專利名稱：一種對(duì)三維編制復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于借助被測(cè)材料物理性質(zhì)，施加外力對(duì)被測(cè)物進(jìn)行測(cè)試分析的領(lǐng)域，具 體涉及一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編制復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)方法及實(shí)現(xiàn)此方法的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)是在不改變復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)其性能進(jìn)行的測(cè)試評(píng) 估。針對(duì)不同的缺陷和損傷形式，可以采用不同的無(wú)損檢測(cè)手段。目前，對(duì)于復(fù)合材料無(wú)損 檢測(cè)的常用方法有X射線、超聲波、計(jì)算機(jī)層析照相(CT)、紅外熱成像檢測(cè)、聲發(fā)射、微波、 激光檢測(cè)法、中子照相法、敲擊法以及超聲檢測(cè)法等。X射線無(wú)損檢測(cè)的檢測(cè)精度較高，檢測(cè)結(jié)果直觀，但完成分層缺陷檢測(cè)困難，不易 發(fā)現(xiàn)與X射線垂直方向上的裂紋，且檢測(cè)速度會(huì)對(duì)精度有影響，而且檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜，需要進(jìn) 行安全防護(hù)。超聲波檢測(cè)法主要是利用復(fù)合材料本身的缺陷聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響，來(lái) 檢測(cè)材料內(nèi)部或表面的缺陷。超聲檢測(cè)穿透能力較大，探傷靈敏度較高，不易檢查形狀復(fù)雜 的工件，而且要求被檢查表面有一定的光潔度，并需要有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面 之間的空隙，以保證充分的聲耦合。此外，超聲檢測(cè)還要求有一定經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員來(lái)進(jìn)行操 作和判斷檢測(cè)結(jié)果。紅外熱成像檢測(cè)是利用被測(cè)物體內(nèi)部存在裂縫和缺陷時(shí)，物體會(huì)改變熱傳導(dǎo)性 能，從而使物體表面溫度分布有差別。檢測(cè)裝置可顯示出其熱輻射的不同，從而判別并檢查 出缺陷的位置。紅外熱成像法具有方便快速、精確、低費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，但要求被測(cè)件傳熱性能 好，表面發(fā)射率高，否則不能進(jìn)行檢測(cè)。微波無(wú)損檢測(cè)是利用微波的穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是操作方便，不需要使用耦 合劑，而且很容易穿過空氣介質(zhì)，檢測(cè)速度快，可檢測(cè)出復(fù)合材料中的脫粘、分層、裂縫、孔 隙等缺陷。但微波檢測(cè)不適應(yīng)于金屬導(dǎo)體或?qū)щ娦阅茌^好的復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷檢測(cè)，此 外，小于Imm的微小缺陷，微波也很難檢測(cè)出來(lái)。激光無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和激光數(shù)字錯(cuò)位散斑無(wú)損檢測(cè)技 術(shù)。利用此技術(shù)，可以檢測(cè)出復(fù)合材料中的氣孔、夾雜、孔隙、疏松、分層、裂紋等缺陷。激光 全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了 30多年的發(fā)展，真正應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際的項(xiàng)目并不多，而且僅局限 在航空航天工業(yè)部門。激光無(wú)損檢測(cè)對(duì)于檢測(cè)條件要求較高，而且檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜，投資大， 操作技術(shù)要求熟練，因而很難推廣應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中去，而只能用于軍工業(yè)生產(chǎn)部門，去解 決一些用常規(guī)檢測(cè)方法無(wú)法解決而又必須進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的零部件。中子射線技術(shù)是通過檢測(cè)中子束通過被檢工件后透射的中子束分布圖像來(lái)分析 試件缺陷的檢測(cè)方法。不同物質(zhì)具有不同的中子衰減系數(shù)，因此透射中子束的分布圖像可 以形成試件缺陷和雜質(zhì)等的圖像。此方法對(duì)復(fù)合材料中存在的腐蝕、水汽、粘接質(zhì)量等缺陷 的檢測(cè)靈敏度較高。但由于中子源價(jià)格昂貴及使用時(shí)需特別注意中子的安全與防護(hù)問題， 使得該方法很難得到進(jìn)一步的推廣。
數(shù)字敲擊無(wú)損檢測(cè)是利用傳感器接收來(lái)自前段設(shè)備對(duì)被測(cè)件的敲擊振動(dòng)信號(hào)，再 通過運(yùn)算電路以及軟件程序?qū)Σ杉盘?hào)進(jìn)行后期處理對(duì)被測(cè)件作出判斷的一種無(wú)損檢測(cè) 技術(shù)。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，不受周圍環(huán)境的影響，僅適合大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng) 檢驗(yàn)，但對(duì)于小缺陷靈敏度低。超聲檢測(cè)技術(shù)又稱應(yīng)力波因子技術(shù)。與通常的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不同，超聲檢測(cè)技術(shù) 主要用于檢測(cè)和研究材料中分布的細(xì)微缺陷群及其對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的整體影響，屬于材料 的完整性評(píng)估技術(shù)。采用超聲檢測(cè)技術(shù)中的振幅C掃描技術(shù)也能夠?qū)?fù)合材料與金屬材料 間的粘接界面進(jìn)行有效檢測(cè)，但該檢測(cè)方法對(duì)單個(gè)、分散的缺陷不敏感。工業(yè)CT，即工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像，其具有直觀、準(zhǔn)確和無(wú)損傷等特點(diǎn)，主要用 于工業(yè)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)。系統(tǒng)通過掃描工件得到斷層投影值，然后通過圖像重建算法重建 出斷層圖像。工業(yè)CT技術(shù)復(fù)雜性很高，設(shè)備價(jià)格相對(duì)高昂。設(shè)備的使用和維護(hù)相對(duì)難度也 較大。另外，重建斷層圖像需要采集的數(shù)據(jù)量龐大且檢測(cè)速度較慢。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的無(wú)損檢測(cè)方法大多具有投入大、檢測(cè)速度慢且不能保證 測(cè)試工件連續(xù)測(cè)量的缺點(diǎn)。而基于聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)的檢測(cè)方法，能測(cè)試材 料微觀結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)于三維編織復(fù)合材料的編織方法與微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)尤為適 合，具有實(shí)時(shí)連續(xù)、靈敏度高和操作簡(jiǎn)便等有優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)三維編織復(fù)合材料的力 學(xué)分析大多采用試驗(yàn)機(jī)對(duì)整體性能進(jìn)行分析，而在微觀變形方面研究得較少，而且三維編 織復(fù)合材料本身制造工藝及其復(fù)雜，被檢測(cè)材料很少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種基于聲發(fā)射技術(shù)的 三維編制復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)方法及實(shí)現(xiàn)此方法的系統(tǒng)，解決三維編織復(fù)合材料在外力作 用下，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為進(jìn)一步分析三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能 提供理論基礎(chǔ)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，所述無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)包括載荷單元、信號(hào)探測(cè)及轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)預(yù)處理單元和中央 處理器；所述待測(cè)三維編織復(fù)合材料設(shè)置在所述載荷單元中，由所述載荷單元對(duì)待測(cè)材料 施加外部負(fù)載，所述載荷單位包括AGE250試驗(yàn)機(jī)；所述信號(hào)探測(cè)及轉(zhuǎn)換單元探測(cè)并轉(zhuǎn)換三 維編織復(fù)合材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)；所述信號(hào)預(yù)處理單元對(duì)探測(cè)得到的信號(hào)進(jìn)行匹配，放 大及濾波后將信號(hào)輸入所述中央處理器中，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。具體的實(shí)施中，所述信號(hào)探測(cè)及轉(zhuǎn)換單元包括聲發(fā)射傳感器和前置放大器；所述 聲發(fā)射傳感器設(shè)置在待測(cè)材料的外力施加端旁，所述聲發(fā)射傳感器用于將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)；所述前置放大器與所述聲發(fā)射傳感器連接，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行增益處理；所述聲發(fā)射傳 感器采用Vallen高精度聲發(fā)射傳感器，其頻率范圍為100_900ΚΗζ。所述前置放大器采用儀 表放大器AD524，并選取設(shè)置片內(nèi)增益的方法，選取增益倍數(shù)為34db ；所述信號(hào)預(yù)處理單元包括濾波模塊和信號(hào)放大器；所述濾波模塊用于濾除噪音及 干擾波，所述濾波器的范圍是100KHz-3MHz。所述信號(hào)放大器用于對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行放大匹配。為了轉(zhuǎn)換信號(hào)，在信號(hào)進(jìn)入中央處理器前，電信號(hào)需要經(jīng)過高速A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn) 聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)字化。所述高速A/D轉(zhuǎn)換器采用的是基于DSP的高速A/D采集卡，其分辨 率為16位，轉(zhuǎn)換速度是IOMHz，通道數(shù)為16。且所述聲發(fā)射傳感器包括一組傳感器，每個(gè)聲發(fā)射傳感器進(jìn)行一組采樣，最后取 平均值；所述一組傳感器分別均勻分布設(shè)置在被測(cè)試件一側(cè)，形成一組探測(cè)通道；且所述 傳感器組包括1-12個(gè)傳感器。本發(fā)明優(yōu)選設(shè)置8個(gè)傳感器.本發(fā)明另一個(gè)發(fā)明點(diǎn)是基于所述系統(tǒng)對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)分析方 法，方法包括無(wú)損檢測(cè)過程；所述無(wú)損檢測(cè)過程包括以下步驟(1)所述載荷單元對(duì)三維編織復(fù)合材料施加外力，復(fù)合材料在載荷下產(chǎn)生變形或 斷裂，并由此產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)；(2)所述聲發(fā)射傳感器接收傳送到復(fù)合材料表面的聲發(fā)射信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?電信號(hào)；(3)所述信號(hào)預(yù)處理單元對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行匹配，放大及濾波操作；預(yù)處理后的 電信號(hào)經(jīng)過高速A/D轉(zhuǎn)換器后，進(jìn)入所述中央處理器進(jìn)行分析。所述方法還包括對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行分析的過程，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行噪聲剔除后，利用頻譜理論進(jìn)行頻譜圖計(jì)算系統(tǒng)采用離散的 快速富里葉變換計(jì)算聲發(fā)射信號(hào)的頻譜；由于采集數(shù)據(jù)的有限性，在進(jìn)行小波變換時(shí)，應(yīng)對(duì) 信號(hào)進(jìn)行邊緣拓寬，系統(tǒng)中采用對(duì)稱周期延拓，設(shè)采集有限信號(hào)f (η)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N，對(duì)其 進(jìn)行對(duì)稱延拓
權(quán)利要求
1.一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)包括載荷單元、信號(hào)探測(cè)及轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)預(yù)處理單元和中央處理器；所述待測(cè)三維編織復(fù)合材料設(shè)置在所述載荷單元中，由所述載荷單元對(duì)待測(cè)材料施加 外部負(fù)載；所述信號(hào)探測(cè)及轉(zhuǎn)換單元探測(cè)并轉(zhuǎn)換三維編織復(fù)合材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)；所 述信號(hào)預(yù)處理單元對(duì)探測(cè)得到的信號(hào)進(jìn)行匹配，放大及濾波，后將信號(hào)輸入所述中央處理 器中，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，其 特征在于，所述信號(hào)探測(cè)及轉(zhuǎn)換單元包括聲發(fā)射傳感器和前置放大器；所述聲發(fā)射傳感器設(shè)置在 待測(cè)材料的外力施加端旁，所述聲發(fā)射傳感器用于將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述前置放大 器與所述聲發(fā)射傳感器連接，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行增益處理；所述信號(hào)預(yù)處理單元包括濾波模塊和信號(hào)放大器；所述濾波模塊用于濾除噪音及干擾 波；所述信號(hào)放大器用于對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行放大匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，其 特征在于，在信號(hào)進(jìn)入中央處理器前，電信號(hào)需要經(jīng)過高速A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)字化；且所述聲發(fā)射傳感器包括一組傳感器，每個(gè)聲發(fā)射傳感器進(jìn)行一組采樣，最后取平均 值；所述一組傳感器分別均勻分布設(shè)置在被測(cè)試件一側(cè)，形成一組探測(cè)通道；且所述傳感 器組包括1-12個(gè)傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，其 特征在于，所述聲發(fā)射傳感器包括8個(gè)傳感器，每個(gè)聲發(fā)射傳感器進(jìn)行一組采樣，最后取平均值； 即所述8個(gè)傳感器均勻分布在被測(cè)試件一側(cè)，形成8個(gè)通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系 統(tǒng)，其特征在于，所述聲發(fā)射傳感器采用Vallen高精度聲發(fā)射傳感器，其頻率范圍為100_900ΚΗζ ； 所述前置放大器采用儀表放大器AD524，并選取設(shè)置片內(nèi)增益的方法，選取增益倍數(shù)為 34db ；所述載荷單位包括AGE250試驗(yàn)機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，其 特征在于，所述濾波器的范圍是100KHz-3MHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，其 特征在于，所述高速A/D轉(zhuǎn)換器采用的是基于DSP的高速A/D采集卡，其分辨率為16位，轉(zhuǎn) 換速度是IOMHz，通道數(shù)為16。
8.基于如權(quán)利要求1-7之一所述系統(tǒng)對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)分析方法，其 特征在于，方法包括無(wú)損檢測(cè)過程；所述無(wú)損檢測(cè)過程包括以下步驟(1)所述載荷單元對(duì)三維編織復(fù)合材料施加外力，復(fù)合材料在載荷下產(chǎn)生變形或斷裂， 并由此產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)；(2)所述聲發(fā)射傳感器接收傳送到復(fù)合材料表面的聲發(fā)射信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；(3)所述信號(hào)預(yù)處理單元對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行匹配，放大及濾波操作；預(yù)處理后的電信 號(hào)經(jīng)過高速A/D轉(zhuǎn)換器后，進(jìn)入所述中央處理器進(jìn)行分析。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的無(wú)損檢測(cè)分析方法，其特征在于， 所述方法還包括對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行分析的過程，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行噪聲剔除后，利用頻譜理論進(jìn)行頻譜圖計(jì)算系統(tǒng)采用離散的快速 富里葉變換計(jì)算聲發(fā)射信號(hào)的頻譜；由于采集數(shù)據(jù)的有限性，在進(jìn)行小波變換時(shí)，應(yīng)對(duì)信號(hào) 進(jìn)行邊緣拓寬，系統(tǒng)中采用對(duì)稱周期延拓，設(shè)采集有限信號(hào)f (η)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N，對(duì)其進(jìn)行 對(duì)稱延拓
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編制復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)及方法。本方法利用聲發(fā)射傳感器接收復(fù)合材料在外部負(fù)載下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化進(jìn)而分析材料的受損情況。利用本方法實(shí)現(xiàn)了利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)碳纖維三維編織復(fù)合材料單向拉伸實(shí)驗(yàn)的全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，證明了聲發(fā)射事件數(shù)和碳纖維復(fù)合材料的損傷演化有較好的相關(guān)性；對(duì)碳纖維三維編織復(fù)合材料的頻譜分析揭示了纖維斷裂致使材料的最終破壞，破壞頻率表明了材料的損傷特性；利用頻譜分析很好地描述了不同類型的損傷模式，并可進(jìn)一步細(xì)化各峰值的頻段，進(jìn)而對(duì)損傷類型和機(jī)理做出更詳細(xì)的解釋；利用聲發(fā)射特征參數(shù)可分析材料斷裂模式。
文檔編號(hào)G01N29/14GK102109498SQ20091026540
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者萬(wàn)振凱, 姚楠 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)