在役螺栓超声三维成像监测数据的智能化分析方法

螺栓是一种常见的机械连接件,一旦失效,可能会导致设备损坏、结构崩塌,甚至危及人身安全。因此,在役螺栓的监测一直受到广泛关注。将相控阵超声全聚焦技术应用于螺栓在役监测,开发了专用系统和阵列探头,实现了三维成像可视化监测,改变了螺栓监测数据单一的现状。针对大量三维图像化数据处理的关键问题,提出了智能化分析方法,对比分析了决策树、支持向量机和神经网络算法的适用性,最终开发了基于决策树算法的智能分析评价软件模块并取得了较好的检测效果。

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。

基于分割环阵的CFRP分层缺陷超声全聚焦成像

碳纤维复合材料在钻孔加工时易产生分层缺陷,分层缺陷严重影响了构件的力学性能,存在严重的安全隐患。针对碳纤维复合材料孔边分层缺陷的检测,提出一种基于分割环形阵列的1/4矩阵全聚焦成像方法。设计了R4×S8、R3×S12、R3×S16和R4×S12四种分割环形阵列结构,通过数值仿真对比分析了各阵列的聚焦声场特点,最终确定分割环阵探头为5 MHz的R4×S12探头。使用该探头对碳纤维复合材料孔边分层试块的上层、中层、下层缺陷进行全矩阵采集,利用VTK工具包分别进行全矩阵三维成像和1/4矩阵三维成像。结果表明,1/4矩阵方法比全矩阵方法三维成像的缺陷对比度更高,1/4矩阵方法的缺陷尺寸表征误差更小,误差不超过6%。与全矩阵成像相比,1/4矩阵成像信噪比提升范围为3.43~7.61 dB,有效提升了图像质量。

超声全聚焦成像的裂纹类缺陷定量误差分析

虽然超声全聚焦成像(total focusing method,TFM)具有直观显示裂纹特征的明显优势,但通过TFM图像进行裂纹定量时不可避免地出现测量误差。该文采用模拟与实验对比的方式,分析TFM技术的裂纹定量误差。从超声波波长对缺陷深度的影响规律入手,分析和研究裂纹长度和取向的全聚焦图像测量误差原因。最后,通过模拟实验对比的方式验证裂纹定量误差。研究结果表明,裂纹上、下尖端的测量深度比实际深度均有所下沉,但两者下沉的深度基本相同,相差在0.6 mm以内,裂纹长度的测量误差范围为0~1 mm,带取向裂纹的取向测量误差基本保持在3°以内。因此,上、下尖端在深度上的测量误差对裂纹长度和取向的影响极小。经实验验证,裂纹深度、长度及取向误差的结论与模拟的结论一致。

滤波预处理对提高全聚焦算法重建图像质量的比较研究

针对超声波无损检测方法中全聚焦算法重建缺陷图像伪影严重的问题,提出在全聚焦算法中加入滤波处理来进行压制,以提高图像质量和成像分辨率。首先分析了全聚焦算法重建缺陷图像的不足之处,然后提出分别使用R-L、S-L、Cosine和Hamming四种滤波函数对超声反射实验系统采集的全矩阵数据进行处理,最后将原始信号和分别经过四种滤波函数处理的回波信号通过全聚焦算法进行缺陷图像重建。成像结果表明,由经过四种滤波后重建的缺陷图像信噪比均优于由原始信号重建的图像,且R-L和S-L在四种滤波函数中对于提高图像重建质量的效果最好。试件Ⅰ经过R-L和S-L滤波重建的图像信噪比较未滤波的分别提高了8.99 dB和8.96 dB,试件Ⅱ分别提高了9.56 dB和9.55 dB。

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。

管道环焊缝的全聚焦检测

全聚焦技术是一种基于全矩阵采集的虚拟聚焦图像后处理技术,全聚焦算法将成像区域分割为多个网格,对每一网格都进行聚焦,使得超声成像结果更加均匀平滑,成像质量优于常规相控阵超声检测方法的质量。根据全聚焦成像的技术特点开展管道环焊缝相控阵超声全聚焦检测工艺方案的研究,参照管道环焊缝试块设计标准设计并制作全聚焦验证试块,针对全聚焦验证试块、全自动超声检测(AUT)校准试块开展相控阵超声全聚焦检测试验。试验结果表明,对于V型坡口,全聚焦成像效果好;对于小角度的自动焊坡口,常规全聚焦检测时接收超声回波困难,存在检测灵敏度低的问题;通过对全聚焦算法的优化改进,提高了小角度缺陷的检出率,证明全自动焊焊缝可采用全聚焦技术进行检测。

钛焊缝的对置串列PCI与脉冲回波TFM组合检测

随着近年来PCI技术及TFM技术的发展与应用,与FMC及PWI所对应的数据处理方式已日渐丰富,从原先优化定性的辅助工具逐步转变为可用于实际检测的整套先进技术。针对钛焊缝检测中PCI技术与TFM技术的组合使用开展了相关分析,进行了二者与FMC和PWI配合使用的不同结合方式的对比试验。结果表明,采用PWI-TFM与对置串列PWI/FMC-PCI组合检测方式,能够优化钛焊缝检测效率与成像质量。

Total Focusing Method Damage Imaging in Frequency Domain Using Laser-Ultrasonic Lamb Wave Based on Time-domain Filtering in Multi-band

A fully non-contact experimental platform for ultrasonic Lamb wave damage detection was constructed,where laser exciting and the scanning laser Doppler vibrometer were used to realize the high-resolution pickup of the Lamb wave field in the structure,which has overcome the disadvantages of low spatial resolution caused by the conventional contact Lamb wave transducer.In order to suppress the dispersion effect of broadband laser-ultrasonic signal,we proposed time-domain filtering in multi-band method based on wavelet analysis to decompose the broadband signal into multiple narrowband ones and separate the scattering signals effectively without reference signal.On this basis,the total focusing method(TFM)was used for damage imaging.However,when the traditional TFM was applied to image based on ultrasonic Lamb wave,the inherent dispersion characteristic of ultrasonic Lamb wave could lead to the miscalculation of time delay,thus reducing the imaging precision.Therefore,the frequency-domain TFM was developed by applying phase delay in the frequency domain.The logical AND was introduced to synthesize the damage imaging results of multiple narrowband signals to obtain high-precision damage imaging.Our study has shown that the method of time-domain filtering in multi-band combining with frequency-domain TFM can realize non-contact and accurate damage detection in isotropic plate structures,and it is a potential effective method for application in engineering practice.

超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用

层状钢筋混凝土结构常见的裂缝、层间离缝等损伤具有尺度小、隐蔽的特点,常规检测方法无法对其精确查明与定量评价。以高铁层状无砟轨道结构为研究对象,使用阵列式超声装备采集半矩阵数据,利用全聚焦算法对轨道内部结构及损伤成像,通过线性旅行时插值射线追踪算法计算超声波在层状介质中传播的最短到达时间代入全聚焦成像公式,具有深度准确、分辨率高、聚焦性好的特点。提出一种层间密实度评价方法,以表面超声直达波能量为基准分析反射波能量差异计算密实指数,可定量分析无砟轨道层间状态。文中层状介质的检测和层间损伤定量评价方法有效查明层状无砟轨道层内裂缝和层间离缝,对使用超声波检测层状结构及层间损伤具有借鉴意义。

基于环形统计矢量阈值加权的上表面开口裂纹横波全跨全聚焦成像

为了有效抑制非目标模式反射体回波伪影,本文提出环形统计矢量阈值(CSVT)加权的上表面开口裂纹横波全跨全聚焦成像技术。利用延时信号构建环形统计矢量(CSV),并根据Weibull分布确定伪影噪声的CSV值范围后,通过阈值将其剔除得到CSVT因子。研究表明,在32~64阵元有效孔径范围内,非目标模式反射体回波伪影噪声的CSV值范围在0.2~0.4之间,TT-TT模式(目标模式)下的上表面缺陷回波CSV值接近于1。因此,阈值处理后的CSVT因子值可有效保留缺陷的权重因子,同时抑制绝大多数非目标模式反射体伪影及相位随机分布的噪声。相比于横波全跨TFM成像,CSVT加权后的铝块TFM成像图中,上表面-45°~45°人工刻槽下尖端的裂纹信噪比提升范围为7.7~14 dB。

航空机匣环件曲面结构超声全聚焦检测与缺陷定量方法

航空发动机机匣所用环形锻件的沟槽和圆角部位容易产生各类缺陷。针对环形锻件的曲面结构,提出了超声全聚焦检测与缺陷定量方法。在待测区域建立圆柱坐标系并划分网格点,设计了Φ0.8 mm当量缺陷对比试块,采集了网格点处缺陷最大幅值数据集,将数据集在深度和角度两个方向拟合,建立了距离-角度-幅值曲面缺陷定量评价方法。某机匣环件试样实验结果表明缺陷定量方法的误差小于1 dB。

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。

基于反卷积神经网络的超声导波层合板脱粘缺陷超分辨成像

针对传统超声导波成像检测方法难以精确表征结构损伤细节特征的问题,文中提出了基于深度学习的反卷积神经网络模型,对层合板中亚波长脱粘缺陷的超分辨成像问题进行研究,以获得损伤的细节特征。通过有限元仿真与全聚焦成像算法获取初始成像结果,再使用数据增强方法扩充数据库,最后对标注好的12550张损伤图像进行训练和测试。研究结果表明,与原始全聚焦成像算法相比,反卷积神经网络模型下损伤的成像位置准确度提高了5%,成像精度高于91%,定位误差低于1.8 mm,说明文中所提方法能够明显提高网络成像结果分辨率并较好地显现亚波长损伤的细节特征。上述结果表明文中所提方法具有较高的检测效率,且无需人工经验,在工程实践中具有良好的应用价值。

面向非规则界面双层介质超声全聚焦成像

为解决盲测工况下双层介质全聚焦成像困难的问题,提出了一种基于虚拟源(VS)的全聚焦(TFM)成像技术。首先,利用全矩阵数据集中的对角线信号一次界面回波飞行时间,在非规则双层介质界面建立一系列虚拟源点。通过对虚拟源点插值或拟合处理得到实现非规则介质界面的重建。最后,通过重构的界面寻找可能的折射点,以满足盲测条件下非规则界面双层介质TFM的成像条件。盲测条件下的结果表明,VS-TFM图像中的非规则界面和缺陷位置与实际吻合。与基于虚拟源的合成孔径聚焦技术(SAFT)相比,对于凸面试块,VS-TFM图像的信噪比提升了4.66~13.31 dB;对于凹面试块,VS-TFM图像的信噪比提升了4.74~12.8 dB,且API值基本相同,成像时间几乎不增加。因此,本文所提方法将全聚焦成像的应用对象拓展至盲测工况下非规则双层介质。

超声全矩阵数据联合稀疏重构的多测量向量模型应用

针对单测量向量模型等传统压缩感知方法处理超声全矩阵捕捉数据时,存在重构精度低和重构耗时长等问题,该文研究了多测量向量模型应用的可行性。针对铝合金试块中不同深度的Ф2mm横通孔,分别使用多测量向量模型中的多测量稀疏贝叶斯算法和单测量向量模型中的稀疏贝叶斯算法进行超声全矩阵数据重构,并实施全聚焦成像。随后,引入归一化均方误差和阵列性能因子评价图像和信号的重构效果。实验结果表明,稀疏贝叶斯算法在25%采样率时的归一化均方误差为1.9%,而多测量稀疏贝叶斯算法仅需15%采样率即可达到相似效果且耗时更少。

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。

奥氏体不锈钢焊缝中的声学仿真模型与全聚焦成像检测

声波在奥氏体不锈钢焊缝中传播时声束弯曲,为超声成像带来了困难。基于Ogilvy焊缝模型,建立了奥氏体不锈钢焊缝非均匀各向异性声场仿真模型,采用Dijkstra路径搜索算法对各向异性条件下的声传播路径和声传播时间进行了数值模拟和分析。在此基础上,采用Verasonics超声相控阵成像系统,进行了奥氏体不锈钢焊缝的全聚焦成像实验,采集全矩阵回波数据,并结合理论模型计算的声传播路径和相应的传播时间,进行了成像结果修正。结果表明,与均匀介质模型的全聚焦成像结果相比,基于该文模型的焊缝全聚焦成像检测结果具有更高的缺陷定位精度和分辨率,验证了该方法的可行性,为奥氏体不锈钢焊缝成像检测提供了新的思路。

基于半稀疏矩阵的聚乙烯管超声阵列全聚焦成像实验分析

高密度聚乙烯管广泛用于燃气输送等领域,其热熔接头的焊接质量直接影响管道系统的安全。采用全聚焦成像方法对高密度聚乙烯试块的横通孔缺陷进行成像实验,通过对检测信号进行信号预处理,提高全聚焦成像的效果,并提出一种基于半稀疏矩阵采集的超声阵列全聚焦成像方式,将该方式与基于全矩阵、半矩阵和稀疏矩阵采集方式的全聚焦成像结果进行比较。实验结果显示,基于半稀疏矩阵采集的全聚焦成像方法可有效降低计算量,提高实时检测效率,同样能够用于高密度聚乙烯材料中横通孔缺陷的重构且成像信噪比无明显降低。