用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法技术

本发明专利技术提供了一种用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法，其包括：S1、采用红外锁相热成像检测方法，构建试件温度变化与分布的解析模型；S2、采用数字锁相方法提取温度信号中稳态或准稳态过程的幅值与相位信息，利用缺陷对所述相位信息的影响获得缺陷特征；S3、构建热传导过程的有限差分模型，推导考虑辐射和对流作用的试件加热表面温度；S4、建立热传导过程的热与电等效模型，确认缺陷的存在。本发明专利技术充分考虑常量热流和交流热流及在蜂窝夹层结构中横向热扩散影响，针对不同类型、不同深度缺陷的检测工艺范围及对不同缺陷的检测有效。检测有效。检测有效。

【技术实现步骤摘要】
用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法


[0001]本专利技术属于无损检测
，特别是一种用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法。

技术介绍

[0002]蜂窝夹层结构问世并迅速在各个领域得到了广泛的应用，与传统材料及结构相比要轻得多且刚性更大，对产品减重效果极为明显。由于制造过程中各种工艺参数难以进行精确控制，蜂窝夹层结构容易造成质量不稳定、离散性大，出现脱粘、分层、胶接不良、气孔、夹杂和蜂窝芯变形等多种缺陷类型，而传统射线、超声等检测方法的检测效果及效率不佳且亟待提升。在此背景下，红外热成像检测方法得以推广应用，其中红外锁相热成像缺陷识别方法采用能量按正弦规律变化的外部激励源对构件或材料进行激励加载，将红外热成像技术与数字锁相信号处理技术相结合，将有用信号从噪声信号中分离出来。该方法主动地对试件加载特定调制频率的热激励信号，使试件内部的损伤处与基体产生不同的周期性响应，而这种响应会影响到试件表面的温度场分布，通过利用软硬件对该特定锁相频率的信号进行提取，进而通过分析可以得出试件内部是否存在损伤及损伤特征。
[0003]红外锁相热成像检测时，采用正弦规律热流进行激励，温度历程随时间按正弦规律变化振荡，而沿着热流传递方向，随着传递深度增加，温度逐渐衰减，即能量在不断衰减，若试件内部缺陷深度较深而能量传递不到缺陷深度时，则温度信号中将不会包含缺陷对温度变化的影响信息，此时将无法进行缺陷检测。试件在热流激励过程中点温度历程与分布是很复杂的，但这些温度信号中包含了大量的信息，采用锁相方法可提取这些温度信号中稳态或准稳态过程的幅值与相位信息，利用缺陷对这些信息的影响可准确确定缺陷特征，实现无损检测。根据红外锁相热成像检测原理分析，检测过程中的工艺参数包括波段范围、积分时间、热灵敏度、加载幅值、加载频率、加载周期、锁相频率、相位值、环境影响和加载距离等众多影响因素，采用传统工艺试验方法难以有效确定不同结构、厚度、尺寸产品的检测工艺。
[0004]如前所述，蜂窝夹层结构的缺陷类型众多，红外锁相热成像缺陷识别方法的工艺影响因素也众多。工艺影响因素是一个多因素集合，各个因素之间存在一定耦合关系；不同缺陷检测时各工艺因素的权重也不尽相同，故而蜂窝夹层结构内部缺陷红外锁相热成像检测是一个复杂的非线性关系。因此，针对不同类型、不同深度缺陷的检测工艺范围及对不同缺陷的检测有效性，寻求一种用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法是十分迫切且必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述现有技术中的缺陷，提出一种用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法。该方法包括采用红外锁相热成像检测技术，基于傅立叶一维热传导模型分析，构建试件温度变化与分布的解析模型；采用数字锁相方法提取温度信号中稳态或准
稳态过程的幅值与相位信息，获得缺陷特征；构建热传导过程的有限差分模型，推导考虑辐射和对流作用的试件加热表面温度；建立热传导热与电等效模型；开展蜂窝夹层结构红外锁相热成像检测有限元分析，确定是否能根据红外锁相热成像检测技术的幅值图和相位图进行缺陷检测，并确定合理的检测参数范围。本专利技术充分考虑常量热流和交流热流及在蜂窝夹层结构中横向热扩散影响，针对不同类型、不同深度缺陷的检测工艺范围及对不同缺陷的检测十分有效。
[0006]本专利技术提供一种用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]S1、采用红外锁相热成像检测方法，基于傅立叶一维热传导模型分析，构建蜂窝夹层结构缺陷试件温度变化与分布的解析模型；
[0008]S2、采用数字锁相方法提取温度信号中稳态或准稳态过程的幅值与相位信息，利用缺陷对所述相位信息的影响获得缺陷特征，其具体包括以下子步骤：
[0009]S21、蜂窝夹层结构材料或构件中存在缺陷时，材料—缺陷结构或复合材料视为多层结构，在多层结构中，每一层的温度变化均满足：
[0010][0011]其中：T
i
表示第i夹层介质的温度；ρ
i
表示第i夹层介质的密度；c
i
表示第i夹层介质的比热；k
i
表示第i夹层介质的导热系数；Z表示热量传导方向的坐标；t表示时间；加热表面边界条件为：
[0012][0013]两层介质之间热传导边界条件为：
[0014][0015][0016]其中：R
i,i+1
表示两层介质之间的接触热阻；P表示常流热流h
fp
表示平板前面的换热系数；f
e
表示调制激励加载频率；T
fp
表示平板前表面温度；
[0017]下表面边界条件：
[0018][0019]S22、在稳态条件下，获得每一层介质温度分布表达式；
[0020]T
i
(Z,t)＝T
di
(Z)+T
ai
(Z)
·
exp(j2πf
e
t)
ꢀꢀ
(6)
[0021]其中：T
di
(Z)表示常量热流在第i层介质产生的温度；T
ai
(Z)exp(j2πf
e
t)表示调制热流在第i 层介质产生的温度；
[0022]S23、将式(6)代入式(1)～式(5)得：
[0023][0024]‑
k1ddTZ1＝P2
‑
h
fp
T
fp Z＝0
ꢀꢀ
(8)
[0025][0026][0027][0028][0029]其中：A
i
、B
i
为常数，其值由边界条件确定；α
i
表示第i层介质的热扩散系数，单位为 m2/s；
[0030]S24、Z＝0时，在加热表面上调制热流产生的温度为：
[0031]T
a1
(0)＝A1+B1ꢀꢀ
(13)
[0032]则由式(14)获得：
[0033]Am＝Abs(T
a1
(0))＝Abs(A1+B1)
ꢀꢀ
(15)
[0034][0035]其中，表示表面温度的相位；通过式(15)和式(16)获得试件表面温度信号的幅值与相位，并获得有缺陷处与无缺陷处的差异，通过幅值和相位信息提取能够有效抑制噪声，获得缺陷信息；
[0036]S3、构建热传导过程的有限差分模型，推导考虑辐射和对流作用的试件加热表面温度；
[0037]S4、建立热传导过程的热与电等效模型，确认缺陷的存在，其具体包括以下子步骤：
[0038]S41、建立锁相法热波检测的热传导热与电等效模型；
[0039]S42、建立热传导过程的热与电等效模型；
[0040]周期性热流在存在缺陷的材料内部进行传递时，由于缺陷的存在，试件表面将产生反射热波，反射热波的幅值和相位由式(59)～式(6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、采用红外锁相热成像检测方法，基于傅立叶一维热传导模型分析，构建蜂窝夹层结构缺陷试件温度变化与分布的解析模型；S2、采用数字锁相方法提取温度信号中稳态或准稳态过程的幅值与相位信息，利用缺陷对所述相位信息的影响获得缺陷特征，其具体包括以下子步骤：S21、蜂窝夹层结构材料或构件中存在缺陷时，材料—缺陷结构或复合材料视为多层结构，在多层结构中，每一层的温度变化均满足：其中：T
i
表示第i夹层介质的温度；ρ
i
表示第i夹层介质的密度；c
i
表示第i夹层介质的比热；k
i
表示第i夹层介质的导热系数；Z表示热量传导方向的坐标；t表示时间；加热表面边界条件为：两层介质之间热传导边界条件为：两层介质之间热传导边界条件为：其中：R
i,i+1
表示两层介质之间的接触热阻；P表示常流热流h
fp
表示平板前面的换热系数；f
e
表示调制激励加载频率；T
fp
表示平板前表面温度；下表面边界条件：S22、在稳态条件下，获得每一层介质温度分布表达式；T
i
(Z,t)＝T
di
(Z)+T
ai
(Z)
·
exp(j2πf
e
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中：T
di
(Z)表示常量热流在第i层介质产生的温度；T
ai
(Z)exp(j2πf
e
t)表示调制热流在第i层介质产生的温度；S23、将式(6)代入式(1)～式(5)得：S23、将式(6)代入式(1)～式(5)得：
其中：A
i
、B
i
为常数，其值由边界条件确定；α
i
表示第i层介质的热扩散系数，单位为m2/s；S24、Z＝0时，在加热表面上调制热流产生的温度为：T
a1
(0)＝A1+B1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)则由式(14)获得：Am＝Abs(T
a1
(0))＝Abs(A1+B1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)其中，表示表面温度的相位；通过式(15)和式(16)获得试件表面温度信号的幅值与相位，并获得有缺陷处与无缺陷处的差异，通过幅值和相位信息提取能够有效抑制噪声，获得缺陷信息；S3、构建热传导过程的有限差分模型，推导考虑辐射和对流作用的试件加热表面温度；S4、建立热传导过程的热与电等效模型，确认缺陷的存在，其具体包括以下子步骤：S41、建立锁相法热波检测的热传导热与电等效模型；S42、建立热传导过程的热与电等效模型；周期性热流在存在缺陷的材料内部进行传递时，由于缺陷的存在，试件表面将产生反射热波，反射热波的幅值和相位由式(59)～式(60)确定：0)确定：其中：A
r
是反射热波的幅值，Phase
r
表示反射热波的相位。2.根据权利要求1所述的用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下子步骤：S11、采用红外锁相热成像检测方法，外激励的热流按正弦规律变化：其中：I(t)表示外激励加载热流强度，单位为W；P表示外激励加载的功率，单位为W；f
e
表示调制激励加载频率，单位为Hz；S12、当热流有限厚度平板中传递时，传递过程由傅立叶一维热传导模型进行描述：
其中：c表示试件材料的比热；ρ表示试件材料的密度；k表示试件材料的导热系数；S13、假定材料具有各向同性，不考虑常量热流部分引起的热累积，对式(18)进行解析求解得到稳定或准稳定状态下的温度随时间和厚度的变化：其中：表示热扩散长度；Am表示温度信号的幅值增益因子；S14、由于常量热流部分会使试件产生热累积而导致温度瞬时升高，对于常量热流导致试件整体的温度变化满足如下微分方程：其中：R
th
表示试件材料的热阻；T
am
表示环境温度；在满足初始边界条件时，即满足T(0,∞)＝T
am
条件下，对式(20)求解得：T(0,t)＝T
am
+ΔT(1
‑
e
‑
t/τ
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)其中：τ表示时间常数，τ＝ρcR
th
；S15、将式(19)和式(21)相结合得到在正弦规律变化热流激励条件下的试件温度变化历程和分布：3.根据权利要求1所述的用于蜂窝夹层结构的红外锁相热成像缺陷识别方法，其特征在于，步骤S23中式(14)由以下步骤得到：S231、平板前表面进行加热，由于平板表面温度高于环境温度，在平板前后表面将发生对流和辐射换热，则平板表面处换热边界条件为：对流和辐射换热，则平板表面处换热边界条件为：其中：T
fp
表示平板前表面温度，单位为℃；h
fp
表示平板前表面的换热系数，单位为kJ/m2·
℃；T
rp
表示平板后表面温度，单位为℃；h
rp
表示平板后表面的换热系数；S232、当达到稳定状态时，由傅立叶一维热传导模型式(18)解得T(Z,t)＝T
d
(Z)+T
a
(Z)exp(j2πf
e
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)其中：T
d
(Z)表示常量热流产生的温度；T
a
(Z)exp(j2πf
e
t)表示调制热流产生的温度；S233、假设换热系数为恒定值，由于恒定热流产生的温度并不随时间变化，则得：
边界条件为：边界条件为：其中：T
df
表示常量热流平板前表面产生温度；T
dr
—常量热流在平板后表面产生温度；S234、将式(25)和式(26)代入式(18)得：边界条件为：边界条件为：其中：T
af
表示调制热流在平板前表面产生的温度；T
ar
表示调制热流在平板后表面产生的温度；S235、由式(29)解得：T
a
(Z)＝Bexp(
‑
γZ)+Cexp(γZ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)其中：B、C为常数，其值由边界条件确定；α表示热扩...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧娟，石亮，王俊涛，张方洲，张祥春，
申请(专利权)人：中国航空综合技术研究所，
类型：发明
国别省市：