基于压电晶片阵列的管中导波时反检测方法研究

为提高超声导波技术对管中小缺陷的检测能力,提出一种采用窄带高压脉冲激发安装在管道外表面的压电晶片阵列实现管中导波时间反转检测的新方法。该方法采用窄带脉冲同时激励沿管道表面轴对称安装的压电晶片阵列,从各压电晶片接收到的反射回波中提取含L(n, 2)模态的缺陷信息进行时间反转,并用获得的时反波再次激励阵列中对应压电晶片,整个阵列将同时接收到较单一L(n, 2)模态信号。试验结果表明,该方法能较好地抑制导波的频散、多模态特性,提高缺陷回波信噪比,增加对小缺陷的检测能力。同时,时反前、后所检测到的管道端面和缺陷反射回波的导波模态几乎相同,可采用特定频率的L(0, 2)模态群速度作为时反后缺陷波包的传播速度;且时反后的幅值最大的缺陷波包能重构窄带初始激励信号幅值最大的波包,可有效增加缺陷波包的辨识能力。     

管道超声导波分段时间反转检测方法研究

超声导波时间反转聚焦是实现管道小缺陷检测的一项常用技术,但目前使用时需要预判缺陷大致位置以确定时反窗的起点及宽度,在实际工程使用中往往难以实现。针对此问题,提出一种基于超声导波分段时间反转的管道检测方法。该方法将管道待检区域划分为多段区间,分别对不同区间段各阵元的常规导波检测信号进行时间反转,然后将各区间段的时反信号依次作为激励信号重新激发对应阵元,以获取各段区间的时反检测信号。仿真和试验结果表明,当某区间段的时反检测信号的信噪比优于常规导波检测时,可判定该区间段内存在缺陷,并能进一步精确计算出缺陷具体位置,反之,则可判定该区间段内不存在缺陷。通过分段时间反转检测可实现对管道整个待检区域中的小缺陷的有效检测。     

基于非轴对称激励的管道裂纹时反导波检测研究

为解决目前管道导波时间反转检测方法需采用较多通道同步激励、接收的问题,在分析管中弯曲纵向模态簇导波激发特性的基础上,提出一种基于单一斜探头局部加载激励L(M,2)簇的时反检测方法。通过超声斜探头阵列和自行研制的时反激励/接收板卡验证该方法的可行性,并试验研究初始激励信号的类型、频率及时反窗宽等因素对管道裂纹时反检测效果的影响。结果表明,在不同检测频率,采用窄带和宽带信号进行初始激励,时反后相对时反前缺陷回波幅值均有较大提高,且回波信噪比也有较大改善,能明显区分出缺陷波包。     

应用聚焦和超声隔离增强导波回波幅值的研究

针对现有增强导波回波幅值的方法综合应用聚焦法和超声隔离法,一方面解决聚焦过程中多通道装置在实验室与工程应用中不易实现的问题,用单通道设备多次激励,通过数据处理达到激励能量聚焦从而提升回波幅值,另一方面从防止激励能量泄露入手,运用超声隔离法阻止管道中的导波能量外泄。采用有限元仿真手段对比4种情况下的效果。针对2100mm长156mm外径的土载有包覆层的钢制管道,通过有限元仿真与试验获取的数据,利用超声导波聚焦方法对管道上一个缺陷进行了聚焦检测。结果表明,与应用综合法前的缺陷信号相比,应用后的缺陷信号的归一化幅度提高3.5倍,提高了超声导波对管道的检测能力。     

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.     

基于声学相位共轭理论的管道裂纹检测

将声学中相位共轭理论引入到管道裂纹检测中以实现声源信号的重构聚焦,对传统的超声导波无损检测中相位畸变、图像模糊等亟待解决的关键性问题进行改进。利用压电陶瓷(PZT)材料作为传感器,构建了一套管道裂纹的检测系统,验证相位共轭理论用于管道检测的可行性。通过在管道一端,利用PZT传感器,用对称加载的方式激励经过窗函数调制的五峰波信号,利用接收传感器提取信号,然后进行相位共轭处理再激励,从而实现信号的重构聚焦。试验结果表明,用超声导波信号的相位共轭法,可以实现信号的聚焦增益,提高了声波信号在固体介质中的信噪比,在管道的周向裂纹试验中得到了验证,对于超声导波在管道缺陷的识别和精确性的提高具有明显的改进作用。     

管道缺陷的超声导波检测研究

针对管道缺陷与超声导波交互的特点,为解决在管道超声导波检测中的缺陷定位困难、轴向尺寸无法量化等繁琐和耗时严重等问题,设计了自发自收和一发一收两种管道缺陷的超声导波检测平台,对特定环形缺陷进行管道超声导波检测进行了研究,探究了环形缺陷的轴向长度和径向深度对超声导波检测的影响。结果表明:采用自设计的超声导波检测平台可实现管道缺陷的定位检测及轴向尺寸定量检测,缺陷的轴向长度主要影响缺陷回波的形态,缺陷的径向深度主要影响回波的能量。     

超声导波虚拟相控聚焦方法研究

虚拟相控聚焦方法是一种新型的超声导波聚焦方法.针对现有时间反转聚焦方法与相控聚焦方法所需的多通道同步激励-接收设备研发难度大且成本高的现状,采用实验室现有单通道设备,利用多次激励-接收所采集的多组数据通过信号处理方法等效出多通道同步设备精确控制激励延迟所产生的相控聚焦效果.通过该方法与时间反转聚焦方法的聚焦效果有限元仿真与实验对比表明,该方法在现有实验设备基础之上,将缺陷回波幅度放大了2倍之多,获得了和时间反转聚焦方法相差不大的聚焦效果,同时,对检测区域进行成像,实现了缺陷的二维定位.     

基于Chirp激励的管道污垢超声导波检测频率优化选择研究

采用传统的单频信号作为污垢管道导波激励信号,须进行反复多频测试以确定最佳检测频率,存在一定盲目性以及时间、资源耗费等问题,提出一种宽单频转换算法,在采用宽频chirp信号作为污垢管道超声导波激励信号基础上,利用该算法对其响应信号进行后处理,可获得其频带范围内等同于单频信号激励时的响应,通过对比不同频率导波响应的能量分布及模态纯度确定最佳检测频率,并结合时频分析方法,根据污垢管道宽频响应能量分布情况快速确定合适的检测频率区间。仿真分析及实验研究表明:中心频率175 kHz最适合于所考察污垢管道导波检测,利用该方法确定污垢管道最佳导波检测频率的过程在减少采集时间的同时解决了多频测试的需要,为利用导波方法实现管道污垢由"点"到"线"的检测奠定了的基础。     

基于匹配追踪算法的超声导波管道轴向缺陷大小定量分析

超声导波技术因其单端激励、传播距离远,100%横截面检测等特点在长距离大范围结构的无损检测和健康监测中显示出良好的应用前景,但受制于理论及仪器技术目前基本只用于缺陷筛查,超声导波定量化检测技术尚未得到广泛研究和应用。针对导波检测中缺陷大小定量分析问题,提出一种基于匹配追踪算法的管道轴向缺陷大小定量分析方法。通过分析回波信号特性,合理选择字典分解出缺陷回波信号的两端面信号,并通过端面信号计算出轴向缺陷大小。通过有限元数值模拟以及利用MSGW磁致伸缩导波检测仪对人工刻伤的铝管进行算法验证试验,结果表明该算法的误差小于5%。     

高频窄脉冲超声聚焦传感器的工艺及应用

在双金属转子复合层全自动超声特征成像检测系统中,凶柱塞孔孔径小、孔肇薄,针对此类扩散焊检测,为了提高超声成像系统的分辨率和信号的信噪比,研制了用于检测双金属转子复合层扩散焊连接质量的超声传感器.本文提出了用声程相等的理论来设计超声传感器的聚焦,利用耦合剂和工件声速的不同,把内孔铜层作为传感器的声聚焦透镜,用光学方法对传感器的聚焦声场进行了验证.制作的传感器中心频率为10 MHz,波列只有2个周期,在实际的检测中可分辨0.5 mm当量的缺陷.     

磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法

偏置磁场与磁致伸缩纵向导波传感器换能效率密切相关,为了解决磁致伸缩纵向导波检测中缺少传感器换能效率估计手段的问题,提出了一种估计永磁式磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的方法。首先,从磁致伸缩导波能量转换的角度出发,建立了截面区域偏置磁场强度与导波接收信号幅值间的关系;其次,根据磁致伸缩纵向导波偏置磁场的作用机理,针对管道内磁场不均匀现象,提出了磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的评估方法;然后,通过有限元仿真及实验对通过管道表面空气中的磁场强度表征管道内偏置磁场的可行性进行了验证;最后,通过实验确定了方法的有效性。该方法通过测量管道外表面空气中周向多个位置的轴向磁场强度表征管道截面内偏置磁场强度,利用偏置磁场强度与导波通过信号幅值关系曲线得到不同区域单元振动对导波信号的能量贡献计算得到加权幅值,并以此幅值为依据估计传感器的换能效率。实现了对磁致伸缩导波传感器换能效率的估计,为仪器智能化研究提供了基础。     

海底管道缺陷检测线聚焦超声传感器阵列设计

在对线聚焦超声传感器声场进行数值模拟和实际测试的基础上，设计了用于海底管道缺陷自动检测的线聚焦超声传感器阵列。用该阵列对样管中的缺陷进行了实际检测。测试结果表明，该阵列对管道中的轴向裂纹有很好的榆出率。通过对测试信号进行分析，发现信号经二级自适应滤波去噪后，可得到更好的检出效果。     

Time reversal method for guided wave inspection in pipes

The application of the time reversal method in pipe-like structures based on finite element method (FEM) is investigated. A steel pipe model measuring 70 mm x 3.5 mm is used to analyze the reflection coefficient of the L(0,2) mode with the time reversal process. Simulation results show that the time reversal array method is beneficial to the improvement of the signalto-noise ratio of a guided wave inspection system. As the intercepting window is widened, more energy is included in re-emitted signals, which leads to a large reflection coefficient of the L(0,2) mode. In parallel, a circumferential locating method based on the time reversal method is described. The time reversal process used for guided wave inspection leads to the temporal and spatial focusing. When the time reversal signals are re-emitted, the angular profile obtained at the axial location of the defect can be used to determine the circumferential location of the defect. Except for a pipe with one defect, the circumferential locating method has been verified on another pipe model with two defects. Meanwhile, the elements number of the time reversal array has been discussed for enhancing the discrimination of the defect circumferential location.     

Time reversal method for guided wave inspection in pipes

The application of the time reversal method in pipe-like structures based on finite element method (FEM) is investigated. A steel pipe model measuring 70 mm × 3.5 mm is used to analyze the reflection coefficient of the L(0,2) mode with the time reversal process. Simulation results show that the time reversal array method is beneficial to the improvement of the signal-to-noise ratio of a guided wave inspection system. As the intercepting window is widened, more energy is included in re-emitted signals, which leads to a large reflection coefficient of the L(0,2) mode. In parallel, a circumferential locating method based on the time reversal method is described. The time reversal process used for guided wave inspection leads to the temporal and spatial focusing. When the time reversal signals are re-emitted, the angular profile obtained at the axial location of the defect can be used to determine the circumferential location of the defect. Except for a pipe with one defect, the circumferential locating method has been verified on another pipe model with two defects. Meanwhile, the elements number of the time reversal array has been discussed for enhancing the discrimination of the defect circumferential location.     

基于时间反转的管道导波缺陷参数辨识方法

针对导波检测中的缺陷辨识问题,通过对不同缺陷的时间反转导波检测缺陷反射率随时间反转信号截取窗宽变化关系的研究,确定缺陷散射波场中各导波模态的能量分布规律,并据此提出一种基于时间反转的管道导波检测缺陷辨识方法。在数值模拟的基础上,选择适当的特征参数用于表征反射率—窗宽关系曲线,建立与缺陷特征相对应的关系曲线样本库,并通过聚类分析方法在库中寻找到与待检测缺陷特征最为接近的样本。结果表明,该方法可达到评判缺陷特征的目的,为最终实现缺陷反演奠定基础。     

超声导波在高压蒸汽管道缺陷检测中的应用

为了提高高压蒸汽管道超声检测的效率,研究了超声导波在高压蒸汽管道缺陷检测中的应用。通过试验对比,设计并实践了高频导波换能器,确定了高压蒸汽管道高频导波检测灵敏度,为实现高压蒸汽管道快速检测提供了一种方法。     

An ultrasonic flaw-classification system with wavelet-packet decomposition, a mutative scale chaotic genetic algorithm, and a support vector machine and its application to petroleum-transporting pipelines

In this paper, a novel system for ultrasonic flaw classification is proposed, which is based on wavelet-packet decomposition (WPD), a support vector machine (SVM), and a new chaotic optimization algorithm (mutative scale chaotic genetic algorithm, MSCGA). In this system, WPD is employed to extract the features of ultrasonic flaw signals, an SVM classifier is used to classify the flaws, and an MSCGA is employed as a feature selector to get rid of redundant and irrelevant features. In an experiment, a petroleum-transporting pipeline sample with various types of flaws is analyzed with this system. Experimental results show that the proposed system can improve the performance of the SVM during classification of the flaws in the petroleum-transporting pipeline. For comparison, we test the system without any feature selectors and the system with different feature selectors, respectively. The results show that the novel system is powerful and effective for ultrasonic flaw classification. This text was submitted by the authors in English.     

Operation of a model of a transducer with a 2D-phased array in the transmission mode

Signals from a normal transducer with a phased array, whose shape was varied from linear to square, were simulated. The results of calculating the change in the normalized signal amplitude from a 2D-phased-array transducer as a function of the distance along the acoustic axis were compared using an analytical expression and via numerical summation of signals from transmitting elements with consideration of their focusing and their coincidence was shown. As a result of the comparative simulation of a signal from a linear phased array and a signal from a standard transducer with comparable directivity characteristics, it was established that the latter amplitude is 10 dB larger. The influence of incomplete focusing and focusing at a fixed distance was studied.