научная статья по теме КАЛИБРОВКА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ, УСТАНОВЛЕННОЙ НА ПРИЗМУ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «КАЛИБРОВКА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ, УСТАНОВЛЕННОЙ НА ПРИЗМУ»

УДК 534.8+620, 179.16

КАЛИБРОВКА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ, УСТАНОВЛЕННОЙ НА ПРИЗМУ

Е.Г. Базулин

Предложен способ калибровки антенной решетки, установленной на призму, позволяющий уточнить координаты центров пьезоэлементов. Их точное знание позволит получать изображения, на которых блики отражателей будут совпадать с их реальным положением с точностью не меньше половины длины волны. Принцип калибровки заключается в минимизации целевой функции, описывающей разницу между измеренными антенной решеткой эхосигналами от отверстия бокового сверления диаметром 2 мм на глубине 12 мм и рассчитанными эхосигналами от такого же отверстия. Работа алгоритма проверена на эхо-сигналах, рассчитанных в программе CIVA. Приведены результаты калибровки нескольких антенных решеток на призмах и изображения бокового отверстия, полученные методом цифровой фокусировки антенной решетки (ЦФА) для разных акустических схем.

Ключевые слова: у.з. неразрушающий контроль, антенные решетки, призмы, двойное сканирование, FMC, цифровая фокусировка антенной решетки (ЦФА), C-SAFT, TFM.

1. ВВЕДЕНИЕ

В практике у.з. контроля широко применяют дефектоскопы, использующие антенные решетки на призмах. Некоторые из дефектоскопов работают в классическом режиме фазированной антенной решетки (ФАР-дефектоскопы), другие используют технологию цифровой фокусировки антенной решетки (ЦФА-дефектоскопы) [1]. Несмотря на достаточно высокое качество изображений, полученных такими дефектоскопами, блики отражателей в объектах контроля с известной скоростью звука не всегда совпадают с местами залегания отражателей с точностью меньше половины длины волны. Это вызвано тем, что реальные координаты центров пьезоэле-ментов антенной решетки могут не совпадать со значениями, которые были заданы для алгоритма восстановления изображения отражателей, что приводит к ошибкам расчета времен распространения импульса по лучу. Ниже перечислены параметры, которые оказывают существенное влияние на точность фокусировки для ФАР - и ЦФА-дефектоскопов.

Время пробега в протекторе антенной решетки в паспорте не указывают, поэтому его значение не всегда удается узнать у производителя. Скорее всего, этот параметр для каждой антенной решетки определяется толщиной просветляющего слоя [2] и он равен величине t = (2m + 1)/4f мкс, где f — рабочая частота антенной решетки, m = 0, 1, 2... . При f = 5 МГц время пробега в протекторе t = 50 нс для m = 0, t = 150 нс для m = 1. Суммарная ошибка определения времени пробега в протекторе в 300 нс приводит к смещению бликов по лучу на величину примерно 0,5 мм. Поэтому процедура калибровки должна определять или уточнять параметр t .

Угол наклона призмы Pw — это критичный параметр, влияющий на точность восстановления бликов отражателей. Однако учитывая то обстоятельство, что, как правило, призмы изготавливают на станках с числовым программным управлением, можно считать, что угол наклона призмы известен с точностью не меньше 0,25°. Исключение составляют изношенные в процессе эксплуатации призмы, для которых отклонение Pw от номинала может достигать градуса и более.

Координаты центра первого элемента антенной решетки можно рассчитать по стреле a определяемой по центральному лучу, по расстоянию пробега центрального луча p в призме и по углу наклона Р (рис. 1).

Евгений Геннадиевич Базулин, канд. физ.-мат. наук, начальник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48. E-mail: bazulin@echoplus.ru

В паспорте на антенную решетку и призму координаты центра первого элемента могут приводиться с допуском порядка 0,6 мм, что при восстановлении изображения отражателей в стальном образце может сместить блик отражателя на глубину порядка 1 мм. Отметим, что в пределах корпуса антенной решетки координаты первого элемента могут указываться с ошибкой ±0,1 мм.

Рис. 1. К расчету поля, отраженного от отверстия бокового сверления. Лучи соответствуют

акустической схеме Т(8)—ТБ(88).

Скорость продольной волны в призме с^ — это параметр, контролируемый производителем призм с точностью до ±0,01 мм/мкс. Если считать, что пробег импульса в призме, рассчитанной на работу на поперечной волне, равен 18 мм, то изменение скорости звука на ±0,01 мм/мкс приводит к сдвигу во времени при излучении и приеме на 60 нс и к изменению угла ввода. Поэтому ошибка задания ск1 также может привести к смещению бликов.

Время нарастания эХосигнала ¿тах измеряется с точностью до десятков наносекунд и может вносить свой вклад в нежелательный сдвиг бликов.

Отклонение всех упомянутых параметров от номинальных значений может привести к смещению бликов отражателей на расстояние более чем один миллиметр. Поэтому возникла необходимость разработать специальную процедуру калибровки антенной решетки и призмы.

Проблема калибровки одно- или многоэлементных преобразователей актуальна для любых систем когерентного восстановления изображения отражателей. Так, для систем "АВГУР 5.2" и "АВГУР Т" разработана специальная процедура калибровки одноэлементных преобразователей для определения таких параметров преобразователей, как ширина спектра эхосигнала, ширина диаграммы направленности, координаты центра пьезоэлемента. Система "АВГУР 5.4" [3] разработана специально для калибровки пьезопрео-бразователей. В ФАР-дефектоскопе "ОМ№8САКМХ2" [4] предусмотрено несколько процедур калибровки антенной решетки и призмы, одна из которых позволяет оператору получать максимальную фокусировку бликов, изменяя параметр "время пробега в призме"1.

Процедура калибровки антенной решетки, установленной на призму, нужна для метрологического обеспечения систем "АВГУР АРТ", когда необходимо определять координаты отражателей с точностью не меньше 0,5 мм на глубинах 200 мм и более. Кроме того, для оптимального когерентного сложения парциальных изображений, полученных по разным акустическим схемам [5], необходимо знать координаты центров пьезоэлементов с точностью не меньше, чем четверть длины волны.

1 Термин в кавычках взят из описания системы "ОМЫ18САЫМХ2" [4].

N

х

2

2. ПРИНЦИП КАЛИБРОВКИ

Метод калибровки основан на достижении максимального совпадения по заданному критерию измеренных эхосигналов р(г г 0 при излучении импульса из точки г и приеме в точке гг и их оценке р(г г t; V) при вариации таких параметров, как стрела призмы а расстояние пробега в призме рк, скорость звука в призме ск. Вектор, по которому происходит оптимизация, обозначим как V = (а р' с^). Его размеры могут быть увеличены за счет включения дополнительных параметров для оптимизации, например, угла наклона призмы р^ или времени пробега в протекторе ^гоГ Критерием максимального совпадения измеренных эхосигналов р(г гг, t) и их оценки р(г г t; V) может служить достижение минимума целевой функции В^)

V = а^тш В 1р (гí, гг, 0, р(, гг, V, V) I. (1)

V=(aw, Р„ ,сш) V )

Далее В(р(г,, гг, t), р(г,, гг, t; V)) будем обозначать как В^). Подобный подход применен в [6] при калибровке прореженных антенных решеток. В качестве объекта, отражающего у.з. импульсы, можно использовать отверстие бокового сверления, так как такой отражатель можно легко выполнить с высокой точностью, а расчет сигналовр(г г ^ V), отраженных от него, является классической задачей у.з. неразрушающего контроля [7]. Определенную проблему при обработке реальных эхосигналов могут представлять волны обегания, но для коротких импульсов, характерных для антенных решеток на 5 МГц, отраженных от отверстия диаметром более 2 мм, эхосигналы, импульсы этих волн можно проселектировать во времени.

Будем предполагать, что для калибровки регистрируется поле р(г, гг, О, рассеянное отверстием бокового сверления радиуса г8ВН с координатами (хдая, 2ВН), которое просверлено в образце толщиной к (см. рис. 1).

Антенная решетка работает в режиме двойного сканирования [5], когда измеряются эхосигналы для всех комбинаций пар элементов антенной решетки. Регистрацию эхосигналов антенной решеткой, работающей в режиме двойного сканирования, в нескольких точках хк будем называть режимом тройного сканирования [5].

2.1. Требования к виду целевой функции

Эффективность применения метода минимизации целевой функции В^) зависит от ее вида. В идеальном случае она должна иметь один минимум с максимальным градиентом. Функция В^), используемая в [8] для одновременного определения толщины объекта контроля и поперечной скорости звука в нем, имеет вид протяженной впадины с крутыми краями в одном направлении и пологими краями в перпендикулярном направлении, так называемая "овражная функция". Такой вид целевой функции и эффекты дискретизации и квантования приводят к тому, что полученное решение V сильно зависит от точки V из которой начинается поиск решения. Для повышения эффективности работы метода оптимизации целевая функция В^) должна иметь максимально большой градиент в окрестности минимума. С этой целью, исходя из общих соображений, нужно:

уменьшить расстояние до отверстия, то есть увеличить угловую апертуру, для обеспечения быстрого измерения времен задержек для разных элементов антенной решетки;

использовать несколько акустических схем — на прямом луче (обозначение Т(8)—Т(8) [5]), "треугольные" (обозначение Т(8)—ТБ(88) и ТБ(88)— Т(8)) и с однократным отражением от дна (обозначение ТБ(88)—ТБ(88)) и более высокого порядка;

использовать акустические схемы с учетом эффекта трансформации типа волны при отражении от границы образца;

если эхосигналы измерены в режиме тройного сканирования, то можно использовать эхосигналы, полученные в нескольких положениях антенной решетки.

Для уменьшения шума квантования нужно проводить измерения с частотой дискретизации, как минимум, в десять раз больше эффективной частоты f антенной решетки или использовать интерполяцию эхосигналов, например, фурье-интерполяцию [9].

2.2. Оценка поля, отраженного от отверстия бокового сверления

Прежде чем предлагать вид целевой функции, нужно определиться с методом расчета эхосигналов, отраженных от отверстия бокового сверления. Точность физической модели, используемой для оценки эхосигналов, определяет уровень так называемого операторного шума. Схема

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком