限幅采样技术在激光超声无损检测中的应用

李玉海,赵中华,童有为

(桂林电子科技大学 信息与通信学院, 广西 桂林 541004)

无损检测技术是在不改变被检测对象状态和所有性质的前提下，对物体鉴损。激光超声探伤是当今主流的无损探伤的方法之一。激光超声探测技术是一门涉及到光学、声学、电学和材料科学等学科的新型交叉学科，具有非接触、操作灵活、高准确性的特点，是近年来无损探伤的研究热点[1-3]。目前，激光超声技术被应用在现代机械工业、航天工业和能源工业领域。在激光超声探伤系统中，超声回波信号分析法被广泛应用，其中回波信号属于极窄脉冲信号，存在时间极短，常规AD芯片的采样速率和采样精度无法满足极短超声回波信号采集的需求。针对这个问题，笔者提出一种基于激光超声探伤，使用单位限幅数字还原回波信号的方法，实现了更高频率的超声信号采集，提高了激光超声无损探伤的能力。基于激光超声无损探伤的优势，通过实验方法验证，使用上述信号采集方法，相比较传统的信号集方法，进一步提高了金属探伤的准确性。

1 激光超声探伤技术原理

1.1 激光超声原理

超声波的产生和单频激光的光强、金属材料均有关。在自由金属材料中，激光超声的机理主要分为热弹效应和烧蚀效应两种(图1)。金属材料表面入射激光的光功率不同，将对超声波在能量、频率和方向上产生相应的影响。被测材料在激光照射下，吸收激光的能量，局部温度迅速上升，发生热性膨胀，从而激发出横波、纵波和表面波[4]。热弹效应是指激光的光功率密度较低，照射到材料表面的激光能量没有达到金属损伤的功率密度阈值。加大激光功率密度，若入射激光的光功率密度大于107W/cm2时，该激光能量足以使金属材料发生局部性金属瞬态升温融化，导致被测材料与激光接触处发生烧蚀、汽化现象，局部材料以等离子体的形式从材料表面离开，产生较高能量的应力波(超声波)，即该过程为烧蚀效应[5]。超声信号的幅值与入射激光能量成正比，烧蚀效应的光声转换率比热弹效应高，最高可达4倍。但是烧蚀效应对被测材料产生了损伤，热弹效应机制下入射激光功率密度较低，是真正的无损激光超声。在这种情况下，合理脉冲调制入射激光能量，在热弹效应机制下，提高入射激光能量，可以增强超声波信号的强度[6-7]。

图1 热弹效应和烧蚀效应

热弹效应机制公式如(1)所示：

(1)

金属内部超声波信号时间传播函数关系如公式(2)所示:

(2)

其中ω为超声波信号的角频率，K是幅度系数。x是x轴坐标位置，λ是超声信号的波长，φ为初始相位。

金属内部超声波信号在缺陷处产生的反射波表达公式如(3)所示:

(3)

B为回波信号的幅值待定系数，其中θ为回波信号的初始相位，x1为缺陷处在x轴上的坐标位置。

1.2 激光超声回波探伤技术原理

激光超声探伤是利用超声波在金属介质中的传播时间、幅度衰减、峰值变换程度等特性来实现缺陷判断。假设超声波在无损金属介质中传播，超声波信号随着时间的变化，幅值也呈现周期性规律变化。如果该金属介质存在缺陷，根据超声波信号在缺陷处发生的波反射、波透射和波转换现象，其中大部分能量的消耗是以波反射为主，所以目前激光超声探伤的方法大多数以检测回波信号为主。

激光超声检测原理如图2所示。在激光超声探伤系统中，使用高功率脉冲激光器(YAG)作为激励源，产生高能量激光脉冲，照射到待测金属表面，激发热弹效应机制，产生超声应力波[8-9]。超声波大部分的能量将在金属介质内部和表面同步沿一个方向传播，且在金属缺陷处，发生波反射、波透射和波转换现象[10]。超声探测器功能是抓取超声波信号，并转换为电学特征信号。通过电学信号，分析超声信号的传播时间、幅度衰减和峰值变换等特征，综合判断被测金属是否存在损伤。

图2 激光超声检测原理

2 基于单位限幅数字还原采集原理

针对回波弱信号存在脉冲时间非常短，普通高速AD难以采集到的问题，提出了一种单位限幅数字还原的方法，可以实现更高速率的数据采集，大大提高了系统对极窄脉冲信号的敏感性。

根据傅里叶级数可知，任意随机信号必然可以表示为多个正余弦函数的累加之和，如公式(4)所示。假设检测系统检测范围为Amin～Amax，且待检测信号幅值范围在其检测范围内。取一个单位分割基准值q，将检测范围设为N个单位幅值段分段检测，每一个检测段，都存在高速比较器，通道阈值S和输入信号可以快速比较，并输出有效结果(通道的阈值为q的整数倍数)。当信号在通过该高速比较器时，如果信号的幅值大于通道阈值时，高速比较器输出结果为高电平1，反之输出为0。统计同一时刻所有通道的数字输出，经过数字还原运算即可恢复原始随机信号。

(4)

(5)

(6)

其中，X(t)表示输入系统的任意随机信号，Si表示第i个高速比较器通道设置比较的阈值，Pi(t)表示第i个通道在t时刻的输出值(1或0)，X′(t) 表示数字运算所还原的信号，K为信号恢复常数。具体理论方法的仿真示意图如图3所示，原始信号为随机信号，基于单位限幅数字还原采集的方法，比较器1,2,…,N为通道的输出时序。当取N=25，恢复常数k=0.08时，通过信号恢复运算公式(6)，信号恢复图如图3(f)所示。由此得出，采集还原系统性能是否可靠的关键指标是比较器的数量与阈值精度，即设置的间隔阈值越小，比较器数量越多，恢复原信号的准确性越高，即该方法完全适用于小范围微弱信号的检测。

(a) 原始信号

(b) 比较器1

(c) 比较器2

(d) 比较器…

(e) 比较器N

(f) N=25

3 系统软硬件设计与实现

3.1 系统硬件设计

激光超声回波信号检测系统如图4所示，该系统的组成主要包括单频激光器、声电换能器、低噪放大滤波模块、N路模拟信号限幅比较模块、FPGA高速数据采集模块和上位机超声信号特征运算处理模块。激励源为单频激光器，输出波长1.06 μm，光束直径约为3 mm的单频激光。使用声电换能器检测超声波信号，将超声波信号转换为电学信号，经过低噪放大后，使用单位限幅采集模块，转换为超声波信号数字数据。记录所有比较器通道随时间变化的输出值并转化为数字量，发送到上位机进行数字运算即可还原超声信号。

图4 激光超声回波信号检测系统

在当前环境下，针对模拟信号的采集系统，通常采用AD芯片转换为数字信号的处理方法，AD芯片本身存在诸多硬件限制，具体表现在信号检测精度、最高转换速率和信号输入范围等方面。检测系统的检测对象是模拟信号，使用AD芯片转换为数字信号的时，采样脉冲决定了数字转换的速度，两次采样间隔必然造成短时间内模拟信号的丢失。针对特定的微弱信号，在信号本身差异性较小的情况下，使用AD芯片检测更加难以保证采样精度。针对这一问题，采用单位限幅采集的方法弥补以上缺陷，从而真正实现高速检测和高精度转换。

单位限幅采集法和AD采集法的精度比较见图5。在额定信号电压范围的前提下，在比较器数量较少时，单位限幅采集法的精度明显弱于AD芯片采集，随着比较器的数目增多，单位限幅采集法的精度急剧升高，相比较AD采集法，可以实现更高精度采集。在比较器数量基数很大时，精度提升变缓，可以认为达到了单位限幅采集法的极限精度。

高速比较器示意图如图6所示。使用嵌入式系统和高精度DA芯片，输出固定模拟电平值，作为当前通道的最低阈值，比较器判断阈值和输入信号的大小关系。由数字逻辑电路搭建的比较器电路，输出实时性极好，对输入信号幅值突变灵敏度极高，当输入信号与通道阈值存在微小的差值时，该比较器可以准确比较大小，正确输出数字电平。

图5 精度比较

Fig.5 Comparison of accuracy

图6 高速比较器示意图

Fig.6 High speed comparator

因为上述比较器通道完全由数字电路搭建，可以满足高速数据采集的要求。所以基于FPGA平台，每一路比较器通道输出的数字电平连接到FPGA芯片引脚上，使用Verilog语言编程，实时读取、保存通道输出值，经一定运算转化，将数据发送至上位机。使用更高频率完成信号采集，大大的提高了超声检测系统的探伤能力。

3.2 系统软件设计

上位机是基于C#.NET桌面软件开发的程序。在本次设计中开发的上位机，依托微软的强大固件库，具有界面友好、多线程高效协作和操作功能强大的特点。软件的开发主要采用了模块化的开发方案和层次化的区分设计，有效降低后期代码变更的难度。

在上位机中，根据系统流程，将其划分为数据采集模块、数据处理运算模块、视觉展示模块和数据分析模块。在连接到硬件采集器后，即可创建数据传输接收任务，等待下位机发送数据。下位机发送的数据接收完成后，系统停止接收任务，自动进行信号恢复数据运算，完成对采集信号的还原并显示，在信号视觉化后，如果采集的数据情况，较为理想，即可一键启动信号分析功能。在信号曲线绘制显示中，X轴为时间轴(单位：ms)，Y轴为信号幅度值。软件界面中包含参数设置区域，主要包含幅度值范围参数、硬件通道参数、介质传播速度参数和采样触发参数。在完成信号曲线绘制后，自动标注峰值点坐标信息，一键自适应和分析缺陷有无。

4 实验测试分析

实验设计中使用4 000 mm×40 mm×20 mm铜板和2 000 mm×40 mm×20 mm的铝板为测试对象，探测点设置为距激光作用点1 m处，铜板缺陷距离探测点位置为1 m处，铝板无缺陷。使用脉冲调制激光，激光脉冲能量约为420 mJ，基于FPGA锁相环倍频，高频采集各个通道的实时输出值，并发送到上位机显示，使用PC快速运算并分析超声信号。

作为测试对比，实验方案采用不同的金属作为被测对象。脉冲激光器在调制下，发出脉冲激光，经光学系统，将光束聚焦在金属材料的一端，激发热弹效应机制，产生超声应力脉冲。考虑到声音在不同金属内传播速度不同和金属长度不同的情况，需要合理设置采集样点数。通过判断超声峰值变化和衰减幅度，判断是否存在缺陷。

超声信号在传输过程中，属于一个单位脉冲信号，如图7和图8所示，其中最大峰值点为超声信号直接到达的主峰，幅值小的为传播衰减信号，根据两个明显波峰的时间间隔Δt，可以定位缺陷回波位置。假设该金属板中超声波的传播速度为CR，则缺陷位置为L=CR×Δt/2。通过对比第1波峰和第2波峰衰减程度和传输时延的具体情况，程序会自动寻找第3峰值，第3峰值的幅度与第2峰值的大小比较，可以发现缺陷回波的能量幅值是明显弱于端口回波的信号能量幅值，综合上述理论，即可判断第2波峰是否为端口回波或缺陷回波。

铝板的超声检测结果如图7所示，实验环境中，铝板长度为2 m，采集样点显示数量是10 000个，前两个信号峰值间隔时间为0.409 ms[(5 930-1 840)/10 000]。已知超声波在金属铝中的传播速度约为5 000 m/s，通过mark1和mark2点的坐标值运算，定位回波位置在超声信号传播方向上，距离探测点1.024 m，结合第3峰值明显小于第2峰值的情况，故可以判定该回波为端口回波。故而认为当前检测的铝板除端口外，没有缺陷。

铜板的超声检测结果如图8所示，铜板长度为4 m，数据显示样点数设为20 000，即采样时间为2 ms。两个信号峰值间隔时间为0.527 ms[(7 690-2 420)/10 000]。已知超声波在金属铜中的传播速度约为3 800 m/s，结合mark1和mark2的位置坐标信息，定位回波位置距离探测点的距离为1.001 m。程序功能自动识别第3波峰幅度，且第3波峰明显大于第2波峰幅度，即可推断该回波位置不是端口回波，而是缺陷回波，所以可以判定当前检测金属铜板在距离探测点1 m处，存在缺陷。

图7 铝板检测结果图

Fig.7 Test results of aluminum plate

图8 铜板检测结果图

Fig.8 Test results of copper plate

5 结论

本文基于激光超声理论，利用超声波遇金属缺陷发生回波现象，探查损伤位置。基于单位限幅数字还原采集原理，使用高速FPGA平台开发实现其功能，完成对超声波信号的数字采集。基于.Net开发上位机软件，对超声信号数字数据运算和处理，实现超声波信号还原。依据超声信号峰值变化和实测材料长度条件综合考虑，可以实现对被测材料的缺陷定位。结合试验数据，发现入射激光密度越大，越接近触发烧蚀效应，光声转换率越高，检测到的超声信号幅值越大。相对于一般AD芯片采集信号频率较低，难以检测到存在时间非常短的超声回波信号，而单位限幅采集，数字电路采集的频率是普通AD采集速率的多倍，提高了超声探伤系统中超声回波弱信号检测的能力，也提高了超声系统探伤的准确性。