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基于高频激光除漆的LIBS监测平台设计与应用研究
1
作者 杨文锋 郑鑫 +5 位作者 林德惠 钱自然 李绍龙 左都全 李果 王迪升 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期2600-2606,共7页
基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的飞机漆层清洗监测,需要对峰值功率密度范围进行限定,以确保等离子体激发和漆层清洗的稳定性。然而,对于广泛使用的高频(kHz级)脉冲激光除漆技术,其峰值功率密度相对偏低,除漆过程中等离子体激发受到限... 基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的飞机漆层清洗监测,需要对峰值功率密度范围进行限定,以确保等离子体激发和漆层清洗的稳定性。然而,对于广泛使用的高频(kHz级)脉冲激光除漆技术,其峰值功率密度相对偏低,除漆过程中等离子体激发受到限制;且高频激光烧蚀材料产生的强连续背景光谱干扰了等离子体光谱采集。论文依据蒙皮功能漆层可控清洗需求,基于LabVIEW嵌入式开发系统的控制软件编写及激光清洗、光谱采集、控制与显示模块的集成,设计了一款适用于高频激光除漆的LIBS监测平台。选取2024-T3铝合金双漆层试样作为研究对象,采集波长介于360~700nm范围内的漆层/基体体系光谱(面漆层:Tc;底漆层:Pr;基体:As)。采用平滑滤波,基线校正和归一化对原始光谱进行预处理,并选取12条特征谱线进行主成分分析(PCA),其降维数据作为线性判别分析(LDA)的输入变量,以此建立PCA-LDA判别模型。最后将所建模型导入LIBS监测平台,通过试验验证了高频激光除漆LIBS监测平台的分类准确性。结果表明:仅以累积方差解释率大于85%作为主成分选取原则,不能满足除漆过程LDA的分类需要;通过优化LDA的主成分个数,最终选取前9个主成分作为LDA的输入,显著提升了LIBS平台的检测准确率,此时基于LIBS光谱的PCA-LDA模型分类准确率达92.5%。由此可见,设计的高频激光除漆LIBS监测平台能够完成漆层/基体体系不同结构层的材料识别,从而实现了高频脉冲激光可控除漆的有效监测。 展开更多
关键词 高频脉冲激光 激光诱导击穿光谱 可控清洗 监测 判别模型
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基于LIBS数据流盘的飞机蒙皮激光除漆在线监测判据研究
2
作者 杨文锋 李果 +5 位作者 林德惠 钱自然 李绍龙 左都全 郑鑫 王迪升 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2340-2348,共9页
等离子体产生及演化过程易受基体效应、环境噪声、脉冲能量抖动等影响,导致光谱数据具有不稳定性,从而难以保证以单条谱线为依据建立的监测判据的有效性。以连续多幅LIBS光谱为对象,并结合统计学方法建立的监测判据,可有效提升基于LIBS... 等离子体产生及演化过程易受基体效应、环境噪声、脉冲能量抖动等影响,导致光谱数据具有不稳定性,从而难以保证以单条谱线为依据建立的监测判据的有效性。以连续多幅LIBS光谱为对象,并结合统计学方法建立的监测判据,可有效提升基于LIBS技术的除漆效果监测精度。论文基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台,实时采集了除漆过程的连续多幅LIBS光谱。光谱数据经基线矫正、归一化预处理后,依据面漆、底漆、铝合金基体光谱特征峰差异,并结合材料成分信息,选定BaⅠ(712.55 nm)、CrⅠ(357.48 nm)、CrⅠ(425.43 nm)、TiⅠ(427.45 nm)、CuⅡ(309.76 nm)、CuⅠ(484.22 nm)6条谱线作为特征谱线并监测除漆效果。研究不同除漆效果中6条特征谱线强度变化规律,建立不同除漆效果与所选特征谱线强度变化区间的映射关系。提取每幅谱线的上述6条特征谱线强度作为一组数据单元、将连续10幅谱线的数据单元作为一组数据集,除漆过程中随时间变化的每10组迭代数据集称为数据流盘。对数据流盘中的数据单元、数据集进行分析,结合置信区间,实时判定除漆区域除漆效果,获得基于数据流盘的监测判据。结果表明:该判据可有效监测仍在面漆、面漆完全去除、仍在底漆、底漆完全去除、基体损伤5类除漆效果。依据SRM手册对漆层去除效果的要求,选择面漆完全去除、基体损伤两类除漆效果展示了验证过程,三维微观形貌分析结果与LIBS数据流盘监测判据所得除漆效果结论一致。其中,面漆去除后三维微观形貌分析表明,面漆完全去除精度达1.2μm,有效验证了基于LIBS数据流盘监测判据的适用性及稳定性。 展开更多
关键词 激光除漆 激光诱导击穿光谱 数据流盘 监测判据 除漆效果
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激光除漆频率对LIBS准确性影响研究
3
作者 杨文锋 王迪升 +2 位作者 钱自然 李绍龙 郑鑫 《激光与红外》 CAS CSCD 北大核心 2024年第10期1562-1568,共7页
验证激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术在千赫兹级激光条件下检测准确性对LIBS技术应用于大区域、高效率激光除漆过程监测具有重要意义。本文采用高频(kHz级)1064nm红外脉冲光纤激光器清洗飞机蒙皮漆层... 验证激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术在千赫兹级激光条件下检测准确性对LIBS技术应用于大区域、高效率激光除漆过程监测具有重要意义。本文采用高频(kHz级)1064nm红外脉冲光纤激光器清洗飞机蒙皮漆层,结合能谱仪测试结果及原子光谱数据库数据,研究千赫兹激光对LIBS光谱谱峰波长和峰值强度的影响,并验证LIBS技术在千赫兹级激光除漆过程中的准确性。结果表明千赫兹谱峰较赫兹谱峰波长位置向蓝光区域偏移,偏移量不大于0.18nm。380nm~425nm范围内的谱峰完全消失,425nm~550nm范围内的谱峰信噪比下降。能谱仪测试结果与赫兹级LIBS光谱协同验证了千赫兹级激光条件下LIBS技术检测效果的准确性。表明在大区域、高效率飞机蒙皮激光除漆过程中,LIBS技术可用于除漆过程监测。本研究可为千赫兹级激光除漆过程LIBS监测提供参考。 展开更多
关键词 激光清洗 高频激光 LIBS 谱峰波长 峰值强度
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基于PCA-SVM的飞机蒙皮激光分层除漆LIBS在线监测研究
4
作者 杨文锋 林德惠 +5 位作者 曹宇 钱自然 李绍龙 朱德华 李果 张赛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期3891-3898,共8页
飞机蒙皮激光除漆过程的在线监测,是实现分层可控除漆、满足适航维修要求的重要手段,也是推进激光除漆工程应用、飞机维修自动化的核心技术。激光诱导击穿等离子体光谱(LIBS)技术可通过激光材料作用过程中产生的等离子体发射光谱快速分... 飞机蒙皮激光除漆过程的在线监测,是实现分层可控除漆、满足适航维修要求的重要手段,也是推进激光除漆工程应用、飞机维修自动化的核心技术。激光诱导击穿等离子体光谱(LIBS)技术可通过激光材料作用过程中产生的等离子体发射光谱快速分析材料表面元素变化,实现激光清洗表面状态的在线监测。基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台,分别采集了不同激光功率下,面漆、底漆、铝合金基体去除过程中的3类LIBS光谱(各100幅)。分析了不同激光功率下,各类光谱示踪元素特征谱线的变化情况,初步筛选了12条特征谱线作为光谱识别的特征。进一步对这12个特征进行主成分分析(PCA),并将前3个主成分(PC1、 PC2、 PC3)构成的数据集作为支持向量机(SVM)识别模型的输入量,建立了3类光谱的识别模型。形成了多漆层结构激光分层可控清除过程的LIBS在线监测判定规则,并对该规则的有效性进行了实验验证。结果表明,与低频脉冲激光单点作用采集的针状LIBS光谱相比,基于该平台采集的LIBS光谱普遍存在较强的连续背景(大于5 000 a.u.)以及1.5 nm左右的半峰全宽;针对此类光谱设计了改进均值平滑滤波算法,在去除背景光谱的同时有效避免了特征谱线强度失真;示踪元素的特征谱线存在不稳定性;主成分分析中前3个主成分PC1、 PC2、 PC3对光谱的解释率达95%,在其构成的三维空间中,同类光谱呈区域性聚集;PCA-SVM模型对训练集、测试集的识别准确率分别为99.44%、 100%;验证实验结果表明3类光谱的识别模型与在线监测判定规则有效。所建立的识别模型与判定规则,可为飞机蒙皮激光分层除漆过程监测及自动化解决方案提供核心技术支撑。 展开更多
关键词 激光除漆 激光诱导击穿光谱 在线监测 识别模型 判定规则
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基于LIBS技术的镁合金盐雾腐蚀行为研究
5
作者 秦鸿刚 何亚雄 +3 位作者 钱自然 温起帆 黄茂 柯川 《广州化工》 CAS 2023年第3期69-72,共4页
为了研究镁合金在盐雾腐蚀实验中的腐蚀行为,对盐雾腐蚀后的LA103Z型镁锂合金表面进行SEM,EDS和XRD表征,使用三维轮廓扫描仪研究激光脉冲次数与激光烧蚀深度的关系。采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)技术研究腐蚀元素Na和Ca,基底元素Mg... 为了研究镁合金在盐雾腐蚀实验中的腐蚀行为,对盐雾腐蚀后的LA103Z型镁锂合金表面进行SEM,EDS和XRD表征,使用三维轮廓扫描仪研究激光脉冲次数与激光烧蚀深度的关系。采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)技术研究腐蚀元素Na和Ca,基底元素Mg和Al在纵向的相对分布。结果表明,合金表面形成了Mg(OH)_(2),Al_(2)O_(3)和Li_(2)CO_(3)等腐蚀产物。96 h腐蚀时间下样品中Na和Ca的腐蚀深度分别约为24.48μm和13.6μm。同时,发现Na和Ca参与反应生成腐蚀产物NaAlCO_(3)(OH)_(2)和CaAl_(2)O_(4)。 展开更多
关键词 激光诱导击穿光谱技术 镁合金 盐雾腐蚀 多元素分析
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基于LIBS光谱与成分分析的飞机蒙皮激光除漆可控性研究 被引量：7
6
作者 杨文锋 钱自然 +4 位作者 曹宇 魏桂明 朱德华 王峰 付婵媛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期3233-3239,共7页
激光除漆作为激光清洗技术的分支,有望替代传统打磨及化学除漆工艺,实现飞机蒙皮表面漆层的可控清除,但除漆过程及质量的可控性依赖于有效的原位、在线监测技术。针对飞机铝合金蒙皮表面多漆层结构,采用LIBS技术对不同漆层、不同厚度时... 激光除漆作为激光清洗技术的分支,有望替代传统打磨及化学除漆工艺,实现飞机蒙皮表面漆层的可控清除,但除漆过程及质量的可控性依赖于有效的原位、在线监测技术。针对飞机铝合金蒙皮表面多漆层结构,采用LIBS技术对不同漆层、不同厚度时漆层特征元素进行光谱与成分分析,在信号解译基础上建立漆层去除层数、去除厚度与LIBS光谱变化的内在关联,实现除漆过程质量的实时监测与反馈控制。结果表明,分层除漆过程中面漆、底漆完全清除后,漆层特征元素(Fe,Ti)的光谱峰消失。LIBS监测到面漆的特征元素Fe在501.4941和521.5179 nm处FeⅠ的光谱特征峰消失时,判定面漆完全清除。监测到底漆特征元素Ti在498.1730,499.1070和521.0390 nm处TiⅠ的光谱特征峰消失时,判定底漆完全清除。厚度除漆时,随漆层厚度降低或激光脉冲作用次数增加,漆层特征元素(Ca)的光谱峰强相应降低,至漆层厚度为0时(完全去除),漆层特征元素光谱峰消失,同时基体特征元素(Al)光谱峰出现。LIBS监测616.2170,643.9070和422.6730 nm处CaⅠ的光谱信号强度变化能够监测激光除漆时剩余漆层厚度,实现对激光除漆厚度的可控清除监测。另外,结合EDS与SEM测试分析,验证了LIBS用于飞机蒙皮激光除漆过程与效果监测、分层与厚度控制的可行性,表明在不损伤基体氧化层的前提下,通过监测对应波长位置的面漆、底漆特征元素光谱与成分变化规律能够实现激光分层可控、厚度可控除漆。 展开更多
关键词 飞机蒙皮 激光除漆 激光诱导击穿光谱 可控性 监测与反馈
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离焦量对铝合金表面激光除漆损伤特性的影响 被引量：4
7
作者 杨文锋 付婵媛 +5 位作者 钱自然 曹宇 张华忠 李天权 朱德华 李绍龙 《激光与红外》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期849-855,共7页
飞机激光除漆时铝合金基体保护及除漆效率与材料损伤阈值密切相关,而激光离焦量的变化将直接改变材料的损伤阈值,以及除漆效率。采用ISO 112541-on-1激光损伤阈值测试方法研究不同离焦量时的铝合金和漆层的损伤阈值,对激光单脉冲光斑的... 飞机激光除漆时铝合金基体保护及除漆效率与材料损伤阈值密切相关,而激光离焦量的变化将直接改变材料的损伤阈值,以及除漆效率。采用ISO 112541-on-1激光损伤阈值测试方法研究不同离焦量时的铝合金和漆层的损伤阈值,对激光单脉冲光斑的二维、三维形貌进行分析,将理论值与实测值得到的不同离焦量时的损伤凹坑直径及深度进行验证。结果表明:随激光离焦量增加,光斑面积增大的同时材料损伤阈值下降,可有效提升能量利用率及除漆效率;实际单脉冲作用的材料凹坑深度随离焦量的增大而减小,且面积增大;凹坑深度、凹坑直径的理论值、实测值具有较好的相关性,并从激光材料作用机理角度对其误差进行了解释说明。 展开更多
关键词 激光除漆 离焦量 损伤阈值 损伤凹坑形貌
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FRP试样加工质量多尺度表征方法研究
8
作者 杨文锋 李天权 +4 位作者 张然 李绍龙 曹宇 杨帆 钱自然 《实验技术与管理》 CAS 北大核心 2022年第7期80-85,共6页
纤维增强复合材料(fiber reinforced plastics,FRP)试样的加工质量直接影响其力学性能测试结果的准确性及离散性。受限于传统表征方法,加工质量难以获得更真实的反馈。该文采用基于3D光学表面轮廓仪、扫描电子显微镜的宏观、介观与微观... 纤维增强复合材料(fiber reinforced plastics,FRP)试样的加工质量直接影响其力学性能测试结果的准确性及离散性。受限于传统表征方法,加工质量难以获得更真实的反馈。该文采用基于3D光学表面轮廓仪、扫描电子显微镜的宏观、介观与微观结合的多尺度表征方法,对FRP试样的加工质量进行了分析。结果表明,多尺度表征方法弥补了传统方法对测量精度与结果离散性的局限,其测量值的离散系数降低了67%以上;三维表面粗糙度S_(a)值比传统二维表面粗糙度R_(a)值的离散系数降低了50%以上。将传统表征方法与多尺度表征方法结合,更能客观且全面地评价FRP试样加工质量。 展开更多
关键词 纤维增强复合材料 多尺度 加工质量 表征评价
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激光单脉冲作用下的漆层凹坑形貌模拟研究 被引量：6
9
作者 杨文锋 林德惠 +7 位作者 钟勉 李绍龙 钱自然 刘国春 曹宇 徐艺 李果 张赛 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期157-165,共9页
研究激光单脉冲作用后漆层表面的凹坑形貌可以有效抑制激光多参数叠加效应及脉冲重叠的光热与光力效应,有助于揭示激光与材料的作用机制,同时可为激光参数优化提供依据。本团队利用实验凹坑形貌数据获得漆层去除深度d及能量密度F的关系... 研究激光单脉冲作用后漆层表面的凹坑形貌可以有效抑制激光多参数叠加效应及脉冲重叠的光热与光力效应,有助于揭示激光与材料的作用机制,同时可为激光参数优化提供依据。本团队利用实验凹坑形貌数据获得漆层去除深度d及能量密度F的关系式,并基于烧蚀机制建立了高斯激光单脉冲作用后模拟漆层凹坑形貌的数学模型,采用MATLAB对13.58~27.16 J/cm^(2)能量密度下的凹坑形貌进行了模拟与验证。结果表明:低能量密度(13.58~16.98 J/cm^(2))下,凹坑深度和直径误差均小于5%,凹坑表面近似为旋转抛物面,凹坑剖面轮廓近似为抛物线;高能量密度(20.37~27.16 J/cm^(2))下,凹坑深度误差小于5%,但凹坑直径误差高达40%,模拟结果与实验结果存在显著差异。误差分析表明,在高能量密度下,等离子冲击与热辐射机制对凹坑形貌具有显著影响。基于上述分析对模型进行修正,修正模型对凹坑深度和直径的模拟误差均控制在5%以内,显著提高了模型模拟的准确性。基于凹坑形貌实验数据建立的形貌模型以及该模型的验证,不仅揭示了不同能量密度下激光与材料主要作用机制的差异,还为高、低能量密度下除漆效果的精确控制及激光参数优化提供了参考。 展开更多
关键词 激光技术 激光除漆 单脉冲 凹坑形貌 模拟与验证
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基于响应面分析的飞机蒙皮激光除漆可控性研究 被引量：1
10
作者 杨文锋 林德惠 +7 位作者 钟勉 李绍龙 钱自然 刘国春 曹宇 徐艺 张赛 李果 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2023年第15期231-238,共8页
随着飞机蒙皮“部分褪漆”维修理念的提出,多漆层结构激光除漆的可控性值得关注。基于响应面分析方法,建立了激光参数(光斑搭接率、激光功率及扫描次数)与可控性指标(漆层去除厚度、表面粗糙度)间的数学模型,分析了激光多参数耦合作用... 随着飞机蒙皮“部分褪漆”维修理念的提出,多漆层结构激光除漆的可控性值得关注。基于响应面分析方法,建立了激光参数(光斑搭接率、激光功率及扫描次数)与可控性指标(漆层去除厚度、表面粗糙度)间的数学模型,分析了激光多参数耦合作用对可控性指标的影响规律。结果表明:激光参数对漆层去除厚度的影响顺序依次为扫描次数、激光功率、光斑搭接率,且均为正相关;表面粗糙度随光斑搭接率的增大而减小,随激光功率的增大而增大,扫描次数对表面粗糙度的影响具有峰值效应。验证试验结果表明:响应面模型可为厚度精度为±5μm的激光可控除漆提供参考。基于响应面分析方法建立的多漆层结构激光可控清除数学模型,可为飞机蒙皮漆层的激光可控清除提供方法指导与理论支撑。 展开更多
关键词 激光技术 激光除漆 多漆层结构 耦合作用 可控性 响应面分析
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