超声调频激励方法及奥氏体不锈钢焊缝缺陷检测研究

发布时间：2018-05-12 07:30

本文选题：超声检测 + 调频激励　；参考：《哈尔滨工业大学》2015年博士论文

【摘要】：超声调频检测技术结合了调频信号激励和脉冲压缩算法,由于其具备较大的检测距离、较高的信噪比和时间分辨力,在焊接接头的超声检测评价方面有很大的应用前景。为了提高该技术的检测可靠性、适用性和灵活性,并有效解决粗晶奥氏体不锈钢焊缝的超声检测的低信噪比、缺陷识别困难等问题,还需在参数选择、波形设计及传播特征等方面对其进行深入的研究。本文分析了调频脉冲与超声检测系统的相互作用,提出了合理的带宽选择方法以及基于探头频谱特性的非线性调频波形设计方法,进一步研究了调频信号在粗晶各向异性不锈钢焊缝中的传播特征,在此基础上实现了对焊接接头的调频激励单探头成像检测。根据超声调频检测技术的原理,构建了满足不同检测方法和需求的调频激励检测系统,主要集成了信号激励、信号采集和超声扫描成像等硬件设备,采用LabVIEW平台开发了能够实现多功能信号快速采集、存储及处理的自动检测程序,提高了检测效率。基于调频检测系统平台,研究了调频激励带宽对超声系统检测性能的影响,由此提出了最佳激励带宽的选择方法。针对不同频率的超声探头,采用超声透射方法进行了调频带宽的测试,对接收的透射波进行脉冲压缩处理。研究表明,不同探头的时间分辨力和信噪比随带宽变化规律基本一致,与理想状态下的规律存在明显差异,其中时间分辨力随带宽以指数函数的规律变化,带宽增加时,时间分辨力先快速提高,当带宽超过一定值时,变化趋于平缓;检测信噪比随带宽呈高斯函数的规律变化,即先逐渐提高,在某一带宽下达到最大值,之后缓慢下降,说明在一定范围内增大激励带宽可有效提高系统检测性能。2mm小缺陷的调频激励TOFD检测实验,验证了上述带宽对检测性能的影响规律。研究发现激励带宽与探头频谱有确定关系,以探头的-12d B附近的频谱带宽进行调频激励时,可获得最佳的信噪比和时间分辨力。研究了调频激励信号与超声系统的作用机制,采用了窗函数法的幅度调制波形设计来降低旁瓣,并提出了基于频谱特性的非线性频率调制波形设计原则进一步提高系统的检测性能。幅度调制设计中,Hamming窗的设计方法较为简单有效地抑制了旁瓣,但其主要问题是会产生明显的主瓣展宽,降低了时间分辨力。研究发现系统输入信号频谱与探头频谱具有良好一致性时,可获得较为理想的系统输出特性,由此提出了采用探头频谱拟合的方法设计非线性调频波形。设计的波形具有矩形脉冲包络、S型的调频曲线和与探头近似的频谱,系统测试中与探头实现了良好匹配,其输出信号获得较小的波形失真和带宽损失。结果表明,非线性调频信号有效地改善了主瓣展宽的问题,时间分辨力达0.22μs,较幅度调制信号提高了30%,并具有较好的旁瓣抑制效果,主旁瓣比达25.8d B,较线性调频信号提高了50%。以不同结构的奥氏体不锈钢焊缝为对象,采用具有较高的综合检测性能的非线性调频信号进行了超声调频成像检测研究。针对对接焊缝的TOFD成像检测中,非线性调频信号激励相比常规超声TOFD提高了图像质量和缺陷识别能力,使检测信噪比提高了约8.2d B,且相对测量误差约为常规超声的三分之一。基于调频脉冲的大时宽大带宽特性,设计了可发射和接收调频脉冲的高阻尼和高延迟的宽带双晶探头,实现了单探头的调频激励检测,拓展了该技术在复杂结构中应用的适应性。采用设计的探头实现了70mm厚奥氏体不锈钢堆焊结构焊缝中的人工缺陷检测,与常规检测技术相比其检测信噪比平均提高了6.3d B,时间分辨力平均提高了36%。研究了非线性调频信号在粗晶材料中的传播特征,揭示了其传播的衰减特性及在焊缝的不同区域沿y向和z向传播的相对衰减系数随透射角度的变化规律。研究表明,非线性调频信号频谱中既具有较高能量和比例的低频成分,使其在焊缝中传播的衰减较小,又具有一定的高频成分,通过脉冲压缩技术可获得较高的检测信噪比和时间分辨力,在粗晶各向异性焊缝中传播的相对衰减系数较常规超声信号平均减小了1.0d B/mm,并且在缺陷检测中实现了高检测性能,证明了该技术可有效解决粗晶材料检测中高衰减、低信噪比、低时间分辨力的难点问题。
[Abstract]:In order to improve the detection reliability , the applicability and the flexibility of the ultrasonic detection system , the influence of the frequency modulation signal on the detection performance of the ultrasonic system is studied . This paper studies the propagation characteristics of nonlinear frequency modulated signal in coarse crystal material . The results show that the nonlinear frequency modulated signal has improved image quality and time resolution compared with conventional detection technique . The results show that the nonlinear frequency modulated signal has higher damping and time resolution than conventional ultrasonic signal .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG441.7

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