜參數(shù)，如何利用分離譜技術(shù)能夠很好的降低散射噪聲、提高超聲回波信號(hào)靈敏度。利用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?FPGA)的并行處理及可重構(gòu)特性，能夠進(jìn)一步提高探測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)性及靈活性。
【專利說(shuō)明】鑄鐵超聲探傷中基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及承壓鑄鐵設(shè)備超聲波檢測(cè)技術(shù)，尤其是分離譜技術(shù)在承壓鑄鐵設(shè)備超聲探傷應(yīng)用中的改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國(guó)擁有數(shù)萬(wàn)臺(tái)在役鑄鐵鍋爐和壓力容器，許多埋地燃?xì)夤艿酪矠殍T鐵材料。一旦這些在役的承壓鑄鐵設(shè)備發(fā)生事故，勢(shì)必會(huì)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全造成不可估量的損害。由于鑄鐵材料具有晶粒粗大、含碳量高、硬度高、韌性差等特點(diǎn)，鑄鐵承壓設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟的方法，因此，致力于研究一種更精確、更方便、更有效的鑄鐵探傷設(shè)備技術(shù)勢(shì)在必行。
[0003]工程實(shí)際中，承壓鑄鐵設(shè)備的缺陷超聲檢測(cè)有兩個(gè)主要問(wèn)題需要解決。首先，鑄鐵由于其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻、晶粒較大，超聲波傳播時(shí)衰減較大，易發(fā)生散亂反射，產(chǎn)生林狀或草狀回波，有用的回波信號(hào)極易湮沒(méi)在噪聲中無(wú)法識(shí)別，從而使得承壓鑄鐵設(shè)備探傷檢測(cè)的難度加大；還有一種情況就是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中使用的承壓鑄鐵設(shè)備大都是一些體積、規(guī)模較大的承壓設(shè)備，因此，如何有效的提高檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)效率，也成為鑄鐵探傷過(guò)程中一項(xiàng)重要的工程性指標(biāo)。
[0004]但分離譜方法對(duì)濾波器的數(shù)目、帶寬及相鄰濾波器的頻率間隔等參數(shù)的選擇十分敏感，這限制了該技術(shù)在實(shí)際中的使用。分離譜技術(shù)的另一不足之處是對(duì)每個(gè)信號(hào)都要改變參數(shù)，不太適合于在線檢測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]解決問(wèn)題:針對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題，承壓鑄鐵設(shè)備的缺陷超聲檢測(cè)中有兩個(gè)個(gè)主要的問(wèn)題需要解決:首先，對(duì)于晶粒粗大或聲衰減較大的鑄鐵材料檢測(cè)，如何通過(guò)分離譜技術(shù)有效解決聲能量在晶體界面的反射以及散射造成回波信號(hào)信噪比較低的問(wèn)題，并如何實(shí)現(xiàn)對(duì)所需的參數(shù)的優(yōu)化；其次，如何提高鑄鐵探傷設(shè)備的檢測(cè)效率以及靈活性，使其進(jìn)一步滿足鑄鐵材料探傷的工程實(shí)際需求，更加適合于設(shè)備的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，也成為鑄鐵探傷中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本發(fā)明的目的就是提供一種在鑄鐵承壓設(shè)備超聲探傷中基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜參數(shù)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)一步完善分離譜技術(shù)在鑄鐵超聲檢測(cè)中的應(yīng)用。該方法較常規(guī)鑄鐵超聲檢測(cè)能夠得到更高的信噪比、更高的檢測(cè)效率以及更高的靈活性，使檢測(cè)設(shè)備更加適合于在線檢測(cè)。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明特提出以下技術(shù)方案:
[0007]在鑄鐵超聲探傷中，晶粒的尺寸及取向會(huì)直接影響晶粒散射噪聲和回波信號(hào)的頻譜特性。通過(guò)對(duì)散射噪聲和回波信號(hào)的進(jìn)行頻譜分析，可得到一種基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜信號(hào)處理方法。當(dāng)采用分離譜技術(shù)提高回波信號(hào)的信噪比時(shí)，可以參考此特性來(lái)確定濾波器組中各個(gè)濾波器的參數(shù)。
[0008]一種改進(jìn)的基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜信號(hào)處理方法，其特征是:利用晶粒大小、晶粒取向特征參量對(duì)材料晶粒散射噪聲和回波信號(hào)的頻譜特性的影響，結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合一條回波基頻-平均晶粒尺寸參考曲線，從而為優(yōu)化濾波器帶寬、截止頻率和過(guò)渡帶這些參數(shù)提供一定的依據(jù)。
[0009]一種利用分離譜技術(shù)的超聲檢測(cè)方法的典型實(shí)現(xiàn)方法:整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯以及信號(hào)處理單元都是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷楹诵模闷淇芍貥?gòu)特性以及并行信號(hào)處理特性，有效地提高超聲檢測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)性和靈活性。
[0010]技術(shù)效果:理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，在確定濾波器組中濾波器的各個(gè)參數(shù)時(shí)，參考散射強(qiáng)度-平均晶粒尺寸曲線和回波基頻-平均晶粒尺寸曲線，能夠使檢測(cè)系統(tǒng)得到更高的信噪比從而提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。利用可編程邏輯器件的可重構(gòu)特性和對(duì)信號(hào)并行處理的能力，以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷榭刂坪托盘?hào)處理核心構(gòu)建一個(gè)鑄鐵超聲波探傷系統(tǒng)，能夠很好的滿足實(shí)際工程對(duì)系統(tǒng)靈活性、實(shí)時(shí)性方面的要求。在對(duì)20-50mm壁厚的承壓鑄鐵烘缸實(shí)際檢測(cè)中，采用改進(jìn)分離譜技術(shù)與未采用分離譜技術(shù)相比較噪聲降低了 5.6dB，信號(hào)靈敏度提高了 6.2dB ;與采用常規(guī)分離譜技術(shù)相比較，噪聲降低了 3.ldB，信號(hào)靈敏度提高了 4.2dB。采用并行可重構(gòu)技術(shù)后，發(fā)射重復(fù)頻率可提高至最高5KHz，實(shí)時(shí)性提高2-5倍(與檢測(cè)條件有關(guān))。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
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[0011]圖1是散射強(qiáng)度與試樣平均晶粒尺寸的關(guān)系示意圖。當(dāng)超聲波頻率一定時(shí)，晶粒的平均尺寸越大，導(dǎo)致信號(hào)的散射強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。當(dāng)晶粒尺寸一定時(shí)，改變探超聲波的頻率，信號(hào)的散射強(qiáng)度隨超聲波的頻率增高而增強(qiáng)。由此可知，通過(guò)選擇合適頻帶的晶體探頭，能夠在一定程度上降低信號(hào)的散射程度，改善信噪比。
[0012]圖2是回波基頻-平均晶粒尺寸示意圖。表面回波B1、第二次底面回波B2與試樣平均晶粒尺寸的關(guān)系。當(dāng)探頭的超聲波頻率一定時(shí)，BI和B2的基頻都是隨著平均晶粒的增大而逐漸減小，且由于材料內(nèi)部晶粒的散射效應(yīng)，B2的基頻比BI的基頻要低。當(dāng)平均晶粒尺寸一定時(shí)，不同探測(cè)頻率的超聲波的回波信號(hào)的基頻也不相同。參考此特性曲線，能夠?yàn)榉蛛x譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的濾波器數(shù)目、帶寬及相鄰濾波器的頻率間隔提供有效的參考依據(jù)。
[0013]圖3是系統(tǒng)框圖示意圖。嵌入式微處理器作為可重構(gòu)控制單元，按照信號(hào)流控制可重構(gòu)的并行頻譜分析IP核、可重構(gòu)并行濾波器組IP核、數(shù)據(jù)恢復(fù)重建IP核協(xié)調(diào)工作。

【具體實(shí)施方式】
[0014]承壓鑄鐵設(shè)備超聲波檢測(cè)中改進(jìn)分離譜方法的中心思想是:利用寬帶超聲波換能器進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，對(duì)超聲信號(hào)中回波和噪聲分布進(jìn)行頻譜分析，分析得出針對(duì)此類材料晶粒情況和檢測(cè)條件，結(jié)構(gòu)噪聲的頻域特征和回波信號(hào)的頻散特征，由此優(yōu)化確定濾波器組的帶寬、截止頻率和過(guò)渡帶參數(shù)，然后將超聲信號(hào)通過(guò)設(shè)定好的N個(gè)頻帶相互重疊的濾波器，將這些時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)基于某些特征的處理進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)，從而提高回波信號(hào)的信噪比和檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)靈敏度。
[0015]至于濾波器組的帶寬、截止頻率和過(guò)渡帶參數(shù)優(yōu)化，與工件材料的晶粒特征有關(guān)，材料晶粒散射噪聲的頻譜、回波信號(hào)的頻散與晶粒大小、晶粒取向角度存在一定關(guān)系，散射強(qiáng)度-平均晶粒尺寸關(guān)系曲線參見(jiàn)示意圖1，回波基頻-平均晶粒尺寸關(guān)系曲線參見(jiàn)示意圖2。
[0016]首先，按收到的超聲信號(hào)按照不同的時(shí)間窗進(jìn)行頻譜分析，時(shí)間窗的選取要分別包含噪聲信號(hào)和回波信號(hào)。這就需要在FPGA中實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的并行頻譜分析IP核。由此得出的噪聲頻譜參數(shù)、回波頻譜參數(shù)作為分離譜濾波器組中的帶寬、截止頻率和過(guò)渡帶參數(shù)，將此參數(shù)加載可重構(gòu)并行濾波器組IP核，對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波，這樣就可以得到的多組濾波后序列，此序列是抑制了工件材料的晶粒噪聲，并有效保留了回波頻散后的有用回波信號(hào)。然后此序列再進(jìn)入數(shù)據(jù)恢復(fù)重建IP核，完成數(shù)據(jù)恢復(fù)重新，信號(hào)得到了有效的處理，降低了噪聲，提高了靈敏度。
[0017]通過(guò)在FPGA中定制嵌入式微處理器、可重構(gòu)的并行頻譜分析IP核、可重構(gòu)并行濾波器組IP核、數(shù)據(jù)恢復(fù)重建IP核實(shí)現(xiàn)上述功能。嵌入式微處理器作為系統(tǒng)主控單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)IP核的調(diào)度和相關(guān)參數(shù)的傳遞加載?？芍貥?gòu)的并行頻譜分析IP核，包括時(shí)間窗參數(shù)加載和多路并行頻譜分析模塊，時(shí)間窗參數(shù)加載模塊用于根據(jù)檢測(cè)條件實(shí)時(shí)重構(gòu)加載時(shí)間窗參數(shù)，多路并行頻譜分析模塊用于實(shí)時(shí)并行的依據(jù)所加載參數(shù)進(jìn)行頻域分析，并得出相應(yīng)的特征參數(shù)?？芍貥?gòu)并行濾波器組IP核，包括濾波器組系數(shù)加載和多路并行濾波器模塊，濾波器組系數(shù)加載模塊用于根據(jù)可重構(gòu)的并行頻譜分析IP核得到的濾波器組系數(shù)序列實(shí)時(shí)重構(gòu)加載濾波器組系數(shù)，多路并行濾波器模塊用于實(shí)時(shí)并行的依據(jù)所加載濾波器系數(shù)進(jìn)行濾波，并得出相應(yīng)的濾波序列。數(shù)據(jù)恢復(fù)重建IP核用于將多個(gè)濾波序列按照統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理合成，得到最終低噪聲、高靈敏度的信號(hào)。其系統(tǒng)框圖如示意圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種承壓鑄鐵設(shè)備超聲探傷方法，其特征是:采用基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜信號(hào)處理方法。
2.如權(quán)利要求1所述的承壓鑄鐵設(shè)備超聲探傷方法，其特征是:基于晶粒特征的改進(jìn)分離譜算法所需的優(yōu)化參數(shù)包括:濾波器帶寬、截止頻率、過(guò)渡帶參數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的承壓鑄鐵設(shè)備超聲探傷方法，其特征是:改進(jìn)分離譜是采用多通道并行可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】G01N29/44GK104251888SQ201310263362
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】香勇, 劉義, 彭春, 彭波 申請(qǐng)人:碩德（北京）科技有限公司