基于经验模态分解的铝材缺陷超声检测方法研究.doc

基于经验模态分解的铝材缺陷超声检测方法研究塑鹏玉学位授予单位和日期目 学位论文作者签名：噬斫惭尹 学位论文作者签名：镌嘲芎伊日 江苏大学硕士学位论文摘要 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究 江苏大学硕士学位论文琕琤瑄 ， 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究： 珽， 江苏大学硕士学位论文本章小结第三章经验模态分解理论经验模态分解基本原理及算法描述经验模态分解方法的主要性质及存在问题一基于经验模态分解的去噪方法一 程序 损检测技术的功能可以概括为以下四个方面】：产品在加工制造过程中其表面或者内部都有可能出现一些缺陷，如焊接时焊缝出现的未焊透、夹杂等：锻造件在热处理工艺过程中由于热应力产生的表面微裂纹；铸件内部的气泡和分成等。这些缺陷会严重影响产品的使用性能。利用磁粉检测或渗透检测等方法可以检查出表面的缺陷，利用超声检测或者射线检测等方法可以检查内部缺陷。采用无损检测技术对材料的结构、强度和性能做出评价，将不同品质的 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究材料进行分类。采用无损检测技术对产品的缺陷信息进行实时的监测，是无损检测技术的一个延伸。它包括检测信号的采集、处理、缺陷信息的判断等步骤。实时监测是一种高度自动化的检测系统，人力成本低效率高，同时可以最大化保证企业生产的每一个产品的质量，具有很高的应用价值。 江苏大学硕士学位论文化能力，非常适合分析非平稳信号，目前已广泛应用于信号去噪、压缩、传递和特征提取等领域【。然而，小波分析在进行信号去噪处理过程中自适应能力较弱，小波基的选取，小波分解的层数等问题制约了小波分析方法在超声信号处理中的发展与应用。经验模态分解国内外研究现状 超声检测的方法有很多种，按检测的超声波的波形种类可分为纵波探伤型显示、拖允竞虲型显示；按检测时的耦合方式不同分为接触式检测和浸液式检测；按检测原理不同可分为共振法、脉冲反射法和穿透法；按入射角度不同可分为直射声束法和斜射声束法【。每一种检测方法都有其优点和局限性，超声检测的方法与被测工件的外形、表面质量还有探伤的目的等有关。超声检测技术已经被应用到工业生产的各个领域中，并发挥着巨大的作 江苏大学硕士学位论文 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究冶金零件的超声在线检测系统，相对其他现有的检测系统，这个系统更加经济、可靠，可以快速发现粉末冶金零件成品的内部缺陷，并将其从生产线中剔除，除此之外该系统还可以通过零件内部密度图来识别局部的密度缺陷。 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究目前，在国外超声波信号处理方法主要也是利用小波分析方法和经验模 江苏大学硕士学位论文法，文中分析了医学超声信号的噪声特点和传统带通滤波器在去噪方面的不足，提出将经验模态分解理论和非线性相关信息熵结合的方法来实现医学超声信号的去噪。通过仿真实验证明了该方法的有效性，且去噪性能优于小波阈值去噪。文献【槟纸夂拖喙叵凳嘟岷希岢隽艘恢只贓和相关分析的超声图像信号小波阈值去噪方法，该文献中分析了传统方法使 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究论文的主要研究内容第一章主要介绍本文选题的研究背景与意义，阐述超声检测技术和超声信号去噪技术的研究现状，同时介绍本文的主要研究工作。 江苏大学硕士学位论文本文去噪方法在不同噪声强度和不同信号情况下的去噪性能。第四章设计一个用于采集数字形式的超声波信号的超声检测系统，该系统以穿透法进行超声缺陷检测，使用超声探伤仪激发超声波，设计一个超声波信号接收电路，对超声波信号进行放大和滤波，用泰克数字示波器显示并储存超声波信号。深孔；然后，用第四章设计超声检测系统，以穿透法对所制作的铝棒进行超声检测实验并采集数字超声信号；然后，对所采集的超声信号进行的去噪处理并对去噪后的信号进行经验模态分解，提取包含缺陷信息固有模态函数并计算出缺陷的位置和大小；最后，根据实验结果，分析穿透法超声缺陷检测中波长、缺陷尺寸与检测误差之间的关系。 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究第二章超声无损检测的基本原理虺芔是传统工业无损检测技术超声波的物理描述 江苏大学硕士学位论文瑞利波的声速表达式为： 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究声强 江苏大学硕士学位论文、以透射波的声压肷洳纳筽谋戎当硎旧沟耐渡湎凳齠，且有如相应地，根据声强和声压之间的关系，可以推导，声强的反射去骞#尚 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究反射波就越多，透射波就越少。并且当毛：时声压反射系数为负值，表明超 江苏大学硕士学位论文幢 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究常用超声缺陷检测方法超声检测的方法有很多种，按检测的超声波的波形种类可分为纵波探伤图脉冲反射法检测原理图脉冲反射法根据判断缺陷的回波不同，可以细分为缺陷回波法、底面回缺陷回波法是超声检测中最常用的检测方法，假设被测件的底面光滑且与探 江苏大学硕士学位论文底面多次回波法只适用于厚度较小的试件，或被测试件的材料对超声波衰减较小的情形。对于试件无缺陷的情形，可以接收到多次底面回波，这些回波的高度依次递减；对于有缺陷的试件，由于缺陷对声能的损耗，接收到的底面回波的次数减少，且打乱了各次底面回波在显示屏上的递减规律。这种方法检测灵敏度不高，只能判断缺陷是否存在，难以检测小缺陷。和第次共振点的共振频率。 图芽透法检测原理图然而，当被测件中存在缺陷时，缺陷的作用使超声波在缺陷位置发生反 江苏大学硕士学位论文支；图四种传播路径的超声波图中入射波拇肪段#捍尤肷涿嬷涞酱锿干涿妫蝗肷洳的图接收到的超声波信号示意图 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究 江苏大学硕士学位论文经验模态分解经验模态分解基本原理及算法描述类似于傅里叶变换，经验模态分解也是基于一个简单的假设：任何复杂信号均可分解为有限个简单的本征模态函数，每一个模态既可以是线性的平稳的也可以是非线性和非平稳的，但是必须满足以下两个条件：数据序列中，极值点的数量笾岛图与过零点的个数必须相等，或相差一个； 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究其中，占为门限值，一般取值为。根据以上论述，可设计经验模态分解算法如下： 江苏大学硕士学位论文图经验模态分解算法流程图经验模态分解方法不仅具有很好的自适应性，而且分解结果简单直观， 分解后的重构信号之间误差的主要原因是计算机的运算精度不可能无限高。图经验模态算法的重构及重构精度 江苏大学硕士学位论文目前，经验模态分解算法的一个合适的数学模型尚未建立，在唯一性、收敛性、完备性和正交性等方面还缺少严格的数学证明，只能通过多次试验的方法来间接说明。对于适合经验模态分解的信号应满足的条件也缺乏定性描述。虽然经验模态分解理论的应用已经十分广泛，但是还是需要进一步完善其理论支撑。式中，仃表示门限值，缸和为上下包络线。 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究后一个固有模态函数或者余项的幅值小于设定值，分解停止；二是余项为单调函数或者常数时，分解停止。这两个条件满足其一，分解结束。对于停止准则的设定的适当与否将直接关系到分解的层数，过于严格就会导致分解层数过多，计算量增加且最后几次分解没有意义；过于宽泛则会导致分解层数过少，不能得到有用的分量。如上文论述，包络线的拟合关系到经验模态分解的重构精度。目前常用 江苏大学硕士学位论文法等。滑度指标。 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究旁氡群托旁氡仍鲆妗式中曼瑇为去噪后信号与原始信号的协方差，分别为去噪后 江苏大学硕士学位论文【曼还标的数值越小，表示去噪后的信号越光滑，则去噪效果越好。本文选用信噪比和均方根误差来对去噪效果进行评价。 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究当在全局极小值前存在局部极小值时，有：可能找不到固有模态函数能量的全局最小值，此时，该方法便完全失效了。同时，由于经验模态分解本身的不足，在有些情况下会出现噪声和有用信息在某个固有模态函数上产生混叠现象，若直接剔除若干个固有模态函数，将会很容易丢失有用信号，降低去噪的效果。下面以两个仿真实验来证实上述的结论。 上上上行橄弑硎驹夹藕舠的波形，实线原有方法对高信噪比平稳信号去噪效果很好。 图染噪信号猻的波形 江苏大学硕士学位论文 于某些噪声严重的情形，该方法甚至会失效。用表示，其计算方法为：式中，P蛄衳的长度，P蛄衳中绝对值最大的元素。 江苏大学硕士学位论文纳：盯瓦丽 其中，P拚凳话闳蚿，为固有模态函数的通用阈值和平计算修正的闽值上图拚兄档腅去噪算法流程图 江苏大学硕士学位论文图旁氡任的信号中噪声的影响也随着分解的深入而减弱。 黼厂一弧痳璤甜仃瞨息大部分被移除，重构后的信号已经严重失真了，修正阈值处理后重构的波 江苏大学硕士学位论文 图疚姆椒驮蟹椒匀驹氲膁信号去噪性能曲线 江苏大学硕士学位论文、抄、抄 甚。】 江苏大学硕士学位论文图隽送腥敕椒直鸲許，染噪信号进行本文去噪方法在不同噪声强度下均有较好的去噪效果。 其次，在深入研究经验模态分解理论，分析固有模态函数中噪声的分布情况的基础上，提出了一种修正阈值的经验模态分解去噪方法。通过软件模拟实验，验证了本文提出的去噪方法在不同信噪比情形下去噪的有效性，并与传统的经验模态分解去噪方法进行了去噪能力的对比。实验结果证明，本文提出经验模态分解去噪方法优于原有方法。 江苏大学硕士学位论文超声缺陷检测系统结构图超声检测系统结构框图骸唬琠 江苏大学硕士学位论文脚蠲翻德绷 超声信号接收电路设计图超声接收电路虺芅生产的作为运算放大器。 江苏大学硕士学位论文 则有通频带的中心频率，和通带宽分别为：设计了超声波的有源带通滤波电路如图所示。该带通滤波电路上下截止频图带通滤波电路 江苏大学硕士学位论文图放大电路本章小结 基于经验模态分解的铝材超声缺陷检测方法研究实验试样制作图实验试样零件图 江苏大学硕士学位论文实验过程与数据处理鬻一”一一一灞剿甏黧霪。勰。溅澎溺一图探伤仪配置界面 匝第一次探伤信号匝第二次探伤信号 江苏大学硕士学位论文著呈匝第二次探伤信号 的超声波信号中均含有一定量的噪声，这些噪声并不影响对幅值较大的波形 江苏大学硕士学位论文匝第二次探伤信号的去噪信号匝第二次探伤信号的去噪信号匝第二次探伤信号的去噪信号 匝第二次探伤信号的去噪信号匝第二次探伤信号的去噪信号图匝探伤信号的去噪信号 鷓 样点为参考，利用求得每段探伤信号和去噪信号的能量如表所 江苏大学硕士学位论文表信号去噪前后的能量对比彻 【 鼍 江苏大学硕士学位论文鷓珊 江苏大学硕士学位论文本章小结 其次，研究了经验模态分解理论及其在信号去噪中的应用，构造了用于描述信号中噪声情况的平滑度参数，并以之修正传统阈值，通过修正阈值实现了经验模态分解的阈值去噪。通过仿真实验，对比修正阈值的经验模态分解去噪方法与现有的经验模态分解去噪方法去噪在不同信噪比不同信号情形下的去噪性能。根据实际超声信号频率分布的特点，利用仿真带有缺陷的超声波信号，并通过不同信噪比情形下的仿真实验，验证了修正阂值的经验模态分解去噪方法对超声信号的去噪的有效性。 江苏大学硕士学位论文用于评价固有模态函数中噪声情况的平滑度参数，并利用平滑度修正传统方法求得的阈值，实现了修正阈值的经验模态分解去噪。该去噪算法，具有很高的自适应性。 】李伟低碳钢点蚀声学检测与信号处理技术研究】大庆：东北石油大学，看拗危沓洌掌詈鲜匠觳庠诤娇瘴匏鸺觳庵械挠肹无损检测， 江苏大学硕士学位论文仃：琓緄甎阛， 甕狪 瓵 江苏大学硕士学位论文痩縄，簎【耪缴诵藕诺氖执砑际醯难芯俊綝】天津：天津大学，大学，学，】狢盿莈 砍虑浚粕恚跷胄兰鄣牧硪恢副闧测绘信息与工程，吴继忠鄄馐莸男兄捣隱浚蟮夭饬坑氲厍蚨：，【】孙伟峰，彭玉华，许建华基于募獬藕湃敕椒山东大学学报：【】高成小波分析与应用时本： 本文的研究工作是在我的导师李伯全教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着李