Ultrasound Imaging of Pipeline Crack Based on Composite Transducer Array

Cracks, especially small cracks are difficult to be detected in oil and gas transportation pipelines buried underground or covered with layers of material by using the traditional ultrasonic inspection techniques. Therefore, a new composite ultrasonic transducer array with three acoustic beam incidence modes is developed. The space model of the array is also established to obtain the defect reflection point location. And the crack ultrasound image is thus formed through a series of small cubical elements expanded around the point locations by using the projection of binarization values extracted from the received ultrasonic echo signals. Laboratory experiments are performed on a pipeline sample with different types of cracks to verify the effectiveness and performance of the proposed technique. From the image, the presence of small cracks can be clearly observed, in addition to the sizes and orientations of the cracks. The proposed technique can not only inspect common flaws, but also detect cracks with various orientations, which is helpful for defect evaluation in pipeline testing.     

超声相控阵平面与曲面反射波仿真

超声相控阵无损检测是近年来发展起来的新技术.模拟相控阵阵列探头,利用单个晶片依次激发、所有晶片接收的方法,研究平面和弧面反射波组的变化规律.通过MATLAB仿真得到了多组单发全收的波形组图,与真实波形对比,波形趋势吻合.由此证明仿真方法可行,对检测成像有意义.     

基于AD9850超声换能器的驱动和接收电路设计

为了提高超声检测在海底声学测量中的测量精度,利用DDS芯片AD9850作为高精度信号源,并设计了超生换能器的驱动和接收电路。采用分频移相、光电隔离、功率放大的和阻抗匹配的方法对换能器进行驱动;用电荷放大器和带通滤波器对接收信号进行处理。实验结果表明,电路性能良好,满足测量要求。     

[制造与维修工艺]基于相控阵的高速铁路钢轨超声探伤检测系统

针对现有车载自动探伤设备检测可靠性偏低、误报率高,存在漏报隐患,难以满足高铁工程技术发展和建设规划需求的现状,提出了一种新型钢轨超声探伤检测系统。研发了高速记录多通道数字探伤仪,用于实现钢轨高速检测条件下全波形数据的实时采集,采用相控阵超声系统检测钢轨焊接接头。通过试验验证了该系统的有效性。研究结果表明,该系统可进行高速探伤数据的采集,实现实时探伤、记录和智能化数据分析。     

输送管裂纹扩展的研究

1　前言由于钢管制造施工等各方面的原因,以及管道后期服役过程中可能形成的腐蚀坑、腐蚀疲劳裂纹和其他损伤,大大增加了裂纹萌生的可能。油气输送管道,一旦发生裂纹起裂,当裂纹以较高的速度进入母材时,这种快速扩展的裂纹就可能引起灾难性破坏,因此要求母材必须具有阻止裂纹快速扩展的能力。图1　楔子横向加载机构　　早在70年代就开始了管线裂纹的快速扩展与止裂问题研究,全尺寸爆破试验是研究管线裂纹扩展的有效方法,根据爆破实验结果,在70～80年代建立了许多经验公式,预测管线止裂所需韧性。近年,研究热点转向大口径、高钢级和“富气”…     

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.     

基于全聚焦相控阵超声的叶根槽裂纹检测

汽轮机转子受复杂应力和高温的多重作用,常在反T型叶根槽部位产生疲劳裂纹,导致断裂事故。针对此问题,提出全聚焦相控阵超声的检测方法。推导了全聚焦相控阵超声的采集及成像公式,制备了专用试件,在端壁上倒圆（F1）采用线切割方法预制人工缺陷,采用全聚焦相控阵超声检测,并与常规超声进行了对比。结果表明,全聚焦相控阵超声检测精度高,适应性强,具有较好的工程应用价值。     

基于矩形换能器空间脉冲响应的相控阵声场研究

针对矩形换能器空间脉冲响应利用分割阵元叠加和近似方法求解,提出一种精确求解的新方法。根据矩形换能器的对称性将观察点转换到第四象限进行求解,该方法不需要远场或近轴近似,只需要坐标变换就可以得到任意长宽比的矩形换能器在不同空间点处的脉冲响应函数。通过控制各阵元的延时实现相控阵声束的偏转和聚焦,分析一维相控阵的聚焦法则,得到各阵元的延时时间;对各矩形阵元加延时控制后的空间脉冲响应叠加求和,得到相控阵聚焦时的空间脉冲响应,进而求得各空间点的声压。计算相控阵换能器在不同聚焦角度时的空间声压分布,讨论不同阵元间距对分辨力的影响。结果表明该方法可以快速准确地计算较大偏转范围内的相控阵声场。     

超声波换能器测风阵列的优化设计

为了减弱风场在超声波换能器测风阵列中产生湍流,降低湍流对信号采集精度的影响,分析了换能器阵列影响流场的因素,采用6个收发一体的超声波换能器,设置独立的3条测风路径,根据不同来流方向,建立了风速计算模型,结合换能器晶片的工作特性,改进测风阵列的设计,降低了阴影效应的影响。利用FLUENT软件,通过设置不同的雷诺数、来流风速和风向参数,仿真了流场在阵列中分布特性,得到阵列速度云图和测风路径速度变化图,验证了改进后的测风阵列性能有效提升,说明了所设计阵列能满足测风精度提高的要求。     

输油管道疲劳裂纹分形研究

在一次输油管道含裂纹管段的现场水压试验中,有一些管子发生了断裂失效,通过对管道疲劳裂纹的定量分析发现,裂纹不是平直向前扩展的,而是弯折地扩展着,大的弯折中存在着许多小的弯折,具有统计自相似的嵌套结构,即具有分形特征。本文运用分形理论对这3根失效管子进行了分析,并建立了分形裂纹的安全评定方法。结果表明,本文建立的评定方法是可行的。     

基于四端网络法的指数形超声换能器性能分析

由于超声换能器的性能参数对其功能有很大的影响,为了更好地研究超声换能器的整体性能,这里应用了四端网络法。超声换能器的性能参数包括连续性参数和离散性参数两种,而应用四端网络法可以把这些参数都囊括进来。这里从一种带有1/4波长指数形复合变幅杆的超声换能器出发,对其四端网络参数进行分析,导出了换能器的振型、应力分布函数、输入阻抗、频率方程和两端振速比,并通过实验验证符合工程要求,为下一步换能器的优化设计指明了方向。     

多道成像光谱探测列阵的研究

本文介绍一种多道成象光谱探测列阵的工作原理及设计思想。通过对器件主要技术参数的分析及低功耗扫描电路的应用,并采取场注入等平面工艺措施,使探测列阵的光敏象元结构得到改善,从而提高了探测器的响应度和动态范围,光谱分析范围则可由近红外区到紫外区。最后给出主要参数的实验数据。     

基于CMOS视频采集卡的X光管道环焊缝检测系统

研发了一种针对CMOS图像传感器的高效视频采集卡,并运用于X射线管道环焊缝无损实时检测系统。首先选用合适的CMOS图像传感器和闪烁材料设计出了X光相机面板,完成了X光到可见光再到模拟电信号的转换;再根据传感器特性设计了基于ARM与CPLD的视频采集卡,实现了面板采集模拟电信号的数字转换;数据用TCP/IP协议传送到远端PC机,可保证野外作业无铅房防护工作人员的人身安全。PC终端的图像处理模块根据采集卡数据实时成像,成像效果可达B级无损探伤胶片标准。视频采集卡同时控制环形轨道爬行机构的周向运动,拍摄与爬行相互协调,实现了对管道环焊缝的灵活检测。该系统适合恶劣工况,性能稳定、操作简便,具有广阔的应用前景。     

基于Lamb波传播路径分析的复合材料板中缺陷成像*

板型波导结构中的缺陷对Lamb波的传播会产生干扰,接收信号受干扰程度与缺陷和激励、接收传感器路径间的相对距离有关。提出一种基于Lamb波传播路径分析的多频率数据融合缺陷检测方法,对复合材料板中缺陷区域进行成像。采用压电传感器进行Chirp信号激励,由Chirp激励响应计算出具有不同中心频率的Tone burst信号,为成像算法提供多频率缺陷信息。对各信号中首次抵达波的包络峰值进行分析,确定缺陷所在位置同激励接收路径间的关系。选择同缺陷所在路径具有相近Lamb波传播速度的路径作为关注路径,结合椭圆成像算法和该路径中的缺陷散射信号信息计算出缺陷所在的椭圆轨迹。引入椭圆轨迹计算误差容限,对计算得到的不同频率下的椭圆轨迹进行筛选,将筛选后的椭圆轨迹进行融合实现缺陷区域成像。通过对复合材料板中缺陷区域的试验检测,验证了所提算法的可行性。     

基于MEMS压力传感器的研究

提出了一种新型高精度高温压力传感器,此压力传感器以硅片为弹性片,敏感材料为Ni-Cr合金,利用溅射合金薄膜压力敏感元件和先进的加工工艺技术制作而成。对溅射薄膜压力传感器弹性膜应变进行理论和三维有限元分析,再用先进的软件ANSYS模拟弹性膜片的应变分布,研究应变与膜的大小、厚度的关系。最后确定敏感电阻的最佳布置区域,提高了传感器的灵敏度。     

复合结构研齿换能器的动力学特性与设计

利用4段复合式变幅杆及夹心式压电陶瓷换能器的结构,研制了一种用于超声辅助研磨弧齿锥齿轮的新型换能器。首先,根据牛顿定律和超声波传输线理论,推导得到了超声研齿换能器的频率方程,依据压电陶瓷的谐振频率、振动模式和输入功率,确定了复合式超声研齿换能器的结构参数;其次,运用等效声学参数修正法和质量互易法,对设计的换能器进行了声学和结构参数的修正;然后,利用ANSYS分析软件进行了模态分析和谐响应分析,对换能器的谐振频率、振动幅度、振动速度比和导纳等动力参数进行了研究;最后,进行了阻抗特性测试和振动特性实验和通过5对弧齿锥齿轮的超声研磨实验,进一步证实了复合结构研齿换能器的超声研磨性能。     

高钢级输气管线钢的止裂设计判据研究

对国产X70,X80管线钢,分别进行了夏比冲击试验(CVN)和单拉伸试验,测量得到管线钢的CVN和力学性能指标。基于管线钢CVN和力学性能指标的实测值,分析了管道断裂扩展速度的影响因素。基于速度准则,由编制程序计算的减压波速曲线联合管道断裂扩展速度计算公式,进行了实际工程的止裂设计应用。     

管道材料性能和裂纹参量的概率统计分析

对某天然气管道的有关材料性能和裂纹参量进行了试验测定和试验数据的数理统计处理,建立了管线有关参量的统计分布函数的概率模型。对该管道主要随机变量的统计分析表明,裂纹深度和材料的断裂韧性表现为威布尔分布,裂纹深长比表现为对数正态分布,材料的屈服强度和拉伸强度表现为正态分布。     

Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状磁电复合传感器研究

采用树脂黏结法制备了Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状磁电复合传感器,测量了传感器中Terfenol-D层的静态磁致伸缩性能和传感器的磁电电压性能,研究了直流偏置电流和交流驱动电流对复合传感器磁电性能的影响.结果表明:直流偏置电流对磁电复合传感器磁电电压峰-峰值V(p-p)的影响较大,磁电电压峰-峰值V(p-p)随直流偏置电流的变化规律与Terfenol-D层的磁致伸缩λ对偏置电流的变化率随偏置电流的变化规律相似;交流驱动电流对磁电复合传感器磁电电压峰-峰值V(p-p)的影响也较为明显.     

方向性损伤的Lamb波压电线阵扫描成像与评估

对方向性损伤的Lamb波定量监测与评估方法进行了研究,采用了线性压电阵列布置方法,基于传感阵列各阵元捕获到的Lamb波损伤散射信号之间的相位情况,扫描方向性损伤反射信号的相位延迟信息,实现损伤和方向中心位置的判定。根据判定损伤方向,通过线阵旋转处理,研究改进了时间反转损伤成像评估方法,实现对方向性损伤的成像和评估。在铝板结构上的实验研究表明,该方法可以实现对损伤方位和尺寸的定量评估,较现有成像方法具有更好的抗干扰性和准确性。