基于锁相热成像的多层异种金属结构无损检测技术研究

发布时间：2020-10-29 20:36

　　 多层异种金属粘接结构具有比强度高、抗疲劳优点,在航空和核工业领域应用广泛。然而,其在制造、装配和服役阶段,受生产工艺、环境、疲劳加载等因素的影响,在层板间粘接处和板材内部会产生脱粘、欠胶、裂纹等缺陷,会导致结构的热力和机械特性发生改变,进而影响结构的可靠性和安全性。采用无损检测技术可以在不损害被测对象性能的前提下对其进行检测,并根据检测结果评价被测对象的完整性、可靠性和安全性。然而,由于其结构的特殊性,传统的无损检测方法,如电涡流、超声、X射线等对具有一定厚度的多层异种金属粘接结构的缺陷检测存在诸多局限性。因此,多层异种金属粘接结构各部位缺陷的精确高效检测、识别、量化对无损检测技术提出了巨大挑战。近年来,基于红外热成像的多种无损检测新技术因其具有单次检测面积大、检测速度快、非接触、无污染、成像直观等优点,在缺陷检测、失效分析、寿命预测等方面得到广泛的重视。为满足多层异种金属粘接结构缺陷无损、快速、准确的检测需求,本文将光激励和涡流锁相热成像检测技术应用于多层异种金属结构的缺陷检测,开展相关理论研究、仿真分析、系统构建、算法处理及关键技术攻关,旨在为多层异种金属粘接结构的缺陷检测提供新方法和参考。本文的主要研究内容和创新点如下:1)创新性地将涡流和光激励锁相热成像两种检测方法应用于多层异种金属粘接结构的缺陷检测。研究涡流和光激励锁相热成像检测方法的基本理论、热成像原理,深入理解产生影响检测结果的机理和解决途径;依据麦克斯韦方程组进行详细的理论推导,得到涡流锁相热成像系统电磁场控制方程,结合时空域热传导方程,建立电磁-热多物理场耦合关系;分析热扩散、集肤深度对缺陷检测深度的影响,比较涡流锁相热成像和光激励锁相热成像系统的应用特点,并提出数据融合的方法。2)针对多层异种金属粘接结构特点,研究多层介质的热传导过程,建立温度场分布模型,并通过有限元仿真分析激励参数、缺陷位置、缺陷大小对检测效果的影响规律,为检测参数的优化提供依据;制作模拟缺陷试件,分别通过涡流和光激励锁相热成像方法进行实验研究,验证检测方法的有效性;研究锁相热成像图像序列的预处理和特征提取算法,分析对比不同算法对提高缺陷检测灵敏度的效果。3)为了构建光激励和涡流锁相热成像检测系统,本文对国内外学者很少涉及的激励源展开深入研究,在充分调研和分析锁相热成像系统对激励电源相关电参数和功能需求的基础上,首先,创新性地提出一种新颖的适用于光激励红外热成像的多模态激励电源的设计方案,并阐述其电路拓扑、工作原理、设计过程、有效性实验验证。接着,对多模态激励电源的关键技术进行研究,创新性地提出一种能够抑制耦合噪声的多电平门极驱动电路,并阐述了该驱动电路的工作原理、参数计算和实验验证。最后,针对涡流锁相热成像负载为感性负载的特点,提出一种适用于涡流锁相热成像的线性激励电源设计方案。本文提出的多模态激励电源方案及其关键技术不仅能应用于锁相热成像系统,也适用于其他模式的热成像系统,对于热成像系统的自动化设计、便携化设计及其他特殊应用场景的定制化设计具有参考意义,有良好的经济价值和社会价值。上述研究将有助于解决多层异种金属粘接结构在制造、装配和服役阶段的无损、快速、准确检测问题,有助于红外热成像检测技术的推广和应用。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TG115.28;TP391.41
【部分图文】：

第二章涡流和光激励锁相热成像的多层异种金属检测原理21式中Si表示物体边界。②第二类边界条件边界面上温度的法向导数是给定的，这个法向导数是时间和位置的函数，可表示为(,,,)iisTfxyztn=(2-15)这个边界条件等价于给定边界面的热流密度。③第三类边界条件边界上温度和温度的法向导数的线性组合是给定的，可表示为()|(,,,)iSiTkhTfxyztn+=(2-16)2.3涡流锁相热成像涡流热成像无损检测技术是以电磁场理论、热传导理论和红外辐射理论等为基础的。图2-3所示为电磁感应加热的原理图[72]，可编程的幅度调制信号通过功率放大器进行放大后加载到电磁感应线圈上，根据电磁感应定律：当穿过任何一闭合回路所限制的面的磁通量随时间变化时，回路上就会产生感应电动势e。dedt=(2-17)图2-3电磁感应加热原理该感应电动势在被测的导电性材料表面和内部产生涡流I，进而产生焦耳热Q，根据焦耳定律：2Q=IRt(2-18)焦耳热Q在材料内部从高温区域流向低温区域，发生热传导，在材料表面形

电子科技大学博士学位论文26度，即1indf=(2-49)式（2-49）中：π为圆周率；σ为被测物体的电导率，单位是S/m；find为激励电流的频率，单位Hz；μ为被测物体的磁导率，单位H/m。锁相热成像中涡流产生的热在被测物体上传导，产生具有重阻尼波形的温度分布，该温度分布可以表示为[138,139]：()(2)00(,)==lockththththzzzzjtjftTztTeeTee(2-50)thlocklockpkμffc==(2-51)式中，k为导热系数；z为与热源的距离，即距离表面的深度；α为热扩散系数，其定义见式（2-10）；flock为锁相频率；μth为热扩散长度。(a)表面温度与深度和时间的关系(b)相移与深度的关系图2-4表面正弦激励下。(a)表面温度随深度和时间的变化关系；(b)相移与深度的关系

电子科技大学博士学位论文302.4光激励锁相热成像2.4.1光激励锁相热成像检测原理图2-7中示出了光激励锁相热成像系统的构成，其主要包括计算机、热像仪、激励电源、卤素灯等几部分。激励电源产生可编程的幅度调制的激励电流驱动卤素灯产生周期性的光，该光比较均匀地入射到被测物体上产生热，热在被测物体上发生热传导，被测物体表面会产生与激励电流锁相频率同频的周期性温度变化。若物体表面或内部存在缺陷，譬如裂纹、脱粘、断层等，缺陷会改变热传导过程。通过红外热像仪记录物体表面的温度分布，在计算机上通过合适的图像处理算法提高检测的信噪比，得到缺陷定性和定量信息。同步触发模块作用是接收计算机发出触发信号，控制激励和热像仪同步工作或停止，即得到与激励光源同步的图像信息。图2-7光激励锁相热成像系统(a)(b)(c)图2-8光激励锁相热成像系统。(a)热像仪；(b)卤素灯；(c)激励电源图2-8示出了光激励锁相热成像检测系统中选用的热像仪、卤素灯和激励电源。由于检测环境和对象相同，选用与涡流锁相热成像系统相同热像仪A655sc。加热灯源选用两只1kW的大功率卤素灯，其色温约3000K，灯源外面使用遮罩来防止光扩散，提高光能的利用率，有利于产生均匀光并减少外界的干扰。适用于光激励锁相热成像的激励电源也具有专用性，一般需要根据实际需求自行设计开发。针对卤素灯的电气特性和工作参数，本文设计开发一款激励电源，其具有多种工作
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本文编号：2861423