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超声相控阵汽车发动机内腔腐蚀检测关键技术研究Study on the Key Technology of CorrosionTesting for Automobile Engine CylinderCavity Using Ultrasonic Phased Array一级学科：仪器科学与技术 学科专业：仪器科学与技术 研 究 生：杨晓霞 指导教师：靳世久 教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一四年五月 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：年 月 日年 月 日 摘 要汽车再制造运动可以有效避免大量报废汽车及其发动机造成的环境污染及资源浪费。其中，发动机缸体内腔腐蚀缺陷的检测是发动机再制造中的关键问题，也是难题。超声相控阵以其检测速度快，声束灵活，灵敏度高，操作安全等优势，逐渐成为无损检测领域的研究热点。本文提出将超声相控阵应用于汽车发动机缸体内腔的腐蚀缺陷检测，并对检测的关键技术进行了研究。根据发动机缸体的自身特征，设计了超声相控阵对于发动机内腔腐蚀缺陷的检测方案。针对制定的方案，进行了相应的声场仿真，即对凹圆柱界面条件下线型平面超声相控阵的声场进行了仿真及分析。基于扩展多元高斯声束模型及射线声学理论,建立了线型平面超声相控阵在发动机缸体中的辐射声场仿真模型，继而仿真得出缸体中的辐射声场,证明了检测方案的可行性，并分析了阵元长度对不同内径发动机声束聚焦质量的影响，达到相控阵优化的目的。提出了缺陷定量分析的新方法。搭建了基于超声相控阵的缺陷信号获取系统，并对具有不同直径及锥角的蚀坑缺陷进行了 A 扫信号采集。根据超声信号特点提取了缺陷回波信号的小波包能量谱特征，小波包分形维特征，时域峰值特征以及一些常规信号特征，构造了蚀坑回波信号的特征向量。针对蚀坑特征识别构建了 BP、RBF、GRNN 三种类型的神经网络，均能得到较理想的定量结果，其中 RBF 神经网络模型较其他两种有更高的识别精度且用时较少，更适用于蚀坑缺陷的识别。使用遗传算法进行了特征优化，进一步提高了识别精度及效率。基于图像增强、图像分割、质心提取等图像处理技术，提出了发动机内腔 C扫描图像的缺陷标记及定位算法，实现了蚀坑缺陷的自动标记并准确定位。提出了缺陷 C 扫描图像的校正算法，使检测结果圆柱面立体呈现，提高了检测结果的可视化程度。设计加工了发动机内腔机械扫查装置，进行了实际发动机缸体内腔的检测实验。为研制适用性更强的发动机超声相控阵检测系统，提出了检测系统的硬件框架，针对检测系统成像过程中全通道高频采集带来的存储、传输数据量大的问题，进行了压缩传感理论在超声相控阵发动机缸体内腔腐蚀检测系统中的应用研究。对单阵元接收到的回波信号进行了压缩传感，分别应用了离散傅里叶，离散余弦和小波三种确定性稀疏变换，使用较少的采样点重构出了高分辨率信号，且对稀疏度进行分析比较得出缺陷回波信号的 bior3.7 小波四层分解系数具有最佳的稀疏性，重构误差最低。根据超声相控阵的成像方法，得到了压缩传感下的腐蚀缺陷 B 扫描图像，具有较高的图像重构精度，为降低发动机内腔检测系统复杂度及硬件要求提出了新的思路并奠定了基础。关键词： 无损检测 超声相控阵 发动机 声场 缺陷定量 图像处理 压缩传感 ABSTRACTThe automotive remanufacturing movement can effectively avoid theenvironment pollution and resource wastes caused by the great number of scrappedautomobiles and engines. Among all the problems in conducting the automotiveremanufacturing movement, the inspection of engine cylinder cavity corrosion defectsis the key and difficult one. In the field of nondestructive testing, the ultrasonicphased array inspection technology has gradually become the research hotspot for itsfast detecting, flexible beam, high sensitivity and operational safety. This thesisapplies the ultrasonic phased array inspection technology to the testing of enginecylinder cavity corrosion defects, and then studies several key techniques in thetesting process.Firstly, in consideration of the own characteristics of the engine cylinders, thisthesis designs the scheme about the ultrasonic phased array inspection applying to theengine cylinder cavity. Aiming at validating the scheme, we conduct thecorresponding acoustic field simulation, i.e., simulating and analyzing the acousticfield of linear phased array ultrasonic transducer under the condition of the concavecylindrical interface on the engine cylinder. Based on the expanded multi-Gaussianbeam model and ray acoustics theory, we deduce the expression of the radiationacoustic field of a linear phased array ultrasonic transducer in the engine cylinder, andthen simulate the radiation acoustic field in the engine cylinder, validate the feasibilityof the scheme, and analyze the relationship between the focusing quality and thedifferent element lengths and inner diameters, by the results of which, we optimize thephased array ultrasonic transducer.Secondly, this thesis proposes the new method which can quantitatively analyzethe defects, and then sets up the defects signal acquisition system based on the phasedarray ultrasonic transducer, furthermore, samples the A-scan signal of the corrosionpit defects with different diameters and taper angles. The characteristic of waveletpacket energy spectrum, the fractal feature, the peak characteristic in time domain,and some routine signal characteristic of the echo signals from defects are extractedaccording to ultrasonic signal characteristics. These extracted features construct thefeature vector of the echo signal. Aiming at solving the identification problem of the corrosion pit signal feature, we construct three types of artificial neural networks: BP,RBF, GRNN, all these can work well to get satisfactory results, specially, the RBFcan produce more accurate results than the other two, besides, it works moreefficiently and is more suitable for the identification process. Moreover, we use thegenetic algorithm to facilitate the feature optimization, which further improves theidentification accuracy and efficiency.Thirdly, we propose the defects labeling and positioning method which is basedon the image processing technology including image enhancement, image segmentand centroid extraction, and implements the automotive labeling and accuratepositioning of defects. Then, we propose the correction algorithm which transformsthe plane image back to the real cylindrical appearance, and improves the degree ofvisualization. At last, we design and manufacture the device for engine cylinder cavitytesting, and demonstrate the practical experiment of testing the real engine cylindercavity.Finally, in order to develop new detecting system which has stronger applicability,we propose the frame of the hardware system. In view of the problem of highsampling rate and large amount of data brought by the characteristic that sampling inall the channels in the imaging process, we conduct the research that applies theCompressive Sensing theory to the corrosion inspection of engine cylinder. We applythe Compressive sensing theory to the single element echo signal, make use of threedeterministic sparse transformations including discrete Fourier transformation,discrete cosine and wavelet, and then utilize relatively less sampling points toreconstruct the high resolution signal; by analyzing and comparing the sparse rate, wefind that the coefficients that acquired by decomposing the bior3.7 wavelet to thefourth layer are of better sparse rate and less reconstruction error. According to theimaging method of Phased Array Ultrasonic Transducer, we obtain the B-scan imageof the corrosion pit defects under compressed sensing, which has better imagingresolution. For the significance, we say that it proposes new thinking and lays thefoundation for reducing the complexity of engine cylinder cavity testing system andthe high demand of hardware.KEY WORDS：nondestructive testing, ultrasonic phased array, engine, acousticfield，quantitative analysis of defects, image processing ,compressive sensing 目 录第一章 绪论.11.1 汽车发动机应用现状及存在的问题.11.1.1 汽车发动机应用现状.11.1.2 面临的问题.21.2 发动机缸体内腔腐蚀防检现状.31.3 常用的工业无损检测方法.41.4 超声无损检测技术.71.4.1 超声无损检测技术简史.71.4.2 超声无损检测新方法.81.5 超声相控阵无损检测技术.121.5.1 超声相控阵换能器.121.5.2 超声相控阵检测的特点.131.5.3 超声相控阵用于发动机缸体内腔腐蚀检测的优势.181.5.4 超声相控阵检测的历史发展及研究现状.191.5.5 超声相控阵检测的发展趋势.231.6 本课题的研究意义与主要内容.23第二章 超声相控阵发动机内腔检测声场仿真及优化.262.1 发动机内腔腐蚀缺陷检测方案设计.262.1.1 检测方式.262.1.2 曲面耦合方式.272.1.3 扫查方式.292.2 超声相控阵发动机检测声场仿真模型.322.2.1 界面条件的分析及简化.322.2.2 单高斯声束在发动机缸体中的传播.322.2.3 单阵元在发动机缸体中的辐射声场.362.2.4 超声相控阵在发动机缸体中的辐射声场.372.3 声场仿真及相控阵优化.402.3.1 声场仿真结果及分析.402.3.2 相控阵优化.41 2.4 小结 .43第三章 发动机内腔腐蚀缺陷定量分析 .443.1 缺陷信号获取系统 .443.2 缺陷信号的特征提取 .463.2.1 小波包能量谱特征提取 .463.2.2 分形特征提取 .523.2.3 时域峰值特征提取 .543.2.4 一些常规特征的提取 .553.2.5 特征向量的构建 .563.3 基于人工神经网络的蚀坑定量分析 .563.3.1 BP神经网络评估模型 .563.3.2 RBF神经网络评估模型.593.3.3 GRNN评估模型.603.3.4 定量结果分析 .623.4 基于遗传算法的特征优化 .633.4.1 遗传算法的基本原理 .643.4.2 遗传算法优化蚀坑缺陷特征 .653.4.3 特征优化结果 .673.5 小结 .69第四章 发动机内腔缺陷 C扫描成像及相关处理方法研究.704.1 C扫描编码.704.1.1 时间编码 .704.1.2 编码器编码 .714.2 C扫描图像的缺陷标记及定位.714.2.1 缺陷标记 .714.2.2 缺陷定位 .784.3 C扫描图像的校正.804.3.1 映射函数关系推导 .804.3.2 透视变换 .814.4 发动机内腔机械扫查装置设计及实验 .834.4.1 机械扫查装置结构 .834.4.2 汽车发动机内腔检测实验 .854.5 小结 .87第五章 压缩传感在超声相控阵发动机检测系统中的应用研究 .88 5.1 发动机内腔超声相控阵检测系统.885.2 压缩传感原理.895.2.1 信号的稀疏表示.915.2.2 测量矩阵.925.2.3 重构算法.925.3 单阵元接收回波的压缩传感.935.3.1 缺陷回波信号稀疏变换域的选择.935.3.2 小波基及分解层数的选择.975.3.3 超声回波信号重构.985.4 压缩传感下的发动机内腔缺陷图像.1015.4.1 相控阵超声成像.1015.4.2 压缩传感下的缺陷 B扫图像.1025.5 小结.105第六章 总结与展望.1066.1 全文总结.1066.2 进一步工作.108参考文献.109发表论文和科研情况说明.119致谢.121 第一章 绪论第一章 绪论1.1汽车发动机应用现状及存在的问题1.1.1汽车发动机应用现状近年来，随着我国汽车产业的快速发展，汽车的产销量出现井喷式增长。根据国家信息中心的统计，在刚加入 WTO的第一年，我国汽车总销量为 244万辆，仅占全球汽车总销量的 4.3%，随后市场份额逐年迅猛增长，据最新统计数据显示，2013 年汽车产销量分别为 2211.68 万辆和 2198.41 万辆，同比增长分别为14.76%和 13.87%，增速同比提高各 10.2和 9.6个百分点，再创全球产销最高记录，并己连续五年蝉联全球第一。在当今快节奏的现代化生活中，汽车已然成为人们工作生活中必不可少的一部分。与此同时，我国的汽车保有量也逐年增加，截至目前，中国的汽车保有量为1.37亿。因此，随着早年汽车使用时间的增长，在安全及使用性能方面出现问题，产生了大量的报废汽车，同时市场上也同样存在着大量汽车即将面临大修或报废。如图 1-1所示为一处被称为“汽车坟墓”的报废汽车存放场。报废汽车产生了大量的废旧发动机及零部件，造成了环境的污染，如发动机当中含有多种重金属，化学液体等物质，不当的处理或拆解将会对人类的生存环境造成极大危害。与此同时，大量发动机及零部件的废弃还造成了资源的巨大浪费，这些都违背了我国可持续发展的路线方针。针对此问题，一些具有社会责任感的企业及有识之士掀起了汽车再制造运动。汽车再制造不同于大修或新机制造，而是将废旧的部件经过一系列处理及测试，使其具有和新部件同样的性能及安全性，并重新投入使用。换句话说，再制造使旧产品得以高质量的再生，从而继续创造其使用价值 1-5。作为汽车的“心脏”，发动机在再制造业中占有非常重要的位置。国家发改委发布的国内第一部汽车零部件再制造试点管理办法，就将发动机列入汽车再制造零部件的范围6。如果废弃发动机经过再制造技术可以重新投入使用，将极大地减少污染及资源浪费，具有重大的社会意义及可观的经济效益。（注：为表述简洁，以下文中所提“发动机”均仅指汽车用发动机。）1 第一章 绪论图 1-1 报废汽车的“坟墓”1.1.2面临的问题汽车再制造的提出为大量即将或已经走入“坟墓”的汽车零部件带来了新的生机。然而，与此同时，也同样存在着一些亟待解决的问题。众所周知，发动机是汽车最核心的部件，是关系到汽车使用和安全性能的关键，因此对于发动机的再制造需要慎之又慎，要严格具体到发动机的每个零部件，以保证其具有和新机同样的性能，防止事故的发生。目前的再制造流程主要分为三步：首先对发动机进行拆解，清洗，然后严格按照制造标准对各个零部件进行检测，并筛选出有修复价值的部分，最后按照修复标准进行修复。因此，再制造的前提是部件可拆解，或易于拆解。于是，对发动机缸体内腔这种不易拆解部位的质量评估工作是再制造业面临的一项挑战。发动机缸体内腔是指处于气缸与外壳之间的腔体，如图 1-2所示，用于流通冷却液，属于发动机的冷却系统。目前，市面上存在的发动机冷却系统多使用铸铁、铝、钢、铜等材料，冷却液为水溶剂，主要成分多为乙二醇。因此，随着使用时间的增长，这些金属材料会不同程度地被冷却液腐蚀。虽然冷却液中会加入一些腐蚀抑制成分来防止发动机内腔的腐蚀，但仍无法保证绝对的防腐。发动机内腔最常见的失效形式就是腐蚀与空蚀磨损共同作用7，形成大小不等的蚀坑，并随着腐蚀程度的加深可能会形成穿孔，造成汽车故障，甚至重大交通事故。可见，对于汽车发动机内腔的腐蚀缺陷检测，是发动机再制造的关键环节，是保障汽车使用及安全性能的重要一步。因此，通过什么途径，用什么方法对发动机内腔进行有效检测，是目前面临的一大问题。2 第一章 绪论气缸外壳内腔图 1-2 发动机缸体示意图1.2发动机缸体内腔腐蚀防检现状为解决这一问题，目前国内外的研究还主要致力于防腐冷却液的研制以及冷却液与发动机缸体内腔金属化学反应机制的研究。自乙二醇型冷却液应用于汽车发动机以来，多种物质被研究用作抗腐剂。如美国的 Heinrich等人研究了基于多羟基醇的防腐化合物，专用于汽车发动机冷却系统的防腐8；关于不同材质的发动机，研究者们也进行了针对性研究，如 Abel 等专门研制了针对铝制发动机的防腐冷却液9，等等10-15。国内也进行了不少抗腐蚀冷却液的研究，如北京科技大学的刘元刚等人对发动机冷却液中的镁合金缓蚀剂进行了相关研究16；北京化工大学的王双田也研制出了新型的防腐冷却液，取得了良好的效果17。国内的此类研究也还有诸多18-22，在此不一一列举。对于发动机内腔腐蚀程度的评估，目前主要建立在冷却液与发动机缸体内腔金属化学反应机制的研究上，如图 1-3为现阶段应用的发动机冷却液腐蚀测定仪，测试的主要原理是利用金属材料与冷却液的化学反应现象，来评估发动机的腐蚀程度。具体步骤为先将发动机缸体所用材料加工成质量一定的样品试片，经过称重后，将其放入冷却液中浸泡一定时间，然后取出称重，通过试片重量的变化来预测冷却液对发动机缸体的腐蚀程度。3 第一章 绪论可以看出，上述方法对发动机内腔的腐蚀只能起到预防或预测的作用，无法实现对发动机缸体的实时在线检测，即无法得知发动机缸体内腔腐蚀的具体状况，如腐蚀的程度，位置等等。因此，针对这一情况，亟需提出一种能够对发动机缸体内腔腐蚀缺陷进行实时检测的无损检测方法，并能准确获知腐蚀的形状，尺寸，位置等信息，以便对需要再制造的汽车发动机进行准确评价，确保其动力及安全性能。图 1-3发动机冷却液腐蚀测定仪1.3常用的工业无损检测方法无损检测（Nondestructive Testing, 即 NDT）的定义为：在对被检测对象不造成损坏的前提下，利用其本身特有的物理性质，如声、光、电磁等特性，对其质量进行检测的一种现代化技术。在工业中，无损检测主要用于零部件表面及内部缺陷的检测，以及缺陷的定性、定量分析等等23,24。目前发展起来的无损检测方法有多种，其中最常见的主要有以下几种：1、射线检测法25射线检测（Radiographic Testing，即 RT）利用 X射线或g 射线射入人类肉眼无法穿透的物质，并在底片上成像。由于射线在不同密度材质中的衰减系数不同，因此底片上映射的射线强度会有强弱分布，人们就根据射线强度的分布特征，来判断被测件内部是否含有缺陷。如被测件内含有缺陷，则此缺陷会映射到底片的相应位置，以阴影的形式显示出来。进一步对阴影进行分析处理，就可以得出缺4 第一章 绪论陷的形状、大小等信息。射线检测是最早的无损检测技术，一直被广泛地应用在工业的各个领域。射线检测的独特优势在于具有较高的检测精度以及可靠性，胶片上的缺陷图像可以较直观地展现缺陷形貌，且可以永久存档。但射线检测法的最大弊端是射线对人体的有害性，检测人员长期处于放射性的环境中，即使配备防护设施也不能做到零伤害，因此一般大规模的射线检测机构都要设在远离人口聚居的地带，给生产中的检测需求带来了极大的不便。除此之外，射线检测仪器还存在结构复杂，成本较高等弊端。2、渗透检测法26渗透检测法（Penetrant Testing，即 PT）的检测步骤大致为：将含有荧光剂及有色染料的渗透剂涂抹在待检测零件表面，由于毛细作用，渗透液会渗入零件表面微小的纹隙缺陷当中。除去零件表面多余的渗透剂后，施加显像剂，用紫外线或白光照射，零件表面纹隙中的渗透液就被显现出来，从而可以判断缺陷的大小及分布。渗透检测法检测结果精度高，直观且易于理解，设备简单，操作也简单易行，因此得到了非常广泛的应用。但此方法也有一定的局限性，即只能获得缺陷的表面形貌，无法获知纹隙的深度信息；只能对零件的表面缺陷进行检测，不能检测零件内部缺陷；不适用于质地疏松多孔及表面过于粗糙的零件；检测结果会因操作人员不同存在差异。3、磁粉检测法27磁粉检测（Magnetic particle Testing，即 MT）的检测原理是：铁磁性材料被磁化后，材料的不连续处（即含有缺陷的位置）会出现漏磁场，工件表面及近表面的磁力线会发生扭曲畸变，并由吸附在零件表面的磁粉显现出来，从而可以展现出缺陷的位置，形状，大小等信息。磁粉检测操作简单，设备成本低，检测结果直观，但也有一些局限性，即只能用于铁磁性材料的检测，而不能对铜，铝等常见的非铁磁性材料进行检测；只能检测零件的表面及近表面缺陷，且不适于表面不够平整的零件。4、涡流检测法28涡流检测法（Eddy current Testing，即 ET）运用了电磁感应原理。线圈通交流电后，其附近会产生交变的电磁场，将其置于待测件附近，会使零件表面产生感应电流。由于产生的感应交变电流形似旋涡，故称其为涡流。涡流的形状及大小，除了由线圈，交流电及零件磁特性等参数决定外，还会受到零件表面缺陷的影响。因此，可以通过涡流的状态变化来判断零件表面的缺陷信息。涡流检测过程中线圈与待测件没有接触，不需耦合剂，因此检测操作方便且灵敏度较高，缺点是由于集肤效应，只能对零件表面及近表面进行检测，且只适用于导电材料。5、超声检测法295 第一章 绪论超声检测法（Ultrasonic Testing，UT）利用射入待测零件的超声波检测零件内部及表面的缺陷，根据声波在零件中的透射，反射及散射情况，来判断零件内部是否含有缺陷，并评估缺陷的形状，大小及位置。超声检测主要应用的是超声波在介质中的传播特性，如通过介质时会出现能量衰减，遇到界面时会发生反射等。依据检测声束在待测件中的传播路径及超声换能器的发射接收方式，一般可以将超声检测分为脉冲反射法与穿透法两种。脉冲反射法将超声波射入零件内部，通过缺陷反射回的声波进行缺陷分析，图 1-4（a）展示了单探头脉冲反射法的检测原理。穿透法需要两个探头，相对应地放置在零件两侧，其中一个用来发射超声波，另外一个用来接收从零件中透射出来的声波，并通过透射声波的能量变化来分析零件内部的缺陷信息，其检测原理如图 1-4（b）所示。超声换能器（发射/接收）缺陷（a）脉冲反射法（b）穿透法图 1-4 超声检测法示意图在这两种检测方式中，脉冲检测法由于灵敏度高，可以反映缺陷深度等优势，得到了最广泛的应用。与其他无损检测方法相比，超声检测的突出优势主要有：（ 1）适用性强，可以适用于金属与非金属，导体与非导体，铁磁性与非铁磁性及各类型材料的检测；（2）检测灵敏度高，可以检测零件内部极微小的缺陷；（3）具有很强的穿透能力，可以用于较厚零件的检测；（4）操作安全，对检测人员的健康不会造成伤害；（5）设备便携，适于现场操作。基于以上优点，超声检测被广泛地应用于工业的各个领域，且一直是无损检测领域的研究热点。但传统的超声检测也有一些缺点，例如形状复杂的零件可能会对检测造成影响；检测结果不够直观，需要专业人员分析等等。以上对几种常用的无损检测方法进行了介绍，并分析了各自优势及局限性，6 第一章 绪论可知渗透检测法，磁粉