CN104297265A - 基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测方法及检查系统。该方法主要是利用红外热像仪（5）记录待检测区域表面红外辐射，记录该区域温度场的变化过程；利用微波激励选择性作用原理分析温度异常区域，显示该温度异常区域的位置、大小及与周围温度正常区域的温度差的变化；输出复合材料内部是否存在积水缺陷及程度的判断结果；上述微波激励选择性作用原理，是指在非导电复合材料中微波激励只对积水有作用，所以有高温区即表明有积水，不会是其他缺陷。本发明检测灵敏度较高；结果准确可靠，操作方便，检查时间短。

Description

基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测法及系统

技术领域

本发明涉及复合材料内部积水缺陷检查技术，具体涉及非导电复合材料内部结构（包括蜂窝、夹层、夹芯等）中积水缺陷的有无及积水量的分析，属于复合材料结构安全保障领域。

背景技术

复合材料结构是将多种材料根据功能需要结合而成的，因其所特有的比强度高、比刚度高等特点而在航空航天、风力发电、交通运输、建筑工程等领域得到了广泛的应用。为了减轻结构自重，复合材料中经常采用蜂窝、夹层、夹芯等结构形式，内部有较多的空隙。复合材料构件的外层结构在外界因素（如复杂应力、高低温、冲击载荷、硬质物体的刮擦等）作用下，有可能形成损伤，出现裂纹、脱粘、小孔等缺陷，潮湿空气携带较多水汽从此类缺陷处进入蜂窝、夹层、夹芯等结构中，温度、气压等变化后，水汽凝结成液态水，难以排出。较长时间累积后，积水会对复合材料的性能产生重要影响，降低结构的可靠性。特别的，在复合材料雷达罩等重要结构中，蜂窝等处的积水会严重影响电磁波的传播，大幅度降低系统的探测能力。因此，复合材料结构将“积水”列为影响其性能的重要缺陷。

积水缺陷是复合材料结构在服役过程中累积形成的。在复合材料结构中及时准确发现积水区域对保障结构安全具有重要的意义。为此人们发展了超声波、x射线、敲击、振动频率、红外等检测技术。其中超声波检测技术效率较低，对于大面积结构其检测速度过慢；x射线检测技术对周围生物体会造成不良影响，其应用受到严格限制；敲击法和振动频率法检测效率也不高，并且检测过程中有较大的不确定性，特别是对于较复杂的结构区域难以确定检测结果。红外检测技术具有准确、快速、无污染等优点，得到了较多的应用。红外检测技术有主动式和被动式两种方法，主动式检测方法需要对被测结构进行热激励，利用在温度升高或降低过程中积水区域与正常区域温度场的差异分析其状态。被动式检测方法所应用的对象与周围环境有温度差，所以不对被测结构进行热激励，利用自然形成的温度场在温度升高或降低过程中积水区域与正常区域温度场的差异分析其状态，如飞机在飞行过程中表面与空气剧烈摩擦，刚降落的飞机表面温度较高，该温度差可供红外检测用。主动式检测方法受到的制约较少，其实施的时间、场合等可以根据需要进行选择，更重要的是可以通过控制热激励过程使得内部缺陷产生的表面温度异常更明显，从而提高红外检测的灵敏度和可靠性。

主动式检测方法需要对被测区域进行适当的热激励。目前主要采用加热垫、热气流、红外灯、超声波等方法。这些方法在复合材料内部损伤与缺陷的红外无损检测中发挥了较好的作用。但对积水检测，这些热激励方法都有一定的局限性。在积水缺陷形成的早期，复合材料内部的积水量较少，上述热激励方法形成的温度差不明显，容易产生漏检；这些热激励方式所形成的热流与复合材料中含水区域的位置、方向等对激励效果影响很大，未知积水区域所形成的温度差有可能不足以产生明显的红外异常；积水在复合材料中可能以多种形式出现，如水柱、水滴、水汽等。在前述激励方法的作用下，分散性的水滴较难检测，弥散性的水汽更难检测。

复合材料结构在服役过程中，积水缺陷呈单调累积发展，在缺陷形成的早期不易被发现，给结构运行留下了较大的安全隐患。对于雷达罩等构件，还会降低整体性能，甚至造成更大损失。采用更有效的方法及时发现并准确评估复合材料内部的含水量是保障结构安全使用的基础。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷检测方法及检查系统，适用于非导电复合材料（如玻璃纤维增强树脂材料等）等内部结构（包括蜂窝、夹层、夹芯等）的积水区域探测，能够便捷且准确地判断结构是否出现积水缺陷，特别适用于早期积水缺陷的检查。

一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1），连接微波源输出装置和微波辐射装置，将微波辐射装置对准待检测区域；步骤（2），调节微波源输出装置，激励待检测区域；步骤（3），用红外热像仪记录待检测区域表面红外辐射，记录该区域温度场的变化过程；步骤（4），将该区域温度场的变化过程送入红外热像分析系统，利用微波激励选择性作用原理分析温度异常区域，显示该温度异常区域的位置、大小及与周围温度正常区域的温度差的变化；输出复合材料内部是否存在积水缺陷及程度的判断结果；上述微波激励选择性作用原理，是指在非导电复合材料中微波激励只对积水有作用，所以有高温区即表明有积水，不会是其他缺陷。

所述的一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测方法，其特征在于：所述步骤中温度异常区域分析包括在微波激励过程中的分析,即升温阶段的分析，升温阶段的分析主要寻找温度高于正常区域的高温区；还包括在微波激励停止后被测区域在自然环境中释放热量过程中的分析，即降温阶段的分析，降温阶段的分析也主要寻找温度高于正常区域的高温区；积水对应于温度场中的高温区。

一种实现所述基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测方法的检查系统，其特征在于：包括微波源输出装置、以及通过同轴电缆与其相连的微波辐射装置，还包括红外热像仪、以及与其相连的红外热像分析系统；所述微波源输出装置用于产生强度可控的微波，所述微波辐射装置用于将微波引入待测区域，所述红外热像仪用于采集被测区域表面温度场信息，所述红外热像分析系统用于分析被测区域温度场的变化，发现温度异常区域，分析该温度异常区域的位置、大小及与周围温度正常区域的温度差的变化并显示，输出复合材料内部是否存在积水缺陷及程度的判断结果。 

有益效果：本发明的一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷检测方法及检查系统，可不受复合材料结构表面形状（包括平面或曲面）和状态（如漆层、污损等）的影响，充分利用水对微波作用很敏感、其他缺陷（如分层、脱粘、缺损等）对微波作用不敏感的特点，在复合材料内部的积水量较少时及时发现积水缺陷，实现对集聚型、分散型、弥散型等多种形式的积水实现检测，并且可以避免与其他缺陷（如分层、脱粘、缺损等）混淆。

与现有的检测方法先比，本发明具有以下突出优点：

1、可以实现对复合材料结构内部积水状态的早期检查，避免了因积水量少、形成的温度差不明显而造成的漏检；对分散性、弥散性等形态的积水缺陷也具有较好的检测效果；

2、微波激励效率高，这不仅可以节约能源，更重要的是在确定的激励参数下，温度的升高与含水量间关系清晰，可以为定量分析提供可靠依据；

3、积水、分层、脱粘、缺损等是复合材料结构的主要缺陷形式，在其他激励方式作用下，这几种缺陷均会形成温度异常区，对缺陷种类的判断带来困难；微波激励是选择性作用，在非导电复合材料中只对积水有作用，所以在微波激励方式下，有高温区即表明有积水，不会是其他缺陷，便于缺陷识别。

附图说明

图1为本发明基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测方法及检查系统示意图；

图2是微波源输出装置示意图；

图3是微波辐射装置示意图；

图中示出：1、微波源输出装置；2、微波辐射装置；3、同轴电缆；4、红外热像仪；5、红外热像分析系统，6、微波电源，7、控制器，8、磁控管9、转接系统，10、微波辐射天线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，复合材料构件在工作过程中，其外层在外界因素（如复杂应力、高低温、冲击载荷、硬质物体的刮擦等）作用下，有可能形成损伤，出现裂纹、脱粘、小孔等缺陷，潮湿空气携带较多水汽从此类缺陷处进入蜂窝、夹层、夹芯等结构中，温度、气压等变化后，水汽凝结成液态水，难以排出。较长时间累积后，积水会对复合材料的性能产生重要影响，降低结构的可靠性。特别的，在复合材料雷达罩等重要结构中，蜂窝等处的积水会严重影响电磁波的传播，大幅度降低系统的探测能力。因此，复合材料结构中的积水应及时发现并采取适当措施。

一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷检测方法，包括以下步骤：

步骤（1），连接微波源输出装置和微波辐射装置，将微波辐射装置对准待检测区域；

步骤（2），调节微波源输出装置，控制微波输出强度和作用时间，激励待检测区域；

步骤（3），用红外热成像系统记录待检测区域表面红外辐射，记录该区域温度场的变化过程；

步骤（4），将该区域温度场的变化过程送入红外热像分析系统，分析温度异常区域，显示该温度异常区域的位置、大小及与周围温度正常区域温度差的变化；输出复合材料内部（包括蜂窝、夹芯和夹层等）是否存在积水缺陷及程度的判断结果。

进一步的，所述步骤（4）中温度异常区域分析包括在微波激励过程中（升温阶段）分析，还包括在微波激励停止后的一段时间内、被测区域在自然环境中释放热量（降温阶段）分析，其中在升温阶段主要寻找温度高于正常区域的高温区，在降温阶段主要寻找温度高于正常区域的高温区。这两种高温区均对应于复合材料内部积水区域。

如图1所示的，一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷检查系统，包括微波源输出装置1、微波辐射装置2、同轴电缆3，红外热像仪5、红外热像分析系统4；如图2所示的微波源输出装置1包括微波电源6、控制器7和磁控管8，如图3所示的微波辐射装置2包括同轴电缆3、转接系统9和微波辐射天线10；所述微波源输出装置1用于产生适当强度的微波，所述微波辐射装置2用于将微波引入待测区域，所述红外热像仪5用于采集被测区域表面温度场信息，所述红外热像分析系统4用于分析被测区域温度场的变化，发现温度异常区域，分析该温度异常区域的位置、大小及与周围温度正常区域的温度差的变化并显示，输出复合材料内部（包括蜂窝、夹芯和夹层等）是否存在积水缺陷及程度的判断结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1），连接微波源输出装置（1）和微波辐射装置（2），将微波辐射装置（2）对准待检测区域；

步骤（2），调节微波源输出装置（1），激励待检测区域；

步骤（3），用红外热像仪（5）记录待检测区域表面红外辐射，记录该区域温度场的变化过程；

步骤（4），将该区域温度场的变化过程送入红外热像分析系统（4），利用微波激励选择性作用原理分析温度异常区域，显示该温度异常区域的位置、大小及与周围温度正常区域的温度差的变化；输出复合材料内部是否存在积水缺陷及程度的判断结果；上述微波激励选择性作用原理，是指在非导电复合材料中微波激励只对积水有作用，所以有高温区即表明有积水，不会是其他缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测方法，其特征在于：所述步骤（4）中温度异常区域分析包括在微波激励过程中的分析,即升温阶段的分析，升温阶段的分析主要寻找温度高于正常区域的高温区；还包括在微波激励停止后被测区域在自然环境中释放热量过程中的分析，即降温阶段的分析，降温阶段的分析也主要寻找温度高于正常区域的高温区；积水对应于温度场中的高温区。

3.一种实现权力要求1所述基于微波激励的复合材料内部积水缺陷损伤检测方法的检查系统，其特征在于：包括微波源输出装置（1）、以及通过同轴电缆（3）与其相连的微波辐射装置（2），还包括红外热像仪（5）、以及与其相连的红外热像分析系统（4）；所述微波源输出装置（1）用于产生强度可控的微波，所述微波辐射装置（2）用于将微波引入待测区域，所述红外热像仪（5）用于采集被测区域表面温度场信息，所述红外热像分析系统（4）用于分析被测区域温度场的变化，发现温度异常区域，分析该温度异常区域的位置、大小及与周围温度正常区域的温度差的变化并显示，输出复合材料内部是否存在积水缺陷及程度的判断结果。