發(fā)布時間：2020-10-29 20:36

　　 多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)具有比強度高、抗疲勞優(yōu)點,在航空和核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而,其在制造、裝配和服役階段,受生產(chǎn)工藝、環(huán)境、疲勞加載等因素的影響,在層板間粘接處和板材內(nèi)部會產(chǎn)生脫粘、欠膠、裂紋等缺陷,會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的熱力和機械特性發(fā)生改變,進而影響結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。采用無損檢測技術(shù)可以在不損害被測對象性能的前提下對其進行檢測,并根據(jù)檢測結(jié)果評價被測對象的完整性、可靠性和安全性。然而,由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,傳統(tǒng)的無損檢測方法,如電渦流、超聲、X射線等對具有一定厚度的多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)的缺陷檢測存在諸多局限性。因此,多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)各部位缺陷的精確高效檢測、識別、量化對無損檢測技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。近年來,基于紅外熱成像的多種無損檢測新技術(shù)因其具有單次檢測面積大、檢測速度快、非接觸、無污染、成像直觀等優(yōu)點,在缺陷檢測、失效分析、壽命預(yù)測等方面得到廣泛的重視。為滿足多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)缺陷無損、快速、準(zhǔn)確的檢測需求,本文將光激勵和渦流鎖相熱成像檢測技術(shù)應(yīng)用于多層異種金屬結(jié)構(gòu)的缺陷檢測,開展相關(guān)理論研究、仿真分析、系統(tǒng)構(gòu)建、算法處理及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),旨在為多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)的缺陷檢測提供新方法和參考。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:1)創(chuàng)新性地將渦流和光激勵鎖相熱成像兩種檢測方法應(yīng)用于多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)的缺陷檢測。研究渦流和光激勵鎖相熱成像檢測方法的基本理論、熱成像原理,深入理解產(chǎn)生影響檢測結(jié)果的機理和解決途徑;依據(jù)麥克斯韋方程組進行詳細(xì)的理論推導(dǎo),得到渦流鎖相熱成像系統(tǒng)電磁場控制方程,結(jié)合時空域熱傳導(dǎo)方程,建立電磁-熱多物理場耦合關(guān)系;分析熱擴散、集膚深度對缺陷檢測深度的影響,比較渦流鎖相熱成像和光激勵鎖相熱成像系統(tǒng)的應(yīng)用特點,并提出數(shù)據(jù)融合的方法。2)針對多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)特點,研究多層介質(zhì)的熱傳導(dǎo)過程,建立溫度場分布模型,并通過有限元仿真分析激勵參數(shù)、缺陷位置、缺陷大小對檢測效果的影響規(guī)律,為檢測參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù);制作模擬缺陷試件,分別通過渦流和光激勵鎖相熱成像方法進行實驗研究,驗證檢測方法的有效性;研究鎖相熱成像圖像序列的預(yù)處理和特征提取算法,分析對比不同算法對提高缺陷檢測靈敏度的效果。3)為了構(gòu)建光激勵和渦流鎖相熱成像檢測系統(tǒng),本文對國內(nèi)外學(xué)者很少涉及的激勵源展開深入研究,在充分調(diào)研和分析鎖相熱成像系統(tǒng)對激勵電源相關(guān)電參數(shù)和功能需求的基礎(chǔ)上,首先,創(chuàng)新性地提出一種新穎的適用于光激勵紅外熱成像的多模態(tài)激勵電源的設(shè)計方案,并闡述其電路拓?fù)�、工作原理、設(shè)計過程、有效性實驗驗證。接著,對多模態(tài)激勵電源的關(guān)鍵技術(shù)進行研究,創(chuàng)新性地提出一種能夠抑制耦合噪聲的多電平門極驅(qū)動電路,并闡述了該驅(qū)動電路的工作原理、參數(shù)計算和實驗驗證。最后,針對渦流鎖相熱成像負(fù)載為感性負(fù)載的特點,提出一種適用于渦流鎖相熱成像的線性激勵電源設(shè)計方案。本文提出的多模態(tài)激勵電源方案及其關(guān)鍵技術(shù)不僅能應(yīng)用于鎖相熱成像系統(tǒng),也適用于其他模式的熱成像系統(tǒng),對于熱成像系統(tǒng)的自動化設(shè)計、便攜化設(shè)計及其他特殊應(yīng)用場景的定制化設(shè)計具有參考意義,有良好的經(jīng)濟價值和社會價值。上述研究將有助于解決多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)在制造、裝配和服役階段的無損、快速、準(zhǔn)確檢測問題,有助于紅外熱成像檢測技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TG115.28;TP391.41
【部分圖文】：

第二章渦流和光激勵鎖相熱成像的多層異種金屬檢測原理21式中Si表示物體邊界。②第二類邊界條件邊界面上溫度的法向?qū)?shù)是給定的，這個法向?qū)?shù)是時間和位置的函數(shù)，可表示為(,,,)iisTfxyztn=(2-15)這個邊界條件等價于給定邊界面的熱流密度。③第三類邊界條件邊界上溫度和溫度的法向?qū)?shù)的線性組合是給定的，可表示為()|(,,,)iSiTkhTfxyztn+=(2-16)2.3渦流鎖相熱成像渦流熱成像無損檢測技術(shù)是以電磁場理論、熱傳導(dǎo)理論和紅外輻射理論等為基礎(chǔ)的。圖2-3所示為電磁感應(yīng)加熱的原理圖[72]，可編程的幅度調(diào)制信號通過功率放大器進行放大后加載到電磁感應(yīng)線圈上，根據(jù)電磁感應(yīng)定律：當(dāng)穿過任何一閉合回路所限制的面的磁通量隨時間變化時，回路上就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。dedt=(2-17)圖2-3電磁感應(yīng)加熱原理該感應(yīng)電動勢在被測的導(dǎo)電性材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生渦流I，進而產(chǎn)生焦耳熱Q，根據(jù)焦耳定律：2Q=IRt(2-18)焦耳熱Q在材料內(nèi)部從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域，發(fā)生熱傳導(dǎo)，在材料表面形

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文26度，即1indf=(2-49)式（2-49）中：π為圓周率；σ為被測物體的電導(dǎo)率，單位是S/m；find為激勵電流的頻率，單位Hz；μ為被測物體的磁導(dǎo)率，單位H/m。鎖相熱成像中渦流產(chǎn)生的熱在被測物體上傳導(dǎo)，產(chǎn)生具有重阻尼波形的溫度分布，該溫度分布可以表示為[138,139]：()(2)00(,)==lockththththzzzzjtjftTztTeeTee(2-50)thlocklockpkμffc==(2-51)式中，k為導(dǎo)熱系數(shù)；z為與熱源的距離，即距離表面的深度；α為熱擴散系數(shù)，其定義見式（2-10）；flock為鎖相頻率；μth為熱擴散長度。(a)表面溫度與深度和時間的關(guān)系(b)相移與深度的關(guān)系圖2-4表面正弦激勵下。(a)表面溫度隨深度和時間的變化關(guān)系；(b)相移與深度的關(guān)系

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文302.4光激勵鎖相熱成像2.4.1光激勵鎖相熱成像檢測原理圖2-7中示出了光激勵鎖相熱成像系統(tǒng)的構(gòu)成，其主要包括計算機、熱像儀、激勵電源、鹵素?zé)舻葞撞糠�。激勵電源產(chǎn)生可編程的幅度調(diào)制的激勵電流驅(qū)動鹵素?zé)舢a(chǎn)生周期性的光，該光比較均勻地入射到被測物體上產(chǎn)生熱，熱在被測物體上發(fā)生熱傳導(dǎo)，被測物體表面會產(chǎn)生與激勵電流鎖相頻率同頻的周期性溫度變化。若物體表面或內(nèi)部存在缺陷，譬如裂紋、脫粘、斷層等，缺陷會改變熱傳導(dǎo)過程。通過紅外熱像儀記錄物體表面的溫度分布，在計算機上通過合適的圖像處理算法提高檢測的信噪比，得到缺陷定性和定量信息。同步觸發(fā)模塊作用是接收計算機發(fā)出觸發(fā)信號，控制激勵和熱像儀同步工作或停止，即得到與激勵光源同步的圖像信息。圖2-7光激勵鎖相熱成像系統(tǒng)(a)(b)(c)圖2-8光激勵鎖相熱成像系統(tǒng)。(a)熱像儀；(b)鹵素?zé)簦?c)激勵電源圖2-8示出了光激勵鎖相熱成像檢測系統(tǒng)中選用的熱像儀、鹵素?zé)艉图铍娫�。由于檢測環(huán)境和對象相同，選用與渦流鎖相熱成像系統(tǒng)相同熱像儀A655sc。加熱燈源選用兩只1kW的大功率鹵素?zé)�，其色溫約3000K，燈源外面使用遮罩來防止光擴散，提高光能的利用率，有利于產(chǎn)生均勻光并減少外界的干擾。適用于光激勵鎖相熱成像的激勵電源也具有專用性，一般需要根據(jù)實際需求自行設(shè)計開發(fā)。針對鹵素?zé)舻碾姎馓匦院凸ぷ鲄?shù)，本文設(shè)計開發(fā)一款激勵電源，其具有多種工作
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本文編號：2861423