基于线性调频的焊缝缺陷检测与识别方法研究

超声检测具有较高的检测灵敏度，广泛用于焊接结构的质量评价。对于中厚板以及粗晶材料的焊接接头，其主要问题是如何既保证超声波具有较大的穿透深度，同时具有较高的检测灵敏度和信噪比。针对这一问题，本项目以线性调频方式实现对超声波发射的可控激励，并采用匹配滤波方法对回波信号进行处理，获得具有高幅度短时宽的回波，实现在低的发射功率情况下提高发射能量。这种方法可以增加声波在接头中的传播距离，同时可有效地改善回波信号的信噪比，对于高频信号和粗晶材料更为有效。本项目将重点研究线性调频超声波的可控激励方法；最佳匹配滤波器的设计；具有最佳时宽带宽积的扫频激励参数的模拟仿真和实验方法；线性调频超声波在接头中的传播行为及与焊接缺陷的相互作用机制；焊接接头缺陷的识别方法。本项研究对于推动传统的模拟检测技术向数字检测技术发展，深入理解和研究超声的可控激励与接收技术等具有重要的理论意义，同时具有潜在的实用价值。

一些关键部位的焊接结构常处于高温、高压或者高载荷等极端环境，因此焊接接头的可靠性成为确保其安全运行的重要环节。作为质量控制方法之一的超声检测技术，在焊接结构的无损检测中占有重要地位，在一定程度上替代了射线检测。然而，对于大厚度焊接结构的超声检测，受信号传播距离以及焊缝组织的影响，使得对缺陷定位、定量识别的精度不高，同时对小缺陷的检出能力较差，不利于焊接结构的质量评价。本项目通过搭建的实验平台，研究了基于线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM)技术的超声成像检测方法以及探讨了提高焊缝缺陷识别精度的技术途径。.根据线性调频信号的特点及脉冲压缩技术的原理，建立了满足不同检测方法和需求的线性调频激励检测系统，并开发了具有检测信号实时接收与存储的自动成像检测程序，可对多种扫描模式的检测信号进行离线批处理并形成扫描图像。.讨论了LFM检测中影响检测结果的主要因素，包含载波频率fc、脉冲宽度T、有效带宽B。针对不同频率的超声探头，采用超声透射方法进行了调频参数的测试，揭示了上述调频参数的选择方法。通过2mm小缺陷的线性调频激励TOFD检测实验，验证了建立的LFM检测系统的检测灵敏度和调频参数选择的合理性。.研究了大厚度试件的高频超声检测，采用10MHz的高频探头对60mm厚试件的近表面和底面缺陷进行了LFM激励的TOFD检测。研究表明，LFM激励解决了信号的穿透力与分辨率之间的矛盾，突破了传统超声检测中对高频传感器使用范围的限制，有效地减小表面盲区，使缺陷定位平均误差减小到0.36mm。.讨论了LFM激励的TOFD成像检测及图像优化方法，采用信号互相关方法及峰值搜索方法对LFM-TOFD图像进行预处理，有效地消除检测图像的畸变，提高了图像的连续性及可读性。针对对接焊缝中的实际缺陷进行了LFM-TOFD成像检测，实现了高度在1.4mm以上缺陷的上、下端衍射信号的识别。结果表明LFM-TOFD方法与常规TOFD方法相比，使检测信噪比提高了近6dB，时间分辨力平均提高了30%，定量测量误差降低了80%。.针对线性调频信号检测中的匹配滤波输出的旁瓣问题，对其进行了基于窗函数法的幅度调制波形设计，研究表明，Hamming窗是一种合适的幅度调制设计方法，其设计的波形在匹配滤波输出的主瓣宽度、主旁瓣比、主瓣峰值对比中具有较好的综合效果，旁瓣抑制达27.3dB