Ultrasonic axial stress measurement algorithm for bolts based on thresholding and cross-correlation
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摘要:
准确获取超声波的渡越时间是螺栓轴向应力测量的最基本要求。介绍了两种常用的获取超声波传播时间的方法——阈值法和互相关算法,并将两种算法结合提出了阈值互相关算法,辅以小波降噪算法提高渡越时间计算的准确性,使用碳钢螺栓对算法可靠性进行了验证。试验结果表明,阈值互相关算法受噪声信号影响小,平均误差均可控制在5%内,具有良好的抗噪性能和稳定性,在噪声较大的工程环境中实用性较好。
Abstract:Accurate acquisition of the ultrasonic transit time is the most basic requirement for the measurement of axial stresses in bolts. This paper introduced two commonly used methods to obtain the ultrasonic propagation time - threshold method and mutual correlation algorithm, threshold mutual correlation algorithm proposed by the combination of the two algorithms, wavelet noise reduction algorithm supplemented to improve the accuracy of time-of-flight calculation. 8.8 grade M20 × 100 carbon steel bolts were used to verify the reliability of proposed algorithm. The study showed that the threshold cross-correlation algorithm was little affected by the noise signal, and the average error was controlled within 5%, which had good anti-noise performance and good stability, and had greater practicality in engineering environments with large noise.
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增材制造材料在航空航天、国防军工等领域得到了广泛应用[1]。其产品的不同主要表现在尺寸大小、几何结构、厚度上的不同[2]。尺寸大小可从数毫米到数米；几何结构可从简单的板状结构到具有内部网状、流道的复杂结构；厚度主要集中在1 mm至50 mm[3-4]。增材制造材料零件在作为成品交付前,需进行射线检测并评定缺陷是否在容许范围内,该方法是保证零件质量的必备手段[5]。
目前国内外零件生产厂商一般会根据自身零件的特点,研究提出相应的检测技术和质量控制要求,形成企业标准。当需要交由二方、三方机构检测时,按各自的企业标准进行审核、确认和执行[6]。国外对此类零件的射线检测,绝大多数采用数字技术,可选的技术主要有工业CT、X射线实时成像（DR）、计算机射线照相（CR）3种。其中,工业CT可获得高精度的3D图像[7],但总体检测效率偏低,多用于产品研究开发阶段或者复杂内部结构观测、细小缺陷检查等比较特殊、重要的情形；对于规模化生产的重要零件,一般采用工业CT抽检。绝大多数零件的日常射线检测,主要选择DR或者CR[8]。
国内的射线检测,尤其是航天军工零件的最终验收检测,基本上指定采用射线胶片照相（RT）方法[9]。主要原因一方面是RT历史悠久,灵敏度、分辨率等主要指标优越,技术标准成熟丰富,认可度高；另一方面数字化技术（DR、CR）多数情况下存在灵敏度或分辨率偏低、有力的支撑数据偏少、技术标准不完善、设备普及率低等实际问题[10]。
随着时代的发展和技术的进步,射线检测数字化技术也在不断进步。调研表明,CR在灵敏度和分辨率指标上与RT接近或相当[11-12]。CR检测结果为数字图像,具有容易观察和保存、传输方便、可实现远程、多人共同诊断等优点。因此,应充分利用RT和CR的各自优势[13],使二者在增材制造材料检测过程中相互补充,以提升射线检测质量和能力。
1. 试验参数及试件制备
1.1 试件制备
试验所用试件的材料为增材制造中常用材料钛合金TC4,平板状,其透照区域均为120 mm×80 mm（长×宽）,试件厚度及对应编号如表1所示。
Table 1. 试件厚度及对应编号试件编号 试件厚度/mm 数量/块 1 1.5 1 2 3.0 1 3 5.0 1 4 7.0 1 5 10.0 1 6 18.0 1 7 27.0 1 8 50.0 1 1.2 试验目的与参数
为分析增材制造钛合金材料TC4检测中影响因素、透照参数对灵敏度、分辨率两大指标结果的影响关系,对不同板厚的试件,按照不同影响因素及透照参数的组合进行了测试。其中,扫描参数直接按最优配置,以确保得到合适的其他影像指标（灰度、信噪比）合适。
透照电压分为高中低三挡。高压相当于100%的RT标准允许的最高管电压；中压相当于80%的RT标准允许的最高管电压；低压相当于67%的RT标准允许的最高管电压。曝光量分别选择60,40,20 mA·min进行测试。
具体试验条件及参数组合如表2所示（每个厚度分3种电压透照,对应的曝光量分别为60,40,20 mA·min,PMT为扫描信号增益,无量纲,激光功率为参数数值,无量纲）。其中,CR配套专用感光成像器材为数字成像板IPs（Digital Imaging Plates）。IP使用存储磷光体,拍摄时其捕捉并保持与电离辐射曝光成正比的潜影；然后进行扫描仪数据读取,用红色激光扫描,激发蓝光的发射,这种现象称为光激励发光,通过读出潜影并在计算机中显示射线检测图像。IP是一种柔性平板,可装入柔性或刚性盒中,并与适当厚度的金属屏幕一起使用。
Table 2. 试验条件及参数试件编号 试件厚度/mm IP类型 金属屏 透照电压/kV 扫描参数 PMT1=PMT2 激光功率 分辨率/μm 1 1.5 蓝板 无,Pb0.03 50,60,75 4.0 14 25 2 3.0 蓝板 无,Pb0.03 55,67,80 4.0 14 25 3 5.0 蓝板 无,Pb0.03 60,75,90 4.0 14 25 4 7.0 蓝板 无,Pb0.03 65,80,100 4.0 14 50 5 10.0 蓝板、白板 无,Pb0.03 70,90,110 4.0 14 50 6 18.0 蓝板、白板 无,Pb0.03 90,120,150 4.0 14 50 7 27.0 蓝板、白板 Pb0.03,Pb0.1 120,150,180 4.0 14 80 8 50.0 白板 Pb0.03,Pb0.1,Pb0.2 180,220,260 4.0 14 80 目前常用的IP分为高分辨率板和超高分辨率板。高分辨率板分辨率可达40 μm,感光材料呈灰白色,俗称“白板”,多用于较高电压（180 kV以上）检测较厚工件的情况；超高分辨率板分辨率可达25 μm,感光材料呈淡蓝色,俗称“蓝板”,多用于较低电压（200 kV以下）检测较薄工件的情况。
2. 试验结果与分析
2.1 成像板类型与灵敏度、分辨率关系
IP蓝板和白板分别可获得的最优成像指标如图1,2所示,可以看出,对于增材制造钛合金材料的CR检测,当试件厚度小于18.0 mm时,蓝板在灵敏度和分辨率上明显优越于白板；当试件厚度大于18.0 mm时,白板灵敏度略优,但分辨率略低,二者在18.0~50.0 mm厚度时,总体成像效果相当。
2.2 金属屏与灵敏度、分辨率关系
金属屏固定为铅屏时,其与灵敏度、分辨率的最优关系曲线如图3,4所示。无论灵敏度还是分辨率指标,当试件厚度小于18.0 mm时,不加铅屏时的效果好；当试件厚度大于18.0 mm时,加铅屏时的效果好；当试件厚度小于5.0 mm且加铅屏时,分辨率明显降低,只能达到13D。
2.3 透照电压及曝光量的使用
不同透照电压及曝光量时,试件厚度与灵敏度、分辨率的最优关系曲线如图5,6所示。在试验中,参照RT标准给出的相应厚度的最高允许电压,分别设置了低压大曝光量、中压中曝光量、高压小曝光量的透照组合。
由图5,6可以看出,灵敏度影响方面,低压大曝光量、中压中曝光量二者相当,最高都可以达到19号钛丝,效果较好；高压小曝光量时,灵敏度有明显下降,最高为18~19号钛丝。分辨率影响方面,低压大曝光量、中压中曝光量、高压小曝光量三者基本无差别。
2.4 扫描参数对成像质量的影响
扫描参数中PMT的数值越小,扫描引入的电噪声越小；扫描激光功率越小,激光斑点越小,越利于得到高的扫描精度；扫描分辨率指扫描时机械及激光点的移动步距。一般情况下,PMT和扫描激光功率应与曝光量匹配,使扫描得到的CR电子图像灰度在20 000~50 000范围即可。PMT常用数值一般为4.2~4.8；激光功率常用数值一般为10~20；扫描分辨率一般要求达到空间分辨率的80%~100%。
2.5 CR与RT成像指标对比
不同增材制造钛合金材料试件厚度的CR与RT测试结果及其与相关标准要求的对比如表3所示,可以看出CR最优灵敏度与RT的相当,满足标准B级要求,但应注意日常检测时,试件情况多变,灵敏度往往会低1个丝号左右,CR分辨率总体略低于RT的。
Table 3. CR与RT成像指标及其与标准要求的对比成像指标 项目 钛合金试件厚度/mm 1.5 3.0 5.0 7.0 10.0 18.0 27.0 50.0 灵敏度/丝号 CR 19 17~18 17 16~17 16 14~15 13~14 9 RT 19 17~18 17 16 15 13 12 10 标准要求 19 17 16 15 14 13 12 9 分辨率/线对 CR 13D+ 13D+ 13D 13D 13D 12D 12D 9D RT 13D++ 13D++ 13D+ 13D+ 13D 12D 11D 10D 标准要求 无 2.6 工艺参数控制图及应用说明
综合各影响因素关系曲线及成像指标情况,提出增材制造钛合金CR检测工艺参数控制图如图7所示,图中包含了允许的最高管电压和不同技术级别推荐的曝光区。
由图7可直接查出垂直透照、焦距f为1 500 mm时的检测工艺参数,当倾斜透照时,应根据倾角计算实际穿越厚度作为检测厚度；当f值变化时,应根据平方反比公式计算曝光量。图7适用于厚度比较均匀的增材制造钛合金材料的CR检测,当单次曝光厚度变化比达到1.4以上时,允许最高管电压增加30 kV。图7中允许的最高管电压也是A级检测技术推荐的最高管电压,相应曝光量A级推荐值为15~30 mA·min,B级推荐值为40~60 mA·min。
2.7 单次曝光有效检测范围分析
使用铝合金阶梯试件和与其外观尺寸相同,厚度为20 mm的垫板,对CR和RT进行了单次曝光试验,阶梯试件形状及尺寸如图8所示。
2.7.1 CR的单次曝光结果及解释
铝阶梯试件及垫板+铝阶梯试件的CR单次曝光成像结果如图9,10所示,可见,通过窗宽窗位的调整,可以有效检测出全部10个阶梯,影像指标接近于B级。
2.7.2 RT的单次曝光结果及解释
铝阶梯试件及垫板+铝阶梯试件的RT单次曝光成像结果如图11,12所示。由图11,12可见,铝阶梯试件RT可以有效检测出4~5个阶梯；垫板+铝阶梯试件RT可以有效检测出全部10个阶梯,影像指标略优于CR指标。
2.7.3 有关单次曝光结果的分析讨论
比较而言,单次曝光CR可适应试件厚度变化比率达5的检测,RT可适应试件厚度变化比率达2.5的检测。
2.8 缺陷检出对比
在前述数据曲线基础上,使用优化参数对增材制造材料点状和线状缺陷进行CR与RT的检测试验,并将结果进行对比。
2.8.1 点状缺陷检测试验对比
点状缺陷的RT及CR检测图像如图13,14所示,可知,CR与RT对点状缺陷的分布、数量、最小缺陷尺寸的检出能力相当。
2.8.2 线状缺陷检测试验对比
在此次试验中,RT和CR的最优检出缺陷均为槽宽0.1 mm,槽深0.09 mm和槽宽0.2 mm,槽深0.06 mm的两种线状缺陷,二者的检测结果如图15,16所示,可知检测效果基本相当,但CR影像略显断续而RT影像相对连续。
2.8.3 CR对增材制造材料的检测
CR对增材制造材料的检测结果如图17,18所示,图17,18均经过其他射线检测技术的比对,在缺陷的有无、分布、数量、尺寸上,CR影像与其他射线技术的影像情况相当,验证了CR检测的有效性。
2.9 小结
从影响因素关系曲线得到的CR检测参数控制要求如下。
（1）当增材制造钛合金材料厚度小于18 mm时,IP应使用蓝板；在18~50 mm厚度时,蓝板白板均可。
（2）当增材制造钛合金材料厚度小于18 mm时,不应使用金属屏；在18~50 mm厚度时,应使用厚度为0.03 mm的铅屏。
（3）当对增材制造钛合金材料影像质量要求较高时（相当于RT的B级要求）,应选用低电压或中等电压、较大曝光量（40 mA·min以上）进行透照；当对影像质量要求一般时（相当于RT的A级）,可选用较高电压、小曝光量（15~30 mA·min）进行透照。
（4）针对增材制造钛合金材料检测,PMT一般设置为4.2~4.8,激光功率为12~18,可满足绝大多数情况下的CR检测灰度和信噪比要求,更高检测要求时,可适当减小二者的数值,但应相应地加大透照曝光量。扫描分辨率的设置遵循检测对分辨率的要求,其数值不应大于要求的分辨率；如要达到13D+的分辨率,扫描分辨率数值应不大于50,且取80%的数值（40）可确保效果。
增材制造材料的CR检测优点为：① 单次曝光有效成像厚度范围明显比RT的大；② 在材料厚度较薄时,电子图像比人眼观察效果好。
因此,对于增材制造材料,CR检测主要适应于厚度多变且总体厚度不太大（30 mm以内）的检测场合。
3. 结论
对于增材制造材料的检测,胶片照相检测（RT）与射线计算机照相检测（CR）各具特色,应充分发挥各自优点,以提升总体检测质量。其中,RT灵敏度、分辨率等主要影像指标优异,应作为射线检测的首选技术。在以下一些特殊情况下,宜选用CR检测或优先考虑CR检测：① 试件厚度多变且总体厚度不超过30 mm时；② 科研试验指定需要电子图像时；③ 外场检测时。而以下情况不适用于CR检测：① 对高密度夹杂缺陷有明确要求时；② 灰尘严重、潮湿环境下。
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Table 1 横、纵波声时信号数据拟合结果
波形 参数 方程Y=ax+b 阈值为峰值的80% 阈值为峰值的60% 阈值为峰值的40% 横波 截距 9.906 3×105 9.841 2×105 9.830 1×105 斜率 5.361 9×1010 5.304 8×1010 6.119 0×1010 R2 0.999 0 0.977 3 0.995 8 纵波 截距 5.385 3×105 5.359 7×105 5.358 3×105 斜率 8.619 1×1010 8.919 1×1010 8.857 1×1010 R2 0.999 8 0.999 8 0.999 9 
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Table 2 螺栓轴力测量结果
螺栓编号 轴向预加载应力/MPa 测量结果/MPa 相对误差% 1# 0 −5.674 6 — 30 32.149 4 7.164 7 60 58.901 9 1.830 1 90 89.479 6 0.578 2 120 122.588 3 2.156 9 150 153.665 9 2.443 9 180 181.910 2 1.061 2 2# 0 −0.322 8 — 30 33.390 5 11.301 7 60 60.182 4 0.303 9 90 91.469 8 1.633 1 120 124.654 3 3.878 6 150 154.378 2 2.918 8 180 182.644 7 1.469 3 3# 0 −11 — 30 22.310 4 25.632 60 46.336 2 22.773 90 91.774 3 1.971 4 120 122.673 5 2.227 9 150 148.691 0 0.872 7 180 179.155 1 0.469 4
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