發(fā)布時(shí)間：2020-04-13 05:54

【摘要】：碳鋼因其強(qiáng)度高、塑性好、耐沖擊、性能可靠等特點(diǎn),在石油、化工、電力等領(lǐng)域的設(shè)備關(guān)鍵構(gòu)件中應(yīng)用廣泛,其結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和健康狀態(tài)評(píng)估對(duì)質(zhì)量控制和安全可靠運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。磁光成像檢測(cè)作為一種直觀、可視化無損檢測(cè)技術(shù),在缺陷檢測(cè)方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用。然而,當(dāng)前磁光成像技術(shù)的研究主要針對(duì)直流、工頻或者渦流激勵(lì)展開,受材料磁滯和成像技術(shù)的限制,磁光圖像頻譜單一,只能識(shí)別簡(jiǎn)單形狀缺陷;而實(shí)際構(gòu)件中缺陷形狀復(fù)雜,當(dāng)前檢測(cè)技術(shù)無法準(zhǔn)確有效識(shí)別。為此,本文在國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助下,從磁光成像檢測(cè)方法的理論、模型、檢測(cè)平臺(tái)、識(shí)別方法等四個(gè)方面,開展基于低頻正交激勵(lì)的磁光成像復(fù)雜形狀缺陷檢測(cè)研究,主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)以分子環(huán)電流模型為基礎(chǔ),構(gòu)建了漏磁場(chǎng)螺線管模型。深入研究磁偶極子模型和分子環(huán)電流模型,分析二者優(yōu)缺點(diǎn),構(gòu)建基于環(huán)電流的螺線管模型。在理論上,該模型克服了磁偶極子模型高度依賴于磁荷分布的設(shè)定的問題,分析了磁阻、試件端面、內(nèi)部環(huán)電流等對(duì)環(huán)電流模型的影響機(jī)理,解決了大試件小缺陷仿真難題,驗(yàn)證了漏磁場(chǎng)螺線管模型的有效性和準(zhǔn)確性,而且指出了同等仿真精度下,螺線管模型的計(jì)算速度優(yōu)于有限元方法。為了實(shí)現(xiàn)交變激勵(lì)下缺陷漏磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)建模,引入Jiles-Atherton(JA)磁滯回線,構(gòu)建交變激勵(lì)下缺陷漏磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)螺線管模型,為復(fù)雜形狀缺陷的檢測(cè)提供了可靠的理論模型。(2)以螺線管相互作用力為依據(jù),提出了復(fù)雜形狀缺陷的螺線管模型,研究了正交磁場(chǎng)下復(fù)雜形狀缺陷的漏磁場(chǎng)分布規(guī)律。針對(duì)實(shí)際構(gòu)件中缺陷方向和形狀的未知性,分析了單向激勵(lì)情況下,簡(jiǎn)單缺陷和復(fù)雜形狀缺陷的漏磁場(chǎng)特征,指出單向激勵(lì)無法有效激勵(lì)不同角度簡(jiǎn)單缺陷和復(fù)雜形狀缺陷的漏磁場(chǎng)。為解決上述問題,引入正交激勵(lì)并分析了其復(fù)雜形狀缺陷的漏磁場(chǎng)特征,構(gòu)建了基于螺線管之間相互作用力的復(fù)雜形狀缺陷漏磁場(chǎng)螺線管模型,給出了復(fù)雜形狀缺陷漏磁場(chǎng)的拐點(diǎn)畸變和中線畸變特征的理論解釋;并與磁偶極子模型、有限元方法進(jìn)行仿真對(duì)比分析,驗(yàn)證了復(fù)雜形狀缺陷漏磁場(chǎng)螺線管模型的有效性。(3)以低頻正交激勵(lì)為核心,設(shè)計(jì)了磁光成像檢測(cè)平臺(tái),并對(duì)其激勵(lì)頻率進(jìn)行優(yōu)化。為滿足試件有效磁化、頻譜信息豐富、高質(zhì)量磁光圖像采集等要求,對(duì)磁光成像檢測(cè)平臺(tái)中磁軛、激勵(lì)源、光源、磁光傳感器、圖像采集器等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過理論分析和仿真,分析了不同正交激勵(lì)頻率下缺陷漏磁場(chǎng)序列中單周期內(nèi)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度信息,選取最佳激勵(lì)頻率,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀缺陷的高質(zhì)量磁光圖像序列采集,為復(fù)雜形狀缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。(4)以磁光圖像序列時(shí)頻域特征為依據(jù),提出了一種基于像素級(jí)決策的復(fù)雜形狀缺陷識(shí)別方法。結(jié)合復(fù)雜形狀缺陷漏磁場(chǎng)特征,將磁光圖像分為不同特征區(qū)域,分析磁光圖像序列中不同區(qū)域的時(shí)頻域特征。針對(duì)畸變干擾的乘性噪聲特性和畸變?cè)斐傻膱D像失真與對(duì)比度失衡問題,提出了一種多尺度同態(tài)濾波頻域增強(qiáng)算法,限制對(duì)比度自適應(yīng)直方圖均衡化(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization,CLAHE)作為同態(tài)濾波參數(shù),作用于幅度頻域譜,實(shí)現(xiàn)幅度頻譜歸一化和畸變區(qū)域?qū)Ρ榷染�衡化的多尺度頻域增強(qiáng)。結(jié)果表明,該頻域增強(qiáng)方法可有效分割畸變區(qū)域,并準(zhǔn)確識(shí)別復(fù)雜形狀缺陷,且進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明可有效檢測(cè)鐵磁性構(gòu)件中更為復(fù)雜的缺陷。從理論模型、仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,均證明本文提出的基于低頻正交激勵(lì)的磁光成像檢測(cè)平臺(tái)普適性廣,對(duì)鐵磁性構(gòu)件結(jié)構(gòu)損傷具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。
【圖文】：

過磁光傳感器。根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，當(dāng)一束線偏振光穿過置于試件表光傳感器時(shí)，若存在漏磁場(chǎng)，則線偏振光的偏振方向?qū)⑿�轉(zhuǎn)一定的角度與漏磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比；然后使用檢偏器對(duì)旋轉(zhuǎn)后的線偏振光進(jìn)行檢偏，信息轉(zhuǎn)化成光強(qiáng)度信息，通過成像系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)后的光強(qiáng)度信息進(jìn)行成像用計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理方法識(shí)別磁光圖像中的缺陷信息。磁光成像檢測(cè)方法在 1993 年被首次公開發(fā)表，由 Fitzpatrick 在進(jìn)行研究缺陷和裂紋檢測(cè)時(shí)首次提出[39]，然后與美國(guó) Physical Research Instrumen聯(lián)合，研發(fā)了第一臺(tái)磁光成像檢測(cè)儀。1994 年，，波音飛機(jī)公司公布了磁術(shù)在飛機(jī)缺陷探測(cè)方面的進(jìn)展和應(yīng)用方案，此后，磁光成像技術(shù)相繼被及軍備公司廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)及航天器檢修維護(hù)中[40]。到 2005 年，st（Qi2）公司收購 PRI 公司的磁光成像技術(shù)成果，期間由公司 Qingying ard Dougherty 對(duì)磁光成像系統(tǒng)中的光路設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的討論[41]，并z-200kHz 的變頻渦流激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)緊固件表面和表層的裂紋，及表層陷的檢測(cè)，經(jīng)改進(jìn) 2012 年先后推出了 MOI307/MOI308 等產(chǎn)品，如圖 1

最終通過成像系統(tǒng)將缺陷信息進(jìn)行可視化成像，從而實(shí)現(xiàn)缺陷可視化檢測(cè)。漏磁檢測(cè)基本原理如圖2-2 所示。（a） （b）圖 2-2 漏磁檢測(cè)原理示意圖。（a）無缺陷的磁感應(yīng)線；（b）有缺陷的磁感應(yīng)線圖 2-2（a）為無缺陷的鐵磁性構(gòu)件被磁化后的磁感應(yīng)線分布，圖 2-2（b）為有缺陷的鐵磁性構(gòu)件被磁化后的磁感應(yīng)線分布。在磁感應(yīng)線通過試件內(nèi)部時(shí)，如果存在缺陷，則將在缺陷處表面空間產(chǎn)生漏磁場(chǎng)。2.1.1.2 法拉第旋光效應(yīng)與傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)相比，磁光成像檢測(cè)技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是利用磁光傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷可視化，檢測(cè)效率高，結(jié)果更加直觀。法拉第旋光效應(yīng)作為磁光成像檢測(cè)可視化的基礎(chǔ)，將缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信息，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的可視化，其基本原理如圖 2-3 所示。當(dāng)一束線偏振光穿過旋光介質(zhì)時(shí)，如果在偏振光的傳播方向上存在一個(gè)外加磁場(chǎng)，則線偏振光的偏振方向?qū)�發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度 滿足公式（2-1）： VBL（2-1）其中，V 為旋光介質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)，B 為外加磁場(chǎng)在偏振光的傳播方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為在外加磁場(chǎng)作用下光在旋光介質(zhì)中傳播的距離。由公式（2-1）可知
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP274.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2625670