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技术分享 | 混凝土超声波检测中迈向 SAFT 成像
来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2021-10-17 | 51 次浏览 | 分享到:
高质量的 SAFT 图像首先需要良好的测量设备,。于 50 到 100 kHz 范围内的传感器尤其如此,所有孔径点的并行测量将大大减少数据采集所需的时间。采用SAFT图像重建的设备A1040 MIRA超声波断层扫描仪仍是目前市场上先进的超声波成像设备。

概括

在混凝土的超声波检测中,通过改进设备和检测方法来评估内部结构成为可能。正在进行的工作的是厚度测量、搜索空隙和管道的位置。许多研究人员已经开发出准备应用的技术,所有这些技术都只需要从一侧即可检测混凝土结构。它们大多是从其他无损检测领域(如钢材检查)中采用的技术,但需要进行修改以适应混凝土的特殊特性。此文简单叙述并显示了使用超声波 SAFT 重建对混凝土结构的二维截面进行成像。SAFT(合成孔径聚焦技术)是基于通过时间记录的叠加将在孔径上测量的数据随后聚焦到重建区域的每个点 。重建的图像是由例如后壁和夹杂物引起的阻抗差异,主要重点是论证二维 SAFT 成像在混凝土超声检测中的适用性。为了解释为什么 SAFT 特别适用于该目的,我们回顾了超声波在混凝土中的一些传播特性,并对 SAFT 与传统的 A 和 B 扫描技术进行了比较。列出了基本算法的一些扩展,这些扩展并入本实现中。在实验室和现场测量的重建结果表明,SAFT 已经适用于测试粒度最大为 16 毫米的混凝土,是用于高分辨率检查混凝土的有前途的工具。

超声波在混凝土中的传播特性

混凝土是一种固体材料,由砂浆基质和骨料组成,最大粒度范围为 8 至 32 毫米。在混凝土中传播的至少三种超声波中,通常采用纵波进行测试,入射波在所有阻抗差异处都被散射。为避免波能因聚集体单独散射而耗尽,使用低频范围为 0.05 至 0.5 MHz 的超声波换能器。尽管如此,与波长相比(在 8 和 80 毫米之间,纵向相速度 c L = 4000 m/s)时,晶粒尺寸是粗的。因此出现了许多由聚集体散射引起的效应,这些效应在均质介质中并不常见:

1.  任何物体都应明显大于可检测的聚集体,一般来说毫米级的缺陷是无法显露出来的。

2.  特别是在高频下会出现强烈的信号衰减。信号幅度随着声程的增加而衰减,波的频率成分向较低频率移动。

3.  接收信号中的确定性噪声会阻碍解释,更粗的聚合会增加其幅度。

4.  出现相速度(色散)的频率依赖性。发射脉冲的形状随着声程的增加而变化,传播时间与声程的关系是非线性的。

5.  脉冲速度被定义为在信号包络的特定阈值之间测量。

出于测试目的,人们通常采用混凝土的宏观视图并将其建模为具有有效介质参数的单相介质。它们解释了它的特殊属性(其中之一是纵向相速度),同时取决于许多数量。目标是解释所有这些现象,但这需要存在完整的传播模型,这样的模型仅处于初级状态。最后有效介质参数也可能因宏观不均匀性而变化,例如局部相速度可能受制造过程的影响。使用相对较低的频率所导致的后果是发散角较宽,并且瑞利波的出现增加。

为什么要使用 SAFT?

SAFT 成像并不是使用超声波检查未知物体的最简单方法,为了解释其应用于混凝土时的具体优势,将在 SAFT 与 A 和 B 扫描之间进行比较,这似乎是超声波中最直观的技术,并被广泛使用。表 1 显示了这些方法在混凝土测试特性方面的一些特征。双感叹号用于表示数据可能被误解。进行 A 扫描的主要问题是它包含太多信息,一个原因是发散角较宽,另一个原因是相关信息被确定性(结构散射)噪声、其他波类型反射以及随机(电子)噪声隐藏。当 A 扫描足以表征一个具体元素时,这种情况很少见。B 扫描在沿线性孔径扫描时需要稍多的努力,但随着信息展开到第二维,图形被支持来解释模式。其中最重要的特征是指示局部散射体的双曲线。尽管如此属于同一物体的信息是分布的,其他波类型的散射会干扰。

表 1:超声波检测技术应用于混凝土时的特性

A扫描B扫描SAFT成像
分配数据 => 空间换能器运动细看算法
宽发散角太多信息 !!太多信息 !!想要的
随机噪声抑制一些(细看是(算法)
确定性噪声抑制不 !!一些(细看)是(算法)
其他波型激发!!激发!散焦
努力工作小:换能器移动介质:线性光圈介质:线性光圈
处理工作量很小小的高的

在 A 和 B 扫描中,测量数据被复制而不是处理。通过 SAFT 重建,测量数据的每一部分都在事后聚焦,从而形成材料截面的“图像”。超声波换能器的宽发散角现在是一种理想的特性,因为它允许从各个侧面照射物体。因为许多孔径测量有助于图像中的每个点随机噪声被抑制。通常,不需要额外的高激励电压或非线性/线性平均技术。聚集散射集中在数据空间中,因此在重建空间中传播只会增加噪声。声速散焦不同的波类型不会映射到图像中,SAFT 的另一个优点是原则上是图形化的。

SAFT 实施

SAFT 算法是使用数值数学实现的,该程序能够处理脉冲/回声捕捉情况。数据总是在线性孔径上测量,这就是为什么这种算法通常被称为 L-SAFT(线-SAFT)。该算法适用于时域中的原始数据,并通过数据样本之间的线性插值进行像素驱动的重建。生成的图像通常通过计算其列的包络来解调,并以线性灰度绘制。请注意重建的特征始于亮点的开始,而不是它们的最大值。时间偏移量以这种方式调整,因为许多散射体并不比波长大多少,并且在使用脉冲最大值时无法解析它们的轮廓。对数据处理和基本算法进行了一些扩展,以适应测试混凝土的特性:

1.  可以从所有数据记录中减去在没有物体的情况下测量的参考信号以校正换能器的后期振荡。

2.  某些记录的手动幅度调整可补偿传感器耦合的变化,这会对图像质量产生显着影响。

3.  考虑换能器的发散角有助于减少噪音和伪影。

4.  可以应用非线性时间标度以允许随着声程增加而改变脉冲速度。校正函数是从测量中凭经验找到的,到目前为止仅适用于 8 mm 的最大晶粒尺寸。这提高了深度维度的准确度。

5.  幅度深度校正均衡了散射和吸收损失。

6.  B 扫描用作调查,并在线性灰度中绘制为高频 (RF) 数据,其中正振幅变为亮像素,负值变为暗像素。

结束语

高质量的 SAFT 图像首先需要良好的测量设备,低频超声换能器很少有无振铃且具有较宽的带宽。对于 50 到 100 kHz 范围内的传感器尤其如此,足以测试最大粒度为 32 毫米的混凝土。所有孔径点的并行测量将大大减少数据采集所需的时间。在使用传统超声波换能器的地方,快速可靠的耦合仍然是一个问题。SAFT 重建可以通过使用信号处理器和/或并行硬件结合傅立叶变换的算法 ,如果它们足够灵活以处理测试混凝土所需的特殊处理则可以使用。采用SAFT图像重建的设备A1040 MIRA超声波断层扫描仪仍是目前市场上先进的超声波成像设备。