ISO焊缝阵列超声检测标准解读与应用案例

随着阵列超声检测技术的发展和广泛应用,国内外对应的标准也日趋增多。文章在简要介绍EN/ISO阵列超声检测体系的基础上,重点总结了阵列超声检测标准ISO 13588的技术要点。结合项目实际,设计了模拟试块,对依据标准制定的工艺进行了验证。相关研究结果为同行执行ISO标准同类型检测提供了参考。

多层黏接结构的阵列超声检测评价方法

在金属与橡胶等非金属材料的多层黏接结构的超声检测中,介质间声阻抗差异和超声衰减显著,致使脱黏缺陷检测信噪比低,缺陷识别困难。为了提高多层黏接结构中脱黏缺陷的检出能力,提出了基于线性阵列超声换能器的超声检测评价方法。分析了声波在黏接界面的传播特性,得出声波在多介质层系的反射系数频谱关系;基于多层黏接结构的三维CAD检测模型,建立多层结构的阵列超声声束路径通用计算方法,依据多层介质的刚度矩阵传递模型,构建数值仿真分析模型,实现阵列超声聚焦方案和检测工艺的设计;分析了不同黏接状态下界面回波信号的幅度谱,提出采用幅度谱特征进行C扫描成像的方法。实验结果表明:所提阵列超声检测评价方法可有效提升多层黏接结构的检测效率,提高检测信噪比,降低脱黏缺陷C扫描成像表征的复杂度。

双面叠合剪力墙的阵列超声成像检测

采用阵列超声成像技术对双面叠合剪力墙结构进行无损检测,发现检测成像结果的目标对象深度与其实际深度存在较大误差。通过有限元仿真分析误差成因,发现检测深度误差是由后浇混凝土与两侧预制混凝土内部声速间的差异造成的,且可采用射线跟踪技术来改善检测结果。浇筑了强度不同的双层混凝土试块进行阵列超声成像检测,进一步确认深度检测误差和成因,发现原检测误差达10%以上;采用射线跟踪技术来改善成像结果,其误差小于3%。上述结果对双面叠合剪力墙内部的阵列超声成像检测具有指导意义,可以根据具体检测精度需求进行选择,对于高精度检测项目,可采用射线跟踪技术对采集到的数据进行后处理,以减小深度检测误差,提高检测精度。

基于Wav2vec2.0神经网络的轨道交通钢轨损伤压电阵列超声导波定位方法

鉴于普通超声波检测方法无法实现对轨道交通钢轨的长距离检测,基于超声导波的SHM(结构健康监测)技术难以从响应信号中提取损伤特征而影响损伤定位精度,提出了一种基于Wav2vec2.0神经网络的压电阵列超声导波定位方法对轨道交通钢轨损伤进行定位。基于压电阵列超声导波数据的特点,对该方法进行了简要介绍。搭建了钢轨损伤的超声导波检测系统,并利用该系统进行数据集的采集。采用ABAQUS有限元软件建立钢轨损伤超声导波检测三维有限元模型,并利用该模型进行数据集的采集。利用小波信号处理方法对超声导波试验信号进行重构,以达到信号去噪的目的;在仿真信号中加入随机噪声,将叠加随机噪声后的超声导波仿真信号作为补充数据集;通过计算模型中钢轨损伤定位的准确率和误差对模型的性能进行评估。结果表明,当迭代轮次达到第120次时,训练样本的准确率达到100%。利用基于Wav2vec 2.0神经网络的压电阵列超声导波定位方法可实现轨道交通钢轨损伤的准确定位。

基于阵列超声成像法的全预制装配式混凝土结构缺陷检测方法

文章提出采用阵列超声成像法在全预制装配式混凝土结构缺陷检测的原理和计算方法,并结合实践对其检测技术要点进行梳理。研究结果表明:阵列超声成像法在全预制装配式混凝土结构缺陷检测中,主要是结合结构缺陷处底部反射的超声波传播的时间计算缺陷的深度,通过形成的二维图像直观显示缺陷的位置,但是缺陷的结构不能显示,不仅检测精度高,而且当缺陷深度加深时检测精度更高。

阵列超声场的信号采集与处理系统

介绍了一种新型的基于计算机和数字示波器的阵列超声场的信号采集和处理系统。系统利用Windows平台,采用VC、VB和Matlab编程方法,采集信号并进行信号处理,从而为相控阵聚焦声场的研究提供了很好的试验平台。利用提出的系统,可对样品中的缺陷进行无损检测。

搅拌摩擦焊焊缝阵列超声全聚焦成像检测技术

针对航天薄壁铝合金搅拌焊焊缝的高精度、高分辨率检测应用需求,开展了阵列超声全聚焦成像检测技术研究。基于斜楔块耦合下横波多次反射全聚焦优化算法搭建了阵列超声检测系统,利用该系统对厚度为6 mm搅拌摩擦焊焊缝不同位置处的Φ0.35 mm横孔进行了相控阵超声扇形扫描成像和阵列超声全聚焦成像检测对比试验。试验结果表明,两种方法均能够有效检测出焊缝中心或热力影响区的横孔,但阵列超声全聚焦成像检测技术在信噪比和纵向分辨力方面更具优势,该技术的发展为航天领域复杂构件高精度、高分率、高可靠性检测难题的解决提供了新的思路和途径。

基于全矩阵数据的阵列超声检测与评价技术研究和应用概述

全矩阵数据是阵列超声换能器以特殊的激发接收模式工作时,从被测试件内部采集到的所有超声A型信号构成的集合。基于全矩阵数据的阵列超声无损检测与评价方法采用特定算法对全矩阵数据进行后处理运算,实现被测试件内部缺陷的成像和定量。与基于相位控制的常规阵列超声检测技术相比,基于全矩阵数据的阵列超声检测方法具有更高的缺陷成像及定量精度,可针对具有复杂几何外形或者复杂材料属性的被测试件进行检测与评价算法的定制,是近年来阵列超声检测与评价技术的研究热点和发展方向。对基于全矩阵数据的阵列超声检测与评价技术的基本原理、典型算法、关键技术以及应用案例进行了系统概述,旨在推广该项技术和降低使用门槛,为我国高端制造领域存在的无损检测与评价难题提供新思路和新方法。

基于阵列超声成像法的混凝土裂缝深度检测

针对传统超声法检测混凝土裂缝深度时人为影响因素较多,检测效率十分低下的问题,引入了阵列超声成像法,研究了阵列超声成像法检测裂缝深度的原理及其计算方法,并在实验室设计制作了一块预设7条不同深度裂缝的素混凝土试件,进行了跨单裂缝和试件整体成像检测试验。试验结果表明:阵列超声成像法根据缝底反射超声波的传播时间来检测裂缝深度,生成的二维图像可以显示缝底位置,但无法显示缝身;该检测法的检测精度较高,并且随着裂缝深度的加深逐渐提高;检测时应考虑边界效应,否则无法准确检测裂缝深度;检测时存在盲区,当缝底位于盲区内时会出现漏检。

多阵列超声导波频相联控激励下复合材料损伤聚焦成像方法

针对超声导波相控阵方法中相位控制参数缺少距离和频率变量的不足,提出了多阵列超声导波频相联控激励下复合材料损伤聚焦成像方法。相比于标准的超声导波相控阵技术,该方法通过在各阵元上设置不同的激励频率,实现了在复合材料板上对点的角度-距离聚焦扫查和损伤定位。首先,建立了多阵列超声导波频相联控激励聚焦信号模型;其次,设计了一种分布式多输入多输出(MIMO)线性阵列,对监测区域逐点聚焦扫查,并建立阵列超声导波损伤回波接收,运用多重信号分类(MUSIC)方法,实现复合材料损伤成像。玻璃纤维板的仿真和试验结果表明,该方法对复合材料具有较好的聚焦性能,较高的损伤成像和定位精度。

多元线性阵列超声换能器的方向特性研究

为了进一步提高多元线性阵列超声换能器的方向特性,采用多元相控聚焦的方法,研究了多元线性阵列超声换能器的主频、阵元个数和阵元间距对其方向性的影响。结果表明,当超声换能器的主频较低时,可以采用较大尺寸的阵元组;而对于主频较高的超声换能器,阵元尺寸应该取小一些,其方向性较好。这将有利于光声信号的探测与成像。

基于阵列超声传感器的气液界面检测

利用超声波声束对两相流参数检测的优点,使用阵列超声传感器探究了气液界面下的超声波声束和液面的关系。实现了超声波声束对整个气液界面的参数检测,测量了静态气液界面高度,实现动态超声波声束对分层流气液界面的重构。并在河北大学多相流循环装置进行实验验证,实验结果表明,阵列超声波声束可以实现对气液界面高度检测,可分辨最小2 mm气液界面高度;重构图像的截面含气率和高速相机拍摄得到的截面含气率误差不超过4%。

阵列超声波检测技术在船闸闸门焊缝中的应用分析

船闸闸门是一种以钢为基材,通过焊接工艺制作而成的钢闸门结构,服役中焊缝受环境因素影响会出现损伤,损伤的积累会导致拦水泄漏,危及下游人民生命财产安全。本文提出一种利用阵列超声方法实现船闸焊缝的可视化无损检测,通过阵列超声传感器采集全波场回波信号,利用全聚焦成像方法现实缺陷的超声成像,进而对缺陷进行定量分析。对实验室钢结构焊缝试块进行方法验证,结果表明阵列超声方法检测误差小,精度高;对界牌水利枢纽中船闸中的焊缝缺陷进行检测,共检测出7处缺陷。结果表明:阵列超声检测方法不仅可以形象地表征焊缝缺陷的分布区域以及形状,排除裂纹、未熔合类的致命缺陷,还可以实现焊缝的尺寸、所处深度、延伸方向等定量化分析。

基于超声阵列的输送带动态煤量检测系统

输送带动态煤量检测是实现顺煤流启动和自动调速等多级带式输送机能耗优化措施的基础和关键。针对现有基于超声波的煤量检测方法精度较低、多超声波传感器之间易受干扰等问题,设计了基于超声阵列的输送带动态煤量检测系统。利用超声波测距原理,通过超声阵列实时检测各超声波传感器阵元对应检测点的煤料高度,采用横截面切片法计算单位时间内输送带上通过煤料的总体积,结合煤料堆积密度计算输送带实时煤流量及总煤量。为降低同频声波串扰及超声波在井下恶劣环境中衰减带来的误差,选用10路中心频率不同的超声波传感器阵元,布置为2×5线性阵列形式,通过多行超声波传感器对采集的煤高数据进行补偿,以提高煤高数据检测准确性。实时性分析结果表明,超声阵列检测速度在理论上满足带速为5 m/s的带式输送机煤量检测要求。实验结果表明:在0.125,0.170 m/s带速下,规则物料体积检测的平均相对误差分别为4.99%,5.16%;模拟实际工况条件下,煤量检测的平均相对误差为5.56%。在低带速状态下,该系统对规则物料和煤料的测量准确度达94%以上,基本实现了输送带动态煤量实时准确检测,满足带式输送机煤量检测需求。

用于动脉血压监测的柔性超声换能器阵列

作为重要的生命体征之一,血压是心血管疾病风险评价指标。中心动脉压与靶器官损害和心血管疾病有很强的病理生理联系,动脉血压监测对心脑血管事件有较高的预测价值,可为人体心脏机能、动脉弹性表征等临床诊断提供依据。本文提出的超声压电换能器阵列相比于传统的刚性超声探头,具有柔性、可以贴合人体颈部的特点。制作并对比了低频(2.5 MHz)和高频(4.5 MHz)的1×16线性超声换能器阵列,两个阵列均在仿组织超声体模上进行了成像,穿透深度分别为90和40 mm。换能器阵列在相控阵聚焦发射模式下已实现对颈动脉的连续血压重复检测。与医用中心动脉压检测仪的测量结果对比表明,在静息状态下柔性阵列与医用检测仪所测血压波形的平均相对误差为3.83%,剧烈运动后平均相对误差为5.47%,动脉血压波形测量结果准确,医用价值丰富。

水面超声阵列成像实验系统设计

基于超声相控阵成像技术设计了一种新型水面感知系统,该系统可以实现对近岸海域环境中目标物的感知与成像。由发射换能器发出超声波,接收换能器接收回波信号,经放大电路放大,引入滑动平均滤波算法进行数据平滑处理,使用ADC采集模块将其转换为数字信号进行时延估计,然后对目标物使用延时叠加算法成像及Canny算子边缘检测,最后获取目标的大小和方位。实验验证了该硬件电路的可靠性和软件算法的有效性,实现了低成本、高便携性、高可靠性的设计目标,满足了教学要求。

超声速差法平面叶栅流场试验和数值研究

针对平面叶栅狭小通道中流场非接触测量难题,提出一种基于超声速差原理的二维流场测量方法。设计一种2×4超声波斜、平口换能器组合阵列,研制一套多通道超声法测量和气流速度场重建系统。开展平面叶栅流场测量试验,成功获取了3种不同进口速度条件下流道二维速度场。利用COMSOL Multiphysics中CFD模块同步开展叶栅流场数值模拟,并与试验结果对比。结果表明:超声测量与数值模拟结果较为接近,速度大小和偏转角误差均在5%以内,较好地反映叶栅通道的流动特点。提出的超声测量技术有望进一步用于高马赫数流场研究。

各向异性增材制造构件的超声阵列全聚焦成像

针对激光增材制造构件的各向异性特征,开展超声波传播特性研究,并基于群速度测量结果对常规超声阵列全聚焦成像算法进行优化。采用CIVA超声仿真软件对含有横通孔和平底孔缺陷的试样开展全聚焦仿真研究,结果表明,材料的各向异性对超声阵列全聚焦检测的成像质量、缺陷定位精度和缺陷分布范围均具有明显影响;开展全聚焦成像检测实验,结果表明,优化后的全聚焦成像算法能够实现激光增材制造钛合金试样中直径0.8 mm平底孔缺陷的准确检测,成像阵列性能指标(API)值减小至0.43,缺陷定位误差缩小至0.54 mm,检测能力和定位精度显著提高。

环形阵列超声换能器的全聚焦成像方法及其应用

在检测高衰减的大厚度构件时,相控阵超声声束在非聚焦区域的声能量损失严重,采用线阵或矩阵超声换能器的检测精度和最大检测深度常难以满足要求。首先,建立了合成声束三维声场分布模型,分析了不同阵列超声换能器的空间声场能量分布特点,发现环阵超声换能器在相同聚焦深度处的声场特性更好,同时具有阵元数量少、声束焦斑沿轴线中心完全对称等特点。然后,建立了一种采用环阵超声换能器的全聚焦方法(TFM,Total Focusing Method),并基于试样群速度测量结果对各向异性材料中的聚焦算法进行了优化。在这种方法中将所采集到的全矩阵数据沿换能器中心轴线进行重建,可实现沿深度方向的逐点无穷聚焦。最后,利用所研制的阵列超声C扫描自动检测系统对预埋有缺陷的3D打印钛合金试样进行了对比检测实验,结果表明采用全聚焦成像算法的环阵超声换能器能实现55mm试样内部直径0.8mm、深度5.0mm平底孔和横孔缺陷的精确检测,相对于常规的动态聚焦算法有更高的检测信噪比和定量精度。

激光增材制造钛合金构件的阵列超声检测方法研究

钛合金激光增材制造技术已经逐步应用于航空航天等领域中复杂构件的直接近成形制造。然而,由于特殊的制造工艺导致的高衰减性和不均匀性使其内部缺陷采用常规超声检测方法检测效率低、成像结果差,为此研究了阵列超声检测方法在增材制造钛合金构件检测中的关键技术。采用激光增材制造方法制备TC18钛合金试样,利用高频水浸超声方法分析其超声衰减特性,提出适用于增材制造钛合金构件的内部回波成像方法。基于线阵换能器全矩阵数据采集的方法分析声波沿试样不同表面入射时声波群速度随角度的变化规律,对增材制造钛合金试样的各向异性进行分析,并基于测量结果对阵列超声成像算法进行校正。分别采用线阵和环阵换能器对试样进行C扫描检测试验,分析影响检测结果的主要因素。研究结果表明,采用环阵换能器结合全聚焦算法能更精确地表征试样的内部缺陷,在增材制造钛合金构件的无损检测中有较好的应用前景。