基于LabVIEW的惯性测量单元信号采集及处理系统设计

利用LabVIEW设计了惯性测量单元信号采集及处理软件,主要包括串口通信、数据分离及信号处理等模块;串口通信模块采用VISA方式编程,建立了惯性测量单元与上位机之间的通信;根据惯性测量单元输出数据的格式,利用LabVIEW中的匹配模式函数分离出沿三轴向的加速度信号和角速率信号;设计了一种用于去除加速度信号中低频成份的数字滤波器;在建立的陀螺漂移模型基础上,分别进行小波基、小波分解层数、阈值函数及阈值估计方法等小波参数的选取.     

轨道板中超声兰姆波传播的有限元计算和实验*

该文针对我国高速铁路轨道板缺陷的非接触动态检测问题,研究了空气耦合超声兰姆波在轨道板中的传播规律。首先,给出了轨道板中超声兰姆波的相速度和群速度频散曲线,结果表明:随着频厚积的增加,频散现象越明显,并且A0相速度收敛于Rayleigh波的波速。然后,建立轨道板中波传播的有限元模型,计算得到兰姆波传播的群速度为2220 m/s,且二维傅里叶变换系数的较大值沿Rayleigh波的频散曲线分布。最后,在沪杭高铁嘉兴南站进行了现场测试,以8.8°倾斜角向轨道板激励产生超声兰姆波,激发产生的兰姆波模态群速度为2325 m/s,且二维傅里叶变换分析其系数的较大值沿Rayleigh波的频散曲线分布。有限元计算结果和实验结果均与理论计算结果一致。该研究为后续轨道板缺陷的非接触动态检测提供了理论依据和实验方法。     

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。     

基于模式分离的兰姆波逆时偏移成像

应用频率域逆时偏移方法实现各向同性和各向异性板中缺陷的兰姆波成像.由于缺陷引起的多模态散射信号会在重建图像中形成伪像,根据基本导波模式振动对称性的差别进行了模式分离预处理.基于多元阵列超声技术,开展了铝板和复合板内缺陷频率域逆时偏移超声成像方法的数值仿真研究.首先,建立有限元模型,采用环形传感器数值采集由缺陷引起的兰姆波散射信号,然后,将采集到的多模式散射信号进行模式分离处理,再将模式分离后的兰姆波散射信号经时间反转后并在相应的接收器处重新激励,在频域中运用格林函数反向传播兰姆波散射信号,获取监测区域的声场信息,与正向传播声场进行互相关,重建缺陷图像.首先对铝板中单缺陷以及复合材料板中相邻的两个相同缺陷进行数值仿真,对比有无模式分离处理的缺陷逆时偏移成像效果,体现出模式分离的重要性.在此基础上,采用逆时偏移方法对复合板材内位置邻近、深度不同的双缺陷进行识别.数值结果表明,模式分离预处理后的缺陷重建图像能够有效去除多模式干扰产生的伪像.文中提出的成像方法对各向同性板和各向异性板内缺陷的检测和成像具有很好的发展潜力,可以准确地探测多个缺陷的形状、尺寸和深度.     

基于Group Lasso的多重信号分类声源 定位优化算法*

多重信号分类算法因其抑制噪声能力强、计算速度快等优点,在声源定位领域得到广泛应用。但该算法在中低频段分辨率及聚焦性能较差。针对该问题,提出一种基于Group Lasso的多重信号分类优化算法。该算法将多重信号分类算法输出值作为初始值,并在Group Lasso算法组间计算时对目标信号进行稀疏、在组内计算时对该组信号进行平滑及阈值截断。仿真结果表明:该优化算法在中低频段可明显提高多重信号分类算法分辨率,同时改善因扫描位置与声源面位置不重合引起的聚焦性能下降问题。     

利用扩散场信息的超声兰姆波全聚焦成像

利用兰姆波的扩散场信号,实现了距离传感器较近缺陷的全聚焦成像.通过两传感器接收的扩散场全矩阵信号进行互相关,恢复出两传感器之间的格林函数响应,重建新的全矩阵.该重建全矩阵削弱了直接耦合采集响应信号中存在的早期饱和非线性效应信号,恢复了被遮盖的近距离缺陷散射信号.在含缺陷的各向同性铝板中激发兰姆波,重建信号的早期信息与直接俘获信号的后期信息相结合形成混合全矩阵,结合全聚焦成像,优化成像效果.所提方法为薄板类结构中距离传感器较近缺陷的兰姆波无损检测提供了理论指导.     

各向同性板中盲孔缺陷的兰姆波拓扑成像

将拓扑成像用于各向同性板中盲孔缺陷的兰姆波检测。由于缺陷关于板中面是非对称的,兰姆波模式转换的影响不能忽略。成像方法是基于无缺陷参考媒质中两个超声场(直接声场和伴随声场)的计算。以传感器激励信号为声源,计算直接声场;以盲孔引起的兰姆波散射信号为声源,计算伴随声场。拓扑成像通过直接声场与伴随声场的相乘,可消除无缺陷处多模式混叠的干扰,提高成像分辨率。建立有限元模型,通过不同时刻的瞬态声场图可视化地显示多模式兰姆波在缺陷处的聚焦过程,揭示拓扑成像方法的物理机理。数值结果表明,相对于经典的延迟求和以及时间反转方法,拓扑成像对盲孔缺陷有更强的适应能力。即使对于复杂的包含模式转换的兰姆波信号,拓扑图像的质量依然没有受到影响。文中提出的成像方法对板类结构中非对称缺陷的兰姆波检测具有一定的应用潜力。      

基于空耦超声Lamb波的金属板状结构内部缺陷检测方法

针对接触式超声检测方法在金属板结构内部缺陷实际工程检测中存在的环境要求高、效率低、操作难度高等问题,提出了空耦超声Lamb波检测方法,该方法能更好地适应现场应用环境,提高检测效率,减少传感器数量。通过有限元仿真和实验分析比较了空耦超声检测与接触式超声检测两种方法接收到的信号和成像效果。结果表明:有限元仿真和实验中,空耦超声检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和3.6 mm,接触式检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和11.3 mm,空耦检测具有较高的定位精度;单侧激励条件下,适合采用A0模态Lamb波对板内缺陷进行检测;空耦超声检测可以通过调整信号接收角度接收单一模态Lamb波,避免伪像产生。该方法为后续金属板状结构内部缺陷的空耦超声检测提供参考。     

Quantitative damage imaging using Lamb wave diffraction tomography

In this paper, we investigate the diffraction tomography for quantitative imaging damages of partly through-thickness holes with various shapes in isotropic plates by using converted and non-converted scattered Lamb waves generated numerically. Finite element simulations are carried out to provide the scattered wave data. The validity of the finite element model is confirmed by the comparison of scattering directivity pattern(SDP) of circle blind hole damage between the finite element simulations and the analytical results. The imaging method is based on a theoretical relation between the one-dimensional(1D) Fourier transform of the scattered projection and two-dimensional(2D) spatial Fourier transform of the scattering object. A quantitative image of the damage is obtained by carrying out the 2D inverse Fourier transform of the scattering object. The proposed approach employs a circle transducer network containing forward and backward projections, which lead to so-called transmission mode(TMDT) and reflection mode diffraction tomography(RMDT),respectively. The reconstructed results of the two projections for a non-converted S0 scattered mode are investigated to illuminate the influence of the scattering field data. The results show that Lamb wave diffraction tomography using the combination of TMDT and RMDT improves the imaging effect compared with by using only the TMDT or RMDT. The scattered data of the converted A0 mode are also used to assess the performance of the diffraction tomography method. It is found that the circle and elliptical shaped damages can still be reasonably identified from the reconstructed images while the reconstructed results of other complex shaped damages like crisscross rectangles and racecourse are relatively poor.     

非连续阻抗粘接结构脱粘缺陷的稀布阵列超声成像

无砟轨道是典型的非连续阻抗粘接结构,在重载、环境恶化等因素的影响下,脱粘现象频发,严重危及列车运行安全.本文提出一种高精度阵列超声快速成像方法,建立考虑层间声速差异的非连续阻抗粘接结构声速理论模型,采用射线追踪方法获取声波在介质中的传播路径和时间.基于实数编码设计高自由度稀布阵列,构建稀布阵列合成孔径聚焦技术(synthetic aperture focusing technique, SAFT)成像,提高检测效率.在无砟轨道结构上的实验结果表明:射线追踪方法能够准确计算超声波的传播路径和传播时间,提高检测精度;优化设计的稀布阵列方向图主瓣宽度窄,旁瓣增益低,可提高检测效率和声场指向性;脱粘缺陷成像误差在±5%以内时,稀布阵列SAFT成像方法效率提高了30.9%,可为该类缺陷检测提供理论支撑.