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光外差测量在无损探伤中的应用研究

作　者: 李丽国
导　师: 余学才
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 无损探伤光外差测量相位匹配外差效率拟合
分类号: TP274.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

介绍了一种新型无损探伤技术——光学无损探伤的应用,将其与传统无损探伤技术(如射线探伤、超声波探伤、涡流探伤等)进行比较,对其优点进行了总结,说明光学无损探伤可以在很大程度上弥补传统技术中的不足,揭示了其在工业检测领域的巨大优势和广阔前景。重点研究了光外差测量在无损探伤中的应用。课题采用一种结构简单、易调试的光外差超声无损探伤系统,对其探伤机理进行了说明,介绍了组成系统的两部分:光外差测量系统和激光脉冲激励超声部分。对光外差系统的测量原理进行了说明,分析了由激光脉冲激励超声的原理和优点。对光外差超声无损探伤系统的信噪比从两个方面入手进行了计算分析:第一,光外差测量在无损探伤中的相位匹配;第二,光束入射角对信号光光强和外差信号强度的影响。针对相位匹配的研究归结于分析六个系统参数对系统外差效率的影响,通过计算可得出:随着光程差的增大,系统外差效率急剧下降;当光程差一定时,随着探测器相对位置远近的变化,外差效率有最大值;外差效率随着探测器光敏面相对于激光光斑的大小变化,也具有最大值;透镜焦距只能在一个小范围内选取,才会使得外差效率较大,被测目标到外差测量系统透镜的距离越近,这一焦距取值范围就越小,对透镜焦距的选择也就越苛刻;随着失配角和光束偏移量的增大,外差效率也会明显下降。通过对光束入射角的计算得出:随着入射角的增大,外差干涉信号的强度具有最大值,同时信号光的光强会一直保持增大趋势。由系统的信噪比分析,结合实际情形,完成了光外差超声无损探伤系统的实验设计,外差效率可达0.965。系统用于由激光脉冲激励超声的工件内部探伤,当使用直径50mm、壁厚1.5mm的钢管作为被测物时,采集到有效外差信号,从信号中反映出由1460mm处的微小裂缝造成的超声反射。运用数学中的三角函数拟合法与最小二乘法,完成了信号的处理,得出裂缝的位置信息,实现了单裂缝情形下的无损探伤。同时,针对实际中单次测量的误差值随测量范围的增大而增大的情形,探讨了通过二次或多次测量的途径有效减小误差的方法,并对实际中可能出现的多裂缝情形提出了新的三角函数拟合方法。

全文目录

第一章引言  9-17
  1.1 光学无损探伤技术的应用  9-14
    1.1.1 传统无损探伤技术的不足  9-11
    1.1.2 光学无损探伤技术的优点  11-14
  1.2 光学外差测量技术发展概述  14-15
  1.3 课题研究的意义  15
  1.4 课题研究的内容  15-16
  1.5 论文的贡献  16-17
第二章光外差超声无损探伤系统的原理和方法  17-25
  2.1 探伤机理  17-18
  2.2 系统结构和原理  18-25
    2.2.1 光外差测量原理  19-20
    2.2.2 超声脉冲的发生与传播  20-25
      2.2.2.1 超声脉冲的指标要求  20-21
      2.2.2.2 激光脉冲激励超声的原理和应用特性  21-25
第三章系统信噪比的分析  25-48
  3.1 光外差测量在无损探伤中的相位匹配  25-42
    3.1.1 相位匹配问题的提出  25-27
    3.1.2 外差效率的定义  27-30
    3.1.3 光束传输过程的等效模型转化和系统参数的定义  30-35
      3.1.3.1 等效模型的转化依据  30-33
      3.1.3.2 等效模型的转化和系统参数的定义  33-35
    3.1.4 系统各参数对外差效率的影响分析  35-42
      3.1.4.1 外差效率随光程差的变化规律  36-37
      3.1.4.2 外差效率随探测器相对位置远近的变化规律  37
      3.1.4.3 外差效率随光敏面相对于激光光斑大小的变化规律  37-38
      3.1.4.4 外差效率随透镜焦距的变化规律  38-41
      3.1.4.5 外差效率随失配角的变化规律  41
      3.1.4.6 外差效率随偏移失配的变化规律  41-42
  3.2 光束入射角对外差信号和信号光强度的影响  42-48
    3.2.1 A_s 和A_s A_l 表达式的得出  43-46
    3.2.2 A_s 和A_s A_l 随入射角变化规律的计算  46-48
第四章实验设计和信号获取  48-51
  4.1 实验设计  48-49
  4.2 信号获取  49-51
第五章用三角函数拟合法实现信号的数学处理  51-63
  5.1 用三角函数拟合法处理信号的探讨  52-55
    5.1.1 用三角函数拟合法处理信号的可行性和优势  52
    5.1.2 最小二乘法在三角函数拟合法中的应用原理  52-55
  5.2 信号的数学处理  55-59
    5.2.1 信号数学处理的步骤  55-58
      5.2.1.1 信号的均值化处理  55-56
      5.2.1.2 待拟合有效数据量的增加  56
      5.2.1.3 包络数据点的提取  56-57
      5.2.1.4 三角函数的拟合  57-58
    5.2.2 损伤距离的确定  58-59
  5.3 实际应用分析  59-63
    5.3.1 误差量随测量范围的增大而成倍增大  59-60
    5.3.2 被测物具有两处或多处裂缝的情形  60-63
第六章结束语  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-69
攻硕期间取得的研究成果  69

光外差测量在无损探伤中的应用研究

内容摘要

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