铸铁超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱优化实现方法

铸铁超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱优化实现方法
【专利摘要】本发明目的就是提供一种超声波铸铁探伤的新方法——铸铁超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱优化实现方法，该方法较常规铸铁探伤检测能够使系统得到更高信噪比、更快的重复发射频率。该方法利用铸铁内部晶粒特征中平均晶粒尺寸、晶体生长方向对超声散射和衰减的影响，造成带有明显晶粒特征的噪声时频特性和缺陷回波的频散特性，给出了铸铁承压设备超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱参数优化实现方法，包括如何对噪声和回波信号进行分析并得到优化分离谱参数，如何利用分离谱技术能够很好的降低散射噪声、提高超声回波信号灵敏度。利用大规模可编程逻辑器件(FPGA)的并行处理及可重构特性，能够进一步提高探测设备的实时性及灵活性。
【专利说明】铸铁超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱优化实现方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及承压铸铁设备超声波检测技术，尤其是分离谱技术在承压铸铁设备超声探伤应用中的改进和参数优化方法。

【背景技术】
[0002]目前，我国拥有数万台在役铸铁锅炉和压力容器，许多埋地燃气管道也为铸铁材料。一旦这些在役的承压铸铁设备发生事故，势必会对国民经济以及现场工作人员的人身安全造成不可估量的损害。由于铸铁材料具有晶粒粗大、含碳量高、硬度高、韧性差等特点，铸铁承压设备的无损检测技术在国内外还没有成熟的方法，因此，致力于研究一种更精确、更方便、更有效的铸铁探伤设备技术势在必行。
[0003]工程实际中，承压铸铁设备的缺陷超声检测有两个主要问题需要解决。首先，铸铁由于其内部组织结构不均匀、晶粒较大，超声波传播时衰减较大，易发生散乱反射，产生林状或草状回波，有用的回波信号极易湮没在噪声中无法识别，从而使得承压铸铁设备探伤检测的难度加大；还有一种情况就是国民经济中使用的承压铸铁设备大都是一些体积、规模较大的承压设备，因此，如何有效的提高检测设备的检测效率，也成为铸铁探伤过程中一项重要的工程性指标。
[0004]但分离谱方法对滤波器的数目、带宽及相邻滤波器的频率间隔等参数的选择十分敏感，这限制了该技术在实际中的使用。分离谱技术的另一不足之处是对每个信号都要改变参数，不太适合于在线检测。


【发明内容】

[0005]解决问题:针对工程实际问题，承压铸铁设备的缺陷超声检测中有两个个主要的问题需要解决:首先，对于晶粒粗大或声衰减较大的铸铁材料检测，如何通过分离谱技术有效解决声能量在晶体界面的反射以及散射造成回波信号信噪比较低的问题，并如何实现对所需的参数的优化；其次，如何提高铸铁探伤设备的检测效率以及灵活性，使其进一步满足铸铁材料探伤的工程实际需求，更加适合于设备的在线实时检测，也成为铸铁探伤中一个亟待解决的问题。本发明的目的就是提供一种在铸铁承压设备超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱参数优化的实现方法，进一步完善分离谱技术在铸铁超声检测中的应用。该方法较常规铸铁超声检测能够得到更高的信噪比、更高的检测效率以及更高的灵活性，使检测设备更加适合于在线检测。
[0006]技术方案:为实现以上目的，本发明特提出以下技术方案:
[0007]在铸铁超声探伤中，晶粒的尺寸及取向会直接影响晶粒散射噪声和回波信号的频谱特性。通过对散射噪声和回波信号的进行频谱分析，可得到一种基于晶粒特征的改进分离谱信号处理方法。当采用分离谱技术提高回波信号的信噪比时，可以参考此特性来确定滤波器组中各个滤波器的参数。
[0008]一种改进的基于晶粒特征的改进分离谱信号处理方法，其特征是:利用晶粒大小、晶粒取向特征参量对材料晶粒散射噪声和回波信号的频谱特性的影响，结合大量实验数据，拟合一条回波基频-平均晶粒尺寸参考曲线，从而为优化滤波器带宽、截止频率和过渡带这些参数提供一定的依据。
[0009]一种利用分离谱技术的超声检测方法的典型实现方法:整个系统的控制逻辑以及信号处理单元都是以大规模可编程逻辑器件为核心，利用其可重构特性以及并行信号处理特性，有效地提高超声检测设备的实时性和灵活性。
[0010]技术效果:理论分析和实验证明，在确定滤波器组中滤波器的各个参数时，参考散射强度-平均晶粒尺寸曲线和回波基频-平均晶粒尺寸曲线，能够使检测系统得到更高的信噪比从而提高系统的检测灵敏度。利用可编程逻辑器件的可重构特性和对信号并行处理的能力，以大规模可编程逻辑器件为控制和信号处理核心构建一个铸铁超声波探伤系统，能够很好的满足实际工程对系统灵活性、实时性方面的要求。在对20-50mm壁厚的承压铸铁烘缸实际检测中，采用改进分离谱技术与未采用分离谱技术相比较噪声降低了 5.6dB，信号灵敏度提高了 6.2dB ;与采用常规分离谱技术相比较，噪声降低了 3.ldB，信号灵敏度提高了 4.2dB。采用并行可重构技术后，发射重复频率可提高至最高5KHz，实时性提高2-5倍(与检测条件有关)。

【专利附图】

【附图说明】
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[0011]图1是散射强度与试样平均晶粒尺寸的关系示意图。当超声波频率一定时，晶粒的平均尺寸越大，导致信号的散射强度呈上升趋势。当晶粒尺寸一定时，改变探超声波的频率，信号的散射强度随超声波的频率增高而增强。由此可知，通过选择合适频带的晶体探头，能够在一定程度上降低信号的散射程度，改善信噪比。
[0012]图2是回波基频-平均晶粒尺寸示意图。表面回波B1、第二次底面回波B2与试样平均晶粒尺寸的关系。当探头的超声波频率一定时，BI和B2的基频都是随着平均晶粒的增大而逐渐减小，且由于材料内部晶粒的散射效应，B2的基频比BI的基频要低。当平均晶粒尺寸一定时，不同探测频率的超声波的回波信号的基频也不相同。参考此特性曲线，能够为分离谱技术实现过程中的滤波器数目、带宽及相邻滤波器的频率间隔提供有效的参考依据。
[0013]图3是系统框图示意图。嵌入式微处理器作为可重构控制单元，按照信号流控制可重构的并行频谱分析IP核、可重构并行滤波器组IP核、数据恢复重建IP核协调工作。

【具体实施方式】
[0014]承压铸铁设备超声波检测中改进分离谱方法的中心思想是:利用宽带超声波换能器进行超声检测时，对超声信号中回波和噪声分布进行频谱分析，分析得出针对此类材料晶粒情况和检测条件，结构噪声的频域特征和回波信号的频散特征，由此优化确定滤波器组的带宽、截止频率和过渡带参数，然后将超声信号通过设定好的N个频带相互重叠的滤波器，将这些时域信号经过基于某些特征的处理进行信号恢复，从而提高回波信号的信噪比和检测设备的检测灵敏度。
[0015]至于滤波器组的带宽、截止频率和过渡带参数优化，与工件材料的晶粒特征有关，材料晶粒散射噪声的频谱、回波信号的频散与晶粒大小、晶粒取向角度存在一定关系，散射强度-平均晶粒尺寸关系曲线参见示意图1，回波基频-平均晶粒尺寸关系曲线参见示意图2。
[0016]首先，按收到的超声信号按照不同的时间窗进行频谱分析，时间窗的选取要分别包含噪声信号和回波信号。这就需要在FPGA中实现可重构的并行频谱分析IP核。由此得出的噪声频谱参数、回波频谱参数作为分离谱滤波器组中的带宽、截止频率和过渡带参数，将此参数加载可重构并行滤波器组IP核，对超声信号进行实时滤波，这样就可以得到的多组滤波后序列，此序列是抑制了工件材料的晶粒噪声，并有效保留了回波频散后的有用回波信号。然后此序列再进入数据恢复重建IP核，完成数据恢复重新，信号得到了有效的处理，降低了噪声，提高了灵敏度。
[0017]通过在FPGA中定制嵌入式微处理器、可重构的并行频谱分析IP核、可重构并行滤波器组IP核、数据恢复重建IP核实现上述功能。嵌入式微处理器作为系统主控单元，实现对IP核的调度和相关参数的传递加载。可重构的并行频谱分析IP核，包括时间窗参数加载和多路并行频谱分析模块，时间窗参数加载模块用于根据检测条件实时重构加载时间窗参数，多路并行频谱分析模块用于实时并行的依据所加载参数进行频域分析，并得出相应的特征参数。可重构并行滤波器组IP核，包括滤波器组系数加载和多路并行滤波器模块，滤波器组系数加载模块用于根据可重构的并行频谱分析IP核得到的滤波器组系数序列实时重构加载滤波器组系数，多路并行滤波器模块用于实时并行的依据所加载滤波器系数进行滤波，并得出相应的滤波序列。数据恢复重建IP核用于将多个滤波序列按照统计方法进行处理合成，得到最终低噪声、高灵敏度的信号。其系统框图如示意图3所示。
【权利要求】
1.一种承压铸铁设备超声探伤方法，其特征是:采用基于晶粒特征的改进分离谱信号处理方法。
2.如权利要求1所述的承压铸铁设备超声探伤方法，其特征是:基于晶粒特征的改进分离谱算法所需的优化参数包括:滤波器带宽、截止频率、过渡带参数。
3.如权利要求1所述的承压铸铁设备超声探伤方法，其特征是:改进分离谱是采用多通道并行可重构技术实现。
【文档编号】G01N29/44GK104251888SQ201310263362
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】香勇, 刘义, 彭春, 彭波 申请人:硕德（北京）科技有限公司