复杂曲面构件的超声虚拟声源阵列成像*

利用虚拟声源和合成孔径聚焦相结合的复合成像技术解决复杂曲面构件超声检测图像中的缺陷位置失真问题。首先,在水浸检测条件下利用128阵元线性阵列换能器中采集曲面构件内部缺陷的B扫描数据。通过相邻阵元界面回波时间差构建虚拟声源,并将其定义为声波在水-构件双层界面上的入射点。然后,根据实际阵元-虚拟声源-聚焦目标三者之间的声传播路径,通过合成孔径聚焦技术将各路阵元的接收信号反推至虚拟声源处进行图像的延时叠加重建,最终获得复杂曲面构件中缺陷的超声图像。结果表明,与传统B扫图像和合成孔径聚焦图像相比,虚拟源-合成孔径聚焦图像能够准确呈现复杂曲面构件的表面轮廓,精确表征构件内部的缺陷位置。     

扩散场扇扫重建格林函数实现近表盲区缺陷检测

2020年5月12日定稿摘要针对结构近表盲区缺陷检测难题,发展了一种扩散声场扇扫重建格林函数的超声检测方法。在对扩散场扇扫重建格林函数理论分析的基础上,通过5 MHz超声相控阵探头对铝块近表盲区缺陷进行了检测实验并对影响成像结果的延时时间、时间窗宽和扫查方式进行了分析。结果显示,该方法可以有效检测铝块近表1.5~3 mm的盲区缺陷;扇形扫查方式的有效扩散时间较全矩阵捕获方式延长0.5 ms以上;在有效扩散时间内,随着延时接收时间和时间窗宽的增加,成像质量得到提高。本研究工作为超声检测近表盲区缺陷提供了一种有效可行的新方法。      

五轴水浸超声扫查系统研制

为实现超声强衰减材料、多层结构件、重要焊接结构件中缺陷高灵敏度的超声检测和评价，并对自然缺陷形状、性质和大小进行分析和判别，实现对缺陷的精确定性、定量和定位，研制了一套五轴水浸超声扫查成像系统。该系统包括5个部分：超声波发射和接收系统，包括超声探伤仪（USIP12）和水浸聚焦探头：数据采集和图像处理系统，包括工控机和数据采集卡；五轴水浸超声扫查系统装置，包括精密三维扫描工作台、水平转台、探头摆动架、专用夹具、水槽、步进电机驱动卡和驱动电源：软件系统，由文件管理、参数设置、数据和图像处理等控制窗121组成。系统工作时，由运行在工控机上的测控程序向运动控制卡发出运动指令，     

超声C扫描用喷水系统设计及其检测稳定性*

摘要：本文针对列车车体复合材料构件检测用超声C扫设备喷水系统的检测稳定性问题开展研究。基于喷水式超声耦合检测原理,设计了一种喇叭段+直管段的喷嘴,以使水流形成变径约束的层流,从而缩短喷嘴长度。结合实验分析了工艺参数对检测性能的影响。结果表明：喷嘴结构、耦合水流速、射水距离及检测方式等因素均对超声耦合稳定性及检测性能产生影响。试验结果可为喷水式耦合超声C扫技术在车体构件检测中的实际应用提供参考。     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

应用混频超声检测微小缺陷

高端飞行器的可靠性往往受限于其发动机内部盘、板等构的结构强度和使用寿命,因此对这类部件的无损检测在制造业上具有巨大需求。超声检测作为一种应用广泛、高效、环保的检测方法,常常被应用于这类构件的检测中。但是,大厚度盘、板类构件内的微小缺陷反射能力弱,常规超声脉冲反射法无法进行有效检测。为实现大厚度盘、板类构件内部微小缺陷的识别和定位,采用共线异侧纵波混频法,通过和差频信号特征识别微小缺陷;研究缺陷埋深变化对混频效果的影响,通过测量和差频信号幅值变化,实现微小缺陷的深度定位。结果表明：该方法可有效识别7075铝合金中埋深80mm的φ0.2mm横孔微缺陷,且可实现微小缺陷的深度定位。     

扫描激光线源技术检测金属表面缺陷位置实验研究

利用扫描激光线源(Scaing Laser Line Source,SLLS)技术,提出一种金属表面缺陷位置检测方法,并搭建实验平台,实验研究该检测方法对金属表面缺陷位置的检测效果。方法中利用扫描激光线源技术对样品表面进行扫查,在样品内部激发超声信号,采用双波混合干涉方法实现对激发信号的探测,根据激发的瑞利波和反射回波与缺陷位置的关系,确定激发点和探测点到缺陷的距离,从而确定缺陷的位置。实验研究中分别以线源位置和探测点位置为基点确定缺陷位置,结果表明以探测点位置确定缺陷位置时,定位相对误差为0.23%。     

凹面线性相控阵聚焦与扫描成像

研究了凹面线性相控阵聚焦声场的聚焦特性与扫描成像处理,首先对凹面线性相控阵聚焦声场进行了深入的分析,对凹面线阵聚焦中变迹处理、阵元间距及f数等参数对相控阵瞬态声场聚焦特性的影响进行了分析和讨论;然后,分析了相控阵聚焦声场在散射物体上产生的散射声场特性,得到了利用凹面线性相控阵进行线性查扫的B扫图像,在此基础上,利用凹面线性相控阵辐射声场在非均匀体上的散射声场进行了扫描成像研究和处理,针对实际管材质量的相控阵检测问题,得到了管材纵波扫描整个区域的检测图像.     

自适应模糊PID前馈补偿在机载挂飞摆扫转台控制中的应用

针对机载挂飞转台的摆扫速度控制问题,提出了一种利用模糊自适应PID技术进行前馈补偿的复合控制策略。首先根据实际应用提出摆扫转台的期望摆扫速度曲线,并对直流力矩电机驱动的摆扫转台进行了建模;然后根据扰动前馈补偿的控制原理,提出了模糊自适应PID前馈补偿方法,为摆扫转台的速度环设计了模糊PID控制器,并在此基础上设计了与之相适应的的自适应前馈补偿函数;最后进行了仿真结果验证。通过Matlab仿真结果表明,相对于模糊PID控制,所设计的模糊自适应PID前馈补偿控制器能有效的跟踪期望的转台摆扫速度,大幅地提高了在有稳定干扰和摆扫速度越变情况下的跟踪精度。     

脉冲超声换能器声场测试系统的设计*

脉冲超声换能器是超声检测的关键部件,为了获取其声场特性参数,文中基于小球反射法原理,采用虚拟仪器技术和单片机技术设计了声场测试系统。系统的程控交互界面采用了美国国家仪器公司研制开发的图形化编程软件LabVIEW来设计,在程控交互界面程序中通过调用动态链接库DLL来对系统核心硬件超声发射接收卡进行数据通信及对卡功能进行设置,同时系统上位机通过RS232串口与下位机单片机通讯,实现对三轴扫查平台的多种扫查方式控制。该系统可实时显示脉冲换能器声压分布图像,并可通过对声压分布数据实现对换能器近场长度及扩散角等参数的测量。     

基于有限元的空耦超声相控阵Lamb波激发与检测

基于非接触式空气耦合超声换能器的无损检测技术在常规板材、纤维复合材料、层状结构材料、粘接界面等的检测中有了长足的发展。但是因为空气耦合超声本身的限制,对于如何提高空气声换能器的发射效率和接收灵敏度、提高检测中接收的信噪比成为这一领域的重要课题。因此有必要结合最新的信号处理技术探索新的无损检测形式。本文通过提出了基于电容式的空气声换能器阵列的构建和制作方法,应用有限元数值方法对一维线阵的空气声换能器阵列的动态偏转特性进行了模拟,并使用构建流固耦合模型对二维的空气声场及板材中的位移场进行计算。通过一维空气耦合相控阵的声束动态偏转激励了各向同性板中的Lamb波A₀ 和S₀模式,并进行了分析,验证了此模型可以进一步用于基于空气耦合相控阵激励的Lamb波的无损检测中。     

光纤超声传感器及应用研究进展

光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数感知超声波的相关信息.相比于传统的电类超声换能器,光纤超声传感器能够实现宽频带超声波信号的高灵敏探测,且其良好的抗干扰能力和复用性,可有效地提高超声波探测的可靠性和效率,在水下国防安全、生物成像、无损探伤、地震物理模型成像等领域具有巨大的应用潜力.目前,按照传感结构,光纤超声传感器可分为光纤强度调制型、光纤干涉型和光纤光栅型,并在不同方面发挥着各自的优势,均受到关注.本文主要综述了这几种传感器的传感机理、实现方法、发展现状,总结了光纤超声传感器的几个应用领域及面临的科学技术挑战,重点讨论了光纤超声传感器作为一种新技术应用于地震物理模型成像.     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

水冷壁磨损检测机器人控制系统的设计与研究

设计以磁吸附履带式爬壁检测机器人为载体,采用上下位机相结合的控制系统。提出了一种下位机基于STM32单片机的爬壁机器人控制系统的设计方案,配备超声波无损检测技术和其他传感器,用于实现流化床锅炉水冷壁磨损检测机器人的运动控制、管壁检测数据采集,并且基于Visual Studio 2010平台创建人机交互界面,实现与下位机的数据传输以及后续数据处理。实验证明,该设计自动化程度高,运动稳定可靠,上下位机能实时通讯,有效提高检测效率,具有较高的智能化水平。     

时差法超声波流量计测量精度的补偿方法*

超声波时差法测量精度的提高,不仅使流量计的测量值更加准确,更能满足工业生产监控的智能化及自动化的需求。文中对时差法流量计的测量原理以及影响因素进行分析,结合超声波接收原理,设计了过零检测电路结构,并在顺逆流的时间差的测量问题上,应用互相关算法,完成对时间测量的自补偿。实验结果显示:在采取以上补偿方法后,能有效改善流量计精度,时差测量误差小于0.8%,并提高了测量实时性。     

Nondestructive testing using air-borne ultrasound

Over the last two decades, more efficient transducers were developed for the generation and reception of air-borne ultrasound, thus enabling the non-contact, non-contaminating inspection of composite laminates and honeycomb structures widely used in the aerospace industry. This paper presents the fundamentals of making air-borne ultrasonic measurement, and point out special considerations unique to propagating ultrasound in air and through solids. Transducer beam profile characterization, thickness dependence and resonance effects in the transmission of air-coupled ultrasound through plates, and the detection and imaging of defects and damage in solid laminates and honeycomb sandwich will be discussed and illustrated with examples. Finally, a manual scan system developed for implementing air-borne ultrasonic imaging in the field and on aircraft will be introduced.     

钢-混凝土结构弱粘接界面缺陷的超声导波检测*

钢-混凝土结构是土木工程中的一种常用结构形式,钢与混凝土粘接处可能出现弱粘接甚至完全脱粘的缺陷,严重影响结构的安全性。该文提出利用空气耦合超声导波衰减的方法实现钢-混凝土结构粘接状态的非接触无损检测方法,分析不同厚度粘接界面对超声导波衰减的影响。基于全局矩阵技术对钢-混凝土结构求解理论频散方程和衰减曲线,得到界面层不同粘接条件下的理论参数及衰减特性。建立不同粘接条件的有限元模型,定量分析不同模态对粘接缺陷的检测敏感度。研究界面层厚度分别为1 mm和2 mm两种情况下S0能量的衰减情况。研究结果表明:S0模态可有效判断粘接结构的粘接状态,对于同一界面层厚度,随着界面粘接条件变弱,S0最大幅值与A0最大幅值比不断增大;不同厚度同一粘接条件下,2 mm相较于1 mm该值更大。该方法在钢-混凝土结构粘接界面缺陷的检测方面具有良好的应用价值和发展前景。     

Measurement of velocity variations along a wave path in the through-thickness direction in a plate

In this paper there is given a method to predict ultrasonic wave velocity variations along a wave path in the through-thickness direction in a plate from thickness resonance spectra. Thickness resonance spectra are numerically calculated and two simple rules used to predict the entire ultrasonic wave velocity variation are derived. In the calculation, the wave path is assumed to be straight along the thickness direction and the velocity variation is assumed to be either as a parabolic curve dependence or a linear dependence with respect to the distance from the surface and to be symmetric with respect to the plate center. To see if the numerical calculation method is reliable, thickness resonance frequencies of a sample with three-layers were measured by EMAT (electromagnetic acoustic transducer) with a good agreement between the measured and the calculated frequencies. This method can be applied to the ultrasonic measurement of material characteristics, internal stress or various other properties of plate materials.