石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 摘 要 石油鉆桿接頭是石油開采中重要的專用部件之一。為保證在井下的安全使用，接頭不允許有超過標準的缺陷存在。因此，對石油鉆桿接頭進行缺陷檢測已成為其生產中不可缺少的環節。超聲檢測是應用于鉆桿接頭缺陷檢測的主要方法之一。 由于鉆桿接頭的形狀復雜、規格較多，同時從使用安全性考慮，又必須對橫向和縱向缺陷進行 100探傷，因此，對鉆桿接頭進行超聲波檢測具有一定的難度。在實際生產中，大都采用手工探傷方式進行檢測；而手工探傷存在生產效率低、探傷質量難等問題。所以，本課題設計了適用于實際 生產的鉆桿接頭超聲自動檢測系統，它對保證鉆桿接頭的安全使用具有重要意義。 本論文主要分四部分討論了對石油鉆桿接頭超聲波檢測方法的研究。 第一部分首先闡述了超聲波管材探傷的一般方法，然后結合石油鉆桿接頭的特殊性，逐步提出解決其探傷問題的特殊方法。 第二部分首先介紹了超聲波檢測系統的組成和探傷數據的顯示方式，并對數字圖像處理的常用方法進行了簡要的介紹；然后對實際探傷數據，根據本系統探傷的特點，提出了有效的圖像處理和缺陷提取方法。 第三部分簡要介紹了本探傷系統的應用，對系統實現自動探傷的整體流程作了概括性說明。 第四部分對裝置的整體效果作了客觀的評價，并對其未來的應用領域和改進措施進行了討論。 論文從實際的工程項目出發，逐一解決了接頭檢測存在的難點，最終實現了鉆桿接頭的自動、高效檢測。 給出了系統的改進方案。 關鍵詞： 石油鉆桿接頭 ； 探頭組 ；探頭架 ；圖像處理； A 掃描； B 掃描 Abstract Oil drill pipe joints is one of the specially designed components for oil exploration. In order to ensure safe use in underground, the connector does not allow more than the standard defects. Therefore, an indispensable component in the defect detection has become for the production of oil drill pipe joints. Ultrasonic testing is one of the main methods used in defect detection of drill pipe joints. As the drill pipe joint of complex shape, high specifications: at the same time from the use of security considerations, and must be on the transverse and longitudinal defects were 100% flaw, therefore, on drill pipe joints by ultrasonic detection with a certain degree of difficulty. In practical production, mostly by manual inspection methods were detected； and manual testing in low production efficiency, difficult issues such as the inspection quality. Therefore, this paper developed a suitable for practical production of drill pipe ultrasonic automatic test system, it is to ensure the safe use of drill pipe joint has important significance. This paper is mainly divided into four parts to discuss the petroleum drill rod joint of ultrasonic detection method research. The second part introduces the ultrasonic detection system and the testing data is displayed, and the commonly used digital image processing methods are introduced briefly； then the actual testing data, according to the system flaw characteristic, put forward the effective image processing and defect extraction method. The third part introduces the testing system application, on the system to realize the automatic flaw detection of the overall process of the general description. The fourth part of the device s overall effect to make objective evaluation, and the future of its application and improvement measures are discussed. The paper from the actual project, solving the joint detection difficulties, finally realizes the automatic, efficient detection of drill pipe joint. the system improvement program. Key words： Petroleum drill rod joint； probe； the probe bracket； image processing； A scanning； B scanning 目 錄 摘 要 . 1 1 緒論 . 1 1.1 超聲波檢測的概要 . 1 1.2 國內外研究現狀 . 1 1.3 本論文的主要工作 . 2 2 超聲波檢測的基本原理 . 2 2.1 超聲波傳感器 . 2 2.2 超聲波探傷基本方法 . 3 2.3 超聲波檢測的常用方法 . 5 3 系統組成 . 7 3.1 超聲波檢測技術 . 7 3.2 檢測系統的組成 . 8 3.3 數據顯示方法 . 9 3.4 探傷數據的顯示 . 10 3.5 探傷圖像處理及濾波算法 . 11 4 系統的硬件設計 . 13 4.1 單片機系統及顯示電路 . 14 4.1.1 芯片 74LS244 . 14 4.1.2 四位共陽極 LED 數碼管 . 14 4.1.3 單片機系統及顯示電路 . 15 4.2 超聲波發射電路 . 15 4.2.1 超聲波換能器 . 16 4.2.2 芯片 74LS04 . 17 4.3 超聲波檢測接收電路 . 17 4.3.1 超聲波檢測接收電路 . 17 4.3.2 芯片 CX20106A . 18 5 系統的設計 . 19 5.1 主函數 . 21 5.2 超聲波發生子函數和超聲波接收中斷函數 . 22 6軟硬件調試及性能 . 23 6.1 元器件的焊接 . 23 6.2 電路調試與分析 . 23 7結語 . 24 參考文獻 . 25 致 謝 . 25 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 1 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯系 414951605 或 1304139763 1 緒論 1.1 超聲波檢測的概要 無損檢測技術，又稱非破壞檢查技術，它是以不損傷被檢測物體為前提，利用材料的物理性質因有缺陷而發生變化這一事實，通過一定的檢測手段來檢測或測量、顯示和評估相應的變化，從而了解和評價 材料、產品、設備構件直至生物等的性質、狀態或內部結構等等。超聲波檢測技術是無損檢測技術的一種，它利用超聲波來研究物體內部的結構和缺陷，最早由蘇聯的薩哈諾夫于 1929 年提出來，經過幾十年的發展，如今已經比較成熟。我國從五十年代開始引進超聲探傷技術對金屬材料及其制品進行探傷?，F在，該技術已在各個工業部門得到了普遍應用，并產生了大批的專業技術人員，進行了大量的研究開發工作，在某些方面已具有較高的水平。我國已經制定了各種探傷標準，促進了探傷工業的逐步規范化。本論文討論超聲波無損檢測技術在檢測中的應用。石油鉆桿接頭作 為公母螺栓是連接石油鉆桿管體的關鍵部件。由于鉆桿一般在幾百、幾千米的地下、極為復雜的地質條件下鉆井，承受了拉、壓、扭、沖、剪等各種作用力，甚至還將承受瞬間的突變載荷。作為管體與管體之間的連接件，在打井的過程中承受了比管體更加惡劣的工況條件、更復雜的應力，其質量的優劣直接關系到石油鉆探的成敗。因此，鉆桿接頭的質量優劣關系重大，出廠前必須對其進行全面的無損檢測。鉆桿接頭用鋼主要分油淬鋼種和水淬鋼種，國內各大油田現主要使用油淬調質 36CrNiM04，國外通常使用水淬調質鋼?？紤]到鉆桿接頭的材質及檢測要求，以及超聲 波無損檢測的主要特點 (易于實現快速準確的在線無損檢測和無損診斷 )，本課題我們使用超聲波對石油鉆桿接頭進行在線檢測。 1.2 國內外研究現狀 在四五十年代，超聲波檢測方法有了進一步的發展，它們使用了超聲波探頭、處理器、液晶熒屏顯示器。這一代產品較前兩代有了質的飛躍，特別是熒屏顯示的使用表明開始出現動態顯示系統。超聲波探頭及處理器就開始工作，顯示器上就會出現所檢測的接頭動態顯示，色彩清晰漂亮，外表美觀，安裝很方便。不過液晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強，所以誤報也較多。 在綜合前幾代的優點檢測系 統則使用超聲波探頭、處理器、魔幻鏡顯示器，采用了最新仿生超聲雷達技術，配以高速電腦控制，可全天候準確地測知石油鉆桿接頭，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒工作人員。免提電話結合起來，并設計了語音功能，是目前市面上比較先進的檢測雷達系統。而且顏色款式多樣，不過造價較高。 近些年則使用超聲波探頭、后視攝像機、控制器、監視器，超聲波信號接入顯示控制器，同時將視頻監視子系統中的攝像探頭信號接入顯示控制器，通過安裝的檢測系統顯示控制器的自動切換電路、字符疊加器、微處理器，將顯示控制器的輸出再接入監視器，這樣實現自 動切換圖像、監視、超聲波測距、自動報警等功能。超聲無損檢測是以超聲波作石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 2 為采集信息的手段，在不損壞被測對象的情況下探測其內部缺陷的方法。由于超聲波獨特的物理特性 (穿透力強、集束性好、信息攜帶量大等 )，使其易于實現快速準確的在線無損檢測和無損診斷，因而在工業、農業、國防、生物醫藥和科學研究等方面得到了廣泛的應用。生產超聲波傳感器的主要材料的價格一直居高不下，成為探測器推廣應用的瓶頸?？梢灶A見，隨著新材料、新工藝在探測器制作中的應用，使低價格、高性能的探測器的實現和普及成為可能。 由于現在國外的產品技術高，精度高， 但是不適合中國的國情，而且價格昂。因此，特此研究一種高性能而且價格低廉的石油鉆桿接頭超聲波檢測系統，來適應當今國內行情。 1.3 本論文的主要工作 石油鉆桿接頭是石油開采中重要的專用部件之一。為保證在井下的安全使用，接頭不允許有超過標準的缺陷存在。因此，對石油鉆桿接頭進行缺陷檢測已成為其生產中不可缺少的環節。超聲檢測是應用于鉆桿接頭缺陷檢測的主要方法之一。 由于鉆桿接頭的形狀復雜、規格較多；同時從使用安全性考慮，又必須對橫向和縱向缺陷進行 100探傷，因此，對鉆桿接頭進行超聲檢測具有一定的難度。在實際生產中 ，大都采用手工探傷方式進行檢測；而手工探傷存在生產效率低、探傷質量難以保證等問題。所以，本課題研發了適用于實際生產的鉆桿接頭超聲自動檢測系統，它對保證鉆桿接頭的安全使用具有重要意義。 本論文主要研究和討論了對石油鉆桿接頭超聲波檢測方法的研究。 首先闡述了超聲波管材探傷的一般方法，然后結合石油鉆桿接頭的特殊性，逐步提出解決其探傷問題的特殊方法。然后在介紹了超聲波檢測系統的組成和探傷數據的顯示方式，并對數字圖像處理的常用方法進行了簡要的介紹，然后對實際探傷數據，根據本系統探傷的特點，提出了有效的圖像處理和缺陷提 取方法。簡要介紹了本探傷系統的應用，對系統實現自動探傷的整體流程作了概括性說明。裝置的整體效果作了客觀的評價，并對其未來的應用領超聲波檢測方式方法和改進措施進行了討論。論文從實際的工程項目出發，逐一解決了接頭檢測存在的難點，最終實現了鉆桿接頭的自動、高效檢測。 2 超聲波檢測的基本原理 2.1 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。 科學家們將每秒鐘 振動 的次數稱為聲音的 頻率 ，它的單位是赫茲。我們人類 耳朵 能聽到的聲波頻率為 2020000Hz。當 聲波 的振動頻率大于 20KHz 或小于 20Hz 時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于 20000 赫茲的聲波稱為 “超聲波 ”。 它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 3 2.2 超聲波探傷基本方法 石油鉆桿接頭中常見的缺陷有裂紋、夾層、夾雜、折疊和翹皮等。由于工業上要求進行探傷的探頭主要是工作在高溫、高壓 條件下或有其它特殊用途，因此必須進行絕對嚴格的安全測試，且必須滿足一定的測試精度。超聲無損檢測是以超聲波作為采集信息的手段，在不損壞被測對象的情況下探測其內部缺陷的方法。由于超聲波獨特的物理特性 (穿透力強、集束性好、信息攜帶量大等 )，使其易于實現快速準確的在線無損檢測和無損診斷，因而在工業、農業、國防、生物醫藥和科學研究等方面得到了廣泛的應用。本論文即使研究超聲波對石油鉆桿接頭的檢測方法。 由于探頭在熱軋或冷拔過程中沿軸線方向的壓延伸長，其受力和變形主要在厚度方向上，從而造成缺陷方向大多數與管材軸線平行 (軸 向缺陷 )。因此在探頭探傷中，本著聲束軸線與缺陷反射面垂直的原則，一般采用垂直于管軸的空間斜入射的橫波探傷法，如圖 2-1 對于小徑管的探傷，為了解決耦合闖題，一般采用水浸法；對于大徑管的探傷，耦合和補償問題比較容易解決，可以采用直接接觸法探傷。超聲波管材軸向缺陷的探傷是有條件的，其入射角的確定原則是既能在鋼管中產生純橫波，又能探測到管內外壁缺陷。如圖4所示管材探傷中，為了使折射縱波不進入管 內，則需要聲束入射角大于第一臨界角，既 21sin 11 ClCl 2-1 式中 Cl1-入射縱波在第一介質中的聲速， Cl2-折射縱波在鋼管的聲速 圖 2-1 平行于管軸的徑向缺陷的探測方法 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 4 圖 2-2 探傷入射角范圍 同時，為了檢測管內壁的的缺陷，折射橫波必須投射到內壁上，因此，折射的橫波的折射角必須滿足： Rr1sin 2-2 入射角必須滿足： )1(sin 12 RCt rCl 2-3 式中， Cl1-入射縱波在第一介質中的聲速； Cl2-折射縱波在鋼管中的聲速。 Ct折射橫波在鋼管中的聲速。綜上，要用單一橫波進行管材探傷且可同時探得內外壁缺陷， 范圍必須滿足式下式： )1(s in21s in 11 RCt rClClCl 2-4 )21(21 ClCDt t 2-5 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 5 據此，可進一步推得單橫波管材探傷的條件為 (t 為管材壁厚， D 為管材外徑 )：即探頭壁厚 t 和外徑 D之比必須小于 0 5(1-Ct/Cl2)對于鋼管而言，（ t/D0.22)實際探傷中，一般認為，管材橫波探傷的 t/D 值最大不得超過 20。 2.3 超聲波檢測的常用方法 超聲無損檢測是以超聲波作為采集信息的手段，在不損壞被測對象的情況下探測其內部缺陷的方法。由于超聲波獨特的物理特性 (穿透力強、集束性好、信息攜帶量大等 )，使其易于實現快速準確的 在線無損檢測和無損診斷，因而在工業、農業、國防、生物醫藥和科學研究等方面得到了廣泛的應用。從探傷原理上說，超聲波探傷方法主要可分為兩大類，穿透法、脈沖反射法，其原理圖如 2-3 圖所示。 圖 2-3 超聲波探傷主要方法 透射法探傷由兩組探頭組成，一組探頭專門向工件內發射超聲束，另組探頭專門接受透過工件的聲信號，由接收到聲信號的強弱來判斷工件內部缺陷的有無及大小。這種方法不存在盲區，且聲程衰減小，適用于高衰減材料，但因其探測靈敏度低且無法對缺陷進行定 位，因此實際探傷中使用的較少。脈沖反射法探傷是利用脈沖波入射到異質界面上的反射效應進行探傷的方法。它采用一個兼發兼收的超聲探頭，檢出缺陷反射聲壓信號，并將其顯示在熒光屏上。相對于穿透法而言，脈沖反射法探測靈敏度高，缺陷定位準確，且探傷操作方式靈活，因此是目前世界各國廣泛使用的超聲探傷方法。此外，還有結合以上兩種探傷方法優點的雙晶探頭脈沖反射法，目前也具有廣泛的應用。本論文利用脈沖反射法，研究了超聲波對石油鉆桿接頭的檢測方法。 接觸探傷法是指探頭與表面直接接觸進行探傷的方法。為了實現良好的聲耦合，要求探頭按照 管材的規格制成圓弧形，使其與管材探側面完全吻合。管材表面需涂敷耦合劑。沿管材圓周方向探測。對于周向缺陷，沿探頭軸向探測。 由于接觸法探傷時在探頭與管材之間沒有過多的耦合劑，所以聲能衰減較小，周向有效探測范圍較大。但是，由于這種方法是平面聲束投射到曲面上，聲束個點的入射角差別較大，使管內折射波形較為復雜，所以必將導致探測靈敏度降低和內外壁探測靈敏度差別的增大，且曲率半徑愈小，此種現象愈嚴重，因此，接觸法只適用于直徑為 40mm 以上管材的一般探傷。不適于小口徑管材的探傷和高精度探傷。這就存在了所謂的局限性，不能適 合其他的比較特殊的管材，在直徑過小的管材則不能夠對其進行精準的探測，從而使探 穿透法探傷 反射法探傷 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 6 傷技術達不到應有的標準。 圖 2-4 接觸法探傷示意圖 還有一種方法叫管材水浸法，它是指探頭與管材不接觸，二者之闊以水作為耦合介質進行探傷的方法。 它是以橫波為主，這種方法不僅克服接觸法探傷所存在的探頭容易磨損等特點，而且具有一系列優點，如可采用聚焦探頭，因而顯著提高探傷靈敏度；便于實現機械化和自動化，從而大大提商生產效率；可使用廉價的耦合介質，使生產成本顯著降低等。因此，水浸法的應用已日趨普遍，尤其進行大批量管材檢測的冶金、石 油、化工、機械等部門，應用更為廣泛。我國現有的無縫鋼管超聲波探傷大多是按照 GB T5777 1996 橫波水浸法原理進行檢測。國際上也普遍采用此方法，如美國、俄羅斯等國家。但是，由于超聲波在水與管材的交界面所產生的反射而使聲能大為衰減，實際傳入管材內部的橫波能量很弱。所以，水浸法的有效探測范圍比接觸法要小得多。鑒于水浸法探傷顯著改善了探傷工藝條件，因此。它既適用于大口徑管材，也適用于小口徑管材。目前，用這種方法最小可探測直徑為 10mm 左右的管材。 首先，我們介紹了超聲波管材探傷的條件和常用方法，然后在此基礎上 進一步討論了特殊管材 石油鉆桿接頭的探傷方法。介紹這一部分時，我們首先給出了鉆桿接頭的實際剖面圖，直觀地提出對其進行超聲探傷的特殊性，即厚管壁、形狀復雜、型號繁多。然后，針對這幾點特殊性，逐步提出解決辦法，完成管材探傷的探頭設計；最后，討論了以上探頭的組合方式和探頭架的掃查方式，實際探傷時由機械傳動部分帶動探頭架沿規定路線掃描，即完成了探傷裝置的硬件設計部分。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 7 超聲波接收 單片機 控制器 LED 顯示和報警 超聲波發送 掃描驅動 圖 3-1 超聲波測距器系統設計框圖 3 系統組成 此超聲波檢測系統由超聲波發送裝置、超聲波接收裝置、單片機、控制器、 LED 顯示和報警及掃描驅動程序組成。具體的框圖如圖 3-1 所示 ： 3.1 超聲波檢測技術 超聲波檢測技術特點： （ 1）超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質中沿直線傳播，具有良好的指向性。（ 2）超聲波在介質中傳播過程中，會發生衰減和散射。（ 3）超聲波在異種介質的界面上將產生反射、折射和波型轉換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而達到探測缺陷的目的。（ 4）超聲波的能量比聲波大得多。（ 5）超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測深度大，由于超聲波在異質界面上會發生反射、折射等現象，尤其是不能通過氣體固體界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷 （缺陷中有氣體）或夾雜，超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時，就會全部或部分反射。反射回來的超聲波被探頭接收，通過儀器內部的電路處理，在儀器的熒光屏上就會顯示出不同高度和有一定間距的波形?？梢愿鶕ㄐ蔚淖兓卣髋袛嗳毕菰诠ぜ氐纳疃?、位置和形狀。 超聲波探傷優點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進行定位和定量。超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術難度大，容易受到主客觀因素影響，以及探傷結果不便于保存，超聲波檢測對工作表面要求平滑，要求富有經驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類、適合于厚度較 大的零件檢驗，使超聲波探傷也具有其局限性。 超聲波探傷儀的種類繁多，但脈沖反射式超聲波探傷儀應用最廣。一般在均勻材料中，缺陷的存在將造成材料不連續，這種不連續往往有造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質的界面上會發生反射。反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據這個原理設計的。 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 8 脈沖反射式超聲波探傷儀大部分都是 A 掃描式的，所謂 A 掃描顯示方式即顯示器的橫坐標是超聲波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離，縱坐標是超 聲波反射波的幅值。譬如，在一個工件中存在一個缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之間形成了一個不同介質之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當發射的超聲波遇到這個界面之后就會發生反射，反射回來的能量又被探頭接收到，在顯示器屏幕中橫坐標的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標的這個位置就是缺陷波在被檢測材料中的深度。這個反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質。 脈沖反射式超聲波探傷儀大部分都是 A掃描式的，所謂 A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標是超聲波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離 ，縱坐標是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個工件中存在一個缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之間形成了一個不同介質之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當發射的超聲波遇到這個界面之后就會發生反射，反射回來的能量又被探頭接收到，在顯示器屏幕中橫坐標的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標的這個位置就是缺陷波在被檢測材料中的深度。這個反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質。 3.2 檢測系統的組成 超聲波檢測系統由探頭、信號發生接收裝置、放大器、衰減器、模數 (A D)轉換器，以及對整個 系統進行控制的計算機組成。傳統的檢測設備，整個系統運行在單機之上，主機負責硬件控制、信號采集、轉換、處理、顯示等諸多任務，這將導致主機負載過重，系統檢測效率較低?？紤]到通過網絡傳輸數據的高速性，我們將掃描檢測任務分開在兩臺計算機中完成，這樣，不僅檢測效率能得到很大提高，而且能減少系統的硬件成本。其檢測系統示意圖如圖 22所示，其中，外部虛線框是整個檢測系統的組成圖。內部虛線框則表示探傷機的內部組成，其主要完成超聲信號的發射接收、模數轉換、信號控制等功能。電腦(計算機 )主要完成超聲信號的分析、處理和顯示等功能。 探傷機和計算機由網絡連接，其利用 TCPflP協議，基于 Client Server(探傷機計算機 )模式，實現了兩臺計算機之間的實時數據傳輸和通信控制。 探頭與信號發生接收裝置相連，并固定在探頭架上，探頭架由步進電機控制，可根據工件型號 (用戶輸入 )自動調整其高度和掃查范圍。檢測位置和檢測距離由伺服電機帶動機械裝置，連接探頭進行準確定位。 A D轉換器將采集到的模擬信號轉換為數字信號，并將數字信號輸入計算機，在計算機內完成數據的顯示和處理工作。 這次方法是 采用單片機 AT89C51 和超聲波技術相結合的方法來完成超 聲波的 檢測 工作。通過單片機控制超聲波的發射和接收，并且用 LED 數碼管實時顯 示 距離，便于 工作人員觀測；而且能夠通過改變電路元器件參數的大小，有效的進行控制測量距離的大小，它具有集成化程度較高，高精度，高性能，和低價格等優點，是一個值得推廣的方案。 如3-2 圖所示。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 9 3.3 數據顯示方法 常見的超聲探傷數據顯示方式可分為如下幾類 (1)A掃描顯示：是超聲波探傷中最基本的一種數據顯示方式，它以縱坐標代表反射波的幅度，以橫坐標代表聲波的傳播時間，從 缺陷波的幅度和位置來確定缺陷的大小和位置。 (2)B掃描顯示：是以亮點顯示接受信號，以熒光屏面代表被檢測對象由探頭移動線和聲束決定的截面?？v坐標代表聲波的傳遞時間，橫坐標代表探頭的水平位置，它可以顯示出缺陷在縱截面的二維特征。 (3)C掃描顯示：是以亮點或暗點顯示接收信號，以熒光屏面代表被檢測對象的投影面。這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能給出深度。 圖 3-3 超聲波探傷數據顯示方式 信號發生裝置 探頭 信號接受裝置 信號放大 器 伺服電機 數據顯示與圖像處理 電腦 A/D 轉換裝置 信號衰減控制 圖 3-2 超聲波系統組成圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 10 (4)其他顯示方式：除上述三種顯示方式以外，目前國際上正在大力研究和發展更加完善的圖像顯示技術，如超聲全息成像技術 、 ALOK成像技術、衍射成像技術和 SAFT成像技術等。 本課題中，我們采用了 A掃描和 B掃描兩種數據顯示方式。由以上的介紹我們可以看出，A掃描圖像接近于常見的示波器顯示的圖像，為大家所熟悉。而 B掃描圖像可以直接看出缺陷在整個探測面上的分布情況，比較直觀。探傷過程中，檢測數據以 A掃描的方式進行采集。探頭架沿著工件長度方向進行縱向掃描。數據采集電路以預定的采樣頻率進行采樣，保證至少探頭每移動 1mm進行一次數據采集，即采集一組 A掃描圖像數據。這樣，就能得到整個工件軸向的所有 A掃描圖像數據。同時，以工件長度為橫坐標軸 ，以工件周向展開寬度作為縱坐標軸，在同步電路的控制下，在采集 A掃描圖像數據信息的同時繪制 B掃描圖像。這樣，當掃查結束的時候， B掃描圖像也形成了。 B掃描圖像實際顯示的是工件的縱截面。 探傷過程中，對傷波數據的存儲及顯示是非常必要的，有利于對探測情況的詳細分析和比較數據的存儲格式被聲明為一個三維數組 char Data，其中， i代表所屬的通道數 (因為一般的檢測系統都是由若干個通道組成，不同通道使用不同的探頭組檢測不同的部位。本項目使用的檢測系統包含 7個通道 )； J代表對應 B掃描的橫坐標值， k代表對應 B掃描的縱坐標值 ， Data數值本身代表此 (j， k)位置點對應信號的幅值大小，在 B掃描圖像中，它被轉化為對應點的灰度值，以顏色深淺進行顯示。將每一個點的信號值都存儲到這個三維數組中，并以 RST格式存儲成文件供顯示時使用。 3.4 探傷數據的顯示 圖 3-4 探傷數據顯示操作界面 圖 3-4所示的是數據顯示操作界面，其中與數據顯示有關的控件是按鈕“打開，“ B掃描顯示比例”和“ A掃描顯示比例”。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 11 圖 3-5 探傷數據顯示操作界面 打開操作使其對數據文件的讀取和顯示，它將讀出的數據存入數據成員的字符數組并在函數中使用。 3.5 探傷圖像處理及濾波算法 對探傷方法的分析可知，探傷結果 (A、 B掃描成像圖像 )除包括有用的傷波信號以外，還存在大量固有波 (工件邊沿波信號 )和隨機干擾波信號 (噪聲等 )，這些干擾信號會干擾視線、影響探傷效果，嚴重的甚至造成誤判，給探傷帶來危害，因此必須消除，即必須進行相應的圖像濾波處理操作。目前，廣泛使用的，也是最為有效的圖像處理方法是用計算機來完成的數字圖像處理技術，本實驗中我們采用計算機 vc+語言編寫程序來完成圖像的濾波、處理工作。下面，我們首先介紹一下圖像濾波處理的常用方法，然后給出本實驗采用的圖像 處理方法。 濾波操作在圖像處理中也叫做平滑操作，其目的是為了消除噪聲。圖像噪聲的來源有三：一為在光電、電磁轉換過程中引入的人為噪聲；二為大氣層電 (磁 )暴、閃電、電壓、浪涌等引起的強脈沖性沖擊噪聲的干擾；三為自然起伏性噪聲，由物理量的不連續性或粒子性所引起，這類噪聲又可分成熱噪聲、散粒噪聲等。噪聲消除的方法可分為空問域和頻率域，又可分為全局處理和局部處理，還可以按線性平滑、非線性平滑和自適應平滑來區分。下面簡要介紹鄰域平均、空間濾波、頻率濾波、多圖像平均、自適應濾波及中值濾波濾波等方法。 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 12 （ 1）鄰域平均法 鄰域平均法是一種局部空間域處理的算法。設一幅圖像 f伍 y)為 N*N的陣列，濾波后的圖像為 g(x， y)，它的每個象素的灰度級由包含在 (x， y)的預定鄰域的幾個象素的灰度級的平均值所決定，即用下式得到平滑的圖像 ： ),(),(1),(jijifMyxg 3-1 式中的 x,y=0， 1， 2， ， N-1， S是 (x， y)點領域中心點坐標的集合， M是 S內坐標點的總數。以上算法簡單，計算速度快，但他的主要缺 陷是在降低噪聲的同時使圖像產生模糊，特別在邊沿和細節處，鄰域越大，模糊越厲害。為了減少這種效應，可以采用閾值法，也就是形成平滑圖像。 snmnmfMyxg),(),(1),( TnmfMyxfsnm ),(),(1),( 3-2 式中 T是一個規定的非負域值，當一些點和他們鄰值的差值不超過規定的 T域值時，仍保留這些點的像素灰度值。這樣平滑后的圖像比鄰域平均法模糊程度減少。當某些點的灰度值與各鄰點灰度的均值差別較大時，它必然是噪聲，則取其鄰域平均值作為 該點的灰度值，它的平滑效果仍然是很好的。 （ 2）中值濾波 中值濾波是一種不同于卷積算法的非線性區域處理方法。它一般采用一個含有奇數個點的滑動窗口，將窗口中各點灰度值的中值替代指定點 (一般是窗口的中心點 )的灰度值。對于奇數個元素，中值是指按大小排序后，中間的數值；對于偶數個元素，中值是指排序后中間兩個元素灰度值的平均值。因為區域中像素值發生隨機突變的像素經排序后，將位于隊首或隊尾，因此取得的中問像素值是正常的像素值。所以，中值濾波可以有效地除去隨機噪聲，并得到較好的視覺效果。并且由于它在實際運算過程中并不需要 圖像的統計特征，所以比較方便。在一定的條件下，中值濾波可以克服線性濾波器所帶來的圖像細節模糊，而且對慮除脈沖干擾及圖像掃描噪聲最有效。 （ 3）空間域低通濾波 從信號頻譜分析的知識，我們知道信號的慢變部分在頻率域屬于低頻部分，而信號的快變部分在頻率域是高頻部分。對圖像來說，它的邊緣以及噪聲干擾的頻率分量都處于空間頻率域較高的部分，因此可以采用低通濾波的方法來去除噪聲，而頻域的濾波又很容易從空間域的卷積來實現，為此只要適當地設計空間域系統的單位沖擊響應矩陣就可以達到慮除噪聲的效果。 （ 4）頻域低通濾波 這是一種 頻域濾波法，對于一幅圖像，它的邊緣、跳躍部分以及噪聲都代表圖像的高頻分量，而大面積的背景區和慢變部分則代表圖像的低頻分量，用頻域低通濾波法除去其中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 13 高頻分量就能去掉噪聲，從而使圖像得到平滑。常用的幾種低通濾波法包括： 1)理想低通濾波器 (ILPF) 2)巴特沃思低通濾波器 (BLPF) 3)指數濾波器 (ELPF) 4)梯形濾波器 (TLPF) 本章中我們主要介紹了三大部分：檢測系統組成和探傷數據顯示、探傷圖像的處理及探傷數據的分析。第一部分中我們首先介紹了超聲波檢測系統的組成和探傷數據的顯示方式，并對實驗所采用的 A掃描和 B掃描的具體實現過程進行了詳細的敘述。然后，針對探傷數據的存儲格式和顯示圖像的繪制方法，我們介紹了具體使用的 VC+操作函數。第二部分中我們又分兩部分展開論述。首先介紹了幾種常用的圖像處理濾波算法，并對其優缺點進行了比較分析。然后，在第一部分，我們對實驗測量數據及現場測量數據進行了分析，用事實證明了該檢測設備的可靠性和檢測精度。 4 系統的硬件設計 如圖 4-1 所示，超聲波檢測系統由定時器、控制系統、超聲波接收發射裝置、顯示器等組成。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。 從而測出發射和接收回波的時間差 T，然后求出距離 S=CT 2，式中的 C 為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為 340m s。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度 C 與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。因本系統測距精度要求很高，所以通過對溫度的檢測對超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。 圖 4-1 超聲波測距原理框圖 定時器 控制 顯示器 調制器 計時器 振蕩器 接收檢測 超聲波發射器 超聲波接收器 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 14 4.1 單片機系統及顯示電路 4.1.1 芯片 74LS244 74LS244 是 TTL 八同相三態緩沖器 /線驅動器，其 CMOS 器件對應為 74HC244,常用在單片機 MCU 系統中，作為單片機的輸入輸出數據緩沖器，在選通時輸入數據送到總線上，在非選通時對總線呈高阻態。 4.1.2 四位共陽極 LED 數碼管 管腳順序：從數碼管的正面觀看，以第一腳為起點，引腳的順序是逆時針方向排列。12-9-8-6四個腳為公共引腳， A-11， B-7， C-4， D-2， E-1， F-10， G-5， DP-3。 圖 4-2 74LS244 引腳功能圖 圖 4-3 四位共陽 LED 數碼管內部連接圖 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 15 4.1.3 單片機系統及顯示電路 單片機采用 89S51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩定的時鐘頻率，減小測量誤差。 單片機用 P1.0 端口輸出超聲波轉化器所需的 40KHz 方波信號，利用外中斷 0 口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數碼管，段碼用74LS244 驅動，位碼用 PNP 三極管驅動。單片機系統及顯示電路如下圖 4-4所示： 4.2 超聲波發射電路 超聲波發射電路原理圖如圖 4-5所示。發射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器構成，單片機 P1.0 端口輸出的 40KHZ 方 波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩極反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發射強度。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上拉電阻 R10 和 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。 圖 4-4 單片機及顯示電路原理圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 16 4.2.1 超聲波換能器 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部結構如圖4-6 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。 當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板產生超聲波，這時它就是一個超聲波發生器；反之，如果兩電極間沒有外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，使機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 圖 4-6 超聲波轉化裝置圖 圖 4-5 超聲波發射電路原理圖 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 17 4.2.2 芯片 74LS04 74LS04 是 6 非門 (反相器 )它 的工作電壓 5V， 它 的內部含有 6 個 coms 反相器， 74LS04的作用就是反相把 1 變成 0，平時在 使用中請注意不要芯片的管腳順序搞錯了，下面是芯片的管腳圖 ： 4 3 超聲波檢測接收電路 4.3.1 超聲波檢測接收電路 集成電路 CX20106A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHZ 與測距的超聲波頻率 40KHZ 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖 4-8。實驗證明用 CX20106A 接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容 C4 的大小可以改變接收電路的靈敏度和 抗干擾能力。 圖 4-7 74LS04 管腳圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 18 4.3.2 芯片 CX20106A 其中圖 4-9、 4-10、 4-11 分別為芯片 CX20106A 的外觀圖、引腳功能圖以及 A、 B、 C、 D四點的波形圖 圖 4-8 超聲波接收電路圖 圖 4-9 CX20106A 外觀圖 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 19 表 4.1 CX20106A 引腳功能表 引腳號 引腳功能 1 超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40k。 2 該腳與地之間連接 RC 串聯網絡，它們是負反饋串聯網絡的一個組成部分，改變它們的數值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R1 或減小 C1,將使負反饋量增大，放大倍數下降，反之則放大倍 數增大。但 C1 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數為 R1=4.7， C1=1F。 3 該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數為 3.3f。 4 接地端。 5 該腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200k時， f042kHz，若取 R=220k，則中心頻率 f038kHz。 6 該腳與地之間接一 個積分電容，標準值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 7 遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為 22k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產生下降。 8 電源正極， 4.5 5V。 圖 4-10 CX20106A 引腳功能圖 圖 4-11 CX20106A 的 A、 B、 C、 D 點的波圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 20 5 系統的設計 超聲波檢測的軟件設計主要由主程序、超聲波發射子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。由于 C語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序具有較高的效率并且容易精確計算。程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。 圖 5.1 示意了超聲波測量鉆桿的原理，即超聲波發生器 T 在某一時刻發出一個超聲波信號，當這個超聲波信號遇到被測物體后反射回來，就會被超聲波接收器 R接收到，此時只要計算出從發出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發生器與反射物體的距離。該距離的計算公式為： 2 )(2 tcsd 5-1 其中， d 為被測物與測距離器的距離； s 為聲波往返的路程； c 為聲速； t 為聲 波往返所用的時間。 由于超聲波也是一種聲波，其速度 c 與溫度有關，表 5.1 列出了幾種不同溫度下的超聲波聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可以認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以教正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。為了增強系統的可靠性，應在軟硬件上采用抗干擾措施。 表 5.1 不同溫度下超聲波聲速表 溫度 /c -30 -20 -10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 超聲波測距儀 圖 5-1 超聲波測距原理圖 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 21 5.1 主函數 主函數程序首先是對系統環境初始化，設置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數器模式，置位總中斷允許位 EA 并將顯示端口 P0 和 P2 清零。然后調用超聲波發射子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發，需要延時 0.1ms（這也是超聲波測距器會有一個最小可測距離的原因）后才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用的是 12MHz的晶振，計數器每計一個數就是 1us，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器 T0 中的數（即超聲波往返所用的時間）按 上 式計算，即可得被測物體與測距器之間的距離，設計時取 20 時的聲速 344m/s，則有 001722 1 0 0 0 0C T Td c m 5-2 其中： T0 為計數器 T0 的計數值。 測出距離后結果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 0.5s，然后再發超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用 C 語言編寫。圖 5.2為主函數程序流程 圖。 開始 系統初始化 系統初始化 發送超聲波脈沖 等待反射超聲波 計算距離 顯示報警 圖 5-2 主函數流程圖 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 22 5.2 超聲波發生子函數和超聲波接收中斷函數 超聲波發生子函數的作用是通過 P1.0 端口發送 2 個左右超聲波脈沖信號（頻率約為40KHz 的方波），脈沖的寬度為 10us 左右，同時把計數器 T0 打開進行計時。超聲波發生子函數比較簡單，但要求程序運行時間準確，所以采用匯編語言編程。 超聲波測距器主函數利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現低電平），立即進入中斷函數。進入該中斷后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。 若計時 器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示本次測距不成功。 圖 (a) 主程序流程圖 圖 (b) 定時中斷子程序 圖 (c) 外部中斷子程序 圖 5-3 程序流程圖 外部中斷入口 關外部中斷 讀取時間值 計算距離 結果輸出 開外 部中斷 返回 開始 單片機初始化 定時中斷子程序 有回波嗎？ 外部中斷子程序 N Y 定時中斷入口 定時器初始化 發射超聲波 三方向均發射完否？ 停止發射 返回 N Y 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業論文 23 6 軟硬件調試及性能 6.1 元器件的焊接 焊接是制造電子產品的重要環節之一，如果沒有相應的工藝質量保證，任何一個設計精良的電子裝置都難以達到設計指標。 對焊點的基本要求： （ 1）可靠的電氣連接，焊接是電子線路從物理上實現電氣連接的主要手段，錫焊連接不是靠壓力而是靠焊接過程形成的牢固連接的合金層到達電氣 連接的目的。 （ 2）足夠的機械強度，焊接不僅起到電氣連接的作用，同時也是固定元器件，保證機械強度連接的手段。 （ 3） 光潔整齊的外觀，良好的焊點要求焊料用量恰到好處，外表有金屬光澤，沒有粒尖，橋接等現象，并且不傷及導線的絕緣層及相鄰元器件。 6.2 電路調試與分析 供電電路是否正常是系統能否正常工作的前提，因此首先對電源部分進行調試，接上電源，測得電源電壓輸出應該是 5V。并且測得 P1.0 口的輸出信號頻率接近 40 KHz，滿足實際要求。 超聲波測距儀的制作和調試，其中超聲波發射和接收采用 15 的超聲波換能器TCT40-10F1（ T 發射）和 TCT40-10S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 4 8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容 C4 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據實際情況可以修改超聲波發生子程序每次發送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和程序， 測距儀能測的范圍為 7 70cm，測距儀最大誤差不超過 1cm。系統調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。下圖為超聲波測距器 測量的角度范圍： 超聲波測距器 60 度 圖 6-1 超聲波測距器測量的角度范圍 石油鉆桿接頭超聲波檢測方法研究 24 7 結語 超聲波檢測技術目前已經比較成熟，工業項目中用的也較多。隨著工業應用對鋼管質量要求的提高，對管材檢測實施的超聲檢測要求和技術也在不斷提高。例如，傳統無縫鋼管探傷中，主要是對縱向缺陷的檢測，而現在越來越多的應用需要探測橫向缺陷和對鋼管進行測厚。相應地，也在無縫鋼管探傷的技術上，人們開始研究和 使用一些新的技術。例如，環形探頭陣列技術，相控陣技術等。這也是鉆桿接頭及其類似工件超聲波探傷方法研究的方向。 但是，國內對石油鉆桿接頭的超聲波檢測