基于贪婪算法的汽轮机叶轮相控阵信号压缩感知

超声相控阵是核电站组件无损检测中广泛采用的手段之一。针对低压汽轮机叶轮轮缘缺陷检测中存在的数据量大的问题,提出一种基于贪婪算法的超声相控阵信号压缩感知方法。利用CIVA平台建立了超声相控阵缺陷检测仿真模型,使用四种贪婪算法对仿真信号进行压缩感知并重构,计算不同采样率和不同压缩率下的百分比均方误差,根据结果选取最优算法;使用上述算法对汽轮机叶轮模型电火花加工缺陷回波信号进行压缩重构;通过与小波压缩重构精度的对比,验证该算法在超声相控阵汽轮机叶轮缺陷检测中的适用性。结果表明,使用仿真数据可以用低于奈奎斯特极限的测量点数精确重构信号;在压缩率为60%时,使用试验信号的平均重构误差仅为4.815 2%,与小波压缩的重构精度相当。     

聚乙烯管道电熔接头缺陷超声相控阵成像模拟和实验研究

为了快速获得电熔接头超声成像图以便研究聚乙烯管道电熔接头无损评估算法研究,运用了多物理场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics对聚乙烯管道电熔接头金属电热丝的超声响应特性进行了有限元分析,并对聚乙烯管材内壁钻孔缺陷及含孔洞缺陷聚乙烯管道电熔接头进行了超声相控阵检测成像实验,验证了超声相控阵检测成像有限元模拟分析结果的正确性。采用Richardson-Lucy反卷积算法对聚乙烯管材内壁钻孔缺陷超声相控阵成像图进行了图像复原处理。实验结果表明:基于超声傅里叶成像的相控阵成像仿真方法具有可行性,有限元模型为聚乙烯管道电熔接头缺陷超声相控阵成像提供了数值模型。     

基于FPGA技术的新型相控阵驱动电路

近年来,结构损伤中超声相控阵检测技术正逐渐成为国际无损检测领域的研究热点之一.由于目前超声相控阵驱动电路中大多采用脉冲信号的激励方式,驱动信号的强度难以控制,缺陷处回波的有效信号不够突出,使得相控阵检测的分辨率较低.针对这一问题,提出了一种基于FPGA技术的新型超声相控阵驱动电路,该驱动电路利用FPGA片上丰富的逻辑资源以及其编程的灵活性,实现了任意波形信号的激励,并且依据超声波在材料中的衰减规律,通过在片上构建强度控制算法实现了缺陷处应力波等强度的目的,从而提高了缺陷检测的分辨率和信噪比.系统主要包括激励信号生成模块、强度程序控制模块以及高频功放模块.最终通过实验,验证了系统的可行性.     

超声相控阵在管道缺陷检测中的优化设计

本文采用具有电子偏转及电子聚焦特性的超声相控阵技术对大口径长输管道环焊缝进行缺陷检测,克服传统无损检测由于焦点固定引起检测过程复杂的不足.相控阵换能器的声场特性决定探伤灵敏度,是换能器设计的主要依据.所以需要对超声相控阵换能器进行优化设计,其目的是研究阵元参数与声场特性之间的关系,尽可能地使主瓣尖锐,抑制栅瓣的产生,减弱旁瓣的幅度.本文首先采用数值分析方法,研究并仿真线阵参数对超声束聚焦性能的影响.然后介绍用超声相控阵换能器进行环焊缝检测的试验平台.在此基础上,选取优化后的超声相控阵探头与一个同频的常规超声探头进行对比试验.试验结果表明了该方法的有效性,能提高相控阵换能器的性能.     

基于阵元指向性的复合材料曲面结构超声表面契合法研究

采用相控阵超声结合表面契合法(Surface adaptive ultrasonic,SAUL)检测复合材料曲面结构过程中周向缺陷检测分辨力低,给缺陷定量带来困难。为提高SAUL的检测能力,以T700/环氧树脂T形长桁为研究对象,建立弹性各向异性有限元模型,并对照弹性各向同性情况分析其声传播规律,发现弹性各向异性和层间反射共同作用导致肋板处形成明显噪声。在此基础上,基于阵元指向性开展曲面结构成像检测研究,结果表明：引入阵元指向性校正系数对声源脉冲信号幅值进行优化,降低探头频率,可使阵元声场更适应曲面结构,从而减弱两侧肋板反射,提高成像质量。针对周向长度4.5 mm、深1.5 mm的分层缺陷,改进后的SAUL方法对应仿真和试验中周向缺陷长度定量误差较常规SAUL结果分别减小7.4%和13.1%,表明优化阵元指向性可有效改善SAUL周向检测分辨力,提高复合材料曲面结构超声检测缺陷定量水平,具有推广应用价值。     

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。     

金属材料小缺陷超声反射信号建模及识别

为了能从含噪声金属材料超声检测信号中有效识别出微小缺陷回波,建立了金属材料超声反射信号模型并提出了基于相关系数的微小缺陷回波识别方法。对含微小缺陷金属材料超声脉冲反射信号的成分进行分析,建立了基于散射声场与高斯回波理论的优化超声回波模型。设计了超声缺陷回波位置识别方法。该方法对超声脉冲反射信号去噪后,取探头发射脉冲信号为参考信号;然后与去噪后的信号逐段求解相关系数;最后对该相关系数序列进行阈值化处理,获得缺陷回波在超声回波信号中的位置。将利用上述优化超声回波模型生成的超声反射信号及其频谱与实验获得的金属材料超声反射信号及其频谱进行了对比,结果表明:两者的时频域特征具有一致性。当将阈值设定为相关系数序列最大值的60%时,能够有效从超声背散射信号中识别出金属材料微小缺陷回波。     

超声相控阵探头声场特性仿真分析

与传统的超声波探头相比 ,超声相控阵探头可以实现电子控制下的声束平移、偏转与动态聚焦。本文针对无损检测中广泛被使用的超声线阵探头 ,建立其声场的数学模型 ,得出了超声线阵探头的方向图函数 ,在此基础上运用 Matlab软件对超声场进行了仿真计算 ,得出了相控阵超声探头声场在空间分布的特点。本文最后依据此模型 ,提出了改善超声相控阵探头声场的措施     

地脚螺栓相控阵柱面超声导波换能器的设计及应用

设计了一种用于地脚螺栓缺陷检测及腐蚀评估的相控阵超声导波换能器,通过对换能器阵列型式、阵元个数、频率、晶片尺寸的合理设计,可以有效避免螺纹反射回波的干扰,提高信噪比和缺陷检测结果的可靠性,并通过检测案例进行了验证.     

用于管道环焊缝缺陷检测的超声相控阵系统

传统超声探伤只能定点聚焦,影响管道环焊缝缺陷检测自动化水平的提高.为此引入超声相控阵技术.本文设计用于管道环焊缝缺陷检测的便携式超声相控阵系统.文章首先介绍系统的构成,然后分析单声束通道的硬件结构及其信号处理过程,实现对探头各阵元发射或接收相位的精确控制.试验表明该系统具有良好的超声发射和回波合成能力.     

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。     

基于小波分析的脉冲涡流/电磁超声复合无损检测方法

为了有效利用电磁超声中的脉冲涡流信号,实现电磁超声、脉冲涡流检测方法对缺陷检测的优缺互补,提出了一种基于小波分析的脉冲涡流/电磁超声复合无损检测方法,并结合数值仿真和实验验证了所提方法的有效性。     

序列相似性检测在超声测厚系统中的应用

基于脉冲回波法在超声测厚系统中应用十分广泛,文中提出将序列相似性检测应用于基于脉冲回波法的超声测厚系统中,避免了传统的厚度计算方法中存在的严重的波形局限性。在该算法中,通过计算序列的相似程度,寻找底面两次回波中变化趋势最为接近的两段序列,由这两段序列计算超声波在工件中的传播时间,从而计算工件的厚度。通过该算法在实践中的应用,验证了该算法的有效性和准确性。     

压缩机叶轮叶根缺陷相控阵超声检测方法研究

压缩机叶轮叶根易出现疲劳裂纹、气孔等内部缺陷。基于超声脉冲反射法原理,利用相控阵超声检测技术,采用声线模型对缺陷检测位置进行分析,并通过声场分布模拟以及缺陷检测模拟优化实验方案,最后利用聚焦扫描对人工预置平底孔缺陷进行检测。检测结果表明：利用相控阵超声检测技术在叶轮内腔对叶根进行检测,缺陷信号明显,缺陷定位精度高,定位误差仅为0.19%。     

基于改进PSO算法的LS-SVM对管道超声导波缺陷的二维轮廓重构

针对目前超声导波管道检测中缺陷成像研究较少现状,提出了一种基于改进PSO算法的LSSVM的缺陷二维轮廓重构方法。利用试验和有限元软件,获得不同尺度缺陷的回波信号。采用最小二乘网络学习方法,以回波信号数据为输入,二维轮廓数据为输出,建立非线性映射,实现了管道缺陷轴向宽度和径向深度的二维轮廓重构,并与径向基神经网络算法重构结果和一般PSO算法的LS-SVM算法进程进行对比。结果表明:该方法具有更强的泛化能力,是缺陷可视化检测的参考方法。     

基于经验与变分混合分解的超声回波信号噪声消除方法

超声缺陷检测结果易受超声回波信号中复杂噪声的干扰,为了提高超声缺陷检测的准确度,提出一种基于混合分解的 超声回波信号噪声消除方法。 采用经验模态分解算法结合相关系数指标对超声回波信号进行预处理,得到消除低频噪声分量 的超声回波预处理信号。 基于变分模态分解将该预处理信号分解为一系列窄带本征模态函数,引入互信息指标估计变分模态 分解的最优模态数量,并根据窄带本征模态函数与预处理信号的相关系数提取有用的模态分量,实现对超声回波信号去噪结果 的重构。 通过仿真和实测超声回波信号验证了本文方法的去噪性能,并与现有方法进行了对比。 结果表明,本文方法可同时消 除超声回波信号中的高频和低频噪声,在不同信噪比条件下 EMD、VMD 和本文方法去噪结果的 SNR 均值分别为 10. 01、9. 48 和 16. 09 dB,验证了本文方法对于超声回波信号噪声消除的优越性。     

基于虚拟聚焦的板结构兰姆波换能器阵列检测方法研究

针对板结构大范围无损检测问题,发展一种基于软件虚拟聚焦的兰姆波换能器阵列检测方法,即基于相控阵中等相位叠加原理,在无需相位控制硬件系统条件下,通过对换能器阵列接收数据进行软件处理,实现换能器阵列声束的指向聚焦.利用仿真数据,研究阵列直径、阵元数量、声束数量等对虚拟聚焦成像周向分辨率和旁瓣噪声的影响,得出检测结果无明显旁瓣噪声所需要满足的条件为阵元间距应小于检测兰姆波的半波长.基于数值仿真处理结果,进行电磁声换能器阵列兰姆波检测试验研究.结果表明,在选择合适的阵列直径、阵元数量、声束数量的条件下,通过对换能器阵列检测信号进行虚拟聚焦处理,可以实现板结构任意方向特征体(如边界)的识别和缺陷检测.     

相控阵超声水浸C扫描自动检测系统的研制

采用常规超声水浸C扫描检测系统检测工件时,为了得到较好的检测精度,一般采用较小的扫描步距,检测效率低,同时换能器聚焦深度不能改变,灵活性差。为了提高超声水浸C扫描检测的检测速度、检测适用范围及灵活性,采用相控阵电子线性扫描及其成像算法,结合三自由度机械扫描架,研制了相控阵超声水浸C扫描检测软硬件系统。采用64阵元的相控阵超声换能器分别对铝合金平板、钛合金增材制造试样进行了检测试验,对检测系统的性能进行了初步验证。试验结果表明,所研制的系统相对于常规超声水浸C扫描系统的检测效率和检测能力均有较大提升。     

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。     

基于稀疏矩阵的两层介质超声相控阵全聚焦成像

超声相控阵全聚焦成像算法具有精度高、全范围动态聚焦的优点,但存在的成像耗时长问题限制了其实际工业应用。为提高实际检测中相控阵全聚焦成像效率,以常用的楔块耦合检测为例,基于Fermat原理计算两层介质下各阵元的延迟时间,建立两层介质相控阵全聚焦成像算法。通过减少发射/接收阵元数,以与全矩阵下具有一致的有效孔径为条件,研究发射/接收阵元分布的权重函数,建立两层介质修正稀疏全聚焦算法。以弧形分布的侧边孔为例,进行了两层介质的全聚焦成像及稀疏全聚焦成像试验,并讨论了稀疏发射阵列对缺陷定量精度及全聚焦算法计算效率的影响。结果表明:修正稀疏全聚焦算法可在保证成像精度前提下显著提高成像效率。对于32阵元换能器,当稀疏发射阵元数达到8时,稀疏矩阵相对于全矩阵的误差值在5.2%以内,但计算效率提高了近4倍。