基于自回归谱外推方法的TOFD检测盲区抑制

结合自回归谱外推方法与超声衍射时差法（Time of flight diffraction,TOFD）,抑制直通波脉冲宽度造成的近表面检测盲区。建立碳钢试块模型,并设置上尖端埋深d依次为2.5 mm、3.0 mm、5.0 mm及7.0 mm的底面开口槽,模拟选用中心频率5 MHz、探头中心距34.0 mm的TOFD探头实施检测。利用自回归谱外推方法扩宽傅里叶变换后的混叠信号频带,压缩时域脉冲宽度,分离了混叠的直通波与衍射波,将TOFD检测盲区深度由8.3 mm抑制到2.5 mm以内,实现四个底面开口槽的同时检出与定位。针对碳钢试块中埋深3.0 mm底面开口槽进行试验验证,定位误差为0.30 mm。与常规TOFD和频谱分析方法相比,自回归谱外推方法以高信噪比频带为基础,外推有效频带外的高频与低频范围数据,提高时间分辨率,为TOFD检测盲区内缺陷定位提供了新思路。     

缺陷散射对相控阵超声全聚焦成像的影响研究

相控阵超声全聚焦成像充分利用了检测信号,具有成像精度高、可进行缺陷识别等特点,是未来最具应用前景的相控阵成像算法之一。然而,目前相控阵超声全聚焦成像仍不能实现缺陷的高分辨率成像,无法对缺陷进行准确的定性、定量分析。为此,采用有限元仿真相控阵传感器的全阵列采集(FMC)过程,在全矩阵数据的基础上设计全聚焦成像程序,对圆孔和裂纹两种典型缺陷进行TFM成像,研究典型缺陷的TFM成像规律,从缺陷散射的角度分析影响相控阵超声全聚焦成像的因素。结果表明,实际检测中相控阵超声传感器只能接收到缺陷的部分散射信息,而相控阵超声在缺陷处的散射场分布与缺陷的类型、尺寸、角度及入射波类型、入射角度等因素有关,因此能否接收到缺陷散射的主要能量是影响全聚焦成像精度的关键。     

超声检测三角矩阵聚焦成像算法

超声相控阵技术近些年发展迅速并被广泛应用于工业无损检测领域,线阵探头全矩阵聚焦方法具有成像信噪比好、缺陷分辨力高等优势,近些年获得广泛研究,但其仍然存在采集数据量大、计算效率低的问题,使其在实际工业应用中受到限制。为了解决上述问题,基于检测系统收发通道的互易性提出三角矩阵聚焦成像算法,该方法简化了全矩阵聚焦成像算法的数据采集和成像运算过程。为验证聚焦成像方法的有效性,分别对类裂纹、平底孔和横通孔缺陷试块进行数据采集成像试验和信噪比分析,数据采集试验结果表明收发通道互换前后两信号具有很好一致性。进一步的数据比较分析表明,在成像质量方面,三角矩阵聚焦成像算法与全矩阵聚焦成像算法两者的图像信噪比变化不大;在数据采集和成像效率方面,三角矩阵聚焦成像算法降低了近一倍数据量,有效提高了计算效率。     

基于二维等效声速的频域全聚焦超声成像研究

为了提高对碳纤维增强复合材料分层缺陷定位定量的精度，提出了一种基于二维等效声速映射的精准频域全聚焦方法三维成像技术。该技术首先将子矩阵的划分标准从激励点位置变为激励-接收间距，获得了一个新的全矩阵数据；然后将变换后的二维子矩阵变换至频域，根据深度和空间频率的变化推导出精准的二维等效声速映射，来匹配子矩阵数据中的收发分离信号，并结合角谱运算得到子矩阵频域重构图；运用快速傅里叶逆变换得到子矩阵聚焦图并将其融合得到全聚焦图像；最后运用多平面三维重构技术得到最终三维图像。结果表明，与传统F-TFM和F-SAFT算法相比，所提算法有效抑制了旁瓣效应的产生，双缺陷间距的定量误差缩减了20.31%,缺陷宽度定量误差分别缩减了5.43%和6.3%;当缺陷深度和双缺陷间距发生变化时仍可保证较高的检测灵敏度。     

自适应解卷积方法抑制管道 TOFD 周向扫查盲区

利用超声衍射时差法(TOFD)沿管道外表面实施周向扫查时,受管道曲率和直达纵波脉冲宽度共同影响,在近表面区域形成分层盲区。本文采用自适应解卷积方法,选取与混叠信号主频接近的子带直达纵波信号作为参考信号,进行解卷积与自回归谱外推处理,拓宽有效频带范围,实现时域信号脉冲压缩,并结合周向扫查图像中端点衍射波确定缺陷深度。实验结果表明,对于外壁半径100.0 mm、壁厚30.0 mm,以及外壁半径148.0 mm、壁厚27.0 mm的碳钢管道,在中心频率5 MHz、探头中心距87 mm的检测条件下,自适应解卷积方法能够将管道近表面分层盲区范围减少约60%,且到直达纵波声线距离不小于4.0 mm缺陷的深度定量误差不超过10.6%。同常规频谱分析方法和自回归谱外推方法相比,自适应解卷积方法具有更优的盲区抑制效果,且能够准确定量前者难以检测的缺陷,测量误差不超过5.8%。     

基于分割环阵的 CFRP 分层缺陷超声全聚焦成像

碳纤维复合材料在钻孔加工时易产生分层缺陷,分层缺陷严重影响了构件的力学性能,存在严重的安全隐患。针对碳纤维复合材料孔边分层缺陷的检测,提出一种基于分割环形阵列的1/4矩阵全聚焦成像方法。设计了R4×S8、R3×S12、R3×S16和R4×S12四种分割环形阵列结构,通过数值仿真对比分析了各阵列的聚焦声场特点,最终确定分割环阵探头为5 MHz的R4×S12探头。使用该探头对碳纤维复合材料孔边分层试块的上层、中层、下层缺陷进行全矩阵采集,利用VTK工具包分别进行全矩阵三维成像和1/4矩阵三维成像。结果表明,1/4矩阵方法比全矩阵方法三维成像的缺陷对比度更高,1/4矩阵方法的缺陷尺寸表征误差更小,误差不超过6%。与全矩阵成像相比,1/4矩阵成像信噪比提升范围为3.43～7.61 dB,有效提升了图像质量。     

相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法及其校准研究

相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法是一种基于全矩阵数据的虚拟聚焦后处理成像技术,因其具有精度高、算法灵活等优点成为近年来的研究热点。为了解决该算法在楔块耦合检测模式下的校准问题,介绍全矩阵数据及全聚焦成像算法的基本概念,通过对所存在问题的分析,建立双层介质的能量衰减模型;从指向性、透射和扩散三个方面分析声束传播路径上的能量衰减,计算衰减校准系数,提出基于校准的改进算法;分别采用未校准、平方根校准和自建模型校准的三种全聚焦算法对B型相控阵标准试块进行检测成像试验,从试验结果可以看出,平方根校准的算法能适当修正大声程的能量衰减,而自建模型校准的算法对于大声程、大偏转角的能量衰减都有较好的改善,使图像的能量更加均匀;此外,相比未校准和平方根校准,自建模型校准的算法具有更大的检测角度范围,有能力检测出大偏转角的缺陷。研究工作表明,校准后的全聚焦成像算法能够扩大检测角度范围、改善图像的能量均匀性,检测漏检率及缺陷定量误差得到有效降低。     

装载机驱动桥疲劳试验扭矩载荷谱的编制方法

以装载机前驱动桥疲劳试验扭矩载荷谱的编制为例,将各种工况实测有效数据雨流计数统计的结果按比例系数进行工况合成,并采用雨流矩阵法对合成工况载荷谱外推,得出驱动桥的全寿命扭矩载荷谱,以此为基础编制了前驱动桥疲劳试验和强化疲劳试验的加载谱。编制出的驱动桥疲劳试验扭矩载荷谱能更加有效地反映装载机实际作业情况,为装载机传动系的抗疲劳设计和疲劳寿命预测提供了依据。加载一个需用10. 3 h的强化疲劳试验加载谱块,相当于装载机实际作业609. 2 h,加快了驱动桥总成疲劳试验的进程。     

超声全聚焦成像校正模型及加速算法

超声全聚焦成像算法是一种基于全矩阵数据的成像技术,具有成像精度高、缺陷表征能力强的优点,但也存在数据量大、计算时间长、近表面区域噪声较大的缺点,目前主要应用于后处理成像。针对以上问题,建立了基于阵元指向性函数的成像校正模型;结合并行计算设备,提出了基于三角矩阵数据采集和索引技术的成像加速算法。使用16阵元相控阵探头对带有人工通孔的铝制试块进行检测试验,结果表明,使用加速算法可以将每帧图像成像时间缩短至135 ms以内,满足实时成像的要求;添加校正模型后,对于图像近表面区域噪声抑制效果明显,降低了伪缺陷出现的可能性,提高了图像信噪比。     

基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测

利用超声成像方法对关注区域成像,对获取缺陷形状、尺度和取向等特征具有重要意义。考虑了21种不同声束路径的模式波,复合叠加各重建点能量最强信号,提出全模式全聚焦方法(FTFM)。利用一组探头楔块,通过一次信号采集实现未知裂纹的轮廓重建与定量检测。针对厚度40 mm碳钢中长度4 mm,中心深度25 mm,取向角度分别为0°、±20°、±50°和±80°的裂纹,采用64阵元、中心频率5 MHz线阵探头配合45°纵波楔块实施全矩阵捕捉(FMC)和FTFM成像,仿真和实验均重建了裂纹完整轮廓,裂纹长度、取向和中心深度定量误差分别不超过0.60 mm、2.39°和0.73 mm。最后,为保证FTFM成像质量,检测时应合理选择相控阵探头参数,并移动探头至最佳位置处采集FMC信号。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

核反应堆厚壁压力容器焊缝TOFD检测缺陷高度分辨率探究

对壁厚220 mm的核反应堆压力容器焊缝超声衍射时差法（ TOFD ）检测中缺陷高度分辨率进行理论分析,绘制了缺陷高度分辨率随缺陷埋深变化的函数曲线。当缺陷高度小于系统高度分辨率时,提出利用基于傅里叶变换的频谱分析法测算缺陷高度。3个侧通孔（埋深22.5 mm,Ф3.0 mm；埋深40.0 mm,Ф2.0 mm；埋深80.0 mm,Ф2.0 mm）的试验分析结果验证了该方法的有效性。进一步的数值计算结果表明,对埋深182.0 mm,Ф2.0 mm侧通孔的TOFD检测信号进行频谱分析,能够准确确定缺陷高度。     

基于阵列式压电振动频谱衰减的结冰区域定位研究

为克服传统结冰传感器无法实现翼面大范围多区域结冰探测问题,提出了一种基于灰度重心法的多结冰区域定位方 法。 该方法通过采集结冰前后压电阵列的振动谱,提取频谱幅值衰减率作为定位特征值,并结合基于多点结冰概率检测的重构 算法和灰度重心法计算得到多个结冰区域的中心坐标,实现对平面或曲面上多个结冰区域的定位。 当扫频频率范围 0. 5 ~ 5 kHz 时,在 70 mm 直径的结冰条件下,铝板单结冰区域定位平均误差为 27. 4 mm,两结冰区域定位平均误差为 29. 04 mm;翼面 结冰横向定位平均误差为 22. 6 mm。 为了进一步提高定位精度,提出了一种基于小波包分解的敏感频带选择的特征提取方法。 优化后的实验结果表明,铝板单结冰区域定位精度提高了 34. 59% ,定位误差波动程度降低了 45. 67% ,翼面结冰的横向定位精 度提高了 54. 87% ,横向定位误差波动程度降低了 46. 63% ,实现了较高精度的多结冰区域定位探测,为面式结冰探测提供了一 种新思路。     

厚截面碳纤维复合材料远表面微缺陷超声检测

为了识别厚截面碳纤维复合材料(CFRP)远表面的微缺陷,使用递归分析方法对超声检测信号进行分析。首先在厚截面CFRP材料上打孔以模拟微缺陷,采用水浸超声脉冲反射法对不同大小的模拟缺陷进行检测。然后选取缺陷位置附近信号段,确定嵌入维数m、延迟时间τ、阈值ε等参数,对各信号段进行递归分析,得到递归图及递归定量分析结果。比较无缺陷信号和有缺陷信号的递归图,从宏观上定性确定微缺陷对超声信号的影响;比较无缺陷信号和有缺陷信号的递归定量分析结果,根据每个递归定量参数的物理意义,对缺陷产生的影响作出合理的解释。最后,使用不同中心频率探头进行实验,确定合适的探头参数。分析结果表明,使用7.5MHz高分辨率超声探头时检测效果最好;当嵌入维数为7、延迟时间为2、阈值为2时,递归图中出现异常白色区域、递归点增多且对角线结构变长,同时所选取的递归定量参数随缺陷增大而上升,表明厚截面CFRP远表面超声信号可能存在混沌结构,而微缺陷的存在会改变原有信号结构。所研究内容为实际微缺陷的定量识别及分类打下基础。     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

高分辨率4f传像系统分辨率的影响因素分析

研究了在实际应用中4f传像系统分辨率的影响因素及其作用机制,用于指导系统的设计和装调。首先,在理论上分析了由装调误差引起的像差对系统光学传递函数(MTF)产生的影响,并建立了描述二者关系的数学模型。基于该模型研究了1μm分辨率4f光学系统的装调误差,仿真计算了系统含有透镜偏心、倾斜、位移误差对MTF的影响,得到了分辨率随误差的变化曲线。实验结果表明,倾斜在15″以内,偏心误差在0.02mm,位移在0.01mm范围内,装调误差均会导致分辨率下降,虽然倾斜在极小范围内微调时分辨率会提高,但总的变化趋势不变。绘制的装调误差与分辨率的关系图,可为高分辨率4f系统的误差预估提供参考。     

大行程纳米级定位工作台的结构设计

考虑采用静态三步拼接曝光法的扫描干涉场曝光系统的性能与工作台的定位精度及稳定性相关,设计了一种大行程、高精度二维工作台以提高其定位精度。采用摩擦驱动和压电陶瓷微位移机构组合的方式构成宏、微进给机构,由闭式气体静压导轨带动工作台实现沿X、Y两个方向的光栅分度与扫描运动。优化设计了摩擦驱动机构和气体静压导轨结构,并对工作台整体结构固有频率进行了有限元分析。使用自准直仪检测了导轨在X、Y方向的直线性,结果显示其两方向偏航和俯仰精度均在±0.04μm以内。使用激光干涉仪检测了导轨在X方向的定位精度和定位噪声,结果表明,对X向行程为220mm、Y向行程为300mm的工作台,其X方向的定位精度优于±5nm,定位稳定性可达±25nm。得到的结果满足扫描干涉场曝光系统工作台纳米级定位精度的要求。