超声波检测方法

超声波检测方法（精选12篇）

超声波检测方法 篇1

摘要：绞车在我国矿山各种大型设备中的数量较多、应用比较广泛的一种矿山设备。而绞车的车轴则是绞车的关键部件, 能否安全完好地生产运行将直接关系到矿山安全生产运行的重大问题。如何在不影响矿山正常生产运行的前提下, 使用科学的、完善的无损探伤检测手段, 从而达到检测矿山绞车的目的呢?本文应用西山矿物局机电总厂现有的CT-8C探伤机先后在西山矿物局白家庄矿、酉铭矿、杜尔坪矿、官地矿以及镇城底矿、马兰矿、西曲矿等地。对不同型号的绞车轴进行了超声波探伤。摸索了一套行之有效的绞车轴的无损探伤检测方法, 为该局设备正常、安全的生产运转提供了相关信息。并直接作为该局大型设备安全运转、维修的依据, 为其安全生产运行提供了关键的安全保证。

关键词：矿山绞车,超声波检测

1 矿山的绞车车轴损坏分析

矿山的绞车车轴因其绞车的型号不同而大相径庭, 但其均为大型锻件轴且长度在2-4米之间, 其轴径为100-600毫米不等。此类矿山的大型锻件内部存在着各种类型的缺陷, 而其形成的机理较为复杂, 其中超声波探伤不但能发现矿山的绞车车轴缺陷, 而且无损与矿山的绞车车轴。现在就让我们尝试一下分析矿山的绞车车轴发生裂纹的原因。

1.1 按其形成工艺大致可分为二种:一种是在冶练和铸造过程中所形成的疏松、偏析、缩孔与夹杂物;一种则是在其锻造或热处理的过程中所形成的裂纹、白点或晶粒粗大等。

1.2 矿山的绞车轴在长期的生产运转过程中有可能产生的其它一些缺陷。根据实际的情况。西山矿物局机电总厂对绞车的受力情况进行了分析, 选定为安放轴瓦的轴段内沿的圆周表面进行径向探测。这是因为圆周表面是绞车车轴的主锻面。而经锻打后, 某些纤维组织、碳化物将疏松、缩孔成条带状分布, 且缺陷通常会与主锻面平行, 易于被检测出来。矿山绞车车轴在生产运转的过程当中, 往往的承受着扭转和弯曲的组合变形, 且在轴瓦部位受力最大, 而弯矩却也最大。又因为有车轴轴肩的存在, 更易在此产生应力的集中, 所以说此处也是最容易产生裂纹的危险部位。由于轴瓦的保护, 此段车轴的表面粗糙度参数平均较低, 探伤灵敏度高, 产生误差小。在实际的探伤中, 探伤灵敏度的高低将直接关系到对检测结果进而影响对缺陷的定量及判定。又因为矿山的绞车轴的轴径不同, 且轴与试块在声程、材质、组织、形状和表面粗糙度等方面均存在着差异, 所以在诸多因素的影响下, 在选择探伤灵敏度时, 这些差异的影响均应考虑。

2 车轴无损探伤检测探测条件

2.1 在无损探伤检测过程中, 探头的选择应根据矿山的绞车轴的轴径不同。

而选择不同的超声波检测设备。可分别选用覬14、覬20探测频率为2.5MHz的直探头。

2.2 在探测矿山绞车车轴表面粗糙时, 探测面主要是轴的外圆表面。

为保证良好的声耦台, 探测面表面粗糙度应为Ra≥1.6m, 至少不低于Ra=3.2μm。

2.3 灵敏度的校正。

轴类锻件探测时常用的探测灵敏度为2mm平底孔。首先用直探头在IIW试块上进行声程定位, 然后将探头置于cs-l系列的平底孔试块上, 找到平底孔2 (或4) 所对应的最高回波, 调至基准高度80%并记录此时衰减器的读数d B1。而由于要考虑到各因素对d B值的影响, 即△=△g+△G+△β+△ɑ+△b+△c+△d式中△g-声程不同引起的d B差。

△G-反射体大小、形状不同引起的d B差

△β-表面耦合引起的d B差。

△ɑ-材质对声波衰减的不同引起的d B差

△b-表面形状不同引起的d B差

△c-底面凹凸引起的d B差

△d-底面倾斜引起的d B差

大多需要考虑此七种因素, 而具体到绞车轴则只须考虑前五种因素。对于矿山绞车车轴来讲, 则须参考锻件的要求, 而覬2平底孔缺陷不漏检。故

△ɑ=a1*s1/s2或△ɑ=a2*覬2/覬1

式中s1-试块的声程

s2-工件的声程 (即轴径) .

φ2-试块的平底孔

φ1-为检测要求

△ɑ由a1=001 (dB/mm) 而a2=002 (dB/mm) 决定

式中a1-试块双程材质衰减系数

a2-工件双程材质衰减系数

上述数据由轴径的具体尺寸计算而得, 其中△c和△b可测得。故探伤灵敏度为d B2=d B1+△c, 在以此进行的探伤过程中, 找到缺陷波后, 调至基准高度80%, 记录此时的分贝数d Bs。

2.4 车轴缺陷的定位;

从车轴的内部斜角探伤与从实心轴表面的斜角探伤原理相同, 但如若从探头到缺陷的距离为其实轴的1/3时, 可以提高探伤的灵敏度。我们所谓的斜角探伤方式是使超声波从探伤面倾斜入射, 从而接收从缺陷嗄射来的回波.从而检测出缺陷的一种无损探伤检测方法。如果没有缺陷.就没有回波返回, 从有无回波即可判定有无缺陷。

2.5 车轴缺陷的定量。

车轴缺陷可根据其渡形的变化而进行概略的定性。对缺陷的意陛分析, 依赖于对波形形状的观察和波形变化的观察, 当结合绞车轴在整个制造工艺过程中的情况时, 轴内可能出现的几种缺陷, 而在实际探伤中缺陷波在荧光屏上的反映是不同的。如游动波形的出现说明有一个相对于检测点的深度在不断变化的缺陷, 可能存在着危险性缺陷 (如中心孔的径向裂纹) 。如疏松可能出现很小的丛生缺陷反射信号, 则底渡明显降低;当缩孔存在时, 反射信号很强, 且轴衙连续存在;缩孔较大时, 底波严重衰减, 甚至消失。对于中心夹杂物, 缺陷反射信号在荧光屏上相对于锻件的中心位置呈丛状波形、晶粒粗大的波形a裂纹缺陷反射渡呈游离不定状态、撤陷的定性分析, 更加依赖于对波形变化的观察。判定时, 需认真分析波形的变化规律、游动的距离与底波的关系以及最大缺陷渡显示的位置等应综合考虑。根据实际情况, 必要时辅助于斜探头, 有助于发现一些径向的片状缺陷, 增加探伤的可靠性。

例:因为要求是覬2平底孔的不漏检, 所以缺陷当量是可以根据以下公式计算出:

可解得:覬1= () 当量

式中S1-被测轴的轴径φ2=2

S2-缺陷的声程

2.6 超声波校正灵敏度。

将探头置于csl系列平底孔, 试块上衰减器恢复到d B1, 观察回波高是否达到基准波高80%, 如无差异的话, 此次探伤有效, 否则存在误差, 需重新测定。

3 结论

经过对各矿绞车轴的检测, 此测试方法应用在绞车轴探伤中是可行的, 能较好地发现轴内所在的平行于主教面的缺陷, 并可大致地确定缺陷的当量、位置、深度及其性质。在现场测试中, 对发现有缺陷的轴段, 应辅助于斜探头, 可在端面进行探测, 必要时配合无损检测其它手段, 力求更确切地确定典巨质和形状。

周期地对在役绞车轴进行检测、资料存挡, 有助于随时发现一些危险性缺陷及缺陷的发展情况, 保证安全运行。在设备上, 应尽一步完善现场的随机记录, 尽量地排除一些人为因素给探伤结果带来的不良影响。完善、制定行业标准, 以便在工作中有据可查, 增强其可比性。

参考文献

[1]马铭刚, 陈德安, 张彩根.锅炉技术编辑组[J].无损探伤, 1984:194-195.

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[3]王娟, 王天敏.矿山绞车轴超声波检测方法的探讨[J].山西机械, 1996年第1期.

[4]杨金谕, 郝金江.煤矿绞车主轴疲劳裂纹检测[M].无损探伤, 2003年第27卷第3期.

[5]刘斌, 冯其波, 匡萃方.表面粗糙度测量方法综述[J].光学仪器, 2004年05期.

[6]牛树仁, 陈滋平.煤矿固定机械与运输设备[M].北京:煤炭工业出版社, 1988.

[7]陈维建, 齐秀丽.矿井运输及提升设备[M].北京:中国矿业大学出版社, 1989.

超声波检测方法 篇2

水泥混凝土路面厚度、强度超声检测方法

该文研究了水泥混凝土路面厚度和强度超声检测中的信号处理方法,设计了宽带换能器,提出了水耦合法和声时综合处理法.现场检测试验证明,该系统可明显提高检测效率,厚度测量精度优于5%,强度测量精度优于7%.

作 者：吴广文  作者单位：吉林市高速公路征地拆迁指挥办公室,吉林,吉林,13 刊 名：中国新技术新产品 英文刊名：CHINA NEW TECHNOLOGIES AND PRODUCTS 年，卷(期)： “”(16) 分类号：U4 关键词：水泥混凝土路面   厚度   强度   超声检测   信号处理  

超声波探伤检测研究 篇3

关键词：超声波探伤 检测技术原理 优点与缺点 未来发展

中图分类号：TP274.5；TP368.12 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2014）24-0000-00

1 超声波探伤检测的原理

在超声波探伤没有出现之前，金属探伤工作一直是靠表面观察、有经验的人员的观察和听声音等方法，后来出现了着色探伤和磁粉探伤这两种方法，有效的对金属内部的气泡与缺陷、裂纹等进行了揭示。但是相比起超声波探伤这一方法来说，前两种方法不但过程复杂，而且花费大，而且还存在着不准确，无法发现隐藏在工件内部的缺陷和裂纹的问题。这些问题在超声波探伤这一方法出现之后都得到了完美的解决。超声波探伤方法凭借其对工件的无损性，简单易行性，可靠性和可反复检测，一次购买长期使用的多种优点而被多大用户所称赞和喜爱。那么超声波探伤的工作原理到底是怎么样的呢？它是如何超越了传统的经验观察和磁粉探伤、着色探伤等探伤方法而在它们中间脱颖而出，成为其中的姣姣者的呢？这首先要从超声波探伤的原理说起。

人们都知道蝙蝠是通过超声波来活动觅食的。蝙蝠的发声器官与人类不同，它能够发出一种频率比人耳能够听到的声音频段更高的声波，这种声波具有良好的方向性，和非常好的穿透能力，并具有传播距离远，能够在碰到障碍物后反弹回来的良好特性。还能够用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。蝙蝠正是靠了这一特殊的器官与功能在夜间飞行和觅食的，凭借着超声波的良好传播和反弹的特性，蝙蝠即使是在伸手不见五指的黑夜中也能对周围的环境了如指掌，并完美的掌握猎物的方位和运动状态并成功的进行猎食。科学家们在了解了超声波与蝙蝠的这一优秀的功能之后，就将之运用到了船上，用它来测量水深和海中或者空中的物体。但是后来科学家们又发现了超声波在金属和一些物质中良好的穿透性能，凭借这一功能和遇上障碍物后反射的特性，科学家才发明了后来的超声波探伤仪。其工作原理就是靠着超声波在金属中良好的穿透性和遇上障碍物后反射的这两大特性。首先因为超声波声束能集中在特定的方向上进行传播，在介质中沿直线传播，其次，超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射，且在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。所以当我们用超声波来探伤时，一但在金属内部存在着气泡与裂纹，那么超声波在穿过金属介质到达气泡和裂纹后就会发生变化，然后再次遭遇金属介质后又会发生变化和反射，利用这些特性，探伤者就能够轻易的了解金属内部气泡的位置和大小，以及金属介质的厚度了。如图1所示。

图1 超声波探伤检测的原理

2 超声波探伤检测的优点与缺点

目前超声波探伤仪有许多种类，多个产品，但是几乎所有的产品的探头都是通过压电效应的工作原理来工作的。压电效应 是一种物理现象，指的是某些晶体材料在交变拉压应力的作用下，产生交变电场的效应。压电效应的另一个现象是当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形。而超声波探伤检测仪的探头正是用这种具有压电效应的晶体制造成的。这使得这种探头具有压电效应，当我们需要探伤时，接通电路，探伤系统发出高频电脉冲激励探头上的压电晶片时，就激发发生压电效应，制造出超声波。而当超声波遇上障碍物而反射回来时，探头上的晶片受到超声波的作用，又激发压电效应，将声能转换为电能，并由探伤系统中的处理后显示在显示屏上。目前超声波探伤仪有多种类型，横跨多个探伤领域，光探头就有直探头、斜探头、双晶探头等多个各类，目前最先进的是双晶探头，双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波，另一块用于接收超声波。根据入射角不同，又分为双晶纵波探头和双晶横波探头。不同于以往的直探头，现在的斜探头、双晶探头都有探测探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝、汽轮机叶轮等的功能，大大的扩展了超声波探头能够探测的工件的各类和范围。

总结起来，目前超声波探伤检测仪所具有的优点有这样一些：较强的穿透能力、较高的的灵敏度，可发现大小只有0.1毫米左右的气泡和裂纹、准确性较高，可发现气泡和裂纹的方向、大小和形状、探伤方便、可当场显示检测结果、操作方便安全。但缺点也不少，主要有这么一些：对检测人员的经验和操作要求较高、无法检测形状不规则，小而薄的物件，也无法检测材质不均匀的工件、无法准确的揭示出缺陷的详细情况、探伤仪昂贵，探伤成本较高等等。

3 超声波探伤检测仪器未来的发展趋势

参考上文中揭示的目前超声波探伤检测仪所具有优点与缺点，结合现代科学技术的现状和未来的发展趋势，超声波探伤检测技术将会向着以下几个方面发展：①向高精度、高分辨率方向发展。②高温条件下的测量明显增多，在线检测、动态检测增多。③在若干领域向超声无损评价发展，使得超声检测内容有了新的内涵。如超声检测技术与断裂力学相结合，对重要构件进行剩余寿命评价；超声检测技术与材料科学相结合，对材料进行物理评价。④在无损检测方面向定量化、图像化方向发展，超声检测系统将进一步数字化、图像化、自动化、智能化。⑤现代信息处理技术如数值分析法、神经网络技术、模糊技术、遗传算法、虚拟仪器技术将广泛应用于超声检测技术领域。

参考文献

[1]郑君.基于嵌入式系统超声波探伤的研究[D].北京交通大学，2008年.

[2]韩辉.数字化超声波探伤仪关键技术的研究[D].沈阳理工大学，2008年.

收稿日期：2014-11-16

作者简介：严伟（1983—），男，江苏靖江人，本科，检定员，助工。

超声波检测方法 篇4

关键词：混凝土缺陷,超声波,检测

公路桥梁在施工过程中, 由于技术管理不善或施工控制疏忽等原因, 往往会导致混凝土构件材料内部出现疏松、空洞、不密实等缺陷, 这些缺陷会影响到公路桥梁的承载能力和耐久性, 这些缺陷表面上看不到, 不能直观的去发现, 如果不能快速准确的检测到混凝土内部缺陷, 并判定缺陷的位置、性质、大小, 进而采取有效措施尽快处理, 就会埋下工程隐患, 影响桥梁的运营安全, 给人们的生命和财产造成无法估量的损失。

公路桥梁结构由于截面形式多样, 与规范对检测面的要求出入很大, 因此, 探索能够无损检测桥梁混凝土内部缺陷的方法就成了一个急需解决的课题。超声法无损检测是近年来国内外推广应用的混凝土构件内部缺陷的方法, 中国工程建设标准协会《超声法检测混凝土缺陷技术规程》 (CECS21:2000) , 为检测混凝土内部缺陷方法的推广和应用起到重要作用。但是, 由于公路桥梁受到混凝土内部大量钢筋的影响, 对判断缺陷的位置大小及尺寸造成很大的难度, 如何检测桥梁混凝土的内部缺陷是本文主要探讨的问题, 通过工程实例来说明一种实用的检测方法。

1 工程概况及要求

某公路桥梁结构形式为混凝土连续箱梁, 为单箱单室结构。某跨混凝土表面并无缺陷, 由于建设单位担心在施工过程中可能存在混凝土空洞或不密实区域, 因此委托检测单位来检测桥梁混凝土内部有无缺陷。

2 检测原理

超声波检测混凝土结构缺陷的原理是利用超声波在技术条件相同的混凝土中传播的速度、振幅、声时等参数的相对变化, 来判断混凝土的缺陷。一般来讲, 在无缺陷的混凝土结构中, 这些声学参数没有明显的差异, 如果结构存在缺陷, 破坏了混凝土的整体性, 超声波在遇到空洞、不密实区域的时候, 传播路径增长, 声时明显增长, 波幅和频率明显降低, 通过该处的声波与正常混凝土的声波参数进行对比综合分析, 就可以判断混凝土结构缺陷的部位、范围等。

3 混凝土密实度测试方法

根据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》 (CECS21:2000) , 被检部位要满足下列要求: (1) 被测部位应具有一对或两对相互平行的测试面; (2) 测试范围除应大于有怀疑的区域外, 还应有同条件的正常混凝土进行对比, 且对比测点数不应少于20。而实际情况无法满足有一对或两对平行的测试面的条件, 并且混凝土中存在钢筋, 钢筋对超声波的影响无法避免, 考虑到混凝土缺陷主要集中在腹板底部钢筋 (钢束) 密集处附近, 因此, 参照规范本次密实度检测采用“角测法”。

通过钢筋位置检测仪, 检测出被检部位的主筋位置, 检测缺陷时尽可能的避开钢筋区域。把整体的箱梁结构划分成若干测区, 通过测区来估测缺陷区的范围, 各测区选择10组测点, 相邻测点间隔5cm。先在密实区域测定各组测点的声时值, 再对各可疑区域进行测试。以图1b为例, 由于混凝土内部存在缺陷, 超声波传播过程中受到缺陷的阻碍, 导致“7-7”测点所测声时与密实区域相应位置所测声时相比将会出现明显增大, 由此可判断该位置存在缺陷。

4 缺陷区域判定方法

对混凝土密实区域, 实测声时值理论上应呈线性变化。假设本箱梁共测试71个测区, 以该71个测区为样本, 取其平均值数列μ, 及其标准差σ。以±σ为作为置信区间, 即认为μ±σ区间为密实区域所测声时值, 超过该区间的声时值为异常点。考虑到混凝土缺陷将导致实测声时值增大, 因此, 以μ+σ为密实区域声时值上限值μ上, 超过该上限值则认为混凝土存在缺陷。

密实区域样本平均值数列μ= (22.85, 37.45, 51.60, 67.78, 82.14, 95.46, 108.46, 122.00, 137.08, 150.62)

因此, 密实区域声时上限值μ上= (26.17, 40.78, 54.93, 71.10, 85.47, 98.78, 111.78, 125.33, 140.40, 153.95)

为更直观、清晰地表示各测区的密实度测试结果, 密实度结果表述分为以下4种情况:密实、轻微不密实、不密实、严重不密实。其表述方法见表1。

5 构件缺陷测试结果

选择跨并且以0号轴为起点, 根据实际情况将被测构件划分成6个部分, 每隔4m～6m选择一个测区进行测试。以下为测试结果。

5.1

各测区测试结果汇总表 (见表2)

5.2 测区典型的“测点—声时”曲线

通过检测数据可知, 本跨共抽查47个测区, 其中密实测区33个, 占总测区的70%。不密实测区14个, 占总测区的30%, 通过量测测区的面积和声时异常测点的部位, 可以确定缺陷区范围, 为工程的后期加固处理和消除工程隐患等提供可靠依据 (如图2) 。

6 结语

超声波检测教案 篇5

答：频率高于20000Hz的机械波称为超声波。重要特性：①超声波可定向发射，在介质中沿直线传播且具有良好的指向性。②超声波的能量高。③超声波在界面上能产生反射，折射和波型转换。④超声波穿透能力强。

2、产生超声波的必要条件是什么？

答：①要有作超声振动的波源（如探头中的晶片）。②要有能传播超声振动的弹性介质

什么是波长?什么是频率? 答:相邻两波峰(或波谷)的距离称为波长,每秒钟发生的波峰数称为频率 15.超声波检测利用超声波的哪些特性？ P4 答：①超声波有良好的指向性。②超声波在异质介面上将产生反射、折射、波型转换。③超声波在固体中容易传播

超声波的传播速度 P7-8 超声波垂直入射到界面时的反射和透射 P 15 超声波倾斜入射到界面时的反射和透射 P 21

1．何谓超声波声场？超声波声场的特征量有哪些？

答：充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，称为超声波声场。描述超声波声场的物理量即特征量有声压、声强和声阻抗。声压：超声波声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P与没有超声波存在时同一点的静压强P之差，称为该点的声压。声强：单位时间内通过与超声波传播方向垂直的单位面积的声能，称为声强。常用I表示。声阻抗：介质中某一点的声压P与该质点振动速度V之比，称为声阻抗，常用Z表示，声阻抗在数值上等于介质的密度与介质中声速C的乘积。

12．什么是波型转换？波型转换的发生与哪些因素有关？

答：①超声波入射到异质界面时，除产生入射波同类型的反射和折射波外，还会产生与入射波不同类型的反射或折射波，这种现象称为波型转换。②波型转换只发生在倾斜入射的场合，且与界面两侧介质的状态（液、固、气态）有关。

超声波的衰减

13．什么是超声波的衰减？引起超声衰减的主要原因有哪些？

答：超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。衰减的主要原因：

①扩散衰减：由于声束的扩散，随着传播距离的增加，波束截面愈来愈大，从而使单位面积上的能量逐渐减少。这种衰减叫扩散衰减。扩散衰减主要取决于波阵面的几何形状，与传播介质的性质无关。

②散射衰减：超声波在传播过程中，遇到由不同声阻抗介质组成的界面时，发生散射（反射、折射或波型转换），使声波原传播方向上的能量减少。这种衰减称为散射衰减。材料中晶粒粗大（和波长相比）是引起散射衰减的主要因素。

③吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内磨擦（粘滞性）和热传导等因素，使声能转换成其他能量（热量）。这种衰减称为吸收衰减，又称粘滞衰减。散射衰减，吸收衰减与介质的性质有关，因此统称为材质衰减。

21.超声波检测利用超声波的哪些特性？

答：①超声波有良好的指向性，在超声波检测中，声源的尺寸一般都大于波长数倍以上，声束能集中在特定方向上，因此可按几何光学的原理判定缺陷位置。②超声波在异质介面上将产生反射、折射、波型转换、利用这些特性，可以获得从缺陷等异质界面反射回来的反射波及不同波型，从而达到探伤的目的。③超声波检测中，由于频率较高，固体中质点的振动是难以察觉的。因为声强与频率的平方成正比，所以超声波的能量比声波的能量大得多。④超声波在固体中容易传播。在固体中超声波的散射程度取决于晶粒度与波长之比，当晶粒小于波长时，几乎没有散射。在固体中，超声波传输损失小，探测深度大。33．什么叫探伤灵敏度？常用的调节探伤灵敏度的方法有几种？

答：探伤灵敏度是指在确定的探测范围的最大声程处发现规定大小缺陷的能力。有时也称为起始灵敏度或评定灵敏度。通常以标准反射体的当量尺寸表示。实际探伤中，常常将灵敏度适当提高，后者则称为扫查灵敏度或探测灵敏度。调节探伤灵敏度常用的方法有试块调节法和工件底波调节法。试块调节法包括以试块上人工标准反射体调节和水试块底波调节两种方式。工件底波调节法包括计算法，AVG曲线法，底面回波高度法等多种方式。

34．焊缝斜角探伤中，定位参数包括哪些主要内容？

答：缺陷位置的记录应包括下列各项：①缺陷位置的纵坐标：沿焊缝方向缺陷位置到焊缝探伤原点或检验分段标记点的距离。记录时应规定出正方向。②缺陷深度：缺陷到探测面的垂直距离。③缺陷水平距离：缺陷在探测面上的投影点到探头入射点的距离，也称作探头缺陷距离。有时以简化水平距离代之，即缺陷在探测面上投影点到探头前沿的距离，亦称缺陷前沿距离。④探头焊缝距离：探头入射点到焊缝中心线的距离。⑤缺陷位置的横坐标：缺陷在探测面上投影点到焊缝中心线的距离，记录时应规定的正方向。其数值可以从③、④两参数之差求得。实际探伤中，由于焊缝结构形式不同，缺陷定位时，可依据标准或检验规程的要求，记录以上全部或部分参数。

35．何谓缺陷定量？简述缺陷定量方法有几种？

答：超声波探伤中，确定工件中缺陷的大小和数量，称为缺陷定量。缺陷的大小包括缺陷的面积和长度。缺陷的定量方法很多，常用的有当量法，底波高度法和测长法。36．什么是当量尺寸？缺陷的当量定量法有几种？

答：将工件中自然缺陷的回波与同声程的某种标准反射体的回波进行比较，两者的回波等高时，标准反射体的尺寸就是该自然缺陷的当量尺寸。当量仅表示对声波的反射能力相当，并非尺寸相等。当量法包括：①试块比较法：将缺陷回波与试块上人工缺陷回波作比较对缺陷定量的方法。②计算法：利用规则反射体的理论回波声压公式进行计算来确定缺陷当量尺寸的宣方法。③AVG曲线法：利用通用AVG曲线或实用AVG曲线确定缺陷当量尺寸的方法。

37．什么是缺陷的指示长度？测定缺陷指示长度的方法分为哪两大类？

答：按规定的灵敏度基准。根据探头移动距离测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。测定缺陷指示长度的方法分为相对灵敏度法和绝对灵敏度法两大类。①相对灵敏度法：是以缺陷最高回波为相对基准。沿缺陷长度方向移动探头，以缺陷波辐降低一定的dB值的探头位置作为缺陷边界来测定缺陷长度的方法。②绝对灵敏度法：是沿缺陷长度方向移动探头，以缺陷波幅降到规定的测长灵敏度的探头位置作为缺陷边界来测定长度的方法。

38．什么是缺陷定量的底波高度法？常用的方法有几种？

答：底波高度法是利用缺陷波与底波之比来衡量缺陷相对大小的方法，也称作底波百分比法。底波高度法常用两种方法表示缺陷相对大小：F/B法和F/BG法：①F/B法：是在一定灵敏度条件下，以缺陷波高F与缺陷处底波高B之比来衡量缺陷的相对大小的方法。②F/BG法：是在一定灵敏度条件下，以缺陷波高F与无缺陷处底波高BG之比来衡量缺陷相对大小的方法。底波高度法只能比较缺陷的相对大小，不能给出缺陷的当量尺寸。

99.名词解释：灵敏度

答：超声探伤系统所具有的探测最小缺陷的能力 100.名词解释：吸收

答：由于部分超声能量转变为热能而引起的衰减 101.名词解释：远场

答：近场以远的声场，在远场中，声波以一定的指向角传播，而且声压随距离的增大而单调地衰减 102.名词解释：重复频率

答：单位时间（秒）内产生的发射脉冲的次数 103.名词解释：频率常数

答：晶片共振频率与其厚度的乘积 104.名词解释：声场的指向性

答：波源发出的超声波集中在一定区域内，并且以束状向前传播的现象 105.名词解释：半波高度法

答：把最大反射波高降低一半（-6dB）用以测量缺陷指示长度的方法 106.名词解释：临界角

答：超声束的某个入射角，超过此角时某种特定的折射波型就不再产生 107.名词解释：阻尼

答：用电的或机械的方法来减少探头的振动持续时间

108.名词解释：距离幅度校准（距离幅度补偿、深度补偿）

答：用电子学方法改变放大量，使位于不同深度的相同反射体能够产生同样回波幅度的方法 109.名词解释：迟到回波

答：来自同一来源的回波，因所经的路径不同或在中途发生波型变换以致延迟到达的回波 110.名词解释：界面波

答：由声阻抗不同的两种介质的交界面产生的回波

111.什么叫超声场？反映超声场特征的主要参数是什么？

答：充满超声波能量的空间叫做超声场，反映超声场特征的重要物理量有声强、声压、声阻抗、声束扩散角、近场和远场区

112.超声探伤仪最重要的性能指标是什么？

答：超声探伤仪最重要的性能指标有：①分辨力；②动态范围；③水平线性；④垂直线性；⑤灵敏度；⑥信噪比

113.超声波探伤试块的作用是什么？

答：试块的作用是：①检验仪器和探头的组合性能；②确定灵敏度；③标定探测距离；④确定缺陷位置，评价缺陷大小

114.用CSK-1A试块可测定仪器和探头的哪些组合性能指标？

答：可测定的组合性能指标包括：①水平线性；②垂直线性；③灵敏度；④分辨力；⑤盲区；⑥声程；⑦入射点；⑧折射角

115.焊缝探伤时，用某K值探头的二次波发现一缺陷，当用水平距离1:1调节仪器的扫描时，怎样确定缺陷的埋藏深度？

答：采用下式确定缺陷的埋藏深度：h=2T-(水平距离/K)，式中：h-缺陷的埋藏深度；T-工件厚度；K-斜探头折射角的正切值

6.波长λ、声速C、频率f之间的关系是

λ=c/f

16.在平板对接焊缝的超声波检测中，为什么要用斜探头在焊缝两侧的母材表面上进行？

答：在焊缝母材两侧表面进行探测便于检出焊缝中各个方向的缺陷；便于使用一次、二次声程扫查整个焊缝截面，不会漏检；有些缺陷在一侧面发现后，可在另一侧面进行验证；一般母材表面光洁度比焊缝高，易于探头移动扫查，也可省去焊缝打磨的工作量

23．超声波探伤中常用的方法有几种？

答：常用两种方法表示缺陷相对大小：F/B法和F/BG法。（F表示缺陷波高、B表示缺陷处底波高、BG表示无缺陷处底波高）。

24．超声波焊缝检验中，“一次波法”与“直射法”是否为同一概念？

答：是同一概念。“一次波法”是指在斜角探伤中，超声束不经工件底面反射而直接对准缺陷的探测方法，亦称为直射法。11．探头保护膜的作用是什么？

答：保护膜加于探头压电晶片的前面，作用是保护压电晶片和电极，防止其磨损和碰坏。

12.对探头保护膜有哪些要求（至少3条）？

答：耐磨性好，强度高，材质衰减小，透声性好，厚度合适。13．简述聚焦探头的聚焦方法？

答：聚焦方法：凹曲面晶片直接聚焦 采用声透镜片聚焦。14．简述聚焦探头聚焦形式？ 答：聚焦形式：点聚焦和线聚焦。16.什么叫AVG曲线？

超声波检测方法 篇6

【关键词】钻孔灌注桩；超声波透射法；检测

0.引言

钻孔灌注桩可以在任何地基上使用，无论是硬土地基还是软土地基，而且还可以建造直径大的成桩。但是在施工过程中，因为钻孔灌注桩的工序复杂，且需要高技术，容易受到多种因素影响而容易产生夹泥、缩颈、空洞、断桩等缺陷，采用超声波投射法能有效对桩基础工程质量进行检测，并体现出细致性、准确性、可靠性、覆盖广、受限制条件少等特点。本文对钻孔灌注桩的超声波透射法检测进行了浅显的探析。

1.超声波透射法检测钻孔灌注的基本原理

由于各种大型的钻孔浇筑施工的出现，声波透射检测法越来越多的运用于桩基的施工检测当中。由于技术的进步，数字化的声波仪在成本上大大降低，完全取代的传统的声波仪器，在使用质量和使用效果上有了巨大的飞跃和进步。由于技术的进步，其判断的误差越来越小，判断标准包括声失、声幅和声频，体现出广阔的应用前景[2]。钻孔灌注桩桩身多是有不同种材料组合而成，在力学特性上体现出粘-弹-塑性的凝聚体特点，从而使钻孔灌注桩的混凝土内有较大的声阻抗差异并存在许多声学界面。超声脉冲波在混凝土中传播速度快与慢取决于混凝土的密实度，混凝土密实度低则声速低，密实度高则声速高。此外，由于混凝土的声阻抗率显著高于空气声阻抗率，但超声遇到蜂窝、空洞等缺陷时，其频率较高的成分衰减更快，接收信号的波幅显著降低，进而使频率降低。再加上缺陷反射的脉冲波信号与直达波信号叠加而使接收信号的波形出现变形。因此利用超声脉冲波在混凝土传播时的声学参数和波形变化，能对钻孔灌注桩中混凝土缺陷位置和范围进行准确判断，并对其缺陷尺寸进行计算。

2.超声波透射法的方法和步骤

在对钻孔灌注桩缺陷进行检测的过程中多采用的超声波透射法的现场检测技术。首先，埋设声测管。声测管使超声波透射法测钻孔灌注桩时径向换能器的通道，声测管埋设数量与检测的剖面数呈正相关。一般来说，声测管埋设数量又是桩径大小决定的，但桩径在800mm以下，则埋设2根；当桩径在800mm至2000mm之间，则埋设至少3根声测管；当桩径大于2000mm，则至少埋设4根声测管。预埋声测管布置图，如图1所示，该工程在施工前已预埋了三根内径为50mm、外径53mm的声测管，作为换能器的通道。测试时两根声测管为一组，通过清水的耦合，超声脉冲信号从一根声测管中的换能器中发射出去，在另一根声测管中的换能器接收信号，声波检测仪采集接收到的信号，并进行记录与储存。换能器由桩底同时往上依次检测（每次移动步长为200mm），遍及各个截面。最后由计算机对接收信号进行分析，计算有关参数，并打印测试结果（如图2所示）。

在声测管材质的选择上也尤为重要，要对其强度和刚度进行有效控制，确保声测管在混凝土灌注桩中不会出现损坏，在实际测量中多采用钢制波纹管。在施工过程中，将声测管预先固定在钢筋笼内，用点焊方法将其固定在架立筋内侧，在声测管安装过程中，要保证其平行性，从而避免声测管堵塞。由于声测管的安装与埋设质量与检测工作的开展以及检测质量有着密切联系，因此要予以足够的重视[4]。

现场检测的具体步骤如下：首先，要将所有仪器设备连接，并检查各设备的供电情况，之后根据桩径大小选择适当的换能器和仪器参数，在对钻孔灌注桩进行检测的过程中，避免对仪器参数的更改，如若必须对仪器参数进行更改，这需要对相应的数据进行换算校正。其次，测量整个检测系统的声时初读数。再次，检测时从底部逐点向上检测，并产生的相应深度、声时、波幅等数据进行详细记录。在此过程需要注意的是，两个换能器必须以同一高度进行同步移动，每个测量的两个换能器高度差应控制在20mm以内，测点之间的距离应控制在250mm左右。对于可疑部位要进行复测或加密监测，从而准确地判定钻孔灌注桩混凝土缺陷位置和分布范围。

3.桩身混凝土缺陷的判断方法及桩身完整性评价

在桩身混凝土缺陷的判断中，取得超声波透射法测桩的声学参数尤为必要，也是对桩身混凝土缺陷判断的关键。通过超声参数对桩身混凝土缺陷的判断中，主要有概算法和斜率法。首先，概算法是通过对同一根桩进行不同剖面的声速、波幅、主频值进行计算，当某测点有一个或多个声学参数被判为异常值，则该测点为存在缺陷的可疑点。其次，斜率法，主要用声时t与深度曲线h相邻测点的斜率k和相邻两点声时差值的乘积Z，绘制出关于Z和深度h的曲线，以曲线的突变位置为着眼点，并结合波幅的变化来对存在缺陷的可疑点或可疑区域进行判断。在对钻孔桩桩身完整性进行评价的过程中，可将相关对桩内缺陷特征的描述与非超声波检测仪检测的一些典型曲线结合起来，进而实现对钻孔桩桩身完整性评估[5]。如果桩身各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常，则为I类桩，否则可根据不同情况的声学参数判断基桩类别。

4.结语

超声波透射法检测钻孔桩的技术主要通过利用非金属超声波检测仪与柱状径向振动换能器作为检测系统，借助预埋的声测管对钻孔灌注桩进行全面、细致的检测，在对钻孔灌注桩桩身完整性检测中体现出了较强的直观性和可靠性，其应用前景也随着技术的进步而不断扩广。 [科]

【参考文献】

[1]钟会生，郭大兵，阎光辉，毕旭冰，邢国英.钻孔灌注桩超声波检测方法与缺陷判断[J].河南交通科技，2010（06）：162-163.

[2]Th.Voigt，Ch.U.Grosse，Z.Sun，S.P.Shah，H.-W.Reinhardt.Comparison of ultrasonic wave transmission and reflection measurements with P-and S-waves on early age mortar and concrete[J].Materials and Structures，2012（08）：115-116.

[3]高玉英，乔华.超声波透射法检测钻孔灌注桩技术[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2010（02）：233-234.

[4]孙光乾，吴迪.超声波透射法在混凝土灌注桩检测中的应用[J].科技情报开发与经济，2012（10）：223-224.

超声波检测方法 篇7

南广高速铁路NGZQ-7标现浇梁采用华润水泥浇筑的18孔梁及南江口大桥2个悬灌施工节段进行混凝土强度检测, 以确定被检测简支梁及连续梁节段的混凝土强度是否满足设计要求及相关验收评定标准。

2 检测部位

本次检测对象为简支梁和连续梁的部分节段, 对于简支梁来说, 强度回弹截面为5个, 每个截面分为8个测区, 为了更好地获取回弹数据, 本次测试一个测区回弹20个点 (超过规范16个点) , 剔除大数、小数各3个, 取14个点的平均值作为回弹值, 受到工作条件的限制, 本次检测针对对每一片梁的检测测区数据略有调整。连续梁节段混凝土测试由于箱外表面测区测试困难, 仅测试箱内测区。超声波修正用超声波波速采用本批次生产的混凝土超声波速的平均测试值, 测区及测点布置说明见图1。

3 检测及评定依据

(1) “铁路工程结构混凝土强度检测规程”, TB10246-2004;

(2) “铁路混凝土强度检验评定标准”, TB10425-94;

(3) 技术资料 (主要为施工工艺、浇筑时间、施工配合比等) 。

4 检测设备及仪器

(1) 数显回弹仪, 型号:FH-G402;

(2) TICO超声波混凝土检测仪器 (瑞士) (北京铁科提供仪器及技术) ;

(3) 钢尺等测量工具。

5 混凝土构件施工工艺及配合比

混凝土简支箱梁采用膺架法现场浇筑, 连续梁采用悬灌法施工, 混凝土施工均用泵车泵送入模。

由表1可以看出, 现浇简支梁及悬臂施工的连续梁节段的混凝土施工配合比及理论配合比基本一致。

6 检测结果及分析

截至检测前, 混凝土的龄期均大于50天。回弹简支梁梁体共16孔和悬灌梁6个节段, 测试测区共451个。回弹法修正参数为测试角度、钢筋保护层修正、超声波检测修正、泵送修正, 强度推算按《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 (JGJ/T23-2001) 》计算修正;超声波检测参照《超声波检测混凝土缺陷技术规程 (CECS21) 》计算修正。现以表2“一孔梁采用回弹超声波检测综合法计算示例”。

(1) 检测结果及分析

本测试451个测区, 对回弹强度作以分析统计, 统计结果见图2~6。

超声波检测法数据根据“TICO超声波混凝土检测仪器 (瑞士) ”仪器测试数据据实导出, 因数据较多, 仅以表3一孔梁 (与表2回弹对应) 回弹的数据示例。

(2) 超声回弹综合法测试结果及分析

根据实际梁体混凝土的超声波波速测试结果, 对回弹法得出的结果进行修正并考虑泵送修正值, 最终推算结果参阅表2中的最后一列数据。需要说明的是, 考虑到目前规范中混凝土的最高强度为60MPa, 本次结果处理中将大于60MPa的数据一律以“>60”计。综合分析超声回弹综合法测试的混凝土强度结果可知, 本次测试的451个测区, 强度大于60MPa的为432个, 占测区总数的95.8%;强度介于53.5MPa~60MPa之间的测区数为17个, 占测区总数的3.8%;强度介于50MPa~53.5MPa之间的测区数位2个, 占测区总数的0.4%。强度介于50MPa~53.5MPa之间的2个测区均位于建城河特大桥连续梁31号墩5号块大里程侧和小里程侧的顶板位置, 由于受到回弹操作条件的限制, 导致该部位回弹值略低, 左、右腹板混凝土超声回弹综合强度均高于60MPa, 据此推断顶板的混凝土强度亦满足设计及验收标准要求。

7 主要结论

本次检测得出的C50混凝土超声波波速范围为4400m/s~5130m/s, 与北京铁科在实验室制试件的试验波速4280m/s~5080m/s数据基本相当, 混凝土的密实性良好。

超声回弹综合法得出的混凝土强度满足“铁路混凝土强度检验评定标准”要求, 本次检测梁体混凝土强度的合格率为100%。

8 结束语

通过南广高速铁路现浇梁混凝土强度回弹法与超声波法综合检测的方法, 并依据科研部门试验室内回弹同标号混凝土制件超声波检测波速验证, 可充分说明, 回弹与超声波综合检测法能更好地验证实体混凝土强度, 为实体混凝土强度检测又提供路一条更科学的检测方法。

摘要：工程施工中混凝土强度检测一般通过两种方式检测, 一种是取芯试压, 此种方式可直接反应混凝凝土的真实强度, 但对混凝土结构会造成一定程度破坏, 或因构件含筋率较高, 不易取出完整的素混凝土芯样, 操作起来有一定的难度;另一种方式是采用现场回弹, 此种方法常因仪器或操作人员操作方式不当影响混凝土回弹数值的准确性, 只能作为混凝土强度值参考指标。本文通过介绍南广高铁混凝土现浇梁采用回弹超声波检测综合法的检测方式, 能真实检测混凝土实体的强度值。

超声波检测方法 篇8

对钻 (挖) 孔灌注混凝土桩, 其原理是:当仪器中的脉冲信号发生器发出一系列周期性电脉冲, 加在发射换能器的极板上, 电脉冲通过发射换能器转换成一系列超声脉冲, 穿过被测的混凝土, 并被接收换能器所接收, 接收换能器把带有介质特性的超声脉冲信号重新转换成电信号, 通过放大整形, 仪器就会显示出混凝土的各种物理量 (如声时、幅值、频率, 波形) , 不同的介质, 这些物理量也是不同的, 通过分析这些物理量的变化, 就可以判断出混凝土的灌注质量。

2 声测管的预埋

2.1 声测管的选择。

目前许多大直径灌注桩基础均采用钢管为声测管。声测管的直径, 通常比径向换能器的直径大10mm, 常用规格是内径φ50~60mm。管子的壁厚对透声率的影响较小, 所以, 原则上对管壁厚度不作限制, 但从节约费用的角度而言, 管壁只要能承受新浇混凝土的侧压力, 则越薄越好。

2.2 声测管埋置数量和布置方式。

根据中华人民共和国行业标准JGJ/T93—95《基桩低应变动力检测规程》规定:在桩径较小时, 由于声波换能器与钢管的声耦合会引起较大的相对测试误差, 超声波法只适用于桩径大于0.6米的灌注桩基础。桩径0.6~1.0米应埋设双管, 沿直径对称布置;1.0~2.5米应埋设三根管, 呈等边三角形;桩径2.5米以上应埋设四根管, 呈正方形。

2.3 声测管的安装。

声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧, 每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口或套管焊接方案, 管的下端应封闭, 上端应加盖, 以确保管道畅通。声测管之间应相互平行, 误差不大于1‰, 检测时应在声测管内注满清水。

3 仪器设备

3.1 超声检验仪。

声波检测仪器的技术性能应符合行业标准的规定外, 为了提高现场测试效率, 仪器还应有自动测读、信号采集、存储和数据处理系统, 尽可能在现场把检测结果显示出来。

3.2 换能器的选择。

换能器应采用柱状径向振动的换能器, 共振频率宜为25~50KHz, 长度宜为20cm, 若使用带前置放大器的换能器, 则前置放大器的频带宽度宜为5~50KHz。换能器的水密性应满足在1MPa水压下不漏水。发射与接收换能器在长度、频带宽度及水密性方面要求相同。应注意的是, 带前置放大器的换能器只能使用在超声仪器的接收端。换能器的实测频率相差应不大于±10%。

3.3 超声仪的标定。

按中国工程建设标准化协会标准CECS21:90《超声法检测混凝土缺陷技术规程》中第二章的内容, 对超声仪进行校核, 其各项技术指标均应满足要求。

3.4 电源的准备。

目前我国生产的超声仪都配置有两种电源接口:交流电220V, 直流电12V或24V。当使用工地交流电时, 应配置交流稳压器, 以防工地电压不稳而损坏仪器。当使用直流电时, 应注意不要把正、负极性接反。有一种电源逆变器, 可直接利用汽车里的点烟器, 把直流电转换成交流电, 使用起来很方便。

4 桩基质量缺陷判断

现场检测有粗测和细测两种方法。在正式测试之前, 首先把探头放置在正常的混凝土中 (一般是人工放置) , 调整发射电压和衰减倍数等, 使荧屏上出现正常波形, 并把首波幅值调到4~5cm或3~4格, 然后固定电压和衰减倍数, 接下来就可进行正式检测了。粗测一般采用平测, 即:两探头置于混凝土中同一高度, 每次同时往下放, 测试间距为50cm, 每个测试点, 等波形稳定后, 记录下实测参数 (声时、首波幅值, 必要时可记录频率和对波形进行存储或拍照) 。下面以两根声测管为例, 使用北京市政研究院生产的智能型NM—3A型仪器, 以声测管管平面为基准, 自上而下进行检测, 混凝土龄期在7天或7天以上, 其具体测试步骤如下:首先将两探头置于离声测管平面最近的混凝土中 (如1m) , 此时把仪器参数设置中的起始点设置为1, 测试间距设置为50cm, 采用有序测试 (仪器可自动显示测至几米、测的点数) , 其它参数可参考说明书而定。若第一点混凝土完好, 则声时、幅值和波形正常, 按50cm放置, 继续往下检测, 当所测某点声时偏大 (超过20μs) 、幅值降低、波形畸变时, 该点的混凝土就被怀疑有问题。若所测某点声时急剧增大或接收波首波信号都难以找到、首波及后续波的幅值大幅度衰减、波形严重畸变, 则该点的混凝土肯定有严重的缺陷。若接收波首波信号找不到, 首波幅值衰减严重 (衰减80%~100%) , 则由自动测读方式该为手动测读方式, 此时可向计算机输入一较大的声时和较小的幅值, 为了便于总结经验, 还可以把波形储存起来, 以便将来作对比验证。照此方法测至声测管底, 给该桩起个文件名, 保存后退出检测程序, 则该桩测试完毕。进入桩基数据处理系统进行数据分析, 若混凝土质量良好, 灌注均匀性良好, 混凝土7天试块强度可达设计强度的70%以上, 则该桩为合格桩。

5 结语

钻 (挖) 孔灌注桩基础作为一种基础形式已被广泛应用于公路、铁路、水利、建筑等领域, 其施工质量的好坏, 直接影响到企业的声誉、国家和人民生命财产的损失。为了确保桩基质量, 施工单位必须严格按照国家行业标准《JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范》精心组织施工, 试验检测机构也应有一种先进、可靠的检测手段去严把质量关, 判定灌注桩基础的工程质量。超声脉冲法 (简称超声波法) 就是一种设备简单、检测迅速方便、定性定量准确可靠的无损检测方法。

参考文献

超声波检测方法 篇9

电力设备是构成智能电网的核心部分, 它的正常运行是电网安全的根本保证。其中变压器是核心设备, 也是电力系统事故相对较多的设备之一。其运行可靠性直接影响电力工业的正常生产。随时检查变压器状态, 及早发现并排除其可能发生的故障, 已成为保障供电可靠性的重要手段[1,2,3]。

传统的检测方法只是单一的抽取样本后在室温下进行测量, 这样不能反应变压器油在变压器运行过程中的正确状态。因为温度的变化会使变压器绝缘纸中的水分迁移到油中, 造成击穿电压值的极大变化。为了能更好的观察这个变化过程, 需要在实验室建立一个同比例的变压器模型及温度计算模型, 通过系统软件对模型的分析计算, 以此准确测量在不同温度下, 水的动态迁徙过程对绝缘油参数的影响。

目前应用于变压器检测的技术主要是油色谱分析、红外测温和局部放电在线检测等技术。例如, 通过油色谱分析技术对变压器中存在的故障进行分析, 但是利用气相色谱法检测油中溶解气体, 从取油样到油气分离再到色谱分析的全过程存在着环节多、操作手续繁琐、试验周期长等弊病, 不可避免地引进较大的试验误差[1,4], 这种方法对于发展较快的故障检测则感到不够及时, 难以充分发挥它的作用。

文献[5,6]提出红外测温技术对变压器检测, 其具有非接触式测量, 测量范围广, 测温速度快等优点, 但它易受环境因素影响较大, 对于光亮或者抛光的金属表面测温读数影响较大, 只能测量变压器外部温度, 不能测量变压器内部和存在障碍物时的温度, 而且温度只是变压器其中的一个参数, 不能根据其温度而准确反映变压器的运行状态。

文献[7,8,9]采用局部放电实验检测变压器故障, 这种检测方法由于局放信号很弱, 现场的干扰性很强, 有时干扰信号甚至比局放信号强2到3个数量级, 不能准确识别局放信号和有效抑制干扰, 测量出来的结果具有较大的误差, 这是局部放电在线检测技术一个较大的局限。

本文对基于多频超声波原理的变压器检测方法进行探究, 利用多频超声波技术可将几百个超声参数可以在一秒钟内聚集在一个测量扫描频率。之后经过超声波接收装置对反射的超声波信号进行检测和接收, 这些超声波信号中带有关于变压器油中的不同物质的具体特点的信息。对大量的试验数据进行分析, 得到多种变压器油参数包括微水分含量、击穿电压、介电损耗因子、油导电性以及油表面张力等;并开发基于多元统计分析技术、复数人工神经元网络的数据分析软件, 建立一个各种类型油样本的数据库。通过一系列智能算法将这些特征值 (超声波参数) 和油样本参数建立关联。对变压器油参数的分析推断变压器真实的运行状态。

因此, 本文主要进行了如下研究工作:

1) 提出运用多频超声波技术进行变压器油检测;

2) 开发可以测量多种变压器油参数的单台设备, 变压器油参数包括微水分含量、击穿电压, 介电损耗因子, 油导电性以及油表面张力;

3) 实现在不停电、不加压条件下测量变压器的击穿电压, 介电损耗因子等参数;

4) 简化传统的变压器检测操作方法, 及时全面的了解变压器的运行状况信息。

1 算法研究

开发基于多元统计分析[10]和复数人工神经元网络的数据分析软件对采集到的多个频率的超声波参数, 包括超声波幅值、相位、频率以及飞行时间进行分析处理, 进而判断变压器具体故障名称。

1.1 多元统计分析数学模型

多元统计分析可以有效地处理多维或多变量数据, 剔除一些冗余、无效的数据, 达到降维的目的[11,12], 继而根据有限的线性不相关数据可以准确有效的统计信息的特征。本文主要采用多元统计分析中的主分量分析 (Principal Component Analysis, PCA) 的改进方法——相对主元算法[12,13], 根据相关文献[13,14,15,16]可知其基本算法步骤为:

1) 将接收的多频超声波按频率分为N (N>100) 个样本数据, 每个样本数据中含有M个数据, 包含每次接收超声波的幅值、相位、频率以及飞行时间。首先利用公式 (1) 对这些数据进行标准化, 标准化后数据均值为0, 方差为1。

其中, XR为X经变换矩阵Q计算后的矩阵, Q变换矩阵, Qi为权重系数, 其值根据文献[18,19]计算得到。

2) 计算相对化矩阵XR的协方差矩阵RXR

3) 求解协方差矩阵RXR的特征值λi与相对应的特征值pi, λi是RXR的第i个特征值, 满足

式中I为单位矩阵。

4) 由累计贡献率求出相对主元个数j, 具体公式如下:

5) 计算矩阵T

式中, 矩阵T中包含的数据即为将超声波主要参数经相对主元算法转换后的数据, 这些数据将进一步由复数人工神经元网络算法进行处理。

1.2 复数人工神经元网络数据分析原理

复数人工神经元网络[15,16]不仅具备传统人工神经元网络的良好自主学习功能, 自适应的调节自身权值而且能够克服传统人工神经元在相位处理上的缺陷, 实现节点和权值的范围从传统的实数域扩展到复数域, 并针对高阶统计量算法数据量需求大, 以及二阶统计量算法不能处理含公零点信道的缺陷进行了优化。复数人工神经元主要思想是对神经元权值取复数, 其主要结构如下图1所示, 主要由输入层、隐藏层及输出层构成。

图1中, wi为神经元之间的连接强度, 称为复数加权值1。首先将数据库数据样本X=[x1, x2...xn]Τ (与多元统计分析得到的数据一致) 和对应故障的特征值作为给定Y*=[y1*, y2*...yn*]Τ作为给定信号, 利用人工神经网络自主学习, 训练出对应输入的复数加权值üwü1üw2wi。

其激活函数定义为[20,21]:

其中j∈{0, k-1}, i为虚数单位, , arg (z) 为复数z的幅角。

根据式 (6) 和 (7) , 计算出输入量xi对应的输出量yi, 即

根据式 (8) , 计算出偏差量Δyi, 即

公式 (9) 表示权值的变化量, 其中η称为学习速率, i为输入矢量的共轭复数。公式 (10) 中的wi (k) 为当前权值, wi (k+1) 表示学习后的权值。

2 基于多元统计和复数人工神经元网络的变压器故障检测

2.1 基于人工神经元网络的变压器故障自主学习

人工神经网络中的各项参数是根据学习样本[18], 本文采用的学习样本是变压器各项故障特征值。由于变压器各项故障所变现出的特征值是不同的, 根据对常见变压器故障, 比如低压相间短路放电、绝缘结构体绝缘过热以及分接开关飞弧或者火花放电等等各种变压器故障。数据库中的样本数, 即变压器故障特征值, 共计有1200组数据作为学习样本。因此, 本文中所选用的复数人工神经元网络的输入节点数为20, 输出节点为23, 所使用的隐藏层中的节点数具体由网络自主学习不断调整得出。

经多元统计分析得到的数据, 作为人工神经网络输入矩阵X (1200×20) , 目标输出矩阵Y (1200×23) , 学习速率η=0.1, 误差系数[14,15]为0.0001。初始化时候将各个神经元支路加权值统一设为1, 开始根据变压器故障特征值和接收到的多频超声波特征值进行自主学习, 训练出各个故障特征对应的复数加权值wi。

人工神经网络自主学习流程图如图2所示。

自主学习流程详述如下:

Step1:复数加权值、误差系数及学习次数初始化, 本文中将wi赋值为常数1, 误差系数为0.0001, 学习次数设置为10000。

Step2:计算输出值yi, 利用, 计算出输入量xi对应的输出量yi, 其中激活函数的定义方法如下

中j∈{0, k-1}, i为虚数单位, arg (z) , z=w1x1+w2x2+...+wnxn为复数z的幅角。

Step3:计算偏差量∆yi=yi*-yi

Step4:根据Step3计算得到的偏差值Δyi判断是否满足误差要求, 本文中设置的误差系数为0.0001, 若Δyi>0.0001, 则执行Step5, 若Δyi<0.0001则执本次自主学习结束。

Step5:判断是否达到预设的学习次数。本文中预设的学习循环次数n为10000, 若n>10000, 则此次学习结束;若n<10000, 则执行Step6。

Step6:调整复数加权值。根据公式 (6) ~ (7) 计算出加权值变化量, 并叠加到之前的复数权值, 即∆wi=∆yiηi, wi (k+=1) wi (k) +∆wi, 其中, η称为学习速率, i为输入矢量的共轭复数, wi (k) 为当前权值, wi (k+1) 表示学习后的权值。

Step7:重复Step1至Step6, 直至学习结束, 即可得到学习后的复数加权值。

2.2 求解变压器故障问题

最后, 根据1.1节中多元统计分析得到的数据矩阵T和1.2节中训练出的复数权值, 对1.1节的变压器油参数进行计算, 并将最后计算得到的特征值和数据库中的特征值进行比对, 进而得到故障名称。

3 多频超声波变压器检测系统设计

3.1 总系统结构设计

如下图3所示, 多频超声波变压器检测系统设计结构包括:超声波发射接收控制单元、多频超声波传感器和数据分析软件。

其中, 超声波发射接收控制单元上安装有电源接口、电源开关、Internet网络接口、超声波信号输出接口及接收接口。各主要功能部分简要介绍如下。

超声波发射接收控制单元:安装有电源接口、电源开关、Internet网络接口、超声波信号输出接口及接收接口, 该模块主要用于控制多频超声波的发射及多频超声波信号的接收。内设有多频超声波发生装置, 多频超声波发生装置内部连接至超声波发射接收控制单元的超声波信号输出接口, 输出接口经导线连接到多频超声波传感器, 多频传感器的输出信号经导线连接至超声波发射接收控制单元的超声波信号接收接口, 超声波信号接收接口将信号传输至超声波发射接收控制单元的信号处理电路, 基于DSP技术的控制电路可以准确地完成超声波原始信号到振幅、相位以及超声波速度等超声波参数的计算。然后通过网络端口将超声波各项参数传输给上位机软件。

多频超声波传感器:为了确保检测精度, 需要保持所有传感器表面是一致的, 因此, 需要采用电子方式保证传感器的统一校正。

上位机数据分析软件:主要用来对采集出的多频超声波特征值进行分析, 从而建立特征值与油参数之间的关联。这里的上位机数据分析软件是基于多元统计分析技术 (如PCA、LDA) 来实现的。

根据图3, 总的来说, 发射控制模块根据频率控制模块和功率控制模块的输出信号, 产生换能器发射需要的载波脉冲信号, 送到发射驱动模块, 频率控制决定载波频率, 功率控制决定脉冲宽度和幅度, 从而达到控制换能器发射功率的作用。发射驱动模块将发射控制模块送来的脉冲信号经升压处理后产生大功率的输出信号, 推动换能器发射合适的多频超声波。该部分可以依据变压器容量的大小, 设置合适的频率及功率, 大大地提高了检测的效率。

在上位机中包含有多元统计分析和复数人工神经元网络分析算法, 通过相关算法从超声波参数中提取出变压器油的水分含量、击穿电压、介损、体积电阻率、油界面张力等参数, 将这些变压器油参数与数据库中的变压器故障特征值进行对比, 从而判断变压器的运行工况以及发现变压器故障。

3.2 超声波发射接收控制单元的发射部分和接收部分设计

3.2.1 发射部分设计

如下图4为超声波发射接收控制单元的发射部分示意图, 该部分主要包括:功率控制模块、发射控制模块、频率控制模块及发射驱动模块。

其中, 功率控制模块:根据变压器的类型和变压器容量的大小选择合适的功率信号指令, 送发射控制模块处理;发射控制模块:根据频率控制模块和功率控制模块的输出信号, 产生换能器发射需要的载波脉冲信号, 送到发射驱动模块, 频率控制决定载波频率, 功率控制决定脉冲宽度和幅度, 从而达到控制换能器发射功率的作用;发射驱动模块:将发射控制模块送来的脉冲信号经升压处理后产生大功率的输出信号, 推动换能器发射合适的多频超声波。

该部分原理描述为:功率控制模块根据变压器的类型和变压器容量的大小选择合适的功率信号指令, 送发射控制模块处理。发射控制模块根据频率控制模块和功率控制模块的输出信号, 产生换能器发射需要的载波脉冲信号, 送到发射驱动模块, 频率控制决定载波频率, 功率控制决定脉冲宽度和幅度, 从而达到控制换能器发射功率的作用。发射驱动模块将发射控制模块送来的脉冲信号经升压处理后产生大功率的输出信号, 推动换能器发射合适的多频超声波。该部分可以依据变压器容量的大小, 设置合适的频率及功率, 大大地提高了检测的效率。

3.2.2 接收部分设计

图5是超声波发射接收控制单元的接收部分示意图, 该部分包括:信号放大模块、选频模块及数模转换模块 (A/D) 。

根据图5, 其中, 信号放大模块将超声波传感器传输回来的信号进行放大, 然后送至选频模块, 对信号频率进行筛选, 确定合适的频率范围, 滤除干扰信号, 从而得到准确的多频超声波信号模拟量。选频模块将多频超声波信号模拟量送到数模转换模块, 数模转换模块将多频超声波信号模拟量转换为数字信号传输给微处理器。

4 总结

本文基于多频超声波技术, 采用多元统计和复数人工神经元网络数据分析算法, 对变压器油进行检测, 判断变压器故障类型。主要针对多元统计分析中的相对主元分析和复数人工神经元网络进行理论分析, 详细介绍算法的理论推导和自主学习的实现过程。并开发基于多元统计分析技术、复数人工神经元网络的数据分析软件, 建立一个各种类型油样本的数据库。通过复数人工神经元网络智能算法可以将这些特征值和油样本参数建立关联。

最后, 设计了多频超声波变压器检测系统, 利用多频超声波技术对变压器油参数进行在线检测, 上位机软件基于多元统计分析算法对检测到的变压器油参数进行分析, 提取特征量, 建立变压器油的状态与超声波特征量之间的关联, 进而判断变压器的运行状态。

超声波检测方法 篇10

如图1所示, 就是一块伪造了车架VIN码区域的车架样板, 从表面上很难用肉眼识别。它是将原车架VIN码区域整体抠掉, 重新焊接一块相应大小的钢板, 再通过打腻子与喷漆等方法伪造基体, 然后刻制新的车架号码, 可以达到以假乱真的效果[1]。

针对VIN码区域薄壁的特点, 目前还没有既有效又快速的识别方法。对于这样的情况, 本课题将选用横波脉冲反射法对待测工件进行有效检测[2]。

1 横波脉冲反射法的原理

超声波从一种媒质传播到另一种媒质时, 在两种媒质的分界面上, 只有其中一部分超声波透过界面, 在另一媒质中继续传播, 这部分超声波被称为折射波或透射波;另一部分超声波被反射回原来媒质, 这部分称为反射波。超声波的反射与折射同光的反射和折射原理一样, 也服从反射定律与折射定律。

如图2所示, 随着αp角增大γp也增大, 当γp=90°时入射角成为第一临界角, 用αp1表示。当入射角大于第一临界角时 (即αp≥αp1) , 第二媒介中便没有折射纵波, 只有折射横波存在。这就是超声检测技术中横波的一种产生方法[3]。

横波脉冲反射法是将脉冲超声波入射至被测工件后, 如果传播到有声阻抗差异的界面上 (如焊缝与工件的界面) 时, 会产生反射声波, 这时工件的反射状况就会显示在上位机中, 从而根据反射的时间及形状来判断被测工件有无焊缝。该方法用一个探头兼做发射和接收器件, 接收信号在上位机中显示, 并根据钢板底面反射回波来判断焊缝的有无。

(1) —入射纵波; (2) —反射纵波; (3) —折射纵波; (4) —反射横波; (5) —折射横波

2 实验方案

选用标准车架样板和有焊缝车架样板进行比对实验。

探头选用频率为2.5 MHz、8×12方形晶片、K值为1的斜探头, 使用机油做耦合剂。如图3所示, 将机油在探头上涂抹均匀, 使探头与钢板样品之间无缝隙贴合好, 移动探头, 并观察上位机中的回波信号。

3 硬件电路

超声波反射电路是利用555定时器构成单稳态电路与RC组成的微分电路产生4μs、12 V, 重复频率为2 k Hz的窄脉冲信号。将600 V的高电压窄脉冲信号加到超声探头上, 激励超声探头的压电晶片振动, 发射超声波。

如图4所示, 超声波接收电路主要由前置放大电路、偏置调零电路、压控可变增益电路及宽带放大电路共同构成。前置放大电路主要是输入保护与阻抗匹配。由于电路采用直流耦合方式, 偏置调零电路很好地避免了零点漂移。由VCA810构成的压控可变增益放大电路实现了回波信号幅值的人为调节, 使其输出信号幅值保持在1.4 V左右。为方便后续全波信号A/D采样, 宽带固定增益电路是采用由固定高压摆电流反馈型放大器THS3002构成的, 使全波信号可达到±5 V左右, 对高频超声信号的放大有很好的作用。全波信号经20 MHz高速采集电路, 通过USB将数据传输到上位机进行算法处理。

4 实验结果及信号处理

4.1 超声波的衰减

超声波在介质中传播时, 随着距离的增加, 能量逐渐减小的现象叫做超声波的衰减。超声波衰减的原因主要有三个: (1) 扩散衰减:超声波在传播中, 由于声束的扩散, 使能量逐渐分散, 从而使单位面积内超声波的能量随着传播距离的增加而减小, 导致声压和声强的减小; (2) 散射衰减:当声波在传播过程中, 遇到不同阻抗的介质组成的界面时, 将发生散射, 从而损耗声波能量; (3) 粘滞衰减:声波在介质中传播时, 由于介质的热传导, 介质的疏、密部分之间进行的热交换也导致声能的损耗, 这就是介质的吸收现象。

超声波的衰减公式为Ax=A0×e-afx, Ax为距离探头x处的振幅, Ao为探头处的振幅, a为衰减系数, f为超声频率 (MHz) , x为探头到某点的距离。衰减系数a由3个主要部分组成, 即:a=a0f+a1f2+a2f4, a0代表介质弹性磨擦吸收系数, 与频率的1次方成正比;a1代表介质粘滞性与热传导的吸收系数, 与频率的2次方成正比;a2代表介质内散射体的瑞利散射吸收系数, 与频率的4次方成正比[4]。

4.2 实验结果与分析

通过MATLAB进行信号恢复, 图5为超声波穿过标准车架样板的回波。图6所示为超声波穿过有焊缝车架样板的回波。

由图6可看出其水钢波与钢底波基本重合, 由于其频率相同, 无法通过电路设计进行区分识别。因此在去除始发波的同时应依据标准车架样板的水钢波和钢底波波形规律, 采用算法构造出焊缝判伤线, 即回波信号超出判伤线即判为有焊缝, 从而有效识别钢板有无焊缝。

4.3 算法构成

图6中可以看出回波信号有直流偏置, 通过均值算法去除直流偏置并进行归一化处理, 把数据映射到0~1范围之内, 处理起来更加便捷, 以达到消除发射和耦合影响的效果。然后在时域内去除始发波, 结果如图7所示。

根据回波对称原理与超声阻抗匹配原则可知, 回波信号存在一定的负指数偏移。如图7所示的水钢波和钢底波, 采用x1=A1×e-kt的中心线函数, 根据求取波峰波谷的平均值, 进行曲线拟合构造出信号的中心线:x1=A1×e-0.008t, 如图8所示, 其中A1为时域内回波信号的均值。

将图8中的回波去除指数偏置, 并以中心轴取绝对值, 将中心轴线负半轴的信号翻折到中心轴线上方, 即可得到无偏置的完整水钢波与钢底波, 如图9所示。

最后一步是构造判伤线, 也就是有无焊缝的判定曲线。依据超声波衰减原理, 设判伤线函数为:x2=A2×e-ct+b。首先应该确定A2, 因为根据工件材质、厚度的不同, A2大小不同, 本文将图9时域中最大幅度值Ma作为A2, 然后根据水钢波、一次钢底波、二次钢底波、三次钢底波的波峰值进行曲线拟合, 进而求出c为0.01, b为0.2, 即判伤线函数为:x2=Ma×e-0.01t+0.2, 并将此曲线作为钢板有无焊缝的界定标准。

4.4 处理结果

当回波信号低于或者等于判伤线时, 则认定为钢板无焊缝, 如图10所示;当回波信号某一部分高于判伤线时, 则认定为钢板有焊缝, 如图11所示。

本课题针对检测车架VIN码区域有无伪造痕迹的应用背景, 利用超声检测系统, 实现超声波的发射与接收、数据采集等。对回波数据进行消除直流偏置、归一化处理和去除指数偏移等处理, 最后拟合出判伤函数。通过判伤线来确定有无焊缝, 是一种无损且行之有效的方法。对于公安机关处理走私、盗窃车辆案件的侦查工作具有参考价值。

摘要：使用一套超声检测系统, 通过检测有无焊缝的方式对车架VIN码区域进行真伪鉴别。采用算法将系统采集回的波形进行信号处理, 拟合出判伤函数对其进行有无焊缝的判别。多次实验表明, 该方法能更有效地对车架VIN码区域进行真伪鉴别。

关键词：超声检测,信号处理,焊缝,判伤函数

参考文献

[1]赵春梅.伪造车辆车架号码发动机号码识别及检验[J].刑事技术, 2007, 21 (4) :33-35.

[2]王彦骏.超声无损检测新技术的发展[J].科技信息, 2012, 29 (4) :50.

[3]吴时红, 何双起, 陈颖, 等.金属薄板超声无损检测[J].宇航材料工艺, 2007, 37 (6) :124-126;

超声波检测方法 篇11

【摘要】发动机盘、环类零件超声水浸检测时，根据检测工件厚度不同需更换不同频率的探头进行检测，一般探头依靠螺紋拧紧固定安装在水浸检测系统的探头座上，这种螺纹连接方式导致同一探头更换后探头声束指向性不同，探头指向角偏转，在探头接收信号时导致信号衰减，不利于埋深较大冶金缺陷的准确检测和定量，对于零件内部冶金缺陷存在漏检的隐患。为了保证检测准确性，每次更换探头后不得不对检测系统的距离波幅曲线进行校正，降低检测效率。本项技术就是针对以上问题，设计出便于操作、通用性强、带有准确定位的超声波探头定位安装装置，保证探头更换后探头声束指向性达到一致。

【关键词】无损检测；超声波探头；水浸探伤；探头指向角

引言

随着航空发动机推重比不断提高，对航空发动机盘、环类零件内部冶金质量要求也越来越高，超声水浸检测方法是盘、环类零件内部冶金缺陷检测的关键手段之一，及时有效地检测出零件的内部缺陷，对保证发动机的使用安全具有重要意义，而超声检测探头定位安装装置是水浸检测不可缺少的辅助工具。

在零件超声水浸检测时，根据检测工件厚度不同需更换不同频率的探头进行检测，一般探头依靠螺纹拧紧固定安装在水浸检测系统的探头座上，这种螺纹连接方式导致同一探头更换后探头声束指向性不同，探头指向角偏转，在探头接收信号时导致信号衰减，不利于埋深较大冶金缺陷的准确检测和定量，对于零件内部冶金缺陷存在漏检的隐患。为了保证检测准确性，每次更换探头后不得不对检测系统的距离波幅曲线进行校正，降低检测效率。本项技术就是针对以上问题，设计出便于操作、通用性强、带有准确定位的超声波探头定位安装装置，保证探头更换后探头声束指向性达到一致。

1、方案设计

超声水浸检测探头定位安装装置，主要包括定位卡座、转接头两部分。其中，定位卡座一端通过螺纹连接超声水浸检测系统原设备探头支撑臂，另一端与转接头连接，通过哨套配合保证二者同轴度、卡爪沟槽配合保证二者周向锁紧定位，转接头另一端与检测用探头连接。

图1是探头定位安装组装结构示意图。其中：1-原设备探头支撑臂、2-定位卡座、3-转接头、4-探头。

所述定位卡座（图2）在圆周方向均布设有2个沟槽，沟槽侧内部按莫氏锥体方式加工。

所述转接头（图3）在圆周方向上均布设有2个与定位卡座沟槽匹配的卡爪，同时与定位卡座连接端加工与定位卡座匹配的莫氏锥体。

另所述转接头，应根据探头数量加工多个转接头分别与探头组装备用，保证每次更换探头后探头声束轴线一致性，进而保证检测准确性。

2、下面通过具体实施方式对本设计方案做进一步详细说明：

本装置图1中：2（定位卡座）与1（原设备探头支撑臂）永久连接；根据4（探头）数量加工多个3（转接头），分别与4（探头）组装备用，保证每次更换探头后探头声束轴线一致性；2（定位卡座）与3（转接头）连接，哨套配合保证二者同轴度、卡爪沟槽配合保证二者周向锁紧定位。

探头定位安装步骤：

⑴将2（定位卡座）一端连接超声水浸检测系统1（原设备探头支撑臂），另一端与3（转接头）连接；

⑵将2（定位卡座）与4（探头）连接；

⑶将3（转接头）与2（定位卡座）连接。

3、结语

超声波检测方法 篇12

固体火箭发动机通常由壳体、绝热层、包覆层、推进剂四层材料通过胶粘剂粘结固化而成。受温度、加速度载荷[1]等影响,层间可能出现脱粘(包括间隙型脱粘和紧贴型脱粘)。推进剂燃烧时,脱粘区域迅速扩大并被窜入的火焰点燃,导致燃烧室压力骤升,严重危害火箭弹的发射安全性和飞行稳定性,对于发动机各层间的粘接质量检测是发动机生产和验收过程中十分重要的环节。

壳体是一种高强度合金钢,绝热层、包覆层和推进剂都是成分复杂的有机复合材料,属于粘弹性体[2],性状类似橡胶。对于这种由金属与非金属组成的多层粘接结构的检测,其基本物理模型如图1所示,目前主要使用的方法是工业CT[3]和超声波[4],其中超声检测因其检测速度快、能检出间隙开度很小的紧贴型脱粘且成本低廉而广泛应用于实际生产。但是,由于金属对橡胶的超声屏蔽效应使得超声很难透过金属进入橡胶层,同时因为橡胶对超声的强衰减作用致使本已十分微弱的超声信号很难到达下一界面,基于以上两点,目前常规超声方法仅能较好地检测第一界面的脱粘缺陷,对于深层界面的脱粘仍难以发现。近年来,国内外通过对超声在材料中的传播特征规律的深入研究,借助计算机实现快速信号处理等手段,多项技术综合运用,对深层界面的脱粘检测取得了重要突破,获得了比较满意的检测效果。

1 界面回波分离

由于1界面两侧介质声阻抗差异悬殊,超声波在此界面发生强烈反射(声压反射率接近90%),加上金属对超声的衰减较小,使得超声波在金属层内来回多次反射;同时,透过1界面的声波经过橡胶层的多次强衰减作用变得十分微弱,因此要分析各界面的粘接状态,必须分离出各界面的反射回波。

1.1 常数分离法[5]

模拟层间脱粘,制作如图2所示的脱粘试样。其中yi(i=1,2,3)为i界面脱粘时换能器接收到的回波信号,yij(j=0,1,…,i)表示yi中i界面的回波分量,ri(i=0,1,2,3)为i界面的声压反射率,ti(i=0,1,2,3)为i界面的声压透射率。

分离过程如下:

以分离1界面脱粘时1界面的回波信号为例,y1=y10+t0y11,选择合适的时间窗可以使0界面反射回波y10不进入换能器接收范围,则

y11=y1/t0,y21=r1y11 (1)

y1即换能器接收到的波形。y11和y21分别是该界面脱粘和未脱粘的波形。同理

y22=y11-y21=y11-r1y11=(1-r1)y11,y32=r2y22 (2)

y33=y22-y32=y22-r2y22=(1-r2)y22,y43=r3y33 (3)

分离结束,得到了i界面脱粘和粘好时i界面的回波信号,滤除了上面层的反射回波,为后期信号处理提供了方便。本方法利用了界面反射率ri逐层分离回波信号,所以称为常数分离法。

常数分离法能够分离出2、3界面回波,但不能分离出4界面及高界面的回波。分析其原因主要有:①实际检测中,检测位置的不同会使同界面的回波一致性有差异;②信号在界面处反射和透射,都会引起回波信号相位变化;③由于界面层次多,前面界面分离的误差将带入更高界面层次的分离,高界面误差积累很严重。

1.2 自适应滤波分离法[5]

自适应滤波法的基本思想和常数分离法一样,也是用已分离出的界面回波为参考信号,对下一界面回波进行分离,它与常数分离法的主要区别在于用一个自适应处理器来取代常数ri的功能。自适应滤波的原理是通过估计输入信号的统计特性并调整其本身的响应使某一代价函数达到最小值。自适应滤波处理器通常由两个部分构成,即滤波器部分和自适应算法部分(用来调整滤波器的参数)。

图3是自适应滤波的原理图,信号yii(k)为参考信号,信号yi+1(k)为输入信号,信号y(i+1)i(k)是自适应滤波器的输出,信号y(i+1)(i+1)(k)是最后系统的输出,e(k)称为误差信号。这里i代表第i界面,yi+1表示要处理的回波信号,yii代表已提取的i界面回波,以之相对应的y(i+1)i表示经自适应滤波调整后的yi+1中的i界面回波,y(i+1)(i+1)代表得到的i界面回波。

自适应滤波主要是根据误差最小准则来调整滤波器系数的。即该系数必须使L1准则下|e|的期望最小,即

E(|e|)=min

由于自适应滤波分离法利用统计学规律,加上自动控制中的反馈思想,使y(i+1)i(k)模拟yi+1(k)中的yii(k)所代表的i界面回波,然后将信号yi+1(k)中的i界面回波分离出去,最终得到的是下一个界面的回波。

2 缺陷特征的提取

要评价界面的粘接状态,必须选取一个能反映粘接S状态的特征量X,X可以是一个数,也可以是一个向量。经过界面回波分离得到了各个界面脱粘和粘好的回波信号y′(t),y(t),从其中提炼出能满足要求的X,既有时域和频域的分析方法,也有时频域综合的小波分析法。

2.1 时域分析方法

2.1.1 峰值法[6]

即将y′(t),y(t)的峰值作为特征量X。

2.1.2 积分法[7]

分别对y′(t),y(t)求希尔伯特包络线,然后对t进行积分,将得到的积分值作为X。

2.1.3 统计特征法[2]

分别求取y′(t)、y(t)的统计特征,包括期望、均方值、方差等,X既可以是其中一个统计特征,也可以是某几个所组成的向量。

2.2 频域分析方法

2.2.1 幅度谱法[8]

信号经傅里叶变换得到幅度谱,幅度谱可用的特征量有振幅谱主频率、振幅谱极大值、平均中心频率、频带宽度、频谱一(二)阶矩、优势频带宽度、优势频率等。

2.2.2 功率谱法[8]

功率谱从统计的角度出发,结合傅氏分析法,对具有随机性质的信号分析上有比幅度谱法更好的效果。功率谱可用的特征量有加权功率谱平均功率、指定带宽能量、加权功率谱功率、有限频带能量、主频对应能量等。

2.2.3 倒频谱法[8]

倒频谱可以用来分析复杂频谱图上的周期成分,分离和提取在密集泛频信号中的成分。在分析具有同族谐振和异族谐振等复杂信号时,效果很好。实际工程中常用的倒频谱表达式为

$C{}_a(\tau )=\sqrt{C{}_x(\tau )}=|F[\lg {\rm P}{}_x(f)]|(5)$

式中,Ca(τ)称为幅值倒频谱,定义为“对数功率谱的傅里叶变换”。倒频谱中可用的特征量有峰值时间,峰值大小等。

2.2.4 最大熵谱估计法[9]

最大熵谱法是伯格在1967年首先提出的一种按最大熵外推相关函数的谱分析方法。该方法没有固定的时间窗,克服了传统谱分析方法中分辨率低、频谱“泄露”等现象。最大熵谱估计的原理是根据已知数据信息,在不进行任何新的假设的情况下,合理地预测未知延迟离散时间上的相关函数,也就是说在据已知信息外推相关函数时,每一步都保持未知时间的不确定性或熵为最大。

检测中将回波信号的衰减系数[7,10]作为反映界面粘接质量的特征量,在频域中对衰减系数进行估计的方法主要有三种,即谱差法、谱移法、谱距法,研究中主要采用谱移法。谱移法的关键是求取回波中心频率,研究中采用最大熵谱估计法对回波信号进行功率谱估计。

2.3 小波分析法[9,11,12]

小波分析法的本质是用一个窗口大小(面积)恒定,高宽比可自由伸缩的窗口对信号截断处理,这样带来的好处是对于低频信号可以使用高宽比小(大尺度)的窗口,使得更多的信号进入窗口,从而看到信号的全貌,而对高频信号可以使用高宽比大(小尺度)的窗口,获得更多细节,同时节省计算资源。

对已获得的各界面脱粘和粘好信号进行n尺度分解,恢复各个尺度下的细节信号,计算各个尺度上细节信号的能量谱,得到由不同尺度下的能量组成的n维向量X,这个向量就可以作为反映粘接状态的特征量。

3 缺陷的识别

至此,已经获得了脱粘和粘好的特征值XD和XA,实际检测中被检件的特征值X可能位于这两值之间,这时该如何评价粘接状态呢。

3.1 平均值法[13]

所谓平均值法就是将XD和XA算术平均后作为缺陷判定的依据$\stackrel{—}{{\displaystyle \mathit{X}}}$。若X介于XD和$\stackrel{—}{{\displaystyle \mathit{X}}}$之间则认为存在脱粘,X介于$\stackrel{—}{{\displaystyle \mathit{X}}}$和XA之间则认为粘接良好。

3.2 模糊分类法[14,15,16]

平均值算法只当X为实数时才有效,当X为n维向量时是无法比较大小的。模糊算法就是一种确定被检材料的特征量与哪种脱粘程度的特征量比较接近的算法。

在模糊数学中,衡量两个模糊集的贴近度有三种算法:

Hamming贴近度:

Eucild贴近度:

$\rho (A,B)=\sqrt{\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{i=1}^n|}x{}_{Ai}-x{}_{Bi}|{}^2}(7)$

Minkowski贴近度:

$\rho (A,B)=(\frac{1}{b-a}{\displaystyle {\int }_a^b|}x{}_{Ai}-x{}_{Bi}|{}^{p}dx){}^{1/p}(8)$

其中,A,B表示两种粘接状态,xi表示其对应的特征量X中的各分量,ρ(A,B)表示A,B两种粘接状态的接近程度。分别计算被检件的特征量X与XD和XA的距离,距离小者认为这俩状态更接近。

3.3 贝叶斯分类法[17]

粘接状态虽然只笼统地分为脱粘和粘好,但同一种粘接状态所对应的特征量X并不是一成不变的,而是近似地服从正态分布。某特定状态对应的特征量X的概率密度函数为

式中,n为向量X的维数,表示粘接状态,us和σs分别为该状态下X的期望向量和协方差矩阵。可以用大量样本得到的估计值代替他们。最终可以得到贝叶斯线性判别函数

ys(X)=lnqs+c0s+c1sx1+…+cnsxn (10)

式中,cis表示判别系数,可由样本的期望和协方差矩阵求出:qs为粘接状态s的先验概率;xi为特征量X的分量。利用此数学模型便能对粘接状态进行判别,若yD(X)>yA(X),表示未知状态S落在脱粘范围内的概率大于落在粘好范围的概率,认为脱粘存在,否则认为粘接良好。

3.4 人工神经网络分类法[9,11,18]

人工神经网络是一个由大量非线性变换单元广泛互联而成的网络,是一个复杂的多参数非线性函数,它可以通过学习、逼近各种预测模型而不需要人的事先干预,从而既避免了人为因素的影响,又简化了预测过程。目前无损检测中,人工神经网络的训练算法一般采用较成熟的BP算法,即误差信号反向传播算法。BP神经网络由输入层、隐含层和输出层组成,层与层之间采用全互联方式。

在对脱粘缺陷的识别中,神经网络的输入量是n维特征量X,因此输入层需要n个节点;网络的输出结果只有两个,即脱粘和粘好,因此输出层只需两个节点,这样网络的输出Y是个二维向量。对粘接状态已知的试件进行检测,得到一系列样本(X,Y),用这些样本对神经网络进行训练,直到总误差满足精度要求为止,这样就建立了BP模型。将某被检件的特征量X输入到这个模型即可得到粘接状态的判别结果。

4 结束语

对于多层粘接结构的检测,目前在超声检测方法上还没有比较有效的手段,只能寄希望于后期的信号处理了。对多层粘接结构信号处理的一般模式是信号预处理(滤波放大等)、界面回波分离、特征量提取、模式(缺陷)识别。必要时还可根据识别的结果做图像重构及报警等。但必须看到的是,信号处理结果毕竟是“算”出来的,有些情况下得出的结果并不可靠,所以并不能完全依赖信号处理这个手段,需要多种无损检测方法并用方可得到比较可靠的检测结论。