超声红外热像无损检测技术在航空材料缺陷检测中的设计应用.pdf
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1、中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 74 超声红外热像无损检测技术在航空材料缺陷检测中的设计应用 王景海 张敬彤 李 进 陕西飞机工业有限责任公司,陕西 汉中 723213 摘要:摘要:随着科学技术的不断发展,航空制造业对于航空材料缺陷检测的要求越来越高。超声红外热像无损检测技术是将超声热激励技术和红外热像技术结合使用的一种检测方法,旨在通过两种技术的协同作用,对被检测材料表面的温度分布进行全面、准确地检测和分析,从而发现被检测材料的内部缺陷。因此,本文展开了超声红外热像无损检测技术在航空材料缺陷检测中的设计应用研究,结合多方面研究提出航空材料缺陷检测的具体方案,以期为航空材料缺陷检测技术的
2、改进和发展提供一定的参考。关键词:关键词:无损检测;锁相处理;序列采集;特征识别 中图分类号:中图分类号:TH878 0 引言 航空材料缺陷检测是航空工程中至关重要的一项工作,是保障飞机飞行安全和延长其使用寿命的重要手段。传统的缺陷检测方法存在着检测范围窄、效率低、误差大等问题,难以满足实际检测需求。超声红外热像无损检测技术是一种通过检测超声波信号的出射和接收判断被检测物体内部缺陷的一种非破坏性的检测技术,具有非接触、高精度、高效率等优点。同时,超声红外热像无损检测技术可以提供更加精确、全面的缺陷信息,能够检测到微小的缺陷,并能通过红外热像技术进行热分析,从而更好地定位和评估被检测材料的缺陷1
3、。本文进行了超声红外热像无损检测技术在航空材料缺陷检测中的设计应用研究,从红外图像序列采集、锁相处理、提取特征信号以及航空材料缺陷典型红外热像特征识别四个要点展开探讨,旨在通过合理的检测设计和精准的数据分析,提高航空材料缺陷检测的准确性和精确性,降低飞行安全隐患。期望通过本文的研究和分析,进一步促进超声红外热像无损检测技术的应用和推广,为航空工程实践提供更加可靠的技术支持。1 航空材料的主要缺陷及检测流程 航空材料在制造和使用过程中,受其成分、结构、性能等方面的原因的影响,主要表现为以下 6 种缺陷类型:裂纹:航空材料中的裂纹是一种常见缺陷,主要是由于材料的疲劳和应力集中导致的,裂纹的存在会导
4、致材料的强度和刚度下降。气泡:航空材料中的气泡主要是由于材料中的气体无法完全排出导致的,气泡的存在会影响航空材料的韧性。残余应力:在航空材料制造和处理过程中,受温度和变形等因素的影响,会在材料内部产生残余应力,这些应力会导致材料的疲劳和损伤。氧化和腐蚀:航空材料在飞行过程中会受到氧化和腐蚀的影响,导致航空材料表面的损伤和腐蚀,影响材料的性能和使用寿命。疏松:疏松是指航空材料中的孔洞分布较为密集,表现为材料内部的微观结构比较松散,影响材料的强度和韧性。脱层:脱层是指材料层之间的分离或剥离,主要由于材料之间粘接不良、过度应力或材料疲劳等原因引起,脱层会降低航空材料的结构完整性和机械性能2。以上 6
5、 种缺陷是航空材料缺陷的主要类型,需要通过无损检测技术进行及时识别和修复。航空材料缺陷检测的具体流程包括以下6个步骤,如图 1 所示。序序列列采采集集提提取取特特征征信信号号缺缺陷陷识识别别锁锁相相处处理理检检测测样样品品准准备备热热激激励励图 1 航空材料缺陷检测流程图 中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 75 检测材料准备:清理被检测材料表面的杂质和其他不良物质,去除样品涂层等,方便进行检测操作。热激励:超声设备激励被检测材料,为红外图像序列采集做准备。红外图像序列采集:使用红外热像仪对被检测材料进行扫描,采集红外图像序列。锁相处理:将采集到的红外图像数据进行锁相处理,消除环境噪声和其他
6、干扰信号。提取特征信号:完成锁相处理后,需要从处理后的信号中提取特征信号,得到被检测材料的缺陷信息。缺陷识别:最后一步是对特征信号进行分析,识别被检测材料中的缺陷。2 超声红外热像无损检测技术在航空材料缺陷检测中的应用要点 超声红外热像检测技术由超声枪、超声控制器、红外热像仪和计算机四部分组成实现,具体构造如图 2所示:红外热像仪红外热像仪超声控制器超声控制器超声枪超声枪计算机计算机 图 2 超声红外热像检测技术 其中,超声热激励采用铭创 MC-8342 超声仪,超声频率为 83kHz,红外热像仪采用福禄克 Fluke TiS60+热像仪,内置 CoaXPress 2.0 高速图像采集卡,工作
7、波段为 5.77.8m,图像大小为 640480 像素,采集频率与采集时间可以实时调整。2.1 红外图像序列采集 利用超声红外热像无损检测技术检测航空材料缺陷时,首先使用超声枪激励被检测材料表面,当超声脉冲通过超声枪激发到被检测材料中后,携带能量的超声波会在被检测材料中快速传输,达到激励效果3。超声热激励效果用公式(1)表示:QA i t(1)其中,Q 为超声热激励效果,为超声吸收系数,A 为超声波作用面积,i 为超声波强度,t 为激励时间,超声热激励使得被检测材料的温度更加均匀,减小温度梯度的影响,为后续红外图像序列采集做准备。进行红外图像序列采集前,对红外热像仪的扫描参数进行预先设置,以便
8、更好地满足采集操作需求,提高图像采集的效率和质量,根据航空材料的特性,红外热像仪的扫描参数如表 1 所示。表 1 红外热像设备波长和频率设置 被检测材料的特性 波长设置/m 频率设置/HZ 铝合金 35 713 钛合金 714 1430 碳纤维复合材料 812 16 塑料 714 713 检测人员启动红外热像设备后,将红外热像设备对准被检测材料表面,进行红外图像采集操作,采集过程中保持恒定的环境温度和湿度,避免外界干扰。红外热像仪利用红外传感器捕捉被检测材料发射的红外辐射能量,通过内部聚焦,形成红外图像原始数据,其中,聚焦的计算公式如式(2)所示:12111FnRR(2)其中 f 为透镜焦距,
9、n 为透镜折射率,R1和 R2为透镜的两个曲率半径。将采集到的红外图像原始数据直接加载到计算机 Internal Storagene 内部存储器中,借助数字编码器将红外图像原始数据的连续范围划分为有限数量的离散级别,然后将数字值映射到最接近的量化级别上,完成红外图像序列采集操作,映射过程的具体计算公式如式(3)所示:AVAMDVAS(3)其中,DV 为映射后的数字信号值,AV 为采集原始数据,AM 为模拟信号最小值,AS 为模拟信号的步长参数。通过红外图像序列采集,可以获得被检测材料的温度分布、热量分布、热流动等方面的信息,是后续识别缺陷问题的基础。2.2 锁相处理 航空材料缺陷检测中,受扫描
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