玻璃缺陷检测

玻璃缺陷检测（共7篇）

玻璃缺陷检测 篇1

0 引言

在早些年间管制玻璃瓶生产制作加工过程中, 就伴随有管制玻璃瓶不同程度的缺陷, 例如管制玻璃瓶瓶身会出现裂纹、瓶口处缺损、瓶壁内有气泡、瓶身表面粗糙等一系列缺陷, 它们不但一直困扰着生产管制玻璃瓶的厂家, 还对购买有缺陷管制玻璃瓶包装产品使用的消费者构成了极大的安全隐患, 因此, 机器视觉检测技术开始得到各大研究机构的研究开发, 许多生产管制玻璃瓶的厂家也开始应用此项技术。早期各大厂家都在使用人工检测方法, 众多检测人员处于检测强度很大的工作环境中, 通过肉眼或结合放大镜进行观测, 导致检测结果不是很稳定, 直接影响了工厂流水线的生产效率, 所以各生产管制玻璃瓶厂家很有必要引入依靠机器视觉检测管制玻璃瓶缺陷的技术。本文采用德国MVTec公司的专业机器视觉软件Halcon来开发机器视觉系统, 提出了相关机器视觉实现方法, 并且在机器视觉实验平台上完成了一个管制玻璃瓶缺陷检测任务。

1 机器视觉的原理

机器视觉缺陷检测方法采用CCD电子摄像机将待测物体的像转换成图像信号, 然后利用它的像素分布和亮度等变化信息转化成特定的数字信号。检测仪器中的图像处理软件再通过这些信号对被检测物体的特征如面积、长度、数量等信息进行判断, 之后根据相应参数输出最后的检测结果, 从而实现其自主识别的功能特性。

2 机器视觉的特点

机器视觉是一项完美的包容性技术, 它涉及电光源照明技术、数字图像处理技术、光学成像技术、模拟与数字视频技术、传感技术、人机接口技术、机械工程技术、控制技术等内容, 然后由这些技术在机器视觉系统中相互协调、相互利用, 共同实现机器视觉系统的功能。

机器视觉更强调实用性, 由于人眼有物理条件限制, 因此很多工作人工无法完成, 而机器视觉系统却没有这方面的限制, 它可以瞬间得到被测物体的信息, 尤其适用于对多个目标同时进行测量。这种系统在一般情况下主要对远、近景目标和微观世界进行测量, 由于它不通过接触也能进行检测, 不会损坏被测物体, 所以它的应用性甚是广泛。

机器视觉更强调实时性, 尤其是在被检测物体处于高速运转的状态下, 机器视觉能够瞬间抓拍到被检测物体的信息。

3 管制玻璃瓶缺陷检测的特点

管制瓶材料是玻璃, 玻璃制品在不同光源照射下表面会反射照来的光线, 而且角度不断变化。另外, 管制玻璃瓶的生产过程还要求实现全面控制, 在提高生产效率的同时加大合格率, 而传统的检测方法不能完美地发现前述缺陷问题。因此, 必须采用非接触式的机器视觉检测技术。针对管制玻璃瓶检测的特点与要求, 实践中主要针对以下3个方面进行检测:

(1) 瓶口检测:瓶口表面有无裂纹;

(2) 瓶身检测:瓶身表面有无凹凸毛刺或破损裂纹;

(3) 瓶底检测:瓶底表面有无裂纹或破损。

管制玻璃瓶经过检测系统时, 只要满足上面的3个要求, 则会自动进入下一个生产环节。

4 系统设计

机器视觉缺陷检测方法的核心是Halcon软件缺陷分析, 系统采集管制玻璃瓶的瓶口、瓶身和瓶底图像, 并加以识别处理, 系统内嵌的Halcon软件对处理后的图像进行分析, 再将最终指令传给工控机。控制操作界面与PLC通讯, 并读写PLC内部数据。管制玻璃瓶利用无压力传送带传到机器指定的特定位置, PLC再通过编码器与相关检测元件, 将其中不符合要求的玻璃瓶剔除。系统工作流程如图1所示。

4.1 基于视觉传感器MV-VS820开发检测平台

视觉传感器采用MV-VS820系统, MV-VS820是一款多相机嵌入式机器视觉系统, 最多可支持4路USB 2.0相机同时工作, MV-VS820集成数字化照相机:MV-VS1394数字面阵CCD逐行扫描, 软件控制图像窗口无级缩放, 该CCD相机最大分辨率1 280×960像素, 灵敏度很高, 在最大帧率为1 MHz时可瞬时采集4帧图像, 且达到12bits, 它的像素尺寸为4.65μm×4.65μm。MV-VS820集成CPU迅速处置灰度图像:80486100M CPU, 直接处置像素数据;16 MB RAM, 能够执行复杂程序;16MB FLASHDISK, 最大可存储200个程序;2MB图像储存器, 能在处置图像的同时抓取下一幅图像;利用倍速扫描技术, 图像扫描过程中即可进行评估;半帧模式时吞吐率高达25件/s, 全帧模式时可达16件/s。

4.2 利用Halcon软件分析采集的管制玻璃瓶图像

以瓶口检测为例, 闪光灯经过光学透镜及滤光体系照到瓶口上, 瓶口将光线反射至CCD相机, 并在其中成像形成圆环。处理后的图像用作评估, 以判定瓶口是否合格。

在使用Halcon软件分析时, 会用到很多检测图像预处理的算法, 包括图像增强、几何变换、图像分割、特征提取、边缘检测等, 本文重点应用的是图像分割算法。图像分割指的是将图像按特点区分成不同区域, 并获取感兴趣对象的过程。其中, 图像特点可为灰度、条纹、颜色、外形及空间关联等。对象可为单一的区域, 也可以是几个区域。经常使用的方法有阈值、边缘及区域分割等, 第一个方法最经常使用, 也是最简便的办法, 它尤其适用于对象及背景灰度级不同的图像。

阈值分割法是以区域为基础的图像分割方法, 它的基础理论为:根据设置的不同特征阈值, 将图片的像素点划分成多个类别。设初始图片为f (x, y) , 根据特定的规则在f (x, y) 中查找到特征值t, 把图像分割成两个部分, 处理后图像的表达式如下:

若b0=0 (黑) 、b1=1 (白) , 即为通常所说的图像二值化。瓶口的原始图像及二值化图像如图2、3所示。

4.3 图像检测环节

以瓶口检测为例, 以环形光源为采集光源, 连同远心镜头及CCD相机一起作为收集初始图像的设备, 瓶口上的密封面将光线反射输送至CCD相机, 在其内成像为圆环, 利用Halcon软件进行分析, 假设玻璃瓶的瓶口处有缺陷, 则缺陷处的灰度值会相对环形区域的其他位置有较大变化, 如图4所示。灰度值是检测玻璃瓶是否有缺陷的重要依据, 系统通过灰度值的变化来判断玻璃瓶的瓶口是否有缺陷, 图5为有缺陷的瓶口, 缺陷处已用白色方框标出。

5 软件控制

本文选取Visual C++6.0语言来开发软件系统。

(1) VC作为一个图形设计软件, 使用者能够直接对窗口页面、菜单进行设定, 无需再编写繁杂的编码, 也就不易出现错误。

(2) VC拥有极强的数学运算能力及图形图片处理能力, 还拥有标准数学函数, 给系统的图像处置带来了便利。

(3) 更重要的是, VC能更好地适应Halcon代码的输出和移植, 可以实现代码的精确表达, 相较VB而言, 一样的项目, VC代码运行速度更快, 且VC开发所用到的程序代码更精练。

管制玻璃瓶视觉检测系统是高速实时控制系统, 因而对软件的运算速度、执行精度提出了很高的要求, 所以Halcon软件和VC的结合满足系统要求, 图6为系统界面。

通过调节阈值范围来判断管制玻璃瓶的缺陷, 可以大大降低生产线上存在缺陷管制玻璃瓶的概率, 而且还杜绝了安全隐患。使用基于机器视觉的管制玻璃瓶缺陷检测技术, 可大幅提高生产线的生产效率, 同时保证整个生产过程的安全可靠。

6 结语和展望

本文综合应用了机器视觉系统、传感器、PLC、机械手等, 通过视觉传感器获取图像, 利用Halcon软件实时处理图像, 利用工控机最后输出信号给机械手抓取缺陷管制玻璃瓶, 达到了精确剔除缺陷管制玻璃瓶的目的。

参考文献

[1]余文勇, 石绘.机器视觉自动检测技术[M].北京:化学工业出版社, 2013.

[2]Carsten#space2;#Steger, Markus#space2;#Ulrich, Christisn#space2;#Wiedemann.机器视觉算法与应用[M].杨少荣, 吴迪靖, 段德山, 译.北京:清华大学出版社, 2008.

玻璃缺陷检测 篇2

关键词：搪玻璃反应罐；磁粉探伤；夹套；裂纹磁痕

中图分类号：TQ173文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）13-0030-03

搪玻璃设备是将含高二氧化硅的玻璃，经高温灼烧而牢固地密着于金属内表面的生产设备。它常用于石油化工、制药工业等领域，具有耐腐蚀性、不粘性、绝缘性、隔离性和保鲜性等优良性能。但是由于搪玻璃生产工艺的复杂性，在生产过程中会产生诸多缺陷，如爆瓷、瓷层裂纹和瓷层中的气泡等。如果对设备使用过程中的安全隐患不能引起足够重视则会造成安全事故的发生。因此，必须对搪玻璃反应罐进行规范化操作、维护和保养和定期检验，以便及时发现设备缺陷和损坏并修补好，消除生产过程中的安全隐患。

本文根据搪玻璃设备相关安全标准，于2009年10月16日对宁波某药业有限公司用于化工生产的搪玻璃反应罐进行了全面检验，发现和分析搪玻璃反应罐夹套焊缝中存在多处裂纹，产生了重大事故安全隐患，必须及时处理，保证设备的安全运行。

1夹套环焊缝处缺陷的发现

1.1设备概况

宁波某药业有限公司用于化工生产的搪玻璃反应罐为低温高温交替反应罐。该反应罐由宁波明欣化工机械有限公司生产，主要由内罐、夹套和搪玻璃层构成，并与低温液体贮槽组成为一成套设备。该公司使用的搪玻璃反应罐于2006年11月1日投入使用。该公司使用的搪玻璃反应罐为立式结构，其结构参数和工艺参数见表1：

1.2检验结果

对该公司使用中的搪玻璃反应罐进行了全面检验，包括设备资料审查、设备宏观检查、壁厚测定、壁厚校核、磁粉检测和安全附件检验等。检验的主要依据为《压力容器定期检验规则》、《压力容器安全技术监察规程》和《承压设备无损检测》（JB/T4730-2005）。

磁粉探伤是检验铁磁性材料工件表面及近表面的一种无损检验方法，能直观的显示缺陷的形状、位置与大小程度，大致确定缺陷性质，具有很高的检测精度和检测效率。文中根据JB/T4730-2005《承压设备无损检测》检测标准，用磁粉探伤检测方法抽查了夹套外表面焊缝5.4m处的完好情况。其磁粉类型为非荧光黑磁粉，磁悬液为水磁悬液，标准试片为Al-30/100，磁化方法为连续磁轭法，磁粉施加方法为喷洒。

经磁粉探伤检测发现该设备夹套环焊缝处共有5条裂纹，其中裂纹1长度为35mm，裂纹2长为40mm，裂纹3长为20mm，裂纹4长为60mm，裂纹5长为45mm。图1为所有裂纹在夹套表面的详细位置：

图2为该搪玻璃反应罐的典型裂纹磁痕照片。从磁痕照片外观中可以看出，该反应罐夹套环焊缝处存在明显的裂纹缺陷，裂纹主要发生在焊缝金属上，产生于起、收弧处的中心线上；磁痕堆积浅，呈细长型，裂纹深度较浅；且为横向裂纹，绝大部分走向与焊接方向相同。鉴于夹套的工作介质为蒸汽和冷冻盐水交替循环作用，其工作温度范围为-20℃～180℃，并依据裂纹种类，以及裂纹磁痕的判别与评定方法，可以判定该裂纹属于焊接裂纹中的热裂纹。

2裂纹产生原因分析

夹套环焊缝处裂纹产生的具体原因可以归纳为以下几点：

2.1化学成分的影响

夹套的材料牌号为Q235A，含有C、Si、Mn、S、P及极少量Cr、Ni和Cu，其化学成分具有不稳定性，含碳量偏高及S、P等杂质会造成焊缝裂纹产生。

2.2焊缝内存有原始缺陷的影响

焊接前未将焊接处清理干净，易在焊缝内部产生原始缺陷，进而造成裂纹产生。

2.3温度急变和内应力的影响

搪玻璃反应罐工作时，其夹套内的蒸汽和冷冻盐水交替循环作用。当夹套内通蒸汽时处于加热状态，此时夹套壁温度与夹套工作介质的温度相同；而当冷冻盐水加入夹套时，夹套突然受到冷却而产生内应力。当夹套内通冷冻盐水时，此时夹套壁温度与冷却盐水温度相同；而当蒸汽通入夹套时，夹套突然受到加热而产生内应力。这两种由温度突然改变而产生的内应力会造成焊缝裂纹的

产生。

2.4热应力的影响

在使用搪玻璃反应罐工作时，往夹套内通蒸汽时，其加压和升温过程中，压力和温度变化均会产生一定的热应力，从而也会造成焊缝裂纹的

产生。

3裂纹处理措施

夹套是搪玻璃反应罐最重要部件之一，如果其上的环焊裂纹不消除，会随着时间的增长而持续发展和扩大，影响反应罐的继续使用，并给企业生产经营造成重大的安全隐患，因此必须及时采取合理的措施处理裂纹，对其设备进行修补和维护。裂纹的处理主要包括裂纹去除、补焊和焊后检查三

部分。

3.1去除裂纹

由于热裂纹细长，两端细而尖，深度较浅，因此可利用金属内磨机对裂纹稍轻打磨即可消除。打磨过程中随时进行检验，直至检验结果不能发现任何相关迹痕显示，以确保裂纹彻底磨掉。

3.2补焊

焊接前先将焊接处清理干净。选用E5016、Ф3.2mm焊条，且烘烤1h，温度为350℃。焊接电流150～160A为宜。

3.3焊后检查

第一，补焊完成24小时后，采用磁粉探伤的方法按照JB/T4730.4-2005对补焊区域进行检查，焊缝无裂纹。

第二，该反应罐运行一年后，再次对补焊区域进行磁粉检验，未发现补焊区域表面产生新的裂纹，焊接质量问题得到了根本解决。

4结语

夹套是搪玻璃反应罐最重要部件之一，一旦发生事故将会给企业造成重大经济损失。大量实践证明，Q235A钢板的焊接裂纹是一种热裂纹，焊接工艺不是产生裂纹的主要原因，该夹套焊接裂纹主要是由温度突然改变形成的内应力引起。为此减少内应力是预防焊缝裂纹产生的关键。

本文认为在搪玻璃反应罐工作时，尽量避免冷罐时加热料，热罐时加冷料。温度的突然改变会产生内应力，从而造成焊缝处裂纹的产生，进而影响搪玻璃反应罐的使用寿命。夹套在操作运行时，应缓慢地进行加压和升温，一般先通入0.1MPa（表压）压力蒸汽后保持15分钟，再慢慢升压至罐的操作压强和升温至180℃，其中升压速度以0.01MPa/min为宜。在操作过程中，加热和冷却操作均应缓慢进行。同时严防夹套内进入酸液，以防止搪玻璃层发生金属吸氢反应，而引起搪玻璃层磷爆。这些措施将有助于预防焊缝裂纹的产生。

参考文献

[1]朱建春，方人超．搪玻璃反应罐制造和修理工艺探讨[J]．化工生产与技术，2000，（2）．

[2]辛成涛．对搪玻璃设备使用中玻璃层破损的探讨[J]．化工设备与管道，2010，（6）．

[3]张勇．搪玻璃设备在搪烧工艺过程中的常见缺陷及解决办法[J]．石油和化工设备，2007，（5）．

[4]顾俊杰．探讨磁粉探伤仪对压力容器探伤的工艺[J]．科技与企业，2011，（10）．

[5]蒋凤阳，周德锦．磁粉探伤方法及磁粉探伤设备选购

[J]．试验技术与试验机，2003，（4）．

（责任编辑：文森）

玻璃缺陷检测 篇3

关键词：安全玻璃,缺陷检测,光栅位移传感器,FPGA,USB

0 引言

在安全玻璃的缺陷检测中, 通常被检对象的尺寸很小, 约为40μm数量级。检测系统不仅需要确定缺陷位置, 还要精确测定其外形特征, 结合光学特征进一步判断缺陷的性质。因此, 检测平台的几何尺度测量必须有很高的精度。为之, 在设计的检测系统中采用了光栅位移传感器作为测试手段。

光栅位移传感器 (即光栅尺) 是进行高精度位移测量的最常用的装置, 它将位移量通过光栅的透射转换成莫尔条纹的移动, 然后经光电转换电路转换成电信号输出。当主光栅与指示光栅相对移动一个条纹距离时, 输出的电信号变化一个周期。通过对信号变化周期的测量, 进而测出移动的距离。

1 光栅尺接口信号及电路功能要求

方波输出的光栅尺, 所输出的电信号通常包括有A相、B相和Z相三个方波, 其中A相信号为主信号, B相为副信号, 两个信号的周期相同, 相位差90。Z相信号作为校准信号, 用以消除累积误差。若光栅尺正向运动时, A信号超前B信号, 在A信号下降沿, B信号为“1”;当光栅尺反向运动时, A信号滞后B信号, 在A信号下降沿, B信号为“0”;根据读到的B信号的数据并对A信号的周期进行计数 (正向计数或逆向计数) , 就可以测算出总位移[1]。

光栅尺的测量精度受栅线密度的限制。用电路信号细分的方法可以提高测量精度。故需设计光栅尺专用的接口电路, 完成细分辨向、可逆计数和数据传输等任务。

实现上述功能有多种硬件方案可供选择。我们采用美国Altera公司的Cyclone II系列的EP2C5T144C8N (FPGA芯片) 完成信号处理, 采用南京沁恒公司的CH372 (USB总线的接口芯片) 实现FPGA与PC机的数据传递, 较好地实现了上述目标。

2 核心电路设计

2.1 细分辨向电路

根据光栅尺的工作原理, 动尺每移动一个栅距, 其A、B两路输出方波变化一个周期。对位移的测量就转变为对输出方波的计数, 每当信号有上升沿或下降沿 (2选1) 时, 产生计数变化。换言之, 光栅尺每移动1个栅距只计1次数。如果让计数器在A、B两路信号的上升沿以及下降沿均产生计数, 则同样光栅尺移动1个栅距, 会有4次计数效果。也就是说, 光栅尺在1个栅距内, 每移动1/4栅距就产生1次计数, 相当于把栅距缩小了4倍, 或者说精度提高了4倍。这就是细分电路所要实现的功能[2]。

设计细分电路, 关键在于鉴别出信号的上升沿和下降沿。以A信号为例, 所谓“上升沿”和“下降沿”就是短时间A信号发生了变化 (不同) 。据此, 我们设计了用D触发器构成的2级移位寄存器, 其时钟由外部提供, 频率远高于光栅输出信号。触发器不断对光栅输出信号进行高速锁存采样, 寄存器中保存了A信号最近的两次采样值。同时我们注意到, 当光栅尺正向运动时, A相信号的上升沿发生在B信号为0时, 而下降沿发生在B信号为1时。因此, 采用图2所示的电路就可检出正向运动时A信号的下降沿, 采用图3所示的电路就可检出正向运动时A信号的上升沿。

正向运动时B信号的上升沿、下降沿检出电路也完全类似, 而对调AB信号则可得到反向运动时A信号、B信号的上升沿以及下降沿检出电路。把上述电路各部分进行合并、整合, 即可得到完整的细分电路。最终设计出的电路如图4所示。

当光栅尺正向运动时, 从CLK_UP信号端输出四倍频脉冲, 而CLK_DOWN端无信号输出。当光栅尺反向运动时, 从CLK_DOWN信号端输出四倍频脉冲, 而CLK_UP端无信号输出。因此, 两者就是我们所需的可逆计数器的计数脉冲。CLK_UP和CLK_DOWN信号控制RS触发器, 产生EN_UP信号, 对细分后的信号进行辨向。只有这样, 才能真正提高测量精度。

2.2 USB接口电路

外设与PC机进行信息交换, USB是最方便的模式。本系统采用了南京沁恒公司的CH372芯片, 实现了FPGA与PC机的数据传递。

CH372是一个USB接口芯片[3], 它内置了USB通讯的底层协议, 因而大大简化了USB接口的软件工作量;同时它具有8位数据总线和读、写、片选控制线和中断输出, 可以很容易挂到FPGA控制器的系统总线上;在计算机系统中, CH372所带有的配套软件具有简单的操作接口, 很容易与FPGA进行通信操作。系统中, CH372的工作方式为从机方式, 即将它作为从机挂接到FPGA的数据总线上与上位机进行通信。

2.3 电路整体结构

光栅尺接口电路整体框图如图5所示。整个系统包括X、Y两个方向的四细分辨向电路、24位的计数电路、数据锁存、地址译码、总线控制以及USB接口电路等组成。

3 结束语

本设计的FPGA部分使用VHDL编程, 在Quartus II环境下编译、仿真通过。用配置芯片EPCS4保存代码, 每次上电自动对EP2C5T144C8N进行主动配置。同时借助于CH372构成的USB口, 与PC机进行信息交换也快速、方便。该模块已成功运用于笔者设计的安全玻璃缺陷光学检测系统中。实际使用情况表明, 性能稳定可靠, 功能符合要求。

参考文献

[1]王成元, 常国祥, 夏加宽.基于FPGA的光栅信号智能接口模块[J].电气传动, 2007, 4.

[2]金锋, 卢杨, 王文松, 张玉平.光栅四倍频细分电路模块的分析与设计[J].北京理工大学学报, 2006, 12.

玻璃缺陷检测 篇4

关键词：浮法玻璃,锡缺陷,原因,治理措施

一、常见的锡缺陷现象

(一) 钢化彩虹

所谓彩虹现象, 是指浮法玻璃在700℃左右的温度下进行钢化时, 由于玻璃表面层中半径较大的阳离子数量增加, 使得局部体积膨胀而出现了微观物理现象即光干涉, 所以产生了彩虹现象。从内部离子反应来看, 在锡槽内一直存在着离子扩散和交换反应。在700℃左右的温度情况下, 且锡液被污染, 使得锡槽内存在微量的氧, 尤其是同时存在氧和微量硫的时候, Sn会被氧化为Sn O、Sn O2等物质, 钢化时Sn O中二价Sn会被继续氧化成四价Sn。因为Sn4+比Sn2+半径大, 所以半径大的阳离子增多, 玻璃的表面会出现细小的裂纹, 在阳光下出现光干涉的物理现象就产生彩虹现象了。

(二) 光畸变点

光畸变点是指在玻璃的表面上出现了呈圆形的微小凹坑。该缺陷产生的场所主要是在锡槽中, 因为浮法玻璃在锡槽中成型。其产生的过程如下:锡槽里Sn S、Sn、Sn O2等物质会在温度略低的地方冷凝并聚集, 因为自重或者出现气流的波动、槽压变化等外力的原因而坠落, 一旦落到玻璃板上, 就会产生光畸变点缺陷。

二、浮法玻璃锡缺陷产生的原因

在浮法玻璃制造过程中, 金属锡液是锡槽的浮托介质, 保护气体利用了氮气和氢气的混合气体。在锡槽这个相对密封的生产环境中, 存在着很多复杂的化学现象。由于不能保证介质和保护气体绝对纯净, 所以在化学反应中会产生一些杂质导致许多玻璃缺陷, 严重影响到产品质量和产量。

(一) 氧循环污染

氧循环是氧在锡槽中参与循环化学反应的过程。首先, 氧来源有两处, 一处是来自与锡槽相通的锡槽外壳上的缝隙漏入的, 另一处来源于保护气体中微量的氧气和水蒸汽中的氧。然后, 氧主要参与的化学方应是氧化反应。氧与金属锡反应会产生氧化亚锡和氧化锡的混合物, 氧在锡液中的溶解度与温度呈正相关关系, 温度越高氧的溶解度越大, 温度越低氧溶解度越小, 在锡槽出口处氧化锡含量较高, 且是固体会悬浮在液体表面, 导致玻璃沾锡。氧化亚锡既可以挥发到锡槽的空气中也可能溶解存在锡液里, 高温区的过量氧会致使氧化亚锡挥发到空气中, 空气中的氧化亚锡遇到锡槽内部结构上较冷的地方会冷凝形成小液滴或者锡石凝结物, 因为自重或者出现气流的波动、槽压变化等外力的原因而坠落, 一旦落到玻璃板上, 就会产生光畸变点缺陷。

(二) 硫循环污染

硫循环是硫在锡槽中参与循环化学反应的过程。硫存在于锡槽的来源是:1、作为澄清剂的硫酸钠占浮法配合料的很大比例, 随着使用澄清剂的同时被带入到锡槽中;2、火焰空间中存在的硫化物也是一个来源, 硫化物一部分与锡液产生萃取反应留在锡液中, 一部分经过高温挥发到锡槽的空气中;3、通过二氧化硫带来的, 二氧化硫作为处理技术的一种化学工具, 被使用后残留在锡槽中。首先, 存在于锡槽空气中的硫会与锡反应产生硫化亚锡, 存在于锡液中的硫也会转化为硫化亚锡。Sn S的挥发随温度的变化而变化, 温度越高, 挥发程度越强, 所以在高温区Sn S会在锡槽顶盖等内部结构表面冷凝, 产生大量凝结物, 积聚而滴落到玻璃的表面形成斑点缺陷。

三、治理浮法玻璃锡缺陷措施

众所周知, 锡槽累积污染达到一定程度, 锡缺陷会严重影响到实物的质量, 导致质量下降, 产量降低。所以, 及时有效地采取治理措施至关重要。主要治理浮法玻璃锡缺陷的方法有以下几个方面:

(一) 控制锡的氧化和硫化

导致锡缺陷的主要污染源是锡的化合物, 而锡的化合物是在锡液受到污染时发生化学反应产生的, 所以只有有效地控制锡的氧化和硫化才能提高玻璃的质量。保护气体的纯度可以有效地防止氧和硫的含量, 一定程度上控制了锡的氧化和硫化, 保证了玻璃的质量, 所以提高保护气体中的还原气体含量比例并降低氧化气体的含量比例可以有效控制锡液的氧化反应, 达到治理锡缺陷的目的。另外, 为了保持稳定的保护气体纯度, 必须使得锡槽处于严格的密封状态, 所以要严格监测锡槽的压力等指标来判断锡槽内部的保护气体纯度并时刻调整。

(二) 提高槽压

提高槽压的目的是防止外界气体进入到锡槽中, 控制保护气体的纯度, 是一种有效的解决锡缺陷的措施。然而, 技术有限目前最佳槽压值还未知, 生产厂家对于锡槽的槽压并没有给予重视, 空压机设备的老化、技术设备的缺少等等使得作业时故障不断出现, 极大地影响着保护气体的纯度, 所以, 合适地提高锡槽才能从根本上解决锡缺陷的问题。

(三) 定期排气和清扫

热梯度和气体量组成了锡槽内的气流结构, 任何工作程序都会导致热梯度和气体量变化, 从而影响气流结构, 常规的保护气体都是从冷端流向热端, 安装排气孔并定期排气的目的是加快气体流动的速度, 以最短的时间除去保护气体中的气体杂质来降低锡槽中保护气体的污染程度。定期对玻璃成形的各区域进行清扫和净化锡液, 一方面有助于减少凝结物, 另一方面可以保持锡液纯度。

结束语

浮法玻璃锡缺陷是在玻璃生产过程中避不可免的, 但是只要浮法玻璃行业的技术人员精确设计、精密施工、精心操作, 这些缺陷是可以控制在最低程度的。同时, 只有充分了解了锡槽内各种化学反应, 才能实施合理的措施, 达到最佳的效果。另外, 希望广大生产厂家重视浮法玻璃锡缺陷的问题, 多关注锡槽的内部环境, 改善生产设备, 从长远的角度治理浮法玻璃锡缺陷的难题, 达到增加浮法玻璃的产量和提高浮法玻璃的质量双赢的目的。

参考文献

[1]邵宏根, 毛清华, 庞世红, 方刚, 杜凤山.浮法玻璃成型过程的数值模拟[J].硅酸盐学报.2004 (08)

[2]禚明, 梁忠友, 宋秀霞.浮法玻璃特有缺陷及其预防措施[J].山东轻工业学院学报 (自然科学版) .2008 (01)

玻璃缺陷检测 篇5

能源问题已经成为我国经济发展的主要瓶颈之一, 尤其我国的建筑能耗现已是气候条件接近的发达国家的3~4倍[1]。玻璃工程验收必检遮阳系数, 玻璃的遮阳系数是通过采集光谱数据进行计算得出的。现阶段, 国内主要以GB/T 2680-1994《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳光总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》作为玻璃遮阳系数的主要参考依据。

1 单层玻璃遮阳系数理论公式分析

1.1 玻璃的太阳光直接透射比

式中:Sλ代表“太阳光辐射相对光谱分布”;代表“试样的光谱透射比, %”;Δλ代表“波长间隔, 此处为10nm”;τe代表“为试样的太阳光直接透射比, %”。

1.2 玻璃的太阳光直接反射比和直接吸收比[2]

式中:Sλ、Δλ同上。ρe代表“试样的太阳光直接反射比, %”;τe代表“太阳光直接透射比, %”;αe代表“太阳光直接吸收比, %”;代表“试样的光谱反射比, %”。

1.3 发射率

对于垂直入射的热辐射, 其热辐射吸收率ah定为垂直辐射率。

式中:εi—半球辐射率;ρh—检测得到的标准给定波长下的光谱反射比, %;ah—试样的热辐射吸收率, 即垂直辐射率, %;k—玻璃表面的系数。

玻璃的半球辐射率可以用傅里叶变换红外光谱仪检测, 常见玻璃的半球辐射率可以通过查表得出。

1.4 单层玻璃的太阳光总透射比

式中:εi代表“半球辐射率”;he代表“试样外侧表面的传热系数, 23W/m2·K”;hi代表“试样内侧表面的传热系数”。

单片玻璃或单层窗玻璃构件向室内侧的二次热传递系数qi可以通过半球辐射率计算, 也可以用检测方法测定玻璃导热系数[2]。

1.5 单片玻璃的遮阳系数Sc应按下式计算

式中:Sc代表透明玻璃部分的遮阳系数;g代表“试样的太阳能总透射比, %”;τs代表“3mm厚的普通透明平板玻璃的太阳能总透射比, 国际通用0.87[3]”。

2 双层玻璃遮阳系数理论公式分析

2.1 双层玻璃系统透射比、反射比、吸收比

太阳能透过中空玻璃光传播将室外片玻璃称为第一片玻璃、室内片玻璃称为第二片玻璃。

式中:a1觶2 (λ) 代表“双层玻璃系统中第一片玻璃的太阳光光谱直接吸收比, %”;

代表“第一片玻璃, 在光从室外/内射向室内/外时所测定的光谱吸收比, %”。

代表“双层玻璃系统中第二片玻璃的太阳光光谱直接吸收比 (通常用%表示) ”;

代表“第二片玻璃, 当光从室外射向室内时测得的光谱吸收比 (通常用%表示) ”。

根据以下公式依次计算出双层玻璃系统的透射比、反射比。

式中:τe、τ (λ) 、Sλ、△λ所代表的计算参数同式 (1) 。ρe、ρ (λ) 所代表的参数信息同式 (3) 。Sλ·△λ代表“标准相对光谱分布系数, 由标准查表得到相应波长下该值”。

根据计算双层玻璃系统的吸收比。

2.2 计算玻璃系统吸收太阳光能量后向室内的二次热传递系数qi

①根据公式 (19) 计算出双层窗玻璃系统中第一片玻璃的太阳光直接吸收比:

②第二片玻璃的太阳光直接吸收比按照下面公式计算:

2.3 太阳能总透射比

式中:g代表“太阳能总透射比 (用%表示) ”;τe代表“太阳光直接透射比 (用%表示) ”;qi代表“玻璃系统吸收太阳光能量后向室内的二次热传递系数 (用%表示) ”。

式中:he、hi所代表的参数信息同式 (9) 。

2.4 双层玻璃的遮阳系数Sc应按下式计算

式中:Sc代表“透明玻璃部分的遮阳系数”;τs代表“3mm厚普通透明平板玻璃的太阳能总透射比, 国际通用0.87”;g代表“试样的太阳能总透射比, 用%表示。

3 遮阳系数检测应用价值

国家强制性标准GB 50411-2007《建筑节能工程施工质量验收规范》对建筑工程中使用的玻璃要求遮阳系数检测合格后方可验收, 因为遮阳系数直接关系到建筑物使用的节能性能, 夏天隔热, 冬季保温, 故不管寒冷的北方还是在炎热的南方, 对遮阳系数要求均非常严格, 也作为工程必备验收竣工材料, 有着广泛的实际应价值。针对不同品种的玻璃的遮阳系数和节能效果分析比较见表1。

由表1可以得出结论:具有良好的遮阳性能的Low-E中空镀膜玻璃的遮阳系数一般Sc小于0.55, 得到公共建筑和居住建筑的标准要求, 同时可见光透射比大于国家标准规定的0.4, 在建筑实际应用中相对已普通白玻具有很好的节能性能。在实际使用当中, 具有节约能源, 起到环保作用。由公共建筑和居住建筑标准对遮阳系数小于0.55要求可知, 在节能建筑中, 普通白玻已经被淘汰了, 要达到节能50%, 或者更高65%要求, 只有镀膜玻璃可以使用在建筑上。

4 结论

遮阳系数检测需要用到检测设备为分光光度计和远红外光谱仪。现在的检测技术在不断的发展中, 成熟的有国家建筑节能产品质量监督检验中心发明一种辐照度法利用太阳光直接测定遮阳系数系统[4], 设计原理根据遮阳系数定义———使用透过被测玻璃的太阳辐射得热与透过标准3mm透明玻璃的太阳辐射得热的比值[5], 针对建筑物外窗安装后的结构, 比较直观的采用太阳的全波段自然光源来检测遮阳系数, 温度、环境真实可靠, 检测过程也满足了低碳节能的要求。目前, 具有上述特点的遮阳系数检测系统, 国内所查文献, 未见提及”[6];重庆大学发明一种遮阳系统检测装置, 利用贴片式热电偶测得太阳辐射转化的热量计算遮阳系数, 对太阳辐射转化的热量采用了直接测量的方式[7];深圳发明一种由标准计量箱、测试计量装置和防护箱组成的测量方法。总之各种各样的检测方法在不断的研究和发展, 最基础的光学法是各种检测方法比对和参照的根本。

摘要：围绕单层玻璃和双层玻璃的遮阳系数测定方法, 对太阳光谱的分区进行分析, 根据单层玻璃和双层玻璃对太阳光通过玻璃的不同特性, 详细阐述了GB/T 2680-1994的遮阳系数检测公式计算步骤, 同时阐述国内其他的遮阳系数检测方法。

关键词：可见光透射比,太阳光直接透射比,太阳光总透射比,遮阳系数

参考文献

[1]赵刚.建筑节能与节能设计[J].科技情报开发与经济, 2005, 5 (13) :147-148.

[2]ISO 10292:1994 (E) , 建筑玻璃稳态U值 (传热系数) 的计算及测定[S].Switzerland, 1994.

[3]方明, 葛大中.太阳光测定遮阳系数系统[P].中国专利:ZL2012 2 0315537.3, 2013-01-16.

[4]GB/T 8478-2008, 铝合金门窗[S].北京:中国标准出版社, 2009.

[5]张犁朦, 胡明一.太阳光测定遮阳系数科技查新报告[R].安徽省科学技术情报研究所, 20010-08-23.

[6]串科, 刘晓杰, 江涛.一种遮阳系统检测装置[P].中国专利:ZL 200820099883.6, 2008-12.

桥梁基桩内部缺陷检测方法比较 篇6

基桩施工为地下隐蔽性项目, 通常工程实施的工序较为复杂, 且流程工艺间的连接较为密切, 在施工时不可出现长时期停顿, 其主要的施工活动多数都是在地下或水下开展, 因此在桥梁的基桩施工中, 很难对浇注程序展开实时控制和监督, 并且在基桩施工进程之中, 通常也会碰到许多如流沙层、淤泥层或地下水发生渗流等地质状况, 从而极易造成缩孔和塌孔等多种基桩质量问题;在开展水下桩混凝土灌注时, 桩体自身也会由于施工中拔管较快、导管拔空或停顿等因素而引发断桩、离析、疏松等问题。总而言之, 此类问题的出现均会严重影响到桥梁基桩承载性能, 所以, 加强桥梁基桩内部缺陷检测技术的研究力度以及对各类检测法的比较与分析, 从而选出最适宜的检测法, 有非常关键的实际意义。

1 声波透射法桥梁基桩内部缺陷检测技术

1.1 声波透射法基本原理

声波透射法是指在预埋声测管间进行声波的接收和发射, 并对在混凝土内声波传播的幅度衰减、频率与声时等参数改变进行实际检测, 从而实现对基桩的整体性检测, 其工作原理为:在基桩内部预埋下一些声测管以作检测通道使用, 分别把接收换能仪器与发射换能仪器放到两个声测管之间, 之后灌注清水于管中以作祸合剂。通过脉冲信号发射器以发射出一系列周期脉冲信号, 加到发射换能器压电体之上, 并转换为超声电脉冲, 此脉冲由待检测基桩混凝土穿出, 再由接收换能器收集, 之后重新再转换为电信号。通过仪器测量体系对脉冲穿出混凝土需要的时间、脉冲主频率、波幅衰减值、频谱和波形等参数进行测定, 接着通过数据处理体系依据判断软件以对信号接收各类参数实施分析研究, 从而可准确评估出各类基桩内部缺陷的特性、部位和大小。

1.2 声波透射法检测注意事项分析

通常而言, 在进行桥梁基桩检测时, 优先可选择平测方法实施检测工作, 平测中两个换能器要放到两个声测管间的相同标高位置, 并确保移动同步。在该检测方法应用过程中, 应满足以下要求:利用深度标识分别将接收和发射换能器放置到两个声测管间测点位置处;接收和发射换能器要以同一标高和同一高差进行同步降升, 测点距离不应超过250rnm;对信号收集时程曲线进行实时记录和显示, 并记录首波峰值、周期值和声时, 应实时显示主频值和频谱曲线等;对声测管进行整体组合, 以两个组成一组检测面, 接着对全部检测面分别实施检测;对相同基桩各个剖面实施检测时, 要维持相同的声波发射的设备参数设置与电压。

2 低应变法桥梁基桩内部缺陷检测技术

2.1 低应变法基本原理

采用低应变检测法进行桥梁基桩检测时, 通过对桩顶进行击锤或振动等激励, 使振动沿着桩体以应力波方式传播。低应变法是将基桩看作均质连续的弹性杆, 分析桩体顶部在动态载荷影响下, 系统纵向波动的动态响应, 是将一维波动原理作为基本理论的桩土系统。在实际运用中, 可做以下假设:桩体为连续弹性体;在桩体纵向振动中, 它的横截表面一直维持着平面状态, 且不考虑桩体纵向形变, 即相同截面上各个点只在桩体轴向上进行同步移动;不考虑桩体外部、内部阻尼及桩身周围表面摩擦影响。在检测中通过装设于顶部的速度或加速度传感器来收集反射波, 同时利用桩体动测仪对信号进行放大等, 之后可得速度或加速度的时程曲线图, 根据图2中形态性征能够推断出阻抗改变部位, 从而确定基桩的缺陷部位。

2.2 低应变法检测注意事项分析

在检测测量传感器装设与激振需注意以下事项:传感器装设应该和基桩的顶部面相垂直;通过藕合剂进行粘连时, 要具备充分的粘连强度;激振点要选取实体基桩的中心部位, 装设测量传感器部位应选择在距基桩中心的2/3半径位置;空心桩激振点和测量传感器装设部位应放到相同水平面, 同时和桩体中心的连线应最好呈90°角, 测量传感器装设部位和激振点应在桩壁厚1/2位置;进行瞬态激振可利用敲击测验, 应选用适宜重量的锤垫与激振力锤, 适宜采用宽脉冲得到桩体下端或桩底缺陷的反射信号, 应采取窄脉冲得到桩体上端缺陷的反射信号;稳态激振要在每个设定的频率之下进行稳态响应信号的收取, 并依据基桩长度、径长和桩周土的约束状况对激振力实施调控。

3 静载试验桥梁基桩内部缺陷检测技术

3.1 静载试验基本原理

静载试验是指在基桩的顶端分级进行竖向载荷的施加, 并检测基桩顶端随着时间增长沉降量的变化, 从而确定出桩体竖向抗压承载性能的检测方式。桩基静载检测是当前在桩体极限承载性能确定上最可靠、准确的一种检测技术, 对于判断某类检测方式的成熟性, 都会用静载试验结果误差的比较作依据来进行。所以, 在任意地基设计的处理标准中静载试验均会占到重要地位。

3.2 静载试验工程实例与步骤

图3中为对某桥梁工程的试验桩基进行试验, 工程中基桩桩长依设计深入到持力层深度双控, 在施工之前应采取静载试验实施试桩, 且试验桩数不应低于3根, 占总桩数1%左右, 试验桩伸入到持力层1.2m深处, 采取桩长与持力层的深度双控, 此工程承载力值预设计为1600k N, 桩长为23m, 基桩总数为225根。

在静载试验过程中, 其步骤主要为:各级载荷加载后应保持1h, 并按5min、10min、15min、30min、45min、60min读测基桩的沉降量, 然后加下级载荷;在最后一级载荷施加后, 沉降读测法和稳定准则依慢速载荷法实施;卸载中每个载荷保持15min, 读测时间是第5~15min, 然后可卸去下级载荷。完成卸载后读出残余稳定沉降量, 应保持2h时间, 读测时间是5min、15min、30min, 之后隔0.5h进行一次读测。

桥梁基桩体承载性自平衡检测法是于桩体端部周围装设载荷箱, 载荷箱应由顶盖、活塞、箱盖和底盖等构成, 在顶盖上、下安装位移测量设备, 之后沿着垂直向施加荷载, 这样可以同时检测桩侧摩阻、桩端阻力和下、上顶盖位移, 进而可得出试验数据成果和曲线图。

4 桥梁基桩内部缺陷检测方法比较

在选择低应变法进行桥梁基桩检测时, 应确切指出缺陷特性, 单单由形态特点方面探究较为困难。在具体检测中, 良好处理方式可充分熟悉各类基桩的工艺流程和施工时易于出现质量状况等, 并认真研究工程记录与地质报告, 同事与检测工作的实际经验相结合实施评判。在选择低应变检测法时, 基桩的桩端存有测验盲区。对于桩体径长多变的, 则其测验结果难以达到正确判定;基桩的深部缺陷反映灵敏性不足, 且对于桩径较大、桩长较长、桩体存有许多缺陷的, 该方法便难以获得精确的测定数据。

在选择声波透射法进行检测时, 可对桥梁基桩内部缺陷大小、范围等进行较精确判定。因声波透射法有一定局限性, 仅可检测出声测管所包扩区域内的桩体质量。针对检测区域外基桩质量, 该法几乎无法测定。所以, 声波透射法对于埋设声测管具有很高需求:预埋声测管不标准将对波形收集产生严重影响, 同时也将对声学参数改变造成扰乱, 从而对基桩内部缺陷评判结果带来影响。

静载试验不可以判断出基桩内部缺陷是否存在, 也无法判断出缺陷范围、大小, 仅可利用一定抽样率以对基桩质量实施控制, 利用对桩体顶端施加荷载以得到桩体的位移量, 进而直接得出桩侧摩阻和桩端阻力, 即可得到基桩的竖向载承特性。采取静载试验能够较为直观地获得承载性数据, 对缺陷基桩而言, 此法为验证桩是否可继续安全运用的关键评判方式之一。

通过对这几种检测方法的比较可得, 低应变法快捷便利, 工程前期无需进行准备, 可以迅速找出基桩内部的重大缺陷, 然而检测的精确度较差;采用声波透射法能够比较精确的测定出基桩缺陷, 然而在状体施工中需埋设声测管, 同时管的预埋质量将会直接影响检测成果;静载试验较为直接, 尽管静载对许多大型桥梁基桩项目检测不适用, 然而可当作得到基桩承载性的直接检测技术, 此方法所得结果可作为对其它检测方式结果评判准确与否的一种根据。

5钻芯法、高应变法基桩缺陷检测技术比较

在桥梁基桩内部缺陷检测方法中, 除了以上所述的声波透射法、低应变法、静载试验法外, 常用的检测方法还包括钻芯法、高应变法, 此处作简要分析。

4.1 钻芯法

钻芯法是通过钻机对基桩进行钻芯取样, 以此检验基桩缺陷、长度、桩底端沉渣的厚度和桩体混凝土密实度、连续性及强度等, 从而判断桩端岩土特性的技术方法。和其它几类方法相比, 钻芯法的区别就在于该法属于破损检测, 利用芯样钻取来直观获得检测结果。

4.2 高应变法

高应变法是通过重锤对桩顶的冲击作用, 使得桩体周围土形成一定相对移动, 并做出桩顶力与加速度的时程图, 利用应力波原理研究可得出桩土系统的相关特性, 从而判断桩体完整性和竖向抗压载承性能的检验技术。该检测方法的主要作用是判断单桩的竖向抗压承载性能是否达到设计需求, 尤其对于预制桩接头与桩体水平整合缝隙等缺陷判断过程, 可以在明确该缺陷能否对竖向抗压载承性能产生影响基础之上, 对其缺陷情况做出合理的判断。

6 结论

综上可得, 桥梁基桩内部缺陷检测具有较强的技术性, 且工作内容非常繁杂, 特别是针对大直径桩和长桩测定过程, 其有着更加复杂的性质, 而当前的研究和理论仍存有诸多问题亟需人们去探究与处理。所以, 除掌握现有桥梁基桩的检测技术外, 还应加强研究分析, 对当前检测方法实施逐步优化, 并且也应要不断借鉴与了解其他国家的先进检测方法, 以促进我国桥梁基桩内部缺陷检测质量的进一步提高, 从而不断推动我国桥梁技术的发展。

参考文献

[1]周伟宏, 魏文韬, 王远.浅谈桥梁桩基检测的几种方法[J].公路交通科技:应用技术版, 2012 (04) .

[2]刘清元, 谈桥, 吴安新.桥梁基桩缺陷的综合检测技术[J].岩土工程界, 2004 (03) .

红外快速缺陷检测的数值模拟 篇7

关键词：红外无损检测,定量计算,仿真分析,ANSYS

0 引言

红外缺陷检测是利用有缺陷部分和无缺陷部分的热物理性质不同,导致试件表面温度场分布不均,从而来判断缺陷情况的方法。其观测面积大且不需接触被测试件,因而不存在热接触和热平衡带来的缺点和应用范围的限制。但是由于红外线在固态中穿透能力很低,故仅凭借表面温度场的分布往往只能定性出内部是否存在缺陷,无法对缺陷的具体信息进行定量的判断[1,2]。所以只能够在已知表面温度场的情况下,通过求解导热反问题来定量的研究内部缺陷的情况。近年来许多学者进行了大量的研究,提出了LM法、共轭梯度法、边界单元法等,用来求解导热反问题。

针对含内部缺陷的长方体试件,本研究利用三维热传导方程建立了传热模型,并计算了内部缺陷深度对于表面温度场的影响。利用有限元软件ANSYS对试件进行了三维热传导仿真,并结合共轭梯度法对内部缺陷边界进行反复迭代来获得新的表面温度场[3]。通过表面温度场的比较来定量的计算和分析内部缺陷的具体情况。

1 计算缺陷深度的方法

内部存在缺陷的长方体试件如图1所示,除缺陷处以外,假设试件的其它部分各向同性,且不含内部热源。除上下两个表面外其他侧面均设为绝热。根据以上条件建立试件的热传导的方程[4]:

对于缺陷试件而言,式(1)中有、无缺陷处的试件密度分别为ρ1和ρ2,试件比热容为C1和C2,导热率为k1和k2,T表示对应的各节点温度,t为时间参数。

为了求解缺陷深度,如图2所示,对于式(1)可仅考虑其沿z轴方向的一维热传导,则式(1)可简化为:

结合热传导方程的边界条件,可解出与之相对应的无缺陷处以及有缺陷处温度随时间的变化关系为:

式中:I0—试件单位面积吸收的热能。

令式(5)导数为零,求解并化简之后得出:

根据式(6)可知对应的缺陷深度为:

式中:t—热流束加热试件时有缺陷处和无缺陷处温差最大值出现的时间。

在采用红外热像仪采集表面温度场随时间的变化情况时,在t时间附近应增大红外热像仪的采样频率,以便于达到更加精确的测量结果[5,6,7]。

2 算例与分析

本研究选用碳素钢板作为试验材料。内部缺陷设为气孔,模拟试验的环境温度为20℃,加载热流率为5 000 W/m2,钢板厚度为50 mm,缺陷厚度为20 mm。其他热物理参数如表1所示。

根据以上试验参数,本研究利用ANSYS软件对含缺陷的试件进行模拟试验,热激励强度设为5 000 W/m2,可以得出缺陷在不同深度时表面温差最大值ΔT以及达到最大值所需的时间t。试验结果如表2所示。

将表2中模拟试验得到的达到表面温差最大值ΔT的时间t代入式(7)中,通过反演计算可得出缺陷的深度。其反演计算结果如表3所示。

通过以上的相对误差分析可以得出,在热激励强度为5 000 W/m2的情况下,缺陷深度探测的极限深度约为12.5 mm左右,在此深度附近的计算值与实际值之间的误差能控制在7.2%左右。若要探测更大深度的缺陷情况需要加大热激励的强度,才能够得到较为精确的结果。

3 计算缺陷面积的方法

在实际的无损探伤过程中,不仅仅需要知道缺陷深度情况,通常还要求对损伤面积的大小进行评估。但是有缺陷的形状通常是不规则的,这给定量研究带来了很大的困难。基于导热反问题求缺陷边界形状很复杂,本研究先假设了缺陷边界的形状,利用有限元软件ANSYS求解出假设缺陷情况下试件表面温度场的分布,并与已知缺陷边界情况下的表面温度场分布进行比较。如果误差范围较大,则通过共轭梯度法不断迭代来修正缺陷边界的形状,之后再次求解比较,直到两者温度场分布情况符合误差范围为止[8,9,10]。

设缺陷边界形状函数为f(θ),结合热传导方程式(1)可以求出表面温度分布Ti→。通过红外热像仪观测可以得到表面温度分布Yi→。在本研究中Yi→为已知缺陷情况下利用ANSYS求解得到,用来代替热像仪结果进行模拟计算。

令:

通过计算使方程式(8)的值达到最小,则f(θ)为所求的缺陷边界形状函数。

利用共轭梯度法迭代求f(θ)的算法:

迭代步长为:

共轭系数为:

初次迭代时设:γ0=0

共轭搜索方向为:

迭代终止条件:

根据算例和表1所给的物理参数进行ANSYS仿真。内部缺陷形状设为一个不规则的多边形,通过ANSYS软件模拟热传导过程可以得到试件表面温度分布云图,将其结果离散并导出结点温度分布存入向量组Yi→,作为模拟计算中的准确值。

表面温度场分布如图3所示,由图3可以看出内部存在缺陷时,试件表面温度场出现温度异常区域,且温差超过红外热像仪的温度分辨率。利用红外热像仪能够很直观地定性判断试件内部是否存在缺陷。

利用共轭梯度法对图3中的内部缺陷形状进行定量计算的过程如图4所示。图4中一共经过5次迭代,并且满足了所设定的迭代终止条件J[f(θ)]<1。

迭代终止之后的最终识别结果如图5所示,如果想要得到更高的识别精度,可以通过增加迭代次数和缩小迭代步长来实现,但是其缺点是需要消耗更长的计算时间。

4 结束语

本研究在热传导理论模型的基础上,通过模拟试验从瞬态分析方面计算了缺陷深度及其对表面温度场的影响,同时根据表面温差最大值出现的时间,通过理论公式反演计算得出缺陷的深度,并进行了误差分析。通过有限元软件ANSYS得到表面温度场分布,并离散出结点温度,再利用共轭梯度法进行迭代,得出内部缺陷大小。通过模拟计算分析表明,此方法能够较为准确的估算出试件内部缺陷面积的大小。

参考文献

[1]薛书文,宗明成,丁铁英,等.利用红外热成像技术检测金属内部近表缺陷[J].红外与毫米波学报,1998,17(6):424-428.

[2]陈珏,郜光宁.红外无损检测中的缺陷显示度[J].红外与毫米波学报,1991,10(4):278-282.

[3]范春利,孙丰瑞,杨立,等.基于红外测温的圆管内壁不规则边界的识别算法研究[J].热科学与技术,2006,5(2):111-117.

[4]范春利,孙丰瑞,杨立,等.电气设备零件内部三维缺陷的定量红外识别算法研[J].中国电机工程学报,2006,26(2):158-164.

[5]ZONG M C,ZHANG J X,ZHAO Y.Pulsed-heating infra-red therm-ography non-destructive testing technique[J].SPIE,1996(2899):654-649.

[6]赵元松,李大鹏.基于有限元法的钢板焊缝缺陷红外无损检测[J].机电工程,2005,22(12):39-42.

[7]GUPTA R,TULI S.Electro-thermal modeling and analysisfor estimation of defect parmeters by stepped infrared the-mography[J].NDT&E International,2005,38(8):11-19.

[8]MALDAGUE X,GALMICHEF,ZIADI A.Advancesinpulsedphase video thermography[J].Infrared Physics&Tech-nology,2002(43):175-181.

[9]张韵华.数值计算方法和算法[M].北京:科学出版社,2000.