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基于时间反演法的螺栓健康监测研究

科学技术与工程 2014年第19期22卷 20-24页

作者：王涛李桥邵俊华刘绍鹏李友荣武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081

针对实际工程结构中容易出现的螺栓联接松动问题进行了研究。采用Greenwood和Williamson模型和时间反演原理对聚焦信号幅值与螺栓预紧力的关系进行理论推导,得出两者成单调增函数关系;并据此提出一种基于时间反演法的螺栓健康监测方法... 详细信息

针对实际工程结构中容易出现的螺栓联接松动问题进行了研究。采用Greenwood和Williamson模型和时间反演原理对聚焦信号幅值与螺栓预紧力的关系进行理论推导,得出两者成单调增函数关系;并据此提出一种基于时间反演法的螺栓健康监测方法。建立实验装置,进行实验研究。实验结果表明,聚焦信号幅值与螺栓预紧力的关系曲线近似于对数函数关系;接触界面粗糙度越大,聚焦信号幅值越快趋于稳定;时间反演法具有良好的自适应聚焦效果,能有效提高信号信噪比,在螺栓健康监测方面具有很好的应用前景。

关键词：时间反演法螺栓联接健康监测压电材料

基于时间反演方法的三维磁感应磁声成像电导率重建

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中国生物医学工程学报 2009年第1期28卷 48-52,70页

作者：李珣 LI Xu 朱善安 HE Bin 浙江大学电气工程学院杭州310027 Department of Biomedical Engineering University of Minnesota Minneapolis MN 55455 USA

磁感应磁声成像(MAT-MI)是一种融合磁感应技术和超声断层扫描技术的新型生物电阻抗成像方法,兼具电阻抗功能成像和超声技术高空间分辨率的优点。本研究构建三维柱状线圈和二层同心球模型以模拟成像物理环境,借助有限元软件ANSYS分析瞬... 详细信息

磁感应磁声成像(MAT-MI)是一种融合磁感应技术和超声断层扫描技术的新型生物电阻抗成像方法,兼具电阻抗功能成像和超声技术高空间分辨率的优点。本研究构建三维柱状线圈和二层同心球模型以模拟成像物理环境,借助有限元软件ANSYS分析瞬态电磁场,并根据分析结果,进行MAT-MI正问题声场计算,应用时间反演法进行电导率的重建。仿真结果表明,MAT-MI能够较好重建生物组织的电导率分布。

关键词：磁感应磁声成像有限元分析时间反演法电导率重建

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磁热声成像的实验研究

高电压技术 2017年第8期43卷 2518-2523页

作者：杨延菊李艳红刘国强夏慧夏正武中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

磁热声成像(MMTAI)是一种新型的人体疾病早期检测电阻抗成像技术,融合了传统电阻抗成像高对比度和超声成像高分辨率的优势。为了验证磁热声成像针对生物组织的可行性,研究了磁热声成像的原理,并搭建了相应的实验系统。研究结果表明:将... 详细信息

磁热声成像(MMTAI)是一种新型的人体疾病早期检测电阻抗成像技术,融合了传统电阻抗成像高对比度和超声成像高分辨率的优势。为了验证磁热声成像针对生物组织的可行性,研究了磁热声成像的原理,并搭建了相应的实验系统。研究结果表明:将低电导率目标体置于μs级脉冲宽度的脉冲磁场中,会在目标体内产生涡流,目标体吸收焦耳热后瞬时膨胀并发出声信号,声信号含有目标体的电导率信息;利用电磁场与声场理论所推导的目标体声源计算式反映了声源与电导率之间的关系;对磁-热-声多场耦合作用下产生的热声信号进行检测和分析,再利用时间反演法重建声源分布;将含质量分数10%氯化钠的凝胶仿体模型置于μs级脉冲宽度的脉冲磁场中,采用中心频率为1 MHz的超声换能器采集超声信号,信号被放大60 d B后的峰峰值约为4 m V,利用旋转凝胶仿体采集的100组信号所重建的热声图像能反映低电导率凝胶仿体的电导率分布。此实验验证了该方法用于低电导率介质成像的可行性,为该方法用于生物组织成像的研究提供了依据。

关键词：磁热声成像脉冲磁场波动方程时间反演法凝胶仿体热声信号声源重建

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基于ABAQUS的木梁损伤识别仿真研究

林产工业 2024年第6期61卷 39-43页

作者：韩芳刘亮陈天驰武汉科技大学理学院湖北武汉430081

采用ABAQUS和压电时间反演技术对带裂缝木梁进行损伤识别数值仿真分析和试验验证研究,提出了基于时间反演聚焦信号峰值的损伤指数D1和基于时间反演重构信号和激励信号相关系数的损伤指数D2,以进行损伤识别定量评估。研究表明:聚焦信号... 详细信息

采用ABAQUS和压电时间反演技术对带裂缝木梁进行损伤识别数值仿真分析和试验验证研究,提出了基于时间反演聚焦信号峰值的损伤指数D1和基于时间反演重构信号和激励信号相关系数的损伤指数D2,以进行损伤识别定量评估。研究表明:聚焦信号峰值、重构信号和激励信号的相关系数均与损伤程度密切相关,两个损伤指数均随损伤程度的增加而增大;时间反演法具有良好的自适应聚焦效果,利用压电时间反演技术可有效识别木梁不同程度的裂缝损伤。研究结果可为工程实际提供参考。

关键词：数值仿真时间反演法损伤识别压电主动传感木梁

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纳米粒子磁声成像仿真与实验研究

纳米粒子磁声成像仿真与实验研究

作者：李子秀河北工业大学

学位级别：硕士

感应式磁声成像（Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction,MAT-MI）是一种融合了超声成像技术、电磁技术和多物理场探测的新型成像手段,兼具高对比度、高空间分辨率、高灵敏度的特点。MAT-MI能够实现生物组织的电特性成像... 详细信息

感应式磁声成像（Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction,MAT-MI）是一种融合了超声成像技术、电磁技术和多物理场探测的新型成像手段,兼具高对比度、高空间分辨率、高灵敏度的特点。MAT-MI能够实现生物组织的电特性成像,从而达到对病变的生物组织进行早诊断、早治疗的目的。磁动力超声成像是一种新兴技术,利用超声波检测磁性纳米颗粒,具有高特异性的优点,在肿瘤早期诊断方面取得了很大的成就。本论文将感应式磁声成像与磁动力超声成像相结合,提出一种新型肿瘤早期检测方法—纳米粒子磁声成像。将探测磁性纳米粒子在时变磁场和静磁场共同激励下的磁声信号,可兼具感应式磁声成像功能成像和磁动力超声成像高特异性的优势,该课题属于电工学科、生物医学工程学和声学等交叉学科研究领域,既能弥补MAT-MI特异性和信噪比较低的不足,又能克服单纯磁性粒子成像或磁动力超声成像缺乏结构信息的劣势。本论文通过理论分析、计算机仿真、实验验证相结合的方式开展研究工作,本文的主要工作有:1、介绍了纳米粒子磁声成像的研究背景与意义,总结磁动力超声成像和感应式磁声成像的研究现状,详细给出了本论文的主要研究内容及创新点。2、采用理论分析的方法对纳米粒子磁声成像原理进行深入研究。分析了纳米粒子磁声成像正问题中声源产生,在考虑磁动力磁声分量和洛伦兹力磁声分量共同作用于成像目标情况下,给出了磁性纳米粒子声场分布、MAT-MI声场分布的计算方法,并提出信号分离方法,从复合磁声信号中提取洛伦兹力磁声信号,简单阐述了纳米粒子磁声成像声场和电磁场逆问题求解过程。3、建立均匀声介质双层圆柱模型用以模拟成像目标,应用广义有限元法对所建模型进行正问题计算,计算了时变磁场单独作用下的声源、声压分布,获取磁动力声压信号。求解了时变磁场和静磁场共同作用下产生的复合声压信号,并对复合声压信号进行了分离,获得基于洛伦兹力的声压信号。4、以不同双层圆柱模型为成像目标,求解了纳米粒子磁声成像逆问题。应用时间反演算法根据磁动力声压信号进行纳米粒子分布图像重建,依据洛伦兹力声压信号重建涡流矢量源分布,基于涡流矢量源分布重建电导率分布,采用小波变换法对仿真得到的纳米粒子分布图像和电导率分布图像进行了图像融合。并考察了肿瘤半径和位置两个参数对纳米粒子磁声成像仿真结果的影响。5、搭建了纳米粒子磁声成像实验系统,制作了不同半径的凝胶仿体模型样本和离体生物组织样本,进行了纳米粒子磁声成像实验,采集了磁动力超声信号和复合磁声信号,信号分离提取洛伦兹力磁声信号,根据磁动力超声信号和洛伦兹力磁声信号分别重建了纳米粒子分布和电导率分布,基于小波变换法实现图像融合。

关键词：纳米粒子磁声成像有限元法时间反演法图像融合

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基于声学超表面的透射声场调控研究

基于声学超表面的透射声场调控研究

作者：康炜陕西师范大学

学位级别：硕士

超声技术广泛应用于医学诊疗、工业检测、海洋科学、军事等社会生活的各领域,按照需要产生特殊声场分布的声场调控技术是各种超声应用的核心。人工结构设计的声学超材料是目前声场调控研究领域的热点,在声场分布的调控方面与传统的经典... 详细信息

超声技术广泛应用于医学诊疗、工业检测、海洋科学、军事等社会生活的各领域,按照需要产生特殊声场分布的声场调控技术是各种超声应用的核心。人工结构设计的声学超材料是目前声场调控研究领域的热点,在声场分布的调控方面与传统的经典声学材料相比有独特的优势。基于声学超表面技术可以实现对超声波的灵活调控,在许多需要特殊超声场分布的应用领域有巨大的前景。本文基于时间反演法和迭代角谱法两种方法,设计了具有调控声波全相位范围能力的透射型声学超表面。通过调控透射声波,在距离声学超表面一定距离的平面上形成预设的重建声场。具体内容包括:(1)基于超声相控阵设计思路和时间反演等方法的基本思想,设计了 10 ×10共100阵元的声学超表面。通过有限元仿真得到声学超表面上的延迟时间,并将其转化为声学超表面的单元厚度数据进行建模。经过反演声场的仿真,在距离声学超表面初始位置8 mm处,实现了“S”形声场的重建。(2)应用迭代角谱法(IASA),设计了 20×20共400阵元的透射型声学超表面。定义了 3 mm处为调控声场的重建平面。通过理论计算,在迭代角谱法迭代收敛后得到了声学超表面处的相位分布数据。将声学超表面的相位分布转换为材料的厚度数据,进行有限元仿真和理论计算,获得到了与理论计算一致的重建声场。(3)基于迭代角谱法设计了 76×76共5776单元,共两种不同透射重建声场的透射型声学超表面,制作了满足实验要求的声学超表面和声学换能器。获得了在距离声学超表面25 mm处的重建声场。通过对理论计算得到的理想重建声场图像与实际实验测得的图像的大小进行测量,两种透射重建声场实验结果均与理论计算有较高的一致性,表明基于迭代角谱法实现透射型声学超表面设计的可行性。本文通过理论计算、有限元仿真和实验验证,完成了透射型声学超表面的声场调控设计。本文所提出的声学超表面及其设计方法,相较于传统的超声相控阵而言,有着更高的自由度和分辨率,并且计算量较小,成本更少。

关键词：声学超表面时间反演法迭代角谱法(IASA) 透射声场

基于压电主动传感的管道内壁腐蚀量监测方法研究

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基于压电主动传感的管道内壁腐蚀量监测方法研究

作者：张馨怡武汉科技大学

学位级别：硕士

管道内壁腐蚀引发的穿孔、泄漏等事故,经常会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,对管道内壁腐蚀的监测具有重大的意义。基于压电主动传感的损伤识别方法因其能实现在线分布式监测、方法便捷等诸多优点被广泛应用于结构健康监测中。针... 详细信息

管道内壁腐蚀引发的穿孔、泄漏等事故,经常会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,对管道内壁腐蚀的监测具有重大的意义。基于压电主动传感的损伤识别方法因其能实现在线分布式监测、方法便捷等诸多优点被广泛应用于结构健康监测中。针对压电主动传感法中响应信号存在易受噪声干扰而导致损伤信息难以提取的问题,本文利用时间反演法的聚焦特性及神经网络强大的特征提取能力,采用理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法,对管道内壁腐蚀状态的监测展开了相关研究。主要工作如下:(1)提出了基于压电主动传感的管道内壁腐蚀量监测方法,构建了超声波能量在管道内壁的衰减模型,通过有限元仿真验证了模型的准确性。结果表明:超声波能量在管道内壁传播过程中,途经腐蚀处时会产生衰减,随着腐蚀深度的增加,穿越的能量会随之降低。这一趋势为该方法的可行性提供了有力的理论依据。(2)基于时间反演法的管道内壁腐蚀量监测研究。搭建了管道内壁腐蚀监测实验平台,对8种不同腐蚀工况下管道的聚焦信号进行了采集并分析。实验结果表明:相比原响应信号,基于时间反演法的聚焦信号信噪比高,抗干扰能力强;聚焦信号峰值随管道腐蚀深度的增加而衰减,与理论分析趋势一致,通过信号峰值能够有效地实现管道内壁大腐蚀量的监测。(3)针对管道早期微量腐蚀的信号特征提取困难问题,提出了一种基于小波包能量(Wavelet Packet Energy,WPE)与卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)相融合的方法,能够有效地识别管道早期腐蚀状态。与现有的常用分类方法进行比较,结果表明WPE-CNN模型识别更快速、准确率更高,性能更稳定。因此,本文提出的方法能有效地进行管道内壁腐蚀量的监测,在实际工程中有广阔的应用前景。

关键词：管道腐蚀压电主动传感时间反演法卷积神经网络小波包能量

目标高速运动对矢量信号处理的影响及匹配技术研究

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目标高速运动对矢量信号处理的影响及匹配技术研究

作者：范展哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

矢量水听器可以同步、共点测量声场的声压和质点振速信息,这不仅有助于改善水声系统的性能,而且也拓宽了后置信号处理空间,同时它又具有良好的低频指向性、较强的抑制各向同性噪声能力等诸多优点,为解决水声问题提供了新的思路和方法。... 详细信息

矢量水听器可以同步、共点测量声场的声压和质点振速信息,这不仅有助于改善水声系统的性能,而且也拓宽了后置信号处理空间,同时它又具有良好的低频指向性、较强的抑制各向同性噪声能力等诸多优点,为解决水声问题提供了新的思路和方法。随着矢量水听器技术的日益成熟以及在军事需求牵引下,矢量水听器技术已被广泛地应用于水声各领域,目前成为水声界最为活跃的研究方向之一。本文以矢量水听器在水下作战平台上的应用为研究背景,着力解决水下高速运动目标的识别与被动跟踪问题。论文首先建立了水下目标运动的数学物理模型,并对模型进行了推导和验证,在此基础上提出了两种产生多普勒信号的算法——内插拟合法与时间反演法。然后结合所推导的模型定量定性地分析了目标高速运动对矢量信号处理的影响。针对目标高速运动带来的影响,建立了一种与之相匹配的算法——瞬时相关积分法。结合矢量水听器的测量模型,系统地介绍了瞬时相关积分法的原理和应用,并对算法性能做了大量的理论分析和仿真验证。研究表明,瞬时相关积分法既能够消除多普勒效应带来的影响,又能够抑制交叉项干扰,还可以提高信噪比,在目标特征信号的检测和目标识别等方面取得了较好的效果。将瞬时相关积分法与互谱法有机结合,构建了一种用于目标方位估计的算法——基于相关积分的互谱WVD算法。针对不同运动速度、不同距离和不同信噪比条件下的实例进行仿真研究,并将该算法与互谱声强法以及克拉美罗界进行比较。结果表明,当目标处于远距离且低速运动时,两种算法的方位估计性能基本一致;而当目标处于近距离且高速运动时,基于相关积分的互谱WVD算法的方位估计性能大大优于互谱声强法。

关键词：矢量信号处理内插拟合法时间反演法瞬时相关积分法互谱WVD算法

基于压电主动传感技术的空间结构螺栓球节点连接区健康监测方法研究

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基于压电主动传感技术的空间结构螺栓球节点连接区健康监测方法研...

作者：苟康康青岛理工大学

学位级别：硕士

随着我国基建工程的发展,空间结构越来越多地被用于航站楼、候车厅、体育场等公共建筑。螺栓球节点连接形式因其安装便捷、施工周期短、不产生附加偏心距等优点,是目前最常见的空间结构节点连接形式之一。但在安装和长期使用过程中,存... 详细信息

随着我国基建工程的发展,空间结构越来越多地被用于航站楼、候车厅、体育场等公共建筑。螺栓球节点连接形式因其安装便捷、施工周期短、不产生附加偏心距等优点,是目前最常见的空间结构节点连接形式之一。但在安装和长期使用过程中,存在一些不可避免的问题,比如螺栓旋拧不到位、环境侵蚀、疲劳效应等,而作为公共建筑,一旦发生事故会造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此,对螺栓球节点空间结构进行健康监测具有十分重大的意义。目前,对空间结构安全性的研究,大部分都是针对其疲劳破坏机理、极限承载能力等方面的,而空间结构在线健康监测方面的研究较少,基于此,本文将对螺栓球节点在安装、使用过程中由于螺栓、套筒破坏或外界载荷和干扰导致螺栓球节点受力状态和连接状态达不到预期值,进而发生节点连接失效的问题,利用压电陶瓷传感器,基于小波包能量分析法和时间反演法对螺栓球节点连接区进行健康监测方法研究。设计并制作了一个由螺栓球节点组成的缩尺网架模型,通过模型试验验证上述两种方法的有效性。具体研究内容如下:(1)介绍了利用小波包能量分析法和时间反演法对螺栓球节点连接区进行健康监测的基本原理,包括压电陶瓷传感器工作原理、螺栓球节点接触面积理论以及小波包能量分析法和时间反演法基本理论。通过简化图形、特性分析及计算推导,在理论上验证了小波包能量分析法和时间反演法监测螺栓球节点的可行性,这部分研究是整个论文工作的理论基础。(2)设计制作了一个螺栓球空间网架模型,并在该模型上进行了校核试验,建立螺栓球节点连接在不同松动状态下,扭矩与杆件轴力之间的对应关系。首先,介绍了模型的组成单元,各个部件的规格以及材料属性;接着分别以向连接区施加不同扭矩,模拟不同连接状态为试验工况,并使用应变片测量不同扭矩作用下被连接杆件的应变,进而得到被连接杆件轴力;最终,获得施加在套筒的扭矩与杆件轴力之间的对应关系。这一关系为基于小波包能量分析法和时间反演法的螺栓球节点连接区受力监测提供了基础。(3)以一个缩尺的螺栓球节点网架试验模型为研究对象,利用压电陶瓷传感器片,验证了基于小波包能量分析法的螺栓球节点连接区健康监测技术的有效性。通过对螺栓球节点连接区的套筒施加不同扭矩的试验工况,使连接区处于不同的松紧状态。对压电陶瓷传感器接收到的不同工况下应力波进行小波包分析,得到相应的应力波能量大小并进行对比,验证对螺栓球节点连接区连接状态进行监测的有效性。再根据扭矩与杆件轴力关系,建立能量值与杆件轴力的关系,验证小波包能量分析法对连接区受力状态监测的有效性,并以能量值计算危险指数RMSD作为指标衡量结构安全性。之后进行抗干扰性试验,并结合BP神经网络方法,进一步提高识别精度,验证了该方法具有一定的抗干扰性。(4)考虑到在实际监测工作中,监测结果会受到各种噪声的影响,为了提高健康监测方法的抗噪性,进一步引入时间反演法。以一个缩尺的螺栓球节点网架试验模型为研究对象,利用压电陶瓷传感器,验证了基于时间反演法的螺栓球节点连接区健康监测技术的有效性和抗噪性。试验工况为向连接区施加不同扭矩。信号波在结构中传递,最终形成一个有峰值的聚焦信号,通过对比不同扭矩状态下聚焦信号的峰值大小,验证时间反演法对螺栓球节点连接区连接状态监测的有效性。再结合扭矩与杆件轴力的关系,建立聚焦信号峰值与杆件轴力的关系,验证时间反演法对连接区进行受力监测的有效性。为了验证了时间反演法具有一定的抗噪性,能够应用于实际工程,在试验工程中,通过使用金属棒摩擦杆件的方式模拟噪声,最终结果证明在有外界噪声干扰情况下,时间反演法仍能有效地对螺栓球节点连接区进行有效地监测。

关键词：空间结构螺栓球节点连接区压电陶瓷传感器小波包能量分析法时间反演法结构健康监测