基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法

针对传统的基于超声信号的高铁钢轨无损检测方法对于表面微裂纹检测效果不佳的问题,提出了一种基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法.首先,使用有限元及K-wave方法建立了钢轨模型并获得了模拟光声信号;然后利用时间反演的方法对钢轨表面的光声图像进行了重建,并研究了不同传感器中心频率对成像结果的影响;最后设计实验采集了钢轨表面的光声信号并进行了处理和分析.实验结果表明,基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法对于表面微裂纹有很好的检测效果,该方法在钢轨探伤领域有较大的可行性及发展潜力.     

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     

基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术

超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势,极大地推动了光声成像技术的临床应用推广.传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号,系统结构紧凑且无需图像配准,操作便捷.但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集,使得其成本较高;且成像结果易受通道一致性差异影响.本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术,该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描,实现超声/光声双模态成像,是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术.本文开展了系列仿体和活体成像研究,实验结果表明:系统有效成像范围为15.6 mm,超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s^–1和0.1 s^–1 (光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率).基于本文所提技术研究,有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及;也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.     

铝板中Lamb波检测的实验研究

Lamb波在传播过程中具有频散及多模态特性,若相关参数选择不当,会导致在实际应用中信号相互叠加而无法识别。本文基于Lamb波的频散曲线是其频散方程实数解分布的特点,采用二分法绘制了铝板中Lamb波的频散曲线、波结构曲线和入射角曲线。根据曲线选择S0模态的Lamb波对1mm厚铝板中不同类型的缺陷进行检测。实验结果表明,S0模态的Lamb波对裂纹型缺陷和贯穿型缺陷十分敏感,但对于裂纹型缺陷,其幅值变化并不与缺陷大小成线性关系,并且S0模态Lamb波的声场指向性十分集中,在偏离声束轴线时无法检测到缺陷。     

研究激光激发的声表面波与材料近表面缺陷的振荡效应

根据激光激发声表面波的热弹运动方程及热传导方程, 采取有限元技术对方程进行求解, 得到声表面波传播波形图. 当声表面波经过近表面缺陷时, 声表面波与近表面缺陷之间产生一种振荡效应, 通过近表面缺陷的振荡波形幅值存在一个逐渐增加后又逐渐减小的过程. 当声表面波经过不同深度的近表面缺陷时, 振荡信号中心频率存在一定的变化规律. 数值仿真结果表明: 当近表面缺陷深度从0.1 mm到0.5 mm变化时, 振荡效应产生的振荡信号中心频率从0.4 MHz到0.76 MHz变化, 振荡信号中心频率与近表面缺陷深度呈近似线性关系, 这为近表面缺陷的定量检测提供了一种理论基础.     

基于激光超声的微裂纹检测技术的研究

在固体中利用激光产生超声波 ,可作为超声测量和材料无损检测的一种新方法。介绍了激光超声表面波的产生机理、微裂纹的检测方法及其应用。采用Nd∶YAG脉冲激光器、扩束与聚焦透镜组、PZT探头、数据分析仪等器件设计并构建了一套基于接触式检测方法的激光超声微裂纹检测实验系统。通过对大量实验数据进行处理 ,得出了相应的各种关系曲线 ,说明了线光源产生的超声表面波非常适用于材料表面微裂纹的检测     

表面垂直裂痕诱发瑞利波散射的数值分析

激光激发的声表面波为材料表面缺陷的检测提供了有力的工具.针对含缺陷材料在模型边界上的复杂性,建立了基于平面应变的有限元模型并选取了相同厚度但含有不同深度的表面裂痕的单层铝板进行了对比计算,得到了声表面波经过不同深度的表面裂痕时产生的反射及透射信号波形的时域特征.进而引入了基于Wigner-Ville分布理论的时-频分析方法计算裂痕前、后散射的瞬态表面波的能量在时间-频率平面内分布的情形.结果显示：声表面波接近中心频率的某一频率成分在经过深度小于其中心波长的表面缺陷时,随着裂痕深度的增加,对应于该频率的反射系数呈现单调递增的趋势;而透射系数呈现递减的特征,这一结果可以为激光超声检测表面缺陷提供一种定量的表征手段.     

近场子空间聚焦的碰摩故障声发射定位方法

针对宽带多源声发射信号的相干、多模态和能量衰减快问题,提出一种近场多重相干信号子空间聚焦的定位算法用于碰摩故障声发射源的定位检测。首先,为滤除干扰模态波、减小频散效应,采用基于模态声发射传播特性分析的小波分解滤波方法,从碰摩初期的声发射信号中获取零阶模态波及波速用于定位计算;其次,为实现信号解相干,提出基于双边相关变换(TCT)的近场聚焦矩阵估计方法;最后,针对声发射信号的能量衰减快问题,利用近场基于特征分解的多重信号分类(N-MUSIC)的空间谱估计方法来实现声源的精确定位。理论分析和实验结果表明:该方法定位精度高、计算复杂度低、稳定性强,能有效识别多个相干碰摩声源。相比传统相干子空间算法(CSM),该方法减少了信号初值和聚焦频点的计算量,对双声源的分辨概率较现有修正近场多重信号分类算法提高了17%,是一种有效的碰摩故障源检测方法。      

基于激光超声临界频率的表面缺陷检测与评价

激光超声能够激发宽频带的表面波,可实现金属材料表面微缺陷的定位分析与深度检测。根据表面波在缺陷处的透射/反射阈值现象,提出了测量表面缺陷深度的临界频率法;基于光弹激发原理搭建了激光超声检测平台,得到了铝合金样品的B扫成像,实现了表面缺陷的定位;结合小波变换分析了表面缺陷的透射与反射波形能量分布,测得透射/反射阈值θ_0=1/4,进而采用临界频率法实现了表面微缺陷的深度估计。此外,还分析了激发点与探测点距离、待测样品材料对透射/反射阈值的影响。结果表明,基于激光超声临界频率法可以实现表面微缺陷的定位及深度检测,且透射/反射阈值大小与表面波传播距离、待测样品材质无关。     

近表面弹性性质连续变化材料中激光声表面波的理论研究

基于金属材料近表面层弹性性质（杨氏模量）的连续变化,建立了一种激光在基底上的梯度材料中激发声表面波的理论模型,并用有限元方法模拟了脉冲激光作用于材料上表面激发出的超声波及其传播过程.讨论了表面层厚度的变化以及表面层弹性性质的变化对热弹条件下产生的声表面波波形特征的影响,并分别计算了两种情况下的声表面波的相速度色散,得到了两种情况下声表面波的变化规律.     

High-order spectra-based deconvolution of ultrasonic NDT signals for defect identification

In ultrasonic nondestructive testing (NDT) of materials, pulse-echo measurements are masked by the characteristics of the measuring instruments, the propagation paths taken by the ultrasonic pulses, and noise. This measured pulse-echo signal is modeled by the convolution of the defect impulse response and the measurement system response, added to noise. The deconvolution operation, therefore, seeks to undo the effect of the convolution and extract the defect impulse response which is essential for defect identification. In this contribution, we show that the defect ultrasonic model can be formulated in the higher-order-spectra (HOS) domain in which the processing is more suitable to unravel the effect of the measurement system and the additive Gaussian noise. In addition, a new technique is developed to faithfully recover the impulse response signal from its HOS. Synthesized ultrasonic signals as well as real signals obtained from artificial defects are used to show that the proposed technique is superior to conventional second-order statistics-based deconvolution techniques commonly used in NDT.     

Infrared thermography and its application in the NDT of sandwich structures

Thermographic nondestructive testing (NDT) based on the thermal resistance effect of defects is developed for the inspection of delaminated and sandwiched defects embedded in composite structures. The resolution is examined for artificial delaminated defects in carbon-fiber honeycomb structures using conventional infrared radiation heating. The experimental results have demonstrated that radiation heating is effective for revealing defects in the composite structures.An experimental and computational hybrid system is developed for detecting defects in various composite structures. The system consists of an infrared thermal video system which measures the surface temperature distribution of the structure, a computer with a PIP-1024B image board which performs image processing of thermograms, and a HP ink jet XL printer. It is found that this system is readily applicable to the detection of defects located at the interface of the core and skin in honeycomb structures and delaminations in composite materials.     

利用激光引发的热透镜效应无损检测固体薄片中的深度缺陷

本文介绍利用激光引发固体薄片表面的热透镜效应无损检测固体薄片深层缺陷的理论分析和反射偏转法.面扫描信号通过计算机处理,以三维象或灰度象显示出深层缺陷,实验结果表明:缺陷的检测深度随泵浦光调制频率的增加而减少,利用相位信号,检测的深度比利用幅值信号的更深,和理论分析相一致.     

用埋入式光纤传感器探测建筑结构中的声发射

声发射技术已经应用于金属和混凝土结构中,作为探测内部裂缝的一种无损检测方法。目前用的技术都是由压电换能器来采集声发射信号。讨论了基于用光纤技术的声发射传感器的开发和测量方法。它是用埋入式光纤传感器来监测类似桥梁、高速公路、隧道和房屋建筑等混凝土结构中的开裂信号。     

电导率各向异性金属薄板感应式磁声图像的仿真

为了给金属薄板感应式磁声(MAT-MI)成像算法的研究提供数据源,提出一种电导率各向异性金属薄板表面MAT-MI图像的数值仿真方法。建立含缺陷的电导率各向异性金属薄板仿真模型,并将其置于静磁场中。将通入交变电流的折线线圈置于金属薄板上方,对金属薄板在静磁场和交变磁场共同作用下产生的感应涡流以及声源(即洛伦兹力)进行数值仿真,得到金属薄板表面波位移分布的灰度图像。仿真实验结果表明,根据表面波位移在缺陷处迅速衰减的特性,可从图像中准确地识别并定位金属薄板表面的缺陷。忽略金属材料的电导率各向异性会降低成像质量,进而导致对缺陷的误判。通过提高表面波位移信号的信噪比可改善成像质量。减小提高距离或增大激励电流频率,可提高系统对微小缺陷和不规则缺陷检测的分辨力。      

Research on thermal wave processing of lock-in thermography based on analyzing image sequences for NDT

Lock-in thermography, an active IR thermography technique for NDT, is based on propagation and reflection of thermal waves which are launched from the surface into the inspected component by absorption of modulated radiation. In this paper, thermal wave image sequences were sampled by a Cedip JADE MWIR 550 FPA infrared camera. Thermal wave signal processing algorithms are investigated to obtain information on subsurface defects. The Fourier transform, four-point correlation, and digital lock-in correlation algorithms are applied to extract the amplitude and phase of thermal wave’s harmonic component. A novel method called the time constant method (TCM) is proposed to analyze subsurface defects by using lock-in thermography. The experimental results confirm the thermal wave signal processing algorithms’ efficiency on subsurface defect detection.     

基于超声红外技术对金属管内壁缺陷的检测

为提高管道的运送效率,及时检测排除管道内壁的缺陷非常重要。提出利用超声红外无损检测方法对管道内部进行检测。超声主动热激励试件,高频红外热像仪记录试件表面温度变化,结合了超声摩擦生热和红外热成像的优点。对壁厚约为3.3mm检测难度较大的金属管内壁缺陷进行了检测。通过对采集数据和热图的处理分析,准确快速地确定缺陷所在的位置。实物对比分析表明：超声热激励红外无损检测技术可以对金属管道内壁缺陷进行准确检测定位。     

The influence of optical properties of paints and coatings on the efficiency of infrared nondestructive testing applied to aluminum aircraft structures

IR NDT (Infrared Nondestructive Testing) is a popular method for detecting defects in composite, ceramic, and metallic structures. The effectiveness of IR NDT depends on various thermal and optical properties of the material being tested. The thermal properties, including thermal conductivity, thermal diffusivity, specific heat and density are important and have been discussed extensively in many treatises on IR NDT. However the optical properties of the surface are equally important and while the thermal properties cannot be changed, sometimes the optical properties can be.Bare metal surfaces have high reflectivities and low emissivities, and as a result, they are generally not good candidates for IR NDT. Painted, coated, anodized, and oxidized metal surfaces can, in some cases, be successfully tested with IR NDT, but the effectiveness depends on the optical properties of the surface. It is well known by IR NDT practitioners that the easy solution to the testing of reflective materials is to paint the surface black. However, this is not always practical and it may not be permitted by the “owner” of the part.This paper demonstrates a process of analyzing the interaction of spectral curves that are relevant to the IR NDT process. This process can be used to evaluate the effectiveness of an IR NDT process for use on real parts with specific coatings and can help select a coating that may improve the effectiveness. This paper shows examples of optical properties for some typical paints and coatings that may be used on aluminum aircraft structures. It shows the spectrum of a generic incandescent radiant heat source and how the energy from this source is absorbed by several of these paints. Further, it shows the interaction between an IR camera detector response curve and the other curves. And finally, it shows how these three can be combined to produce an “IR NDT” efficiency rating for several examples.     

基于多基因遗传规划的储层岩石静态模量预测

声发射技术作为一种动态无损检测手段,主要实现对材料产生的缺陷进行动态监测及损伤位置的预测。微机电系统声发射传感器在检测材料疲劳裂纹位置和扩展方向上应用广泛,实现其对材料裂纹的3-D动态位移检测,对于无损检测技术的发展具有重要意义。该文提出了一种新型3-D微机电系统声发射传感器,首先对3-D微机电系统声发射传感器进行了结构设计和性能分析,结构方面主要包括z方向响应传感单元和x、y方向响应传感单元设计;其次通过传感器的阻尼、谐振点处灵敏度计算,证明传感器的性能良好;最后采用有限元软件ANSYS对z方向响应传感单元做了模态和谐响应分析,x、y方向响应传感单元做了模态分析和谐响应分析,仿真结果与理论值吻合较好,验证了结构设计的合理性,对实现材料裂纹的三维动态检测具有一定的参考意义。