通过模拟仿真的概率来研究超声检测系统检测表面粗糙度的可靠性
摘要：关于超声回波信号对于材料表面粗糙度的影响一直被研究和在文献中记载。然而，这些研究大部分基于监控回波振幅的绝对值，这个方法有不能量化检测能力的缺陷。在本次研究中，检测概率（POD）对于表面粗糙度的影响的检测是通过POD仿真的研究来提供定量和深刻的分析。此外，POD仿真模拟过去常被用于量化对于表面粗糙度的影响的超声波测试过程。一个钢块里面有非金属杂质，用CIVA软件仿真这类型的检测，这种检测用超声脉冲回波浸入，通过直梁和棱角梁的技术。综合获得的POD曲线讨论与分析。
关键词：POD仿真，超声波测试，表面粗糙度，检测资格
1.介绍
尽管检测概率（POD）曲线在对于无损检测系统（NDT）的可靠性评估有着很高的关联和价值，但是它还是只是有限的使用。POD不是一项新技术，然而，大多数的NDT实践者几乎不熟悉它的实现和应用。POD曲线通常仅仅用于几个行业在一些国家，但是最近它们已经出现在许多出版的刊物，介绍了增加的识别POD的方法。需要更多的研究和应用强调POD的概念和方法,熟悉无损检测社区。
POD曲线的产生需要大量的数据，检查器校准缺陷和明确的试验，POD的研究是一个昂贵的过程。电脑仿真可以帮助人们克服时间和花费的限制，如果提供准确的模型就可以用来执行大量的检查用更少的预算和更少的时间。[6-8]，相当大的减少实验，只要求他们验证。另外，独立的模拟可以用于技术性校正[9]一部分检查限制，它们能接受数学模型。在超声波检测中（UT），这种POD仿真的多功能性允许大量的样本研究，通过大量有影响的参数和各种UT程序。不像以前的根据实验的POD和常见的UT测量方式。POD仿真在本文中用于两个目的
（1）通过超声波测试模拟仿真概论研究物体的表面粗糙度
前表面粗糙度已经知道产生散射效应，它导致超声波信号的衰减。[10-12]粗糙度诱发的衰减已经被研究了许多不同材料在不同的粗糙度值和不同的检测方法[13-15]。然而，这种主要的调查方法在这些研究中使用有限数量的测试部分监控表面粗糙度对反射回波振幅的影响。这个方法可以揭示底层物理方面的普遍现象，但是不能正确地叙述对于表面粗糙度检测能力的缺点。POD仿真可以联系检测缺陷的大小范围广泛的表面粗糙度值和应用于测试项目根据可靠的统计分布。
在本文里，非金属夹杂物的检测概率使用CIVA仿真软件进行分析。非金属夹杂物是钢中常见的缺陷产品；他们是潜在的危险,因为它们对材料的力学性能有影响[16]，就像疲劳特性[17]和传播的腐蚀损伤[18].超声波测试是一种可靠的方法用于非金属杂质的检测，尽管其可靠性还需要量化。POD曲线成为一个公认的工具用于定量无损检测系统的可靠性。
（2）分析表面粗糙度的影响超声参数的测试过程
特定资格的无损检测检验是一个系统的过程,以确保一个无损检测系统，包括程序,硬件、软件和人员，这个过程能够检测和描述指定缺陷在指定的测试项目。这个检测资格是必要的。当新技术运用时，检测环境也许不能满足参考代码的要求并且无损检测的应用是对设备和人类安全至关重要的。
其中一个检验资格的声音和公认的方案是由欧洲网络质检质量中心(ENIQ)[19]确定，这个中心有资格做无损检测系统结合实际评估和技术。这些指导原则最初是为在职开发检查核电站,因为核电站的在职检验要求最高的可靠性,指南也可以用于非组件或制造业的无损检测资格检查。
技术证明是一个非常重要的资格过程的一部分,它弥补了实践考核的限制。它提供了一系列关于无损检测可靠性的证据，这些证据包括计算机模型。然而，技术证明是一个定性的方法,主要依赖于专家依靠专业知识参与这个过程。计算机建模选项之一是POD模拟,它可以提供巨大价值的技术证明，分析影响系统的参数来确定必要的数据。[20]
本研究的第二个目标是使用POD仿真来量化分析一些UT系统的参数(波模式和探头频率)不确定的表面粗糙度值,以提高检验资格的信心的过程。此外,预计POD仿真方法将提供有用的知识给不熟悉POD的概念的那些进行无损检测的工程师和核查人员。
2.检测概率曲线和仿真
POD曲线量化了一个无损检测系统的可靠性通过提供一个图形化的概率之间的关系检测和控制它的因素。缺陷的检测能力是指相关的缺陷大小、缺陷几何特性或其他物理和操作条件[21,22]。POD曲线的形式提供信息:概率估计绑定在指定的信心;例如,图1中解释说,对于一个给定的一系列缺陷大小、缺陷1毫米的长度会有90%的概率检测指定的(90或95%)在特定的值相关的不确定的参数,如缺陷定位、缺陷尺寸、粗糙度和表面缺陷。通过使用量化和图形的形式使无损检测人员更容易理解并解释结果。这种简单的方式推广了POD曲线的使用。
表1：纵、横波衰减参数
检查可能的结果记录在两个不同的格式中，命中/脱靶格式(即检测到的缺陷检测)和信号响应格式(即信号幅度记录给更多信息缺陷大小)。
至于命中/脱靶格式,POD的估值是通过计算检测缺陷的比值的总数来检查缺陷对于每个缺陷的大小。然后,POD曲线假设功能来估算。最适合的功能达到/丢失数据被发现log-odds函数,所以POD模型可以写成[23]：
其中a是缺陷大小,mu;是自然算法的缺陷大小它的概率有50%检测,sigma;是一个尺度参数,决定了平坦的POD函数。
对于信号响应POD，在检测缺陷的大小中假定信号振幅的对数与对数线性相关。它们之间的随机误差预测和测量信号幅度应该是正态分布的标准偏差并不取决于缺陷的大小。这些假设表明POD曲线可以建模log-normal累积分布函数，它可以写成：[23]
其中Phi;是标准正态累积分布函数，POD研究是根据下列过程进行：
1.准备的标本有着大量的缺陷在相关的尺寸和类型里。
2. 通过适当的无损检测的检验标本。
3.结果记录缺陷大小的函数(或其他特征参数)。
4.曲线绘制。
CIVA仿真软件使用蒙特卡罗抽样法随机生成不确定参数的值(在本研究中:表面粗糙度)。根据指定的统计分布(正常、制服、对数正态分布,瑞利和指数),将它们分配给每个期望缺陷所需的许多倍;然后计算缺陷响应[23].使用支持仿真的POD或基于模型的POD方法近年来明显增加,因为它提供了多功能性,计算能力大,重要的节约时间和降低成本。讨论模型辅助POD提供附录H[21],和许多有关文件的网站模型——辅助POD工作组的爱荷华州立大学[24]。
3 .检查设置
试样是40毫米厚度的钢块，指数衰减法用于根据表1计算波衰减。一个20毫米直径的浸探头的中心频率是2 MHz，它是用来检查钢块浸泡的测试设置。这个探头专注于调查，主要是通过塑造积极的元素和优化最大响应。 圆柱形夹杂物位于测试块20毫米深度的覅方和铝氧化物为代表组成的密度为3.95通用/立方厘米的非金属夹杂物。有效性和准确性CIVA仿真软件在计算氧化铝夹杂物的响应,验证了实验进行人工和实际夹杂物。[25]
表2： 在POD仿真中表面粗糙度的值
|
分组 |
统计分类 |
最小值 (micro;ma)) |
最大值 (micro;ma) |
|
组1 |
平均 |
1 |
12 |
|
组2 |
平均 |
1 |
25 |
|
组3 |
平均 |
1 |
50 |
|
组4 |
平均 |
25 |
50 |
|
组5 |
平均 |
1 |
100 |
|
组6 |
平均 |
50 |
100 |
表3 ：使用2 MHz探针检测最小尺寸包含可靠的四个评价级别
|
分组 |
粗糙度值 (micro;ma) |
在不同的评价水平里检测缺陷大小(毫米) |
|||
|
–6 dB |
–10 dB |
–12 dB |
–14 dB |
||
|
组1 |
1–12 |
0.65 |
0.48 |
0.42 |
0.36 |
|
组2 |
1–25 |
0.664 |
0.48 |
0.42 |
0.37 |
|
组3 |
1–50 |
0.668 |
0.486 |
0.43 |
0.37 |
|
组4 |
25–50 |
0.684 |
0.52 |
0.442 |
0.37 |
|
组5 |
1–100 |
0.768 |
0.47 |
0.43 |
0.42 |
|
组6 |
50–100 |
0.84 |
0.59 |
0.52 |
0.44 |
直梁的水程检查被设置为25.4毫米。在测试区域中，角梁检查是由设置的迎角直梁探针在23.43°与60°折射角度产生横波。
4.检测概率的研究
4.1评价级别
使用校准试块拥有相同的维度作为测试块,参考灵敏度是使用1.5毫米平底的家(FBH)。这个参考反射镜位于深度类似缺陷的检查。评估水平(决策阈值):参考6,-10,-12,-12 dB。主要用于评价水平分析的结果是:参考水平-14分贝。
4.2 表面粗糙度对非金属夹杂物的检测能力
POD曲线生成的函数包含高度的作用,因为非金属夹杂物的体积影响超声波衰减的程度;因此,它是检测的决定因素的能力。模拟过程检查了75个标本:每10毫米的缺陷长度和高度的范围在0.1毫米和2毫米之间。每个标本检查与不同的表面粗糙度值的10倍,总共750次检查。生成的POD曲线是信号的响应类型。最小尺寸的缺陷被共同认为是可靠地检测到大小有90%，POD有95%的信心。揭示不同的表面粗糙度值的影响概率的检测,6套表面粗糙度范围应用到钢块。这六个部分在详细表2中,他们代表低,中等和高表面粗糙度值。
4.2.1直梁检查
在直梁检测中当表面粗糙度值1mu;ma到12mu;ma（组1），这个结果显示了90%的检查可能性对于95%的准确性时在拥有高度为0.36mm的杂质时是能达到的。组2到组4展示了相同的效果关于检查概率。组5到组6中，粗糙度的值增加到了100mu;ma ，它分布在两个区域，组5中，1mu;ma到100mu;ma，组6中，50mu;ma到100mu;ma，改变了最小可检测尺寸分别是0.42mm和0.44mm，也就是说，表面粗糙度值的大幅增加恶化的最小可检测大小小于0.1mm,这种恶化最小可检测的大小大约是翻了一倍，当评估级别为6 dB。结果在表3中给出的所有研究集使用4级评估。
检测概率仿真来研究影响
图2在直梁中，夹杂物的POD用2MHz探针检测组1表面粗糙度值的影响
图3 在直梁中，夹杂物的POD用2MHz探针检测组2表面粗糙度值的影响
对于表面粗糙度值大量增加的重要影响是POD夹杂物之间高度在0.3毫米和0.35(图2 - 7中的上升区域)毫米的恶化，作为他们的POD 30%至75%下降至5% - 35%,当表面粗糙度值被拉伸到100mu;ma。总之,表面粗糙度值从1到100mu;ma有平等和次要影响非金属夹杂物的检测能力,低和高粗糙度值之间的主要区别在POD曲线位于曲线的上升
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