基于分形理论的摩擦焊超声检测缺陷信号识别
基于超声TOFD法的焊缝缺陷表征研究
基于超声TOFD法的焊缝缺陷表征研究一、本文概述随着现代工业的发展，焊接技术在各个领域中得到了广泛的应用。
然而，焊缝缺陷的存在往往会对工程结构的安全性和稳定性造成潜在的威胁。
因此，焊缝缺陷的检测和表征成为了保证焊接质量的关键环节。
超声TOFD（Time of Flight Diffraction）法作为一种先进的无损检测技术，具有高精度、高分辨率和高可靠性等优点，在焊缝缺陷检测中发挥着重要的作用。
本文旨在通过基于超声TOFD法的焊缝缺陷表征研究，深入探讨焊缝缺陷的检测原理、方法和技术，并对焊缝缺陷的类型、形貌和尺寸进行准确的表征。
文章首先介绍了超声TOFD法的基本原理和检测原理，详细阐述了超声TOFD法在焊缝缺陷检测中的应用方法和步骤。
接着，通过对不同类型焊缝缺陷的模拟和实验研究，分析了焊缝缺陷对超声TOFD信号的影响规律，并提出了相应的缺陷识别方法和表征技术。
文章总结了超声TOFD法在焊缝缺陷表征中的优势和局限性，并展望了未来的研究方向和应用前景。
本文的研究对于提高焊缝缺陷检测的准确性和可靠性，保证焊接质量，促进工业安全具有重要意义。
也为超声TOFD法在焊缝缺陷表征领域的应用提供了理论基础和实践指导。
二、超声TOFD法焊缝缺陷检测原理及特点超声TOFD（Time of Flight Diffraction）法是一种先进的无损检测技术，专门用于焊缝缺陷的表征。
其基本原理是利用超声波在材料中传播时遇到缺陷产生的衍射信号来检测并定位缺陷。
与传统的超声检测方法相比，TOFD法具有更高的灵敏度和分辨率，能够有效地发现焊缝中的微小缺陷。
在TOFD法中，两个高频超声探头分别放置在焊缝的两侧，发射和接收超声波。
当超声波遇到焊缝中的缺陷时，如未熔合、夹渣、气孔等，部分声波会在缺陷边缘发生衍射，形成衍射波。
这些衍射波被探头接收后，通过信号处理系统分析，可以确定缺陷的位置、大小和类型。
TOFD法的特点之一是能够准确测量缺陷的深度和高度。
超声检测焊缝缺陷性质的估判PPT课件
•
⑴定为线状或平面状缺陷或多重缺陷后，再进一步对缺陷测定缺陷平面和深度位置，缺陷高度，定向反
射特性，缺陷倾斜度，静态波形，动态波形，然后结合工件结构，坡口形式，材料、焊接工艺和焊接方
法及探头扫查方式，进行综合判断，最终定出缺陷的实际性质。
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• 图1中缺陷高度和倾斜度可采用端点衍射波法或端点最大波高法测定。当测定时找不到缺陷端点衍射波或端 点最大反射波时，可采用6dB法测定，当用6dB波测定缺陷
• 定性，对有余高的焊缝，只能对不包括余高的焊缝区域内的各种缺陷定性。 • 对缺陷定性用探头应与规定的检测探头相同。
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• 2 缺陷性质判断依据 • 焊缝超声检测对缺陷定性依据为： • ⑴工件结构与坡口形式； • ⑵母材与焊材；
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•
⑶焊接方法和焊接工艺；
•
⑷缺陷几何位置；
地由零升到峰值，当探头继续扫查时，波峰基本不变，
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• 并保持一段平直部分，然后又平稳地下降到零。这是由一定长度和高度的光滑反射体的反射波形。如图3。 第28页/共40页
波幅
最大反射波幅度变化
声程
探头移动位置
反射体 焊缝
反射体
高度方向
长度方向
图3 光滑面状反射体反射波形
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陷，在长度方向也可能是间断的，如链状夹渣或断续未焊透或断续未熔合等。
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• 4.2.2 特征 • 探头对准这类缺陷前后扫查时，一般显示波形I的特征，左右扫查时，显示波形Ⅱ的特征，当缺陷断面尺寸
变化时，会出现波形Ⅲa或Ⅲb的特征，只要信号不明显断开较大距离，缺陷基本连续，如在长度方向
线聚焦超声波法焊接缺陷识别
线聚焦超声波法焊接缺陷识别迟大钊;刚铁;赵立彬【期刊名称】《焊接学报》【年(卷),期】2015(036)005【摘要】针对常规超声TOFD(time of flight diffraction,衍射时差)法存在超声衍射声场能量低、检测回波信号弱的问题,提出一种线聚焦超声TOFD焊接缺陷识别方法.基于几何声学理论,根据所需主轴声线折射角度及聚焦深度,设计线聚焦超声TOFD法所用的声楔块.通过铝合金板人工缺陷试件的检测,研究线聚焦法的检测灵敏度;通过铝合金板搅拌摩擦焊试件的检测,验证线聚焦法的有效性.结果表明,和常规方法相比较,相同测试条件下线聚焦超声TOFD法的检测灵敏度更高,采集的图像具有更好的对比度,同时能较好地保持图像边缘.所提新方法在改善缺陷分辨力、提高缺陷检出率及降低漏检等方面具有很好的使用价值.【总页数】4页(P29-32)【作者】迟大钊;刚铁;赵立彬【作者单位】哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG115.28【相关文献】1.基于超声波法的GIS绝缘缺陷类型识别 [J], 律方成;张波2.基于超声全聚焦成像的输气管线焊接缺陷高度测量技术 [J], 阙永彬;刘琰;徐春燕;贾海东;田野;莫润阳;贾鹏军;姚欢;聂向晖3.基于超声波法识别环网柜的局部放电类型研究 [J], 白鹭;李小婧;董理科;吴攀;关少平;王天正4.超声波法进行变压器局部放电模式识别的研究 [J], 李燕青;陈志业;律方成;刘云鹏5.基于EC双流模型的焊接缺陷图像识别 [J], 陈琳;陈英蓉;庞再军;刘冠良;潘海鸿因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
分形理论在近表面缺陷超声A扫检测中的应用
分形理论在近表面缺陷超声A扫检测中的应用作者：陈世利黄玉秋张慧杨晓霞郭薇来源：《计算机应用》2014年第11期摘要：针对超声相控阵无损检测（NDT）中近表面缺陷识别困难的问题，提出一种基于分形理论的近表面缺陷智能识别方法。
运用基于线性插值的盒计数维数算法，计算140组超声A 扫（A-Scan）信号的盒计数维数，并运用统计的方法详细分析其分布情况。
实验结果表明超声A-scan信号具有分形特性，分形理论可应用于A-Scan信号分析；而且有无缺陷信号的盒维数分布区间差异明显，盒维数可作为A-Scan信号的特征识别近表面缺陷。
在超声相控阵自动化检测中，运用分形理论能提高近表面缺陷的检出率，减少人为因素引起的漏检。
关键词：超声相控阵；近表面缺陷；分形理论；盒维数；缺陷识别中图分类号： TP391文献标志码：A0引言超声相控阵技术最初应用于医学诊断领域，因其声束控制灵活、成像方法多样而迅速被推广到工业无损检测领域，尤其是复杂外形试件检测[1]。
相控阵常见的扫查检测方式有4种：A-Scan、B-Scan、C-Scan、S-Scan[2]。
其中，A-Scan信号为时域合成信号，反映了声波幅值与声程间的关系，常用来提取缺陷特征。
针对非近表面缺陷，可通过始波和底波间的缺陷回波尖峰脉冲来判断缺陷有无；然而，对于近表面缺陷，缺陷波与底波完全融合，检测人员很难判定。
因此，探索一种新的数值特征方法识别近表面缺陷意义重大。
目前，国内外学者对近表面缺陷检测的研究较少：夏军建等[3]采用基于维纳滤波与多频窗谱外推相结合的反卷积技术实现了带双尖峰时域重叠波的分离，成功识别埋深为1mm和2mm的近表面缺陷，但该方法无法识别不存在双尖峰的近表面缺陷；Prado等[4]运用基于全聚焦算法（Total Focusing Method， TFM）和信号相关系数（Sign Coherent Factor， SCF）的Lamb波多模式融合方法来减小近表面检测盲区，但这种方法基于全矩阵捕捉（Full Matrix Capture， FMC）且计算耗时较长，不适于快速在线自动检测。
活塞杆摩擦焊接头的超声检测及缺陷二维重构
第47卷第2期2021年4月兰州理工大学学报JournalofLanzhouUniversityofTechnologyVol47No2Apr2021文章编号：1673-5196(2021)02-002105活塞杆摩擦焊接头的超声检测及缺陷二维重构朱明#1，张虎龙】，陈昱宇】，石秊】，侯国清2,刘涛3(1.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050；2.广西柳工机械股份有限公司，广西柳州545007； 3.中国航发南方工业有限公司无损检测中心，湖南株洲412002)摘要：针对活塞杆摩擦焊接头的未熔合缺陷，采用超声无损检测方法对部件接头进行检测并提取了含噪声的超声回波信号，利用小波降噪法对含噪声缺陷信号进行了降噪处理，通过多位置、多点检测的方法对未熔合缺陷进行了二维轮廓重构.结果表明：1)通过优化小波阈值降噪算法的参数提高了回波信号的信噪比，可以提升检测的有效性与准确性；能实现对缺陷信号的降噪并保证信号的完整性;2)对检测数据进行理论计算确定了缺陷的多位置边缘点，通过缺陷边缘点的拟合,实现了未熔合缺陷的二维轮廓重构，重构结果与破坏性检验结果基本吻合.关键词：摩擦焊活塞杆；超声检测；小波降噪；二维轮廓重构中图分类号：TG115.28+5文献标志码：AUltrasonic testing of friction welded piston rod joints andtwo-dimensional reconstruction of defect contourZHU Ming1,ZHANG Hu-long1,CHEN Yu-yu1,SHI Yu1HOU Guo-qing2,LIU Tao3(1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou730050,China；2.Guangxi Liugong Machinery Co.,Ltd.,Liuzhou545007 ,China；3.Nondestructive Testing Center,Aecc South Industry Company Limited,Zhuzhou412002,China)Abstract:For the incomplete fusion defect of the friction welded joint of the piston rod,the ultrasonic non-destructive testing method was used to testing the weld joint of the piston rod and then the ultrasonic echosignalcontainingnoisewasextracted Thewaveletnoisereductionmethodwasusedtofilterandre-ducethedefectsignalcontainingnoise Thetwo-dimensionalcontourreconstructionoftheincompletefu-sion defect is carried out by the method of analyzing multi-position and multi-point ultrasonic echo signal. The result shows that：1)By optimizing the parameters of the wavelet threshold noise reduction algo-rithm，thesignal-to-noiseratiooftheultrasonicechosignalcanbeimproved，andthee f ectivenessandac-curacy of the detection result can be improved.Also it can realize the noise reduction of the defect signal andensuretheintegrityofthesignal；2)Inspectiondatawastheoretica l ycalculatedtodeterminetheedge points of the defect.Through fitting the edge points of the multi-position defect,the two-dimensional con-tourreconstructionoftheincompletefusiondefectisrealized，andthereconstructionresultisbasica l y consistentwiththedestructiveinspectionresultKey words:friction welded piston rod；ultrasonic non-destructive testing；wavelet noise reduction；two-dimensionalcontourreconstruction收稿日期：2020-11-27基金项目：国家自然科学基金(51805234,52065041)甘肃省引导科技创新发展专项资金项目(2O18ZX)甘肃省重点研发计划项目(20YF3WA017)通讯作者：朱明(1984-)男，甘肃兰州人，博士，副研究员.Email:zhumings@yeah,net在挖掘机、装载机等机械产品中,大量使用液压活塞杆作为动力传送部件，其加工质量直接影响了机械产品的使用寿命和牢靠性.目前,活塞杆普遍采用连续驱动摩擦焊制造，在接头区域会存在局部未熔合缺陷[-5].因此，需要在焊接后采用无损检测技・22・兰州理工大学学报第47卷术对活塞杆未熔合缺陷进行检测与评价.超声检测方法具有穿透性好、对面积型缺陷的检出率高、易于实现缺陷重构等特点适于活塞杆焊缝缺陷的检测［］.国内外众多学者针对杆件的超声检测及缺陷的超声信号重构进行了深入研究.例如，董世运等7采用超声检测技术对发动机旧连杆的缺陷进行了检测，以sym4小波为母小波，对检测信号进行了降噪处理;张海兵［］采用相控阵超声检测技术对某型号飞机撑杆的焊缝缺陷进行了检测；G.A.Guarneri等9提出了一种通过分析超声检测A 扫描信号进行重构缺陷图像的算法，重构图像的分辨率优于传统的图像重构算法，甚至优于全矩阵捕捉(FMC)法重构的图像.Chen等［0］研究了轴对称物体超声检测中的缺陷重构问题，提出了一种基于边界切线拟合的缺陷重构方法，结果表明圆形缺陷和椭圆形缺陷的拟合重构误差分别小于0.1、0.5mm.顾雯琪等［1.以超声检测为手段，通过三维显示方法一轮廓线重构法实现了对镁合金柱状体内部缺陷的三维反演.但针对大厚度活塞杆焊缝缺陷检测方面的研究还很缺乏，同时采用超声斜探头对杆件横截面上的缺陷进行二维重构的研究也相对较少为此，利用超声检测设备对活塞杆缺陷进行无损检测,对回波信号进行滤波与降噪处理,提高信号的信噪比，提升检测的有效性与准确性；同时采用多位置、多点检测的方法,对缺陷轮廓进行二维重构，实现对缺陷的定量与定位检测.1活塞杆的特征参数及缺陷分析图1为实验所检测的活塞杆实物图，活塞杆直径为80mm,长度1250mm,由广西柳工机械股份有限公司提供.活塞杆由铸铁材质的杆头和调质45号钢材质的杆身通过摩擦焊焊接而成.磨擦焊焊缝杆头杆身图1活塞杆实物图Fig1Thepictureofpistonrod活塞杆件在加工过程中，易在摩擦焊接头产生未熔合、裂纹、结合面氧化物等有害缺陷：1)未熔合缺陷通常是由于热输入不够、线能量分布不均匀导致未发生充分热结合；2)摩擦焊的裂纹主要是由于焊后热处理不规范形成的,形成的概率相对很小；3)结合面氧化物缺陷，通常为焊前接合面上的氧化物和杂质清除不彻底导致,出现的概率也很小.2缺陷信号的判别与处理实验采用CTS-8008型数字式超声波探伤仪对活塞杆的焊缝进行检测.所采用的超声斜探头的规格为2.5P13X13,值为1中心频率为2.5MHz,耦合剂为水.21缺陷信号判别图2是活塞杆的超声检测回波信号图,其中图2a为无缺陷活塞杆的信号图，图2b是含缺陷活塞杆的信号图•从图中可以看出,底面回波声程在大于120mm,缺陷信号的声程在30〜100mm.在良好活塞杆超声回波信号中，30〜100mm声程的小回波属于噪声回波，其幅值在10%高度左右.为了避免漏检，规定声程30〜100mm区域内、幅值超过(a)良好活塞杆増益83.2dB范围200.0mm移位0mm水平43.9AdB+0.0门位67.6mm68%除度52.9探头形式斜探头2.5P13X13图2活塞杆超声检测回波信号Fig2Ultrasonictestingechosignalofpistonrod1.00/45.0°探头延时5.0p s前沿距离第2期朱明等:活塞杆摩擦焊接头的超声检测及缺陷二维重构・23・50%高度的信号为缺陷信号.2.2缺陷信号的降噪处理图3是实验采集的超声回波信号，回波信号中含有焊缝缺陷信号和不同程度的噪声.为了提高检测结果的准确性，在进行缺陷轮廓的二维重构之前首先要对超声回波信号进行降噪处理.超声回波信号是一种时变、非平稳信号，一般采用多尺度优化的降噪算法对其进行降噪处理.02004006008001000采样点图3活塞杆缺陷信号Fig.3Defect signal of piston rod小波阈值降噪法是一种强大的局部信号处理方法，对于时变、非平稳信号具有较好的处理效果.影响小波阈值降噪法降噪效果的因素有:小波基函数、小波分解层数、降噪函数及阈值选择规则.下面对这些因素进行分析：1）小波基函数的选择：Daubechies（dbN）小波函数具有正交性和紧支撑性适合于对超声信号进行重构，小波函数的消失矩N选择为6.2）小波分解层数:采集的超声回波信号的长度为1000,而信号的最大分解次数为log2N（N为信号的长度）即实验所采集的信号的最大分解次数不超过9次.根据小波降噪的原理，信号每分解一次,信号长度就会变成原来的一半.虽然信号的信噪比会随着分解层数的增加而增大，有利于信号的分析，但是分解层数过多会导致重构信号的失真，影响分析结果.如果分解层数太少，对于信号的降噪效果就会变得很差.所以，分解层数选择为5.3）阈值函数:小波阈值降噪法中常用的阈值函数有两种:软阈值和硬阈值.其中软阈值函数降噪后信号较平滑,硬阈值降噪比较彻底,会造成信号的失真.为了保证缺陷信号的完整性以保证检测结果的准确性，选择软阈值降噪函数4）阈值选取规则：阈值选择有四种不同的规则,分别是固定阈值规则（sqtwolog规则/无偏似然估计阈值规则（rigrsure规则/启发式阈值规则（heursure规则），极大极小值阈值规则（minimax规则）.极大极小值阈值规则和无偏似然估计阈值选取规则都比较保守,当信号高频段的噪声分布较少时,主要用这两种阈值选取规则.而固定阈值选取规则和启发式阈值选取规则的降噪效果比较彻底,但是也容易把缺陷信号滤掉.下面是四种阈值选择规则对应的公式［12-14］：①固定阈值规则（sqtwolog规则）犜1F Z2N（1）式中：犜1为固定阈值;N为信号长度;兀为高斯白噪声标准差②无偏似然估计阈值规则（rigrsure规则）xi为一个信号的离散时间序列i=1,2,令W（z）为|x（）|2的升序序列.向量K的元素为in一21一（狀一i）W i+^kk=1狉=------------n-------------------i=1,2,・・・狀（2）则，阈值犜2=J m in.③启发式阈值规则（heursure规贝U）W是n个小波系数的平方和，n=（W-n）/n,（iog2n）2n,则阈值为犜=犜13|min（T1,T2）r）>从④极大极小值阈值规则（minimax规贝U）(3)犜4^(0.3936)+0.1829log2n n>320n<32（4）式中：=middle（W1>k,W k W2j一1一1）/0.6745, W1,代表尺度为1的小波系数;n为小波分解系数的个数；为噪声的标准差即信号分解出的第一级小波系数取绝对值后,再取中值.根据上述分析，对活塞杆缺陷超声信号的小波降噪方法选择为：1）小波基函数：db6；2）分解层数5层；3）阈值函数:软阈值.下面采用四种阈值选取规则对图3所示的含噪信号进行处理,分别比较四种阈值选取规则的降噪效果图4是四种阈值选取规则对缺陷信号降噪后的波形图，通过对比发现,降噪效果最好的是启发式阈值选取降噪方法,降噪效果最差的是无偏似然估计阈值降噪法而且，无偏似然估计阈值法和固定式阈值法降噪后信号的缺陷幅值相比于原始信号有所降低，造成了信号的失真.启发式阈值小波降噪法不仅能够很好地改进信噪比,还保证了缺陷信号的完整性.因此，采用启发式阈值小波降噪法对本实验采集的活塞杆接头超声检测回波信号进行降噪处理.・24・兰州理工大学学报第47卷42-21-4L4式中狓f为探头发射的超声波从探头表面传播到缺陷位置的距离，即声程为超声波在活塞杆件中的传播速度，即为横波声速;t为超声波从探头传播到缺陷并经缺陷反射回到探头接收所用的时间.缺陷距探头的轴向距离和径向距离的示意图如图5所示，计算公式为l f=Tfsin p,d f=z f cos p(5)式中l为缺陷位置到探头的轴向距离犱f为缺陷位置到探头的径向距离，为超声波入射角度，和探头的犓值有关.2 0 -22004006008001000采样点/个(a)固定式阈值选择-4---------1---------1---------1---------1---------02004006008001000采样点/个1杆头02004006008001000采样点/个(c)启发式阈值选择图4四种阈值选取规则降噪后波形图Fig.4Waveform after noise reduction with four threshold selection rules图5缺陷位置计算示意图Fig.5Schematic diagram of defect location calculation将上述计算所得的缺陷轴向和径向距离转换成极坐标(p,)可以直观显示缺陷在焊缝横截面上的位置，其中P是缺陷点所在位置到缺陷截面中心点的距离，是缺陷所在位置在极坐标里的圆心角度.3.2缺陷大小二维重构在活塞杆上沿轴向移动探头的同时旋转活塞杆对摩擦焊的焊缝进行周向检测,观察、分析信号的声程和幅值,确定缺陷的外边缘点.对缺陷外边缘点的超声回波信号进行降噪处理后，计算缺陷位置信息并进行极坐标变换表示在极坐标图上，将极坐标图上的投影点拟合,就可以得到缺陷的二维重构轮廓.表1是已判为不合格活塞杆进行超声检测后得到的12个缺陷边缘点的位置信息表1不合格活塞杆缺陷点位置Tab.1Defective point position of unqualified piston rod3缺陷定位及大小重构3.1缺陷位置的计算超声检测方法最直观地反应缺陷位置的参数为声程(即超声波在构件中单向通过的路程)声程是根据超声波在钢材中传播的传播速度和超声波在构件中的传播时间来计算的.缺陷点与探头之间的直线距离可通过下式进行计算：狓f=vt/2缺陷点轴向距离/mm径向距离/mm缺陷点幅值/dB 1374610023241993384783419278452532636202868717255382129949263366 10182681 11445374 123645100第2期朱明等:活塞杆摩擦焊接头的超声检测及缺陷二维重构・25・(b)缺陷大小二维重构图活塞杆焊缝未熔合缺陷重构图及实际缺陷图图6Fig.6Reconstruction diagram and actual defect diagram of the incomplete fusion defect of the piston rod weld将表1中的位置信息转换到极坐标得到如图6a所示极坐标中缺陷外边缘点的位置，从图中可以看出12个缺陷外边缘点在活塞杆截面中心偏左的位置将图6a中的12个缺陷外边缘点拟合就得到了如图6b所示的缺陷二维重构图,可以看出缺陷大致为一个四边形.采用线切割技术将活塞杆沿确定的缺陷位置切开，得到图6c所示的活塞杆焊缝截面，可以看出在该不合格活塞杆中有一个近似四边形的未熔合缺陷.通过对比图6b和图6c发现，超声信号二维重构的焊缝缺陷与实际破坏性检验的结果基本吻合.4结论1)通过分析活塞杆摩擦焊接头超声检测信号,将声程30〜100mm、幅值超过50%高度的信号判定为缺陷信号采用小波降噪法中的启发式阈值降噪法对超声检测信号进行了降噪处理，得到了具有较高信噪比的缺陷信号，同时也保证了信号的完整性2)计算确定了缺陷边缘点在焊缝截面的水平位置和竖直位置，通过将其转换到极坐标得到了缺陷在焊缝的二维轮廓.破坏性实验结果也表明，缺陷的实际区域和通过计算重构的二维轮廓具有较高的吻合度致谢:本文得到兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划项目的资助，在此表示感谢.参考文献：[1]高双胜，姬书得,岳玉梅•搅拌摩擦焊接头体积型缺陷的无损检测与成因分析[J].焊接,2013(5)：22-24.[]王常玺，刚铁，于朋，等.一种铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝的超声快速检测方法[J].机械工程学报,2015,51(2)：713. []胡博文，黄春平，夏春，等.搅拌摩擦焊焊缝缺陷形态对超声相控阵检测的影响[J].中国有色金属学报,2019,29(3)：491-497[4]IWAKI S,OKADA T,EGUCHI N,t犪l Imperfections in fric-tionstirweldedzonesandtheirprecisionnon-destructivetes-ting.Studies on characteristics of friction stir welded joints in structural thin aluminum alloys[J].Welding International, 2006,20(3):197-205.[]张忠科，张剑飞,廖蕴博，等.厚板搅拌摩擦焊接头的组织与性能J兰州理工大学学报,2018,44(1)：2125.[]剡昌锋，张罗丹,李彦军，等.基于UML的超声三维可视化无损检测系统[J].兰州理工大学学报,2020,46(6):5259.[]董世运，刘彬,徐滨士，等.发动机旧连杆缺陷超声检测研究[J].失效分析与预防,2011,6(1):1922.[]张海兵，孙金立,孙红光.相控阵超声检测技术在某型飞机撑杆焊缝检测中的试验研究[J].航空制造技术，2016(22)：89-91, 95[9]GUARNERI G,PIPA D,JUNIOR F,犲al.A sparse reconstruction algorithm for ultrasonic images in nondestructive testing[J].Sensors,2015,15(4)：9324-9343.[10]CHEN Youxing,JIA Pengfei,WANG Jian,犲al.Ultrasonictesting and reconstruction of the defect in the axisymmetricobject based on boundary tangent fitting technology[J].Measurement Science&Technology,2019,30(3):035008. 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基于EMD和GA-SVM的超声检测缺陷信号识别
基于EMD和GA-SVM的超声检测缺陷信号识别
李大中;赵杰
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2016(042)001
【摘要】为提高金属探伤时对缺陷的识别能力,提出一种遗传优化支持向量机,结合经验模态分解(EMD),对超声波缺陷信号进行自动识别.首先进行经验模态分解法分解,提取出原始信号特征,构建特征向量.鉴于常用的神经网络模型识别率不高及支持向量机参数难确定的问题,利用遗传算法优化支持向量机模型(GA-SVM)的惩罚因子和核参数,提高支持向量机建模精度.分别采用神经网络模型、SVM模型和GA-SVM模型对特征向量进行训练与测试,GA-SVM模型识别率达到98.437 5％,优于神经网络方法和未改进的交叉验证法SVM模型.试验结果表明:遗传算法能有效提高支持向量机的性能,在小样本条件下能够提高超声缺陷的识别率.
【总页数】5页(P102-106)
【作者】李大中;赵杰
【作者单位】华北电力大学自动化系,河北保定071003;华北电力大学自动化系,河北保定071003
【正文语种】中文
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1.基于MEEMD和GA-SVM的列车车轮多边形故障识别方法 [J], 陈博;陈光雄
2.基于多幅连续相关法的超声检测信号的缺陷识别技术 [J], 任明照;黄永巍;高东海
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4.基于EMD与欧氏距离的缺陷信号识别方法 [J], 李娟;杨录;张艳花
5.基于EEMD和GA-SVM的精神分裂症MEG识别 [J], 张学军;朱丽敏;黄丽亚;成谢锋
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一种基于分形插值原理的焊缝轨迹识别方法
制造业飞速发展及产品质量稳步提升，其高 智能化和全自动化功不可没，而焊接技术对保障 现代制造业的质量稳定性有极大影响，但在工业 焊接领域中，工件种类繁多、焊缝类型复杂等不稳 定性影响因素导致焊缝的图像捕捉、轨迹识别及 焊接精度和效率存在较大的波动性，且影响焊缝 轨迹识别准确度的核心因素是焊缝特征点的捕捉 和识别。焊缝轨迹跟踪伺服控制系统［１］提高了焊 接工艺质量及效率，设计较为复杂；双目视觉传感 检测技术［２］虽然可识别待焊工件及焊 缝 起 始 位 置，其检测精度却有待提高；当采用 ＣＣＤ摄像机 可局部视觉识别［３］焊枪枪尖及焊缝之间偏差和焊 缝轨迹，但只适用于固定式焊接机器人操作；基于 改进型神经网络自适应滑模控制系统［４］对机器人 轨迹跟踪具有良好的鲁棒性和控制精确度，动态 响应略慢；由模糊控制和 ＰＩＤ控制并联构成复合 型 Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制器［５］以较快响应实现焊缝跟 踪，系统结 构 较 为 复 杂，需 由 阈 值 来 切 换 控 制 模 式；而智能化焊接制造技术［６］通过前瞻偏差补偿 控制提高自适应性和控制精度，主要应用于电弧 焊；改进型去“雾”算法［７］保障了所提取焊缝的基 本参数的准确性，但耗时费力；图像分割方法［８－９］ 对焊缝图像进行自动阈值化处理以获取清晰焊缝 信息，提取 焊 缝 中 心 数 据 易 受 干 扰，影 响 焊 接 精 度；此外，利 用 二 维 中 值 滤 波 函 数［１０］可 有 效 处 理 轨迹检测图中黑色斑点，其位置定位相对较复杂。 因此，人工操作为主的传统焊接方式的生产效率 低，自动化 焊 接 技 术 应 运 而 生［６，１１］。 焊 接 机 器 人 在工业机器人中的数量占据比例逐渐增大，应用 面也越来越广泛，提高焊缝轨迹识别是改善智能 自动化焊接高效化的关键技术，需要建立一种用 于机器人的智能视觉焊缝轨迹实时跟踪优化系统 以及实现方法，并以此为基础快速高效地捕捉具 有分形特征的平面焊缝，实现实时焊缝跟踪和轨 迹识别，提高焊缝整合的质量稳定性。
焊缝超声无损检测中的缺陷智能识别方法
焊缝超声无损检测中的缺陷智能识别方法
黄民;李功
【期刊名称】《北京信息科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(024)002
【摘要】针对焊缝超声无损检测中的缺陷智能化定性识别一直未能很好解决的难题,提出采用小波包变换技术对缺陷回波信号进行降噪和特征值提取,采用基于距离的类别可分性判据和人工神经网络模式识别方法对其进行自动识别和归类,在此基础上开发了基于MATLAB软件的焊缝超声波探伤缺陷智能识别系统,可实现对缺陷回波信号的自动采集、处理及智能化识别和分类.实验表明采用的特征值提取方法以及缺陷定性识别方法是有效的.
【总页数】4页(P33-36)
【作者】黄民;李功
【作者单位】北京信息科技大学,机电工程学院,北京,100192;安徽工业大学,工业工程系,安徽马鞍山,243002
【正文语种】中文
【中图分类】TG115
【相关文献】
1.焊缝缺陷模式识别以及焊缝缺陷检测数据库——计算机视觉技术在焊缝缺陷检测中的应用(2) [J], 杨燕萍;杨清平;金顺敬;汤一平
2.焊缝超声无损检测中的缺陷智能识别方法研究 [J], 黄民;李功
3.焊缝缺陷磁光成像模糊聚类识别方法 [J], 代欣欣;高向东;郑俏俏;季玉坤
4.基于稀疏表示的焊缝视觉图像缺陷识别方法 [J], 王飞;张素兰
5.图谱数据深度学习融合模型及焊缝缺陷识别方法 [J], 支泽林;姜洪权;杨得焱;程志翔;高建民;王泉生;王晓桥;王景人;石养鑫
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以标度值 ｒ 去 量 度 一 个 客 体 的 度 量 值 为 Ｎ（ ｒ） ， Ｎ（ ｒ） 随 变 化 而变化。如满足 Ｎ（ ｒ） ∝ｒ－Ｄ 即 Ｄ＝ｌｉｍ ［ｌｎＮ（ ｒ） ｌｎｒ］则称 Ｄ 为该客体
图 １ 未焊合缺陷超声去噪信号波形及对应的双对数图
图 ２ 弱结合缺陷超声去噪信号波形及对应的双对数图
图 ３ 无缺陷超声去噪信号波形及对应的双对数图
４ 摩擦焊超声检测缺陷信号识别与分析
可以覆盖 Ｆ 的集的最少个数， 则 Ｆ 的下盒维数Ｄｉｍ ＢＦ、上盒维数
Ｄｉｍ ＢＦ 分别定义为
Ｄｉｍ
ＢＦ＝ｌｉｍ
!→０
ｌｏｇ２Ｎ（! Ｆ） － ｌｏｇ２ !
Ｄｉｍ ＢＦ＝ｌｉｍ !→０
ｌｏｇ２Ｎ（! Ｆ） － ｌｏｇ２ !
如果Ｄｉｍ Ｂ 与Ｄｉｍ Ｂ 两个值相等， 则称上、下盒维数共同的值
为 Ｆ 的盒维数 ＤｉｍＢＦ， 记为
ＹＩＮ Ｘｉｎ１， ＦＡＮ Ｃｈｅｎｇ － ｆａｎｇ２ （ １Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ， ＺＺＩＡ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００１５， Ｃｈｉｎａ） （ ２Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ＇ａｎ ７１００７２， Ｃｈｉｎａ） !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 【 摘 要】采用超声波探伤仪 Ｕ１ｔｒａＰＡＣ 系统对 ＧＨ４１６９ 高温合金摩擦焊 件进行检测，针对 缺陷信号特点， 提出基于分形理论的摩擦焊超声检测缺陷信号的识别方法。运用一种新的分形维 数计算方法 － 归一化尺度计盒维数法对试件超声回波缺陷信号盒维数进行计算， 统计分析出三 种缺陷信号盒维数范围， 并对结果进行方差分析。分析结果表明， 有缺陷信号与无缺陷信号有着 各自分形维数区间， 且不交叠， 据此可用来判断缺陷的有无。该方法对摩擦焊件缺陷信号的分类 识别有较好的统计特性。 关键词： 分形理论； 盒维数； 摩擦焊； 超声检测 【 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＧＨ４１６９ ｈｅａｔ ｍｅｔａｌ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ Ｕ１ｔｒａ－ ＰＡＣ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｅｘｐｌｏｒｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ． Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｂｌｅｍｉｓｈ ｓｉｇｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ， ａ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｂｌｅｍｉｓｈ ｓｉｇｎａｌ ｉｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｒａｃｔａｌ ｔｈｅｏｒｙ．， Ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ － ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｓｃａｌｅ ｂｏｘ － ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｂｏｘ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｅｍｉｓｈ ｓｉｇｎａｌ， ａｎｄ ｓｔａｔｉｓｔｉｃ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｘ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｅｍｉｓｈ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｄｉｆｆｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ． Ｔｈｅ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｌｅｍｉｓｈ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｈａｖｅ ｅａｃｈ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｚｏｎｅｓ， ａｎｄ ｄｏｎ＇ｔ ｈａｎｄ ｏｖｅｒ ｔｏ ｆｏｌｄ． Ｓｏ ｉｔ ｃａｎ ｕｓｅ ｔｏ ｊｕｄｇｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｂｌｅｍｉｓｈ ｅｘｉｓｔ ｏｒ ｎｏｔ． Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｔｏ ｈａｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｂｌｅｍｉｓｈ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｆｒ ａｃｔａｌ ｔｈｅｏｒ ｙ； Ｂｏｘ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ； Ｆｒ ｉｃｔｉｏｎ ｊｏｉｎｔｉｎｇ； Ｕｌｔｒ ａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ
试件编号 飞轮初始转速 ｎ０ 飞轮惯量 Ｊ 轴向压力 Ｐ 焊接时间 ｔ
试件 １
１４６０ｒｐｍ
１．１７８３５Ｎ·ｍ·ｓ! ３９２ＭＰａ
０．９６ｓ
试件 ２
１４６０ｒｐｍ
１．１７８３５Ｎ·ｍ·ｓ! ３９２ＭＰａ
２．２４ｓ
试件 ３
１４６０ｒｐｍ
１．１７８３５Ｎ·ｍ·ｓ! ３９２ＭＰａ
０．８０ｓ
试验中采集了大量的超声信号， 这些信号主要分三类， 一类
ｒ →０
的分维， Ｄ 不必是整数而可以是分数［６］。
头焊接质量进行检测以做早期预报就显得十分重要。以实验为
分形既可以是几何 图 形 ， 也 可 以 是 由“ 功 能 ”或“ 信 息 ”等 构
依据， 运用分形理论对摩擦焊超声检测经去噪处理后的信号进 成的物理模型， 并且它们都具有自相似性和标度不变性。所谓自
行缺陷识别， 研究表明基于分形理论的摩擦焊超声检测缺陷信 相似性是指某种结构或过程的特性从不同的空间尺度或时间尺
号的分类识别方法具有较好的统计特性。
度来看都是相似的， 或者某系统或结构的局域性质或局域结构
＊ 来稿日期： ２００７－ ０４－ １６
第２期
尹 欣等： 基于分形理论的摩擦焊超声检测缺陷信号识别
采 用 一 系 列 尺 寸 为 ｋ!（ ｋ１"ｋ"ｋ２） 的 方 形 网 格 对 分 形 对 象 进 行 覆 盖 ， 得 到 各 尺 度 下 的 有 效 覆 盖 网 格 数 量 Ｎｋ!， 通 过 最 小 二 乘 法 得 到－ ｌｇ（ ｋ!） － ｌｇＮｋ! 的 拟 合 直 线 ， 其 斜 率 就 是 该 形 体 的 分 形 盒 维 数 Ｄ。在无标度区内－ ｌｇ（ ｋ!） 与 ｌｇＮｋ! 满足线性回归方程
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
中图分类号： ＴＨ１６，ＴＢ５５１ 文献标识码： Ａ
１ 引言
２ 分形的概念及盒维数的计算
摩 擦 焊 接［１，２］以 其 优 质 、高 效 、节 能 、无 污 染 的 特 色 ， 在 航 空 、 航 天 、核 能 、海 洋 开 发 等 高 技 术 领 域 及 电 力 、机 械 制 造 、石 油 钻 井 、汽 车 制 造 等 产 业 部 门 得 到 广 泛 的 应 用 。它 是 在 轴 向 压 力 与 扭 矩作用下， 利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产 生的摩擦热及塑性变形热， 使接触面及其近区达到粘塑性状态 并产生适当的宏观塑性变形， 然后迅速顶锻而完成焊接的一种 压焊方法。然而由于焊接过程中需要控制的焊接参数［３］较多， 如 果不能准确控制， 或一些非正常因素的介入， 接头中容易产生未 焊合和伪结合缺陷， 会大大降低接头冲击韧性， 伪结合缺陷接头 断裂韧度与正常接头相比 要 下 降 ５０％以 上［４］。 因 此 对 摩 擦 焊 接
实验测量便捷等优点， 被广泛使用， 采用一种新的计盒维数算
法－ 归一化尺度计盒维数快速算法来进行计算分析。即建立分
形盒维数与检测信号的关系， 研究检测信号随分形盒维数变化
而变化的规律， 进而实现缺陷信号的分类识别。
设 Ｆ 是 Ｒｎ 上 任 意 非 空 的 有 界 子 集 ， Ｎ（! Ｆ） 是 直 径 最 大 为 !，
研究中试件采用的焊接材料为 ＧＨ４１６９ 高温合金 （ 时效沉
淀强化型镍基高 温 合 金） ， 焊 接 方 式 为 惯 性 摩 擦 焊 ， 试 验 采 用 的
超声波探伤仪是美国 Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 生产的超声
波物质特征和成像系统， 焊接工艺参数如表 １。
表 １ 摩擦焊接工艺参数
是含有缺陷的伪结合超声回波信号， 一类是含缺陷的未焊合超
声回波信号， 另一类是没有缺陷的超声回波信号。分形特性的表
征是尺度不变性， 计算盒维数可以衡量信号的诸如形态、复杂度
和不规则度等随尺度不变的特性， 这种特性在双对数坐标中表 现为较好的线性关系。在对三种经小波去噪后的超声检测信号 计盒维数过程中， 首先对信号进行归一化， 使其幅值处于 ０￣１ 之 间 ， 其 次 以 标 度 值 !＝１／２（ｎ １"ｎ"Ｎｍａｘ， Ｎ 为 信 号 的 长 度） 划 分 空间， 然后对于不同的 ｎ 值， 计算覆盖检测信号所需的最小方格 数 Ｎ（ １／２ｎ） ； 根 据 所 计 算 的 １／２ｎ 和 Ｎ（ １／２ｎ） ， 以 ｌｏｇ２ ! 为 横 坐 标 ， ｌｏｇ（２ Ｎ（ １／２ｎ） ） 为 纵 坐 标 在 双 对 数 坐 标 系 下 描 点 ， 并 用 最 小 二 乘 法拟合曲线 ｌｏｇ２ !－ ｌｏｇ（２ Ｎ（ １／２ｎ） ） ， 拟合曲线的斜率就对应了检测 信号的盒维数， 其对应的波形及双对数图如图 ２、３ 和 ４ 所示。计算 过程中发现， 当标度 ! 在一定范围时， 双对数图呈较好的线性关 系， 而当标度 ! 超过一定范围时， 双对数图出现较大波动性。说明 在计算盒维数时标度 ! 不能取得太大， 否则不能反映分形特征。
－ ４５ －
与整体相似。所谓标度不变性是指在分形上任选一局域， 对它进
行放大， 这时得到的放大图会显示出原图的形态特征。
２．２ 计盒维数
分形维数是对分形进行定量描述的参数， 它描述了分形的
复杂程度。ห้องสมุดไป่ตู้算分形维数的方法有多种。例如： 相似维数、毫斯道