混凝土超声检测技术的研究与实现

针对混凝土结构无损检测的需要,提出了一种超声激励脉冲产生的方法。由于超声波信号在混凝土中衰减快,为了提高检测系统的探测能力,增强回波信号,提高超声激励脉冲幅值,采用一种高频继电器实现了电磁脉冲源,并通过水和混凝土两种不同介质的无损检测试验验证其可用性。为了实现混凝土结构的高效精细检测,采用波包分解技术对检测数据处理分析,通过合成孔径技术成像,研制了系统样机。不同混凝土结构试块的检测成像试验表明,系统探测深度可达1m,可以较准确成像显示混凝土结构内部嵌入物的位置。     

基于同步挤压小波和脉冲压缩的钢轨踏面裂纹电磁超声表面波检测方法研究

钢轨踏面上的疲劳裂纹严重影响着列车行车安全。 针对如何快速有效地检测出踏面斜裂纹的问题,本文提出了一种快 速检测钢轨踏面裂纹的方法。 首先分别建立了含高斯白噪声、正弦信号加高斯白噪声干扰的数学模型,分析了编码脉冲压缩、 同步挤压小波变换和先同步挤压小波变换后脉冲压缩共 3 种信号处理方法的噪音抑制效果。 其次,为了验证上述方法对噪音 的抑制能力,使用激励频率为 1 MHz 的表面波电磁超声换能器对含裂纹的钢轨踏面进行检测。 最后,以检测得到裂纹的超声 回波为研究对象,比较了希尔伯特黄方法处理单一频率脉冲对应的超声回波信号和先同步挤压后脉冲压缩方法对应的降噪能 力和超声成像效果。 实验结果表明:本文所提方法可以获得钢轨踏面裂纹的位置信息及其数量。 希尔伯特黄变换在处理无同 步平均的原始超声回波时,由于回波信噪比低,经验模态分解(EMD)失效。 在以巴克码为激励信号且无同步平均采集的条件 下,先进行同步挤压小波变换后脉冲压缩处理,得到的超声回波信噪比相较于只采用相位编码脉冲压缩提高了 6. 82 dB,相比于 只做同步挤压小波变换提高了 11. 02 dB,能明显提升检测速度和 B 扫图像分辨率。     

基于编码压缩的纤维缠绕气瓶贴附式电磁超声检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在纤维缠绕储氢气瓶在线监测中回波信噪比低、洛伦兹力机制失效等问题,提出了基于编码压缩的贴附式电磁超声水平剪切(SH)导波检测方法,通过有限元建模分析了Barker编码序列位数和码元载波周期、chirp信号脉宽和带宽、组合Barker码的组合方式对脉冲压缩信号的信噪比和分辨率的影响,并进行了实验验证,最后开展了纤维缠绕储氢气瓶中长20 mm、宽0.5 mm、深2 mm裂纹检测实验。结果表明,采用金属贴膜方式能有效解决EMAT在非金属材料中难以检测的难题;增加Barker码的序列位数和载波周期、增大chirp脉宽以及减小chirp带宽、增加组合Barker码的序列长度均可以提高脉压信号信噪比;经优化设计后,相较于传统Tone-burst激励方式,脉冲压缩技术可以将缺陷波信噪比至少提高20.4 dB,在不同编码算法中,chirp信号激励下的信噪比最高,达到了23.9 dB,采用3×13位组合Barker码时,脉压信号的主瓣宽度为28.8μs,分辨率最高,但信噪比较低。     

基于脉冲压缩技术的高温连铸坯壳厚度测量EMAT设计及应用

采用非接触电磁超声技术实现高温连铸坯壳厚度测量,实时调整辊压力、冷却喷水量、压下位置和压下速度等工艺参数,避免出现中心偏析和松散问题,具有重要的工程应用价值。为了进一步提高电磁超声换能器(EMAT)在晶粒粗大和表面振痕的高温铸坯中的信噪比和空间分辨率,建立了基于Chirp信号激励的跑道线圈电磁超声检测过程的有限元模型,分析了EMAT设计参数、Chirp信号频宽和脉宽等因素对脉冲压缩后的超声回波信噪比和空间分辨率的影响,并通过实验予以验证。结果表明:经过脉冲压缩后,超声回波的SNR提高19 d B以上,波包宽度减少62. 4%以上; Chirp信号脉宽和永磁体尺寸对信噪比有显著影响,Chirp信号频宽、永磁体间距和宽度、跑道线圈导线直径及其阻抗匹配参数影响空间分辨率。     

钢轨踏面裂纹电磁超声表面波同步挤压小波快速成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下会产生滚动接触疲劳裂纹。钢轨踏面裂纹是典型的滚动接触疲劳裂纹,该类裂纹容易从轨头往下发展导致钢轨断裂,对行车安全造成重大隐患。首先采用有限元数值方法分析超声表面波与钢轨踏面裂纹的作用规律,研究了低频超声表面波在不同倾角、不同深度踏面裂纹上的散射特性及反射回波时域信号响应特点。其次,设计制作了中心频率为0.3 MHz的表面波电磁超声换能器(EMAT),对钢轨踏面斜裂纹进行B扫成像检测,以更好地识别显示裂纹。为克服EMAT提离对信号回波的影响以及适应快速巡查检测,对裂纹反射回波采用同步挤压小波变换(SWT)进行去噪和重建,实现了B扫快速成像。研究结果表明,所设计的表面波EMAT能够有效地检测钢轨踏面上的多个裂纹,采用同步挤压小波变换处理回波信号后,超声回波信噪比至少提高8.83 dB,可显著提高B扫成像清晰度和检测速度。     

基于经验与变分混合分解的超声回波信号噪声消除方法

超声缺陷检测结果易受超声回波信号中复杂噪声的干扰,为了提高超声缺陷检测的准确度,提出一种基于混合分解的 超声回波信号噪声消除方法。 采用经验模态分解算法结合相关系数指标对超声回波信号进行预处理,得到消除低频噪声分量 的超声回波预处理信号。 基于变分模态分解将该预处理信号分解为一系列窄带本征模态函数,引入互信息指标估计变分模态 分解的最优模态数量,并根据窄带本征模态函数与预处理信号的相关系数提取有用的模态分量,实现对超声回波信号去噪结果 的重构。 通过仿真和实测超声回波信号验证了本文方法的去噪性能,并与现有方法进行了对比。 结果表明,本文方法可同时消 除超声回波信号中的高频和低频噪声,在不同信噪比条件下 EMD、VMD 和本文方法去噪结果的 SNR 均值分别为 10. 01、9. 48 和 16. 09 dB,验证了本文方法对于超声回波信号噪声消除的优越性。     

透射共轴式光声消化内窥成像系统

光声成像作为一种既能提供光学高对比度又能实现声学大成像深度的新兴医学影像技术,可通过对肿瘤滋养血管的三维成像,为癌症的早期诊断提供一种全新的高灵敏检测方法。本文针对消化道肿瘤的临床成像需求,提出了一种内部光激发、外部声探测的透射共轴式光声消化道内窥成像系统,并通过仿体与离体生物组织的成像实验,与现有的反射非共轴式光声内窥成像系统的成像性能进行了对比。实验结果表明,在仿体样品中,透射共轴式光声内窥成像系统的信噪比相对反射非共轴式系统最高提高了43.3 dB,成像深度增大了28.4%;而离体生物组织中,在10.7 mm深处,其信噪比也提高了9.7 dB。实验验证了本设计有效提高了光声信号的探测灵敏度,使该系统相较现有反射式系统具备更优的成像信噪比和成像深度,为光声消化道内窥技术推向临床提供了一种具有重要应用潜力的实施方法。     

一种管道中 T(0,1)模态单向电磁超声换能器

为了准确判定管道中缺陷位置且减少回波信号复杂程度,提出一种管道中单向传播的电磁超声换能器结构。根据电磁超声换能器理论,建立磁场、位移、超声波叠加数学模型,并对单向电磁超声换能器波动位移进行有限元仿真分析;实验采用双线圈激励方法对T(0,1)模态导波的传播强度进行控制。结果表明:换能器相邻导线间距为λ/4,且延迟时间为T/4时,减弱侧回波信号幅值近乎为零;增强侧回波信号幅值显著增强,与传统换能器产生的声波强度的相对灵敏度为5.88 dB。单向T(0,1)模态电磁超声换能器实现了传播强度与方向的控制,提高了检测信号的信噪比,为缺陷方位的精准识别提供了理论依据,为管道检测工程应用提供准确的缺陷位置信息。     

利用Golay码测量长骨中传播的超声导波

近年来利用超声导波评价长骨状况已成为研究热点之一。但是超声导波信号在长骨的皮质骨层传播时会遭遇很大的衰减,尤其是当皮质骨层上附有软组织时,接收到的导波信号很小。为了提高信噪比,增大接收到的导波信号幅度,引入Golay码编码的超声信号作为激励。仿真结果表明,Golay码激励并解码后的L(0,5)导波模式与单脉冲激励得到的模式波形几乎完全一致,证明了利用Golay码作为激励,产生超声导波的可行性。在离体牛胫骨实验中,Golay码在提高信噪比的同时,还可以增加超声导波的测量距离。说明把Golay码应用到超声导波的测量上很有潜力。     

小径厚壁钢管超声探伤系统设计研究

针对壁厚与外径比大于0.2的小径厚壁无缝钢管提出了一种基于超声波检测的缺陷检测系统,完成了系统的硬件和软件设计,同时为提高系统缺陷的识别效率和准确度,通过分析小径厚壁钢管超声自动探伤系统干扰来源和传播途径,利用改进小波阈值去噪方法来去除混回波信号中的噪声提高回波信号信噪比。实验证明,超声探伤系统能够实现小径厚壁钢管的缺陷检测,小波阈值降噪法可有效去除混在超声回波信号中的各种噪声,大大提高回波信号信噪比。     

超声探测弱信号提取方法

为了在超声检测中排除噪声干扰，从强噪声背景中提取弱回波信号，利用小波变换技术从超声探测信号中提取弱缺陷回波信号，建立了超声缺陷回波的数学模型，并进行了仿真实验，其特有的“变焦距”特性使得小波分析在时域和频域中具有良好的分析能力。结果表明，利用小波变换方法能够很好地抑制噪声，提高信噪比，提取强噪声背景中的弱回波信号，且该方法原理简单，易于实现，在工程上有较高的应用价值。     

基于微弱回波时域相干平均的船舶吃水测量方法

大型船舶的"超吃水"问题受到关注,实现对大型船舶吃水深度的流动灵活测量很重要。针对现有船载式船舶吃水测量方法的局限,提出了一种基于声呐微弱回波信号识别的船舶吃水深度离船检测方法。在详细分析声波信号在水体中衰减耗散特性的基础上,提出利用时域相干平均提高信噪比,提取船体微弱回波信号特征的方法。设计了实验方案,搭建了小比尺船模吃水深度试验系统,获取了船舶竖直边缘与曲面边缘回波信号,并通过对数据的时域相干平均处理,显著提高信噪比,通过对5组吃水测量结果的统计分析发现,吃水深度测量的最大相对误差为3.3%,精度较高,证明采用时域相干平均法提高信噪比的思路是可行的。     

风廓线雷达有效探测高度评估方法研究

文章通过信号仿真的方法，得出风廓线雷达最高有效探测时回波信号的信噪比理论阈值，并利用福建省德化县风廓线雷达站和晋江市风廓线雷达站2020年的探测资料进行了验证，结果表明：实际信噪比与通过信号仿真实验得出的理论信噪比阈值具有较好的一致性，表明了理论信噪比阈值的准确性，以及通过信噪比阈值算法来评估的风廓线雷达实际有效最大探测高度的可行性，为风廓线雷达探测高度评估方法的研究提供了一种新的思路。     

基于脉冲压缩技术的金属锻件缺陷跑道线圈 EMAT 检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在高温、大提离、表面粗糙等恶劣环境下对枝晶粗大的铸锻件进行快速、在线检测时,超声回波的信噪比低和空间分辨力差等难题,建立了基于chirp信号激励的跑道线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析了EMAT设计参数、chirp信号带宽和脉宽等因素对检测回波脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣宽度的影响,分别获取了主瓣峰值\\主瓣宽度最佳的EMAT参数组合,并通过实验加以验证。比较了0.5 MHz猝发音激励信号在不同同步平均次数条件下,以及chirp脉冲压缩在不同提离且无同步平均条件下对Φ4平底孔的检测能力。结果表明:采用chirp脉冲压缩技术在无同步平均条件下,Φ4平底孔的检测回波信噪比较128次同步平均的猝发音脉冲信号提高了6.6 dB;在EMAT提离为3.5 mm且无同步平均条件下,Φ4平底孔的脉冲压缩后回波信噪比可达8.0 dB。     

基于NLFM Barker编码的板材焊缝缺陷超声检测方法研究

针对编码超声检测中,回波信号经脉冲压缩后存在主瓣持续时间长和旁瓣水平高的问题,提出了一种基于非线性调频(NLFM) Barker复合编码的超声波激励方法,用于板材焊缝缺陷检测。给出了该复合码的产生方法,并推导出了其函数表达式。通过仿真对比分析了其与Barker码、非线性调频信号、以及线性调频Barker码这3种编码激励方法产生的超声波的时频特性、传感器响应特性以及回波脉冲压缩特性。试验结果表明,该复合编码超声回波信号经脉冲压缩后,其主旁瓣功率比较非线性调频信号和线性调频Barker码分别提高了约11和5 dB,峰值旁瓣水平较Barker码、非线性调频信号、以及线性调频Barker码分别降低了约7.8、7和3.6 dB,并能有效检测出焊缝中预设的5种常见缺陷。     

基于PCA-WHMM的超声漏表面波频域合成孔径成像研究

超声漏表面波可用于检测表面或近表面缺陷,其非接触检测的优点易于实现自动化检测.但由于波型转换与传播衰减,漏表面波的回波幅值较小,不利于缺陷检测和成像.仿真分析了漏表面波的传播特性及缺陷回波特征,应用主成分分析分离回波信号中的干扰波,再利用小波域隐马尔可夫模型算法分离整段信号的系统噪声,联合两种方法提取漏表面波信号中的缺陷信息,最后通过频域合成孔径算法对漏表面波扫查数据进行了高分辨率图像重建.结果 表明,相比于传统B扫成像,基于PCA-WHIMM的超声漏表面波F-SAFT方法在回波信号平均信噪比上提高了10.05 dB,平均成像误差降低了26.3％,为金属表面及近表面缺陷检测提供了一种有效方法.     

有限角度水浸超声检测空间复合成像

为降低噪声及伪影对水浸B扫成像的影响,提高成像分辨率及对比度,研究了一种适用于水浸检测的有限角度空间复合成像方法。控制不同入射角,实现角域回波信号的采集,采用希尔伯特变换对回波信号进行包络处理,考虑水与工件的声学差异,通过修正渡越时间偏差及折射路径偏差对有限角度内的回波信号进行重构,实现空间复合成像。以钢试块的水浸超声检测为例,对入射角为-7°、-5°、-3°、-1°、0°、1°、3°、5°、7°的回波信号进行空间复合成像,成像结果表明相对于普通B扫查成像,其成像信噪比及对比度噪声比平均分别提高了9.1 d B、5.6 d B,成像横向分辨率平均提高了17.6%,为水浸超声检测提供了一种高精度B扫成像方法。     

电磁超声纵波换能器设计及对铅板检测试验研究

常规的电磁超声横波换能器在测量铅板时存在1次回波信号弱、信噪比极低、难以有效检测等问题,铅的剪切模量小是造成这种现象的主要原因。针对这一问题,文中提出采用电磁超声纵波换能器用于铅板的检测,优化设计了一种应用于铅板检测的新型纵波换能器。首先设计线圈结构和磁场的布置方式,再综合正交试验法和控制变量法,利用多物理场建模仿真软件对线圈的各个参数进行优化,分析了线圈各参数对超声回波强度的影响规律,制作了线圈和换能器原型并开展了相关测试,实验表明：同等激励条件下,纵波换能器的1次回波信号强度是横波换能器的1.63倍,显著提高了回波的信噪比,实现了铅板的厚度测量。     

基于最大似然互相关时延估计的超声辐射力弹性成像技术研究

为满足粘弹性材料弹性特性非接触定征应用的需求,开展基于最大似然互相关时延估计的超声辐射力弹性成像技术研究.针对传统基于归一化协方差时延估计的超声辐射力弹性成像技术在低信噪比环境下分辨率下降的缺点,该方法以超声辐射力作为驱动力源,非接触作用于待检粘弹性材料上使其产生形变,并利用最大似然互相关时延估计技术分析处理超声回波信号,实现待检材料所产生形变的多分辨率检测,从而确定弹性模量相对值的空间分布图,达到对粘弹性材料弹性特性非接触定征的目的.仿真及试验研究表明,与传统超声辐射力弹性成像技术相比,该方法具有更高的弹性成像分辨率,尤其在低信噪比环境下表现出明显的优势.同时,试验所获得脂肪组织辐射力响应曲线与生物组织的Voigt粘弹性力学理论模型完全吻合,证实了所提方法的可行性和有效性.     

电磁超声全向导波换能器辐射控制方法研究

针对传统电磁超声全向导波换能器因导波内、外辐射致使检测回波信号复杂及信噪比低的问题,设计了一种新型电磁超声全向导波换能器(OUT-EMAT)结构,研究了换能器双线圈结构参数、双激励源控制方法,实现了导波辐射强度与方向控制。根据电磁超声全向换能器理论,建立波动位移叠加的数学模型,并对设计的OUT-EMAT性能进行仿真计算及实验。研究结果表明：与传统全向EMAT相比,OUT-EMAT内、外辐射导波强度之比由1∶1变为2∶9;其外辐射导波强度增加了100%,内辐射导波强度抑制了55.6%;增强了检测回波信噪比,降低了信号复杂度,提高了裂纹缺陷定位准确度;为有效识别裂纹缺陷提供了一种新方法,对实际工程应用具有指导意义。