开题报告-飞机铆钉孔周裂纹的脉冲涡流检测.doc

毕业设计（论文）开题报告题目 飞机铆钉孔周裂纹的脉冲 涡流检测专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 2015 年 4 月 9 日一、 选题的依据及意义：无损检测技术是指在不损害或不影响被检测对象使用性能,不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。无损检测技术已经成为现代工业发展的必要工具，在冶金、石油化工、船舶业、航天航空、电力以及核能领域得到了重要的利用。涡流检测是五大常规检测之一，涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法,适用于导电材料。其基本原理是测量通电线圈在导电材料上因涡流场引起的线圈阻抗变化。因此,探头在金属表面移动,遇到缺陷或材质、尺寸等变化时,通过涡流检测仪器测量出线圈阻抗变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其它物理性质变化。影响涡流场的因素有很多,诸如探头线圈与被测材料的耦合程度,材料的形状和尺寸、电导率、磁导率、以及缺陷等等。因此,利用涡流原理可以解决金属材料探伤、测厚等问题。脉冲涡流(PEC)检测技术是近几年发展起来的一种新的电磁无损检测技术,是涡流检测的一种新方法,其在对多层金属结构中层间或次表面缺陷的检测能力、分类识别能力、材料损耗的定量检测和评估等方面表现出潜在的应用优势。脉冲涡流检测技术主要用于军用飞机和民用飞机的无损检测中,并被证明能有效地实现对飞机多层结构和机身重叠部位隐含的腐蚀缺陷的检测和评估,因而成为目前无损检测领域的一个研究热点。军用飞机的飞行条件比较恶劣(如海军舰艇上的直升机，长期受到海风和海浪的侵蚀，加上飞机机身通常采用铆接结构，随着服役时间的增加，飞机极易在层状结构第二层之后和紧固件周围产生腐蚀，腐蚀缺陷的存在使得飞机结构遭到了严重的破坏，及时发现腐蚀缺陷并对缺陷造成的损伤程度进行评估，对于确保飞行安全具有非常重要的意义。成像检测克服了传统无损检测方法只能给出缺陷当量信息，无法获得缺陷形状的不足，具有直观、可视性好等优点，因此在无损检测领域得到广泛的重视，图像化已经成为未来无损检测仪器发展的一个重要趋势。本课题是根据脉冲涡流检测对铆钉的检测特点，设计优化新型的探头，以改善以往无损检测领域各种检测方法对于铆钉内各种缺陷检测精度不高，效率偏低的状况。为我国航空领域以及人民生产和生活所需铆钉的安全使用贡献一份力量。从而本课题所涉及的探头设计与比较对于国家航空工业的发展有一定的积极促进作用。2、 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：脉冲涡流（Pulsed Eddy current,PEC）检测技术是用以亚表面缺陷检测的一种新型无损检测技术，是涡流检测的一种新的应用领域，它以测得的磁场最大值出现的时间来确定缺陷位置，从而实现缺陷的无损检测和定量化描述。在一般情况下，噪音的存在使得难以充分提取更多关于缺陷的信息，然而由于激励的复杂性，又使这种检测方法能在被检试样上提取更多的信息，从而获得其在无损检测中的应用地位。对此，国内外许多学者对脉冲涡流检测方法以及传感器的设计与制作展开了方方面面的研究。国内方面：1. 徐平，罗飞路等对飞机多层金属结构腐蚀缺陷脉冲涡流检测技术的研究。因为飞机的机身蒙皮和机翼壁板一般采用多层铝合金复合结构，而腐蚀缺陷通常出现在多层结构的第二层， 因此很难被及时发现。所以他们对此进行了一定研究，将脉冲涡流检测技术应用于飞机多层结构中的腐蚀缺陷检测，设计并实现了一套完整的脉冲涡流检测系统，以及脉冲检测传感器，该传感器模块包括一个矩形的激励线圈和一个空心圆柱形的检测线圈两部分，激励线圈用来在被测试件中产生涡流场，检测线圈位于激励线圈底面中心，用来对受缺陷扰动而产生的涡流磁场的垂直分量进行检测1。图1：脉冲涡流检测系统的物理模型2.杨宾峰，罗飞路等在脉冲涡流在飞机铆接结构无损检测中的应用研究。采用霍尔传感器作为磁场测量器件, 对铆钉周围出现的裂纹缺陷进行了检测, 得出了缺陷位置和大小与检测特征量之间的关系, 要试验证明脉冲涡流是一种有效的检测飞机铆接结构缺陷的方法2。他们采用脉冲涡流技术对飞机铆接结构中出现的裂纹缺陷进行了检测, 从实验得到的数据分析来看, 磁场变化量的最大值时间主要受裂纹深度的影响, 因此,可以提取最大值时间为特征量对深度进行定量。在缺陷深度一定的情况下, 磁场变化量的最大值主要受裂纹长度的影响, 这时, 可以提取最大值为特征量对裂纹的长度进行定量4。图2：铆接结构缺陷检测装置3国内学者周德强带领他的团队在脉冲涡流检测技术上也做了大量研究工作，在脉冲涡流传感器设计方面，通过有限元分析法于数值分析相结合，分别对圆柱形探头及矩形探头进行优化设计3。通过仿真对传感器各项参数（主要是线圈参数与激励信号）进行优化设计，并且结合大量实验进行了验证。具有一定的参考意义5。国外方面：英国QinetiQ 公司和澳大利亚航空与航海研究实验室在飞机机身缺陷无损检测方法研究上做了大量的工作，在传感器设计方面，他们采用霍尔传感器直接采集磁场信号来取代线圈作为接收。并且通过大量实验对激励线圈各项参数进行优化选择，在激励线圈内部加上铁氧体导磁体材料，不仅缩小了激励线圈的尺寸还起到了聚焦磁场的作用，探头的检测灵敏度得到了提高6,7。他们成功开发了TRECSCAN脉冲涡流扫描系统，该系统对采集的时域信号做时间切片处理，提取特征值，实验C扫描成像检测。对飞机机身结构腐蚀、裂纹缺陷检测进行定性、定量的分析。该仪器在实际应用中已经取得了一定的成功8,9。美国Iowa State University 无损评估中心在2001年成功开发出了一套脉冲涡流检测仪，该仪器在飞机机身缺陷检测效果良好并且申请了专利。他们用霍尔原件代替线圈作为接收，在信号处理方法上，他们选用检测信号的过零时间、峰值作为特征量。大量实验结果表明峰值大小与缺陷大小有关而峰值时间则与缺陷的深度有关10-12。加拿大皇家陆军学院学者V.K. Babbar和P.R. Underhill针对服役的CF188型号及美国F/A-18战机损伤进行脉冲涡流安全检测。主要针对飞机铆接结构铆钉周围裂纹检测设计了差分探头，并且利用有限元进行仿真，实验结果和仿真分析吻合良好13,14。在此基础上设计了8通道对对称式阵列探头，对铆钉周围不同大小和方向裂纹进行有限元仿真，对检测信号进行在频域分析，采用了PCA分析法来识别裂纹缺陷信号。实验结果证明该PEC-PCA结合能够有效的实现铆钉周围裂纹的检测15-17。美国学者Buzz Wincheski在飞机多层铆接结构缺陷检测研究中，针对铆钉周围滋生裂纹检测设计了一种自归零式传感器，该探头采用传统圆形线圈作为激励，将其置于杯状导磁体内部，不同的是采用了一种新型导磁体材料，使得激励磁场在多层结构中的渗透深度大大增加。该传感器采用了一种SDT（自旋式磁隧道效应）磁传感器来直接测量磁场，该磁传感芯片灵敏度高、温度稳定系好，有利于微弱磁场的测量。他还对多层结构铆钉周围裂纹检测做了仿真分析，仿真结果表明该探头该传感器结构能够很好的聚焦磁场，减缓磁场在被测样件内的衰减速率从而增强了传感器对深层缺陷的检测能力，采用实验与仿真相结合的方法证明了该传感器在多层铆接结构裂纹检测中的实用性18。三、研究内容及实验方案：3.1研究内容1设计、制作脉冲涡流检测用多层金属结构试块。2设计、制作铆钉孔周裂纹脉冲涡流检测传感器。3. 通过大量实验对设计的传感器各项参数进行优化选择。 4用MATLAB软件对信号以及图像进行降噪处理。3.2实验方案1查阅国内外文献，分析国内外铆钉孔周裂纹脉冲涡流检测传感器的设计及信号处理方法。2制作脉冲涡流检测用飞机多层金属铆接试块。3设计、制作飞机多层结构铆钉孔周裂纹脉冲涡流检测用探头。4对传感器进行测试，并利用测试数据对传感器参数进行优化，给出探头优化设计的几个参数。5采集脉冲涡流检测信号，对采集信号进行消噪处理，检测深层飞机铆钉孔周裂纹缺陷。四、目标、主要特色及工作进度4.1目标 1针对飞机铆钉孔周裂纹检测设计相应的脉冲涡流探头。2 通过大量实验，对探头参数进行优化设计，以提高探头的检测灵敏度。 4.2主要特色根据国内外资料可得出此次研究的主要特色是：飞机多层铆接结构铆钉孔周裂纹检测一直是热点也是难点问题，综合国内外飞机多层铆接结构孔周裂纹检测方法研究，设计相应脉冲涡流检测探头，通过大量实验对探头各项参数进行优化，以提高探头的检测灵敏度，实现飞机铆钉孔周裂纹的有效检测。 4.3工作进度1、查阅文献资料，英文资料翻译，撰写开题报告； 03.0904.102、购买实验材料，初步设计实验传感器； 04.1104.253、制作传感器及实验试块，并调试实验系统； 04.2605.074、设计合理的实验方案对传感器进行优化设计； 05.0805.195、整理实验数据，传感器设计定型； 05.2006.016、资料归档、进行课题总结； 06.0206.087、撰写毕业论文、答辩。 06.0906.26五、参考文献1 徐平. 飞机多层结构腐蚀缺陷监测系统的研究与实现J. 电子设计应用， 2005,(10):96-98.2杨宾峰，罗飞路，张玉华，徐平. 脉冲涡流在飞机铆接结构无损检测中的应用研究J. 计量技术, 2005, (12): 15-17.3周德强, 张斌强，田贵云，王海涛. 脉冲涡流检测中裂纹的深度定量及分类识别J. 仪器仪表学报，2009,30(6)：1191-1194.4杨宾峰，罗飞路，曹雄恒，张玉华. 飞机多层结构中裂纹的定量检测及分类识别J. 机械工程学报,2006,42(2):63-67.5周德强,闫向阳,尤丽华. 激励参数对脉冲涡流缺陷检测的仿真分析J. 无损检测, 2012, 34(10): 8-11.6 H.L.Libby. Introduction to Electromagnetic Nondestructive Test MethodM. New York: R.E.Kreiger Publishing, 1979.7 M.A.Plonus: Applied ElectromagneticsM.New York:McGraw Hill,1978.8 Smith R A, Hugo G R. Deep corrosion and crack detection in aging aircraft using transient eddy current NDEJ. Review of Progress in Quantitative NDE, 1999: 1401- 1408.9 Smith R A, Hugo G R. Transient eddy current NDE for ageing aircraft - capabilities and limitationsJ. Insight, 2001, 43(1): 14- 24.10 J.ABieber,S.k.Shaligram,J.H.Rose.Time-gating of pulsed eddy current signals for defect characterization and discrimination in aircraft lap-joints. Review of progress in QNDE,1997,16B:1915-1921.11 J.C.Moulder,J.A.Bieber.Pulsed eddy current measurements of corrosion and cracking in aging aircraft. Material Research Society Symposium Proceedings of Nondestructive Characterization of Materials in Aging Systems,1998,503:263-26812 Y.APlotonikov,S.C.Nath,C.W.Rose.Defect Characterization in Multi-Layered Conductive Components with Pulsed Eddy Current. Review of progress in QNDE,2002,21:30-3213 T.W. Krause, P.R. Underhill, V. Babbar. Transient (Pulsed) Eddy Current Inspection of CF188 Inner Wing Spar Through Carbon/Epoxy Skin with Ferrous Fasteners PresentJ. NDT in Canada 2012 conference.14 P.R. Underhill, A. Tetervak and T.W. Krause. Transient Eddy Current For detection of cracks in Multi-Layer aluminum structures in the presence of ferrous fastenersJ. NDT in Canada 2011. 15 V.K. Babbar, P.R. Underhill, C. Stott, T.W. Krause. Finite element modeling of second layer crack detection in aircraft bolt holes with ferrous fasteners presentJ. NDT&E International. 2014,65:64-71.16 T.