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激光超声表面缺陷检测机理研究

作 者: 刘辉
导 师: 郑宾
学 校: 中北大学
专 业: 测试计量技术及仪器
关键词: 激光超声 声表面波 表面缺陷 特征量提取
分类号: TP274.5
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
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内容摘要


本文从理论和实验两个方面研究了激励源与激光超声特性之间的关系,重点研究了激光声表面波表面缺陷的检测机理。首先介绍了几种激光超声表面缺陷检测的方法及它们探测表面缺陷的机理。分析了激光超声表面缺陷检测系统的检测机理,分别介绍了激励源系统、激光超声检测系统、数据采集系统和存在表面缺陷的标准样件四个基本组成部分的组成原理。在此基础上,搭建了基于脉冲激光器和超声接收探头的激光超声表面缺陷检测实验系统。介绍了激光超声激发的理论基础,建立了激光线源热-结构耦合模型,分析了数值模拟波形结果,验证了数值模拟结果的正确性,并进行了实验验证。数值分析了不同线源宽度、单个线源与线源阵列对激发超声频率特性的影响。结果表明,空间局域化的激光线源可提高激发超声的频带宽度;线源阵列可使激发超声的局部带宽变窄,同时提高激发超声信号的信噪比。实验分析得出了涂黑样品表面可有效增加激光吸收率,提高激光超声的激发效率;脉冲激光光斑尺寸变小可提高激光超声频带宽度。为激光超声表面缺陷检测研究中,激光超声的激发提供了参考。理论上分析了声表面波沿固体表面传播的特性,进行了探头方向性的测量分析,并利用声表面波测量了表面缺陷的位置。实验分析了有无裂纹时,反射与透射的声表面波信号的时域与频域特性的变化。结果表明裂纹的存在对声表面波的时域和频域特征均产生了显著影响。数值模拟分析了不同深度裂纹时,声表面波信号时域和频域特征。结果表明,可根据反射波、透射波时域和频域波形中的单调递增量来定量表征缺陷深度的大小,给激光超声表面缺陷的检测研究提供了理论依据。实验分析提取了声表面波信号中反映裂纹深度特征的时域和频域特征量,探讨了各特征量检测表面缺陷的机理,结果初步表明各个特征量均可在一定范围内实现缺陷深度的表征。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-16
  1.1 研究的背景与意义  10-11
  1.2 国内外研究进展  11-15
    1.2.1 激光超声激发的研究进展  11-12
    1.2.2 激光超声检测表面缺陷的研究进展  12-13
    1.2.3 激光超声数值模拟的研究进展  13-14
    1.2.4 激光超声信号分析方法的研究进展  14-15
  1.3 本文的主要研究工作  15-16
2 激光超声表面缺陷检测方法与系统  16-29
  2.1 激光超声表面缺陷检测方法  16-21
    2.1.1 反射系数法  17-18
    2.1.2 反射时间间隔法  18
    2.1.3 回波周期法  18-19
    2.1.4 缺陷共振法  19-20
    2.1.5 激光扫描法  20-21
  2.2 激光超声表面缺陷检测系统  21-28
    2.2.1 激光超声激励源系统  21-22
    2.2.2 激光超声检测系统  22-25
    2.2.3 激光超声数据采集系统  25-27
    2.2.4 标准样件的制备  27
    2.2.5 激光超声表面缺陷检测实验系统  27-28
  2.3 本章小结  28-29
3 激励源与激光超声信号特征分析  29-48
  3.1 激光超声激发的理论基础  30-33
    3.1.1 热-结构耦合理论方程组  30-31
    3.1.2 热传导方程和本构方程  31-32
    3.1.3 有限元法  32-33
  3.2 激光线源热-结构耦合模型  33-36
    3.2.1 模型建立流程  33-35
    3.2.2 数值模拟结果分析  35-36
  3.3 激光声表面波波速实验测量  36-37
  3.4 激光线源宽度与激发超声特性的关系  37-39
  3.5 单个线源与线源阵列对激发超声的影响  39-40
  3.6 不同表面处理样品对激光吸收影响的实验分析  40-44
    3.6.1 激光光斑功率密度计算  40-42
    3.6.2 激光辐照温升实验  42-44
  3.7 脉冲激光不同半径激发超声频率的实验分析  44-47
  3.8 本章小结  47-48
4 激光声表面波与表面缺陷相互作用信号特征分析  48-66
  4.1 声表面波沿固体表面的传播特性  48-49
  4.2 声表面波探头探测方向性分析  49-50
  4.3 表面缺陷的位置测量  50-52
  4.4 有无表面缺陷时声表面波信号特征分析  52-56
    4.4.1 距样件左边界 100mm 时声表面波信号特征分析  53-54
    4.4.2 距样件左边界 70mm 时声表面波信号特征分析  54-55
    4.4.3 距样件左边界 100mm、70mm 时声表面波信号共性特征分析  55-56
  4.5 表面缺陷深度变化时声表面波信号特征数值模拟分析  56-59
    4.5.1 反射波信号特征分析  56-58
    4.5.2 透射波信号特征分析  58-59
  4.6 表面缺陷深度变化时声表面波信号特征实验分析  59-65
    4.6.1 时域特征量  62-63
    4.6.2 频域特征量  63-65
  4.7 本章小结  65-66
5 总结与展望  66-68
参考文献  68-72
攻读硕士期间发表的论文  72-73
致谢  73-74

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 采用各种新技术的自动检测系统
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