管道超声相控阵全聚焦成像仿真及算法优化

针对厚壁管道内部缺陷识别困难、可视化差等问题,提出基于超声相控阵理论和全聚焦算法对厚壁管道内部缺陷进行图像重构。并针对全聚焦成像效率低的缺点,采用有限元法对外径为550 mm,壁厚为65 mm的厚壁管道超声相控阵全聚焦成像进行仿真,模拟缺陷检测过程和成像结果,并使用稀疏矩阵对算法进行优化。结果表明:在基本满足成像质量要求的情况下,采用激发中心频率为5 MHz,阵元宽度为0.5 mm,阵元间距为1 mm,阵元数量为32时,稀疏激发矩阵比全矩阵全聚焦成像效率提高了74.81%,有效提高了成像速度,满足全聚焦快速成像的需求。

超声导波相控阵脉冲压缩全聚焦缺陷成像方法

针对超声导波缺陷成像中存在的入射信号能量低、缺陷成像分辨率不足等成像质量不高的问题,提出了一种超声导波相控阵脉冲压缩全聚焦缺陷成像方法。首先在长时宽、大带宽线性调频信号激励下,基于超声导波相控阵列逐元激励模式,获取被测结构的全矩阵捕获数据;然后对各响应信号做匹配滤波,对长时宽响应信号波包进行脉冲压缩;接着采用虚拟时间反转法,对脉冲压缩后所得信号进行频散和幅值补偿,以消除大带宽导致的信号相位畸变和因波扩散传播而导致的幅值下降,从而获得无相位畸变的窄时宽信号波包;最后设计了同时包含信号相位和幅值信息的成像指标,进行加权全聚焦成像。在含裂纹、表面缺陷的碳钢板中进行了超声导波缺陷成像试验,结果表明,该方法可以实现单缺陷/双缺陷的高质量成像。

超声三维全聚焦成像技术的研究进展

超声三维全聚焦成像技术在缺陷表征能力方面具有更直观的优势,是当今超声相控阵检测领域的研究热点之一。对超声三维全聚焦成像技术的研究进展进行了简要概述,分别基于一维线阵、二维面阵探头介绍了超声三维全聚焦成像技术的成像机理和研究成果,初步探讨了目前研究中存在的不足及未来的发展方向。

超声相控阵全聚焦成像检测缺陷的定位定量优势分析

超声相控阵全聚焦成像具有成像分辨率好、信噪比高等优势,是近些年压力管道无损检测的研究热点。定量分析全聚焦成像与常规相控阵对不同深度、尺寸缺陷的识别精度,对于进一步认识并推广超声相控阵全聚焦成像技术具有一定意义。采用常规相控阵检测及全聚焦成像检测,对相控阵B型试块中的各缺陷孔进行定量识别和对缺陷信息进行对比的结果表明:超声相控阵全聚焦成像技术检测出的缺陷深度和缺陷直径优于常规相控阵检测。

电磁超声检测和相控阵超声成像技术在超超临界锅炉安装监督检验中的应用

高压、超高压和亚临界锅炉及超超临界锅炉在安装厚壁受热面小径管和壁厚大于20mm的本体连接管道时,常规射线(RT)由于管道壁厚的原因无法满足检测要求,故采用电磁超声检测和相控阵超声成像技术对其管道进行检测。本文以超超临界锅炉受热面系统和本体连接管道安装监督检验为例,介绍了电磁超声检测技术与相控阵技术的基本概念,并结合电磁超声检测技术与相控阵技术在锅炉本体连接管道检测的应用实际,阐述了电磁超声检测技术与相控阵技术的应用优势,并为后续定期检验工作提供了参考与借鉴。

合成孔径聚焦超声成像检测技术研究与应用概况

合成孔径聚焦技术是一项高技术的非破坏性测试技术,已引起业界的高度关注。本文在合成孔径聚焦技术的理论基础上,对当前的国内外研究应用进行了展述。结合合成孔径聚焦超声检测的优点,阐述了这种技术在混凝土构件的检验中的具体运用。根据实际工程发展需要,本文对合成孔径聚焦技术在工程与再制造领域的发展进行了展望。

接管焊缝超声相控阵多模全聚焦检测技术

接管角焊缝是承压设备的关键部位,也是易于出现危害性缺陷的薄弱环节,因此,针对该薄弱区域的定期检测非常重要。相对于传统超声无损检测,超声相控阵全聚焦对焊缝内部缺陷的定位和定量具有优势。提出了一种针对焊缝内部缺陷的超声相控阵全聚焦方法,将多模成像方法应用于小口径接管焊缝的缺陷检测,实现对焊缝内部缺陷的有效检出。同时,根据检测对象的实际尺寸,通过智能算法计算声束入射参数,选择最佳成像区域,获得了一种有效区域多模融合成像方法。试验结果表明,本方法可检出直径为0.53 mm的角焊缝内部气孔缺陷,相对于单视图成像和普通超声能够有效提高缺陷定量和定位的准确性。

相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法及其校准研究

相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法是一种基于全矩阵数据的虚拟聚焦后处理成像技术,因其具有精度高、算法灵活等优点成为近年来的研究热点。为了解决该算法在楔块耦合检测模式下的校准问题,介绍全矩阵数据及全聚焦成像算法的基本概念,通过对所存在问题的分析,建立双层介质的能量衰减模型;从指向性、透射和扩散三个方面分析声束传播路径上的能量衰减,计算衰减校准系数,提出基于校准的改进算法;分别采用未校准、平方根校准和自建模型校准的三种全聚焦算法对B型相控阵标准试块进行检测成像试验,从试验结果可以看出,平方根校准的算法能适当修正大声程的能量衰减,而自建模型校准的算法对于大声程、大偏转角的能量衰减都有较好的改善,使图像的能量更加均匀;此外,相比未校准和平方根校准,自建模型校准的算法具有更大的检测角度范围,有能力检测出大偏转角的缺陷。研究工作表明,校准后的全聚焦成像算法能够扩大检测角度范围、改善图像的能量均匀性,检测漏检率及缺陷定量误差得到有效降低。

楔块耦合的碳纤维增强复合材料褶皱缺陷全聚焦成像

褶皱是碳纤维增强复合材料中最主要的缺陷类型之一,当使用超声相控阵对复合材料薄板进行检测时,由于采集系统非线性效应和电子串扰等干扰会引发盲区现象,掩盖了薄板内的褶皱信息。为削弱盲区影响,考虑在相控阵与复合材料薄板(小于10 mm)之间增加楔块,提出楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法。基于费马原理与斯涅耳定律,建立楔块耦合的多层介质超声波传播模型;制备含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样,搭建超声相控阵数据采集系统,采集全矩阵数据;将楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法和传统全聚焦方法的成像效果进行对比。结果表明,基于楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法能减小试样表面盲区深度,修正声时偏差,削弱盲区影响,恢复出试样内的褶皱缺陷。相比传统全聚焦方法,纤维褶皱长度、褶皱顶部高度、褶皱角度这3个参数表征的精准程度分别提高了5.9%、4.1%、4.2%。该文为碳纤维增强复合材料薄板褶皱缺陷的检测提供了新思路。

改进型密集阵列全聚焦成像算法的碳纤维复合材料板损伤定位研究

本文针对各向异性碳纤维复合材料板的损伤定位问题,提出改进型密集阵列全聚焦成像方法。首先,考虑碳纤维复合材料板的各向异性,通过实验分析超声导波在板中的传播特性,得到沿不同传播方向的群速度值。其次,对密集型传感器阵列的参数进行分析和优化研究,分别对不同阵列参数即阵元间距和阵元数量进行指向性函数的数值分析,优化阵列的参数,以保证阵列主瓣较窄、旁瓣较低且无栅瓣。然后,提出了一种考虑碳纤维复合材料板各向异性的改进型密集传感器阵列板结构缺陷定位算法。使用超声导波在碳纤维复合材料板中沿不同传播方向的群速度值,对全聚焦算法进行修正,并利用虚拟聚焦原理对板结构进行全聚焦成像。最后,通过布置碳纤维复合材料孔洞损伤实验,对基于密集阵列全聚焦成像方法的定位精度进行分析。实验结果表明,改进型密集阵列全聚焦成像算法的定位精度为1.00 mm,相较于使用单一群速度值,该方法在定位孔洞损伤缺陷时具有更高的精度。

基于超声相控阵全聚焦修正技术的焊接缺陷定量检测方法

超声相控阵全聚焦成像算法可用于焊接缺陷的定量化检测,然而超声波在介质中传播会产生能量的衰减,影响成像质量,从而降低被检缺陷定量的准确性。针对以上问题,提出一种基于检测声场模型的超声相控阵全聚焦修正技术,利用多元高斯叠加模型计算了被检工件内的声场分布情况,利用计算结果对超声相控阵全聚焦矩阵数据进行修正处理。为验证该方法的可行性,对一块包含人工缺陷的试件开展超声相控阵全聚焦成像检测试验,试验结果表明,该方法不仅可以改善成像质量,还可以提高缺陷定量精度。

一种自适应稀疏合成发射孔径的超声相控阵全聚焦成像方法

针对超声相控阵全聚焦成像的成像分辨率不高且成像耗时长的缺点,从波束合成技术入手,引入合成发射孔径技术,提高成像横向分辨率。基于有效孔径和点散射函数设计稀疏阵列,从而减少成像数据量,并加入自适应加权函数,得到具有全孔径效应的稀疏阵列,建立基于自适应加权函数的相控阵稀疏全聚焦成像算法模型,并在实验仿真平台Matlab Field Ⅱ上进行验证。结果表明,该算法有效提高了超声相控阵全聚焦成像分辨率,达到在保持成像分辨率的同时加快成像速度的目的。

相控阵超声平面波全聚焦成像算法及其应用

介绍了相控阵超声平面波全聚焦成像算法。首先描述了平面波全聚焦成像技术的数据采集方法,推导了不含楔块和含楔块情况下的声时计算公式,在此基础上阐述了平面波全聚焦成像的原理和步骤,并描述了算法在不同模态下的声时计算方法和算法有效区域的处理方法。然后通过试验展示了平面波全聚焦成像结果。接着,将平面波全聚焦成像分别和相控阵聚焦成像以及基于FMC(全矩阵捕获)的全聚焦成像检测结果进行比较,总结平面波全聚焦成像算法的优点和不足。最后结合平面波成像算法优点对平面波成像的应用进行分析。试验结果表明,PWI-TFM(平面波全聚焦)成像算法和现有成像算法相比,具有多方面的优势,是具有较高实用价值的成像算法。

梳形密封板焊缝相控阵全聚焦成像检测技术应用

对穿顶棚管梳形密封板焊接热影响区及母材产生的疲劳裂纹,采用传统的相控阵检测方法受焊缝结构形式和裂纹延展方向的双重制约,容易漏检及误判。全聚焦成像TFM检测方法是采用相控阵的矩阵信号,数据采集量大,可进行加和处理,提高信号幅值和信噪比高。同时,矩阵信号的采集位置可根据实际结构设置和调整,便于屏蔽干扰信号。该方法对穿顶棚管梳形密封板焊缝的检测具有突出的效果,提高了缺陷检出和识别能力。

应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像

楔块斜入射检测工艺下,楔块会进一步降低全聚焦成像的缺陷检测能力。尤其是在检测大深度缺陷和粗晶材料时,全聚焦图像会因为缺陷回波幅值下降,导致缺陷图像的信噪比较低。为了提高入射能量,提出了应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像技术。研究结果表明:该技术通过延时控制子孔径阵元激励形成虚拟源发射,显著增加了射入到被检构件中的声能。在横向L值为20∼40 mm探头移动区间内,17∼38 mm深度范围内Φ3边钻孔幅值较黄铜全聚焦图像提高4.58∼7.12 dB;当钢制试块为被检对象时,在横向L值为30∼40 mm探头移动区间内,40∼65 mm深度范围内Φ1边钻孔幅值较全聚焦图像提高0.63∼2.35 dB。因此在该技术应用于楔块斜入射检测工艺下的粗晶材料检测,具有较好的检测效果。

相控阵超声相位相干成像(PCI)检测原理及应用

为了了解相控阵超声相位相干成像(PCI)检测技术在工业无损检测应用中的效果及特点,详细介绍了相控阵超声全聚焦成像与相位相干成像(PCI)检测技术的基本原理,从原理上分析了PCI检测技术与全聚焦成像检测技术的差异性。通过试验测试了PCI检测技术对点状缺陷、面状缺陷与体积状缺陷的检测特点及效果,根据得到的检测效果,展示了PCI检测技术对于不同类型缺陷的检测优势与不足,以推动该技术在工业无损检测中的正确应用。

复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦检测仿真及实验研究

针对复合绝缘子高声衰减性导致的内部缺陷超声检测定位定量差的问题,采用全聚焦方法(TTFM)改善检测质量。基于k-Wave工具箱开展复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦检测仿真研究,讨论频率、相控阵阵元数、缺陷尺寸等因素对检测结果的影响并开展检测实验。结果表明,采用全聚焦方法检测复合绝缘子内部缺陷的效果良好。频率对检测结果的影响较大,选择较大频率时超声波的穿透力减弱,超声波在复合绝缘子中的衰减系数增加;选择较小频率时探头检测分辨力降低,影响缺陷的定量,所以在检测复合绝缘子时应选用合适的频率,选用的4种不同频率中2.5 MHz频率的成像效果综合最佳。阵元数和缺陷尺寸对检测结果影响较小,在实际检测中应根据实际工程需要选择合适的阵元数。研究结果为超声全聚焦方法检测复合绝缘子内部缺陷提供了理论依据。

超声相控阵全聚焦成像技术倾斜裂纹定量模拟

利用超声B扫描图像对裂纹长度定量时,由于采用整体发射-接收的方式从单侧接收缺陷回波信号,导致图像中裂纹上、下端回波的时间差随裂纹倾角变化,引起较大的定量误差。为克服上述不足,该文采用一种基于全阵列信号采集(full matrix capture,FMC)的超声相控阵成像技术。该技术利用独立发射-接收阵元组合从多个方位采集包含更多缺陷特征的全阵列信号,借助全聚焦(total focusing method,TFM)成像算法实现成像区域中每一个点的虚拟聚焦,进而通过高分辨率图像显示裂纹上、下尖端的实际位置,以直观、准确地确定裂纹的长度和倾角。对厚度25 mm碳钢中长度3.0 mm的–75°、–60°、–45°、–30°、–15°、0°底面开口裂纹进行TFM成像和定量数值模拟。结果表明,TFM成像的倾斜裂纹定量精度优于B扫描成像。

基于二维等效声速的频域全聚焦超声成像研究

为了提高对碳纤维增强复合材料分层缺陷定位定量的精度,提出了一种基于二维等效声速映射的精准频域全聚焦方法三维成像技术。该技术首先将子矩阵的划分标准从激励点位置变为激励-接收间距,获得了一个新的全矩阵数据;然后将变换后的二维子矩阵变换至频域,根据深度和空间频率的变化推导出精准的二维等效声速映射,来匹配子矩阵数据中的收发分离信号,并结合角谱运算得到子矩阵频域重构图;运用快速傅里叶逆变换得到子矩阵聚焦图并将其融合得到全聚焦图像;最后运用多平面三维重构技术得到最终三维图像。结果表明,与传统F-TFM和F-SAFT算法相比,所提算法有效抑制了旁瓣效应的产生,双缺陷间距的定量误差缩减了20.31%,缺陷宽度定量误差分别缩减了5.43%和6.3%;当缺陷深度和双缺陷间距发生变化时仍可保证较高的检测灵敏度。

缺陷散射对相控阵超声全聚焦成像的影响研究

相控阵超声全聚焦成像充分利用了检测信号,具有成像精度高、可进行缺陷识别等特点,是未来最具应用前景的相控阵成像算法之一。然而,目前相控阵超声全聚焦成像仍不能实现缺陷的高分辨率成像,无法对缺陷进行准确的定性、定量分析。为此,采用有限元仿真相控阵传感器的全阵列采集(FMC)过程,在全矩阵数据的基础上设计全聚焦成像程序,对圆孔和裂纹两种典型缺陷进行TFM成像,研究典型缺陷的TFM成像规律,从缺陷散射的角度分析影响相控阵超声全聚焦成像的因素。结果表明,实际检测中相控阵超声传感器只能接收到缺陷的部分散射信息,而相控阵超声在缺陷处的散射场分布与缺陷的类型、尺寸、角度及入射波类型、入射角度等因素有关,因此能否接收到缺陷散射的主要能量是影响全聚焦成像精度的关键。