基于多模态信号的金属材料缺陷无损检测方法

金属材料缺陷检测对于经济发展具有重要意义.针对现有无损检测技术信号模态单一、检测范围有限等不足,提出了一种基于多模态信号的金属材料缺陷无损检测方法.该方法以光声无损检测方法为主体,首先利用有限元方法分析了缺陷对激光能量吸收量和光声表面波传播的影响,提出了基于激光吸收量和光声表面波的缺陷检测方法;然后搭建了多模态信号检测平台,采集了缺陷的光学、光声和超声三种模态的信号,检测出了裂纹的宽度和分布信息,以及深度和在内部的延伸状况.研究结果表明,本文提出的基于金属材料多模态信号的无损检测方法能够准确、全面地检测出金属材料的杂质和裂纹的尺寸信息,弥补了现有无损检测方法在检测范围上的不足,为缺陷定量检测和全面诊断提供了一个新的思路.     

利用激光超声技术研究表面微裂纹缺陷材料的低通滤波效应

利用激光激发声表面波的理论模型,研究了被激发宽带声表面波在具有表面微裂纹缺陷金属材料上的传播特性.对具有不同形状的表面缺陷模型进行了数值分析.结果表明:表面微裂纹缺陷有明显的低通效应,缺陷深度越大高频截止频率就越低,缺陷深度与低通滤波的截止频率呈近似线性关系;缺陷的宽度增大对表面波透射能量有明显的衰减作用. 关键词： 激光超声 声表面波 有限元方法 低通滤波器     

钢轨裂纹伤损声发射源的建模仿真与特征分析

高速铁路的发展对钢轨的安全性提出了特殊要求,因此对钢轨内部裂纹的特征分析具有重要意义。为了研究钢轨内部裂纹声发射源特征,对钢轨中不同类型、深度和传导距离的裂纹声发射源进行了分析.采用有限元方法建立了钢轨模型并通过实验验证,然后结合小波方法和瑞利-兰姆方程分析了裂纹声发射源的特征。结果表明:钢轨中不同类型和不同频率特征的声发射源能够利用声发射模态之间的强度比率来识别;轨腰深度上的声发射源具有统一的模态特征,而轨头和轨底的声发射源则具有复杂的模态特征;同时,不同类型声发射源在钢轨中的传导特征差异明显。研究结果对利用声发射技术进行钢轨裂纹检测提供了指导,可作为实际应用的重要参考。      

钢轨裂纹伤损声发射源的建模仿真与特征分析

高速铁路的发展对钢轨的安全性提出了特殊要求,因此对钢轨内部裂纹的特征分析具有重要意义。为了研究钢轨内部裂纹声发射源特征,对钢轨中不同类型、深度和传导距离的裂纹声发射源进行了分析.采用有限元方法建立了钢轨模型并通过实验验证,然后结合小波方法和瑞利-兰姆方程分析了裂纹声发射源的特征。结果表明:钢轨中不同类型和不同频率特征的声发射源能够利用声发射模态之间的强度比率来识别;轨腰深度上的声发射源具有统一的模态特征,而轨头和轨底的声发射源则具有复杂的模态特征;同时,不同类型声发射源在钢轨中的传导特征差异明显。研究结果对利用声发射技术进行钢轨裂纹检测提供了指导,可作为实际应用的重要参考。     

结构微裂纹混频非线性超声检测方法研究

给出了一种基于混频效应的非线性超声微裂纹检测方法。首先,对结构损伤混频检测机理及信号特征提取方法进行了理论分析,之后,根据试件中差频分量及和频分量幅值分布随激励信号频率变化关系,优化确定出混频检测参数。最后,进行了异侧混频激励下无损检测试验研究,并分析了激励信号频率变化对混频检测效果的影响。结果表明,异侧激励混频检测模式不仅可以实现结构中疲劳微裂纹检测,而且可以实现缺陷的定位。且检测信号频率选择对混频检测信噪比有一定的影响。当检测信号中的混频分量幅值最大时,混频检测效果最佳。因此,在优化检测参数基础上,异侧混频激励检测模式可以很好实现结构微裂纹的检测与定位。      

基于激光多普勒频移的钢轨缺陷监测

针对现阶段我国铁路上应用的探伤设备只能在天窗时间进行人工巡检,无法在线监测的问题,提出一种基于超声导波的激光多普勒频移法钢轨内部缺陷监测方法。首先,引入环境温度作为变量改进了半解析有限元方法,并应用该方法获得了我国无缝线路CHN60钢轨在特定温度下的频散曲线。通过分析振型并结合激励响应算法确定了适于检测缺陷的模态及其激励方式,从而激励该超声导波模态使其在钢轨中传播。然后,应用半反半透玻璃镜将激光分为参考光和测量光,测量光通过Bragg Cell进行频偏照射钢轨表面,通过反射光产生的多普勒频移与参考光干涉得到光强度变化曲线,经过信号处理及标定测得钢轨内部缺陷的回波速度信号,再经过数字化处理和计算得到缺陷的位置。最后,在北京环形铁路试验基地进行了现场实验,以钢轨接地孔模拟钢轨内部核伤,得到缺陷定位误差均小于0. 5 m,验证了该方法的可行性。使用激光多普勒频移方法检测导波信号从而定位缺陷的方法可以有效避免由于换能器接触性测量而产生的误差。该方法在不影响列车的正常运营的同时,实现了全天候无间断的在线监测,提高了检测效率。     

曲面光学元件表面微缺陷透射式偏振检测

国内外近些年来,对于光学元件表面缺陷的检测技术越来越重视。由于光学元件表面质量的好坏会直接影响到光学系统的性能。文章主要针对曲面光学元件中球面和柱面光学元件表面微缺陷的检测问题,提出了一种基于光偏振特性的检测方法。利用光学元件表面缺陷与无缺陷区域之间透射光偏振态的差异,提高整幅图像中缺陷的对比度。首先基于光的偏振理论,利用偏振片获得偏振照明光,并采用共焦照明的方式获得同时对焦的曲面光学元件缺陷图像。其后,利用计算机对缺陷图像进行处理。结果表明采用光的偏振特性对曲面光学元件表面微缺陷的检测,能够获得高对比度、高分辨率的缺陷特征。此方法很好的提高了曲面光学元件表面微缺陷的检测准确度和检测效率,结果表明缺陷的检测准确率达到了95%。     

扩散场重建格林函数检测钢轨近表面缺陷*

利用超声相控阵全矩阵捕获功能获取后期时间的扩散场信息,实现钢轨近表面缺陷成像。对扩散场信号进行互相关,重建阵元之间的格林函数,获取阵元之间未延时的响应,恢复被噪声湮没的早期缺陷信息,将波数成像方法用于近表面缺陷的快速成像。采用两种超声相控阵探头在钢轨表面采集实验数据,说明格林函数恢复效果与相控阵阵元的个数和激励频率有关。实验结果清晰地显示了距钢轨表面5～10 mm处的缺陷,证实了互相关方法重建格林函数对近表面缺陷检测的有效性。     

玻璃质光学元件表面微裂纹的研究

研究了影响玻璃质光学元件表面质量的主要因素,认为表面微裂纹是表面强度改变的主要原因。用机械磨削初成形工艺方法分析研究了表面微裂纹产生的原因;通过裂纹尖端应力集中及Griffith能量平衡理论,分析了裂纹扩展方式;结合表面结构缺陷理论及研磨处理表面微缺陷工艺,阐述了HF腐蚀法对微裂纹的去除机理及效果;最后,综述了通过生产工艺提高玻璃强度的方法,重点讨论了离子交换法,镀膜法和HF腐蚀法等表面处理技术,指出使用HF腐蚀法去除表面微裂纹更适用于玻璃质光学元件的表面加工。     

接触缺陷的振动调制超声导波检测技术研究

针对常规线性超声检测方法无法实现板结构接触类缺陷(如微裂纹、脱粘等)检测问题,将超声导波技术与振动声调制技术相结合,利用稀疏分布传感器发展了一种板结构中接触缺陷非线性超声检测方法。通过低频振动改变缺陷的接触状况,使得通过接触面的高频导波信号的相位和幅值受到调制。对受低频振动调制的超声导波二维时间序列进行时频分析,由于接触类缺陷的存在,在振动调制超声导波序列的时频分布上出现明显的低频振动频率分量。利用提取出的低频振动频率下的超声导波信号,进行了结构接触缺陷成像处理。检测试验表明,基于振动声调制的超声导波缺陷成像方法可以实现结构中的接触类缺陷检测。      

钢轨踏面的空气耦合超声检测方法*

该文针对钢轨踏面浅表面裂纹提出非接触空气耦合超声类瑞利波的检测方法。首先利用半有限元法求解了CHN60型钢轨的振动模式,抽出了钢轨轨头踏面的振动模态结构和频散曲线,并搭建实验系统,根据Snell法则和声源在空气中的声场分布确定了检测参数,最后从理论和实验两方面着手对钢轨踏面浅表面裂纹的有无及裂纹大小进行了实验分析和数值计算,其结果非常吻合,证明了空气耦合超声导波检测方法的可行性和可靠性。     

闭合裂纹非共线混频超声检测试验研究

针对结构中微裂纹检测难题,发展了一种闭合裂纹非共线混频超声检测方法。在对非共线混频超声检测机理分析基础上,进行了结构中疲劳裂纹混频非线性超声检测实验。对有无裂纹试件中检测信号进行了滤波和时频分析,结果表明,可根据信号滤波后时域波形中是否存在明显的混频波包或时频分析中是否存在明显的和频分量,实现有无闭合裂纹的判识;通过移动激励探头的位置,控制两列入射声波在试件中的交汇位置,实现试件中不同深度位置的混频非线性检测。并根据测得的混频非线性系数沿试件深度方向上分布,实现了闭合裂纹沿深度方向上长度的测量。研究工作为结构中微裂纹定量评价做了有益探索。      

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

Effect of an external mechanical load on elastic stresses near radial cracks in Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript>-SiC-TiC ceramics: Photoacoustic study

The variation of the photoacoustic signal near the mouths of radial cracks in Vickers-indented externally loaded Al₂O₃-SiC-TiC ceramics is studied. A theoretical model of a photoacoustic signal that is recorded near the mouths of vertical cracks is suggested. Indentation zones in Al₂O₃-SiC-TiC ceramics are visualized by laser scanning photoacoustic microscopy. The sensitivity of the photoacoustic method with piezoelectric detection of signals to both normal and shear stresses acting on a crack is demonstrated. Experimental and theoretical data for the effect of external stresses on the photoacoustic signal near the mouths of radial cracks are compared. For the ceramics under study, agreement is fairly good. It is shown that the strain coefficients near the mouths of vertical cracks can be determined from photoacoustic experimental data.     

高速移动错位下的列车通信参数精确检测

高速移动列车错位通信条件下,列车信号模糊程度增强,导致传统基于信号特征的列车通信参数检测算法无法准确分析列车通信参数,具有一定的局限性。提出一种基于改进卡曼尔滤波算法的高速移动错位下列车通信参数检测方法,分析了列车快速移动过程中最佳通信节点的定位,对最佳列车节点进行融合,获取最佳列车通信参数,采用改进的卡尔曼滤波算法,得到一系列递推检测算法,建立信号以及噪声的状态空间模型,依据前时刻的列车通信参数检测值和当前时刻的检测值,对高速移动错位下列车通信参数变量检测值进行修正,及时更新改进卡曼尔滤波算法检测噪声的协方差,实现高速移动错位下列车通信参数的准确检测。实验检测结果表明,所提方法的可准确检测高速移动错位下的列车列车通信参数,具有较高的效率和精度。     

Nonlinear ultrasonic imaging method for closed cracks using subtraction of responses at different external loads

To improve the selectivity of closed cracks for objects other than cracks in ultrasonic imaging, we propose an extension of a novel imaging method, namely, subharmonic phased array for crack evaluation (SPACE) as well as another approach using the subtraction of responses at different external loads. By applying external static or dynamic loads to closed cracks, the contact state in the cracks varies, resulting in an intensity change of responses at cracks. In contrast, objects other than cracks are independent of external load. Therefore, only cracks can be extracted by subtracting responses at different loads. In this study, we performed fundamental experiments on a closed fatigue crack formed in an aluminum alloy compact tension (CT) specimen using the proposed method. We examined the static load dependence of SPACE images and the dynamic load dependence of linear phased array (PA) images by simulating the external loads with a servohydraulic fatigue testing machine. By subtracting the images at different external loads, we show that this method is useful in extracting only the intensity change of responses related to closed cracks, while canceling the responses of objects other than cracks.     

铝合金板疲劳微裂纹超声红外成像检测的数值及实验研究

超声红外成像检测技术是一种发展迅速的新型无损检测技术,可用于检测材料表面或近表面的缺陷,由于对缺陷具有选择性加热的特点,近年来备受检测行业的关注。该文在铝合金板中制作疲劳微裂纹,在板中激励声波,裂纹表面因振动摩擦生热,用红外摄像仪记录板表面温度分布。拍摄的红外图像序列经傅里叶变换后得到的幅值和相位图能清晰显示裂纹的特征,测量到的裂纹长度误差达到4.3%。用有限元模拟超声在板中裂纹处的生热过程,研究板中超声在裂纹处的励热机制。超声激励时间、裂纹表面间摩擦系数和裂纹开口宽度直接影响裂纹处的励热效果,最高温度通常位于裂纹尖端附近。模拟和实验结果均表明超声红外成像检测技术能对板中疲劳微裂纹实现快速检测,提供有效、可信的检测结果。     

超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用*

层状钢筋混凝土结构常见的裂缝、层间离缝等损伤具有尺度小、隐蔽的特点,常规检测方法无法对其精确查明与定量评价。以高铁层状无砟轨道结构为研究对象,使用阵列式超声装备采集半矩阵数据,利用全聚焦算法对轨道内部结构及损伤成像,通过线性旅行时插值射线追踪算法计算超声波在层状介质中传播的最短到达时间代入全聚焦成像公式,具有深度准确、分辨率高、聚焦性好的特点。提出一种层间密实度评价方法,以表面超声直达波能量为基准分析反射波能量差异计算密实指数,可定量分析无砟轨道层间状态。文中层状介质的检测和层间损伤定量评价方法有效查明层状无砟轨道层内裂缝和层间离缝,对使用超声波检测层状结构及层间损伤具有借鉴意义。     

An ultrasonic method for dynamic monitoring of fatigue crack initiation and growth

Attached ultrasonic sensors can detect changes caused by crack initiation and growth if the wave path is directed through the area of critical crack formation. Dynamics of cracks opening and closing under load cause nonlinear modulation of received ultrasonic signals, enabling small cracks to be detected by stationary sensors. A methodology is presented based upon the behavior of ultrasonic signals versus applied load to detect and monitor formation and growth of cracks originating from fastener holes. Shear wave angle beam transducers operating in through transmission mode are mounted on either side of the hole such that the transmitted wave travels through the area of expected cracking. Time shift is linear with respect to load, and is well explained by path changes due to strain combined with wave speed changes due to acoustoelasticity. During subsequent in situ monitoring with unknown loads, the measured time of flight is used to estimate the load, and behavior of the received energy as a function of load is the basis for crack detection. Results are presented from low cycle fatigue tests of several aluminum specimens and illustrate the efficacy of the method in both determining the applied load and monitoring crack initiation and growth.