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。     

基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测

利用超声成像方法对关注区域成像,对获取缺陷形状、尺度和取向等特征具有重要意义。考虑了21种不同声束路径的模式波,复合叠加各重建点能量最强信号,提出全模式全聚焦方法(FTFM)。利用一组探头楔块,通过一次信号采集实现未知裂纹的轮廓重建与定量检测。针对厚度40 mm碳钢中长度4 mm,中心深度25 mm,取向角度分别为0°、±20°、±50°和±80°的裂纹,采用64阵元、中心频率5 MHz线阵探头配合45°纵波楔块实施全矩阵捕捉(FMC)和FTFM成像,仿真和实验均重建了裂纹完整轮廓,裂纹长度、取向和中心深度定量误差分别不超过0.60 mm、2.39°和0.73 mm。最后,为保证FTFM成像质量,检测时应合理选择相控阵探头参数,并移动探头至最佳位置处采集FMC信号。     

超声检测三角矩阵聚焦成像算法

超声相控阵技术近些年发展迅速并被广泛应用于工业无损检测领域,线阵探头全矩阵聚焦方法具有成像信噪比好、缺陷分辨力高等优势,近些年获得广泛研究,但其仍然存在采集数据量大、计算效率低的问题,使其在实际工业应用中受到限制。为了解决上述问题,基于检测系统收发通道的互易性提出三角矩阵聚焦成像算法,该方法简化了全矩阵聚焦成像算法的数据采集和成像运算过程。为验证聚焦成像方法的有效性,分别对类裂纹、平底孔和横通孔缺陷试块进行数据采集成像试验和信噪比分析,数据采集试验结果表明收发通道互换前后两信号具有很好一致性。进一步的数据比较分析表明,在成像质量方面,三角矩阵聚焦成像算法与全矩阵聚焦成像算法两者的图像信噪比变化不大;在数据采集和成像效率方面,三角矩阵聚焦成像算法降低了近一倍数据量,有效提高了计算效率。     

复合粘接结构脱粘缺陷全聚焦成像模拟及算法优化研究

针对材料声学参数差异较大的复合粘接结构脱粘缺陷检测困难的问题,研究了复合粘接结构的检测原理及难点,分析了脱粘尺寸对回波幅值的影响,提出了将全聚焦算法应用于复合粘接结构的成像检测方法。分别建立了复合粘接结构的常规PA成像检测和全聚焦算法成像检测的有限元检测模型,提出了基于指向性理论的分序列局部全聚焦加速算法,通过设定角度阈值筛选有效阵元序列来提高计算效率。研究结果表明:对于复合粘接结构脱粘缺陷的检测,全聚焦算法成像检测相对常规PA成像检测具有更高的检测精度;应用加速算法后,对于32阵元的相控阵探头,[-4 mm,4 mm]和[4 mm,8 mm]之间矩形目标区域的全聚焦成像检测,计算量降低了34.7%,且未降低成像质量。     

基于自回归谱外推的全聚焦成像分辨力提升

针对相邻缺陷全聚焦超声成像混叠问题,结合低阶、宽有效频带自回归谱外推方法,压缩超声波时域脉冲宽度,实现亚波长级全聚焦（Total focusing method,TFM）成像分辨力。建立碳钢试块模型,设置两个中心间距1.8 mm,直径1.3 mm圆孔,选用中心频率2.25 MHz,32阵元相控阵探头采集全矩阵数据。针对全矩阵数据,选择自回归阶数为2,信号频谱最大幅值下降14 dB为有效频带,建立自回归模型并外推有效频带外的高频与低频成分,随后对全矩阵数据进行延迟叠加处理和TFM成像。仿真结果表明,低阶、宽有效频带自回归谱外推处理方法具有较高的鲁棒性和准确性,TFM成像后可有效分离中心间距0.7λ（λ为超声波长）圆孔,保留缺陷横向位置信息的同时,定位误差不超过0.73%。对碳钢试块中相同位置及尺寸的圆孔进行试验验证,定位误差不超过1.06%,有效地提高TFM成像分辨力。     

相控阵超声后处理成像技术研究、应用和发展

相控阵超声后处理成像技术采用离线计算的方式对超声回波数据进行分析,实现缺陷的成像及评价,与基于实时成像的常规相控阵超声检测技术相比,成像更清晰,缺陷表征能力更强。近年来,相控阵超声后处理成像技术逐渐成为研究热点,国内外相关学者相继建立全聚焦成像、向量全聚焦成像、波数域成像和时间反转成像等一系列基于全矩阵数据的后处理成像算法,检测精度及缺陷表征尺寸极限取得了很大突破。为此,从全矩阵数据的基础理论出发,介绍基于虚拟聚焦思想和频域反演思想的相控阵超声后处理典型成像算法的基本原理、技术特点、研究进展及应用现状,总结当前发展存在的问题和不足,预测相控阵后处理成像技术的未来发展。     

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。     

板结构裂纹兰姆波阵列复合成像方法研究

针对板结构中裂纹方向识别及定量检测问题,提出了一种板结构兰姆波阵列复合成像方法。利用超声阵列采集的单模态兰姆波全矩阵数据,分别提取其幅值信息和极性信息,进行全聚焦成像和极性一致成像,并利用极性一致成像对全聚焦成像进行了加权处理;对全阵列进行子阵列划分,计算出各子阵列的特征矢量,并进行加权合成,得到矢量全聚焦成像;利用全聚焦成像的强度信息和矢量全聚焦成像的方向信息,综合得到兰姆波阵列的复合成像,并从中提取出缺陷的方向及空间分布范围等信息。实验结果表明,提出的兰姆波阵列复合成像方法可以很好地实现板中多个裂纹方向识别,其角度测量误差在20%以内。本文工作为裂纹缺陷识别及定量检测做了有益探索。     

均匀稀疏矩阵的全聚焦成像算法研究

超声相控阵全聚焦成像算法作为一种后处理成像技术,虽然具有成像精度高、灵活性好的优势,但由于数据量大、计算时间长等问题,该项技术的实际工业应用受到了极大限制。针对该算法的不足,这里提出了基于均匀稀疏矩阵的全聚焦成像算法,通过减少矩阵数据量来提高成像效率。结果表明：相较于传统全聚焦成像算法,基于均匀稀疏矩阵的全聚焦成像算法极大的压缩了数据规模,计算速度同比提高约38%,为全聚焦快速成像提供了一种参考方法。     

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。     

超声全聚焦成像校正模型及加速算法

超声全聚焦成像算法是一种基于全矩阵数据的成像技术,具有成像精度高、缺陷表征能力强的优点,但也存在数据量大、计算时间长、近表面区域噪声较大的缺点,目前主要应用于后处理成像。针对以上问题,建立了基于阵元指向性函数的成像校正模型;结合并行计算设备,提出了基于三角矩阵数据采集和索引技术的成像加速算法。使用16阵元相控阵探头对带有人工通孔的铝制试块进行检测试验,结果表明,使用加速算法可以将每帧图像成像时间缩短至135 ms以内,满足实时成像的要求;添加校正模型后,对于图像近表面区域噪声抑制效果明显,降低了伪缺陷出现的可能性,提高了图像信噪比。     

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。     

基于环形统计矢量的超声相干复合发散波成像

为提高大壁厚构件的缺陷检出能力,提出了全孔径相干复合发散波成像(CDWI)与环形统计矢量(CSV)相结合的复合检测方法。基于虚拟源技术,该方法通过发射延时实现全孔径阵元的大范围的偏转波前发射,以增加深度和宽度传播方向上波前的声能。为有效提高孔径有效覆盖区域以外的检出能力,相干复合过程中结合CSV进一步增加缺陷回波影像的质量指标。结果表明,在检测铝制构件中横向分布超出探头孔径覆盖范围20 mm和纵向埋深在2～3倍探头孔径之间这两种情况下的Φ2边钻孔缺陷时,本文所提复合方法的缺陷回波幅值较平面波成像分别高出17.5～18.5 dB和10.6～14.8 dB。     

基于空频去混叠的CFRP材料纤维纹路涡流成像

空间分辨率是图像质量评价的一项关键性指标,在涡流成像技术的应用中非常重要。针对碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)电涡流成像中欠采样频谱混叠引起的纤维纹路粗大和模糊难以辨别等问题,研究基于空频域去混叠的涡流图像增强方法,显著提高图像的空间分辨率和对纤维排布以及缺陷的检测精度。建立CFRP层合板的细观电磁仿真模型,揭示涡流纹路成像机理和周期性结构信号的混叠规律;接下来对涡流探头的点扩散函数进行研究和估计,结合信号波形特征提取,评价不同结构尺寸发射-接收(Transmitter-Receiver,T-R)型探头图像的空间分辨率;提出基于点扩散函数和傅里叶变换的逆卷积纹路细化聚焦方法,以实现对CFRP层合板中纤维方向和铺层缺陷的高精度成像,并达到图像反映复合材料缺陷真实形状的目的。     

导电材料缺陷的涡流成像检测技术研究

针对目前涡流无损检测尚存在检测精度低、反演识别难的问题,利用理论仿真分析,设计了励磁均匀性较好的励磁线圈和阵列隧道磁阻(TMR)传感器探头,基于阵列探头提出了等空间间隔插值成像缺陷检测方法,搭建试验系统,并进行缺陷检测试验。结果表明,提出的方法可有效地避免探头速度对成像结果的影响,从而实现不同形状尺寸缺陷的轮廓成像检测,为后续导电材料缺陷的涡流智能检测提供支持。     

矩阵换能器超声三维成像方法研究*

针对常规超声检测难以直观地显示被检对象缺陷的形状及走向等问题,开展矩阵换能器超声三维成像方法研究。超声三维成像技术具有直观显示被测对象内部缺陷三维特征的优点,基于矩阵换能器的超声三维成像方法具有扫查速度快、分辨率高等优点,是当前超声三维成像技术的研究热点。本文介绍了矩阵换能器体扫查原理及其控制方法;提出了矩阵换能器体扫查时三维体数据采集方法和数据融合算法;基于矩阵换能器和相控阵板卡系统对铝标样等试样进行了体扫查检测实验,采用等值面和体绘制两种算法对缺陷进行三维成像,并对单一缺陷进行了定量分析,定量精度较高。研究结果表明,矩阵换能器超声三维成像方法能够表征缺陷的三维形貌特征,在无需移动换能器的情况下便可实现缺陷三维检测,是超声三维检测的有效方法。     

基于参数反演算法的铁磁构件腐蚀减薄缺陷脉冲涡流检测方法北大核心CSCD

为减小脉冲涡流检测技术在承压设备壁厚腐蚀减薄检测中的误差,基于铁磁平板脉冲涡流场的时域解析式,建立时域感应电压测量值与理论计算值之间的最小二乘参数反演。将被检构件的电导率设为固定常数,然后将2处检测点壁厚的反演结果作对比,得到2处检测点之间壁厚相对变化量。在钢板上加工矩形槽缺陷,实验验证了文中相对壁厚检测方法,可消除构件电导率设定值的影响。当腐蚀区域面积大于探头足底面积时,可准确扫查出腐蚀区域的剩余壁厚,且对腐蚀区域的边缘有较好的识别能力;当减薄区域面积小于探头足底面积时,局部腐蚀缺陷的减薄程度会被低估。利用脉冲涡流法检测铁磁构件相对壁厚,无须与被检构件接触,检测结果直观,重复精度高,可用于工业上带包覆层铁磁构件壁厚腐蚀减薄的无损检测与评估。     

涡轮叶片锥束体积CT检测系统软件原型

给出了检测系统软件原型的总体结构和数据流设计.研究了图像序列快速重建、高精度图像边缘检测、叶片点云模型与CAD设计模型配准、叶片壁厚检测与铸造缺陷分析等关键模块的实现方法.软件原型由C 6.0编程实现.仿真测试表明该软件可基于空心涡轮叶片的锥束体积CT扫描数据对叶片的外型轮廓偏差、壁厚和铸造缺陷进行检测分析.     

基于Omega-K算法的快速全聚焦超声成像研究

针对现有超声全聚焦技术难以实时成像的问题,提出基于w-k算法的快速全聚焦技术。首先将用于全聚焦方法(TFM)成像的三维全矩阵数据分解为N个二维子矩阵;利用快速傅里叶变换,将1～N号子矩阵由时域I(t,x)转换为频域D(k_Z,k_x);基于w-k算法构建波数迁移因子F(k_Z,k_x),对D(k_Z,k_x)进行加权得到I_D(k_x,k_z),实现频域中的声束聚焦;通过快速傅里叶逆变换得到子矩阵聚焦图像,并将其进行图像融合,最终获得全聚焦图像。结果表明,单核测试条件下,快速全聚焦方法获得具有200×300像素点的64阵元图像所需平均时间仅为0.65 s,而常规全聚焦算法需要1 467.36 s。综上,基于ω-k算法的全聚焦技术具有成像速度快、对硬件要求低等优点,为实时的高精度在线无损检测提供了一种可行方法。