本发明专利技术涉及一种采用红外热像检测和图像分析技术，检测Z‑pin在复合材料层合板中植入角的装置及方法，属于复合材料三维增强技术领域。该装置包括：已植入Z‑pin的待检测复合材料层合板、热源、红外热像仪、红外热像仪自身的系统软件和图像处理软件，其中热源为层合板下表面提供均匀的热量，利用红外热像仪采集层合板上表面热量分布，并由红外热像仪自身的系统软件生成pin截面热像图，经由图像处理软件提取Z‑pin端面在层合板上下表面位置的几何图，根据层合板的厚度结合三角关系求取Z‑pin的偏转角度及方向，进而得到Z‑pin在层合板中的植入角。
【技术实现步骤摘要】
一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置及方法
本专利技术属于复合材料三维增强的
，特别是一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置及方法。
技术介绍
红外热像技术是一门集红外辐射、红外成像和热波传递三大基础原理为一体、新兴的无损检测技术，现阶段主要应用于设备监测故障诊断、节能检测、建筑物检测等领域。Z-pin是纤维在树脂中浸渍，经拉挤工艺共固化后制成的针状细杆。Z-pin三维增强技术指将Z-pin以一定的角度（绝大部分为垂直方向，即90°）和分布密度使用超声枪植入到复合材料层合板坯材中。该项技术将层合板中铺层与铺层结合成整体，有效提高层间强度和层间断裂韧性，具有可设计性强、操作简单、减重性好、对纤维损伤小等优点，适用于预浸料工艺和局部增强或连接，这些优点使得Z-pin技术迅速发展。在超声植入过程中，Z-pin会受到来自层合板和超声枪的不均匀反作用力，导致其植入角与预期植入角产生偏差，而研究表明，Z-pin在层合板中的植入角对层合板的力学性能有较大影响。目前只能通过破坏性试验评判层合板中Z-pin的植入质量，除此以外Z-pin在层合板中的植入角处于不可测、不可控状态，因此即使Z-pin三维增强技术取得了极好的层间增强效果，也未应用到对可靠性要求极为严格的航空领域中。因此，急需一种可无损检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，以此来评判Z-pin植入质量，为其工艺可靠性提供依据。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述技术现状，提供一种采用红外热像检测和图像分析技术，检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置及方法，经过图像处理分析Z-pin在层合板中的偏转方向及角度大小，并以此为依据评判Z-pin在层合板中植入质量。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其中：包括热源、红外热像仪、分析系统以及已植入Z-pin的待检测复合材料层合板，待检测复合材料层合板厚度均匀，且Z-pin的两端分别截断于待检测复合材料层合板的两侧面，待检测复合材料层合板一侧面置于热源上，热源对待检测复合材料层合板该侧面均匀加热，红外热像仪置于待检测复合材料层合板的另一侧，用于感应待检测复合材料层合板另一侧的温度分布情况，红外热像仪与分析系统连接，红外热像仪能将捕捉到的红外热像图信息传递至分析系统。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的待检测复合材料层合板中Z-pin的预期植入方向垂直于复合材料层合板的几何中面。上述的热源为加热板或加热灯。上述的红外热像仪用铁架台架在待检测复合材料层合板的正上方，热源设置在待检测复合材料层合板的下方。上述的分析系统为图像处理系统，该系统可对红外热像图进行翻转和重叠操作。一种检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，包括以下步骤：步骤一：打开热源开关，待温度稳定后，将已植入Z-pin的待检测复合材料层合板放置在热源上，使热源能均匀加热待检测复合材料层合板，规定此时热源加热的为层合板B面，另一面待检面为A面；步骤二：红外热像仪固定在待检测复合材料层合板的正上方，从热源对待检测复合材料层合板加热开始，采集A面温度分布情况，观察红外热像图，当红外热像图中Z-pin外形界面与其他区域有明显颜色区别时，保存该张图像，得到A面的Z-pin分布位置图；步骤三：将待检测复合材料层合板移出热源加热范围，恢复至室温，将其翻转180°，使B面向上，A面向下，再次放在热源上，重复步骤二，得到B面的Z-pin分布位置图，在分析系统中将图像沿宽度方向翻转，得到B面Z-pin分布在A面投影的位置图；步骤四：将A面的Z-pin分布位置图与B面Z-pin分布在A面投影的位置图按照待检测复合材料层合板的边缘轮廓重叠，可得到Z-pin在待检测复合材料层合板A、B两面的位置关系图；连接两个Z-pin位置的中心点，即为Z-pin在A面的投影。测量待检测复合材料层合板厚度，利用三角关系测得Z-pin的偏转角度及方向，进而得到Z-pin的植入角。热源的温度和加热时间可调整。Z-pin的偏转角度及方向的测量方法为：以A面Z-pin位置为点b，B面Z-pin位置为点c,B面Z-pin在A面的投影为点a，以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系，定义坐标系x轴正方向为指标方向，点b在x轴上的垂点为点d，利用三角关系测得Z-pin的偏转方向α=arcsin(bd/ab)及角度β=arctan(ab/ac)。上述的以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系的x轴与待检测复合材料层合板(4)的一条边平行。以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系的z轴与待检测复合材料层合板(4)的几何中面法线方向平行。本专利技术与现有技术相比的优点是：1、整体装置简单，仅利用热源、红外热像仪、红外热像仪自身的系统软件和图像处理软件即可高效率、高精度获得Z-pin在复合材料层合板中的偏转角度及方向；2、无需破坏复合材料层合板，仅利用Z-pin与复合材料层合板的材料导热速度的差异，做到无损检测。3、可以一次性检测一个复合材料层合板上所有的Z-pin偏转角度及方向，无需一个一个单独测量，效率显著提高。4、使用一个A、B两面的位置关系图即可完成所有的Z-pin偏转角度及方向的测量，减少了关系图众多导致的测量偏差，从而获得了更高的检测精度。附图说明图1为检测Z-pin植入角的装置；图2为红外热像仪采集到Z-pin位置以及图像处理的示意图；图3-6为求解Z-pin偏转角度及方向示意图。其中的附图标记为：热源1、红外热像仪2、分析系统3、待检测复合材料层合板4。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细描述。本专利技术的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其中：包括热源1、红外热像仪2、分析系统3以及已植入Z-pin的待检测复合材料层合板4，待检测复合材料层合板4厚度均匀，且Z-pin的两端分别截断于待检测复合材料层合板4的两侧面，待检测复合材料层合板4一侧面置于热源1上，热源1对待检测复合材料层合板4该侧面均匀加热，红外热像仪2置于待检测复合材料层合板4的另一侧，用于感应待检测复合材料层合板4另一侧的温度分布情况，红外热像仪2与分析系统3连接，红外热像仪2能将捕捉到的红外热像图信息传递至分析系统3。实施例中，待检测复合材料层合板4中Z-pin的预期植入方向垂直于复合材料层合板的几何中面。实施例中，热源1为加热板或加热灯。实施例中，红外热像仪2用铁架台架在待检测复合材料层合板4的正上方，热源1设置在待检测复合材料层合板4的下方。实施例中，分析系统3为图像处理系统，该系统可对红外热像图进行翻转和重叠操作。一种检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，包括以下步骤：步骤一：打开热源1开关，待温度稳定后，将已植入Z-pin的待检测复合材料层合板4放置在热源1上，使热源1能均匀加热待检测复合材料层合板4，规定此时热源1加热的为层合板B面，另一面待检面为A面；步骤二：红外热像仪2固定在待检测复合材料层合板4的正上方，从热源1对待检测复合材料层合板4加热开始，采集A面温度分布情况，观察红外热像图，当红外热像图中Z-pin端部外形界面与其他区域有明本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种红外检测Z‑pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：包括热源(1)、红外热像仪(2)、分析系统(3)以及已植入Z‑pin的待检测复合材料层合板(4)，所述的待检测复合材料层合板(4)厚度均匀，且Z‑pin的两端分别截断于待检测复合材料层合板(4)的两侧面，所述的待检测复合材料层合板(4)一侧面置于热源(1)上，所述的热源(1)对待检测复合材料层合板(4)该侧面均匀加热，所述的红外热像仪(2)置于待检测复合材料层合板(4)的另一侧，用于感应待检测复合材料层合板(4)另一侧的温度分布情况，所述的红外热像仪(2)与分析系统(3)连接，所述的红外热像仪(2)能将捕捉到的红外热像图信息传递至分析系统(3)。
【技术特征摘要】
1.一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：包括热源(1)、红外热像仪(2)、分析系统(3)以及已植入Z-pin的待检测复合材料层合板(4)，所述的待检测复合材料层合板(4)厚度均匀，且Z-pin的两端分别截断于待检测复合材料层合板(4)的两侧面，所述的待检测复合材料层合板(4)一侧面置于热源(1)上，所述的热源(1)对待检测复合材料层合板(4)该侧面均匀加热，所述的红外热像仪(2)置于待检测复合材料层合板(4)的另一侧，用于感应待检测复合材料层合板(4)另一侧的温度分布情况，所述的红外热像仪(2)与分析系统(3)连接，所述的红外热像仪(2)能将捕捉到的红外热像图信息传递至分析系统(3)。2.根据权利要求1所述的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：待检测复合材料层合板(4)中Z-pin的预期植入方向垂直于复合材料层合板的几何中面。3.根据权利要求1所述的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：所述的热源(1)为加热板或加热灯。4.根据权利要求1所述的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：所述的红外热像仪(2)用铁架台架在待检测复合材料层合板(4)的正上方，所述的热源(1)设置在待检测复合材料层合板(4)的下方。5.根据权利要求1所述的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：所述的分析系统(3)为图像处理系统，该系统可对红外热像图进行翻转和重叠操作。6.一种利用如权利要求1所述的装置检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，包括以下步骤：步骤一：打开热源(1)开关，待温度稳定后，将已植入Z-pin的待检测复合材料层合板(4)放置在热源(1)上，使热源(1)能均匀加热待检测复合材料层合板(4)，规定此时热源(1)加热的为层合板B面，另一面待检面为A面；步骤二：红外热像仪(2)固定在待检测复合材料层合板(4)的正上方，从热源(1)对待检测复合材料层合...
【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，还大军，李丽沙，肖军，李彦锐，周克印，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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