基于超声导波的压力容器健康监测Ⅰ:波传导行为及损伤定位

严苛的使用环境造成的压力容器损伤会导致结构失效而造成巨大安全隐患;超声导波具有大面积、长距离监测的优点,能及时避免压力容器失效。开展基于超声导波的压力容器健康监测研究,分三个部分。第一部分主要研究超声导波在压力容器中的传播行为及损伤定位方法。首先利用有限元法研究超声导波在压力容器中的传播行为,开发出针对压力容器圆柱筒体及球形封头的损伤定位算法程序,并重点讨论信号处理方法对压力容器不同部位损伤定位精度的影响。研究结果表明,导波在压力容器中传播易产生多模态,其在压力容器中不断地循环传播直至能量衰减耗尽,且极少发生边界反射;在基于超声导波的压力容器缺陷定位时,截取合适的时域导波信号并对信号进行滤波和降噪处理能够有效提升压力容器缺陷的定位精度;缺陷信号相对于基准信号的时间零点漂移及非检测模态波包的干扰是影响压力容器缺陷定位精度的两个主要原因,修正后的算法对压力容器筒体和封头缺陷的定位误差在5%以内。     

基于L(0,2)模态导波的缺陷反射信号的实验研究

通过管道超声导波缺陷反射理论和检测理论,分析了超声导波与缺陷作用后的传播特性。为了对管道中缺陷信号进行辨识,利用周向压电晶片阵列在带有不同缺陷的管道中激励不同频率的L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测实验,研究了导波激励频率、模态转换后各模态幅值与缺陷尺寸的关系。结果表明,在缺陷截面比与信号激励频率相同的情况下,裂纹缺陷的反射系数比腐蚀缺陷的反射系数大;L(0,2)模态导波与裂纹缺陷相互作用后会产生F(2,3)模态;与缺陷同一周向位置的压电片接收的反射回波幅值最大。     

仿真驱动下的压力容器封底多损伤快速定位方法

面向大型压力容器特种设备的球形封底结构,传统的无损检测较难完成在役大型储底部的在线损伤检测。压电陶瓷传感器（PZT）能够同时激发和接收Lamb波实现大面积区域的损伤检测。文章利用压电陶瓷传感器构造了均匀圆心阵列,并提出了一种仿真数据驱动的压力容器球形封底多损伤快速定位方法。首先,对在半球形封底结构模型上建立阵列Lamb波信号的传播模型,利用阵列导向矢量构造圆心阵列稀疏特征;其次,在ABAQUS有限元软件中建立压力容器封底有限元分析模型,获取虚拟阵列稀疏特征库;最后,将损伤信号的阵列转向向量与虚拟阵列稀疏特征库进行相似性比较,通过损伤成像快速确定损伤信号的位置。数值和实验结果都验证了基于虚拟阵列稀疏特征建模的多损伤定位方法能够有效地监测轴对称结构,且精度较高。     

基于PH乘子算法优化的Lamb波成像研究

针对铝薄板的Lamb波缺陷检测,提出了一种基络幅值的导波缺陷成像及其优化方法。将稀疏压电陶瓷传感器(piezoelectric ceramic transducer,简称PZT)阵列作为收发装置产生激励信号和采集导波信号,利用健康信号与缺陷信号的差信号,提取出含有缺陷位置信息的包络曲线。引入了包含有位置权重矢量的因子以突出缺陷像素点的特征,借助适当的罚函数,从而将提高导波成像质量问题转换为求解一系列无约束优化求解问题。应用鲍威尔-赫斯廷斯(Powell-Hestenes,简称PH)乘子算法确定了增广目标函数,实现了权重矢量优化,提高了成像质量。实验结果对比表明,该成像算法对铝板中缺陷的定位误差小,成像直观清晰并且缺陷识别明确,实现了导波成像的优化处理。     

基于超声导波的压力容器健康监测Ⅲ:纤维缠绕压力容器的在线监测

基于超声导波的压力容器健康监测研究的第三部分,主要考察所研究的健康监测技术在纤维缠绕压力容器损伤定位中的应用。开展纤维缠绕压力容器的疲劳和打压爆破试验,设计远程在线监测系统以实时获取不同工况中纤维缠绕压力容器损伤定位结果。在打压和疲劳试验过程中,采集压力容器在不同状态中的导波信号,并分别测量金属内胆和复合材料层的应变变化,建立导波幅值与压力容器疲劳状态和受压状态之间的关联。开展纤维缠绕压力容器在打压爆破过程中的损伤定位,研究疲劳对损伤定位精度的影响规律。结果表明,在疲劳试验中,应变片能够连续记录并反映压力容器的应变状态,但疲劳周期随残余应变的变化趋势不明显,而导波幅值随疲劳周次的增加而线性下降;对经过5 700周疲劳和未经过疲劳的纤维缠绕压力容器,导波幅值随着其内部压力的增加而线性下降,而应变值随着压力的增加线性增加,二者的对应关系可用于判定纤维缠绕压力容器的受压状态;利用所研发的在线监测系统可以远程获取纤维缠绕压力容器损伤位置信息,5700周的疲劳在很大程度上影响定位精度,而未经疲劳试验的压力容器的损伤定位误差较小。     

卷弹簧中超声导波传播特性及对缺陷症状的敏感性分析

卷弹簧作为重要的储能元件,是很多重要器件的关键功能件,为了确保器件在役功用,利用超声导波对卷弹簧缺陷进行检测。建立有限元模拟分析平台,研究了卷弹簧中超声导波的传播特性;利用该模拟分析平台设计并进行正交试验,深入研究了缺陷特征与导波检测回波的相互关系。结果表明:导波激励频率越高,导波在卷弹簧中衰减越快,信号幅值随传播距离的增大而减小;卷弹簧缺陷的径向深度、周向弧长和缺陷与轴向夹角3个缺陷症状中,径向深度对导波检测回波的影响最大,回波幅值随径向深度的变化呈规律性变化。研究结果为卷弹簧的超声导波检测装置的研制奠定了技术基础。     

基于压电晶片阵列的管中导波时反检测方法研究

为提高超声导波技术对管中小缺陷的检测能力,提出一种采用窄带高压脉冲激发安装在管道外表面的压电晶片阵列实现管中导波时间反转检测的新方法。该方法采用窄带脉冲同时激励沿管道表面轴对称安装的压电晶片阵列,从各压电晶片接收到的反射回波中提取含L(n, 2)模态的缺陷信息进行时间反转,并用获得的时反波再次激励阵列中对应压电晶片,整个阵列将同时接收到较单一L(n, 2)模态信号。试验结果表明,该方法能较好地抑制导波的频散、多模态特性,提高缺陷回波信噪比,增加对小缺陷的检测能力。同时,时反前、后所检测到的管道端面和缺陷反射回波的导波模态几乎相同,可采用特定频率的L(0, 2)模态群速度作为时反后缺陷波包的传播速度;且时反后的幅值最大的缺陷波包能重构窄带初始激励信号幅值最大的波包,可有效增加缺陷波包的辨识能力。     

基于超声导波技术对弯管中缺陷检测的实验研究

利用超声导波技术在弯管中进行了缺陷检测的实验研究.利用周向均布的长度伸缩型压电陶瓷片激励特定频率的纵向模态L(0,2),对90°弯管中的人工周向缺陷和结构缺陷等进行了检测,分析了周向缺陷尺寸的变化对缺陷回波和端面回波幅值大小的影响.对弯管中同时存在多个缺陷的情况进行了研究.实验结果表明,超声导波检测技术可以用于弯管中不同部位和不同类型的缺陷检测,这为利用超声导波对更加复杂的管道系统中缺陷检测作了有益探索.     

钢轨裂纹导波检测的柔性压电复合材料传感技术研究

钢轨裂纹监测是保障铁路基础部件安全的重要研究课题之一。 超声导波在钢轨中具有衰减小、传感距离远、检测效率 高等优点,可实现钢轨长距离快速检测。 传统的超声导波传感器大都采用 PZT 陶瓷制成,质地硬脆、易碎裂,不能满足钢轨长 期在线监测使用要求。 本文提出将柔性 0~ 3 型 PZT/ 环氧树脂复合材料用作钢轨超声导波传感器,实验研究该柔性压电复合 材料的力学性能及其对导波的传感特性,结合有限元仿真分析和实验测试,分析了钢轨中激励导波模态特性及其裂纹反射波的 延迟到达时间,探讨压电复合材料传感器应用钢轨裂纹导波信号检测的适用性和有效性。 研究结果表明:PZT/ 环氧树脂复合 材料传感器具有良好的柔韧性和线性灵敏度,在 5℃ ~ 75℃ 温度范围内能够有效检测到导波信号;不同传感路径得到的钢轨导 波检测信号与有限元仿真信号基本一致,裂纹反射波到达时间相近,这将为钢轨裂纹在线监测提供新型的柔性压电复合材料传 感技术。     

基于超声导波的方钻杆检测方法研究

针对传统超声在检测长达十余米的方钻杆时效率极端低下的问题，提出基于超声导波的方钻杆检测方法。首先，利用半解析有限元方法，求解方钻杆结构的频散方程并绘制频散曲线，选择群速度值最大、曲线比较平坦、频率范围为70 kHz～130 kHz的L(0,2)作为方钻杆的检测模态；其次，优化选取中心频率为100 kHz的L(0,2)模态作为激励信号，以尺寸为25 mm×5 mm×0.5 mm的环形压电晶片阵列作为传感器，提高L(0,2)模态在100 kHz的信噪比；最后，基于仿真和实验方法，采用L(0,2)模态导波对方钻杆进行了检测。结果表明，L(0,2)超声导波能够有效检测整根方钻杆面上和棱上的圆孔及槽型缺陷，提高了检测效率，为方钻杆的检测提供了一种新的思路和方法。     

硅基PZT压电功能结构

为获得适合单片集成的硅基PZT压电功能结构,对近年PZT薄(厚)膜在MEMS领域的研究现状进行了综述分析,提出了一种新型的双杯PZT/Si膜片式功能结构.采用有限元方法对双杯PZT/Si膜片进行了结构优化,得到PZT和上下硅杯的结构优化值为DPZT∶D1∶D2 =0.75∶1.1∶1,一阶模态谐振频率为13.2 kHz.以氧化、双面光刻、各向异性刻蚀以及精密丝网印刷等工艺技术制作了双杯硅基PZT压电厚膜膜片,膜片具有压电驱动功能,PZT压电膜厚达80 μm.实验表明,双杯PZT/Si膜片式功能结构的MEMS技术兼容性好,对芯片内其它元件或电路的影响小,适合作为MEMS片内执行元件的驱动机构.     

基于声学相位共轭理论的管道裂纹检测

将声学中相位共轭理论引入到管道裂纹检测中以实现声源信号的重构聚焦,对传统的超声导波无损检测中相位畸变、图像模糊等亟待解决的关键性问题进行改进。利用压电陶瓷(PZT)材料作为传感器,构建了一套管道裂纹的检测系统,验证相位共轭理论用于管道检测的可行性。通过在管道一端,利用PZT传感器,用对称加载的方式激励经过窗函数调制的五峰波信号,利用接收传感器提取信号,然后进行相位共轭处理再激励,从而实现信号的重构聚焦。试验结果表明,用超声导波信号的相位共轭法,可以实现信号的聚焦增益,提高了声波信号在固体介质中的信噪比,在管道的周向裂纹试验中得到了验证,对于超声导波在管道缺陷的识别和精确性的提高具有明显的改进作用。     

基于导波的弯管裂纹缺陷的检测

为了探究超声导波在90°弯头所引起的模态转换对检测造成的影响,采用试验和模拟的方法来研究导波在90°弯头中的传播特性,利用周向均布的长度伸缩型压电片激发导波L(0,2)模态,对弯头及弯头两端直管道上的周向裂纹缺陷进行位置识别;并对比直管道检测结果,研究弯头对导波模态转换的影响。采用小波分析对试验信号进行降噪处理,试验结果表明,L(0,2)模态导波穿过弯头后发生模态转换,产生弯曲模态F(1,2)。弯头处裂纹缺陷的检测敏感性与其所在位置有关,弯头外侧的检测敏感性最高;且检测敏感性与激发频率有一定关系,在较高的激发频率(120~130 k Hz)下,弯头两端直管道上裂纹缺陷检测的敏感性最高;当激发频率处于较低频率(80 k Hz)时,导波对弯头内侧缺陷检测的敏感度最高。因此提出采用不同激发频率的导波对带有弯头的管道系统进行综合检测的方法。利用数值模拟的方法对导波在弯头处的传播特性进行研究,模拟结果与试验结论相吻合。     

基于超声导波的高压电缆铝护套检测技术可行性研究

针对高压电缆铝护套在运行过程中易出现机械损伤及腐蚀失效的问题,通过建立高压电缆铝护套的简化模型并求解其频散方程获得了相应的频散曲线,从而对高压电缆铝护套中超声导波多模态、频散和衰减等传播特性进行了研究,提出了利用超声导波无损检测技术实现对高压电缆铝护套快速无损检测的方法,在理论分析和有限元仿真的基础上,使用超声导波检测仪对高压电缆铝护套进行了缺陷检测试验研究。研究结果表明:采用32 kHz的T(0,1)模态能够检测铝护套中截面损失在4.25%以上的裂纹缺陷,缺陷回波幅值随着缺陷增大而增大;理论分析、有限元仿真和检测试验验证了超声导波检测高压电缆铝护套缺陷的可行性。     

磁致伸缩效应在圆管中激励纵向导波的理论和试验研究

分析了导波在圆管中传播的模态,探讨了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩作用力模型。纵向导波由平行于圆管轴向的磁致伸缩力的作用而产生,磁致伸缩力除与被检测材料的特性有关外,主要取决于设置的静态偏置磁场和交变磁场的耦合作用。根据该模型设计了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩传感器,试验中获得了纵向导波,并通过磁致伸缩传感器对圆管分别作用不同的静态偏置磁场和交变磁场,试验研究两者对激励的纵向导波的影响。结果表明：作用于圆管上的静态偏置磁场与激励的纵向导波幅值呈抛物线关系,在低偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加而增大,在高偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加反而减小。导波在圆管中传播时,存在多模式和频散特性,交变磁场大小与激励的纵向导波幅值之间呈非线性关系。     

超声导波在扭转模态下的管道缺陷检测

为了研究扭转模态在不同形状管道中的传播特性和缺陷的检测能力。建立带有缺陷的管道有限元模型,利用有限元软件ABAQUS对T(0,1)模态导波在直管、弯管中的传播过程进行数值模拟研究。导波信号采用汉宁窗调制的正弦信号,激励T(0,1)模态信号。结果表明,最低阶的扭转模态适合于管道的缺陷检测。且50kHz的T(0,1)模态导波对直管、弯管上的缺陷敏感,在缺陷对应的位置上,导波的回波幅值最大,能量也较集中。     

基于磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的试验研究

对利用磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的方法进行理论分析和试验研究。分析在公称直径为17.80mm的7芯钢绞线中纵向模态的传播特性。选取钢绞线外围钢丝中频率160kHz的L(0,1)模态用于钢绞线的健康检测。基于该模态的传播特性和钢绞线缠绕式外表面的特点,研制一种专用磁致伸缩传感器,用于7芯钢绞线的超声导波检测。该传感器的主要结构包括轴对称三磁路励磁结构和正反正绕向的三段式螺线管。三磁路励磁结构用来产生强度适合且均匀的偏置磁场,并设计专用夹片以降低钢绞线不规则外形所造成的空气磁阻。螺线管每段绕线的有效轴向宽度为频率160kHz的L(0,1)模态波长的一半。利用研制的磁致伸缩传感器,在长1180mm的自由钢绞线中进行超声导波的激励接收试验。试验结果表明,该传感器可以激励和接收选定的纵向模态L(0,1),为基于磁致伸缩效应的钢绞线超声导波检测奠定了一定基础。     

复合材料板Chirp激励的Lamb波成像技术研究

作为一种快速、高效的无损检测方法,Lamb波技术在结构健康监测领域具有巨大的应用潜力并受到广泛关注。采用线性宽带Chirp信号作为激励信号,替代传统的窄带Tone burst信号。响应信号经过后处理可以解调出其带宽范围内任意中心频率的等效Tone burst响应信号。优化设计一种压电传感器,能够在低频段激励和接收纯净的A0模态。由于A0模态对板中缺陷非常敏感,使信号更便于分析。将这种传感器按照稀疏阵列的形式布置于准各向同性复合材料板上,对模拟缺陷进行检测。通过实验所得Chirp信号的检测数据解调出多个中心频率下的响应信号,结合椭圆成像技术和数据融合方法进行缺陷成像,实现了板中缺陷定位,并且多个频率下响应信号融合后的成像结果具有更高的分辨率、对比度和定位精度。     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

基于 Lamb 波的数据传输与缺陷检测同步实现方法

在结构健康监测领域,超声导波相对于体波具有传输距离远、覆盖范围大、检测成本低的优点。提出了一种基于Lamb波的数据传输与缺陷检测同步实现方法,实现了超声系统的多功能复用。通过理论仿真与扫频实验验证了Lamb波模态调制理论,使用压电晶片主动传感器在铝板上以500 kHz的中心频率激发出S₀模态Lamb波进行数据传输和缺陷检测。针对Lamb波边界反射引起的码间串扰问题,采用移不变稀疏编码方法进行信息恢复,在具有反射边界的铝板上成功实现100 kbps的信息传输速率,并且误码率为0。同时,利用移不变稀疏编码中的原子信号进行结构缺陷检测,根据合成孔径聚焦技术实现了缺陷的准确定位,定位误差小于0.2%。