CN108037091A - 复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统，该系统可以快速对复合材料气瓶内部进行清洗，并使用红外热像仪对清洗之后的复合材料气瓶进行红外热像采集，通过图像分析处理软件计算分析出复合材料气瓶是否存在疲劳损伤及缺陷。利用红外检测法可大大提高对复合材料气瓶疲劳损伤的检测效率和检测精度，十分适合工业上对复合材料气瓶疲劳损伤的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外探测系统，尤其是涉及一种复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统。
背景技术
复合材料气瓶因其有质量轻、强度高、抗疲劳性能好等优点，目前广泛应用在航空、航天、船舶、汽车等领域。在当前的使用环境下，复合材料气瓶由于其使用特点，长期处于交变载荷作用之下，属于全复合材料的疲劳高压容器。复合材料气瓶在制造与使用过程中产生的缺陷与损伤是导致复合材料气瓶失效或事故的主要原因，并且由于复合材料疲劳断裂过程在宏观形貌上没有明显的变形，这就给疲劳损伤的发现带来了极大困难，为了确保复合材料气瓶的安全使用，因此必须采用无损检测技术对复合材料气瓶缺陷进行检测。这对评价复合材料气瓶的服役性能与鉴定复合材料气瓶的失效具有重要作用。
目前，行业标准NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》中简要介绍了射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等9种承压设备无损检测方法。超声检测方法是复合材料无损检测应用最广泛的技术，虽然可以较早发现缺陷，但难以提供缺陷的位置、尺寸等详细信息；射线检测方法虽然具有缺陷显示直观、对构件无损无污染等优点，但检测效率不高且射线对人体有害等。同时，这些种无损检测方法难以对复合材料气瓶发展初期的潜在缺陷进行检测，并且这些无损检测目前大多集中应用在对金属材料气瓶的检测上，对复合材料气瓶检测的研究不够深入。但近年来随着红外热成像技术的发展，国内外开始研究利用红外热像仪检测应力分布，并将该技术应用于特种设备行业。相比其他无损检测技术，红外热成像检测方法具有快速、直观、实时、非接触、无需耦合、可探测面积大、远距离检测等优点，非常适合用于复合材料气瓶疲劳损伤的检测。
图1是超声检测系统结构框图；超声检测是复合材料无损检测应用最广泛的技术。超声检测的基本原理为利用超声波在介质传播过程中的衰减及在界面处的反射折射，由发射探头向被检件发射超声波，接收探头接收从界面处反射回来的超声波或者透过被检件后的透射波，以此来检测被检件内部是否存在缺陷，并进行定位定性与定量分析。
超声检测尤其是超声C扫描检测，具有显示直观、检测速度快、测试精度高等优点。超声C扫描自动检测技术是根据被检测工作的检测要求和几何形状，按照设计路径对被测工件进行自动扫描，以二维图像的方式直观显示被测工件的内部缺陷情况。由于该检测过程无需人工干预，故具有更高的检测可靠性。该技术综合超声检测、机械、电子、控制、软件等技术于一体，在航空航天等工业领域得到广泛应用。超声C扫描检测系统主要由超声C扫描探伤仪、超声C扫描控制器、机械传动机构和水箱以及计算机系统四个部分组成，其检测系统结构框图如下所示。
超声C扫描检测属于超声检测的一种，超声检测的传统方法为接触式检测，检测过程中需要使用耦合剂，即在超声探头和被检试件之间必须用水或其他液体作为声耦合介质，这对检测复合材料构件带来了极大的不便。同时超声检测要求操作者必须熟练使用超声探头，并且在实际操作检测中，可能由于受到探头部位的限制，对检测复合材料气瓶某些特定部位的缺陷带来不便。
图2是X射线检测系统流程简图。X射线检测技术也是现代工业无损检测中的常用技术之一。X射线是一种波长短、穿透力很强的电磁波，X射线探伤技术在所有无损检测技术中使用量约占40％左右。常规X射线检测技术是一种以X射线发生器为射线源，以工业胶片为感光和成像介质，以观片灯为观察和分析平台的，可以探测构件内部缺陷的无损检测方法。
X射线检测方法其原理是根据被检测工件各部分厚度、密度等的不同，引起X射线的吸收和散射特性不同，会导致存在缺陷的胶片图像有所不同。当X射线透过被检工件时，不同厚度、密度区域所吸收的射线强度不同，当这些不同吸收程度的射线投射到胶片上，暗室处理后，可得到体现工件厚度变化及内部特征的照片，从而对被检测工件的尺寸、形状和质量等特征做出判断。X射线胶片法检测方法具有缺陷显示直观、定性和定量方便、适用范围广、对构件无损无污染等优点，被广泛应用于工业探伤。
X射线胶片法检测过程如下：a.X射线透过工件材料到达感光胶片，使得胶片受到透射线的感光；b.当射线束遇到裂纹、气孔、夹渣、分层等缺陷时，会受到一定程度的散射和吸收；c.透过工件的这些射线束在胶片上会留下强度变化特征，并在胶片底片显示出阴影区；d.根据阴影区域的形状大小和明暗变化趋势等来判断被检工件内部的缺陷形状、大小和性质。
X射线胶片法检测方法需要使用工业胶片，工业胶片费用高昂，并且X射线胶片法检测效率不高，对小间隙焊缝的裂纹和其他缺陷，以及锻件、管和棒等型材内部的分层缺陷不敏感，无法有效检测。另外，X射线胶片检测法中，需要人员及时出入现场操作和协调，这些对操作人员有一定伤害，必须在检测中采取有效地保护措施，并且频繁的调试设备对实验结果也有一定影响。
复合材料气瓶由于其使用特点，长期处于交变载荷作用之下，属于全复合材料的疲劳高压容器，疲劳损伤是影响气瓶安全使用的重要原因之一。由于复合材料疲劳断裂过程在宏观形貌上没有明显的变形，给疲劳损伤的发现带来极大困难，因此必须采用无损检测技术对复合材料气瓶进行检测。上述超声和X射线检测都存在许多缺点和问题，本发明针对以上问题，采用红外热成像检测技术对复合材料气瓶疲劳损伤进行定性、定量检测，实现复合材料气瓶潜在缺陷早期探测，提高复合材料气瓶运行安全，降低复合材料气瓶维修成本具有重要意义，同时也为红外热成像技术应用于特种设备的疲劳损伤检测装置提供了参考。
发明内容
本发明提供了一种复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统，该系统可以快速对复合材料气瓶内部进行清洗，并使用红外热像仪对清洗之后的复合材料气瓶进行红外热像采集，通过图像分析处理软件计算分析出复合材料气瓶是否存在疲劳损伤及缺陷。利用红外检测法可大大提高对复合材料气瓶疲劳损伤的检测效率和检测精度，十分适合工业上对复合材料气瓶疲劳损伤的检测。
复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统包括红外热成像系统、固定支架、流水线检测装置、气瓶内部水蒸气清洗系统、USB数据连接线、计算机和电源，其中流水线检测装置位于复合材料气瓶的下方，复合材料气瓶位于红外热成像系统下方；红外热成像系统通过固定支架固定；红外热成像系统通过USB数据连接线与计算机相连，计算机内置红外热像图分析处理软件；电源为红外热成像系统和计算机供电。
所述的流水线检测装置为自动控制转子传动系统，可满足被测气瓶在流水线检测中传动、紧固、旋转等操作。
所述的红外热像图分析处理软件可对采集到气瓶表面红外热像图进行分析，得到气瓶表面的温度场分布图，区分被测气瓶是否存在疲劳损伤及缺陷。
本发明的有益之处在于：
(1)本发明技术所包含的复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统以及红外检测方法具有快速、非接触、无需耦合、大面积、实时、远距离检测等优点，可以对复合材料气瓶疲劳损伤进行在线实时检测，可节约检测机构及被检测厂家大量宝贵时间，且检测结果更具有影响力，说服力；
(2)目前市场上红外热像仪主要为观察型和测温型两类，在复合材料疲劳损伤检测方面应用较少，本发明技术可探索分析型红外热像仪在特种设备领域的应用方法，可以开拓一个庞大应用领域；
(3)本系统构造简单，对环境要求低，方便成像，并使用水蒸气进行气瓶内部清洗符合
环保标准，可以循环再利用。
附图说明
图1是超声检测系统结构框图；
图2 X射线检测系统流程简图；
图3是复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统结构示意图；
图4是复合材料气瓶疲劳损伤红外探测另一个系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方式进行说明：
本发明提供一种复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统包括红外热成像系统1、固定支架2、流水线检测装置3、气瓶内部水蒸气清洗系统4、USB数据连接线5、计算机6和电源7等部分组成。流水线检测装置3位于红外热成像系统1下方；红外热成像系统1通过固定支架2固定；红外热成像系统1通过USB数据连接线5与计算机6相连，计算机6内置红外热像图分析处理软件；电源7为红外热成像系统1和计算机6供电。
所述的红外热成像系统型号为Optris PI450型红外热像仪，测温范围为-20℃～900℃，测温精度为±2％，热灵敏度为0.04K。
被测气瓶通过流水线检测装置时，先行通过传动装置将被测气瓶传动至气瓶内部水蒸气清洗系统处，采用紧固装置对紧固被测气瓶，开始气瓶内部水蒸气清洗，清洗完毕后解除紧固，将被测气瓶进行匀速旋转，此时红外热成像系统可以采集到该时间段的气瓶表面红外热像图，红外热像图通过USB数据连接线传输到计算机，计算机内置图像分析处理软件，提取气瓶表面的温度场分布图，根据被测气瓶损伤处表面温度低于正常的表面温度，从而确定被测气瓶是否含有疲劳损伤和缺陷，并通过计算机分析处理结果，进一步得到所含疲劳损伤和缺陷的大小和位置，并通过计算机生成检测报告。
如图4所示，示出了复合材料气瓶疲劳损伤红外探测另一个系统结构示意图。可将复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统中的气瓶内部水蒸气清洗子系统换成脉冲激励子系统。即将激励热源由气瓶内部水蒸气换成两个高能闪光灯，两个高能闪光对称的放置在中心线(红外热像仪镜头到被检测平面的垂直线)两旁，并调整高能闪光灯的高度，使加热热流均匀照射在被检测平面上，同时设置有热源控制器，通过热源控制器来控制高能闪光灯的发出的热量。此时红外热成像系统可以采集到该时间段的气瓶表面红外热像图，红外热像图通过USB数据连接线传输到计算机，计算机内置图像分析处理软件，提取气瓶表面的温度场分布图，根据被测气瓶损伤处表面温度低于正常的表面温度，从而确定被测气瓶是否含有疲劳损伤和缺陷，并通过计算机分析处理结果，进一步得到所含疲劳损伤和缺陷的大小和位置，并通过计算机生成检测报告。
当然，可以同时设置气瓶内部水蒸气清洗系统处以及脉冲激励子系统两者，采用结合的方式进行红外线探测，采用两者的好处在于精度更大，而且控制更加有效。
Claims (5)
1.复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统,其特征在于该系统包括红外热成像系统(1)、固定支架(2)、流水线检测装置(3)、气瓶内部水蒸气清洗系统(4)、USB数据连接线(5)、计算机(6)和电源(7)，其中流水线检测装置(3)位于复合材料气瓶的下方，复合材料气瓶位于红外热成像系统(1)下方；红外热成像系统(1)通过固定支架(2)固定；红外热成像系统(1)通过USB数据连接线(5)与计算机(6)相连，计算机(6)内置红外热像图分析处理软件；电源(7)为红外热成像系统(1)和计算机(6)供电。
2.一种根据权利要求1所述的复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统，其特征在于：所述的热成像系统(1)型号为Optris PI450。
3.一种根据权利要求1所述的根据所述的复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统，其特征在于：所述的流水线检测装置(2)为自动控制转子传动系统。
4.复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统,其特征在于该系统包括红外热成像系统、固定支架、流水线检测装置、脉冲激励子系统、USB数据连接线、计算机和电源，其中流水线检测装置位于复合材料气瓶的下方，红外热成像系统通过固定支架(2)固定；红外热成像系统通过USB数据连接线与计算机相连，计算机内置红外热像图分析处理软件；电源为红外热成像系统和计算机供电。
5.一种根据权利要求1所述的根据所述的复合材料气瓶疲劳损伤红外探测系统，其特征在于：所述脉冲激励子系统为高能闪光灯。
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