一種基於哈爾小波的晶粒尺寸無損評價方法
2023-09-20 12:48:45 1
一種基於哈爾小波的晶粒尺寸無損評價方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於哈爾小波的晶粒尺寸無損評價方法，所述方法通過對參考試塊進行數據採集，利用哈爾小波變換得到時間-尺度分布，進一步計算各個參考模塊的平均多尺度衰減係數，再結合預設尺度組合以及預設歸一化權重建立平均晶粒尺寸超聲多尺度衰減評價模型，最後利用建立的平均晶粒尺寸超聲多尺度衰減評價模型對晶粒尺寸未知的試塊進行晶粒尺寸評價。該方法能夠降低晶粒尺寸測量的系統誤差，對金相法測得平均晶粒尺寸為103.5μm的測試試塊，評價的結果為101.7μm，誤差控制在±2％，可見，通過對原始超聲A波信號的多尺度分析，本發明的方法能發現原始超聲A波信號中更豐富的晶粒尺寸信息，進而提高晶粒尺寸無損評價的精度。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及晶粒尺寸測量【技術領域】，更具體涉及一種基於哈爾小波的晶粒尺寸無 損評價方法。 一種基於哈爾小波的晶粒尺寸無損評價方法
【背景技術】
[0002] 晶粒尺寸是反應金屬材料微觀結構的一個重要參數，霍爾-佩奇公式 (Hall-Petch公式）描述了金屬多晶材料晶粒尺寸與屈服強度之間的聯繫，晶粒越小屈服 強度越大；另外晶粒尺寸對金屬材料塑性及韌性、疲勞強度、蠕變強度、耐腐蝕性能等都有 重要的影響。以石油化工中常用的再沸器為例，若不鏽鋼管板晶粒過大，在高溫和交變應力 下，管板與殼程筒體的焊接部位由於強度不足、耐腐蝕疲勞性能差等原因容易產生裂紋，造 成滲漏事故。因此，有效測量金屬材料的晶粒尺寸，對保障關鍵裝備的可靠性尤顯重要。
[0003] 目前金屬材料的平均晶粒尺寸評價主要採用有損的金相分析法，該方法具有結果 直觀及檢測精度較高等優點，但需要對材料進行破壞，效率低，檢測結果只能反映被觀測面 的晶粒情況，且檢測精度受檢測人員的專業水平影響。
[0004] 平均晶粒尺寸也可以通過無損的方法進行評價，主要有渦流法和超聲法。渦流法 的感應交變電流具有集膚效應，僅能反映試塊表面或近表面處的晶粒尺寸信息，且用電導 率評價晶粒尺寸的非線性誤差大。超聲法能夠反映材料內部深層處的微觀組織特性，當超 聲波在平均晶粒尺寸不同的材料中傳播時，聲能的衰減程度有明顯差異，無論是時域還是 頻域的，都丟失了局部時間範圍內的頻譜信息所承載的更豐富的晶粒尺寸信息，且都容易 受噪聲信號幹擾的影響，進而影響晶粒尺寸評價精度及可靠性。
【發明內容】
[0005] (一）要解決的技術問題
[0006] 本發明要解決的技術問題是如何精確、可靠、無損測量晶粒尺寸。
[0007] (二）技術方案
[0008] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基於哈爾小波的晶粒尺寸無損評價方 法，所述方法包括以下步驟：
[0009] S1、採集各個參考試塊的平均厚度、各個參考試塊的平均晶粒尺寸、每個所述參考 試塊的S個原始超聲A波信號；
[0010] S2、對S個所述原始超聲A波信號的表面一次回波和底面一次回波進行哈爾小波 變換，得到時間-尺度分布，並計算各個參考模塊的尺度-平均衰減係數分布，從而計算各 個參考模塊的平均多尺度衰減係數；
[0011] S3、利用所述平均多尺度衰減係數，結合預設尺度組合以及預設歸一化權重建立 平均晶粒尺寸超聲多尺度衰減評價模型；
[0012] S4、利用所述步驟S3得到的平均晶粒尺寸超聲多尺度衰減評價模型對晶粒尺寸 未知的試塊進行晶粒尺寸評價。
[0013] 優選地，所述步驟S2中，根據各個參考模塊的尺度-平均衰減係數分布通過加權 計算各個參考模塊的平均多尺度衰減係數。
[0014] 優選地，所述步驟S2具體為：
[0015] S21、用哈爾小波對步驟S1得到的第k個參考試塊第j個原始超聲A波信號的 表面一次回波和底面一次回波Xlu(t)和 yiu(t)進行連續小波變換，得到小波係數矩陣 Xk，j (a, b)和 Yk，j (a, b)為
【權利要求】
1. 一種基於哈爾小波的晶粒尺寸無損評價方法，其特徵在於，所述方法包括以下步 驟： 51、 採集各個參考試塊的平均厚度、各個參考試塊的平均晶粒尺寸、每個所述參考試塊 的S個原始超聲A波信號； 52、 對S個所述原始超聲A波信號的表面一次回波和底面一次回波進行哈爾小波變換， 得到時間-尺度分布，並計算各個參考模塊的尺度-平均衰減係數分布，從而計算各個參考 模塊的平均多尺度衰減係數； 53、 利用所述平均多尺度衰減係數，結合預設尺度組合以及預設歸一化權重建立平均 晶粒尺寸超聲多尺度衰減評價模型； 54、 利用所述步驟S3得到的平均晶粒尺寸超聲多尺度衰減評價模型對晶粒尺寸未知 的試塊進行晶粒尺寸評價。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟S2中，根據各個參考模塊的尺 度-平均衰減係數分布通過加權計算各個參考模塊的平均多尺度衰減係數。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟S2具體為： 521、 用哈爾小波對步驟S1得到的第k個參考試塊第j個原始超聲A波信號的表面一 次回波和底面一次回波Xlu (t)和(t)進行連續小波變換，得到小波係數矩陣Xkj (a，b) 和 Yt j(a，b)為
式中，a表示尺度因子，取連續的正整數；Va，b(t)為哈爾小波的母函數；所述小波係數 矩陣Xu (a，b)和Ykj (a，b)為所述第k個參考試塊第j個原始超聲A波信號的表面一次回 波和底面一次回波的時間-尺度分布，小波係數矩陣中的第i行為第k個參考試塊第j個 原始超聲A波信號在尺度i下的小波分量； 522、 利用步驟S21中得到的時間-尺度分布和步驟S1中得到的參考試塊平均厚度，定 義第k個參考試塊第j個原始超聲A波信號在尺度i下的尺度-衰減係數為
式中，Hk表示第k個參考試塊的平均厚度； 523、 計算所述第k個參考試的S個原始超聲A波信號的尺度-平均衰減係數分布，表 示為
524、 假定Μ個尺度中有m個有代表性尺度{a」r = 1，2,. . .，m}，第k個參考試塊第j 個原始超聲A波信號的超聲波多尺度衰減係數為
式中，= [WuWd . . .，wm]為各個代表性尺度的歸一化權重向量，則所述第k個參考試 塊的平均多尺度衰減係數為
4. 根據其權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟S3中，利用粒子群算法計算預 設尺度組合。
5. 根據其權利要求1至4任一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟S3具體為： 531、 設晶粒總數為Q，第q個晶粒當前所處的位置代表一組Μ維的原權重向量為W,⑴， 速度為Vq(T)，更新後分別為 vq(T+l) = Ω v^^+Cir^p^Wl+^tpg-ff^T)] (6. 1) ffq(T+l) = ffq(T)+vq(T+l) (6. 2) 式中，T為迭代次數，Ω為慣性係數，Cl為學習因子，c2為社會學習因子，n和r2為 [〇, 1]的隨機數，Pq為個體最優解，Pg為群體最優解； 532、 計算歸一化權重向量w"(T+l)
為 當歸一化權重向量為％(T+1)時，計算各個參考試塊的平均多尺度衰減係數； 533、 對T+1時的平均多尺度衰減係數和步驟S1得到平均晶粒尺寸進行最小二乘法線 性擬合，擬合直線為 5(^(7- + 1))=^+^,-^(1- + 1) (8) 且擬合係數{'dj的由下述方程求得
式中運算符（，）表示求兩向量內積； 由式（8)得到的平均晶粒尺寸擬合值和由步驟S1得到平均晶粒尺寸之間的二範數作 為適應度F(T+1)
根據所述適應度得到群體最優解pg，對其進行歸一化得到預設歸一化權重
所述預設歸一化權重中權重非零的尺度組合為預設尺度組合{a/}，用預設尺度組合 {a/}及相應的預設歸一化權重w%根據式（5.2)計算平均多尺度衰減係數為
用式（13)得到的平均多尺度衰減係數和所述平均晶粒尺寸進行最小二乘法線性擬 合，得到為平均晶粒尺寸多尺度衰減評價模型
6. 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述原權重向量的速度vq(T+l)中某個 位置的值的絕對值大於最大飛行速度v max，則將其幅值置為vmax，且符號不變；若原權重向量 Wq(T+l)中某個位置的值為負數，則將其置為零。
7. 根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，所述擬合係數{'dj求解具體為
8. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟S1中，利用水浸脈衝反射法採集 每個所述參考試塊的S個原始超聲A波信號，其中，通過超聲信號採集系統自動調整超聲縱 波探頭的位置和姿態，使水聲距保持一致，並使所述超聲縱波探頭的聲軸線與參考試塊上 表面垂直； 所述步驟S1中，對各個參考試塊進行金相分析，用截線法得到各個參考試塊多個截面 的平均晶粒尺寸。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述使水聲距保持一致是通過結合所述 原始超聲A波信號，設置一個表面一次回波峰值點許可範圍n FW±eFW和一個閾值TFW，若所述 超聲縱波探頭由遠及近接近參考試塊的過程中，首次有信號值在所述許可範圍內超過所述 閾值T FW，表示所述表面一次回波的峰值點落入所述許可範圍內，則自動停止所述超聲縱波 探頭運動。
10. 根據權利要求1、8、9任一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟S1中，對各個參考 模塊採集數據之前，對所述各個參考試塊均用高溫爐分別進行固溶處理，使所述各個參考 試塊的晶粒尺寸按梯度分布。
【文檔編號】G01N29/11GK104101651SQ201410373084
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】李雄兵, 宋永鋒, 田紅旗, 高廣軍, 胡宏偉, 倪培君, 劉鋒, 楊嶽, 劉希玲 申請人:中南大學