超声相控阵全聚焦无损检测技术概述

超声相控阵全聚焦成像技术基于接收信号后处理的思想,对检测回波数据进行离线分析成像,是超声检测领域里的一项新技术。因其成像分辨率高、覆盖面广、对小缺陷灵敏度高等优势,在航空航天、高铁、石油管道、核电站等工业领域已有初步应用。文章介绍了全聚焦成像技术的检测原理及优缺点,介绍了其国内外发展历程,总结了研究热点及发展趋势。     

延时分辨率对超声相控阵检测性能的影响

超声相控阵检测技术是近年发展起来的一种先进的无损探伤方法,阵元间的延时分辨率是决定超声相控阵检测系统性能的关键因素,通过研究延时分辨率对相控阵检测效果的影响,可以得到延时分辨率和相关性能参数之间的对应关系,从而提高超声相控阵系统的检测性能。     

超声相控阵B扫描成像系统研究

相控阵超声束的合成和聚焦是靠各阵元发射时的延迟来实现的,这需要很精确的延时控制和高速的数据采集。本文所研究的一套超声相控阵检测系统,对实时信号进行高速采集,将全部22个晶片发射和接收的信号进行存储,然后通过检测系统数据处理软件将所存储数据处理,改善了信噪比,提高了横向和纵向分辨力,完成了被检测处的B扫描成像。实验证明,本系统可用于工业无损检测。     

相控阵超声在浮力材料无损检测中的应用

本文采用相控阵超声技术对浮力材料预制缺陷进行无损检测,结果表明相控阵超声技术对浮力材料缺陷检测是可行的。     

基于CPLD的超声相控阵高精度相控发射系统的实现

超声相控阵发射波束形成中的关键环节是对各阵元的发射相位延时进行精确控制，以得到灵活可控、指向性良好、焦点尺寸细小的聚焦声柬，从而获得被检物体的清晰成像。本文研制了基于复杂可编逻辑程器件（CPLD）和可编程数字延迟线（AD9501）的超声相控阵系统中的高精度相控发射系统。该系统可同时控制16通道，它的延时分辨率可达1ns，最大延时值达到655μs。     

球罐对接焊缝超声TOFD及超声相控阵检测实验研究

对与球罐材质相近,厚度、坡口形式和焊接工艺相同定制的对接焊缝试块,利用超声衍射时差法(TOFD)检测技术和超声相控阵检测技术进行检测,分析比较两种方法的检测结果.实验结果表明,超声TOFD检测可以高效和精确地检测出焊缝中的缺陷,但它存在近表面和近底面盲区;超声相控阵检测可以借助探头声束的聚焦和可转向的特点,检测出焊缝近表面和近底面的缺陷.因此,将两种检测方法结合使用,可以有效提高焊缝近表面检测效果,提高缺陷的检出率,实现缺陷的精确定位和定量.     

曲轴R区域超声相控阵检测方法研究

针对曲轴结构复杂的特性,开展超声相控阵技术在某型曲轴R区域检测中的应用研究。首先,建立曲轴R部位的声束覆盖模型,研究超声相控声束对曲轴R部位的覆盖及反射特点;然后,用超声相控阵方法对曲轴R区域进行检测实验,采用弧面楔块,改善声耦合效果;用VB编写的辅助检测软件,对回波信号进行定位和分析。实验对象为带人工缺陷的三拐曲轴,利用相控阵多角度声束扫查功能对其进行检测,将相控阵系统得到的回波信号数据输入辅助软件对缺陷进行定位,其定位绝对误差2 mm,并且缺陷位置显示直观,有利于判别。实验研究结果表明:利用超声相控阵成像技术和辅助检测软件相结合的手段有助于曲轴R区域缺陷的快速检测和准确评价。     

低频相控阵超声检测用于船用复合材料缺陷定量分析研究

研究了低频相控阵超声检测技术用于船用复合材料缺陷定量分析的问题。首先针对典型船用复合材料的相控阵聚焦声场进行分析,包括典型材料声速对小缺陷检出能力的影响、不同频率和合成孔径对近场长度的影响以及不同聚焦深度的声场仿真,提出不同厚度典型船用复合材料的相控阵超声频率和合成孔径推荐原则。为了验证该原则的准确性,通过实测不同深度的Φ3 mm的小缺陷,运用TCG校准的方式对TCG曲线的线性和小缺陷的检测效果进行验证。实现了对典型船用复合材料近表面和内部缺陷的定量分析,达到了较好的检测效果。     

相控阵超声全聚焦成像算法的有限元仿真研究

基于超声相控阵基本理论和全聚焦成像算法(Total Focus Method,TFM),以30 mm厚的Q235钢板中的孔缺陷检测为研究对象,使用ABAQUS有限元软件,建立了相控阵TFM有限元检测模型。根据模拟结果,在MATLAB软件中编写了相控阵TFM成像算法。同时,采用超声多通道实验平台,对构建的TFM有限元检测模型和编写的相控阵TFM算法进行实验验证。实验结果与有限元模拟结果有较好的一致性。     

超声相控阵回波信号相位偏差的研究

在相控阵超声检测技术中,系统检测分辨率是系统性能的重要指标。影响该指标的因素是相控精度,即超声发射相控偏转聚焦与接收相控偏转聚焦的精度。但是在声束相控发射与接收的过程当中,检测材料以及检测系统等方面存在的扰动因素引起了超声检测信号的相位偏差。通过对造成检测信号产生相位偏差原因的具体分析,给出了偏差信号的模型,同时仿真研究了相位偏差对检测效果造成的影响。结果证明由于检测信号相位偏差的存在,系统的信噪比大大降低,系统性能下降。     

相控阵超声一维阵列系统焦点形态研究

为了有效评价相控阵设备的功能和性能,有效保护国内用户的权益,从如何有效评价相控阵超声设备的角度出发,研究了聚焦深度、偏转角度和阵列孔径等因素变化时对焦点形态的影响.总结出了相控阵超声设备应用中的一些共性特点,为有效可靠地校准相控阵超声设备提供了理论支持.     

基于超声相控阵的水下船体表面成像方法研究

针对当前水下船体表面成像设备较少、成本较高、成像误差较大的问题,提出一种基于超声相控阵技术的水下船体成像方法。以超声相控阵技术为基础,控制一维线型超声相控阵列换能器发射的聚焦声波对水下船体表面进行相控扫描,声波作用于船体表面后发生散射,回波被换能器接收后利用双曲线交汇法计算出各反射点的点云数据,最终利用点云数据重构出水下船体表面的三维模型。通过搭建水池船模成像实验对方法进行了验证,结果表明,重构图像最大误差小于5mm,具有较高的成像分辨力。     

Phased Array Ultrasonic Testing for Post-Weld and OnLine Detection of Friction Stir Welding Defects

Nondestructive evaluation (NDE) techniques of phased array ultrasonic testing (PAUT) and digital X-ray radiography were employed on friction stir (FS)-welded Aluminum Alloy (AA)-2219-T87 specimens. PAUT intricacies required for scanning of FS-welded specimens with a 10-MHz 32-element transducer are discussed. The time corrected gain (TCG) calibration is required for scanning with an increase in index offset to compensate for decrease in A-Scan signal peak amplitude. Calibration techniques to find small defects with appropriate size tolerances are also established. The NDE technique of digital X-ray radiography is compared to PAUT, where it was found that a calibrated PAUT system is able to discover defects less than 0.2 mm where X-ray radiography could not. Incomplete penetration (IP), wormhole (WH), surface cavity (SC), and internal void (IV) defects are analyzed. Furthermore, an online PAUT system for FSW has been developed and successfully tested. The work provided herein will provide a gateway for an ultimate goal of an automated PAUT online sensing system.     

汽轮机轮缘超声相控阵检测中缺陷方向识别

利用超声相控阵检测系统对含有裂纹缺陷的外包菌型低压汽轮机叶轮圆盘实验试块进行检测.针对超声波脉冲反射法中缺陷方向难以确定,尺寸容易误判等问题,提出一种频谱分析方法,研究线状缺陷方向变化对于超声回波的影响.对于3种倾斜角度的裂纹缺陷回波信号,分析其功率谱并进行小波包的分解和重构,用"频率-能量"的方法提取各方向缺陷回波信号的能量特征.实验结果表明,各方向缺陷回波信号的能量特征差别明显,并绘制出声束轴线与缺陷的夹角和高频带所占能量之间关系曲线.该方法实现了缺陷方向的识别,并为后续线状缺陷的准确定量提供依据.     

Research on the Signal Reconstruction of the Phased Array Structural Health Monitoring Based Using the Basis Pursuit Algorithm

The signal processing problem has become increasingly complex and demand high acquisition system, this paper proposes a new method to reconstruct the structure phased array structural health monitoring signal. The method is derived from the compressive sensing theory and the signal is reconstructed by using the basis pursuit algorithm to process the ultrasonic phased array signals. According to the principles of the compressive sensing and signal processing method, non-sparse ultrasonic signals are converted to sparse signals by using sparse transform. The sparse coefficients are obtained by sparse decomposition of the original signal, and then the observation matrix is constructed according to the corresponding sparse coefficients. Finally, the original signal is reconstructed by using basis pursuit algorithm, and error analysis is carried on. Experimental research analysis shows that the signal reconstruction method can reduce the signal complexity and required the space efficiently.