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一文看懂7种超声检测成像

浏览量:522次发布时间:2024年05月27日

导读

超声成像的研究最早可追溯到20世纪30年代,著名的原苏联科学家S.J.Sokolov于1935年完成了液面成像装置,在超

声成像研究方面为声学界做出了重大贡献。

在40年代出现的脉冲回波探伤仪器成为超声波检测技术的重要标识。

其后由于技术上的种种原因,超声成像研究进展缓慢。

20世纪60年代末,由于电子技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展,超声成像研究恢复了生机。

20世纪70年代形成了几种比较成熟的方法,大量商品化设备上市,在医学诊断中得到极其广泛的应用,并在工业材料

超声检测中逐渐得到大量应用。

超声成像是现代定量无损检测的一种重要技术,有着非常广泛的发展前景。


关于超声

超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。

由于超声波可以穿透很多不透光的物体,所以利用超声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息,超声成像技术

将这些信息变成人眼可见的图像。

由声波直接形成的图像称为声像 ,由于生理的限制,人眼是不能直接感知声像的,必须采用光学的或电子学的或其他

方式转化为肉眼可见的图像或图形,这种肉眼可见的像被称为“声学像”,声学像反映了物体内部某个或几个声场参

量的分布或差异。

反过来,对于同一物体,利用不同的声学参量,例如声阻抗率、声速或声衰减等,可以生成不同的声学像。

物体的超声成像可提供直观大量的信息,直接显示物体内部情况,且可靠性、复现性高,可以对缺陷进行定量动态监控。

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1.基本超声扫描成像

扫描超声成像是超声检测数据的视图显示,最基本的超声扫描方式有A扫描、B扫描、C扫描、D扫描、S扫描、P扫描等,它们分别是超声脉冲回波在荧光屏上不同的显示方式。

表1给出了以上扫描方式的显示方法和特点。

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A型显示

波形显示,将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示。

横坐标代表声波的传播时间,纵坐标代表信号幅度。


B型显示

图像显示,是工件的一个二维截面图。横坐标代表探头在工件表面的一条直线扫查的距离,纵坐标代表声传播时间

(距离)。显示被检工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。

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C型显示

图像显示的是工件的一个平面投影图。图的二维坐标对应探头的扫查位置,工件中缺陷的形状和深度以亮度或颜色表示。

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C型显示原理

D型显示

图像显示的是与声束平面及测量表面都垂直的剖面。横坐标代表的是探头在工件表面的一条直线扫查的距离,纵坐标代表声传播时间(距离),显示被检工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的长度。

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D型显示原理

P型显示

投影成像扫描,专为检测焊缝而开发的。结果以两个投影图的方式显示:俯视图:投影面平行于表面;

侧视图:投影面平行于焊缝,且垂直于表面。

是一种同时显示C扫描图像(侧视)和D扫描图像(侧视)的成像系统。

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P型显示原理

2.相控阵和S扫描成像

通过控制换能器阵列中各阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟,改变各阵元发射(或接收) 声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系,就可实现聚焦点和声束方位的变化,从而可进行扫描成像。

探头:压电晶片是由多个独立小晶片单元组成的阵列,常见的有直线排列的线阵、环形排列的面阵探头。

仪器:与探头阵列相对应,仪器中发射和接收信号的电路是多通道的,每一通道接一个阵元。根据所需发射的声束特征,由仪器软件计算各通道的相位(延迟)关系,并控制发射/接收移相控制器,形成所需的声束和接收信号。

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相控阵探头

相控阵声束偏转和声束聚焦的原理:

声束偏转:声束偏转相当于使波阵面以一定的角度倾斜,即使各阵元发出的声波在与探头成一定角度的平面上具有相同的相位。

各单元的激励脉冲从左到右等间隔增加延迟时间,使合成波阵面具有一个倾角,实现声束方向的偏转。通过改变延迟时间间隔,可以调整声束角度。

声束聚焦:两端阵元先激励,逐渐向中间加大延迟,使合成的波阵面具有一定曲率的圆弧面,声束指向曲面圆心。

通过改变延时间隔,可以调整焦距长短。为了按同样的方向或同样的焦点接收回波,各单元接收的信号也需进行同样的延时,再合成为一个回波信号。

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相控阵声束偏转和声束聚焦原理

3.ALOK超声成像

ALOK(德文)是“振幅-传播时间-位置曲线”的缩写,ALOK超声技术即幅度-传播时间-位置曲线技术,是80年代由西德研究所开始进行系统研究,目前已研制出多通道实时超声ALOK数据采集装置,但数据处理和成像部分仍离线在中型机上实现。

ALOK超声技术的理论依据是损伤信号传播时间与换能器的位置变化遵守一定的数学规律,而干扰信号(如底面波等)并不遵循上述规律,这样就可以在大量数据中将损伤回波信号提取出来。

ALOK成像系统已经试用于核电站的役前和在役时的超声检测。它是目前获得实际应用的少数高级的成像系统之一。

由于斜纹型缺陷表面以镜面反射为主,ALOK对裂纹的平直部分的重建存在着困难。

其成像原理如下图所示,在采集数据时不加时间闸门,测量系统记下探头在各测量点Pi得到的回波串中所有的正峰值及其出现的时间。

ALOK允许32个不同的探头同时在收集数据,成像和数据分析事后在计算机上进行。根据几何声学原理,回波的传播时间τik在重构空间中确定了圆心在测量点Pi、半径rik=τik/v的一条圆弧。许多圆弧的交点就是重构出的缺陷的像点,回波振幅用来对重建图像作修正。

振幅修正后可提高信噪比约20dB。

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4.TOFD成像

TOFD成像是利用缺陷部位的衍射信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法。通常采用纵波斜探头,采用一发一收模式。

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TOFD方法一般将探头分布于焊缝两侧。在工件无缺陷部位,发射超声脉冲后,首先到达接收探头的是直通波,然后是底面反射波;

有缺陷存在时,在直通波和底面反射波之间,接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波。

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缺陷处A扫信号

显示方式:A扫描信号和TOFD图像,其中A扫描信号使用射频波形式。

TOFD图像是将每个A扫描信号显示成一维图像线条,位置对应声程,以灰度表示信号幅度,将扫查过程中采集到的连续的A扫描信号形成的图像线条沿探头的运动方向拼接成二维视图,一个轴代表探头移动距离,另一个轴代表扫查面至底面的深度。

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OFD检测显示示意图(含埋藏缺陷)

5.超声CT

超声层析成像(Computed Tomography,简称CT)技术是指通过从物体外部检测到的数据重建物体内部(横断面)信息的技术,也叫计算机辅助断层成像技术。

这一技术可以应用多种能量波和粒子束,如X射线、γ射线、超声波、电子、红外线等。超声CT就是依据声波在不同介质中传播速度的差异,将多条通过介质的声波射线走时提取出来,反演出介质的声波速度空间分布图像,来精确地描述目标体的集合形态和物理特征。

相较于传统检测中主要还是采用一对超声探头一发一收,测量通过的超声波的声速和衰减的变化来评定试件中有无缺陷的方法,CT成像技术的优势在于以下几点:

确切地掌握检测对象具体的内部结构,如裂缝出现在哪个位置,形状大小如何。

结构比较复杂且材料较为多样的物体同样适用。

 有较高的精度。

超声CT技术

(1) 无散射CT技术

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超声无散射CT技术

无散射CT技术的基本思想是:首先假设超声波在物体内以直线传播,建立超声波传播路径长度与物体折射系数之间的关系式,得到物体折射系数的初始分布;再利用这一初始分布,并根据光学中的射线跟踪方法来修改声波的传播路径,由此又可建立传播路径长度和折射系数之间的关系式,求得更精确的折射系数值;如此反复迭代,直至收敛。

(2) 反射式超声CT技术

与透射式超声CT不同的是,它是根据超声回波信息来重建图像的。

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反射式超声CT技术原理

(3) 超声衍射CT技术

超声衍射CT的基础理论是Fourier衍射投影定理。根据数据采集位置不同,超声衍射CT可以分为两类,即透射型超声衍射CT和反射型超声衍射CT。

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超声衍射CT技术原理

衍射层析成像方法算法速度快,能够产生准实时的成像。但是由于傅里叶衍射投影定理的理论模型采用的声源为平面波,即该理论模型是在连续波形成的稳态场的条件下建立的。

(4) 超声散射CT技术

超声检测信号的两个基本参量是幅值和相位,时域信号每一时间点上的幅度和相位都反映了不同传播路径上某一介质参数或多个介质参数与超声波相互作用的积分效果。

超声衍射CT只考虑检测信号的幅值信息;反射式超声CT和逆散射方法在理论模型上虽然兼顾了超声信号的幅值和相位,但是在具体反演成像的过程中,由于采用了不同程度上的近似,实际是对信号进行了不同程度的截断和滤波,从而破坏了信号中原有的信息。

而超声散射CT是以时域内的全波列信号为研究对象提出的一种直接利用时域信号的幅值和相位信息进行断层图像重建的方法,这种方法只需要在有限的空间范围内采集信号,即可重建出质量较高的图像。

由于使用的回波信号中包含了多种声波信号,因此被称为超声散射CT。 

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超声散射CT的相位反演成像方法原理

6.合成孔径(SAFT)成像

合成孔径聚焦的基本原理如下图所示:当一超声收、发探头沿直线移动,每隔距离d发射一个声波,同时接收来自物体各点的散射信号并加以储存。

根据各成像点的空间位置,对接收到的信号作适当的声时延或相位延迟后再合成得到的被成像物体的逐点聚焦声像,就是合成孔径成像技术。

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合成孔径聚焦原理图

从发射来看,当一探头移到第i点时,它在以前一系列点上发射声波形成的声场,等效于以线阵列的阵元延时辐射的声

场。

这样,单个探头配合其运动的驱动系统和信号存储系统,就合成为一个大尺度的换能器阵。

从接收来看,如果要得到物体内A点的成像信号,只需把探头在各检测点上所得到的信号中对应从A点到各测点来回传

播的声时的该时刻上信号幅度相加。而这等价于把A点处理成聚焦点。由于利用微机可以把物体内任何一检测点都作为

焦点来处理,这就使合成孔径成像有高的分辨率。

与其他成像方法相比,合成孔径成像有两个显著特点:

(1)方位分辨率与作用距离R和声波波长l无关。这表明,采用合成孔径技术可以用小孔径的实际基元换能器和较低的

工作频率,对位于远处的目标物作具有高方位分辨率的探测、观察。突破了经典概念的限制,解决了直接成像技术中

对系统设计参数的一些互相矛盾的要求。

(2)合成孔径成像具有近场适用性。合成孔径成像突破了常规声成像适用于远场限制,这是因为合成孔径系统中,它

是由一个小孔径基元换能器沿一定轨迹移动,依次发射及接收声波,不存在多个声波辐射的声波束之间的相互干涉,

可视为单点源工作。


7.椭圆成像

椭圆成像的原理是:在数学中,椭圆是平面上一点到两个固定点的距离之和是同一个常数的轨迹,并称这两个固定点

叫做焦点。

所以当超声Lamb波的散射时间t和传播群速度Vg确定时,则超声Lamb波经过缺陷散射后被接收传感器所接收的传播

距离L就可被确定,即以激励传感器和接收传感器为焦点确定了一个椭圆的轨迹,而缺陷就在这个椭圆轨迹上。

如果再换一组传感器进行激励和接收,同样也可以得到一个椭圆。

两个椭圆的交点即为缺陷可能所在位置,要确定缺陷的位置最少需要三对传感器进行定位,这就是椭圆成像算法的原理。

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椭圆成像算法原理图

考虑到有不同的激发接收传感器对,这里用(xi,yi)表示激励传感器所处的位置,用(xj,yj)表示接收传感器的位置,缺陷的位置则为(x,y)。

所以超声波由激励传感器被激励出来后经缺陷反射被接收传感器接收的距离可表示为:

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这个时间为信号从第i个传感器经缺陷(x,y)到达第j个传感器的时间。用以下两种方式来表示(x,y)点的信号强度:

(1) 幅值全加法

将板中每个离散点(x,y)的幅值进行相加而得到的缺陷成像方式:

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(2) 幅值全乘法

将板中每个离散点(x,y)的幅值进行相乘而得到的缺陷成像方式:

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其中N表示有N个传感器,每一个传感器激发后剩下的(N-1)个传感器作为信号接收传感器来接收信号,重复这N个传感器的过程一共可得到N(N-1)/2组信号,把这N(N-1)/2个信号的强度进行叠加或者相乘就是缺陷所在点(x,y)的信号强度,即Ixy(t)。



本文来源:无损检测NDT(微信公众号)

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