基于激光超声Lamb波的腐蚀损伤检测研究

摘要

腐蚀广泛的发生在国防科技、环保工业、医疗卫生等行业中，其中钢铁类材料腐蚀尤为严重。据统计，每年中国因腐蚀损害导致的经济损伤高达5200亿元。除了经济损失外，腐蚀也时常诱发灾难性事故，飞机锈蚀坠毁、石油转子破坏、轮船船底破洞等。因此，研究腐蚀后金属的失效机理和力学性能具有重要的学术意义。相较于传统的物理和化学方法检测方法，超声波Lamb波检测方法成本低、检测更准确快速，检测面积更大，故常作为工业检测的主要手段。近些年，激光超声技术发展迅速，激光超声Lamb波也大量用于结构的腐蚀损伤检测。与传统的超声Lamb检测方式相比，激光超声Lamb波检测的速度更快、分辨率更高，并且消除了超声波激发换能器与材料接触的影响。　　本文介绍了超声波检测技术的研究背景，分析了Lamb波、激光超声Lamb波和超声波层析成像技术的国内外发展状况。根据Lamb波的传播机理，推导Lamb波的频散方程和波的能量方程并且简述了几种激光Lamb波信号的处理方法。再依据激光超声的基本理论，设计了一套全自动激光超声扫描检测的实验系统。通过该系统对腐蚀铝板进行激光扫描实验，研究Lamb波能量、幅值和腐蚀之间的关系，并利用幅值最大值完成了损伤区域的可视化。接着通过杨氏模量测量实验，进一步分析腐蚀损伤可视化机理。最后，提出一种可以用于评估腐蚀损伤程度的研究方法——能量比值法，并通过实验验证该方法的有效性。　　激光超声可视化技术的成功实现，使超声无损检测技术发生了重大改变和突破，该技术改变了超声无损检测的结果呈现方式，使检测结果直观可视，应用前景十分广泛。

目录

1 绪 论

1.1 选题的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 Lamb 波检测技术的发展

1.2.2 激光超声波技术的发展

1.2.3 超声层析成像发展现状

1.3 论文的主要工作

2 Lamb 波理论

2.1 Lamb 的理论概述

2.2 Lamb 波在铝板中的传播特性

2.3 激光超声 Lamb 波

2.3.1 激光超声信号的处理方法

2.3.2 机械波的能量方程

2.4 本章小结

3 全自动激光超声扫描检测系统

3.1 全自动激光超声扫描检测系统整体架构

3.2 全自动激光超声扫描检测系统硬件部分

3.2.1 激光器模块

3.2.2 传感器模块

3.2.3 数据采集与控制模块

3.3全自动激光超声扫描检测系统软件部分

3.4 本章小结

4 腐蚀损伤的激光超声可视化成像研究

4.1 超声可视化成像原理

4.2 实验设计

4.2.1 腐蚀损伤的制作

4.2.2 实验步骤

4.3.1 激光扫描实验

4.3.2 超声 Lamb 波信号分析

4.3.3 腐蚀损伤的超声可视化成像

4.4 铝板超声可视化成像机理探究

4.4.1 纳米压痕仪测量原理

4.4.2 铝板杨氏模量测量

4.5 本章小结

5 腐蚀程度评估法的研究

5.1 实验方案

5.1.1 腐蚀损伤的制作

5.1.2 激光扫描实验

5.2 幅值 A1判断腐蚀损伤的可行性分析

5.3 能量比值法

5.4 能量比值 A21评估腐蚀严重程度

5.5 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间的研究成果

B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C 学位论文数据集

致谢