CN103712998A - 具有嵌入粒子的结构的非破坏性检查 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是具有嵌入粒子的结构的非破坏性检查。一种系统，其包括具有在结构（110）内的水平面（114）处嵌入的粒子的结构（110），以及用于捕获水平面（114）处的粒子图像的X射线成像设备（420）。

Description

具有嵌入粒子的结构的非破坏性检查
背景技术
非破坏性检查（NDE）可用于评估复合结构的性能。例如，NDE如超声波测试可显示内部结构的不一致，例如空隙、起皱、裂缝和剥离。
然而，超声波测试未显示复合结构内的内应变。其他技术可确定复合结构表面或者主体处的应变，但是不能确定复合结构内的应变。
非破坏性地确定复合结构内的应变是令人期望的。
发明内容
根据本文实施方式，一种系统包括具有在结构内的水平面处嵌入的粒子的结构，以及用于捕获在该水平面处的粒子的图像的X射线成像设备。
根据本文另一个实施方式，在具有嵌入粒子的结构上执行非破坏性检查的方法包括：用X射线照射该结构；形成被照射结构的图像，所述图像显示粒子；以及确定图像中粒子的位移。
根据本文的另一个实施方式，层压板包括基体中的多层强化纤维。基体包含嵌入不同层内的金属粒子的图案，其中嵌入不同层内的粒子通过公称尺寸和组成中的至少一个进行区别。
这些特征和功能可在各种实施方式中单独地实现或者可在其他实施方式中被组合。可参照以下描述和附图看出本实施方式的进一步细节。
附图说明
图1是包括嵌入粒子的结构的图解。
图2A和图2B是在结构受到应力之前和之后嵌入结构内的粒子的图解。
图3是确定具有嵌入粒子的结构内的应变的方法的图解。
图4是确定具有嵌入粒子的结构内的应变的系统的图解。
图5是使用图4系统的方法的图解。
图6是在多个水平面处包括嵌入粒子的多层结构的图解。
图7是制造和非破坏性地检查CFRP层压板的方法的图解。
具体实施方式
参照图1，其图解了包括嵌入粒子的结构110。在一些实施方式中，结构110可以是复合层压板，其由嵌入基体内的多层强化纤维构成。例如，层压板可包括嵌入塑料基体内的多层碳强化纤维。在图1中，每个元件112代表了多个层。在其他实施方式中，结构110可包括两个或更多个构件112（例如，刚性复合构件），所述构件在粘合层处粘附地结合在一起。
粒子被嵌入在结构110表面下的水平面114处。如图1所示，水平面114位于表面下的深度(d)处。对于包括在粘合层处粘附地结合在一起的构件112的结构110，粒子可被嵌入粘合层中。也就是说，粘合层位于表面下的深度(d)处。对于包括多个被层压的层112的结构110，粒子可被嵌入一个或更多个层内。也就是说，包含嵌入粒子的层或者多个层在表面下的深度(d)处。
嵌入粒子是由对X射线不是完全透过的材料制成。例如，嵌入粒子可发荧光、散射或者吸收X射线。在一些实施方式中，粒子可以是金属粒子。粒子可以是微米级大小的或者更小。
现在参照图2A，其示出多个嵌入粒子210。粒子210以不均匀和不规则的图案被布置。在一些实施方式中，粒子210可被布置成簇。在其它实施方式中，粒子210可布置成随机图案。例如，粒子210可布置成随机斑点图案。
结构110可经受来自外力和/或内力（例如，通过温度循环）的应力。应力引起结构110中的应变。例如，在由复合纤维增强塑料（CFRP）所制成的层压板中，应变可造成变形或者内部不一致，例如空隙、起皱、裂缝和剥离。
现在参照图3，其图解了确定在其中嵌入粒子的具有粒子的结构内的应变的方法，其中粒子对于X射线不是完全透过的。在方块310处，用X射线照射该结构。除了粒子之外，该结构可完全透射X射线。粒子防止X射线完全透射。例如，粒子可发荧光、散射或者吸收X射线，或者粒子可反射X射线（例如，在切线入射（grazing incidence）处）。
在方块320处，形成被照射结构的图像。图像示出结构内的水平面处的粒子的图案。
在方块330处，处理图像，来确定在所述水平面的不同位置处的粒子的位移。在方块340处，根据位移计算应变。
参照图2A和2B，图解了嵌入结构110内的水平面处的粒子210。设定图2A是在结构110经受应力之前粒子210的基线图像，并且设定图2B是在结构110已经受应力之后粒子的图像。像素块（pixel block）220包含若干粒子210。注意图2B中的像素块220的偏移。偏移表明像素块220内的粒子210由于应力已经被移位。
可以根据数字图像相关法(digital image correlation)（DIC）计算位移和应变。DIC是一种光学方法，其采用精准地测量图像变化的跟踪和图像配准技术。DIC可执行多个图像上的图案识别。每个图像可被分解成覆盖一定数量（例如，五个至七个）粒子的像素块（例如，15×15像素块、25×25像素块、15×20像素块）。在所有图像中找到这些像素块，然后确定每个图像中的每个像素块的形状。每个像素块的形状的变化确定在所述水平面的位置处的位移。以这种方式，在所述水平面的不同位置处确定位移。
然后，可以在每个块的中心计算一组应变。所述水平面的应变场（strain field）可被表达为应变的矩阵。根据材料弹性区域内的应力对应变曲线，也可以确定内部模数性质。
现在参照图4，其图解了用于确定结构110内的水平面处的应变的系统410，其中粒子被嵌在该水平面处。系统410包括用于捕获结构110内的粒子的图像的成像设备420。图4的成像设备420包括第一和第二X射线源422以及第一和第二X射线探测器424。源422可提供准直的X射线。如果粒子阻挡X射线，探测器可包括将X射线转换成电信号的半导体探测器，或者将X射线转换成可视光、其然后被转换成电信号的半导体探测器。如果粒子响应于X射线发荧光，则可通过能散探测形成图像。
图像的高对比度是令人期望的。可以调整源422、结构110、以及探测器424之间的距离，从而给出适当的视野和最佳对比度。
第一和第二探测器424可在相对于粒子以一定角度定向，从而在图像中形成深度感（depth perception）。深度感又能够使结构不一致如内部剥离被识别。
本文中系统不被限制于两个探测器。一些实施方式可仅包括单个探测器。其他的实施方式可包括多于两个的探测器。
系统410还包括计算机430，其被编程处理由探测器424所形成的图像。所述处理包括图像内的粒子的像素块的数字图像相关法。计算机430可使用商业现成DIC软件如ARAMIS软件编程。
在一些实施方式中，计算机430可被进一步编程，以从应变场识别内部结构的不一致。例如，应变场可与相应于不同类型的结构不一致的基线数据比较。在其他实施方式中，技术人员可分析应变场以识别结构的不一致。
图5是使用图4系统以在具有嵌入水平面处的粒子的结构上执行非破坏性检查的方法。在方块510处，计算机430访问结构的基线图像。基线图像代表“健康的”结构。在结构投入使用之前可以获取基线图像，或者可以在已受到应力后稍后的时间获取它。
在方块520处，计算机430命令成像设备420捕获结构110内的一个或更多个粒子图像。在方块530处，计算机430处理所捕获的图像和基线图像，从而在每个水平面处探测许多像素块的位移。若干像素块可被用于确定给定位置处的位移值。
在方块540处，计算机430根据像素块位移来确定应变，以及在所述水平面处被表示为应变场。如果结构110包括在粘合层处粘结在一起的两个部分，并且粒子被嵌入粘合层内，那么在粘合层的水平面处确定应变场。如果结构110是层压板，并且层中的一个用粒子嵌入，则在那个层的水平面处确定应变场。
在方块550处，应变场用于识别内部结构的不一致，例如空隙、起皱、剥离和裂缝。例如，剥离随着面外位移（在3D图像中）的变化显现，而裂缝或者起皱随着大的局部应变显现。
本文结构不被限于单个水平面处的粒子。在一些实施方式中，结构可包括在多个水平面处嵌入的粒子。
图6是包括多个水平面处嵌入的金属粒子的层压板610的图解。不同类型的粒子嵌入不同的层中。通过公称尺寸和/或组成可以区别粒子的类型。仅仅作为一个例子，一个层612可用铜粒子嵌入，另一个层614可用钛粒子嵌入，另一个层616用铝粒子嵌入等等。其他金属包括，但不限制于金、银、钨和铁。结构的其他层618不包含影响X射线的粒子。
图6示出嵌入金属粒子的每个其他层。然而，实际上，在具有嵌入粒子的层之间存在较大的间距。仅仅作为一个例子，在具有三十层的层压板中，每六个层中的一个可包含金属粒子。
现在参照图7，其图解了CFRP层压板的制造和非破坏性检查。在叠层(layup)之前，用具有不同类型的粒子分布在其中的树脂预浸渍层压板的不同层（方块710）。用树脂预浸渍那些不包含粒子的层。在叠层层压板（方块720）的过程中，预浸渍的层可被放置在成型工具上。
在叠层已固化（方块730）后，执行非破坏性检查。在非破坏性检查过程中，使用X射线照射层压板，并且使不同水平面处的粒子成像（方块740）。在一些实施方式中，在不同的X射线能级下可以依次照射所述水平面，从而形成不同水平面的图像。在其他实施方式中，可以照射不同的水平面并且一次（single pass）成像。不同水平面处的粒子可以通过其吸收的能量的量来区分。例如，铅粒子比钛粒子吸收更多的能量，因此，在图像中将具有较低的灰度值。
在其他实施方式中，不同的粒子以不同的频率吸收X射线和发荧光。通过能散探测可以形成不同水平面的图像，其将允许区分不同粒子的荧光光谱。例如，钛、铜、钨、以及铅的荧光光谱在不同的水平面处分散。
使用DIC，在每个不同水平面的不同位置处，确定图像中的金属粒子的位移（方块750）。对不同的水平面计算应变场（方块760）。

Claims (16)

1.一种系统，其包括：
结构（110），其具有在所述结构（110）内的水平面（114）处嵌入的粒子（210）；以及
X射线成像设备（420），其用于捕获所述水平面（114）处的所述粒子（210）的图像。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括计算机，其被编程以分析所述图像，从而确定（340）所述水平面的不同位置处的应变。
3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括根据所述应变识别（550）内部结构的不一致；并且
其中确定所述应变包括形成包含所述粒子（210）的像素块（220），以及确定（530）所述像素块（220）形状的变化；并且
其中所述计算机（430）被编程以执行所述图像中的所述粒子（210）的数字图像相关法。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像设备包括所述结构（110）一侧上的第一X射线源和第二X射线源（320），以及所述结构（110）相对侧上的至少一个X射线探测器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述粒子（210）以不均匀的、不规则图案被布置；并且
其中所述粒子（210）是金属粒子。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构（110）包括由粘合剂层结合的第一构件和第二构件（112），所述粘合剂层含有所述粒子（210）的图案。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构（110）包括层压板（112），并且其中所述粒子（210）被嵌入在所述层压板（112）的层（612、614、616）中的至少一个内。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构（110）包括嵌入基体内的强化纤维的层（612、614、616）；并且其中不同类型的所述粒子（210）被嵌入所述结构（110）内的不同层（612、614、616）中。
9.一种在具有嵌入粒子（210）的结构（110）上执行非破坏性检查的方法，所述粒子被嵌入在所述结构（110）内的水平面（114）处，所述方法包含：
用X射线照射（310）所述结构（110）；
形成（320）所述被照射结构（110）的图像，所述图像显示所述粒子（740）；以及
确定（330）所述图像中的所述粒子的位移（750）。
10.根据权利要求9所述的方法，其中照射所述粒子（210）以发荧光、散射或者吸收所述X射线（740）。
11.根据权利要求9所述的方法，其中确定（330）所述位移包括确定（530）所述图像中的像素块（220）的形状变化；以及根据所述位移（340）确定应变。
12.根据权利要求9所述的方法，其中计算机（430）被用于执行数字图像相关法（DIC），以确定（330）所述粒子（210）的所述位移。
13.根据权利要求9所述的方法，其中形成（320）所述图像包括在相对于所述粒子（210）的一定角度下，使用第一探测器和第二探测器（424），以形成所述图像中的深度。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述粒子（210）被嵌入多个层（612、614、616）中，其中通过公称尺寸和/或组成区分嵌入所述层（612、614、616）内的所述粒子（210）；
其中在不同的X射线能级下照射（740）具有嵌入粒子（210）的所述层（612、614、616）；以及
其中对具有嵌入粒子（210）的每个层（612、614、616）确定（750）所述图像中的所述粒子（210）的位移。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述粒子（210）被嵌入在不同层（612、614、616）内，其中通过公称尺寸和/或组成区分嵌入所述不同层（612、614、616）内的所述粒子（210）；其中具有嵌入粒子（210）的所述不同层（612、614、616）被照射（740）以发荧光，并且其中形成（320）所述图像包括使用能散探测使所述荧光粒子（210）成像。
16.一种层压板（110、610），其在基体内包括强化纤维的多个层（612、614、616、618），所述基体含有嵌入在不同层（612、614、616）内的金属粒子的图案，其中通过公称尺寸和组成中的至少一个区分嵌入所述不同层（612、614、616）内的所述粒子（210）。
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