包括储罐和管道等大型焊接结构是现代社会不可或缺的重要基础设施,对国民经济和人类生活产生巨大的影响。由于焊缝是焊接结构最薄弱部位,易产生缺陷故障,因而对焊缝质量的监控一直以来是无损检测的重要内容之一,并针对焊缝检测已专门发展了超声衍射时差法(TOFD,Time Of Flight Diffraction)成像检测技术,表现出明显的技术优势。但大型焊接结构的缺陷空间分布较广,人工往往难以触及,因而传统的人工超声TOFD成像检测技术的应用受到极大地限制,必须向自动化成像检测方向发展,加之已有的技术还不能满足薄层材料焊缝或近表面缺陷检测的应用需求。基于以上背景,本论文在国家自然科学基金项目“圆柱类部件高性能自动化相控阵超声成像检测理论与技术的研究”(No.51675480)资助下,提出开展基于机器车爬行扫查的自动化超声TOFD检测技术的研究。在系统了解超声TOFD成像检测相关技术研究现状及其发展趋势的基础上,确定面向大型焊接结构的自动化超声TOFD成像检测总体技术方案,完成爬行机器车的设计开发以及超声TOFD检测信号预处理和近表面缺陷超声TOFD成像检测等关键技术的研究,并基于机器车爬行扫查研发出一套自动化超声TOFD成像检测系统。本文主要的研究内容与创新点在于:第一章,论述大型焊接结构的作用及开展焊缝无损检测的重要性,系统总结超声TOFD成像检测相关技术的研究现状及其发展趋势,分析超声TOFD成像检测技术面临的挑战,明确本文的研究方向,并对各章节的内容进行安排。第二章,分析自动化超声TOFD成像检测原理,建立焊缝缺陷定量超声检测的理论基础,并在明确功能和性能目标的基础上,完成基于机器车爬行扫查的自动化超声TOFD检测系统总体方案的设计。第三章,完成四轮磁吸附式爬行机器车机械本体以及超声TOFD探头压紧机构的设计和开发,并对相关机械结构进行静力学和动力学分析。第四章,开展面向近表面缺陷的超声TOFD成像检测技术的研究。利用经验模态分解(EMD,Empirical Mode Decomposition)技术实现超声TOFD检测信号的模态分解,根据模态优化筛选准则重构分解信号,从而实现对超声TOFD检测原始信号的消噪。同时,结合隐藏缺陷识别方法(ESIT,Embedded Signal Identification Technique),提取缺陷波时域参数,实现近表面缺陷的超声TOFD成像检测。第五章,采用分布式体系结构、模块化设计策略,以多模式通讯总线为信息传输桥梁,在重点研发现场测控、超声检测和高速通讯等硬件模块以及客户端和服务端等相关软件模块的基础上,研发了一套基于机器车爬行扫查的自动化超声TOFD检测系统同时,利用研发的系统对人工试块开展相关实验研究,以证实论文研发技术的可行性和有效性。第六章,对全文的研究工作进行总结,对以后更深入的研究进行展望。