CN102023171A

CN102023171A - 用ct值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法

Info

Publication number: CN102023171A
Application number: CN2010105435317A
Authority: CN
Inventors: 金虎; 陈颖; 任华友; 朱军辉
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: CN102023171B

Abstract

用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，通过利用夹杂缺陷模拟试样，建立不同类型、不同尺寸的夹杂缺陷CT值与像素关系曲线图谱，实际检测过程中利用该图谱来定量表征夹杂缺陷的类型。本发明通过制作夹杂缺陷模拟试样，建立不同类型、不同尺寸的夹杂缺陷CT值与像素关系曲线图谱，实际检测过程中利用确定的图谱来定量表征夹杂缺陷的类型；本发明采用像素平均法对夹杂缺陷的CT值进行准确的测量，排除了容积效应和点扩展现象对夹杂缺陷CT值的影响，实现了夹杂缺陷CT值的准确测量；本发明确定的检测条件保证了检测结果CT图像的质量，高的信噪比、没有伪像或轻微的伪像等。

Description

用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，特别是涉及一种用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，属于无损检测技术领域。

背景技术

复合材料广泛应用于航空航天、电力、冶金、汽车制造等诸多领域，起到减轻重量、防热隔热等各种作用，在工程技术应用领域的地位越来越重要。复合材料的内部质量对于复合材料的性能有至关重要的影响，复合材料内部常见的缺陷包括夹杂、孔洞、裂纹、密度不均等。

工业CT是八十年代末发展起来的先进的无损检测技术，目前已工业CT已在航天、航空、军事、核能、石油、电子、机械、考古等领域广泛应用。工业CT给出试件的断层扫描图像，从图像上可以直观看出目标细节的空间位置、形状、大小，感兴趣的目标不受周围细节特征的遮挡，图像容易识别和理解；工业CT具有突出的密度分辨能力，高质量的CT图像可达0.1％甚至更高，比常规射线检测技术高一个数量级。工业CT图像是数字化的结果，从中可以直接给出像素值、尺寸等物理信息，数字化图像便于存储、传输、分析和处理等。工业CT在复合材料检测上的经济价值表现在缩短研究周期、减少盲目性、增加设计的选择性几方面。

国外利用CT技术对复合材料进行无损检测已有很长的时间，并取得了很多的成果，主要体现在提高缺陷的检测精度方面。国内利用CT技术对复合材料进行无损检测的工作还处于起步阶段，主要根据缺陷图像的某种特征来定性的定义缺陷，对于夹杂缺陷的判断主要根据亮度对比和缺陷形状，将亮度明显高于复合材料亮度、具有明显形状的缺陷定义为夹杂缺陷，但不能真正的确定夹杂类型，也就无法针对不同类型夹杂在复合材料中随生产过程的变化情况和对最终产品的性能影响进行研究。现有国内外CT无损检测方法都无法解决复合材料内部夹杂缺陷准确定量和定性检测的难题，利用CT技术对复合材料的内部缺陷进行CT值意义上的定量研究未见公开文献报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法。

本发明的技术解决方案是：用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，通过以下步骤实现：

第一步，标定CT设备；

第二步，确定测试条件，即测试时CT设备的电压和电流；

第三步，制作复合材料夹杂缺陷模拟试样，

在复合材料增强纤维编织过程中加入不同尺寸的夹杂缺陷，按照待测复合材料加工工艺将夹杂了缺陷的增强纤维制作成复合材料夹杂缺陷模拟试样；

第四步，建立第三步制作的复合材料夹杂缺陷模拟试样的CT值-像素尺寸拟合曲线，

A4.1、利用第一步标定的CT设备采用第二步确定的测试条件在不同的像素尺寸下测试第三步得到每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样；

A4.2、利用像素平均法确定每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样在不同像素尺寸的CT值，像素平均法确定CT值的标准，缺陷尺寸小于单个像素对角尺寸时，以缺陷相邻四个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于单个像素对角尺寸、小于两个像素对角尺寸，以缺陷相邻九个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于两个像素对角尺寸时，以缺陷填满的像素中最大CT值表征缺陷的CT值；

A4.3、利用步骤A4.2中不同像素尺寸与CT值的关系，得到不同夹杂缺陷的不同尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线；

第五步，利用CT设备采用第二步确定的测试条件在不同像素尺寸下测试待检测复合材料，利用像素平均法得到待检测复合材料的夹杂缺陷的CT值-像素尺寸拟合曲线；

第六步，将第五步得到的待检测复合材料的夹杂缺陷的CT值-像素尺寸拟合曲线与第四步确定的不同夹杂缺陷的不同尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线对比，定量确定待检测复合材料中夹杂缺陷的类型。

所述步骤A4.2和第五步中不同像素尺寸下的CT值为在同一像素尺寸条件下不少于6次测试的平均值，得到每一个CT值的标准差，标准差最大的数值作为CT值-像素尺寸拟合曲线的误差范围。

所述第三步中夹杂缺陷的尺寸从0.25～1mm中选取不少于6个。

所述第四步、第五步中像素尺寸的选择在CT设备测试范围内不少于10个。

所述第一步测试条件为复合材料密度在0.5～2.5g/cm³，CT设备的电压为120kV～140kV，电流为200mA～300mA。

所述第三步在增强纤维编织过程中加入的夹杂缺陷为铁、铝或铜。

所述第三步复合材料夹杂缺陷模拟试样的形状和CT切片方向的尺寸与待检测复合材料一致，或成比例的缩小，复合材料夹杂缺陷模拟试样的高度为CT设备检测层厚度的整数倍。

本发明设计原理：

1、制作CT值标定试样标定CT设备

制作水模试样和复合材料试样，用于测试CT检测过程中各种因素对检测结果CT值的影响和确定检测条件和检测工艺。

2、制作夹杂缺陷模拟试样

根据生产工艺确定待检测复合材料生产过程中常见的夹杂缺陷，制作相应类型和尺寸的夹杂缺陷模拟试样。

3、建立已知夹杂缺陷的拟合关系曲线

利用制作的模拟夹杂缺陷试样，根据CT成像原理和图像与像素的关系，建立不同类型、尺寸夹杂缺陷的CT值与像素关系拟合曲线。

4、实际检测

产品检测过程中，发现夹杂缺陷，得到未知夹杂缺陷的CT值和像素尺寸表征的采样点，利用已建立的夹杂缺陷拟合曲线图谱判定该夹杂缺陷类型。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过制作夹杂缺陷模拟试样，建立不同类型、不同尺寸的夹杂缺陷CT值与像素关系曲线图谱，实际检测过程中利用确定的图谱来定量表征夹杂缺陷的类型；

(2)本发明采用像素平均法对夹杂缺陷的CT值进行准确的测量，排除了容积效应和点扩展现象对夹杂缺陷CT值的影响，实现了夹杂缺陷CT值的准确测量；

(3)本发明确定的检测条件保证了检测结果CT图像的质量，高的信噪比、没有伪像或轻微的伪像等。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明铝夹杂缺陷CT值-像素尺寸关系拟合曲线图；

图3为本发明铜夹杂缺陷CT值-像素尺寸关系拟合曲线图；

图4为本发明铁夹杂缺陷CT值-像素尺寸关系拟合曲线图；

图5为本发明利用夹杂缺陷CT值-像素尺寸关系拟合曲线图定量表征夹杂类型示意图。

具体实施方式

利用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法是利用CT检测技术的检测结果检测图像CT值来定量描述夹杂缺陷的类型，CT值的物理含义是表征该处材料的线衰减系数，图像上为像素值。在排除检测过程中材料因素和非材料因素影响的前提下，利用已知不同尺寸、不同类型的夹杂缺陷模拟试样建立其与像素尺寸的关系曲线；实际检测过程中，对发现的已知尺寸、未知类型的夹杂缺陷同样建立其CT值与像素尺寸的关系曲线，将该曲线与已知曲线进行对比和差值从而确定夹杂缺陷的类型。

本发明如图1所示，实施方式如下：

(1)标定试样的设计与制备，CT设备的标定

根据CT检测技术的原理及实际检测经验，设计并制作相应的CT值标定试样(具体加工方法和标定方法见GJB5312-2004)包括水模试样、复合材料试样；水模试样为圆柱形，外壳采用有机玻璃，试样的直径大于等于被检产品的最大直径，试样高度为CT设备检测层厚度的整数倍，一般为10mm厚。水模试样中装满纯净水，不能留有空气。复合材料试样应与被检产品为同一种材料，采用同样的生产工艺生产。利用制作的CT值标定试样对CT设备进行标定，具体标定方法见GJB5312-2004。

(2)量化材料因素和非材料因素对CT值的影响

利用以上标定试样分别测试产品形状、产品的尺寸、缺陷位置、检测条件、摆放位置等材料因素和非材料因素变化引起的CT值的变化规律，从而量化这些因素对CT值的影响，同时确定检测条件和检测工艺并确保该检测参数和检测工艺的一致性。根据大量试验得知，产品形状、产品的尺寸、缺陷位置、摆放位置对检测结果CT值的影响很小一般为3％左右，对试验结果的影响可以忽略。检测条件对检测结果CT值的影响较大，因此必须针对具体的复合材料选择适合的检测条件，合适的检测条件必须保证检测结果CT图像的质量，高的信噪比、没有伪像或轻微的伪像等。

(3)制作夹杂缺陷模拟试样

模拟夹杂缺陷试样的形状和CT切片方向的尺寸应和被检产品一致，或成比例的缩小，高度试样高度为CT设备检测层厚度的整数倍，一般为10mm厚。夹杂缺陷的类型和尺寸为生产工艺过程中易产生的夹杂缺陷的类型和尺寸。

(4)建立夹杂缺陷与像素尺寸之间的关系曲线

利用选定的检测条件和制作的夹杂缺陷模拟试样，按照正常产品的检测工艺进行检测，改变像素尺寸同时测量夹杂缺陷的CT值，利用像素平均法测量夹杂缺陷的CT值，建立缺陷CT值与像素尺寸之间的函数关系曲线图谱作为实际产品检测过程中检测夹杂缺陷类型的依据。

像素平均法：缺陷尺寸小于单个像素对角尺寸时，缺陷最多对相邻四个像素的CT值产生影响，采用相邻四个像素CT值平均的结果表征缺陷的CT值；缺陷尺寸大于单个像素对角尺寸、小于两个像素对角尺寸，缺陷最多对相邻九个像素CT值产生影响时，采用相邻九个像素CT值平均的结果表征缺陷的CT值；缺陷尺寸大于两个像素对角尺寸时，即缺陷可以完全填满一个像素时，采用最大CT值表征缺陷的CT值。

(5)产品检测过程中夹杂缺陷类型的确定

产品检测过程中，发现夹杂缺陷，同样的建立该未知夹杂缺陷的用CT值和像素尺寸表征的采样点，将采样点与已知尺寸、类型夹杂缺陷的拟合曲线进行对比，即可确定该种夹杂缺陷的类型。

以下结合具体实施例详细介绍本发明：

1、标定CT设备。

2、确定测试条件，即测试时CT设备的电压和电流。

复合材料密度在0.5～2.5g/cm³，CT设备的电压为120kV～140kV，电流为200mA～300mA。密度增大，电压和电流也要相应的增大；密度减少，电压和电流值也可以相应的减小。

3、制作复合材料夹杂缺陷模拟试样

制作复合材料常见夹杂缺陷铝、铁和铜三种的模拟试样，夹杂缺陷的尺寸从0.25～1mm中选取不少于6个。在复合材料增强纤维编织过程中加入不同尺寸的夹杂缺陷，按照待测复合材料加工工艺将夹杂了缺陷的增强纤维制作成复合材料夹杂缺陷模拟试样。

4、建立复合材料夹杂缺陷模拟试样的CT值-像素尺寸拟合曲线

(1)利用标定好的CT设备在不同的像素尺寸下测试每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样。

(2)利用像素平均法确定每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样在不同像素尺寸的CT值，像素平均法确定CT值的标准，缺陷尺寸小于单个像素对角尺寸时，以缺陷相邻四个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于单个像素对角尺寸、小于两个像素对角尺寸，以缺陷相邻九个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于两个像素对角尺寸时，以缺陷填满的像素中最大CT值表征缺陷的CT值。

(3)利用不同像素尺寸与CT值的关系，得到不同夹杂缺陷的不同尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线。

在具体测试过程中对每一个缺陷尺寸下，在每个像素尺寸条件下测试多次，取多次测试值的平均值作为拟合曲线中的CT值，如图2、3、4中的每一个采样点都是平均值。

如图2所示，夹杂缺陷为铝的CT值-像素尺寸拟合曲线，其中横坐标为像素尺寸(mm)、纵坐标为CT值(图3～5定义一致)，图中曲线从上到下依次为缺陷尺寸为1.00mm、0.80mm、0.63mm、0.50mm、0.40mm、0.32mm、0.25mm。每个缺陷尺寸下，每一个像素尺寸条件下至少测试6次，将6个测试值平均得到拟合曲线中每个采样点的CT值，根据平均值得到每个采样点的标准差，像素尺素在CT设备允许的测试范围内至少选取10个，选取拟合曲线中各采样点中标准差最大的作为拟合曲线的误差范围，即以每一条拟合曲线为中心上下浮动一个误差范围。表1所示为图2中各条拟合曲线的误差。

表1

夹杂直径(mm)	误差(％)
		1.00	1.2
0.80	1.7
		0.63	1.6
0.50	1.7
		0.40	2.1
0.32	0.6
		0.25	0.8

如图3所示，夹杂缺陷为铜的CT值-像素尺寸拟合曲线，图中曲线从上到下依次为缺陷尺寸为0.40mm、0.32mm、0.25cm。根据多次测试值的平均，得到每一条拟合曲线的误差范围。表2所示为图3中各条拟合曲线的误差。

表2

夹杂直径(mm)

误差(％)

0.40	1.4
		0.32	2.2
0.25	0.8

如图4所示，夹杂缺陷为铁的CT值-像素尺寸拟合曲线，图中曲线从上到下依次为缺陷尺寸为0.50mm、0.40mm、0.32mm、0.25cm。根据多次测试值的平均，得到每一条拟合曲线的误差范围。表3所示为图4中各条拟合曲线的误差。

表3

夹杂直径(mm)	误差(％)
		0.50	1.4
0.40	0.9
		0.32	1.4
0.25	1.0

5、利用CT设备测试不同像素尺寸待检测复合材料，利用像素平均法得到待检测复合材料的夹杂缺陷的如图5所示若干采样点。

织物夹杂缺陷的CT值测试结果如表4所示，表中的CT值同样是在同一像素尺寸下多次测试后的平均值，(确定拟合曲线得到每一个采样点的标准差选取最大的标准差作为误差范围)。

表4未知类型、尺寸夹杂CT值与像素尺寸关系表

像素尺寸(mm)	0.74	0.70	0.66	0.63	0.59	0.55	0.51
								CT值	618	665	708	754	805	861	901
SD(标准差)	4.03	3.90	4.38	4.61	4.99	4.20	3.71
								像素尺寸(mm)	0.47	0.43	0.39	0.35	0.31	0.27	0.23
CT值	955	999	1074	1116	1152	1186	1225
								SD	4.24	4.38	3.06	4.24	4.63	4.04	3.41

在图5中将表4中的各采样点标出，再与已知材料种类和尺寸的夹杂缺陷CT值-像素尺寸拟合曲线进行对比，分析认为该夹杂与Φ0.32mm铁夹杂的拟合曲线基本一致(图5中位于中间的曲线为Φ0.32mm铁夹杂拟合曲线，上下两条曲线为Φ0.32mm铁夹杂拟合曲线的误差范围)，因此判断该夹杂为Φ0.32mm铁夹杂。通过对该试样进行解剖观察，结果表明该夹杂缺陷为直径约为0.32mm铁夹杂。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，标定CT设备；

第二步，确定测试条件，即测试时CT设备的电压和电流；

第三步，制作复合材料夹杂缺陷模拟试样，

A4.2、利用像素平均法确定每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样在不同像素尺寸下的CT值，像素平均法确定CT值的标准为，缺陷尺寸小于单个像素对角尺寸时，以缺陷相邻四个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于单个像素对角尺寸、小于两个像素对角尺寸，以缺陷相邻九个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于两个像素对角尺寸时，以缺陷填满的像素中最大CT值表征缺陷的CT值；

A4.3、利用步骤A4.2中不同像素尺寸与CT值的关系，得到由CT值和像素尺寸表征的采样点，根据采样点得到不同夹杂缺陷的不同尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线；

第五步，利用CT设备采用第二步确定的测试条件在不同像素尺寸下测试待检测复合材料，利用像素平均法得到待检测复合材料的夹杂缺陷的用CT值和像素尺寸表征的采样点；

第六步，将第五步得到的待检测复合材料的夹杂缺陷的采样点与第四步确定的不同夹杂缺陷的不同尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线对比，定量确定待检测复合材料中夹杂缺陷的类型。

2.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于：所述步骤A4.2和第五步中不同像素尺寸下的CT值为在同一像素尺寸条件下不少于6次测试的平均值，得到每一个CT值的标准差，标准差最大的数值作为CT值-像素尺寸拟合曲线的误差范围。

3.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于：所述第三步中夹杂缺陷的尺寸从0.25～1mm中选取不少于6个。

4.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于：所述第四步、第五步中像素尺寸的选择在CT设备测试范围内不少于10个。

5.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于：所述第一步测试条件为复合材料密度在0.5～2.5g/cm³，CT设备的电压为120kV～140kV，电流为200mA～300mA。

6.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于：所述第三步在增强纤维编织过程中加入的夹杂缺陷为铁、铝或铜。

7.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于：所述第三步复合材料夹杂缺陷模拟试样的形状和CT切片方向的尺寸与待检测复合材料一致，或成比例的缩小，复合材料夹杂缺陷模拟试样的高度为CT设备检测层厚度的整数倍。