TOFD中文教材校对完翻译第四章.docx
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TOFD中文教材校对完翻译第四章
4.数据采集系统
4.1硬件基础
大部分超声探伤都是使用有一定角度的剪切波或压缩波探头的模拟探伤仪进行手动扫查。
大部分设备都是每次只使用一个探头。
使用模拟探伤仪，在操作视图中显示A扫图像并在记录表中记录任何看到的指示信号及其位置和大小，不能记录所看见的超声波信号，同时也无法作为证据永久保留。
自从大约1990起，这些模拟系统逐渐演变为由计算机控制,使用类似存储器的设备存储DAC曲线和设置参数,该技术使得探伤仪非常便于使用。
然而,由于扫查速度（钢厂）、安全问题（核电站）或者环境因素（海底）等影响，少数检测不得不采用机械装置和探头阵列。
为了满足这些特殊的检测要求，已经成功出用于处理探头阵列、控制机械扫查器和记录所有检测数据以便于以后分析和数据存档的复杂数字化系统。
他们通常通过探头的快速多路传输来处理阵列探头，并在实际中每次只放大和记录一个阵列探头的信号。
为了高速检测大尺寸的金属，这些系统趋向于仅仅记录范围和在范围闸门内超过所定义阈值的信号的峰值。
图4.1采集TOFD数据的典型数字化系统
然而,在TOFD检测中，这些系统需要记录每个检测位置的完整地未校正A-扫或者记录足够的信息以至于能重建A扫。
在这种方式中，探头的脉冲重复频率比只记录峰值小得多，因为更多的数据需要存储在硬盘中。
一位典型的TOFD数据采集系统如图4.1所示。
数字化系统由模拟探伤仪、传输触发脉冲到发射探头的电路以及处理接受信号的放大器和滤波器所组成探伤仪主要的区别是有很多在计算机控制下所选中的发射/接收通道经过顺序排列通过多路传输。
在每个检测点上，计算机多路传输在检测设置中所定义的所有通道。
在TOFD配置中，每对用于检测的TOFD探头都定义了单独的发射接受通道。
因为计算机周围通常有电噪声和可能存在的外在电噪声，因此通常依靠适用于所使用超声探头频谱的滤波器来限制放大器的频率带通。
当然这将减少所有波幅，它能改善放大信号的信噪比。
对于非常弱的TOFD信号，需要大约70dB的增益时，滤波器尤其有用。
如果TOFD信号非常弱或者探头距离记录系统非常远（例如100m），在接受信号的电缆上，在尽可能地接近接收探头的位置使用分离的放大器是非常有用的。
很多用电池供电的前置放大器能够提高30或40dB左右.用电池供电的前置放大器有下列好处,即他们不连接到与数据采集系统相同的外接电源，因此很少受到电噪声的影响。
依靠数字转换器，经过放大和滤波后的模拟信号转换为一串数字并存储在计算机存储器中。
计算机配备通常的辅助设备，例如键盘，监视器，鼠标，存储器，软盘等等。
附加装置例如打印机和光盘可以连接到正常通信口。
该系统通常提供控制机械检测系统的电机控制/编码器或者至少提供依靠编码器来测量探头位置的输入设备。
也可以使用不同的运动轴。
4.2数字化记录的优点
利用计算机系统数字记录超声波数据有许多优点。
TOFD技术要求保存在扫查过程中每个检测点的完整地未修正A扫。
数字存储的优点是：
i）永久性数字记录所有的采集数据、所使用的检测参数、校准方式，换言之完全记录该检测。
ii）可以对采集的数据使用不同的信号处理操作，例如信号增强等（离线处理）。
.
iii）检查结果可以与后续的检测进行比较详细地比较，（例如缺陷发展监视）。
iv）在任何时候可以对原始的检测数据进行再分析。
v）在数据分析和结果说明过程中能使用多样的可视化显示。
vi）允许集成该数据采集系统和机械控制器。
vii）允许多通道脉冲回波和TOFD数据获取，并可以直接比较或者叠加该结果。
在产品质量检测过程中，该数字化系统能够提供完整的检测记录是相对于以前的模拟探伤仪的主要优点。
4.3模拟超声波信号的数字化
4.3.1波幅
探头的脉冲波及随后的放大和滤波是在模拟形式下进行的。
模拟系统的最大优点是可以加快操作速度,也就是说，阵列探头的激发率和后续的峰值检测。
然而，尽管由于需要存储所有数据到计算机存储器中从而减少了检测速度，然而正如上面章节所述的诸多优点和TOFD数据的后续分析的必要性，模拟信号的数字化是非常必要的。
模拟A扫转化为一串数字被称为数字化，模拟波形以相同的采样间隔来取样，如下图所示，
图4.2A扫的数字化
每个保存的样本的幅度以及位置和相位信息（符号）经过计算机存储起来。
因此保存在计算机中的信息是一串表现并且能够用于重建该A扫显示的数字，也可以由连续的A扫叠加来重建B扫。
计算机的数据存储位置是一比特，可以存储两个状态中的一个，可用于表现数字0或者1。
在超声波系统中，通常使用8比特（一个字节）来表现一个样本的幅度，然而，现在很多系统使用10或者12比特来表现该幅度。
在下表中给出由数字8,10或者12比特表现的修正和未修正的A扫信号的通信范围。
对于未修正的TOFD信号，表现最大幅度的数值是修正信号的一半。
在该表中同时给出未修正信号的一半周期的分贝范围最大值（即dB20log10（A1/A2），其中A是幅度）。
比特
表现的数值
修正数据数值的范围
未修正数据数值的范围
未修正数据dB的范围
8
28
0to255
-128to+127
20log10（127/1）=42
10
210
0to1023
-512to+511
20log10（511/1）=54
12
212
0to4095
-2048to+2047
20log10（2047/1）=66
数字转换器使用两个专门的电压电平来表示输入信号（例如0到1伏或者-0.5到+0.5伏）。
任何超出限制的未修正模拟信号将饱和并保存为+或者-100%全屏高度（FSH）。
例如使用8比特数字转换器，饱和值保存为127或者-128。
未修正数据的dB范围由半周期的最大幅度来表示，8比特数字转换器的dB范围是42dB（即从100%FSH降到1单位水平）。
如果噪声水平是2%，带有线性放大器的8比特数字转换器的有效范围降到34dB（20log10（127/2.54）。
因为主放大器的增益一般能达到80dB左右，数字转换器只能表示可用的总体增益的有限部分。
由于这种限制影响了波束的扩散，使一对TOFD探头只能检测一定体积的金属，因此这种情况对TOFD数据的采集造成了一定的影响。
使用越多比特来表示幅度的数字转换器，这个问题就越小。
如果出现这个问题，通常有许多选择，即：
i）定义第二个通道连接相同的探头，但是使用不同的总增益，同时采集两个通道的数据。
ii）使用DAC曲线
iii）使用对数放大器。
4.3.2采样率
大多数数字化超声波系统每个A扫可以贮存到4096或者8192个样本，这将非常适合TOFD数据。
如果数字化频率是FMHz，则数字化样本的间隔是S微秒（s）。
S=1/F.
因此在一个ts长度范围的A扫的样本数量是，
样本数量=t/S或者t*F.
一个典型的TOFDA扫中，直通波和底部回波之间的时间是10s，数字化频率是50MHz，则样本数量是500。
这非常符合在可利用的总数内。
假如典型探头频率是5MHz，数字化频率是25MHz。
该A扫波形以每1/25=0.04s取样，在反射信号的一个周期内（1/5=0.2s）将有5个样本。
这种情况的举例说明如图4.3.所示。
数字转换器以选定的采样率工作，并对一个A扫取样。
根据采样点的位置，超声波信号的任何峰值位置是随机的。
因此一个样本出现在正或者负半周期的峰值位置是偶然发生的，平均起来最大振幅是不会准确测量的。
数字化频率越大，这种样本就越容易发生或者非常接近峰值。
然而,采样率越大，需要保存在计算机中表示A扫的数据量就越大。
因此需要一个折衷方案。
要获得一个合理峰值幅度估计（平均起来在10%内），每个信号周期至少需要5个样本。
对于TOFD数据来说，峰值幅度的测量不是非常重要，因为一个信号的深度与信号到达时间有关，不取决于幅度。
然而,为了精确的深度测量，精确的时间测量是有必要的，这意味着需要足够的样点数量。
典型的探头频率是2，5，10和15MHz，所使用的数字化频率至少是10，25，50和75MHz。
现在大多数数字超声波系统的最大数字化频率超过了60MHz，并可以选择最大值的几个分数值。
对于常规的脉冲回波信号，因为任何尺寸测量估计都依靠测量信号振幅的最大值，选择正确的数字化频率是非常重要的。
然而，在脉冲回波中使用校正则这种情况易减轻，实际上，频率的减半和通过利用平滑电路使得组成该信号的实际频率低于探头的频率。
Figure4.3Digitisationwith5samplesperperiod
迄今为止，我们认为需要最大的数字化频率，但是同时也必须考虑能使用的最小值。
为了表示数字化信号的频率内容，在计算机中，必须以两倍于波形频率最大值的数字化频率对模拟波形进行数字化，即，在该波的每个半周期至少有一个样点。
这被称之为Nyquist极限。
这个极限在下图中举例说明。
图4.4的上部说明了一个10MHz正弦波以20MHz数字化频率取样。
该波形的每个半周期都有一个取样点。
该图形的底部是该信号在计算机中的表现形式，以这个数字化取样，计算机有足够的信息来识别出信号频率仍然是10MHz。
平均起来，峰值幅度表现得非常粗糙。
下一个图4.5说明当10MHz正弦波以低于10MHz频率的两倍取样是怎么回事。
数字化频率是15MHz，取样点不足以使每个半周期平均一个样本（看图4.5上部）。
图4.5下部图形展示该取样点重建结果的效果。
很明显，该波形的频率小于10MHz，不能重建正确的频率。
另外如果有更进一步地数字信号处理（例如滤波器），则计算机将获得不正确的存储数据。
因此当数字化一个未修正的信号时，使用的数字化频率至少是该信号频率的两倍，完美的数字化频率应该至少是探头极限频率的5倍。
Figure4.4Samplinga10MHzsinwavewitha20MHzdigitiser
Figure4.5Samplinga10MHzsinwavewitha15MHzdigitiser
4.4选择滤波器的频率
在本章开始的硬件基础的描述中说明了为了获得最好的信噪比，滤波器频率的选择应该适合于使用的超声波探头频谱的一个通带。
在有些情况下,例如粗晶金属或者在一个噪声环境中也许应该得到更多限制。
观测在噪声中一个已知反射体的信号并决定哪个过滤器可以获得最好的结果。
通常选择高低通滤波器频率。
高通滤波器通过所有超出该选择值，低通滤波器通过所有低于该选择值。
例如一个5MHz探头可能具有一个从大约2兆赫到6.5MHz的频谱，它适合选择一个大约1.5MHz的高通滤波器和大约7.5MHz的低通滤波器。
该接收带宽的最小推荐范围是0.5到2倍的名义探头频率，除非因为噪声或者衰减，待检材料的特殊性需要另外范围。
当使用高频探头时，为了满足上章节所描述的Nyquist取样极限，必须限制选择低通滤波器。
例如,假定使用具有10MHz到18MHz频谱的15MHz探头来检测，可利用的最大数字化频率32MHz，为了阻止任何频率大于取样的数字化频率一半的信号，低通滤波器应该设置为16MHz。
4.5在检测过程中数据采集量
当采集TOFD数据时，非常容易采集到大量数据，可能会装满硬盘并且在存储数据过程中产生问题。
幸运的是光盘的出现已经很大程度地克服了这个问题。
应该在每天结尾时对检查数据进行备份，数据需要保留很长时间，同时应该对数据有两个复制，副本应该保存在不同的场所。
以下例子展示如何计算一个使用8比特数字转换器并存储完整的未修正A扫的系统所需要的库容。
使用不同的位数来存储波幅或者压缩技术，在等效的运用执行以前，为了表示A扫数据，数据包的方法和形式必须已知。
计算一个例子：
TOFD探头根据需要来数字化一个长度10s的A扫，同时沿着焊缝每毫米采集一个A扫，焊缝长度是10m。
如果数字化频率是50MHz，则每个A扫由10*50=500个样本来表示，同时需要500字节的存储空间。
因此在整个焊缝长度上一对TOFD探头将需要500*10,000=5,000,000字节或者5M字节的存储器。
每个包含在某一检测长度上所有A扫的单独文件稍微大于理论值，是因为它还具有一个包含该检测不同参数信息的文件头。
如果每个单独的扫描文件不超过1.44兆字节，则它可以很容易地使用软盘来传输。
4.6灰度成像和B扫描
在监视屏显示地A扫是由数字取样点产生地。
因此单一A扫是由一组表示数字化样本的点标绘而成。
如果A扫被标绘为横交叉，则竖向比例尺表示幅度（+和-100%全屏幕高度，即可以输入到数字转换器的最高电压范围），而水平方向表示从触发或者发射脉冲开始的时间。
拟合独立的标出点（例如使用直线），一个常规的A扫描图像将显示出来。
使用光标从显示的A扫中获取幅度和时间测量是非常有效的。
沿着一个扫描得到的连续A扫的TOFD数据可以显示成B扫描或D扫描。
B扫描的意思是垂直焊缝的扫查，D扫描是沿着焊缝的扫描。
两者有相同的外形而且都是由一系列A扫组成，在以下的描述中，术语B扫描将近常使用。
因为TOFD衍射信号非常弱，可能在一个独立的A扫中不容易观察，但是在B扫描显示中，他们通常很容易识别，因为眼睛在观察数据的抽纱图案是很有效率的。
因为B扫描包含上百个单独的A扫，监视屏只包含，例如，640乘480的独立标绘点（称之为像素），因此不可能以本章节开始所描述的方式标绘单独的A扫。
替代每个独立的A扫就是在屏幕上（即时间刻度）上分派单一的一行像素，每一个像素表示一个独立的数字化样本，采用灰度明暗法给幅度刻度独立的像素。
颜色能被用来表现幅度，但是通常发现大脑更为容易自动地了解和解释灰度码而不是比色刻度尺。
在灰度码中，振幅的范围由从纯白色表示+100FSH信号、经过在0%位置的中间灰色到在-100%FSH的纯黑色（参见图4.6）。
+100%
0%
-100%
Figure4.6Greyscalerepresentationoftheamplitude
有些不同的数字系统可能使用反向的标度即从黑色到白色，但选择那种并不重要。
不同的数字系统其可利用的色调总数可能有变化，典型的灰度级数值是64个级别。
对于一个8比特的数字转换器来说，用数字127代表+100%，用数字-128代表-100%。
因此一个典型的反射体超声波信号是由一系列的淡灰和深灰色交替的色带组成的。
色带的数量表示组成信号的半周期的数量，宽度表现了每个半周期取样点的数量。
一系列A扫的信号显示成B扫描，如图4.7所示。
可以使用对比度增强来提高低振幅信号。
有很多不同的算法能进行这种处理，但是最简单的方法就是使用一个刻度从-100%到+100FSH的线性振幅来计算。
在一个很小的振幅刻度范围内，使灰度级从黑色变为白色，从而实现对比度增强。
例如如果在-50%到+50%FSH范围内使用全灰度等级，则很微弱的信号也很容易察觉。
振幅超出+50FSH的样本显示为纯白，低于-50%FSH显示为纯黑色。
标绘在监视器上一个或多个A扫的样本数量可能远远大于可利用的像素数量。
为了标绘全部图像，一些A扫可能被省略（例如每隔一个）或者一些样本被省略（在这种情况下，不管任何样本被省略，最大振幅应该能标绘出来）。
通常在这种情况下，软件将允许选择小区域并根据这些现存的数据重建图形，或者采用另一个办法，即对于显示的区域，设备可以滚动显示数据文件而不做任何丢失。
如果标绘的数据量小于可利用的像素数量，则可以通过在连续的像素点上使用重复的样本将数据全部展开充满整个屏幕。
Figure4.7AppearanceofasignalinaB-scanwhichoccursinasuccessionofA-scans
4.7信号平均
从裂纹尖端得到的TOFD衍射信号是非常弱的，需要较高水平的放大倍数，因此由于信号中的噪声影响经常难以发现衍射信号。
噪声通常是由系统获取的随机电信号造成的，因此可以通过信号平均来减少噪声。
如果N个连续A扫相加，并将结果除以N，则真正信号的信噪比增强了N的平方根倍。
图4.8举例说明这种效果，显示了5个连续的包括一个共有信号和多个随机噪声信号的A扫。
图形的底部显示了取平均后的效果。
同相的信号保留，但是随机噪声信号减少。
信号平均可以在数字转换器单元很快完成，但目前经常使用计算机软件来完成这个工作。
系统一般所允许的平均值是2的倍数，最大是256。
典型的数值是N=16，可以使信噪比提高4倍。
如果信号噪声非常严重，则参数需要增加到256，但是平方根后，实际改善的效果只有16倍。
因此增加平均数数量并不能使信噪比线性增加。
脉冲或者发射探头发射的频率被称作为脉冲重复频率（prf），通常由检测的使用者来设置。
如果有不止一个发射通道，因为发射器轮流多路传输，一对探头的实际prf是规定prf除以发射通道的数量。
信号平均同样还是使用N来获得平均波形。
因此对于单一一对TOFD探头，如果平均数数值是N，则有效的prf是prf/N。
Figure4.8PrincipleofSignalAveraging
当探头移动时，通常采集TOFD数据，但是在一个平均波形采集期间这个移动是很小的。
例如如果prf设置为1000Hz，平均数设置为16，则每0.016秒采集一个平均波形。
如果扫描速率是50毫米/秒，则探头这个时间内移动距离为50*0.016=0.8毫米。
对于想要采集优质的衍射信号，信号平均是非常重要的，这也是为什么常规的模拟探伤仪不能获得良好信号的原因之一。
然而，当噪声是相干而不是随机的时候，信号平均并没有太大帮助。
例如在粗晶结构材料例如奥氏体钢中，晶粒间界产生的附加散射是相干的，并不能通过简单的平均来消除。
4.8脉冲宽度控制
由压电材料组成的超声波探头使用电压脉冲产生振动从而生成一组超声。
换能器产生电压脉冲，并生成最大400伏振幅的矩形脉冲，且宽度可调节（通常在大约25到500纳秒之间）。
使用从100到400伏的不同电压主要依赖于探头频率和晶体元件的类型。
当使用TOFD时，脉冲宽度是非常重要的，它有助于优化接受信号的形状。
矩形脉冲的第一个边使该晶体元件产生振动，如图4.9所示。
矩形脉冲的第二个边同样使该晶体元件再次产生振动，但是超声脉冲的相位与第一个振动的相位使180度反相（即大约为+和-半周期）。
Figure4.9EffectofDrivePulseonTransmitterCrystalElement
这两个超声脉冲一般重叠并彼此干涉。
改变脉冲宽度可以导致不同周期部分减弱或者加强。
如果两个超声脉冲组成一个单一频率，则脉冲宽度设置成为该频率周期的一半（5MHz时使用100纳秒），如图4.10所示，发生信号加强并获得一个更大的信号，但是它余波振动更大。
如果脉冲宽度设置为该超声波频率的一个周期（对于5MHz设置为200ns），则一个周期后，两个信号将成为异相，获得一个很小振幅的信号，但是余波振动将减少。
这是TOFD应用的一个可取的特点，因为为了分辨从小缺陷的顶和底尖端信号，信号应该只持续周期的最小数。
Figure4.10IllustrationofEffectofalteringDriverPulseWidth
在实际中，一个探头产生很大范围的频率，最优的脉冲宽度必须通过试验来获得。
该过程为：
获得一个底面回波大约为60%FSH的信号，从该探头中心频率的一个周期开始校准脉冲宽度。
有时，因为频率范围改变，脉冲宽度对整个波形有很小影响。
4.9脉冲重复频率
通常对于数据采集系统而言，设置脉冲重复频率（prf）是很有必要的。
这是触发发射探头的频率。
prf和数字化频率不同。
前者控制多长时间触发发射探头一次，后者是在A扫上一个给定长度内样本数量。
如果使用信号平均，通常实际的prf（即每秒采集的平均后的A扫数量）是设置的prf除以平均数。
另外如果执行多路传输，使用超过一对TOFD探头，则实际获得的prf是除以探头对的数量。
如果使用手动采集数据，则实际的prf应该设置得与探头移动速度相匹配，以便沿着扫描方向每隔大约1毫米采集一个A扫。
对计算机来说，探头所移动的位置没有用处，它只能以所选择的prf来采集A扫数据。
如果扫查器附带一个编码器，或者扫查器是电机驱动，则prf并不是非常重要，因为计算机可以计算出探头位置，只在规定的A扫采样间隔采集数据。
如果扫描速率相对较快，为了保证在到达需要采样地点和采用的触发脉冲之间没有时间损失，则prf不得不设置为尽可能高，即保证在所需扫描速率下有足够的时间采集数据。
如果在每个采样间隔没有足够的时间来采集数据，则数据采集系统将采集到空白的A扫。
避免这个的选项有：
减少扫描速率。
增加prf
减少平均数数量
减少要数字化的A扫长度。
减少数字化频率。
在某些情况下，例如相对较小的、规则形状的声波，该声波的样本可以反映样品周围情况，在以后的连续发射脉冲中，每次都出现在接收器上。
这将产生错误信号，必须通过适当减低prf来避免。
这种情况对于TOFD检测是非常少见的，因为使用的prf一般比其他检测低得多，例如脉冲回波检测中，只有峰值高度在闸门范围内超出阈值的才记录。
4.10软件
4.10.1在线
最商业化的数字系统可以实现TOFD检测的软件是很相似的。
一般经由菜单系统来操作，首先显示主菜单，选择一个选项来引导更进一步的一套能够实现更多具体设置的菜单等等。
可以对文件使用所有常规操作（例如复制,删除，重新命名等等）。
主要的在线设备应该包括：
i）捕捉和显示未修正波形；
ii）可以设置和改变所有的超声波和采集参数；
iii）输入所有与该检测相关的数据（例如焊缝编号,客户名称等等），可以自动把检测参数输入到文件头信息中；
iv）保存所有相关的检测参数以备日后检查；
v）电机控制/编码器界面；
vi）检测扫描的数据采集；
vii）可以显示B或D扫描，并可以提取和显示独立的A扫；
viii）显示装置例如带状，被选区的放大，对比度增强和用于选择指示的尺寸定位的光标设备。
4.10.2分析和离线工具
不同的数字超声波系统可以采用不同的分析工具。
下面是一个非常广泛的目录以被证明工具是可用的。
这些需要始终附加在设备上。
分析工具是,
ix）光标显示来测定反射体深度和横向伸展；
x）线性化（转化检测数据到深度标尺上）；
xi）直通波或者底面回波拉直（来启用更精确的深度测量和除去直通波）；
xii）除去直通波（来显示任何被掩盖的指示）；
xiii）合成孔径聚焦技术或者SAFT（用于整理影像和提供更精确的方法来测量横向伸展的缺陷）。
为了测量横向伸展，降低6dB尺寸定位工具同样需要；
xiv）数字滤波器用来消除噪声或者提高信噪比；
xv）光谱分离处理（在粗晶材料检测中改善信噪比）；
xvi）选择和存储缺陷轮廓并比较（监视缺陷的扩展,显示根部腐蚀缺陷）；
xvii）合并扫描（例如当一个焊缝的扫查被分为若干个单独的扫描）；
xviii）添加文本和制备图像用于报告。
有两个更多种类的目录可供使用，他们经常被个别企业或者研究机构提起。
第一个分类是建模，分成三个部分：
预报-精确的理论
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