一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统及其检测方法
阅读说明：本技术 一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统及其检测方法 (Material defect detection system based on pulse reflection method and detection method thereof ) 是由 涂一航 程锦 李恩 赵建华 吴君豪 张云鹏 李吉 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统及其检测方法,属于无损检测技术领域。本发明检测系统采用逆向思路,利用定向耦合器输入端与耦合端具有一定的耦合度,输出端与耦合端具有高隔离度的传输特性,将信号源端接输出端、超声探头端接输入端、示波器端接耦合端,从而实现探头反射信号被示波器获取；并对检测信号采用小波分析方法进行分析,实现了对缺陷深度的精确判定,提升了材料无损检测能力范围、关键部位无损检测效率和准确度,为材料工艺改进提供无损检测技术保障。(The invention provides a material defect detection system based on a pulse reflection method and a detection method thereof, belonging to the technical field of nondestructive detection. The detection system adopts a reverse thought, utilizes the transmission characteristic that the input end and the coupling end of the directional coupler have certain coupling degree and the output end and the coupling end have high isolation degree, and connects a signal source with the output end, an ultrasonic probe with the input end and an oscilloscope with the coupling end, thereby realizing that a probe reflection signal is acquired by the oscilloscope; and the detection signals are analyzed by adopting a wavelet analysis method, so that the defect depth is accurately judged, the nondestructive testing capability range of the material, the nondestructive testing efficiency and accuracy of key parts are improved, and the nondestructive testing technical guarantee is provided for the improvement of the material process.)
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统及其检测方法。
背景技术
无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，无损检测的重要性已得到公认。目前的无损检测方法主要有射线检测(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)和液体渗透检测(PT)四种。
射线检测(RT)是利用各种射线源对材料的透射性能及不同材料对射线衰减程度的不同，使底片感光成黑度不同的图像来观察的。射线检测可用来检测产品内部的气孔、夹渣、铸造空洞等立体缺陷。其优点是检测结果科记录下来作为档案资料长期保存，检测图像比较直观，对缺陷尺寸和性质判断比较容易；缺点是当裂纹面与射线近于垂直时就很难检出，且对微小裂纹的检测灵敏度低、生产费用大、对人体有害，需要防护设备。磁粉检测(MT)是利用强磁性材料磁化后，磁力线遇到裂纹等缺陷时，会绕过缺陷而产生磁漏的现象来发现缺陷的。磁粉检测设备简单、操作方便、对于表面缺陷检测灵敏度高，缺陷较为直观；缺点是对物体内部缺陷不敏感。磁粉探伤适用于检测铁磁性材料表面和近表面尺寸很小、间隙极窄(如可检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹)目视难以看出的不连续性；不能检测奥氏体不锈钢材料和用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝，也不能检测铜、铝、镁、钛等非磁性材料。对于表面浅的划伤、埋藏较深的孔洞和与工件表面夹角小于20°的分层和折叠难以发现。渗透检测(P T)是利用液体渗透的物理性能，首先是着色渗透液或荧光渗透液射入表面开口的裂纹内，然后清除表面的残液，用吸附剂吸出裂纹内的渗透液，从而显现出缺陷图像的一种检测方法。缺点是不能检测产品内部缺陷，且试剂对环境有污染，具有一定的毒性；由于只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的实际深度，因而很难对缺陷做出定量评价，检出结果受操作者的影响也较大。
超声波检测(UT)的原理是通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。该检测方法适用于金属、非金属和复合材料等多种试件的无损检测；可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测，如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；而且缺陷定位较准确，对面积型缺陷的检出率较高；灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；并且检测成本低、速度快、设备轻便、对人体及环境无害，现场使用较方便。
因此，如何搭建系统来实现超声波检测就成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统及其检测方法。本发明检测系统采用逆向思路，利用定向耦合器输入端与耦合端具有一定的耦合度，输出端与耦合端具有高隔离度的传输特性，将信号源端接输出端、超声探头端接输入端、示波器端接耦合端，从而实现探头反射信号被示波器获取。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统，包括脉冲调制信号源、定向耦合器、超声探头、信号处理模块；
所述脉冲调制信号源与定向耦合器的输出端(OUT)相连，超声探头与定向耦合器输入端(IN)相连，信号处理模块与定向耦合器的耦合端(CPL)相连；
所述脉冲调制信号源产生电信号，经定向耦合器传输至超声探头，超声探头将电信号转换为超声信号后作用于待检测样品，然后超声探头接收反射信号，经定向耦合器耦合至信号处理模块。
进一步地，所述材料缺陷检测系统还可以包括功率放大器，设置于脉冲调制信号源和定向耦合器之间，用于微波信号的放大。
进一步地，所述信号处理模块包括限幅器、低噪声放大器、示波器、工控机；所述限幅器与定向耦合器的耦合端(CPL)连接，用于限制高于阈值的待测样品表面反射信号；所述低噪声放大器与限幅器连接，用于放大微弱信号；所述示波器与低噪声放大器连接，用于显示超声探头探测的信号；所述工控机与示波器连接，进行小波降噪处理。
进一步地，所述超声探头距离待测样品0.5～1cm，为排除待测样品与探头之间的空气，以耦合剂填充之间较薄的空气间隙，有利于超声波的传递。
进一步地，耦合剂优选甘油或者超声波耦合剂。
进一步地，所述定向耦合器的端口数目应大于等于3，优选为三端口定向耦合器。
进一步地，所述定向耦合器可以用三端口的功率分配器替换。
一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤1.使用材料缺陷检测系统测试没有缺陷的待测样品同类材料获得反射信号，然后测试样品厚度，根据表面回波信号和底面回波信号得到超声波的传播时间，进而得到超声波的传输速度；
步骤2.对待测样品进行检测，获得缺陷信号；
步骤3，采用小波分析方法步骤2获得的缺陷信号进行处理，得到超声波在缺陷上表面与下表面之间的来回时间t1和t2，进而得到时间间隔Δt；
步骤4.根据步骤1计算得到的超声波传输速度和步骤3得到的时间间隔Δt，便可计算得到缺陷深度。
进一步地，步骤3采用小波分析方法的具体实施步骤为：
步骤1：缺陷信号的小波分解，选择一个小波并确定分解的层次N，然后进行分解计算；
步骤2：小波分解高频系数的阈值量化，对各个分解尺度下的高频系数选择一个阈值进行阈值量化处理；
步骤3：根据小波分解的最底层低频系数和各层高频系数进行一维小波重构，得到降噪后的缺陷信号。
进一步地，步骤2中阈值量化的阈值为默认值或给定阈值。
本发明的机理为：本发明基于定向耦合器的工作原理开展超声波缺陷检测研究，定向耦合器的工作原理是信号从IN端口输入，OUT端口输出，CPL为耦合端，耦合来自IN端口的部分信号；OUT端口与CPL端口具有高隔离度，理想情况下，OUT端口的信号不会耦合到CPL端口。利用定向耦合器的工作特性，本发明检测系统采用逆向思路，发射信号从OUT端口输入，IN端口输出至超声波探头；当探头收到反射信号时，可以从IN端口耦合到CPL端，CPL端口连接示波器，便可以接收超声波反射信号。由于OUT端口与CPL端口具有高隔离度，因此信号源产生的发射信号不会耦合到CPL端口，进而示波器的接受信号不会受到发射信号的影响，有利于缺陷信号获取和分析，同时在一定程度上减小源信号噪声影响。
除此之外，对非平稳过程，傅里叶变换有局限性，它只能获取一段信号总体上包含哪些频率的成分，但是对各成分出现的时刻并无所知；因此时域相差很大的两个信号，可能频谱图一样。傅里叶变换是将信号分解成一系列不同频率的正弦波的叠加，小波变换是将信号分解成一系列小波函数的叠加，这些小波函数是由一个小波母函数通过平移与尺度伸缩得来。显然，用不规则的小波函数来逼近尖锐变化的信号，其结果要优于用光滑的正弦曲线来逼近。因此本设计检测方法分析时采用小波分析方法提取缺陷回波信号，目的主要是降低或消除信号中混杂的噪声，从而提取所需的缺陷回波信号。在超声波检测中，接收探头接收到的回波信号里就包含有用信号成分和噪声成分，由于噪声信号大部分包含在具有较高频率的细节中，因此可以利用门限、阈值等形式对分解所得的小波系数进行处理，然后对信号进行小波重构，这样实现对信号去噪的效果，同时信号的细节部分也得到了保存。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明在定向耦合器使用时采用逆向思路作为核心搭建检测系统，系统采取单探头形式，将电信号转换为超声信号，同时设计信号处理模块滤除噪声信号和隔离发射信号对接收信号的干扰，整个测试系统简单易于操作。
2.采用本发明检测系统进行检测，并对检测信号采用小波分析方法进行分析，实现了对缺陷深度的精确判定，提升了材料无损检测能力范围、关键部位无损检测效率和准确度，为材料工艺改进提供无损检测技术保障。
3.本发明检测系统还能实现对损耗比较大的材料如复合材料的测试，解决了在复合材料无损检测中由于损耗比较大难以测量的问题，提高了对复合材料无损检测的能力。
附图说明
图1为本发明材料缺陷检测系统示意图。
图2为本发明检测系统探头反射信号被示波器获取示意图。
图3为本发明检测方法中小波分析方法的原理框图。
图4为本发明检测系统的反射信号波形图，
其中，上图为无缺陷时的反射信号波形图；下图为有缺陷时的反射信号波形图。
图5为本发明检测方法用小波分析对反射信号处理后的结果波形图，
其中，上图采用默认阈值处理；下图采用给定阈值处理。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统，其示意图如图1所示，包括脉冲调制信号源、功率放大器、高隔离定向耦合器、超声探头、信号处理模块；所述信号处理模块包括限幅器、低噪声放大器、示波器、工控机和AD采样；所述脉冲调制信号源经功率放大器与定向耦合器的输出端(OUT)连接，超声探头与定向耦合器输入端(IN)相连，信号处理模块中限幅器与定向耦合器的耦合端(CPL)相连；限幅器、低噪声放大器、示波器、AD采样和工控机依次连接。
上述检测系统中采取单探头形式，该探头既发射信号又接收信号，位于待测样品表面上侧，探头与待测样品直接接触，为排除待测样品与探头之间的空气，以耦合剂填充二者之间较薄的空气间隙，有利于超声波的传递。
检测系统中的脉冲信号源采用安捷伦公司生产的型号为33220A的信号发生器。信号源能产生正弦波、方波、三角波等波形，频率最大为6MHz；支持AM、FM、PM、FSK和PW M调制；具有线性和对数扫描及脉冲串模式；信号幅度范围在10mVpp至10Vpp。
信号放大器采用功率放大器，频率在1MHz-700MHz，增益为35dB。该放大器主要用于对前端信号发生器的信号放大，有利于超声波信号的传输，但缺点也很明显，即噪声信号也会放大，因此需要在系统中采取降噪措施。
超声波探头型号为GAB462，工作频率5MHz，带宽可覆盖至1MHz。探头的作用是将电信号转换为超声信号，用于超声波缺陷检测。
限幅器型号为HP 5086-7261，工作频率为DC-2.5GHz，主要功能是限制信号幅度，当待测样品表面反射信号过强时，采用限幅器进行限制，有利于示波器端信号提取。因为当缺陷信号微弱时，待测样品反射信号过大，示波器不易显示出缺陷信号，因此可以采用限幅器限制待测样品表面反射信号；当信号低于限幅器阈值时，信号保持原样，高于阈值则变为阈值电压。通过该方法有利于缺陷信号区分。由于定向耦合器IN端耦合到CPL端有一定的能量衰减，因此后端还需采用低噪放放大。低噪声放大器用于定向耦合器的CPL端口，低噪放的主要功能是放大信号，但具有低噪声系数，适合放大微弱信号，具有较高的信噪比。
示波器型号为HANTEK 6000BD，是一个便携式的可编程示波器，通过USB接口可与PC电脑通信，采用C++程序和示波器提供的API函数进行控制。示波器的采样率为1GSa/s，模拟带宽为70MHz。
图2为本发明检测系统探头反射信号被示波器获取示意图，如图2所示，本发明利用定向耦合器的工作特性，采用逆向思路，信号源发射信号从OUT端口输入，IN端口输出至超声波探头。当探头收到待测样品反射信号时，可以从IN端口耦合到CPL端，CPL端口连接示波器，便可以接收超声波反射信号，同时由于信号源发射信号与反射信号高度隔离的功能，因此本发明检测系统可以去除源信号影响，有利于缺陷信号获取和分析，同时减小一定程度上的源信号噪声影响。
在超声检测过程中，电源电压的波动、静电干扰、接地不良等仪器因素和超声波在被检测物体内部传播时遇异质界面和晶粒造成的散射与反射回波都会对缺陷回波造成影响，这些噪声信号一般都表现为平坦的宽带特性，因此在研究时可以认为是加性高斯白噪声。这样，接收换能器的输出信号就是回波信号加上加性噪声。超声回波信号混合噪声后，它的波形在时间轴上拓展了，频带变得更宽。小波时频分析的重要应用之一就是用于降低或消除信号中混杂的噪声，在超声波检测中，接收探头接收到的回波信号里就包含有用信号成分和噪声成分。工程领域的有用信号通常是低频信号或者是一些比较平稳的信号，而噪声则表现为高频信号。为了降低噪声影响，我们可以采用如下的方法对信号进行降噪处理：首先对信号进行小波分解，由于噪声信号大部分包含在具有较高频率的细节中，因此可以利用门限、阈值等形式对分解所得的小波系数进行处理，然后对信号进行小波重构，这样就能达到对信号去噪的效果。
一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤1.使用材料缺陷检测系统测试没有缺陷的待测样品同类材料获得反射信号，然后测试样品厚度，根据表面回波信号和底面回波信号得到超声波的传播时间，进而得到传声波的传输速度，反射信号如图4上图所示；
步骤2.对待测样品进行检测，获得缺陷信号，反射信号如图4下图所示；
步骤3.采用小波分析方法步骤2获得的缺陷信号进行处理，得到超声波在缺陷上表面与下表面之间的来回时间t1和t2，进而得到时间间隔Δt，小波分析方法的原理框图如图3所示，具体过程为：
步骤3.1.一维信号的小波分解，选择一个小波并确定分解的层次N，然后进行分解计算；
步骤3.2.小波分解高频系数的阈值量化，对各个分解尺度下的高频系数选择一个阈值进行阈值量化处理；
步骤3.3.根据小波分解的最底层低频系数和各层高频系数进行一维小波重构；
步骤4.根据步骤1计算得到的超声波传输速度和步骤3得到的来回时间，便可计算得到缺陷深度。
利用小波分析对信号进行去噪，可选择默认阈值去噪处理、给定阈值去噪处理和强制去噪处理三种方法。默认阈值去噪方法是利用MATLAB小波分析工具箱中用于信号消噪的一维小波函数ddencmp生成信号的默认值，然后利用另一个函数wdencmp进行去噪；给定值去噪方法需要通过经验公式来获得实际阈值；强制去噪方法是将小波分解结构中的高频系数全部置0，即滤掉所有高频部分，然后对信号进行重构这种方法容易丢失信号中的有用成分，因此可操作性不高，在超声检测缺陷回波信号的处理中，主要采用前两种去噪方法。为了确定更加合适的阈值去噪方法，在已选定sym8小波作为小波基、分解6层的前提下，对含噪超声检测回波信号，分别采用默认值和给定阈值两种方法进行去噪处理，得到结果如图5所示。
C-C复合材料是由碳纤维增强碳而得到的一种复合材料，具有比强度高、比模量夫、耐疲劳、耐高温、结构尺寸稳定、可设计性强等优点，是航空航天领域广泛应用的结构和功能材料，对其界面性能的检测和研究是实现复合材料工艺优化和性能预报的关键。
实施例1
一种基于脉冲反射法的材料缺陷检测系统检测弧状C-C复合材料方法，包括以下步骤：
步骤1.使用材料缺陷检测系统测试没有缺陷的弧状C-C复合材料获得反射信号，然后测试样品厚度6.5mm，根据表面回波信号和底面回波信号得到超声波在5MHz、10V的输出信号下的传播时间为2.517μs，由于超声波在内部的传播路径是两倍厚度，由此算出超声波的传输速度为5164.8m/s；
步骤2.对待测样品进行检测，在两个位置分别获得了缺陷信号；
步骤3.采用小波分析方法步骤2获得的两个缺陷信号进行处理，得到超声波在两个不同位置的时间间隔Δt1为1.582μs和Δt2为1.262μs；
步骤4.根据步骤1计算得到的超声波传输速度和步骤3得到的时间间隔Δt1和Δt2，便可计算得到待测材料在两个缺陷位置的缺陷深度分别为4.085mm和3.259mm。
实施例2
按照实施例1的步骤，对矩形状C-C复合材料进行缺陷测试。
实施例1和实施例2的测试结果表明，材料的形状对本发明检测系统的缺陷测试结果不会产生影响。
实施例3
开槽测试：对C-C复合材料进行开槽处理，所述槽即为缺陷，三个位置标记为1、2、3号，槽缺陷深度实测分别为1mm、2.09mm和3.1mm。本实施例已知1号位置的缺陷深度，在该位置处进行检测获得超声波传播速度，然后对另外两个缺陷位置加以验证。
采用本发明测试系统对开槽后的C-C复合材料进行检测，包括以下步骤：
步骤1.在C-C复合材料的1号位置进行测试，获得缺陷信号，并使用小波分析方法处理后得到超声波在5MHz、10V的输出信号下1号位置的时间间隔Δt1为0.408μs，由于超声波的行程为2个缺陷深度位置，所以超声波在该材料中的声速约为4902m/s；
步骤2.继续对待测样品的2号位置和3号位置进行检测，获得2号位置和3号位置的缺陷信号；
步骤3.采用小波分析方法步骤2获得的缺陷信号进行处理，得到超声波在2号位置和3号位置的时间间隔Δt2为0.808μs，Δt3为1.328μs；
步骤4.根据步骤1计算得到的超声波传输速度和步骤3得到的时间间隔，计算得到2号位置的缺陷深度为1.98mm，3号位置的缺陷深度为3.259mm。
由测试结果可知，2号位置的检测缺陷深度与实际测量值误差在0.1mm左右；3号位置的检测缺陷深度与实际测量值误差在0.2mm左右，即表明本发明缺陷检测系统具有较高的检测准确性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。