边界散射对超声水平剪切导波成像检测的影响

超声水平剪切(Shear horizontal,SH)导波在工业在役板材成像检测和结构健康监测(Structural health monitoring,SHM)中有重要的应用价值。基于合成孔径聚焦方法,对钢板中人工缺陷用超声SH导波进行成像,对边界散射条件下的成像检测阵列信号进行分析,探讨了边界散射对超声SH导波成像检测的影响。研究结果表明,基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像方法用于板材缺陷成像检测时,超声边界散射使成像信号双曲线阵列特征弱化,缺陷声波信号衰减增大,信号散射噪声增强,进而使成像清晰度降低,易导致漏检;同时边界散射会造成同一缺陷信号产生双峰或多峰,成像信号双曲线阵列特征紊乱,使成像发生畸变,会导致误检。这将为进一步改进工业在役大尺度板材超声导波成像质量与提高结构健康监测水平提供重要基础。     

基于SH模态导波杆的电站高温结构壁厚测量方法

提出了一种基于SH模态导波杆的电站高温结构壁厚测量方法,该方法使用导波杆将压电传感器与高温被测结构隔开。通过研究发现非频散SH模态导波能通过矩形横截面导波杆将导波信号由传感器导入到高温被测结构中。实验验证了通过特定夹具以干耦合方式将导波杆固定在被测结构表面可以获得较好的信号。使用2MHz中心频率下的汉宁窗调制正弦波信号实现了对处于不同温度被测结构壁厚的监测,室温（25℃）时,壁厚测量值与实际厚度相差0.016mm,高温被测结构实验信号也非常好,波速测量值与拟合曲线所得速度值误差范围为0.1%～2.5%。     

双层钢板搭接区域内的裂纹缺陷检测仿真

以双层钢板搭接区域内裂纹缺陷为检测对象,考虑钢板包覆和焊缝包围对检测信号的影响,提出利用SH0模态导波对裂纹缺陷进行检测的方法.基于Comsol多物理场仿真平台,建立双层钢板搭接三维结构模型,并在搭接区域内构建不同长度裂纹缺陷.结果表明,检测波长为12.8 mm,裂纹缺陷长度为10 mm时,缺陷回波信号与无缺陷时噪声信...     

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%。     

面向超声导波检测的管道腐蚀建模及仿真实现

超声导波技术被大量应用于管道腐蚀的检测与评估。腐蚀是实际管道中的主要缺陷形式,管道腐蚀缺陷形貌多样且复杂,针对管道腐蚀导波检测的很多研究是通过仿真手段开展的。常用的缺陷简化模型不能充分反映实际腐蚀缺陷的复杂程度,有可能造成分析结果的偏差。本文在分析腐蚀特点基础上提出了基于W-M分形函数的腐蚀仿真模型,研究了管道腐蚀缺陷的有限元自动建模仿真方法,并通过分析讨论超声导波检测不同腐蚀缺陷的仿真结果对模型的有效性进行了验证,结果证明基于本文提出的腐蚀模型所得缺陷回波可提供更丰富的缺陷信息,有利于揭示管道腐蚀特征与导波信号之间的量化关系。本文的研究成果可为进一步分析管道腐蚀缺陷的检测评估建立理论基础。     

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。     

基于时间反转的单通道管道导波检测新方法

针对现有时间反转导波检测中的多通道时间反转信号激励的问题,通过对时间反转传感器位置与检测信号之间关系的研究,提出一种利用传感器位置差异补偿时间反转激励信号时间差的时间反转信号错时激励方法.在此基础上,通过合理安排各传感器的轴向位置,并采用L(0,2)模态激发缺陷被动波源,可实现单通道的时间反转导波检测,有望解决现有多通道的时间反转检测方法中的瓶颈问题.数值模拟的结果还表明,增加传感器个数和增大时间反转信号截取窗宽均可达到提高缺陷的检出能力的目的.     

金属小径管损伤电磁超声导波检测的高效混合仿真方法及导波换能器可行性研究

金属小径管广泛应用于航空航天、化工等工程领域关键结构中,对其进行定期无损检测至关重要。作为一种先进电磁无损检测方法,电磁超声导波检测在金属小径管损伤定量评估中具有优势。目前,金属管道缺陷电磁超声导波检测的仿真主要采用有限元等数值模拟方法,涉及电磁场和结构场计算。然而,电磁超声导波检测通常采用激励电流的频率为几百千赫兹,在管道中激发的涡流趋肤深度极小,导致仿真需大量网格进行求解域剖分以确保仿真精度,检测信号计算时间较长。鉴于此,提出一种集成解析法和有限元法的金属小径管缺陷电磁超声导波检测混合仿真方法,采用解析法求解电磁场相关场量,将所求洛伦兹力导入有限元仿真中求解结构场,实现电磁场量和结构场量的快速计算,高效求取检测信号,对金属小径管缺陷定位时,精度高达约98%。在通过全有限元仿真验证所提混合仿真方法正确性的基础上,结合系列仿真和试验研究,对所提导波换能器激发的超声导波模态进行了识别,对该换能器在金属小径管损伤检测和定位方面进行了可行性验证。     

频散补偿在导波缺陷形状辨识上的应用

针对超声导波具有的频散特性,导致导波缺陷检测信号波包在结构中传播时发生的展宽及衰减现象,研究了如何利用频散补偿技术对检测信号进行处理,将被频散特性淹没的缺陷信息再现,以实现缺陷形状的辨识问题.在进行实验验证的过程中,利用导波检测管道中的双槽形人工缺陷,通过改变端面加载的压电传感器位置,接收一组时域回波信号,根据波数-频率关系对导波传播过程中的频散进行补偿后,再现缺陷的形状特征.     

基于Lyapunov指数的超声导波检测技术

为了提高超声导波的检测灵敏度,提出了一种基于杜芬方程Lyapunov指数特性的超声导波识别方法,该方法利用了杜芬方程对系统参数的敏感性及其对噪声信号的免疫特性。首先,分析了杜芬方程检测导波信号的数学原理;其次,讨论了如何设定检测系统参数,给出了可用于检测导波信号的杜芬系统;最后,通过分析比较噪声和导波信号对Lyapunov指数的不同影响,证明了该方法识别强噪声下弱超声导波的有效性。数值算例表明,通过合理设置杜芬方程参数使系统处于混沌状态,当输入导波信号和混有噪声的导波信号时,系统由混沌状态转变为极限环运动,利用杜芬系统状态改变可实现对强噪声下弱超声导波的识别,该方法可有效延长超声导波的检测范围和提高检测小缺陷的灵敏度。     

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。     

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。     

基于权值差除法的MsS超声导波管道检测试验研究

将基于磁致伸缩效应的MsSR3030系统用于管道中的缺陷检测。超声导波在管道中传播速度受管道材质、防腐漆层等因素影响将发生变化,降低MsS-3064型磁致伸缩传感器的方向控制水平,导致管道检测信号中包含异向检测信号。为消除异向检测信号,提出一种权值差除的方法,对正反向检测信号做H ilbert变换,再利用小波函数分解重构得出信号包络线,赋予正反信号包络线一定权值后做减法,可以有效消除不需要的异向信号,提高检测信号的可识别性。     

磁致伸缩导波技术在锚杆检测中的应用研究

为了创造安全的工作环境,基于铁磁性材料的磁致伸缩效应,提出了用磁致伸缩超声导波对锚杆进行检测。论述了检测原理,对导波在锚杆中的传播进行了理论建模,提出了非接触式导波激励和接收方法,研制了相关的实验装置,并对检测信号进行了处理和分析。实验结果表明,磁致伸缩导波技术能够有效可靠地测定锚杆长度及缺陷。     

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。     

High precision ultrasonic guided wave technique for inspection of power transmission line

Due to the merits of high inspection speed and long detecting distance, Ultrasonic Guided Wave(UGW) method has been commonly applied to the on-line maintenance of power transmission line. However, the guided wave propagation in this structure is very complicated, leading to the unfavorable defect localization accuracy. Aiming at this situation, a high precision UGW technique for inspection of local surface defect in power transmission line is proposed. The technique is realized by adopting a novel segmental piezoelectric ring transducer and transducer mounting scheme, combining with the comprehensive characterization of wave propagation and circumferential defect positioning with multiple piezoelectric elements. Firstly, the propagation path of guided waves in the multi-wires of transmission line under the proposed technique condition is investigated experimentally. Next, the wave velocities are calculated by dispersion curves and experiment test respectively, and from comparing of the two results, the guided wave mode propagated in transmission line is confirmed to be F(1,1) mode. Finally, the axial and circumferential positioning of local defective wires in transmission line are both achieved, by using multiple piezoelectric elements to surround the stands and send elastic waves into every single wire. The proposed research can play a role of guiding the development of highly effective UGW method and detecting system for multi-wire transmission line.     

时变异方差不确定影响下的疲劳裂纹在线评估

主动导波结构健康监测能够实时在线地监测结构状态。 但时变因素影响会增加裂纹评估难度,降低评估准确性。 时变 因素的影响使得导波监测信号特征呈现明显的异方差特征,即导波信号特征分布方差随时间变化而改变。 针对此问题,提出了 异方差分位数回归辅助的裂纹在线评估方法,利用 3 条特殊的分位数回归曲线估计时变因素影响下信号特征随时间的分布变 化情况,实现对监测数据中的异方差不确定性的处理。 基于批量缺口梁结构的疲劳与导波监测试验数据对提出方法的有效性 进行验证,实验结果表明,提出的方法能够实现时变影响下的损伤评估,评估最大绝对误差为 1. 1 mm,均方根误差为 0. 4 mm, 并且可以有效处理时变异方差影响,量化其不确定度,为评估结果提供参考价值。