基于超声导波的车用氢瓶在线检验技术研究

在役车用氢瓶的安全性能直接影响到氢能产业交通应用场景的可行性。传统拆卸离线检验模式制约了产业发展,结合前期研究成果,创新车用气瓶定期检验策略,通过定位损伤引导判断是否应进行拆卸离线验证气瓶安全性能。本文开展超声导波技术对车用氢瓶缺陷的定位算法研究及装置开发,进而攻克金属基碳纤维复合材料制气瓶噪声干扰大、信噪比高等不利因素,有效提取损伤信号,实现高精度损伤定位,经对极端冲量损伤、表面裂纹损伤后的车用氢瓶进行试验,验证其损伤定位误差可达到5%以内,对在役车用氢瓶安全性能评估具有非常重要的应用前景。

低频导波检测技术在输油场站应用的效果分析

本文主要是对低频导波检测技术原理和应用进行分析,进而选取本次最优开挖验证点,通过MsS长距离超声导波检测仪在姬塬外输总站管网腐蚀检测过程中的应用效果分析,判断其应用效果具有哪些局限性和优缺点,为后续输油场站常规检测工作提供参考依据。

基于信号响应分析模型的金属结构损伤导波检出概率

飞机结构损伤导波在线监测技术作为一种新颖的无损检测手段,为了真正实现该技术在结构运营维护过程中的视情维护,必须明确其结构损伤检出概率(probability of detection,POD),以指导结构检查维修方案的制定。提出了一种基于信号响应分析模型的结构损伤导波POD计算方法,该方法通过构建在线导波监测信号的损伤指数与裂纹长度间的对应关系,得到结构损伤POD的统计计算模型,并分析了拟合参数的不确定性对计算模型的影响,构建了不同置信度下的导波POD计算模型。通过开展金属开孔和搭接结构疲劳裂纹导波监测试验,验证了该方法的有效性。试验结果表明,损伤指数类型、对应关系拟合函数和传感器监测方案均对结构损伤导波POD具有影响,且在95%置信度90%POD下金属开孔和搭接结构的可检裂纹长度分别约为2.6 mm和9.5 mm。

基于波速区间的导波延迟累加损伤成像

延迟累加成像方法是导波损伤监测技术中的一种经典的损伤成像方法,但是其性能非常依赖于精确的导波波速。而在复杂工程结构中的精确导波波速往往难以获得,从而该方法的有效性会受到复杂工程结构的影响。针对上述问题,提出了基于波速区间的延迟累加成像方法。所提方法利用导波波速的估计区间,将导波损伤散射信号的一段用于延迟,并将该段延迟信号的最大值进行累加作为损伤成像值。通过对复合材料加筋板上不同位置损伤的识别,对所提方法的有效性进行了验证。试验结果表明,所提方法能对损伤进行准确识别,且在鲁棒性方面要优于延迟累加成像方法。

大型双板导波天线对核电磁脉冲传输损耗和畸变特性

大型导波核电磁脉冲模拟器可为系统级装备试验提供自由空间辐照环境。针对此类模拟器常用的双板导波天线可能存在的传输损耗和波形畸变问题,以电磁仿真软件和算例对比分析研究了3种主要的影响因素,包括土壤的介电损耗及其抑制、前锥板向平行板转折的结构不连续、线栅阵列代替金属板的缝隙泄漏。研究结果表明:对上下极板等宽的情形,土壤损耗可使电压传输效率降低25%以上;适当展开下极板宽度可屏蔽土壤损耗;上极板转折处的结构不连续可导致平行段试验空间内电场呈现双峰交叠、幅度降低、波形畸变等特征;最大线间距0.3 m不会导致前沿显著变化。作为工程应用案例,设计了前锥长度60 m、顶高15 m、下极板拓宽3 m、由100根线栅阵列构成上极板的导波天线,试验空间超过20 m×20 m×10 m,实现了前沿2.5~3.0 ns双指数脉冲的无损耗、无畸变传输。

含初应力各向异性层合管纵向导波频散特性分析

基于勒让德级数法,联立增量变形理论,分析了含初应力各向异性层合管中纵向导波的频散特性,探讨了初应力场下导波传播的过程。相较传统级数展开法,通过利用正交完备性与递推特性,可有效地避免冗余的积分运算。基于所提联合理论方法,将其与不含应力的单层复合材料空心圆管纵向导波频散曲线进行对比,验证了所提理论方法的有效性。随后,数值计算了不同堆叠顺序下单向纤维层合管的导波频散曲线,揭示了中间层纤维角度对纵向导波频散特征的影响规律。最后,计算了不同初应力状态下的单向纤维层合管的纵向导波频散曲线,并讨论了初应力对各向异性层合管的纵向导波传播特性的影响规律。通过对比分析,为含初应力的各向异性层合管的无损检测与评估提供了理论支持。

空调冷凝器管道激光超声导波跨能量层级映射迁移检测方法

空调冷凝器是空调设备的关键部件,其弯管连接部位由于损伤类型多和几何形状复杂等原因造成传统接触式损伤检测手段难以应用,本文提出一种基于能量映射迁移网络的非接触式激光超声导波无损检测方法。首先,通过小波分解提取烧蚀信号和热弹信号的概貌波形,设计自编码能量映射函数将热弹信号特征空间映射到烧蚀信号特征空间,获得更接近烧蚀信号特征的映射热弹信号。其次,通过能量映射迁移网络对齐映射热弹信号和烧蚀信号特征空间,将网络模型中的域转换误差和样本标签误差之和用作特征空间对齐误差值。最后,对空调冷凝器泄漏、分层和裂纹等损伤进行检测实验验证所提新方法性能,结果表明其损伤识别精度为93.09%,比传统激光热弹激励检测方法提高了7.23%。

适用于声源定位的气体绝缘输电线路超声导波传播特性研究

基于到达时间差(TDOA)的声源定位方法是当前气体绝缘输电线路(GIL)故障定位的主要方式,声波在GIL结构上的传输特性深刻影响着定位结果的准确性。为进一步提升故障定位精度,该文提出了考虑导波频散与多模态特性的GIL壳体声传输分析模型,以典型220 kV GIL管段为研究对象,建立声波传输有限元模型,研究了导波特性对故障定位的影响,确定了适用于故障定位的超声导波模态以及GIL非直管结构对该模态导波的衰减与时延量,通过现场定位试验验证了分析模型的可行性,为GIL声源故障定位系统的传感器配置与定位阈值设置提供了计算依据。结果表明,在20~60 kHz频带内,F(1,1)模态导波具有能量高、波形形状稳定、抗干扰能力强等特点,使用该模态导波进行故障定位精度较高。GIL非直管结构会对F(1,1)模态导波造成较大的幅值衰减与一定程度的时延,在故障定位中考虑非直管结构衰减与时延影响可以使定位误差降低60%以上。

基于PZT/Terfenol-D双层复合结构的导波换能器研究

为了解决传统磁致伸缩换能器激励信号能量弱、检测效率低的问题,提出一种基于PZT/Terfenol-D双层复合结构的导波换能器以提高换能效率。首先,建立换能器的谐振磁电动力学模型,设计换能器结构;其次,对设计的换能器进行仿真,验证换能器模型的合理性及可行性,并对其进行结构优化;最后,制作样机进行试验,采集换能器的激励信号能量,与传统磁致伸缩换能器和PZT换能器进行对比,并对获取的各组超声导波信号进行滤波处理,计算各自信号的幅值平方和。试验结果表明:所设计的换能器激励信号幅值平方和为PZT换能器的1.49倍,大于传统磁致伸缩换能器与PZT换能器激励信号幅值平方的总和。

管道超声导波检测技术研究进展

超声导波检测技术是一种通过分析导波在管道中的传播特性来检测管道损伤的无损检测技术,在无损检测领域具有重要意义,尤其在管道损伤检测中应用广泛。首先,简要介绍了超声导波及其检测技术的基本原理,重点介绍了导波的激励与接收、导波的频散和多模态特性,以及导波的衰减特性。其次,综述了超声导波换能器和超声导波信号处理技术的研究进展,其中,重点关注了压电换能器、磁致伸缩换能器和电磁声换能器的优化与设计,以及针对小缺陷信号的增强与识别和导波多模态分离的应对策略。最后,展望了超声导波技术在未来的发展方向。

基于超声导波的高温管道壁厚监测技术优化

超声导波技术因可将超声换能器与高温环境隔离而常被用于高温管道的壁厚监测系统,但高温下常规耦合技术失效问题和信号信噪比低的问题影响了测量系统的可靠性和测量精度。设计用于传导超声信号的导波杆,基于声学匹配原理优化干耦合技术,解决高温环境下常规耦合技术的失效问题。提出自适应激励方式和测量数据的乘幂算法以提高高温下测量系统的自适应性和信号信噪比。采用智能分段声速方法对声速进行修正,使高温超声导波测厚系统的测量精度达到±0.03 mm。实验结果表明:在500℃的长期热源环境下,超声波换能器端的温度最高不超过56℃,验证了测量系统在高温环境下的可靠性。

管道电磁超声导波技术及其应用研究进展

超声导波理论研究的不断深入、导波固有的可用于长距离大范围高效检测的性能优势,以及电磁超声技术实现上具有的非接触特点等,共同促进了电磁超声导波技术的研究、发展和应用。梳理管道电磁超声导波技术近些年来在周向导波、轴向导波和螺旋导波方面的理论研究进展及技术应用情况,具体对比了板状和管状结构导波,归纳了不同模态导波换能器的特点,分析了导波与管道缺陷的相互作用,介绍了上述导波在管道缺陷定位、尺寸量化和成像中的应用,即回顾了管道电磁超声导波技术的研究及应用现状,并展望了其今后的研究方向和发展趋势。

基于电磁超声导波的管道损伤定量评估

作为能源运输工具,管道在工作时会受到内部运输介质的冲刷和外部环境的腐蚀,导致强度下降并出现损伤。考虑不规则缺陷量化研究的局限性,并依据管道常见腐蚀缺陷类型,将腐蚀缺陷大致分为槽形、月牙形和圆形3种具有不同几何边界的类型。利用COMSOL软件建立电磁-力多物理场耦合的电磁超声L(0,2)模态导波管道缺陷检测3D模型,得到在不同类型缺陷作用下的超声波传播过程和接收信号特点。同时根据仿真结果,利用L(0,2)导波及其模态转换F(1,3)信号,拟合反射系数与缺陷几何参数间的定量关系,并通过实验加以验证。结果表明,缺陷形状为槽形、圆形、月牙形时,缺陷反射系数与截面损失率分别呈二次函数、对数、指数关系,各量化模型平均绝对百分比误差分别为2.67%、1.79%和7.91%。

电缆附件超声导波检测探头研究综述

电缆附件是输电网络的重要组成部分。由于受到使用环境和运行工况的影响,电缆附件中铜编织带和金属护套连接处容易产生腐蚀缺陷,导致电缆附件的电气连接产生重大安全隐患。因此,有必要对电缆附件定期进行检测。而能够实现检测无损化的超声导波检测技术成为电缆附件的一种有效检测方式。其中,在各类超声导波检测技术中,压电式超声导波检测应用最广,其关键检测结构是探头。对压电式超声导波检测探头及其发展趋势进行了综述,为后续的技术研发提供一定参考。

不锈钢激光焊接头超声导波检测与质量评价技术

半熔透型搭接激光焊工艺质量控制难度大,如何有效保证板层间的熔合宽度是开发和应用半熔透型搭接激光焊技术的关键。为此,开展薄板焊接接头超声导波检测方法研究,研发接头内部熔合宽度检测与评估系统,通过对超声导波信号时、频域特征分析,确定能够表现接头内部熔合状态的信号特征值,并以此建立能够有效区分不同焊接质量的评价模型,从而实现不锈钢半熔透型搭接激光焊接头内部熔宽的在线检测。研究结果表明,以超声导波时域信号上最大归一化幅值、频域上第一波峰和第二波峰的峰值为输入信息,采用BP神经网络算法进行分类预测,能够有效识别未熔合、熔合宽度不足、熔合宽度合格等连接状态,预测准确率可达94.4%。

超声导波目标模式的激励方法研究

超声导波检测过程中不同模态导波信号与各类损伤之间的相互作用存在差异性,直接影响了损伤检测及定位成像结果的可靠性。因此,系统研究导波目标模式的激励方法从而获得理想的导波信号,有助于实现多类型损伤的精准检出以及获得高分辨率定位成像结果。该研究基于理论分析、有限元仿真和试验测量开展了超声导波目标模式的激励方法研究。理论分析导波目标模式激励的条件,并且构建二维多物理场仿真模型进行导波目标模式激励方法的验证。试验过程中将梳状换能器与锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectric ceramic, PZT)进行比较分析,结果表明,梳状换能器相较于PZT压电片具有良好的模式选择能力。另外,设计制作四分之一全向和全向梳状换能器,使其进行目标模式导波信号激励的同时实现传播方向的调控。

基于导波监测的复合材料加筋结构冲击后剩余强度预测

对应用超声导波在线监测信息评估复合材料加筋结构冲击后剩余强度进行了研究。首先针对所监测的对象设计布置了压电传感网络并构建结构健康监测系统,通过局部信号差分系数计算出不同传感路径上的损伤指标,融合损伤概率成像方法识别损伤位置,测算形状因子以近似表征损伤尺寸。然后构建加筋结构有限元模型,由在线监测结果反馈损伤信息,采用软化夹杂法等效冲击损伤,依据复合材料损伤渐进失效分析理论,预测冲击后加筋结构的剩余极限强度。通过低速冲击、超声导波监测和压缩强度等一系列实验验证了所提出方法的有效性,为结构健康监测最高层次的应用提供基础。

管道中激发L(0,2)导波的EMAT结构设计及优化

超声导波在管道中传播时具有多模态特性,导致超声导波检测的回波信号复杂难以分辨。依据EMAT激发机理和纵向超声导波的波结构特性,设计一种周期性永磁铁组以增大洛伦兹力轴向分量、减小径向分量,激励纯净的L(0,2)模态导波。研究永磁铁宽度对L(0,1)模态抑制效果的影响规律,得到控制效果较好的永磁铁宽度。结果表明:相比传统EMAT,新型EMAT对L(0,1)模态抑制效果显著,L(0,2)模态与L(0,1)模态峰值之比是传统EMAT的7.62倍。

基于频域合成孔径聚焦的输电线路钢管杆超声导波成像检测

输电线路钢管杆结构是一种带有拔梢斜度的大口径薄壁管,超声导波周向B扫描检测传感器激发的超声导波在钢管杆传播过程中存在波束扩散现象。为了解决钢管杆超声导波检测过程中波束扩散导致周向检测分辨率降低的问题,提出了一种钢管杆超声导波频域合成孔径聚焦方法(Synthetic Aperture Focusing Technique,SAFT)。采用文中构建的超声导波合成孔径成像检测装置对直径为608 mm的钢管杆进行超声导波扫查,可获得周向B扫描图像和频域合成孔径聚焦图像。对比钢管杆周向B扫描图像和频域合成孔径聚焦图像,频域合成孔径聚焦图像中散射体和通孔的周向检测分辨率明显优于B扫描图像,文章提出的钢管杆超声导波频域合成孔径聚焦方法能够显著改善超声导波周向检测分辨率。

超声导波骨检测技术研究进展

受年龄、工作环境、病变及药物等影响,骨细胞代谢、骨质吸收和形成发生变化,导致骨质疏松症、骨延迟愈合等,影响儿童、青少年的生长发育和老年人(尤其是绝经后女性)、空间站航天员等人群的生活和生产[1-2]。骨骼健康问题是中国老龄化社会面临的重要医学问题,2016年发布的《“健康中国2030”规划纲要》将“健康骨骼”纳入专项行动。鉴于组织物理性质与骨生理和病理的紧密关系,发展骨组织物理性质高效检测技术,对骨病的精准检测、骨骼健康管理、骨病个性化治疗方案设计等具有积极的意义,符合中国“十四五”规划实施积极应对人口老龄化国家战略的医疗技术需求。