發(fā)布時間：2020-10-29 09:17

　　 隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展,電力、冶金、化工、機械等行業(yè)高效穩(wěn)定的發(fā)展與運作成為現(xiàn)代化建設(shè)重要的基礎(chǔ),同時也有越來越多的關(guān)鍵高溫承壓熱力設(shè)備在各行業(yè)生產(chǎn)中被投入使用。這些高溫承壓熱力設(shè)備的運作安全性與可靠性便成為了直接影響生產(chǎn)安全與經(jīng)濟效益的決定性因素之一。高溫承壓熱力設(shè)備的金屬受熱面材料在長期的服役過程中,因其所處的惡劣環(huán)境,其運行安全和服役壽命會受材料金相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化所影響,發(fā)生金屬材料的老化現(xiàn)象。傳統(tǒng)的受熱面檢測方法需要對受熱面進行切割以進行離線分析,而目前現(xiàn)有的無損檢測技術(shù)手段主要是針對已有宏觀缺陷的檢測與判斷,所以非常有必要發(fā)展一種具有快速實時無損檢測特點,又具備在缺陷出現(xiàn)前進行失效趨勢預(yù)測能力的新技術(shù)。激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是一種新型的原子光譜技術(shù),其除了具有快速的多元素檢測能力之外,還能反映待測對象的材料基體特性。因此本文致力于將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)應(yīng)用于金屬受熱面失效檢測中,將此光譜技術(shù)與機器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合,針對不同失效程度的金屬受熱面材料的光譜數(shù)據(jù)特征展開了對激光誘導(dǎo)等離子體時空演化特性、基于機器學(xué)習(xí)的金屬失效預(yù)測模型建立和光譜的特征選擇的理論和實驗研究。本文在對現(xiàn)有的金屬受熱面失效檢測分析方法的技術(shù)水平和研究現(xiàn)狀的進行了深入分析的基礎(chǔ)上,對具有代表性的金屬受熱面檢測方法進行了介紹,闡述了本文的研究背景和意義。此外,對目前LIBS結(jié)合機器學(xué)習(xí)的研究進展進行了闡述和總結(jié),對LIBS應(yīng)用于材料特性檢測領(lǐng)域的研究的發(fā)展過程與現(xiàn)狀進行了歸納與介紹。然后在此基礎(chǔ)上明確了本文的研究路線與內(nèi)容。同時,對LIBS技術(shù)的原理及其光譜特性和代表性的金屬受熱面材料T91和12Cr1MoV鋼的失效機理進行了詳細的闡述和總結(jié)。設(shè)計并搭建了可實現(xiàn)對等離子體圖像信號時空演化特性進行高精度分析的實驗系統(tǒng)。將基于機器學(xué)習(xí)的各類數(shù)據(jù)分析方法引入了LIBS的應(yīng)用中,在對其的數(shù)學(xué)原理和計算過程進行了歸納闡述后,結(jié)合具體的實驗應(yīng)用研究證明了聚類分析、數(shù)據(jù)降維、分類模型和特征選擇方法在LIBS應(yīng)用上的潛力。為了深入研究LIBS金屬受熱面失效檢測的物理機理,利用增強電荷耦合器件(ICCD)光譜儀對不同老化等級的T91鋼的等離子體圖像及特征譜線的時空演化規(guī)律進行了觀察與分析。對比和分析了不同老化等級樣品的特征譜線輻射圖像與強度、譜線強度比值和等離子體溫度的時空演化規(guī)律以及激光燒蝕坑特性,建立了以上等離子體特性與金屬老化等級之間的關(guān)聯(lián)性,并討論了其物理機理和對實際應(yīng)用的意義。分析了在普通電荷耦合器件(CCD)光譜儀上對不同老化等級T91鋼進行點陣測量的光譜特性,引入支持向量機(SVM)建立金屬老化預(yù)測模型,并針對實際測量中的光譜信號波動與激光脈沖數(shù)的問題對模型進行了優(yōu)化,且對預(yù)測模型進行了魯棒性分析,驗證了SVM金屬老化預(yù)測模型的穩(wěn)定可靠性和泛用性。針對金屬樣品在LIBS中呈現(xiàn)出的高維復(fù)雜光譜數(shù)據(jù),對比了幾種具有代表性的特征選擇方法在不同晶粒度等級的12Cr1MoV鋼和不同老化等級的T91鋼的光譜數(shù)據(jù)上的表現(xiàn),并提出了一種新的波長區(qū)間分層迭代篩選方法(LIW)。同時利用基于SVM和邏輯回歸(LGR)所建立的金屬特性預(yù)測模型對這些特征選擇方法的有效性進行檢驗,證明LIW特征選擇方法擁有最佳的表現(xiàn)。此外引入了數(shù)據(jù)異常檢測對LIBS測量中離群數(shù)據(jù)點進行剔除,利用主成分分析法和K均值聚類算法實現(xiàn)對LIBS測量樣本的宏觀數(shù)據(jù)特征分析。上述研究為LIBS測量的自動數(shù)據(jù)處理建立了一套具有系統(tǒng)性和泛用性的方法論,同時為基于LIBS技術(shù)的金屬受熱面失效預(yù)測分析應(yīng)用提供了更深刻的理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP181;TN249;TM621.2
【部分圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文表面上的焦深保持恒定。激光燒蝕樣品后所產(chǎn)生的等離子體輻射被一個在等離子體側(cè)方且與樣品表面呈 45°的雙面凸透鏡收集并聚焦于光纖中，光信號被光纖傳遞到一個 6 通道光柵光譜儀（Aurora，美國）。光譜儀的最小門寬為 1.1ms，波長覆蓋范圍為 185-1045nm，分辨率一般為 0.05 nm。光譜儀和激光器觸發(fā)延時已經(jīng)通過該系統(tǒng)軟件的內(nèi)部校準設(shè)置為同步，所以不需要考慮激光器與光譜儀之間的固定延時的問題。此外，一體機的控制軟件可以設(shè)定在樣品表面上的激光燒蝕測量點布局，并設(shè)定測量點燒蝕順序和路徑，讓設(shè)備自動完成多個測量點的測量任務(wù)。這樣可以保證測量條件的一致性，減少環(huán)境和人為因素對測量造成的干擾。

圖 2-5 (a) LIBS 等離子體時空演化分析實驗系統(tǒng)原理圖，(b) 該系統(tǒng)所采集的原始等離子體信號圖像，(c) 樣品在水平金屬底座（容器）中的實物圖2.4 本章小結(jié)本章介紹了激光誘導(dǎo)擊穿光譜的技術(shù)原理，其中包括激光誘導(dǎo)等離子體的形成過程和等離子體輻射光譜可表征的各項等離子體物理特性。同時介紹了本論文研究對象新型馬氏體耐熱鋼 T91 和珠光體耐熱鋼 12Cr1MoV 的材料特性和失效機理。最后介紹了本論文的中根據(jù)研究目的不同所采用和自主搭建的 LIBS 臺式硬件集成一體機和等離子體時空演化分析實驗系統(tǒng)。

于 ( )的輸出值建立 屬于類別 和 的判別規(guī)則： ( ) ( ) ≥ ▂，則認為 ， 屬于 ( ) ( ) ▂，則認為 ， 屬(3-10)分布律后，對于測量所獲得的訓(xùn)練集，已知待估數(shù)：( ) ∏ ( )| ( ) ∏( ( ( ))) ( )( ( ( ) 似然估計法求 的估計值，即求 ( )函數(shù)取極大值時 ，最大化似然函數(shù)與最大化對數(shù)似然函數(shù)等價，對式(3- ⊙ ( ) ∑ ( )⊙ ( ) ( ( ))⊙ 圖 3-1 Sigmoid 函數(shù)圖
【參考文獻】

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本文編號：2860695