基于平面阵列电容成像技术的无损检测研究

发布时间：2017-08-28 23:32

  本文关键词：基于平面阵列电容成像技术的无损检测研究

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【摘要】：航空飞机表层的重要防护系统主要为复合材料,通常复合材料是通过粘接剂与飞机表层进行连接的,粘接层的缺陷或损伤会导致复合材料中裂纹扩展、粘接强度降低,甚至整体剥离,严重影响飞机的飞行安全,因此对粘接质量的检测是非常重要的。电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography,ECT)发展较早,但主要应用于管道式的两相流检测,而平面阵列电容传感器不仅具有传统ECT的优点,还可以从单一平面接近被测物体。近年来,将平面阵列电容成像技术应用于无损检测在国内外尚属于新兴技术。本文针对航空用复合材料粘接层缺陷进行无损检测,考虑复合材料各向异性、多孔性、低导热性、低导电性和强吸声性综合的特点以及被测面积大、需单面检测的要求,提出一种基于平面阵列电容成像技术的缺陷检测方法。首先,在分析了传统的电容层析成像技术的理论基础上,研究了平面阵列电极检测原理,并基于电容敏感机理,通过理论分析和有限元建模仿真,设计制作了新型的平面阵列电容传感器,研究了电极结构参数对测试的影响,对阵列电极进行了优化设计。其次,采用有限元分析技术,研究所提出的平面阵列传感器的灵敏场分布,通过对电磁场的“软场”特性分析,建立了平面阵列电极三维电磁场模型,获得检测物场中介电分布与平面电极间电容变化的关系,并对敏感场进行分层处理,进一步基于线性反投影算法研究了介电分布的图像重建问题。最后,搭建了平面阵列电极检测平台,采用不同层处的灵敏度矩阵进行成像检测,实验结果反映了被测物体的形状和平面位置信息。进一步研究了平面阵列传感器的检测穿透深度问题,并根据复合材料胶层内缺陷/损伤对材料介电特性的影响,进行了缺陷/损伤检测的仿真和实验研究,分析了复合材料胶层中典型缺陷与阵列电极传感器电容变化量的关系,成像结果可以识别典型缺陷的位置和大小,检测结果与理论分析相吻合,验证了论文所提方法的可行性和有效性。
【关键词】：平面阵列传感器 复合材料 有限元 胶层缺陷检测 成像检测
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V244.1;TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题研究的目的和意义10
• 1.2 基于电容敏感机理的电容成像技术发展现状10-15
• 1.2.1 ECT技术国内外发展现状10-13
• 1.2.2 平面阵列电极成像技术国内外发展现状13-15
• 1.3 常用复合材料构件缺陷检测方法15-18
• 1.3.1 X射线检测方法15-16
• 1.3.2 超声波检测方法16
• 1.3.3 红外热成像检测方法16-17
• 1.3.4 激光散斑成像检测方法17
• 1.3.5 涡流检测方法17-18
• 1.4 本文的主要研究内容18-20
• 第2章 平面阵列电容成像检测原理及方案20-29
• 2.1 ECT技术原理和应用20
• 2.2 平面阵列电容检测原理20-21
• 2.3 ECT数学描述21-25
• 2.3.1 似稳场22
• 2.3.2 ECT敏感场的数学描述22-23
• 2.3.3 ECT的正问题逆问题23-25
• 2.4 平面阵列电容成像系统方案25-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 基于有限元分析的平面阵列电极优化设计29-48
• 3.1 有限元法简介及三维电场仿真29-31
• 3.1.1 有限元法概述29
• 3.1.2 平面阵列传感器的三维电场有限元仿真29-31
• 3.2 平面阵列电极优化设计31-32
• 3.3 屏蔽层对传感器检测系统的作用32-35
• 3.4 平面阵列电极结构参数优化设计35-45
• 3.4.1 电极长度对平面阵列电极系统的影响35-37
• 3.4.2 电极宽度对平面阵列电极系统的影响37-39
• 3.4.3 电极间距对平面阵列电极系统的影响39-41
• 3.4.4 基板厚度对平面阵列电极系统的影响41-43
• 3.4.5 基板相对介电常数对平面阵列电极系统的影响43-45
• 3.5 平面阵列电容传感器参数优化总结45-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 三维敏感场建模与分析48-59
• 4.1 ECT敏感场灵敏度分布48-50
• 4.1.1 敏感场计算48-50
• 4.1.2 敏感场分布50
• 4.2 三维空间敏感场的分层处理50-54
• 4.3 基于不同层处的敏感场图像重建结果与分析54-58
• 4.3.1 三维空间敏感场叠加灵敏度图像重建结果55-56
• 4.3.2 三维空间敏感场分层处理图像重建结果56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 平面阵列电极的胶层缺陷成像检测实验59-69
• 5.1 平面阵列电容传感器穿透深度实验59-60
• 5.2 有限元仿真胶层缺陷对电容影响实验60-61
• 5.3 实测胶层缺陷对电容影响实验61-68
• 5.3.1 胶层孔洞缺陷61-64
• 5.3.2 胶层中气泡缺陷64-66
• 5.3.3 不同胶层厚度实验66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果75-76
• 致谢76

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本文编号：750148