基于激光超声的钛合金裂纹合成孔径组合成像研究

针对钛合金内部疲劳裂纹激光超声成像问题,提出了一种基于合成孔径聚焦技术的多模式组合成像方法。采用扫描激光源法,通过提取不同探测位置的时域模式回波信号,根据B-scan图中反射纵波与反射横波的幅值分布,将裂纹回波时域特征进行分区重组,对其进行反演聚焦完成了对内部裂纹的识别及图像重构。使用COMSOL Multiphysics对钛合金板材内部裂纹成像过程进行数值模拟并通过MATLAB图像算法验证了其可行性。与单一模式波成像相比,采用反射纵波与反射横波组合的成像方法有效减少了伪像,实现了对内部裂纹的定位及图像重构,重构裂纹位置X轴与Y轴相对误差均在3%以内。     

相移迁移法在激光超声合成孔径聚焦技术中的应用

通过分析脉冲源激光辐照于工件表面激发的多模式、宽带超声体波信号并结合合成孔径聚焦技术(SAFT),实现了对工件内部微小缺陷的检测、定位和成像。首先基于有限元仿真模拟了激光激发超声波在含缺陷样品中的传播过程,编写了基于相移迁移法(PSM)的SAFT成像算法,然后在实验中使用激光在含缺陷样品表面激发超声波,使用激光测振仪探测超声波,并基于已有算法和探测结果对样品内缺陷进行了检测和定位,以验证算法的正确性。有限元仿真以及实验结果均表明,将激光超声技术与频域SAFT-PSM结合,能够有效地对微小缺陷进行检测和定位,且其图像重构速度快于时域SAFT,可为激光超声无损检测提供更快速的实时技术方案。     

材料内部缺陷的激光超声反射横波双阴影检测方法

为了实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测,解决激光超声检测内部缺陷时衍射回波信号弱、透射体波检测无法获得缺陷深度信息等问题,提出了一种激光超声反射横波双阴影检测方法。该方法结合超声透射法和反射法的优点,依据缺陷对反射横波的两次衰减作用,利用时间飞行法对样品进行扫描检测,通过波形互相关算法计算波形时延,精确测量了激光激发点与探测点距离和横波双阴影间距,结合样品厚度实现了对直径为0.8 mm内部缺陷的检出和深度定位。与X射线数字射线照相、传统超声换能器检测的结果进行对比后可知,激光超声方法能够实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测和精确定位。     

微小缺陷回波信号的成像方法研究

针对金属中微小缺陷在超声检测时回波信号较弱,利用时域回波信号对微小缺陷试块进行C扫描成像时图像噪声较大且信噪比较低的问题,借鉴医学超声影像领域中的背散射积分诊断技术,提出了一种通过计算缺陷回波信号的功率谱(PSD)和频域背散射积分(IBS)来表征微小缺陷的方法。在使用IBS对试块进行成像后发现成像的信噪比较时域成像有显著的提高,但图像出现了明显的网格化。对此提出了使用频域背散射补偿积分(IBSC)和频域背散射全宽带积分(IBSF)成像的两种改进降噪方法。实验结果表明,这两种改进的成像方法均能在保持成像具有较高信噪比的条件下抑制图像的网格化,但IBSC的计算量远小于IBSF,更适用于金属中微小缺陷的成像检测。     

激光超声测量弹性常数的Abaqus数值模拟

材料的力学性能直接影响到构件的安全性和寿命,而材料的弹性常数是其力学性能的重要指标。利用有限元软件Abaqus模拟了激光激发的超声表面波和纵波在金属薄板试样表面及体内的传播过程。采用修正的高斯分布的力源等效激光对样品的脉冲作用来产生超声波,在边界处设置无限单元消除反射回波的干扰信号,并由接收点的超声表面波和纵波信号计算得到波速大小,再根据波速和弹性常数之间的关系得到材料的弹性常数。数值结果与理论解吻合良好,为激光超声检测材料弹性常数提供了一种十分有效的数值方法。     

热障涂层脱粘缺陷脉冲压缩激光红外热成像检测

针对热障涂层热导率低,激光红外热成像检测效果不佳等问题,本文提出了一种基于脉冲压缩的增强型激光红外热成像方法用于热障涂层系统脱粘缺陷的检测。该方法利用频率或周期调制脉冲串激光热源,再通过信号处理将接收到的时域信号压缩成有效峰值高的窄脉冲信号,从而有效增强检测信号的信噪比。首先,建立热障涂层多层结构脉冲压缩激光红外检测有限元数值计算模型,模拟了周期调制脉冲串激光激励下结构内部热流的传播过程以及内部缺陷对温度场分布的影响,研究了不同激励参数对于温度场分布的影响。模拟结果表明,单调递减型且热激励时间为2s左右的脉冲激励形式能获得最佳的检测效果。其次,通过脉冲压缩技术对数据信号进行后处理,得到了更能反映缺陷信息的温度场分布图。最后,通过实验验证了基于脉冲压缩的增强型激光红外热成像方法对热障涂层脱粘缺陷检测的有效性,实验结果表明,该方法在一定程度上提高了缺陷检测的灵敏度与信噪比。     

激光超声结合电磁超声在铝板无损检测中的应用研究

为了检测金属材料生产、使用过程中的厚度损失及表面裂缝损伤,对比分析了激光干涉仪和电磁超声换能器(EMAT)对金属激光超声信号探测的准确度和实用性。采用激光干涉仪表面波信号与纵波信号相结合的方法探测了铝板厚度,并根据背面纵波信号测量了铝板表面裂痕缺陷深度;采用EMAT表面波信号确定铝板裂痕缺陷的位置,纵波信号确定铝板的厚度。结果表明,相比激光干涉仪的复杂激光超声信号接收光路,EMAT铝板测厚及裂痕缺陷位置检测的误差均在4%以下,且裂痕缺陷位置的预测值不会随着表面裂痕缺陷深度的减小而增加。可见,采用激光超声与电磁超声相结合的方法可有效地降低检测条件的复杂性,提高激光超声的实用性。     

基于压缩感知的快速激光超声合成孔径聚焦技术

传统激光超声合成孔径聚焦技术（LU-SAFT）通常需要在待测样品表面以小步长扫描来提高横向分辨率,但小扫描步长会导致总检测时间过长,影响检测效率。针对这一问题,笔者提出了基于压缩感知的LU-SAFT方法,以提升扫描效率。该方法首先使用压缩感知根据稀疏扫描点处A扫信号的最大强度恢复出全场的扫描点A扫信号最大强度,进而确定样品表面的最优扫描区域,然后在最优扫描区域内进行扫描,最后对缺陷进行SAFT图像重建。在实验中,笔者采用脉冲激光在含有缺陷的样品表面激发超声,使用激光多普勒测振仪探测超声,并利用基于压缩感知的LU-SAFT方法对样品内部缺陷进行检测,以验证所提方法的可行性。实验结果显示：针对相同的扫描区域,传统LU-SAFT需要扫查500个点,花费3.15 min;与传统LU-SAFT相比,本文所提方法在扫描点数上减少了80%,在扫描时间上缩短了80%,并且缺陷的SAFT成像信噪比提高了约42%。本文研究内容及结果可为激光超声无损检测提供更快速的检测方案。     

合金弹头超声检测缺陷特征提取方法研究

在对合金弹头内部及近表面缺陷进行超声检测时,由于噪声干扰等原因,使得从超声回波信号中很难识别出缺陷回波的准确位置,进而影响对合金弹头缺陷的准确定位与重构,必须对回波信号进行处理。首先简要论述了合金弹头超声波检测原理和方法,然后针对采集的超声回波信号采用了小波时频分析方法进行缺陷特征提取。实验结果表明：采用小波时频分析方法进行缺陷特征提取能够较准确地判断出合金弹头内部及表面缺陷所存在的位置,为合金弹头的缺陷识别提供了有利的参考。     

航空复合材料内部缺陷差动式激光红外热成像检测

航空复合材料内部缺陷的存在严重威胁着飞行安全。以航空碳纤维复合材料层合板为检测对象,利用激光作为红外热成像检测技术的热激励源,充分利用激光的远距离精准加热、高功率密度等优点,实现对复合材料内部分层缺陷的定位检测。利用激光红外热成像技术对缺陷试件和参考试件进行多次差动检测,并且依据试件与热像仪的空间位置关系,选择温差最大时刻计算内部分层缺陷的直径。实验结果表明:激光红外热成像技术可有效检测航空碳纤维复合材料内部分层缺陷。同时,首次使用的差动式激光红外方法可有效消除激光能量分布不均对检测结果带来的影响,使缺陷成像结果更清晰。     

飞秒激光超声时域分析用于无损检测研究

为了进一步探究飞秒激光诱导超声波在无损检测领域中的应用,本文提出了一种基于飞秒激光的超声时域分析方法,实现了对物质的无损检测。该方法首先将飞秒激光聚焦到被测物体表面激发出超声脉冲,然后通过采集超声脉冲的时域信号来对被测物体的内部结构进行可视化无损检测。为了验证方法的有效性,我们进行了以下两个实验:首先,我们对水泥样品进行了扫描并分析得到了其中的孔洞的位置;此外,我们还对未知内部结构的金属镜筒进行了扫描,检测出了其中透镜组的位置。理论分析和实验结果均证明了实验方法的有效性,与传统的超声无损检测技术相比,基于飞秒激光的超声时域分析方法能够简单快速地实现无损检测,具有良好的应用前景。     

基于Hilbert变换的激光超声波成像技术在缺陷检测中的应用

介绍了一种基于Hilbert变换的激光超声波传播图像方法,通过采用脉冲激光器在被测材料表面产生超声波信号,对接收的超声波信号进行Hilbert变换,并详细分析了超声波信号在被检测材料表面传播的时域波形图,最后利用超声波成像技术将超声波信号在被测材料的传播过程进行图像显示。实验结果表明:采取Hilbert对超声波信号进行变换的方法不仅能有效地提取超声波信号在缺陷处传播的信息,还能从超声波传播的图像中直观、高效地检测出表面缺陷的形状、大小及分布情况。因此,提出的Hilbert变换的激光超声波成像技术为工业中缺陷的定量检测提供了方法。     

激光声表面波检测材料表面微缺陷数值研究

采用平面应变的有限元模型数值模拟了激光线源辐照铝板表面激发出的声表面波的时域波形,比较了不同接收位置得到的位移信号的模式组成;同时研究了激光线源辐照区域近场存在表面微缺陷时产生的时域波形。数值结果说明：当激光源靠近表面微缺陷时激发出的声表面波模式中掠面纵波与瑞利波的位移信号均由典型的单极性迅速转变为显著的双极性特征,且瑞利波的峰-峰值将增加两倍左右,位移信号强度的显著变化为利用扫描激光检测材料表面微缺陷提供了理论依据。     

激光超声探伤仿真及时频分析

本文利用有限元软件ANSYS对激光超声与表面缺陷相互作用的过程进行了数值模拟,得出了不同缺陷深度情况下的超声透射波形;针对时域图中无法有效提取缺陷深度特征量的问题,本文运用时频分析方法中的短时傅里叶变换和EMD分解方法对仿真数据进行了分析,得出结论:这两种方法均可在一定范围内对激光超声信号进行分析;此外,本文进一步利用STFT对仿真得到的不同缺陷深度的超声信号进行分析比较,得出结论:随着缺陷深度的增加,引起超声信号中的时间、频率、能量等多种特征量的变化。这为激光超声信号中表面缺陷特征量的提取及定量化提供了一种可行的技术途径。     

激光回波波形分析小目标检测成像方法

通过信息处理提高激光成像对目标信息的感知和获取能力是该领域重要的研究方向.现有激光成像系统的分辨率上限取决于目标处成像光斑的大小,在仅利用回波时延和强度信息的前提下,光斑内小目标回波信号被背景目标信号所掩盖,难以有效实现对小目标的信息提取与检测成像.通过建立激光成像回波信号模型,构建了激光回波分解和子目标信号提取算法,可以有效恢复出激光回波信号中被掩盖的小目标回波信息,从而实现对光斑内小目标检测成像,提高激光成像的信息获取能力.对真实数据的实例分析验证了该方法的有效性.     

基于激光超声的管道缺陷定量表征方法研究

为利用激光超声技术实现管道缺陷的定量表征,应用有限元方法分析被激光辐照金属管道表面产生的超声波与管道缺陷相互作用的过程。通过传播图像探究超声波在传递过程中的模式转换,在远场激发的方式下,分别探讨不同高度、宽度以及角度的缺陷对激光超声波的影响,结合接收点的位移信号分析超声波与缺陷作用的复杂过程,并应用惠更斯原理分析其产生的原因,最后提出一种管道缺陷定量表征的方法。通过试验研究对理论结论进行验证。试验研究和理论结论表明,缺陷位置可通过表面波遇到缺陷后产生反射回波信号的接收时间定量表征,缺陷深度可通过缺陷底部产生反射表面波信号的接收时间定量表征,缺陷角度可通过缺陷底部表面波转化纵波信号的接收时间定量表征,为逆向推算缺陷的尺寸奠定了理论基础。     

基于Born近似法的铝合金构件缺陷的三维反演

随着铝合金材料构件在各个领域的广泛应用,其内部缺陷的存在会导致产品不能正常使用甚至引起重大的安全隐患,所以对构件内部缺陷进行三维(3D)反演并判断缺陷形状日趋重要。以中心圆孔为内部缺陷的铝合金圆柱体作为研究对象,采用探头垂直入射的水浸式超声检测方法,将检测获得的时域信号经傅里叶变换得到频域关系后,依据检测构件缺陷位置和参考构件相同位置信号频域之间的关系,得到缺陷反演所需的散射场幅值的频域和时域数值,通过采用Born近似方法对其内部缺陷进行三维反演研究。实验结果表明,尽管反演结果和实际相比,存在一定误差,但Born近似方法仍旧能够较好地反演铝合金构件内部缺陷。     

基于相干探测的激光超声检测系统设计与实现

提出一种基于激光注入光纤相干的材料表面缺陷无损检测系统,将光学传感、空间光耦合及平衡探测技术有机结合,利用脉冲激光激励与单频激光探测手段,探讨激光超声信号在介质中的产生、传播与检测机理,并通过数据采集与LabVIEW图形化编程设计的上位机界面,对信号特性进行分析和处理。实验测试表明,采用激光注入光纤相干探测系统的信号检测,能减小系统噪声的影响,降低输出信号抖动,通过超声回波峰值信号突变,有效实现工件缺陷判断,为工程应用提供一种新的测量方法。     

二分搜索和压缩感知在激光超声内部缺陷快速检测技术的应用

激光超声检测技术由于其非接触、高灵敏度和高空间分辨率特点,在无损检测领域具有广阔的应用前景。但其在高空间分辨率下进行大面积扫查需要花费较长的扫描时间,实用性受到制约。针对上述问题,文中提出使用二分搜索方法提高了检测速度,并使用压缩感知算法将所探测到的激光超声信号表示为小波基的线性加权组合,最终从二分搜索获得的较少实测激光超声信号中还原出整个待测范围内的信号。进一步,搭建了内部缺陷的激光超声扫描检测装置,使用脉冲激光实现超声的激光激发,多普勒测振仪实现超声的非接触探测,通过固定激发探测距离移动样品的方式实现了基于二分搜索和压缩感知的激光超声内部缺陷快速检测。文中提出的技术不但具有非接触、高灵敏度和高空间分辨率等激光超声的特点,还能提高检测效率。实验结果表明,在120 mm×30 mm×8 mm的铝板上确定缺陷位置需6 min,相比于逐点扫查需要14 min,缩短了体内缺陷定位所需要时间。     

太赫兹时域光谱技术检测复合材料与金属的脱粘缺陷

基于太赫兹时域光谱技术,提出应用太赫兹脉冲成像技术检测胶接结构中的脱粘缺陷,研究泡沫材料PMI与钢板胶接结构脱粘缺陷的检测。实验采用反射模式,分别对粘合部分与脱粘部分进行数据测试,对比分析发现数据在时域和频域范围均有明显区别。对待测样品进行二维扫描,应用太赫兹时域信号的时间位置幅值、最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值对待测样品进行成像。研究结果表明基于太赫兹时域光谱技术的太赫兹脉冲成像技术能够检测出泡沫材料PMI与钢板胶接结构的脱粘缺陷;应用太赫兹时域信号的时间位置幅值、最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值进行成像的结果,均可以分辨出样品的脱粘缺陷;不同的数据信息的成像效果不同。