超声频域合成孔径聚焦技术在主轴缺陷检测技术中的应用

以钢制主轴为研究对象，将线性超声阵列探头置于主轴端面采集超声阵列信号。基于相位迁移（PSM）成像算法对采集到的超声阵列信号进行傅里叶变换，并通过角谱运算对频域内声场进行重建，最后通过反傅里叶变换即可实现整个成像区域的聚焦。成像结果表明:将主轴中宽度0.5 mm、深度1 mm表面切槽半波高横向水平宽度范围由23~29 mm缩小到19~22 mm，分辨率可提高的范围至少为17%~24%。此算法计算效率高，充分满足实时成像要求。     

基于FPGA的动态光弹仪声光同步系统的研制

通过动态光弹来观测超声声场传播过程的技术,是一种非常实用的超声无损检测辅助手段,其在检测方案、检测工艺参数确定上具有重要意义。但目前随着声学研究的不断深入以及电子计算机技术飞速发展对声光同步系统延时控制精度提出了更高的要求。提出一种用FPGA作为核心器件,将微控制单元、高精度计数单元等集成一体的设计方案。阐述了技术要点和设计方案,实现了动态光弹仪声光同步延时系统的高精度控制。整套系统结构精简、集成度高且成本低廉,对动态光弹技术在声场成像研究中的应用具有重要意义。     

相控阵兰姆波全聚焦算法的不锈钢薄板分层缺陷检测

航空金属薄板在加工时由于夹杂产生的气孔会随着使用过程中的拉伸和挤压而形成一种闭合型的分层缺陷。针对此类缺陷的检测,提出一种相控阵全聚焦成像算法与兰姆波检测结合的方法。首先从原理上分析并确定激励兰姆波的模态、频率及楔块的角度,其次对3 mm厚度不锈钢板中不同规格、形状的分层缺陷进行试验。结果表明:本研究方法能够对分层缺陷的轮廓成像;兰姆波易受缺陷上端面反射影响,导致缺陷下端面成像出现拖尾图像,且缺陷上端的定位定量精度要高于缺陷下端面;上端面缺陷的定位误差均在4%以内。     

基于相位相干性的厚壁焊缝TOFD成像检测研究

将相位相干成像(Phase coherence imaging,PCI)后处理算法应用于厚壁焊缝超声TOFD检测,有效改善低信噪比和水平分辨力问题。首先,利用合成孔径聚焦(Synthetic aperture focusing technique,SAFT)算法对TOFD-B图像的孔径数据集进行延时叠加处理。然后,基于PCI算法通过孔径数据集中各路信号的相位信息构建相干因子,用以表征B-SAFT图像中各像素点的相位相干性。最后,通过构建的相位相干因子对B-SAFT图像进行加权处理。结果表明,PCI算法能够通过放大相位分布对像素点幅值的贡献,有效抑制噪声和提高信噪比,使壁厚78 mm奥氏体不锈钢焊缝中3个Φ3边钻孔平均信噪比达到30d B以上,较TOFD-B图像提高了20 dB。此外,PCI算法还可增强孔径波束指向性提高分辨力,使48 mm壁厚CV焊缝中缺陷半波高水平宽度较TOFD-B图像缩小70%以上。     

镍-玻璃纤维复合层超声特征成像检测

对直升机旋翼前缘的镍-玻璃纤维复合层进行超声检测方法研究。分析镍-玻璃纤维复合层缺陷特征及缺陷识别方法;针对薄壁曲面构件的检测需求,采用便携式超声特征扫描成像方法和接触式聚焦方法,完成曲面旋翼前缘的扫描成像检测;利用超声特征扫描成像系统对检测信号进行全波列采集,并用幅值特征和频谱分析等方法对复合层脱粘缺陷进行分析和处理,实现高精度的缺陷显示和评价。     

304不锈钢塑性变形损伤的磁监测机理与试验研究

设计位移控制的拉伸试验，使用磁通门传感器监测拉伸过程中的磁信号，采用扫描电镜、X射线衍射仪、MPMS磁学测量系统和透射电镜等方法观察拉伸过程中微观组织的演变规律。重复性试验和磁化试验的结果说明了监测磁信号的可靠性。拉伸过程的磁信号可分为3个阶段，第1阶段磁信号快速增加、增加速度变缓，第2阶段磁信号持续增加、增加速度变快，第3阶段磁信号呈现上下起伏的振荡现象。第1和第2阶段的α′-马氏体相对含量分别变化了0.4%和5.8%,第3阶段试样的位错密度相较第1阶段更大。3个拉伸阶段磁信号变化的机理分别为，第1和第2阶段是马氏体相变和应力磁化α′-马氏体的共同作用，第3阶段与位错的作用有关；应力与磁信号之间存在相关性，可通过监测304不锈钢的磁信号振荡现象来对塑性变形失效进行预警。     

铝薄板裂纹电磁超声导波B扫描检测实验研究

采用Disperse软件,计算了3 mm厚度铝合金薄板的水平剪切(Shear horizontal, SH)导波频散曲线,设计制作了中心频率为0.22 MHz的SH导波电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer, EMAT),对铝薄板试样中直裂纹进行了B扫成像检测实验分析,采用同步挤压小波变换(Synchrosqueezedwavelettransform,SWT)对来自铝薄板试样中直裂纹SH导波信号进行了去噪处理。实验结果表明,SWT可以去除原始导波信号中的噪声,并实现导波模态分离,有助于改善B扫图像的质量。所设计的SH导波EMAT能够有效地检出3 mm厚铝薄板试样中10 mm长、1 mm宽、2 mm深的人工直裂纹。     

CFRP层板冲击损伤空耦超声Lamb波特征成像 ——基于时间反转损伤指数

为实现飞机碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）层板在役检测，采用同侧空气耦合超声兰姆波特征成像检测的方法对其缺陷进行检测。将非接触空气耦合超声传感器置于CFRP层板同侧，激发A0模态兰姆波，对其冲击损伤进行D扫描检测。引入时间反转损伤指数表征复合材料层板的冲击损伤。结合概率损伤算法，以该指数作为损伤重构成像的特征值，将不同扫描路径上的特征值数据进行融合，得到CFRP层板冲击损伤缺陷的兰姆波图像。结果表明，基于时间反转的兰姆波图像不仅能够直观地呈现损伤缺陷的位置和形状，而且能够通过避免基准信号选取和减少扫描步进次数显著提高检测效率。     

基于Omega-K算法的快速全聚焦超声成像研究

针对现有超声全聚焦技术难以实时成像的问题,提出基于w-k算法的快速全聚焦技术。首先将用于全聚焦方法(TFM)成像的三维全矩阵数据分解为N个二维子矩阵;利用快速傅里叶变换,将1～N号子矩阵由时域I(t,x)转换为频域D(k_Z,k_x);基于w-k算法构建波数迁移因子F(k_Z,k_x),对D(k_Z,k_x)进行加权得到I_D(k_x,k_z),实现频域中的声束聚焦;通过快速傅里叶逆变换得到子矩阵聚焦图像,并将其进行图像融合,最终获得全聚焦图像。结果表明,单核测试条件下,快速全聚焦方法获得具有200×300像素点的64阵元图像所需平均时间仅为0.65 s,而常规全聚焦算法需要1 467.36 s。综上,基于ω-k算法的全聚焦技术具有成像速度快、对硬件要求低等优点,为实时的高精度在线无损检测提供了一种可行方法。     

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。