一种对三维编制复合材料的无损检测系统及检测分析方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于声发射技术的三维编制复合材料的无损检测系统及方法。本方法利用声发射传感器接收复合材料在外部负载下产生的声发射信号，对声发射信号实现数字化进而分析材料的受损情况。利用本方法实现了利用声发射技术对碳纤维三维编织复合材料单向拉伸实验的全程动态监测，证明了声发射事件数和碳纤维复合材料的损伤演化有较好的相关性；对碳纤维三维编织复合材料的频谱分析揭示了纤维断裂致使材料的最终破坏，破坏频率表明了材料的损伤特性；利用频谱分析很好地描述了不同类型的损伤模式，并可进一步细化各峰值的频段，进而对损伤类型和机理做出更详细的解释；利用声发射特征参数可分析材料断裂模式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于借助被测材料物理性质，施加外力对被测物进行测试分析的领域，具 体涉及一种基于声发射技术的三维编制复合材料的无损检测方法及实现此方法的系统。
技术介绍
复合材料的缺陷检测是在不改变复合材料结构的前提下，对其性能进行的测试评 估。针对不同的缺陷和损伤形式，可以采用不同的无损检测手段。目前，对于复合材料无损 检测的常用方法有X射线、超声波、计算机层析照相(CT)、红外热成像检测、声发射、微波、 激光检测法、中子照相法、敲击法以及超声检测法等。X射线无损检测的检测精度较高，检测结果直观，但完成分层缺陷检测困难，不易 发现与X射线垂直方向上的裂纹，且检测速度会对精度有影响，而且检测设备复杂，需要进 行安全防护。超声波检测法主要是利用复合材料本身的缺陷声学特性对超声波传播的影响，来 检测材料内部或表面的缺陷。超声检测穿透能力较大，探伤灵敏度较高，不易检查形状复杂 的工件，而且要求被检查表面有一定的光洁度，并需要有耦合剂充填满探头和被检查表面 之间的空隙，以保证充分的声耦合。此外，超声检测还要求有一定经验的检验人员来进行操 作和判断检测结果。红外热成像检测是利用被测物体内部存在裂缝和缺陷时，物体会改变热传导性 能，从而使物体表面温度分布有差别。检测装置可显示出其热辐射的不同，从而判别并检查 出缺陷的位置。红外热成像法具有方便快速、精确、低费用的优点，但要求被测件传热性能 好，表面发射率高，否则不能进行检测。微波无损检测是利用微波的穿透力强的特点。其优点是操作方便，不需要使用耦 合剂，而且很容易穿过空气介质，检测速度快，可检测出复合材料中的脱粘、分层、裂缝、孔 隙等缺陷。但微波检测不适应于金属导体或导电性能较好的复合材料的内部缺陷检测，此 外，小于Imm的微小缺陷，微波也很难检测出来。激光无损检测技术包括激光全息无损检测技术和激光数字错位散斑无损检测技 术。利用此技术，可以检测出复合材料中的气孔、夹杂、孔隙、疏松、分层、裂纹等缺陷。激光 全息无损检测技术经历了 30多年的发展，真正应用到生产实际的项目并不多，而且仅局限 在航空航天工业部门。激光无损检测对于检测条件要求较高，而且检测系统复杂，投资大， 操作技术要求熟练，因而很难推广应用到生产实际中去，而只能用于军工业生产部门，去解 决一些用常规检测方法无法解决而又必须进行无损检测的零部件。中子射线技术是通过检测中子束通过被检工件后透射的中子束分布图像来分析 试件缺陷的检测方法。不同物质具有不同的中子衰减系数，因此透射中子束的分布图像可 以形成试件缺陷和杂质等的图像。此方法对复合材料中存在的腐蚀、水汽、粘接质量等缺陷 的检测灵敏度较高。但由于中子源价格昂贵及使用时需特别注意中子的安全与防护问题， 使得该方法很难得到进一步的推广。数字敲击无损检测是利用传感器接收来自前段设备对被测件的敲击振动信号，再 通过运算电路以及软件程序对采集信号进行后期处理对被测件作出判断的一种无损检测 技术。该方法设备简单，操作方便，不受周围环境的影响，仅适合大型复合材料结构的现场 检验，但对于小缺陷灵敏度低。超声检测技术又称应力波因子技术。与通常的无损检测技术不同，超声检测技术 主要用于检测和研究材料中分布的细微缺陷群及其对结构力学性能的整体影响，属于材料 的完整性评估技术。采用超声检测技术中的振幅C扫描技术也能够对复合材料与金属材料 间的粘接界面进行有效检测，但该检测方法对单个、分散的缺陷不敏感。工业CT，即工业计算机断层扫描成像，其具有直观、准确和无损伤等特点，主要用 于工业构件的无损检测。系统通过扫描工件得到断层投影值，然后通过图像重建算法重建 出断层图像。工业CT技术复杂性很高，设备价格相对高昂。设备的使用和维护相对难度也 较大。另外，重建断层图像需要采集的数据量庞大且检测速度较慢。综上所述，现有技术中的无损检测方法大多具有投入大、检测速度慢且不能保证 测试工件连续测量的缺点。而基于声发射无损检测技术是一种动态的检测方法，能测试材 料微观结构的变化，对于三维编织复合材料的编织方法与微观结构力学参数的检测尤为适 合，具有实时连续、灵敏度高和操作简便等有优点。目前，国内外对三维编织复合材料的力 学分析大多采用试验机对整体性能进行分析，而在微观变形方面研究得较少，而且三维编 织复合材料本身制造工艺及其复杂，被检测材料很少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于声发射技术的 三维编制复合材料的无损检测方法及实现此方法的系统，解决三维编织复合材料在外力作 用下，内部微观结构的变化的测试，测试结果为进一步分析三维编织复合材料的力学性能 提供理论基础。本专利技术是通过以下技术方案实现的一种基于声发射技术的三维编织复合材料的无损检测系统，所述无损检测系统包括载荷单元、信号探测及转换单元、信号预处理单元和中央 处理器；所述待测三维编织复合材料设置在所述载荷单元中，由所述载荷单元对待测材料 施加外部负载，所述载荷单位包括AGE250试验机；所述信号探测及转换单元探测并转换三 维编织复合材料产生的声发射信号；所述信号预处理单元对探测得到的信号进行匹配，放 大及滤波后将信号输入所述中央处理器中，对检测信号进行数据分析。具体的实施中，所述信号探测及转换单元包括声发射传感器和前置放大器；所述 声发射传感器设置在待测材料的外力施加端旁，所述声发射传感器用于将声信号转换为电 信号；所述前置放大器与所述声发射传感器连接，对电信号进行增益处理；所述声发射传 感器采用Vallen高精度声发射传感器，其频率范围为100_900ΚΗζ。所述前置放大器采用仪 表放大器AD524，并选取设置片内增益的方法，选取增益倍数为34db ；所述信号预处理单元包括滤波模块和信号放大器；所述滤波模块用于滤除噪音及 干扰波，所述滤波器的范围是100KHz-3MHz。所述信号放大器用于对滤波后的信号进行放大匹配。为了转换信号，在信号进入中央处理器前，电信号需要经过高速A/D转换器，实现 声发射信号的数字化。所述高速A/D转换器采用的是基于DSP的高速A/D采集卡，其分辨 率为16位，转换速度是IOMHz，通道数为16。且所述声发射传感器包括一组传感器，每个声发射传感器进行一组采样，最后取 平均值；所述一组传感器分别均勻分布设置在被测试件一侧，形成一组探测通道；且所述 传感器组包括1-12个传感器。本专利技术优选设置8个传感器.本专利技术另一个专利技术点是基于所述系统对三维编织复合材料进行无损检测分析方 法，方法包括无损检测过程；所述无损检测过程包括以下步骤(1)所述载荷单元对三维编织复合材料施加外力，复合材料在载荷下产生变形或 断裂，并由此产生声发射信号；(2)所述声发射传感器接收传送到复合材料表面的声发射信号，并将信号转变为 电信号；(3)所述信号预处理单元对所述电信号进行匹配，放大及滤波操作；预处理后的 电信号经过高速A/D转换器后，进入所述中央处理器进行分析。所述方法还包括对三维编织复合材料进行分析的过程，对采集的信号进行噪声剔除后，利用频谱理论进行频谱图计算系统采用离散的 快速富里叶变换计算声发射信号的频谱；由于采集数据的有限性，在进行小波变换时，应对 信号进行边缘拓宽，系统中采用对称周期延拓，设采本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于声发射技术的三维编织复合材料的无损检测系统，其特征在于，所述无损检测系统包括载荷单元、信号探测及转换单元、信号预处理单元和中央处理器；所述待测三维编织复合材料设置在所述载荷单元中，由所述载荷单元对待测材料施加外部负载；所述信号探测及转换单元探测并转换三维编织复合材料产生的声发射信号；所述信号预处理单元对探测得到的信号进行匹配，放大及滤波，后将信号输入所述中央处理器中，对检测信号进行数据分析。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚楠，万振凯，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]