基于红外锁相法的热波检测技术及缺陷深度测量-1

红外锁相法热波检测技术（Lock-in Thermography）是一种基于热波处理的主动式红外热成像检测技术,适用于复合材料及复杂结构构件的无损检测,已广泛应用于航天航空、汽车、机械、电力等领域。本文着重介绍了阐述了红外锁相法热波检测技术的原理、缺陷深度测量及在蜂窝夹层结构及焊接构件检测中的应用。采用有限差分法计算了强度按正弦规律变化热流引起试件表面温度变化历程,并采用锁相法提取了有缺陷与无缺陷处的稳态温度变化和计算二者相位差,与试验结果接近。建立了热波在试件中传导的热—电等效模型,利用该模型对红外锁相法热波检测技术进行了仿真研究,得到了缺陷深度和反射热波与入射热波相位差之间的关系,该模型计算结果与试验结果基本一致。采用红外锁相法热波检测技术对模拟缺陷的蜂窝夹层结构试件和实际的焊接构件进行了无损检测试验研究,结果表明,采用红外锁相法热波检测技术能够快速、准确的获得缺陷大小、位置等,该技术对具有复杂曲面结构的构件也十分优越。     

超声锁相热像技术检测接触界面类型缺陷

为了提高超声锁相热像技术(ULT)的检测效率并获得最佳检测结果,对超声波调制、热图序列处理和检测参数选择进行了研究。阐述了超声锁相热像技术的检测原理并进行了理论分析,建立了ULT的检测系统。采用方波调制的超声波激励试件,用红外热像仪记录试件表面热图,并用瞬态处理方法对热图进行锁相处理得到相位图和幅值图实现对缺陷的检测。用该方法检测了钢板表面及近表面的微裂纹(微米级)和铝合金板内不同深度缺陷等接触界面类型缺陷。结果表明,检测A3钢板材料表面(近表面)裂纹时,调制频率可选择0.5Hz,接触压力约0.25kN,激励头与微裂纹的距离对检测结果几乎无影响,激励位置可根据试件结构而确定;由于降低调制频率可提高缺陷的检测深度,检测铝合金材料时,调制频率≤0.3Hz能够探测到4mm深度的缺陷;另外,该方法能够准确检测蜂窝夹层结构的脱粘缺陷。研究表明,研制的检测系统数秒内即可完成对接触界面类型缺陷的准确检测。     

钢板表面微裂纹的超声锁相热像检测技术研究

为了提高超声锁相热像技术(ULT)的检测效率并获得最佳检测结果,对超声波调制、热图序列处理和检测参数选择进行了研究。阐述了超声锁相热像技术的检测原理,进行了理论分析;建立了ULT的检测系统,采用幅值方波调制的超声波对试件进行激励,利用红外热像仪记录热图,通过锁相处理得到试件表面热波的相位图和幅值图,利用幅值图和相位图实现钢板表面微裂纹的检测。结果表明：对于A3钢板材料,调制频率选择0.5Hz,接触压力仅需保证激励试件时激励头与试件接触不脱离,约0.25kN,激励头与表面微裂纹的距离对检测结果几乎无影响,激励位置可根据试件结构而确定。研制的超声激励装置组成的检测系统可数秒内即可完成对钢板表面微裂纹（微米级）的准确检测。     

蛇形环零泊松比蜂窝夹层弹性模量研究

零泊松比蜂窝夹层具有独特的变形特性,适用于一维柔性蒙皮。蜂窝夹层结构等效弹性模量的研究是夹层结构设计的基础。文章在梁模型的基础上,用能量法推导了蛇形环零泊松比蜂窝芯的等效弹性模量理论公式,并将理论公式与有限元法计算结果进行了对比,验证了理论公式的正确性。     

铝蜂窝夹层板动力学建模仿真与试验验证

卫星结构中含有大量的铝蜂窝夹层板,振动主要在蜂窝板之中传递.通过构建铝蜂窝夹层板有限元模型,可计算得到其响应特性,进而建立准确的卫星结构有限元模型,为微振动响应分析提供基础.文中基于Y单元,考虑应力作用下的剪切变形,将蜂窝壁视作Timoshenko梁,推导出等壁厚正六边形蜂窝芯层的等效参数.建立了蜂窝夹层板的等效模型,考虑预埋件与胶粘层质量的影响,并计算其固有频率、振型及频响曲线.蜂窝板模型前4阶固有频率与试验结果最大误差为2.29％,振型一致,且频响曲线近似,表明了蜂窝夹层板有限元模型的准确性.     

考虑多指标约束的蜂窝夹层防热结构参数优化

介绍蜂窝夹层结构导热率的半经验计算公式,蜂窝夹层结构主要破坏形式及相应等效力学参数的计算方法。提出以最小质量为设计目标,以满足热学、力学多指标要求为约束条件的蜂窝夹层结构参数优化问题。应用改进的遗传算法,对典型金属热防护结构的外部蜂窝夹层子结构进行参数优化。优化结果表明:所提出的方法能够实现对蜂窝夹层结构的减重,而且在考虑隔热性能的基础上,加入力学指标约束会对优化结果产生明显影响。     

基于拓扑优化的高承载类蜂窝夹层结构设计

针对传统蜂窝夹层结构构型单一、共面方向承载性能不足的问题,以蜂窝夹层单胞体积模量最大化为优化目标,建立蜂窝夹层单胞拓扑优化模型,基于能量均匀化理论进行蜂窝夹层单胞等效属性评价,采用改进的优化准则法求解,得到结构边界清晰的类蜂窝夹层单胞,通过有限元仿真得到了所优化类蜂窝夹层结构的静力承载和抗冲击性能,并通过实验测试了所优化夹层结构的力学性能.仿真与实验对比研究表明,拓扑优化方法能有效实现类蜂窝夹层构型的创新设计,所优化的类蜂窝夹层结构在共面方向上承载性能较传统六边形蜂窝夹层结构更优.     

基于锁相热象法的金属疲劳特性评估方法研究

红外热象法作为一种无损、实时及非接触的测试技术,已应用于疲劳研究中。传统的疲劳试验方法存在试验周期长、耗费试件多等不足,而新兴的热象法可以快速确定金属材料或构件的疲劳极限。文中基于能量耗散理论,借助于先进的锁相热象技术,快速准确地测定Q235钢的疲劳极限。同时还对疲劳极限的热评估方法进行改进,以保证测试结果的准确性,有助于提供该类疲劳试验方法标准化依据。研究还表明,锁相热象法在健康监测中具有潜在的应用价值。     

类蜂窝夹层结构的力学特性研究

创新设计的类蜂窝夹层结构具有良好的力学性能、吸能特性和更大的设计空间.目前大多研究是将夹层结构的胶粘剂层的厚度忽略不计,并且将整个夹层结构的厚度约等于夹芯层的厚度来进行相关力学性能参数的计算.本文基于Gibson夹层结构胞元理论,考虑胶粘剂层的影响因素,对类蜂窝夹层结构进行力学性能分析;运用复合材料力学和材料力学理论以及应变能等效原理推导出类蜂窝夹层结构的等效力学性能、刚度和等效密度计算公式.本文的研究结论可望为进一步研究新型蜂窝夹层结构提供相应的理论支持.     

压力容器焊缝疲劳强度模糊综合分析

压力容器的焊缝金属和热影响区存在的各种缺陷将导致结构疲劳强度下降，采用无损检测技术定量获得焊接缺陷的参量具有随机性和模糊性的特征。因此，以模糊集理论为基础，考虑焊接缺陷的类型、大小、位置、相互间影响、缺陷数量、焊接条件对焊缝疲劳强度的综合影响，建立焊缝缺陷疲劳强度二级模糊综合评估模型。根据不同缺陷对疲劳强度损伤的贡献关系合理确定权数和隶属度，利用实例分析了焊缝存在缺陷情况下疲劳强度的定量值的计算方法。     

基于MATLAB仿真的锁定放大器的研究

研究了锁定放大器的实现原理,并根据该原理用MATLAB的SIMULINK工具箱对锁定放大器进行了建模和仿真。仿真结果表明锁定放大器具有卓越的微弱信号检测能力。在实际测试中。所设计的锁定放大器也很好的完成了信号的检测和拾取。     

Digital Lock-in Amplifier Based on Microcontroller

A method of implementing high cost-effective and highly integrated digital lock-in amplifier with microcontroller is discussed. And the digital lock-in amplifier is more suitable for measuring low-frequency weak signal.Digital signal sequence is obtained through sampling signal measured over an integer number of signal periods, but digital reference sequence is acquired through mathematical operation, then digital phase sensitive detection can be implemented by calculating the cross-correlation function of digital signal sequence and digital reference sequence.In addition, the frequency response and phase character of the digital lock-in amplifier is analyzed. Finally, the designed digital lock-in amplifier is achieved. Experimental results show that the digital lock-in amplifier can be used for measuring weak signal with low ignal-to-noise ratio.     

基于AD630的双相锁相放大器设计

在利用激光吸收光谱技术进行摩托车尾气检测的系统中,携带有用信息的光信号是微弱信号,淹没在很强的噪声和其他干扰的背景中,因此必须采用微弱信号检测技术中的锁相放大器来实现有用信号的提取。阐述了微弱信号检测的基本原理,比较了单通道和双通道的锁相放大器的优劣,设计了运用AD630作为相关乘法器的双相矢量锁相放大器。     

基于虚拟锁相技术的原位光学测量技术研究

本文构建了一套基于虚拟锁相放大技术的、能准确测量微弱信号的高精度宽波段原位光学测量系统。介绍了该测量系统的建立目的,系统结构及原理;阐述了如何通过美国Ni公司的图形化编程语言Labview来虚拟实现锁相放大器功能,并应用于本套测量系统。这样既降低了成本,又简化了系统结构。测量了系统光源在200-2500nm的光强分布,测量了系统紫外可见部分及红外部分测量重复性,分别能达到0.12％、0.54％。最后利用该套系统测量了一块石英玻璃的透过率,并与lambda950的测量结果比较,两者测量结果平均相差0.95%。实验结果表明,使用了虚拟技术来实现锁相放大处理的该套原位光学测量系统的测量精度较高,对杂光和电气设备带来的噪声的抑制能力较强,能有效得对样品进行原位光学性能测量。     

COMPARISON OF SINGLE AND DUAL-PHASE LOCK-IN AMPLIFIERS FOR PHOTOACOUSTIC SPECTROSCOPY

Dual phase lock-in is usually used in photoacoustic research because it allows precise projection of the measured spectra. In this article, double and single phase lock-in amplifiers were used and the advantages and disadvantages of both were compared. Two liquid crystals were studied in this work: ethylo- and penthylo-cyanobiphenyl in cyclohexane, tetrahydrofuran, and acetonitrile. The red-shift of the maximum related to the polarity of solvents and a bigger shift for 4-penthylo-4′-cyanobiphenyl relative to 4-ethylo-4′-cyanobiphenyl were observed. In order to investigate the usefulness of the single-phase device, compared to the more expensive double-phase device, the frequency dependence measurements and photoacoustic spectra were recorded and compared. Small differences were observed (within the limit of error) in spectra obtained using the single and the double lock-in amplifier. The simpler single-phase lock-in device can be used to reliably measure frequency spectra without any loss of information.     

数字锁相技术在FEM仪器采集系统中的应用

针对频率域电磁法仪器采集系统实时处理数据的要求，在设计一个基于DSK6713的高精度24位A／D采集系统的硬件基础上研究数字锁相技术处理数据的应用。利用数字锁相技术获取一次场、二次场多频信号的同相分量和垂相分量，再利用专业软件将归一化PPM值转换成电导率和磁导率，继而成像获取地下信息。     

Versatile digital lock-in detection technique: application to spectrofluorometry and other fields

A digital lock-in detection technique which overcomes some practical limitations of the analog lock-in amplifiers is described. An example of implementation is given, based on multichannel pulse analyzers. Some representative results are reported for two typical application fields of lock-in techniques, namely optical spectrometry and semiconductor profiling with C-V techniques. Advantages and limitation of the technique are discussed as well as adaptation to various modulation waveforms.     

日本精工SAP400原子力显微镜性能的改进

日本精工公司(SEIKO)生产的原子力显微镜的功能多、性能好,国内已经有近百台的拥有量。它的信号放大、处理主要由锁相放大器完成。但其内部的锁相放大器灵敏度不够高,外加一台高性能、高灵敏度的锁相放大器,可大大提高其性能。用美国斯坦福公司产的SR830锁相放大器对本实验室的日本SEIKO公司SPA400原子力显微镜进行性能改进,可使其性能有很大提高。     

电磁超声接收系统的设计与实现

提出了一种由正交矢量锁相发大器为核心构成的电磁超声接收系统,该系统针对电磁超声换能器(EMAT)换能效率低,噪声干扰大的现状,以及锁相放大在提取噪声中微弱信号方面的优异性能,采用模拟与数字相结合的方式完成整个接收系统的设计.在该方案中,整个接收电路围绕由平衡调制解调器AD630构成的相敏检波器(PLD)展开,分别设计了信号通道、参考信道和相关器电路,并给出了相关的电路设计图.最后通过实验对比验证,证明该系统可以从噪声中提取出微弱的检测信号,且消噪效果明显,提高了信噪比.     

Lock-in technique applied to cathodoluminescence of biomedical specimens in the SEM

Very low signals or disturbances by unwanted, foreign signals often lead to a restriction in the application of the cathodoluminescence (CL) method in the scanning electron microscope (SEM). This is even true if one uses an optimal CL detection system. We, therefore, introduced the lock-in-amplification technique, which has proved very successful in investigations of semiconductor materials into the biomedical field. After attaching the lock-in system to our SEM which has a special CL equipment, we found that this technique could remove the disturbance caused by the light emitted from the heated filament, which can be reflected into the CL detector. Specimens on polished Al-stubs or on Au-coated glass slides could be imaged with improved contrast. The same was true if we measured the wavelengths of the CL. A general improvement of the signal-to-noise ratio in all specimens could not be detected. However, the beam current could often be reduced when using the lock-in technique without a decrease in the quality of the CL image. A disadvantage of the commercially available lock-in amplifier is that pictures need a longer exposure time than without lock-in amplification.