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碳纤维复合材料数字化超声检测系统关键技术研究

李凌  
【摘要】: 碳纤维复合材料在航空航天和军事工业方面的广泛应用使得对其可靠性和安全性的要求越来越高。超声检测在产品质量控制中具有举足轻重的地位,是碳纤维复合材料检测常用技术。对于碳纤维复合材料工件,如何提高检测的精度和自动化程度是超声检测中需要深入研究的问题。本文结合碳纤维复合材料超声无损检测系统项目的实际需求和开发过程,对超声检测中的检测方法、信号处理、缺陷分析、孔隙率测试和软件设计等关键技术进行了深入的研究。 第一章阐述了论文研究工作的意义,对碳纤维复合材料的超声无损检测、孔隙率测试、超声扫描成像方法、超声信号处理、超声C扫描图像处理等相关技术及国内外发展现状进行了综述和分析; 第二章研究了曲面工件自动化超声检测方法。首先介绍了超声波检测技术的理论,然后针对碳纤维复合材料曲面构件,构建了基于超声测量、曲面建模、路径规划、超声扫描成像的一体化检测系统。以机器人理论为基础,建立了曲面工件多自由度超声检测机器人的运动学模型,给出了五自由度超声检测系统的运动学方程及求解结果。 第三章对曲面变厚度工件超声信号中缺陷波定位技术进行了研究。阐述了小波变换的基本理论,包括连续小波变换的概念和算法实现,离散小波变换的物理意义,多分辨率分析及Mallet快速算法。提出了基于复小波变换的缺陷波定位技术,先通过小波变换提取超声射频信号特征波形包络,然后用连续点阈值算法找出采样信号中各超声回波信号的位置,根据表面波和底波来确定缺陷波的位置和幅值。结果表明,小波处理方法可以准确的判定射频信号中缺陷波信号的峰值和峰位。 第四章对超声C扫描图像的缺陷分析方法进行了研究。提出在C扫描图像中采用阈值分割和区域标记算法将缺陷区域分离出来,通过边缘跟踪算法提取缺陷的边缘,用构建的几何参数体系对缺陷进行统计和识别。研究了超声C扫描图像的成像方法和表示方法,根据误判概率最小化原则给出了确定图像分割的阈值确定方法。然后给出了缺陷区域标记的概念和标记算法,分别使用边缘检测算子和边缘跟踪算法对超声C扫描图像进行边缘提取,最后计算各缺陷区域的几何参数。结果表明,构建的参数能够比较好的表现缺陷区域的特征,可进行进一步的缺陷识别工作。 第五章开发了碳纤维复合材料孔隙率检测便携式超声系统。研究了碳纤维复合材料孔隙率检测的数学模型,建立了孔隙率和超声衰减系数之间的关系式。以超声反射法为基础,研究了超声衰减系数与材料表面和底面回波幅值之间的数学关系,构建了碳纤维复合材料孔隙率检测便携式超声系统。针对系统中的探头定位问题,提出了改写光电式鼠标的过滤驱动程序将其在计算机中映射为虚拟位置传感器的方法,编写下层过滤驱动程序拦截光学鼠标的报告描述符和输入输出中断请求,然后制作安装程序将过滤驱动程序安装到计算机的操作系统中;最后通过用户态的应用程序访问此用户设备并读取其报告描述符以获取检测系统所需要的位置信息。检测实例结果表明,研制的仪器结果准确,可以比较全面地评价碳纤维复合材料的孔隙状况。 第六章研究了碳纤维复合材料构件超声扫描成像系统软件设计。介绍了软件能力成熟度模型(CMM)的分级标准和内部结构,对CMM在碳纤维复合材料超声检测系统软件开发过程中的实施方法和关键过程进行了研究。然后阐明了分层设计方法在软件系统整体设计中的实现,对系统中数据的类型、特点及组织形式进行了探讨。阐述了碳纤维复合材料软件系统的整体功能结构,对于系统中组合成像和输出报表两项关键技术,给出了实现方法。 最后对全文的工作进行了总结,对进一步的工作提出了一些初步的设想。


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