專利名稱：連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金材料無損檢測(NDT)領(lǐng)域，涉及到使用超聲波檢查連鑄坯內(nèi)部夾雜(渣)物的進(jìn)行檢查的方法。
背景技術(shù)：
通過“超純凈、超均勻、超細(xì)化”提高鋼的綜合性能是一種常用工藝手段，但是存在許多因素會影響到鋼材的純凈度，比如卷渣、連鑄偏流，進(jìn)而影響鋼材的質(zhì)量。夾雜(渣)物是直接影響鋼材純凈度的物質(zhì)，對鋼材的性能產(chǎn)生很大影響，控制夾雜(渣)物的含量非常重要。一般來說，鋼的純凈度主要取決于鋼中雜質(zhì)含量、鋼中夾雜物大小程度、夾雜物的分布情況、鋼中夾雜物的類型，但是目前無論是在連鑄生產(chǎn)線上，還是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)都沒有有效的手段來對鋼的宏觀清潔度進(jìn)行檢測。
眾所周知，定量金相是普遍使用的用來檢查鋼材中的夾雜物的方法，但是金相檢驗(yàn)的辦法是無法對鋼材整體的夾雜物情況進(jìn)行快速檢查的，首先，金相檢查取樣面積小。金相檢驗(yàn)放大倍率一般在50×～1000×之間，受制樣條件的限制，一般樣品面積約為幾cm2左右。其次，金相是二維平面檢驗(yàn)，不能檢查體積內(nèi)部的夾雜(渣)情況。金相檢查是二維的平面上的檢查，對檢查結(jié)果而言無深度概念。如果要在5mm的深度范圍內(nèi)全面檢查尺寸約為50μm左右的夾雜物，則至少要磨100個金相鏡面才行。若以金相手段來對一塊100mm×200mm×5mm的鋼板體積內(nèi)的尺寸在50μm左右的夾雜物進(jìn)行檢查的話，以金相試樣面積為通常的5cm2來計，在理想的狀態(tài)下，則至少要磨拋并觀察4000個金相鏡面才能實(shí)現(xiàn)。而這個工作量，即使對于熟練的金相工作者，至少也需3個月才能完成。而且，在這樣的情況下，還難以保證不出現(xiàn)遺漏。由此可見，用金相方法對體積檢查，工作量巨大，難以實(shí)現(xiàn)。另外，隨著現(xiàn)代煉鋼水平逐步提高，大的有害非金屬夾雜物出現(xiàn)的越來越少，所以用金相手段找到它們的機(jī)率也越來越小。
由此可見，金相方法雖然能夠檢查鋼中的夾雜物，但是卻不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代鋼材生產(chǎn)迫切需要的全面快速的檢查鋼材中夾雜物情況(宏觀清潔度)的檢測要求，它對鋼材的檢測結(jié)果是很不徹底的，不全面的，無代表性的，不能對鋼材整體的夾雜物情況(宏觀清潔度)進(jìn)行檢測。
超聲波應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域已經(jīng)有很長歷史，并且在醫(yī)療、成像、建筑、電力等各行業(yè)應(yīng)用廣泛，對于超聲波檢測已經(jīng)有了許多相關(guān)的探傷標(biāo)準(zhǔn)，但是這些標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)大多是針對宏觀的探傷應(yīng)用的，近年來，在電子、信息等行業(yè)推動下，超聲檢測正在進(jìn)行著快速發(fā)展，但是在使用超聲波檢測微觀尺寸缺陷的應(yīng)用領(lǐng)域，還是一個比較新的工作。尤其是在使用無損檢測的方法來檢查鋼材內(nèi)部的夾雜(渣)物缺陷方面，還沒有公開的技術(shù)或?qū)＠?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置和方法，實(shí)現(xiàn)對不同工藝或鋼種的連鑄坯材料的清潔度狀況進(jìn)行快速、全面的檢查。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置，它包括，底座，其底部設(shè)有水平調(diào)節(jié)螺釘；固定框架，位于底座上，包括上橫梁、固定支架；二維弧擺臺，設(shè)置于底座上、固定框架內(nèi)，二維弧擺臺的θX和θY方向的一端均安裝有一帶調(diào)節(jié)旋鈕的步進(jìn)電機(jī)；水槽，固定于二維弧擺臺上；試樣鉗臺，安裝于水槽中；掃查機(jī)構(gòu)，裝設(shè)于固定框架上，其包括，聯(lián)軸節(jié)箱，固定于固定框架的上橫梁，其上設(shè)有導(dǎo)軌；步進(jìn)電機(jī)，設(shè)置于聯(lián)軸節(jié)箱上部；Z軸方向滑座，滑設(shè)于導(dǎo)軌上，滾珠絲杠，與一端聯(lián)接于Z軸方向滑座，另外一端連接于步進(jìn)電機(jī)；Z軸方向調(diào)節(jié)手輪，聯(lián)接于滾珠絲杠一端；超聲探頭固定桿架，套設(shè)于滾珠絲杠，與絲杠螺紋配合；Y軸方向調(diào)節(jié)手輪，設(shè)置于固定框架的上橫梁Y軸方向；X軸方向調(diào)節(jié)手輪，設(shè)置于固定框架的上橫梁X軸方向；超聲探頭，固定于超聲探頭固定桿架上。
所述的試樣鉗臺包括，固定鉗口，其一端設(shè)有一軸承套；活動鉗口，通過絲杠及滑動軸聯(lián)接于固定鉗口；絲杠，一端穿過軸承套以及水槽壁，并突伸出水槽，該端部依次設(shè)有螺釘、棘輪A、棘輪B、彈簧以及螺絲座；絲杠與水槽壁聯(lián)接處還設(shè)有密封套以及相應(yīng)的型密封圈、螺釘、軸用彈性卡簧。
所述的軸承套為自潤滑軸承套。
本發(fā)明的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測方法，其包括如下步驟a)首先超聲波探頭上產(chǎn)生超聲脈沖波，該脈沖超聲波經(jīng)過固定在連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置上的水槽中的水溶液的耦合作用，進(jìn)入了浸沒在水溶液中的連鑄坯試樣中；在試樣內(nèi)傳播的超聲波，如果遇到缺陷或夾雜(渣)物，聲波便被反射；b)針對采集到的超聲回波信號序列，針對夾雜(渣)物反射超聲回波信號的非穩(wěn)態(tài)特性，采用多分辨率分析的方法在不同的頻率范圍內(nèi)對原始超聲回波信號序列進(jìn)行分解分析，選擇合理的時頻分析消除噪聲規(guī)則，來對經(jīng)過分解后的原始超聲回波信號進(jìn)行處理；c)最后將經(jīng)過處理后的信號重構(gòu)，生成與原始超聲回波信號序列相同長度的信號，將經(jīng)過處理得到的信號與生產(chǎn)單位使用的判傷標(biāo)準(zhǔn)相比較，進(jìn)行是否夾雜(渣)物的判定，最終形成按照樣品表面分布的夾雜(渣)物平面分布圖，最終實(shí)現(xiàn)輸出。
超聲探頭采用窄脈沖探頭，以提高檢查設(shè)備的分辨率，提高回波信號，使回波能量集中，探頭選用5M～50M的工作頻率；使聲能集中在盡可能小的焦點(diǎn)處，采用聚焦探頭，這樣可通過調(diào)節(jié)探頭與待檢試樣的距離，使待檢目標(biāo)處于聚焦區(qū)，來獲得最大的檢測靈敏度。
由于需要檢測的是連鑄坯內(nèi)夾雜(渣)物的空間分布狀況且夾雜物的尺寸在幾十個微米左右，另外，有的被檢試樣過一段時間后需進(jìn)行再次檢測，這樣對于超聲檢測探頭的運(yùn)動精度以及檢測試樣的空間放置位置和裝夾方式就提出了很高的要求，因此，構(gòu)建高精度的連鑄坯清潔度檢測臺是實(shí)現(xiàn)清潔度檢測的關(guān)鍵所在。
連鑄坯清潔度的檢測過程先根據(jù)試樣的大小將試樣鉗臺活動鉗口擺放在試樣鉗臺的適當(dāng)位置上，接著旋轉(zhuǎn)試樣鉗臺旋鈕，通過位于旋鈕內(nèi)的棘輪用恒力將被測試樣固定在位于水槽中的試樣鉗臺上，通過計算機(jī)控制掃查機(jī)構(gòu)X軸和Y軸方向的步進(jìn)電機(jī)，使超聲探頭在XY平面上置“零”(該“零”位位于二維弧擺臺弧擺圓心正上方)，用計算機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或手輪調(diào)節(jié)超聲探頭在Z軸方向的位置，使其與被測試樣之間達(dá)到最佳工作距離，接著在X軸方向上將超聲探頭移動到試樣接近外輪廓處，并調(diào)節(jié)二維弧擺臺在θY方向的俯仰角，使試樣接近外輪廓處與探頭之間的距離與試樣在弧擺中心處的距離一致，用同樣的方法調(diào)節(jié)θX使試樣表面與探頭檢測平面之間達(dá)到平行，接著確定馬達(dá)的步進(jìn)角和步進(jìn)角度范圍，使馬達(dá)每步進(jìn)一步所帶動滾珠絲杠運(yùn)動的步進(jìn)量要滿足系統(tǒng)所要達(dá)到的橫向分辨率，并使X、Y方向掃描的有效行程可足夠覆蓋所要掃描檢查試樣的表面積，最后在用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動超聲探頭運(yùn)動的同時，用超聲探頭對連鑄坯進(jìn)行檢測。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動與超聲探頭采樣速率的匹配，該檢測臺與計算機(jī)之間配有接口電路，可以為探頭信號接收處理系統(tǒng)提供探頭所處空間位置的編碼信息，并通過相應(yīng)的控制軟件來協(xié)調(diào)探頭采樣與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動之間的一致性。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)、X軸、Y軸和Z軸檢測掃查運(yùn)動機(jī)構(gòu)均采用滾珠絲杠加直線滾珠軸承的形式，無低速爬行現(xiàn)象，運(yùn)動精度高。
2)、檢測掃查運(yùn)動機(jī)構(gòu)每一運(yùn)動軸的滾珠絲杠一端均與帶手輪的步進(jìn)電機(jī)柔性聯(lián)接，其中X軸、Y軸的另一端還有一手輪直接與滾珠絲杠相聯(lián)接，每一運(yùn)動軸的運(yùn)動既可手動旋轉(zhuǎn)手輪實(shí)現(xiàn)又可通過計算機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。
3)檢測掃查運(yùn)動機(jī)構(gòu)的三軸均采用步進(jìn)角1.44°/0.72°的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，在用計算機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制的情況下，其運(yùn)動分辨率可達(dá)微米級。
4)、二維弧擺臺的θX和θY方向的一端均安裝有一帶調(diào)節(jié)旋鈕的步進(jìn)電機(jī)，在檢測掃查Z軸鎖緊狀態(tài)下，對被測試樣表面與超聲探頭運(yùn)動平面的平行性進(jìn)行調(diào)節(jié)時，既可通過手動也可通過計算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。
5)、試樣鉗臺旋鈕內(nèi)安裝有棘輪和彈簧，以保障每次夾緊試樣時所施加的夾緊力是一致。
6)、試樣鉗臺活動鉗口是可以移動的，以便對不同大小的試樣進(jìn)行固定后，均可保證試樣上有一個點(diǎn)與二維弧擺臺的弧擺圓心重合。
7)、在檢測過程中，可利用步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩的功能實(shí)現(xiàn)掃查機(jī)構(gòu)上Z軸方向和二維弧擺臺的鎖緊，從而使超聲探頭與被測試樣之間的聯(lián)結(jié)可看作剛性聯(lián)結(jié)，大大降低了掃查機(jī)構(gòu)上X軸和Y軸方向步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時產(chǎn)生的振動對檢測結(jié)果的影響。
本發(fā)明提供了一種用于連鑄坯清潔度檢測的高精度檢測臺，該檢測臺能檢測出連鑄坯內(nèi)微小夾雜物的空間分布狀況，可用于連鑄坯清潔度狀況的評價，進(jìn)而協(xié)助實(shí)現(xiàn)連鑄坯宏觀清潔度的快速無損檢測。
本發(fā)明中關(guān)于清潔度檢測用檢測臺，在冶金領(lǐng)域最好的實(shí)施例是進(jìn)行連鑄坯的清潔度無損檢測。連鑄坯在鑄造過程中由于卷渣或連鑄偏流，不可避免地存在著一定程度的夾渣，如何檢測出鑄坯中雜質(zhì)的含量、夾雜(渣)物的大小程度和分布情況以及夾雜(渣)物的類型，進(jìn)而確定出連鑄坯的純凈度，對工藝研究的技術(shù)人員是很有意義的。本連鑄坯清潔度檢測臺可實(shí)現(xiàn)連鑄坯的清潔度無損檢測，為確定連鑄坯的純凈度提供依據(jù)。
本發(fā)明提出的用于連鑄坯中夾雜(渣)物超聲回波信號的處理方法可以降低樣品表面干擾等影響因素，提高檢測的信噪比，實(shí)現(xiàn)連鑄坯宏觀清潔度的快速無損檢測。


圖1為本發(fā)明連鑄坯宏觀清潔度超聲檢測系統(tǒng)；圖2為本發(fā)明連鑄坯清潔度檢測裝置主體；圖3為本發(fā)明帶活動鉗臺水槽的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為連鑄坯清潔度分析儀原理框圖；圖5為連鑄坯清潔度檢查裝置的檢測處理流程；圖6為弱反射情況下的信號處理流程；圖7為子波濾波濾除噪聲流程圖，f為原始信號，w為噪聲信號，它們疊加在一起形成信號S；圖8為檢測的原始信號；圖9為經(jīng)過小波5個尺度分解后的粗糙系數(shù)重構(gòu)信號；圖10為經(jīng)過小波分解后第5個尺度的細(xì)節(jié)信號重構(gòu)信號；圖11為經(jīng)過小波分解后第4個尺度的細(xì)節(jié)信號重構(gòu)信號；
圖12為經(jīng)過小波分解后第3個尺度的細(xì)節(jié)信號重構(gòu)信號；圖13為經(jīng)過小波分解后第2個尺度的細(xì)節(jié)信號重構(gòu)信號；圖14為經(jīng)過小波分解后第1個尺度的細(xì)節(jié)信號重構(gòu)信號；圖15為原始信號經(jīng)過處理后重構(gòu)得到的信號；圖16為自適應(yīng)抵消器的原理圖；圖17為本發(fā)明實(shí)施例中經(jīng)加工后連鑄坯試樣外觀形貌；圖18為采用中心頻率20MHz焦距為17mm的換能器對1#試樣在掃查步長為50μm×50μm時的掃查結(jié)果，水層厚度為7mm；圖19為對試樣金相解剖后的不同夾雜物形態(tài)。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，連鑄坯宏觀清潔度超聲檢測系統(tǒng)的構(gòu)成，其包括帶高頻聚焦超聲探頭的水浸式連鑄坯清潔度檢測裝置、脈沖超聲信號發(fā)射/接收處理器、數(shù)據(jù)采集卡、連鑄坯宏觀清潔度分析儀。
再請參見圖2、圖3，本發(fā)明的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置，它包括，底座24，其底部設(shè)有水平調(diào)節(jié)螺釘25；固定框架19，位于底座24上，包括上橫梁191、固定支架192；二維弧擺臺22，設(shè)置于底座24上、固定框架19內(nèi)，二維弧擺臺22的θX和θY方向的一端均安裝有一帶調(diào)節(jié)旋鈕的步進(jìn)電機(jī)20、21；水槽17，固定于二維弧擺臺22上；試樣鉗臺18，安裝于水槽17中；掃查機(jī)構(gòu)，裝設(shè)于固定框架19上，其包括，聯(lián)軸節(jié)箱3，固定于固定框架19的上橫梁191，其上設(shè)有導(dǎo)軌5；步進(jìn)電機(jī)2，設(shè)置于聯(lián)軸節(jié)箱3上部；Z軸方向滑座7，滑設(shè)于導(dǎo)軌5上；滾珠絲杠4，與一端聯(lián)接于Z軸方向滑座7，另外一端連接于步進(jìn)電機(jī)2；Z軸方向調(diào)節(jié)手輪1，聯(lián)接于滾珠絲杠4一端；超聲探頭固定桿架6，套設(shè)于滾珠絲杠4，與絲杠4螺紋配合；Y軸方向調(diào)節(jié)手輪10，設(shè)置于固定框架19的上橫梁191Y軸方向；X軸方向調(diào)節(jié)手輪11，設(shè)置于固定框架19的上橫梁191X軸方向；超聲探頭13，固定于超聲探頭固定桿架6上；所述的試樣鉗臺18包括，固定鉗口16，其一端設(shè)有一軸承套36，該軸承套36為自潤滑軸承套；活動鉗口14，通過絲杠38及滑動軸39聯(lián)接于固定鉗口16；絲杠38，一端穿過軸承套36以及水槽17壁，并突伸出水槽18，該端部依次設(shè)有螺釘26、棘輪A27、棘輪B28、彈簧29以及螺絲座30；絲杠38與水槽17壁聯(lián)接處還設(shè)有密封套33以及相應(yīng)的O型密封圈31、J型密封圈32、螺釘34、軸用彈性卡簧35。
本發(fā)明中設(shè)計的連鑄坯宏觀清潔度分析儀主要完成用于清潔度檢查時對連鑄坯清潔度檢查機(jī)械運(yùn)動行為的控制、實(shí)現(xiàn)信號采集、提出了有效的用于連鑄坯宏觀清潔度檢查的處理、提取有用信號的數(shù)字信號處理方法、及檢測結(jié)果評價處理、輸出的方法。連鑄坯宏觀清潔度分析儀可以在檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，按夾雜物大小級別分別給出缺陷信號總數(shù)，計算出受檢試樣的清潔度指標(biāo)，生成的檢測分析結(jié)果可以顯示、存儲、并按要求格式打印輸出。
參見圖4，其為連鑄坯清潔度分析儀原理框圖，脈沖發(fā)射/接受單元主要由同步電路、發(fā)射電路、接收電路、時基電路、延遲電路等組成。
首先由同步電路產(chǎn)生周期性的同步脈沖信號，該同步脈沖信號不僅用來控制發(fā)射電路產(chǎn)生一個上升時間短、脈沖窄、幅度大的電脈沖，還用來觸發(fā)其它功能電路有條不紊地工作。同步電路為電阻及電容可調(diào)的多諧振蕩器，使重復(fù)頻率在不產(chǎn)生脈沖信號之間的干擾前提下可連續(xù)變化，并且提供足夠高的重復(fù)頻率。同步電路產(chǎn)生周期性的同步脈沖信號觸發(fā)發(fā)射電路產(chǎn)生的高頻脈沖波被加到超聲波探頭上產(chǎn)生超聲脈沖波，即，同步電路產(chǎn)生的脈沖波觸發(fā)發(fā)射電路中的可控硅管，使發(fā)射電路電容中存儲的能量得以釋放，產(chǎn)生一個短脈沖，加到超聲換能器上并且激勵換能器探頭發(fā)射出脈沖超聲波，該脈沖超聲波經(jīng)過固定在水浸式連鑄坯清潔度檢查機(jī)械裝置上的水槽中的水溶液的耦合作用，進(jìn)入了浸沒在水溶液中的連鑄坯試樣中。在試樣內(nèi)傳播的超聲波，如果遇到缺陷或夾雜(渣)物，聲波便被反射。
接收電路用以將反射回波信號加以放大，包括衰減器、高頻放大器、檢波器、深度補(bǔ)償?shù)入娐?，其動態(tài)范圍可以保證足夠大的不失真輸出幅度。在接收電路中，采用Γ型(細(xì)調(diào))與∏型網(wǎng)絡(luò)(粗調(diào))結(jié)合的方式，可以使衰減器衰減量準(zhǔn)確，抗干擾性好，輸入輸出阻抗保持不變、電路頻帶寬度可以覆蓋儀器的標(biāo)稱頻帶寬度。高頻放大器是接受電路中的關(guān)部件，增益高，高頻放大后的超聲回波信號一方面通過檢波后再經(jīng)過視頻放大來調(diào)制示波管的Y向掃描信號，用以即時顯示檢測動態(tài)A掃描結(jié)果；另一方面經(jīng)由采樣電路，高速A/D轉(zhuǎn)換電路后將信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。
圖5為連鑄坯清潔度檢查流程圖，由連鑄坯清潔度檢測裝置實(shí)施對加工的試樣進(jìn)行檢測，檢測裝置主要涉及到運(yùn)動控制、超聲檢測信號控制、檢測信號控制采集以及波形控制，采集到的原始信號可以平均處理來作出初步的消除噪聲處理，讀入內(nèi)存的數(shù)據(jù)經(jīng)過程序處理后可以同時以位圖格式直接以投影方式將試樣中的夾雜(渣)物輸出顯示。并且同時可以在硬盤上打開數(shù)據(jù)文件，將檢測過程中得到的數(shù)據(jù)寫入檢測結(jié)果文件。清潔度檢查是在經(jīng)過校準(zhǔn)后的試驗(yàn)條件下進(jìn)行的。經(jīng)過處理的2次數(shù)據(jù)可以再次以位圖形式按照投影方式將試樣中的夾雜(渣)物輸出顯示。檢測報告最終總結(jié)檢測條件、得到的被檢連鑄坯材料的清潔度指標(biāo)。最后通過計算機(jī)程序作出信號的驗(yàn)收/拒收處理，并按照檢查要求作出各種顯示，相應(yīng)于檢查面繪出直觀的缺陷分布圖，最后將檢查結(jié)果存儲，出具檢驗(yàn)報告，打印輸出。
本發(fā)明的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測方法，其包括如下步驟a)首先超聲波探頭上產(chǎn)生超聲脈沖波，該脈沖超聲波經(jīng)過固定在連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置上的水槽中的水溶液的耦合作用，進(jìn)入了浸沒在水溶液中的連鑄坯試樣中；在試樣內(nèi)傳播的超聲波，如果遇到缺陷或夾雜(渣)物，聲波便被反射；b)針對采集到的超聲回波信號序列，針對夾雜(渣)物反射超聲回波信號的非穩(wěn)態(tài)特性，采用多分辨率分析的方法在不同的頻率范圍內(nèi)對原始超聲回波信號序列進(jìn)行分解分析，選擇合理的時頻分析消除噪聲規(guī)則，來對經(jīng)過分解后的原始超聲回波信號進(jìn)行處理；c)最后將經(jīng)過處理后的信號重構(gòu)，生成與原始超聲回波信號序列相同長度的信號，將經(jīng)過處理得到的信號與生產(chǎn)單位使用的判傷標(biāo)準(zhǔn)相比較，進(jìn)行是否夾雜(渣)物的判定，最終形成按照樣品表面分布的夾雜(渣)物平面分布圖，最終實(shí)現(xiàn)輸出。
本發(fā)明的提高信噪比并實(shí)現(xiàn)夾雜(渣)物目標(biāo)判定的方法，以此為依據(jù)來實(shí)現(xiàn)對夾雜(渣)物的標(biāo)識和判定，即先經(jīng)過子波信號予處理來降低檢測得到的超聲回波信號的噪聲、達(dá)到提高信噪比的目的，然后將重構(gòu)后的信號根據(jù)自定的判傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行是否夾雜(渣)物的判定。通過連鑄坯清潔度分析儀，可以實(shí)現(xiàn)信號采集、信號平均、信號時頻分析、與判傷標(biāo)準(zhǔn)的比較、探傷結(jié)果分布輸出及報輸出。信號采集基本轉(zhuǎn)換頻率為檢測頻率的5～10倍，8位信號幅值量化。通過信號平均初步消除隨機(jī)干擾噪聲信號。連鑄坯清潔度分析裝置首先針對采集到的超聲回波信號序列，針對夾雜(渣)物反射超聲回波信號的非穩(wěn)態(tài)特性，采用多分辨率分析的方法在不同的頻率范圍內(nèi)對原始超聲回波信號序列進(jìn)行分解分析，選擇合理的時頻分析消除噪聲規(guī)則，來對經(jīng)過分解后的原始超聲回波信號進(jìn)行處理。最后將經(jīng)過處理后的信號重構(gòu)，生成與原始超聲回波信號序列相同長度的信號。鑒別器將經(jīng)過處理得到的信號與生產(chǎn)單位使用的判傷標(biāo)準(zhǔn)相比較，最終形成按照樣品表面分布的夾雜(渣)物平面分布圖，最終實(shí)現(xiàn)輸出。
參見圖6，以弱反射情況下的信號處理流程為例由于回波信號為模擬信號，為了在回波信號強(qiáng)度不足的時候，在后續(xù)步驟中進(jìn)行子波變換等數(shù)字信號處理，在上述步驟中，首先將超聲回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這樣的好處是便于對信號進(jìn)行進(jìn)一步處理，來提高信噪比。
接著判斷是否需要進(jìn)行噪聲濾除處理，如果判斷結(jié)果為“是”，則進(jìn)入下一個步驟，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行噪聲濾除處理并且結(jié)合圖7作進(jìn)一步的處理。
濾除噪聲可以采用多種方法，本發(fā)明利用子波變換方法。將所述超聲回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；使用子波分析方法濾除噪聲信號；用平滑函數(shù)對數(shù)字信號進(jìn)行平滑處理；對經(jīng)過平滑處理后的數(shù)字信號進(jìn)行求導(dǎo)；根據(jù)經(jīng)過求導(dǎo)運(yùn)算后的數(shù)字信號的極值位置確定缺陷。
以下結(jié)合圖12對利用子波變換方法進(jìn)行噪聲濾除處理的方式作進(jìn)一步的描述。
在圖7中，f為原始信號，w為噪聲信號，它們疊加在一起形成信號S。
圖7為子波濾波濾除噪聲流程。
為了在將信號中噪聲w的成分消除，如圖7所示，其步驟如下(a)首先進(jìn)入子波域表示步驟，將信號S在子波域內(nèi)表示，也即選定一定形式的子波變換對數(shù)字信號S進(jìn)行N層子波分解以得到N層分解系數(shù)，其形式例如可采用以下(1)～(4)所示的子波變換函數(shù)
WTs(a,b)=1a∫-∞∞s(t)ψ*(t-ba)dt=⟨s(t),ψa,b(t)⟩---(1)]]>其中，ψ(t)為窗函數(shù)，t為時間，常數(shù)a和b分別為尺度參數(shù)和平移參數(shù)，S(t)為所述數(shù)字化以后的原始信號，ψa,b(t)=1aψ(t-ba)]]>為子波變換的基函數(shù)；所述子波變換的基函數(shù)ψa，b(t)經(jīng)取a=a0j]]>和b=ka0jb0]]>離散化，并取離散化參數(shù)a0＝2和b0＝1后，得到下列離散化子波窗函數(shù)ψj，k(t)＝2j/2ψ(2jt-k) (2)其中，j和k為自然數(shù)， t′＝2jt-k (4)比如圖8為經(jīng)過數(shù)字化以后的原始信號，圖9為經(jīng)過小波5個尺度分解后的粗糙系數(shù)重構(gòu)信號，對應(yīng)的是信號中的低頻段的信號情況，圖10-圖14分別為經(jīng)過小波5個尺度分解后的不同尺度上的細(xì)節(jié)系數(shù)重構(gòu)信號，對應(yīng)的是在超聲信號聲程范圍內(nèi)從低頻段到高頻段不同頻率段的信號情況。
(b)然后，進(jìn)入降噪處理步驟，對分解系數(shù)進(jìn)行降噪處理。降噪處理可以采用如下兩種方式，一種稱為作用閾值過程，即，僅保留選定的分解系數(shù)而將其他的分解系數(shù)置為零，并且如果所述選定的分解系數(shù)的模值小于其對應(yīng)的閾值，則置零，否則保持不變；另一種方式稱為掩碼算子過程，即，僅保留特定的分解系數(shù)而將其他的分解系數(shù)置為零。在降噪處理步驟中，對每個分解系數(shù)采用上述兩種處理方式。
(c)最后，進(jìn)入重建步驟，將降噪處理后的分解系數(shù)通過子波重建恢復(fù)為原始信號。根據(jù)步驟(b)處理后得到的分解系數(shù)重建恢復(fù)所述數(shù)字信號。
圖15為原始信號經(jīng)過上述(b)(c)步驟處理后，重構(gòu)得到的聲程信號，對比圖8中的原始信號來看，信號的信噪比比原始信號的信噪比有明顯增強(qiáng)，缺陷位置的判斷也非常清晰。
圖15為原始信號經(jīng)過處理后重構(gòu)得到的信號，可以看出信噪比提高明顯。
在圖6的對弱反射信號的信號處理流程中，經(jīng)過信號噪聲濾除以后的步驟就是判斷是否需要消除缺陷反射波，如果判斷結(jié)果為“是”，則利用自適應(yīng)抵消器消除缺陷反射波并且完成后進(jìn)入下一個步驟，否則直接進(jìn)入平滑處理步驟。
圖16為自適應(yīng)抵消器的原理圖，利用本發(fā)明的方法，在上述步驟中利用自適應(yīng)抵消器消除界面反射波的步驟，其好處是可以消除被檢測試樣表面對檢測超聲信號的干擾。
如圖16所示，抵消器包含原始輸入與參考輸入，其中，原始輸入為通過AD轉(zhuǎn)換采集到的信號或者經(jīng)過噪聲濾除處理后的信號x(n)x(n)＝s(n)+v0(n) (5)這里，s(n)為不包含干擾的信號分量，v0(n)為干擾信號分量，也即缺陷反射波引起的信號分量。參考輸入為與干擾信號v0(n)相關(guān)而與信號s(n)不相關(guān)的信號分量v1(n)。原始輸入x(n)加至自適應(yīng)濾波器的dj端，參考輸入v1(n)則加至自適應(yīng)濾波器的xj輸入端。圖16中的自適應(yīng)濾波器AF接受誤差ej的控制調(diào)整wj，使得其輸出yj趨于等于dj中與它相關(guān)的v0(n)，因此ej作為dj與yj之差就接近于信號分量s(n)。
然后在圖6的流程中，用平滑函數(shù)θ(t)對AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號或者經(jīng)過上述步驟處理的數(shù)字信號x(t)進(jìn)行平滑處理從而得到數(shù)字信號y(t)。
采用下列函數(shù)作為平滑函數(shù)θ(t)=e-t22---(6)]]>這里，t為時間。
在隨后步驟中，對經(jīng)過平滑處理后的數(shù)字信號y(t)進(jìn)行求導(dǎo)以得到信號z(1)(t)z(1)(t)=ddty(t)---(7)]]>
上述步驟可以根據(jù)經(jīng)過求導(dǎo)運(yùn)算后的數(shù)字信號的極值位置確定缺陷。數(shù)字信號x(t)經(jīng)平滑后再求導(dǎo)等效于直接用平滑函數(shù)θ(t)的導(dǎo)數(shù)對數(shù)字信號x(t)作處理，或者等效于用平滑函數(shù)θ(t)的導(dǎo)數(shù)對數(shù)字信號x(t)作子波變換，因此，子波變換的極值對應(yīng)于原波形x(t)被θ(t)濾波后的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是波形變化最快之處，對應(yīng)由于缺陷而產(chǎn)生的缺陷回波。
值得指出的是，當(dāng)噪聲較小或探測設(shè)備的分辨率較高時，或者需要加快信號處理速度時，可以省略完成噪聲濾除處理的步驟和消除缺陷反射波的步驟，也即直接進(jìn)入平滑處理。
圖17為經(jīng)加工后連鑄坯試樣外觀形貌。
進(jìn)行連鑄坯宏觀清潔度檢查的工作條件如下試樣厚度(mm)4；檢測中心頻率(MHz)20；焦距(mm)17；掃查步長(μm)50×50；增益(dB)40；高通(MHz)12.5；低通(MHz)30；脈沖電壓(V)300；脈沖寬度(MHz)25；發(fā)射能量(uJ)470；通道閾值10％；圖18a為試樣經(jīng)過本發(fā)明檢查連鑄坯宏觀清潔度后得到的缺陷宏觀分布圖，可以看到整個樣品分布有一些彌散分布的夾雜，另外，圖右側(cè)中部有兩個較大的夾雜(渣)物；圖18b為缺陷的位圖細(xì)節(jié)像，可以看到兩個較大的夾雜(渣)物一個由長為8點(diǎn)，寬為6點(diǎn)構(gòu)成，共有25點(diǎn)；另一個較小，尺寸為10個點(diǎn)。根據(jù)掃查步長每點(diǎn)為50μm的長度，該處缺陷為夾渣，較大的一塊夾渣長度約為400μm，而寬度約為300μm。
圖18a、圖18b采用中心頻率20MHz焦距為17mm的換能器對1#試樣在掃查步長為50μm×50μm時的掃查結(jié)果，水層厚度為7mm。
圖19為對試樣金相解剖后的不同夾雜物形態(tài)，其中圖19a為與圖18b中右側(cè)較大塊狀夾渣相對應(yīng)的金相解剖形貌，其長度約為400μm，而寬度約為250μm，圖19b為與圖18b中左側(cè)較小塊狀夾渣相對應(yīng)的金相解剖形貌，其長度約為200μm，寬度約為80μm。
綜上所述，本發(fā)明提高信噪比并實(shí)現(xiàn)夾雜(渣)物目標(biāo)判定的方法，以此為依據(jù)來實(shí)現(xiàn)對夾雜(渣)物的標(biāo)識和判定，即先經(jīng)過子波信號予處理來降低檢測得到的超聲回波信號的噪聲、達(dá)到提高信噪比的目的，然后將重構(gòu)后的信號根據(jù)自定的判傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行是否夾雜(渣)物的判定。通過連鑄坯清潔度分析儀，可以實(shí)現(xiàn)信號采集、信號平均、信號時頻分析、與判傷標(biāo)準(zhǔn)的比較、探傷結(jié)果分布輸出及報警輸出。信號采集基本轉(zhuǎn)換頻率為檢測頻率的5～10倍，8位信號幅值量化。通過信號平均初步消除隨機(jī)干擾噪聲信號。連鑄坯清潔度分析裝置首先針對采集到的超聲回波信號序列，針對夾雜(渣)物反射超聲回波信號的非穩(wěn)態(tài)特性，采用多分辨率分析的方法在不同的頻率范圍內(nèi)對原始超聲回波信號序列進(jìn)行分解分析，選擇合理的時頻分析消除噪聲規(guī)則，來對經(jīng)過分解后的原始超聲回波信號進(jìn)行處理。最后將經(jīng)過處理后的信號重構(gòu)，生成與原始超聲回波信號序列相同長度的信號。鑒別器將經(jīng)過處理得到的信號與生產(chǎn)單位使用的判傷標(biāo)準(zhǔn)相比較，最終形成按照樣品表面分布的夾雜(渣)物平面分布圖，最終實(shí)現(xiàn)輸出。
權(quán)利要求
1.連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置，其特征是，它包括，底座，其底部設(shè)有水平調(diào)節(jié)螺釘；固定框架，位于底座上，包括上橫梁、固定支架；二維弧擺臺，設(shè)置于底座上、固定框架內(nèi)，二維弧擺臺的θX和θY方向的一端均安裝有一帶調(diào)節(jié)旋鈕的步進(jìn)電機(jī)；水槽，固定于二維弧擺臺上；試樣鉗臺，安裝于水槽中；掃查機(jī)構(gòu)，裝設(shè)于固定框架上，其包括，聯(lián)軸節(jié)箱，固定于固定框架的上橫梁，其上設(shè)有導(dǎo)軌；步進(jìn)電機(jī)，設(shè)置于聯(lián)軸節(jié)箱上部；Z軸方向滑座，滑設(shè)于導(dǎo)軌上，滾珠絲杠，與一端聯(lián)接于Z軸方向滑座，另外一端連接于步進(jìn)電機(jī)；Z軸方向調(diào)節(jié)手輪，聯(lián)接于滾珠絲杠一端；超聲探頭固定桿架，套設(shè)于滾珠絲杠，與絲杠螺紋配合；Y軸方向調(diào)節(jié)手輪，設(shè)置于固定框架的上橫梁Y軸方向；X軸方向調(diào)節(jié)手輪，設(shè)置于固定框架的上橫梁X軸方向；超聲探頭，固定于超聲探頭固定桿架上。
2.如權(quán)利要求1所述的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置，其特征是，所述的試樣鉗臺包括，固定鉗口，其一端設(shè)有一軸承套；活動鉗口，通過絲杠及滑動軸聯(lián)接于固定鉗口；絲杠，一端穿過軸承套以及水槽壁，并突伸出水槽，該端部依次設(shè)有螺釘、棘輪A、棘輪B、彈簧以及螺絲座；絲杠與水槽壁聯(lián)接處還設(shè)有密封套以及相應(yīng)的型密封圈、螺釘、軸用彈性卡簧。
3.如權(quán)利要求1所述的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置，其特征是，所述的軸承套為自潤滑軸承套。
4.連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測方法，其包括如下步驟a)首先超聲波探頭上產(chǎn)生超聲脈沖波，該脈沖超聲波經(jīng)過固定在連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測裝置上的水槽中的水溶液的耦合作用，進(jìn)入了浸沒在水溶液中的連鑄坯試樣中；在試樣內(nèi)傳播的超聲波，如果遇到缺陷或夾雜(渣)物，聲波便被反射；b)針對采集到的超聲回波信號序列，針對夾雜(渣)物反射超聲回波信號的非穩(wěn)態(tài)特性，采用多分辨率分析的方法在不同的頻率范圍內(nèi)對原始超聲回波信號序列進(jìn)行分解分析，選擇合理的時頻分析消除噪聲規(guī)則，來對經(jīng)過分解后的原始超聲回波信號進(jìn)行處理；c)最后將經(jīng)過處理后的信號重構(gòu)，生成與原始超聲回波信號序列相同長度的信號，將經(jīng)過處理得到的信號與生產(chǎn)單位使用的判傷標(biāo)準(zhǔn)相比較，進(jìn)行是否夾雜(渣)物的判定。
5.如權(quán)利要求1所述的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測方法，其特征是，將所述超聲回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
6.如權(quán)利要求1所述的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測方法，其特征是，利用子波變換分析方法。
7.如權(quán)利要求1所述的連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測方法，其特征是，超聲探頭采用窄脈沖探頭。
全文摘要
連鑄坯宏觀清潔度超聲波檢測方法，實(shí)現(xiàn)對夾雜(渣)物的標(biāo)識和判定，即首先針對采集到的超聲回波信號序列，針對夾雜(渣)物反射超聲回波信號的非穩(wěn)態(tài)特性，采用多分辨率分析的方法在不同的頻率范圍內(nèi)對原始超聲回波信號序列進(jìn)行分解分析，選擇合理的時頻分析消除噪聲規(guī)則，來對經(jīng)過分解后的原始超聲回波信號進(jìn)行處理。最后將經(jīng)過處理后的信號重構(gòu)，生成與原始超聲回波信號序列相同長度的信號；將經(jīng)過處理得到的信號與生產(chǎn)單位使用的判傷標(biāo)準(zhǔn)相比較，最終形成按照樣品表面分布的夾雜(渣)物平面分布圖。本發(fā)明的處理方法可以降低樣品表面干擾等影響因素，提高檢測的信噪比，實(shí)現(xiàn)連鑄坯宏觀清潔度的快速無損檢測。
文檔編號G01N29/24GK1959404SQ200510030928
公開日2007年5月9日 申請日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者張國星, 林偉軍, 胡會軍, 吳楠, 李小兵, 張海瀾, 華云松 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所