TFM实时成像技术在缺陷检测中的应用

程 欣，池作和，陆铭慧

(1.中国计量大学，浙江 杭州 310018；2.江西省特种设备检验检测研究院，江西 南昌 330029；3.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063)

0 引言

压力容器制造过程中常见的缺陷有隧道型孔洞和根部未焊合，这些缺陷无一不危害构件的安全运行。随着超声检测技术的不断发展，相控阵(PA，Phased Array)在缺陷检测中得到越来越多的应用[1-4]。目前工业实际中大多采用的相控阵扇形扫查得到缺陷图像，存在缺陷图像畸变，难以准确定性等问题[5-8]。利用全聚焦法(TFM，Total Focusing Method)得到的缺陷图像具有更高的检出率、还原度更高、成像更清晰等优点，是近来超声检测领域的1个研究热点[9]。

在TFM的缺陷成像方面，国内外学者做出了以下研究工作：孙昌立等[10]利用MATLAB平台编程，在没有机械移动超声探头扫描情况下得到缺陷三维成像，但没有涉及到不同深度缺陷的对比研究，实际应用范围有限。杨贵德等利用现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)实现实时三维TFM检测，并将其与二维TFM作对比，而对比试验仅是图像展示，没有具体的定性、定量、定位数据的对比。彭国平等[11]采用一维线阵探头获得二维切片数据，并通过3d-DOCTOR软件实现对接焊缝典型缺陷的三维重建，而重建过程存在延时，检测效率不高。

本文采用TFM的二维和三维实时超声成像技术，分别使用一维线阵和二维面阵实现缺陷的二维和三维成像，并与传统PA检测得到的图像作对比，能检出各种类型缺陷，在检测铝合金压力容器内取向复杂的各类缺陷方面有较好的应用前景。

1 全聚焦实时成像检测原理

TFM是基于全矩阵数据采集(FMC，Full Matrix Capture)的1种超声后处理成像方法[12]。在全矩阵数据采集过程中假设有n个超声换能器阵元，每个阵元依次单独激发。当某个阵元激发时，n个阵元均采集超声回波时域信号并储存，此时刻获得n列回波信号。然后依次激发所有阵元，即可获得n×n列超声回波时域信号[13]。

TFM成像算法中，以相控阵探头中心为原点，建立直角坐标系，P点为待测物上任意1点，坐标为(x，y)，通过计算P点到各阵元中心的距离，可获得P点在每列回波信号中的振幅，P点对应的全矩阵数据表示为Sij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)，各回波信号叠加，获得表征该点信息的回波振幅I(x,y)。通过对检测区域进行像素点划分，如图1所示，即可依次得到待测区域内每点的成像，每个表征点的回波振幅大小可表示为式(1)：

图1 全聚焦成像算法示意Fig.1 Schematic diagram of TFM imaging algorithm

(1)

式中:Sij为阵元i激励、阵元j接收的回波信号中表征点(x,y)的振幅信息；tij(x,y)是声回波传送的时间，如式(2)所示:

(2)

式中：xi,xj分别为发射阵元信号和接收信号阵元中心的横坐标；c为声波在待测物体中的传播速度，m/s。

通过以上计算，将检测区域中每1点的声波信息(振幅、延时等)提取出来，叠加到目标成像区域对应的位置，并对每1点进行全息重构，从而得到检测图像[14]。

2 TFM检测试验研究

为了验证TFM具有检出率高、测量误差小、成像还原度高等特点，分别用传统算法与TFM对铝合金试样进行检测，对比其试验结果。

2.1 试块设计

设计1块铝合金试样(150 mm×95 mm×17.5 mm)，并在试样中加工了不同尺寸的孔、线槽、弧槽，分别模拟压力容器制造中可能出现的孔洞和不同形态未焊透，如图2所示。

图2 铝合金样板俯视图Fig.2 Vertical view of aluminum alloy template

以下试验采用SUPOR-32P相控阵设备和对应探头5.0L64(探头频率5.0 MHz，64阵元直探头)、4.0M32(4 MHz，32阵元斜探头)分别实现线扫和扇扫，以及CTS-PA22T相控阵全聚焦设备和对应探头5L64-0.6×10(探头频率5.0 MHz，64阵元线阵直探头，阵元间距0.6 mm，阵元宽度10 mm)SM8×8-1.5×1.5(探头频率5.0 MHz，8×8阵元面阵直探头，阵元间距1.5 mm×1.5 mm)、36°斜楔块分别实现2d-TFM和3d-TFM检测。

2.2 孔的检测

为了测量试样中内圆弧上平底孔的孔径和埋深，将探头5.0L64放置在试样下底面进行线扫，探头放置位置如图3中探头1所示，通过相控阵图谱对应的刻度分别读取对应平底孔径大小与埋深，将探头5L64-0.6×10和SM8×8-1.5×1.5分别放置在上述线扫探头同样位置，得到平底孔的2d-TFM和3d-TFM检测数据。为了测量半横通孔的埋深，将该探头放置在试样前侧面进行扫查，探头位置如图3中探头2所示，测得半横通孔埋深，线扫成像如图4所示，将探头5L64-0.6×10和SM8×8-1.5×1.5分别放置在上述线扫探头同样位置，得到2d-TFM和3d-TFM检测数据，2d-TFM成像如图5所示，3d-TFM成像如图6所示。以上测得所有数据与设计值的对比见表1。

表1 平底孔、半横通孔测量数据对比Table 1 Measurement data comparison of flat-bottom hole and half transverse penetration hole

图3 探头放置图Fig.3 Arrangement of detectors

图4 半横通孔线扫成像图Fig.4 Linear scanning image of half transverse penetration hole

图5 半横通孔2d-TFM成像图Fig.5 2d-TFM image of half transverse penetration hole

图6 半横通孔3d-TFM成像图Fig.6 3d-TFM image of half transverse penetration hole

分析以上图像和数据可以得到：

1)3d-TFM检测对于不同缺陷大小的孔径、平底孔埋深、半横通孔埋深，其误差均在6.5%以内，相比另2种方法，检测结果更为精确，对于孔长的三维成像还原度更高。

2)2d-TFM检测方法准确度高于线扫，孔径尺寸还原度更高。

2.3 线槽的检测

为了测量试样中不同线槽的宽度、深度，将探头5.0L64放置在试样下底面进行线扫，探头位置如图3探头1所示，通过相控阵图谱对应的刻度分别读取不同线槽的数据，将探头5L64-0.6×10和SM8×8-1.5×1.5分别放置在上述线扫探头同样位置，得到线槽的2d-TFM和3d-TFM检测数据，以上所有测量数据见表2。为了对比线槽不同检测方法的成像效果，将斜探头4.0M32放置样板前侧面进行扇扫，探头位置如图3探头2所示，扇扫成像如图7所示，将探头5L64-0.6×10(粘连36°斜楔块)和SM8×8-1.5×1.5(粘连36°斜楔块)分别放置在上述扇扫探头同样位置，2d-TFM成像如图8所示，3d-TFM成像如图9所示。

表1(续)

表2 线槽测量数据对比Table 2 Measurement data comparison of linear chute

图7 线槽扇扫成像图Fig.7 Linear scanning image of linear chute

图8 线槽2d-TFM成像图Fig.8 2d-TFM image of linear chute

图9 线槽3d-TFM成像图Fig.9 3d-TFM image of linear chute

分析以上图像和数据可以得到：

1)3d-TFM能检测到线槽宽度，而其他2种方法不能，3d-TFM测量结果更加全面。

2)3d-TFM对于线槽宽度的测量误差均在4%以内。

3)3d-TFM对于线槽深度的测量误差不超过0.52%，精确度明显高于其他2种方法，而2d-TFM的测量误差不超过1.48%，精确度高于线扫。

4)扇扫只能检测到距离探头较近的3根线槽，对于较远的2根线槽存在漏检，而2d-TFM与3d-TFM均能扫到5根线槽，检出率更高。

2.4 弧槽的检测

为了测量试样中不同弧槽的宽度、深度，将探头5.0L64放置在样板下底面进行线扫，探头位置如图3探头1所示，通过相控阵图谱对应的刻度分别读取不同弧槽的数据，将探头5L64-0.6×10和SM8×8-1.5×1.5分别放置在上述线扫探头同样位置，得到弧槽的2d-TFM和3d-TFM检测数据。为了对比弧槽不同检测方法的成像效果和扇径，将斜探头4.0M32放置样板前侧面切口处进行扇扫，探头位置如图10所示，扇扫成像如图11所示，将探头5L64-0.6×10(粘连36°斜楔块)和SM8×8-1.5×1.5(粘连36°斜楔块)分别放置在上述扇扫探头同样位置，2d-TFM成像如图12所示，3d-TFM成像如图13所示，以上所有测量数据见表3。

图10 斜切口面探头扫查俯视图Fig.10 Detecting diagram of vertical view

表3 弧槽测量数据对比Table 3 Measurement data comparison of arc chute

图11 弧槽扇扫成像图Fig.11 Fan sweeping image of arc chute defects

图12 弧槽2d-TFM成像图Fig.12 2d-TFM image of arc chute

图13 弧槽3d-TFM成像Fig.13 3d-TFM image of arc chute

分析以上图像和数据可以得到：

1)3d-TFM能检测到弧槽宽度，而其他2种方法不能，3d-TFM测量结果更加全面。

2)3d-TFM对于弧槽宽度的测量误差在8%以内。

3)2d-TFM的测量误差不超过2.07%，精确度高于传统PA。

4)3d-TFM对于弧槽扇径的测量误差不超过0.16%，精确度明显高于其他2种方法，而2d-TFM的测量误差不超过0.625%，精确度高于传统PA。

5)扇形扫查只能检测到扇径为80 mm的弧槽，对于扇径为50 mm的弧槽存在漏检，而2d-TFM和3d-TFM均能扫到2根弧槽，检出率更高。

3 结论

本文采用基于TFM的实时超声成像技术，与传统扇形扫查进行对比，并获得以下结论：

1)3d-TFM对于各类缺陷测量数据精度在每1个维度上相对其他2种方法更高：对于孔类缺陷，测量误差在6.5%以内；对于槽类缺陷，测量误差在8%以内。2d-TFM的测量精度比传统PA更高：对于孔类缺陷，测量误差在30%以内；对于槽类缺陷，测量误差在2.07%以内。

2)3d-TFM检测能获取3个维度的数据，对于孔类缺陷能够较好显示面阵探头下方样板的多个缺陷立体成像，还原度较高，可以掌握缺陷的三维形态走向；对于槽类缺陷，TFM检测还原度高于扇形扫查。

3)TFM检测相对于扇形扫查，能检出更多缺陷，可减少漏检。

基于TFM的实时超声成像技术在对于孔洞、线槽、弧槽缺陷检测结果均优于相控阵扇形扫查方法。