超声自动探测国内外研究现状、发展趋势
超声自动探测国内外研究现状、发展趋势
一、国内外技术现状、发展趋势
1.1超声自动检测与无损评价技术研究意义
超声探伤技术作为一种重要的无损检测技术，在现代工业的各个方面都有着广泛的应用，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段；体现在新材料和新技术的研究中；也体现在保证机器零件、最终产品的可靠性和安全性上，世界各国对它的研究都非常重视。例如美国为了保持它在世界上科学技术的领先地位，早在1979年的政府工作报告中提出要成立的六大技术中心中，无损检测技术便是其中之一。日本最近制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，也把无损探伤放在十分重要的位置。另外，无损探伤技术所能带来的经济效率也是明显的，目前我国的投入不比日本少，而国民生产总值只有日本的三分之一左右，这种现象主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。据测算，我国不良品的年损失约2000亿元。再者，无损探伤的经济效益还表现在产品的竞争能力上，在无损技术支持下提高产品质量和可靠性，是保证产品进入国际市场的决定性因素之一。例
如，日本小汽车生产中30％零件采用无损检测后质量迅速超过美国，市场扩大而严重威胁美国的汽车工业，德国奔驰汽车公司对汽车的几千个零件全部进行无损检测后，运行里程增加一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力。
铝板在国民生产总值中的地位。由于板材缺陷而导致飞机失效甚至失事的所造成经济损失。
采用自动超声检测能节省人力。
研究超声无损评价技术对铝板的质量控制具有重大的意义。传统的超声检测多是依据检测者的经验对超声回波进行主观的评价。这种方法太主观，检测的可靠性和效率十分有限。随着计算机技术的快速发展，将信号分析与处理技术、成像技术、人工智能技术和自动化控制技术应用于超声检测已经成为国内外研究热点。不仅可以通过图像来展现内部缺陷，而且可以利用现代数字信号处理技术来进行缺陷的定性定量分析和无损评价。
1.2超声检测技术国内外现状、发展趋势
1.2.1超声检测方法和技术现状
1)国内现状
国内超声检测技术的主要研究领域可以分
为检测方法研究和设备研发。在设备研发方面主要为数字化超声波探伤仪、TOFD超声检测系统、超声成像系统和磁致伸缩超声导波检测系统；在检测方法和技术方面，主要为自动超声检测技术、超声成像检测技术、人工智能技术、TOFD超声检测技术和超声导波检测技术。
2000年以来，国内研究机构和高校主要侧重于超声相控阵技术。例如清华大学的施克仁教授和鲍晓宇博士、电子测试技术国防科技重点实验室利用数字波形相位延时技术，设计实现了多通道相控阵超声检测实验系统，达到了很高的发射延时分辨率[1]。中国石油天然气管道科学院联合上海电气自动化设计研究所等单位，通过对超声波相位控制和电子方法，实现了超声波声束聚焦、偏转。与国外同类产品相比，增加了横向裂纹的扫描检测、三维动态缺陷显示功能。
近年来，国内科研机构开始侧重于研究数字化多通道超声检测技术，并结合自动化控制技术，用于中小型管道类、曲面类构件的无损检测。例如，南京航空航天大学的芮华、徐大专把传统的超声波无损检测技术和先进的虚拟仪器、数字信号处理、嵌入式操作系统等技术相结合，研制
了一种新型满足了自动化探伤中高重复频率(>1kbp s)和实时报警等关键性能的要求的数字化超声波自动探伤系统[2]。
国内研究的总体现状是，大多局限于声场理论的探讨和国外已有产品的仿制，缺少新的检测技术、检测方法以及检测系统设计方面的研究。换能器的研制上没有创新，为了达到聚焦和偏转的目的通常只考虑数字延时，几乎都未考虑强度控制。国内外超声相控阵的检测仪器价格昂贵，无法实现可控强度聚焦和偏转。
2)国外现状
国内外对超声检测技术的研究已经十分深入，特别是近年来国外对相控阵超声检测技术的研究日趋活跃，例如在造船工业、核工业、航空工业等质量要求高的行业，开始引入超声相控阵技术进行缺陷检测。
1.2.2超声检测仪器现状
1)国内现状
五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。目前已经形成自己的研制和生产基地。许多厂家，如广东汕头超声仪器研究所、中科院武汉物理研究所、武
汉科声、南通精密仪器、鞍山美斯等公司和研究机构都推出了自己的超声波探伤仪系列产品。其中一些单通道手持检测仪的技术水平也已相当接近国外同类产品的，但数字式多通道探伤仪（用于大型板材的自动化超声波探伤）的研制还基本处于起步阶段。直到1988年鞍山钢铁公司从日本购入了一套二手厚钢板自动探伤设备，在生产中取得了比较好的效果后，带动了国内钢板自动探伤设备的开发。目前国内在大型板材的探伤设备上，已经取得了一定的成绩[3]。例如武汉的中国科学院物理研究所推出的KS-128和KS-64两种型号的探伤系统，以及鞍山美斯探伤设备公司研制的MS-8nB型多通道数字式超声波探伤仪。分别用于在线检测和离线检测。汕头超声电子研制的国产64路检测通道、实现动态聚焦功能的CTS-2108便携式超声相控阵探伤仪，采用开放式结构设计，可随时扩展更多检测通道。虽然也具有线扫和扇扫功能，但还不能达到一次同时多角度检测，与国外产品存在一定的差距。
数字化超声波探伤仪配套机械传动装置构成自动超声检测装置，国内的一些公司已经有相
关产品。例如，武汉中科创新技术公司等国内数10家公司生产的便携式和多通道数字化超声探伤仪，通道数多达128个，采样率最高可达100MHz，已经用于无缝钢管、焊接钢管、火车车轮、石油钻杆和汽车关键部件的自动化检测。
国产超声探伤仪在自动化和智能化方面与国外仪器还有较大差距。国产超声波探伤仪扫描范围较小，测量还不是很精确。此外，对于大规格高性能铝合金厚板全面积探伤成套设备，目前国内尚没有成熟的产品可供选用，而英国Ultrasonic Sciences公司的厚板水浸探伤成套设备（如图1）技术成熟，已经成功应用于铝合金厚板缺陷检测。
图1英国UltrasonicSciences公司生产的水浸探伤系统
2)国外现状
国外公司如GE检测科技、R/DTECH、西门子、IMASONIC等已推出商业化便携式超声相控阵检测设备和大型超声相控阵检测系统。例如GEPhasorXS型相控阵超声探伤仪可以一次同时多角度检测，可随意切换常规超声和相控阵模式。使用相控阵模式时，PhasorXS的扇形扫描功能大大提高了缺陷检测能力，只需要进行一次扫查，就能覆盖大面积的检测区域，大大提高了检测工作的效率。操作人员无需更换探头或楔块，就能方便地利用一个探头达到多个角度和聚焦深度。
数字式超声波检测仪器的发展速度极为迅速，其探伤效率和探伤速率都有质的飞跃。国际上处于领先地位的超声探伤仪器生产商有：美国Panametrics公司、美国PAC公司、美国GE公司、德国Krautkraemer公司、英国Sonatest公司、英国UltrasonicSciences公司、法国SOFRATEST公司等。美国Panametrics公司产的EPOCH4PLUS数字式超声探伤仪是手持便携式的，操作简便，扫描范围广，可达到1-10000mm，频率范围大，模拟带宽可达到
25MHz，测量精度高。德国Krautkraemer公司超声波探伤仪USN60是自动扫查系统的便携式超探仪，它集模拟性能与数字优点于一身，在金属中的扫描范围可达到27940mm。德国KrautKraemer公司生产的USD10型智能超声探伤仪能实现自动探伤和显示缺陷的位置和数值。
缺超声自动系统
1.2.3超声无损评价技术现状
1)国内现状
针对在目前工业生产的超声检测中缺陷难以定性的问题，国内一些科研单位已经开始了超声无损评价技术的研究，并取得了一定的进展。超声无损评价技术主要涉及噪音信号的去除、特征提取和智能识别缺陷。例如，南昌航空工业学院的卢超、邬冠华和吴伟在分析仪器电噪声，材料散射噪声和缺陷回波的小波变换特性的基础上，提出一种用一个尺度间变化的门限阈值来抑制噪声回波的小波变换系数再重构检测回波的方法提高信噪比[4]。浙江大学的车红昆、项占琴、程耀东提出一种基于小波包变换时频邻域统计特征的自适应消噪方法，能有效提高信号的信噪
比以及不同类型缺陷信号之间的可区分性，并抑制波形失真和信号的能量衰减[5]。
中国矿业大学的弓乐、曹康和吴淼采用小波变换、小波包变换和动态包络等方法对超声回波信号进行降噪和特征提取，利用多种神经网络对缺陷进行分类，建立了一套金属材料超声探伤缺陷分类辅助系统，具有采集金属材料中缺陷回波数据、降噪、特征提取和智能识别缺陷等主要功能[6]。华南理工大学的陈国华引入小波分析和人工神经网络技术进行缺陷深度的智能识别，构造了智能识别实验系统，实现了裂纹型缺陷的智能识别和缺陷智能定量识别[7]。但是系统需要建立了数字超声探伤缺陷样本库，在样本库中收集有各类缺陷的多种样本，因此样本的完备性很大程度决定了缺陷识别的准确性。训练样本量的多少和训练样本的涵盖范围会直接影响到神经网络的推广能力。
目前超声波检测的声学理论基础还主要停留在固体中少数规则缺陷（如球体、圆柱体、无限槽缝等）对超声波的反射、固体中的晶粒对超声波的散射，但超声波检测更重要的是根据已测得的散射情况推断工件内部存在着什么样的缺
陷。
2)国外现状
目前，作为提供智能识别方法之一的人工神经网络在超声检测中得到了广泛应用。国外研究机构在定性识别方面都开展了大量的研究。例如，Masnata及其合作者制造出了135个裂纹、夹渣等人工缺陷，采用Fisher判别方法对超声检测得到的参数进行处理，选择了波形的上升时间、下降时间、持续响应等16个量作为神经网络输入，准确地实现了对三种缺陷的分类识别[8]。
1.3超声检测技术国内外发展趋势
超声无损检测诊断技术正向快速化、标准化、数字化、程序化和规范化地方向发展，其中包括高灵敏度、高可靠性、高效率的检测诊断仪器和检测诊断方法，检测诊断和验收标准的指定，检测诊断操作步骤的程序化、实施方法的规范化等。
目前国内外已经诞生了多种数字化便携式探伤仪，然而自动化超声波探伤系统仍以多通道模拟方式为主。这类仪器可靠性差，检测精度不高，操作不便，存在的问题有模拟闸门报警方法
的虚警和漏检概率很大，检测性能达不到实际使用要求，各通道之间参数的离散性大，不便于采用工业探伤标准；对波形的处理、存储困难，不利于探伤结果的保存和分析，因此采用数字化检测技术是必然的趋势[2]。
现代超声无损检测技术正在向着数字化、自动化、智能化和系统化方向发展，材料缺陷检测中定位、定性、定量的可靠性将不断得到提高[9]。世界无损检测技术发展趋势是广泛采用计算机和信号处理技术来提高无损检测技术的可靠性[10]。超声无损检测技术逐步从NDI和NDT向NDE过渡。超声波无损探伤是初级阶段，它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下，发现其人眼不可见的内部缺陷。以满足工业设计中的强度要求。而超声无损评价是超声检测发展的最高境界，不但要检测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。
近年来，国内外在超声探伤技术方面的研究与应用有如下趋向：
1)由定性探伤向定量探伤和直接显示缺陷的图
像发展。经过上个世纪的科研积累，以及计算
机图像科学的发展，现在由定性地判断缺陷的有无发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、准三维图像。
2)把信号处理领域的新成果引入到超声信号的
处理中，如各种快速计算技术，分离谱处理，小波分析等方法，使得超声探伤的准确性和快速性大大提高。
3)把超声探伤技术与自动化技术与人工智能相
结合，向在线自动探伤和仪器的智能化发展，其中非接触超声探伤技术将有突破性进展。4)超声探伤和断裂力学相结合，对于重要工程构
件的寿命进行评价。由于机械结构裂纹缺陷的产生、扩展往往伴随着复杂的应力变化，实现精确检测，超声检测可用于金属起始裂纹检查。
5)超声探伤和原子尺度材料缺陷的孕育与纳观
材料缺陷相联系，对被检对象中缺陷的类型、尺寸、形状、取向等加以检测。
6)超声探伤和材料的物性评价相结合，在新材料
的设计、加工和工程应用中迅速得到发展。7)把无损检测技术直接运用在机器生产的每一
步，以便能够实现在线检测和实时监控。极大提高工业自动化程度的提高。
8)自动化超声波探伤系统仍以多通道模拟方式
为主转为以多通道数字化超声检测为主。
（？？？）
1.4知识产权状况及相关技术标准的分析
参考文献
[1] 鲍晓宇. 相控阵超声检测系统及其关键技术的研究[D]. 清华大学材料加工工程, 2003.
[2] 芮华, 徐大专. 一种新型数字化超声波自动探伤系统的研制[J]. 仪器仪表学报,
2005(09):957-960.
[3] 李锋. 中厚钢板多通道超声自动探伤系统的研究[D]. 天津大学精密仪器及机械, 2003.
[4] 卢超, 邬冠华, 吴伟. 小波变换在超声探伤仪检测回波处理中的应用[J]. 仪器仪表学报,
2003,24(6):559-563.
[5] 车红昆, 项占琴, 程耀东. 超声检测信号时频邻域自适应消噪技术[J]. 机械工程学报,
2007,43(6):226-231.
[6] 弓乐, 曹康, 吴淼. 金属材料超声探伤缺陷分类辅助系统的研究[J]. 仪器仪表学报,
2005,26(10):1085-1088.
[7] 陈国华, 张新梅, 谢常欢, 等. 超声检测中裂纹型缺陷深度的智能识别[J]. 华南理工大学学
报(自然科学版), 2005(08):1-5.
[8] Masnata A, Sunseri M. Neural network classification of flaws detected by ultrasonic
means[J]. NDT & E International, 1996,29(2):87-93.
[9] 蒋志峰, 吴作伦, 吴瑞明, 等. 材料缺陷超声检测中谱分析技术的研究[J]. 兵器材料科学与
工程, 2009,32(4):117-120.
[10] Ma H W, Zhang X H, Wei J. Research on an ultrasonic NDT system for complex surface
parts[J]. Journal of materials processing technology, 2002,129(1):667-670.