脉冲红外无损检测缺陷深度定量测量的数值模拟

缺陷深度定量测量是脉冲红外热波技术定量测量的重要应用,在一维热传导理论模型基础上分析了对数温度-对数时间二阶微分峰值法计算原理。以背面有6个大小相同深度不同的平底洞不锈钢试件为例,利用Ansys模拟脉冲红外无损检测过程,采用对数温度-对数时间二阶微分峰值法计算缺陷深度。比较和分析了Ansys和脉冲红外热波实验结果,结果表明所建立Ansys模型与脉冲热波实验结果相符,可为脉冲红外热波技术缺陷深度定量测量应用提供理论依据。     

弧形表面缺陷的激光超声检测方法研究

利用激光超声技术，研究生产中常见的弧形表面缺陷的无损检测方法。首先基于热弹机制建立弧形表面缺陷检测的有限元仿真模型，探究不同尺寸参数的缺陷对表面波反射回波及透射波的影响；然后采用经验模态分解法对带有缺陷信息的反射回波和透射波信号进行了分解，提取相应特征频率的信号进行叠加；最后根据超声特征参数的变化规律，建立了缺陷深度的预测模型。结果表明，利用透射波特征参数计算得到的缺陷深度与实际缺陷深度相比的最大误差仅为0.6%,因此提出的预测模型具有较高的精度，可用于弧形表面缺陷的现场检测。     

C/SiC复合材料的红外热像无损检测研究

采用红外脉冲热像检测方法对C/SiC复合材料试样中不同尺寸和深度的平底孔模拟缺陷进行无损检测,分析了红外脉冲热像检测方法的检测原理、红外脉冲热像检测结果和微分处理后的检测结果。研究结果表明,对于同一缺陷,红外脉冲热像图中显示的缺陷尺寸随时间变化规律近似服从卡方分布,并且在红外热波信号传播至缺陷深度时,显示的缺陷尺寸最大;对红外脉冲热像图进行微分处理,可提高小缺陷和深度缺陷的检测能力,且能够提高缺陷的识别度;红外脉冲热像法检测C/SiC材料,能发现最小直径为Φ2 mm的缺陷,无法发现深度大于4 mm(直径不大于Φ15 mm)的缺陷;该红外脉冲热像法检测C/SiC材料的最小径深比为1.3。     

复合材料锁相红外热像法无损探伤技术研究

为了解决复合材料红外热波定量识别缺陷的难题,从锁相热像法的原理出发,利用数值计算的方法对锁相热像法在检测中的应用问题进行研究。建立相位差与缺陷深度的关系,进而识别缺陷尺寸;对不同缺陷存在最佳检测频率,能使相位差最大;对于同一缺陷,同一频率,幅值差与激励信号强度成正比。这对红外热波无损探伤的定量检测和评估、锁相激励信号参数的优化等具有重要意义。     

线性调频激励的红外热波成像检测技术

线性调频激励的红外热波成像检测技术是一种基于线性调制热波信号处理的主动式红外热成像技术,能够弥补传统红外锁相热像检测的单一调制热波只能探测相应扩散深度缺陷的不足,可准确检测不同深度范围内的缺陷形状及尺寸。阐述了线性调频红外热波成像检测技术的原理、分析方法和实验。采用有限元方法对线性调频啁啾(Chirp)规律变化热流在构件中的传递过程进行了分析。利用相关算法计算了表面温度(热波)信号的相关峰值及其对应的时间,形成了表面温度相关峰值图像与峰值时间图像。利用Chirp规律调制卤素光源作为热激励源对金属平底孔试件进行激励加载,通过Jade MWIR 550 焦平面红外热像仪进行图像序列采集。分别利用时域相关处理与频域FFT扫描得到了表面温度(热波)信号的相关峰值及对应时间图像和不同频率下的相位图像。试验结果表明,在给定激励条件下,相关峰值图像和频域相位图像能够可靠地确定不同深度缺陷的几何特征。     

蜂窝结构积水的脉冲相位红外成像检测

采用脉冲相位红外辐射无损检测法对蜂窝复合材料积水进行了检测研究,试验分别采用双面透射法和单面反射法进行,获得了最大温度对比度图像、振幅图及相位图,采用对比度对不同图像缺陷清晰度进行对比。给出了透射、反射测量中温度、相位变化曲线,对两种检测方法最大温度对比度出现时间、对比度进行了比较,揭示了各自特点。     

多界面脱粘红外无损检测中热激励方法的研究

红外热波检测中热激励方法的选择直接影响缺陷的可检出性和实际检测效果。本文对薄粘接层的界面脱粘检测中的热激励方法进行了分析比较。通过构建多界面脱粘缺陷模型,用有限元分析软件COMSOL对不同热激励下脱粘的红外无损检测做仿真计算,研究热激励方法与检测灵敏度之间的关系,为制定准确的红外检测实验方案提供数值依据。     

基于阈值频率的激光超声缺陷检测

针对激光超声技术难以定量分析、检测金属样品缺陷的问题,根据不同缺陷深度处反射与透射表面波的频率交叉现象,提出了阈值频率,研究了表面缺陷深度与其对应波长的关系。通过小波分解和频谱分析,探讨和分析了反射波和透射波在频谱能量图中的波形分布特征。结果表明:由阈值频率计算的波长与缺陷深度之间的关系(即λ=4 h)与理论数据分析结果吻合良好;并随着缺陷深度的增加,波长也随之表现出线性增加的特性。由此可见,该分析方法达到了预期的效果,为表面缺陷深度的进一步定量表征提供了参考方向。     

基于COMSOL的激光超声裂纹检测数值模拟研究

为了利用激光超声技术检测裂纹信息,本文基于有限元分析软件(COMSOL)的热-固耦合物理场,建立激光超声无损检测模型,从激光的功率密度、空间分布、时间分布将激光等效成表面力源,采用完美匹配层、低反射边界、热绝缘边界消除边界回波。通过固定激励源与探针的距离,对探针信号的分析,进行了不同位置裂纹对脉冲回波峰值及到达时间影响规律的仿真,与实验相比较,此模型具有很高的正确性。结果表明:固定激励源与探针的距离,脉冲回波的峰值会随着裂纹与探针距离的减少而增大,脉冲回波的到达时间会逐渐提前;透射波的幅值会衰减,到达时间会稍有延迟。     

超声红外锁相热像技术检测金属板材表面裂纹

超声红外锁相热像检测法是超声波激励与红外锁相热像检测技术相结合的一种红外无损检测方法。采用超声红外锁相热像检测法实现对金属板材构件接触界面类缺陷的检测,分析超声波激励构件缺陷的选择性加热过程。通过有限元仿真模型对热流在金属板材内部的热传导过程进行研究并分析超声激励参数对检测结果的影响;利用所建立的超声红外锁相检测系统对预制金属板材构件接触界面类缺陷中的裂纹缺陷进行检测实验,验证有限元模型的有效性。研究结果表明,加载中心位置远离缺陷时,裂纹缺陷幅值降低,相位不变;超声激励振幅（即初始静压）增加,缺陷处的幅值升高,相位基本保持不变;超声调制频率增加,缺陷处幅值降低,相位升高。通过对比仿真结果与实验结果发现,所建立的仿真模型能够较好地预测检测过程中的热流传递,并且能够用于超声红外锁相热像技术检测金属板材接触界面类缺陷检测结果的预测,为超声红外锁相热像技术激励参数的选择提供了指导。     

基于横波衍射法应用激光-电磁超声检测内部缺陷

为了有效评估出工件内部缺陷的深度,提出了脉冲激光激励和电磁超声换能器接收的非接触式检测方法。分析了超声波的烧蚀激励原理,体波作用于缺陷后的衍射现象,以及电磁超声的接收过程。依据横波衍射理论,当电磁超声换能器处于缺陷正上方时,衍射信号的渡越时间将取得最小值,基于此推导了缺陷深度计算公式并讨论了检测盲区。搭建了工件内部缺陷的激光-电磁超声检测系统,先后测量了内部含有圆孔和不同倾角裂纹的工件试样。在固定激励点的前提下,移动电磁超声换能器,观察信号渡越时间的变化规律,以及分析衍射横波的相位特征。提取衍射横波的最小渡越时间并求得缺陷深度值,其相对误差均在±3之内。实验结果表明,激光-电磁超声检测方法能够有效测量出缺陷深度,可作为接触式压电超声检测技术的一种补充方案,应用于无法满足耦合条件的场合。     

缺陷尺寸对红外热波技术缺陷深度测量的影响研究

缺陷深度测量是脉冲红外热波技术定量测量的一个重要应用,常用的几种测厚方法都是基于一维热传导模型。而实际测厚都是针对有限缺陷尺寸,因而三维热扩散会对深度测量产生一定影响。文中以表面阳极化处理后的铝和玻璃钢材料为例,采用脉冲红外热波技术作为实验方案。提取所获得的热图序列不同缺陷宽度位置处热波降温数据,利用这些数据近似模拟不同深度缺陷在相同缺陷尺寸时受到不同程度的三维热扩散影响。通过研究一维热传导理论模型分析了3种常用方法的测厚原理,并建立了测厚特征时间与缺陷深度平方线性关系。结果表明:缺陷尺寸对各线性关系的斜率和截距均有影响,且热扩散系数较小材料的斜率明显大于热扩散系数较大材料。     

基于模糊C均值聚类和Canny算子的红外图像边缘识别与缺陷定量检测

针对脉冲红外热成像检测缺陷构件时,红外图像噪声较大、边缘信息模糊等特点,提出了一种基于模糊C均值聚类和Canny算子相结合的边缘检测新方法。该方法首先对输入的红外图像进行整体灰度变换,采用模糊C均值聚类对图像进行区域分割、提取和二值化;再将各个区域进行叠加,使红外图像的边缘变得连续;最后,采用Canny算子对处理后的图像进行边缘检测,实现缺陷的识别。在图像边缘检测基础上,分析了图像定位缺陷位置与实际缺陷位置之间的相对误差,并运用物像关系,实现缺陷几何尺寸的定量检测。结果表明:该方法对缺陷边缘识别完整清晰,具有较高的定位精度和抗噪能力,有利于缺陷的识别与定量检测。     

“钢-铅”粘接结构非接触激光超声检测方法

为了解决核工业领域防辐射用钢铅粘接结构的非接触、高精度无损检测问题,研究激光超声检测方法。建立了粘接结构模型,分析了激光超声的传播及脱粘导致的声波反射和衰减;实验测量了良好粘接与脱粘处的窄带激光超声信号,观测到脱粘导致的界面反射信号幅度变化;分析得出表征脱粘的激光超声反射系数与声波频率和测量位置的关系;通过激光超声C扫描方法实现模拟脱粘试样的检测与成像。研究表明:激光超声方法可以实现两层钢铅粘接结构脱粘的成像检测,在核工业防辐射结构检测中具有应用前景。     

CFRP层板缺陷红外热波雷达成像检测概率研究

建立了Chirp调制激光激励的红外热波雷达成像检测系统,提出了基于分数阶傅里叶变换的Chirp锁相算法和基于希尔伯特变换时域积分的HT算法,实现了对CFRP层板缺陷的检测;合理设计了模拟缺陷的尺寸分布范围与缺陷判定准则,采用Hit/miss法分析了信号提取算法对检测概率的影响;给出了不同检测参数与判定阈值情况下,相关算法、Chirp锁相算法和HT算法提取结果的检测概率数据,确定了红外热波雷达成像系统对CFRP层板缺陷的检测概率水平。     

激光瑞利波的时间依赖性探测表面缺陷深度

针对金属构件表面微小缺陷非接触式定量检测的难题,本文采用有限元法模拟了激光产生的瑞利波与不同深度的表面缺陷的相互作用,研究了瑞利反射波与表面缺陷深度的时间依赖关系。通过分析该时间依赖关系的产生机制,提取出能够定量表征表面缺陷深度的时域特征量,得出了该时域特征量与表面缺陷深度的数学关系表达式,并利用该数学关系表达式进行了激光超声表面缺陷检测实验中的深度计算。结果表明,实验结果与数值模拟结果具有良好的一致性,该时域特征量与缺陷深度呈线性关系,能够定量表征表面缺陷深度的范围为0.1~0.5 mm,最大误差≤0.06 mm。     

信赖域方法在红外图像序列处理中的应用

在以光源为激励的红外无损检测图像序列采集过程中,由于受到不均匀加热、环境辐射等因素影响,采集到的图像序列存在着背景噪声大、对比度低、缺陷显示效果差等问题,易造成缺陷的漏检。为提高缺陷检出率,提出了基于信赖域反射算法的红外图像序列处理技术。通过算法对加热不均造成的背景噪声进行快速曲面拟合,并将拟合得到的背景曲面从原始图像中减去,从而去除加热不均的背景噪声。利用主成分分析算法对去除背景后的图像序列进行缺陷特征信息提取,进一步提高红外图像的信噪比。结合区域生长算法对缺陷区域进行分割,以提取缺陷区域。实验结果表明:采用上述方法,能够有效地改善红外图像的信噪比,进而达到提高缺陷检出率的目的。     

弹性声波与表面缺陷相互作用的数值模拟

为了分析材料表面缺陷对声表面波传播的影响,以弹性动力学理论为基础,采用有限元方法数值模拟了声表面波沿金属表面传播及其与表面缺陷的相互作用.通过数值模拟弹性声表面波与不同深度、不同宽度的表面缺陷相互作用过程,得到了声表面波经不同表面缺陷后的反射和透射表面波波形,并对波形进行快速傅里叶变换分析.结果表明,弹性声表面波与表面缺陷相互作用后,产生反射Rayleigh波和透射Rayleigh波:随着表面缺陷深度和宽度的增加,Rayleigh波反射率相应增加,而透射率相应减小.     

基于相位的热障涂层厚度及其脱粘缺陷红外定量识别

为了促进热障涂层红外无损检测的定量检测研究, 建立了轴对称圆柱坐标下的热障涂层脉冲相位检测模型, 针对研究模型, 采用有限体积法求解出脉冲热激励下的温度场, 将温度进行FFT变化得到相位分布, 分析了不同因素对检测表面相位差分布的影响。在此基础上, 采用LM算法研究了轴对称圆柱坐标下对热障涂层厚度的大小和脱粘缺陷的位置进行定量化检测的方法, 分析了不同因素对检测结果的影响。研究结果表明: 当不存在测温误差时, 不同的初始假设、采样窗口时间下都能得到很高的识别精度, 其对定量识别的影响不大, 当测温仅存在均匀误差时, 涂层厚度和脱粘缺陷位置识别精度都很高, 均匀误差对识别无影响, 识别结果的精度会随测温随机误差的增大而降低, 但在较大的随机误差下仍有较高的识别精度。