CN108267419A - 太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，制备胶接结构样本；利用太赫兹时域光谱系统对胶接结构样本进行测试；获取胶接结构样本粘合部分的时域信号；将时域信号变换为频域信号；对胶接结构样本在太赫兹时域光谱系统的反射模式下进行二维扫描，分别得到三维时域数据矩阵和三维频域数据矩阵；应用太赫兹三维时域数据矩阵的时间轴数据对胶接结构样本进行成像；应用三维频域数据矩阵的频谱轴数据对胶接结构样本进行成像；根据成像结果对胶接结构样本的脱粘缺陷进行人工识别。本发明不会破坏待测样本，为非接触式检测，并且在检测过程中不需要在复合材料表面涂抹其他辅助物质，避免了对样本的污染和伤害。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法。
背景技术
复合材料的胶接结构在工程应用中有诸多的优越性，胶接技术是包括国防工业在内的现代工业中越来越广泛采用的工艺技术，其中包括金属材料之间、金属材料与非金属材料之间及非金属材料之间各类材料的胶接。其中复合材料夹层结构，它是一种层合复合材料，面板和芯材用胶接的方法连接起来，具有强度高、重量小、成本低等优点，被广泛应用于航空、雷达、汽车、建筑、风电等领域。胶接的过程中工艺条件和环境的影响，容易使夹层结构胶接面产生脱粘缺陷，以及实施过程中疲劳、老化、腐蚀等各种因素也容易造成弱粘接或者脱粘缺陷，大大降低构件性能，影响复合材料的可靠性。
胶接结构界面粘接状况的无损检测技术中，常用的射线检测方法对复合材料中的分层缺陷不敏感，不易发现与射线垂直方向上的缺陷；超声波检测方法为接触式检测，且速度慢，检测周期长；红外检测法检测胶接结构，对面板的厚度和材料的导热系数有要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，利用太赫兹对电介质PMI和胶层有穿透性，对金属材料钢板有很强反射性，建立太赫兹与胶接结构的相互作用模型，对胶接结构进行反射模式的二维扫描和数据成像处理，实现脱粘缺陷的检测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，包括：
步骤(1)：制备胶接结构样本；所述胶接结构样本，包括：复合材料层和金属层，所述复合材料层和金属层之间通过胶进行部分粘合；
步骤(2)：利用太赫兹时域光谱系统对胶接结构样本进行测试；
步骤(3)：获取胶接结构样本粘合部分的时域信号作为第一时域参考信号ref1；获取胶接结构样本未粘合部分的时域信号作为第二时域参考信号ref2；
步骤(4)：将第一时域参考信号ref1进行傅里叶变换为第一频域参考信号；将第二时域参考信号ref2进行傅里叶变换为第二频域参考信号；
步骤(5)：对胶接结构样本在太赫兹时域光谱系统的反射模式下进行二维扫描，分别得到三维时域数据矩阵和三维频域数据矩阵；
步骤(6)：应用太赫兹三维时域数据矩阵的时间轴数据对胶接结构样本进行成像，根据设定时间位置对应的信号幅值、幅值最大值和延迟时间对胶接结构样本进行成像；
步骤(7)：应用三维频域数据矩阵的频谱轴数据对胶接结构样本进行成像，根据频域信号不同频点的幅值和所有频点幅值叠加值分别对胶接结构样本成像；
步骤(8)：根据步骤(6)和步骤(7)的成像结果对胶接结构样本的脱粘缺陷进行人工识别。
所述步骤(7)应用太赫兹频域信号不同频点的幅值对胶接结构样本成像，频点的选择粘合部分的与未粘合部分的频域幅值差大于设定阈值的频点；
Δf(ω)＝fref1(ω)-fref2(ω)；
其中，fref1(ω)为粘合部分的频谱，fref2(ω)为未粘合部分的频谱，Δf(ω)为粘合部分的与未粘合部分频谱的幅值差。
所述复合材料为PMI泡沫材料；所述金属层为304钢板。
所述步骤(2)采用的太赫兹时域光谱系统工作在反射模式下，实验时，胶接结构样本放置在充满干燥空气的封闭箱内，空气湿度控制在0～2％，温度控制在20℃。
所述步骤(5)的步骤为：
步骤(51)：根据第一时域参考信号ref1获得粘合部分的时域波形；根据第二时域参考信号ref2获得未粘合部分的时域波形；
步骤(52)：对胶接结构样本在太赫兹时域光谱系统的反射模式下进行X和Y方向的二维扫描，每个扫描点对应一个太赫兹时域脉冲，得到x轴、y轴和时间轴的三维时域数据矩阵；
步骤(53)：将三维时域数据矩阵进行傅里叶变换，得到x轴，y轴和频谱轴的三维频域数据矩阵。
所述步骤(6)应用太赫兹时域信号的设定时间位置对应的信号幅值对胶接结构样本进行成像，所述时间位置选择粘合部分与未粘合部分的时域信号幅值差大于设定阈值的时间位置，即第一时域参考信号ref1和第二时域参考信号ref2的幅值差大于设定阈值的时间位置；
Δf(t)＝fref1(t)-fref2(t)；
其中，fref1(t)为粘合部分的时域脉冲波形，fref2(t)为未粘合部分的时域脉冲波形，Δf(t)为粘合部分的与未粘合部分的时域信号幅值差。
所述步骤(6)应用太赫兹时域信号的幅值最大值对样本成像，所述幅值最大值是每个扫描点对应时域信号的幅值最大值。
所述步骤(6)应用太赫兹时域信号的延迟时间对胶接结构样本进行成像，所述延迟时间为粘合部分时域信号幅值最大值对应的时间位置与每个扫描点时域信号数据幅值最大值对应的时间位置之差。
fref1_max＝fref1(t0)；
f扫描_max＝f扫描(t1)；
Δt＝t0-t1；
其中，fref1_max为粘合部分所测得时域信号的幅值最大值，f扫描_max为每个扫描点所测得时域信号的幅值最大值，fref1为粘合部分所测得时域信号，f扫描为每个扫描点所测得时域信号，t0为粘合部分时域信号幅值最大值对应的时间位置，t1每个扫描点的时域信号幅值最大值对应的时间位置，Δt为延迟时间。
所述步骤(6)中，一个扫描点(x,y)对应一个时间轴数据，时间轴数据为扫描点对应的时域信号。
所述步骤(7)中，一个扫描点(x,y)对应一个频谱轴数据，频谱轴数据即为扫描点对应的频域信号。
本发明的有益效果在于：
本发明不会破坏待测样本，为非接触式检测，并且在检测过程中不需要在复合材料表面涂抹其他辅助物质，避免了对样本的污染和伤害。此外，太赫兹辐射对人体没有电离伤害，安全性高。
本发明提供的基于太赫兹时域光谱技术检测复合材料胶接结构的脱粘缺陷的方法：
应用太赫兹三维时域数据矩阵的时间轴数据，提取设定时间位置对应的信号幅值、幅值最大值和延迟时间对样本成像，成像结果能够清晰的显示脱粘缺陷的存在和位置；
将太赫兹三维频域数据矩阵的频谱轴数据，提取频域信号不同频点的幅值和所有频点幅值叠加值分别对胶接结构样本成像，成像结果也能够有效的发现脱粘缺陷的存在和位置。
本发明提供的基于太赫兹时域光谱技术检测复合材料胶接结构的脱粘缺陷的方法能够有效的检测出复合材料胶接结构脱粘缺陷的存在，并能够准确确定脱粘缺陷的位置。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为基于太赫兹光谱技术的复合材料胶接结构脱粘缺陷检测方法流程图。
图2为反射型太赫兹时域光谱系统原理示意图。
图3为制备的实验样本结构图。
图4为粘合部分与未粘合部分的时域参考信号。
图5为粘合部分与未粘合部分的时域参考信号变换至频域。
图6为粘合部分的与未粘合部分的时域信号幅值差。
图7为粘合部分的与未粘合部分的频域信号幅值差。
图8为t＝38.72ps时间位置的成像结果。
图9为t＝39.5ps时间位置的成像结果。
图10为t＝41.37ps时间位置的成像结果。
图11为时域脉冲最大幅值成像结果。
图12为延迟时间成像结果。
图13为频域f＝0.66THz的成像结果。
图14为频域f＝0.84THz的成像结果。
图15为频域所有频点的幅值叠加的成像结果。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
太赫兹时域光谱技术是基于超快激光技术的光谱测量新技术，由于其具有电子能量低和对大多数非极性物质透明的特性，可以应用太赫兹波对复合材料进行无损检测，探测复合材料内部的杂质、分层、孔洞、脱粘等缺陷。太赫兹电磁波在复合材料无损检测方面具有独特的优势，太赫兹波的频率范围较高，具有超高的无损探伤分辨率，不会对被测材料造成电离破坏，也不产生对人体有害的辐射，在探伤时不接触被测样品，因此太赫兹无损检测技术作为无损检测技术的互补手段，可以针对复合材料、高分子材料的无损检测。本发明基于太赫兹时域光谱技术，提出应用太赫兹成像技术检测胶接界面脱粘缺陷的检测方法，该检测方法同时具有频谱性和成像性。本发明采用太赫兹脉冲成像技术对胶接界面的脱粘缺陷进行无损检测。
聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide，PMI)是一种高分子聚合泡沫材料，具有各向同性的完全闭孔结构，孔径分布均匀，密度比较小，尺寸稳定性和力学性能优异，同时又具有较高的耐热变形温度。PMI泡沫易于加工，防火、无毒，能够抵抗低浓度的无机酸溶液腐蚀。
这些优良特性使得PMI泡沫常用于复合材料的夹层结构中，常见于航空航天、雷达、高速车辆等领域。
本发明采用时域光谱系统FiCO，产生和探测太赫兹的方法分别为光电导天线和电光采样，太赫兹脉冲的频率范围为0.1～2THz，频谱分辨率为11GHz，时间分辨率为0.05ps。系统主要由飞秒激光器、时间延迟系统、太赫兹发射头和太赫兹接收头组成。附图2为该系统反射工作模式下的原理示意图。
实施例1：请参阅图1至图15所示，本实施例提供一种利用太赫兹时域光谱技术检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，包括以下步骤：
(1)样本准备：一块PMI泡沫材料，厚度为5mm，一块尺寸相同的304型号钢板，厚度为2mm，粘接使用的胶为用哥俩好AB胶，将PMI泡沫材料和钢板用胶粘合，该胶接结构的特点是部分面积涂胶保持粘接状态模拟胶接结构的无损状态，另一部分不涂胶保持不粘接状态模拟胶接结构的脱粘缺陷状态。
(2)实验测试准备：为了避免空气中水蒸汽的影响，将太赫兹时域光谱系统放置于密封罩中，并往密封罩中充干燥空气，将密封罩的空气湿度控制在2％以下。
(3)获取参考信号：在反射模式下，将样本放置在样本槽中，待太赫兹时域光谱系统开机稳定后，测试样本粘合部分与未粘合部分的时域信号，分别作为参考信号ref1和ref2，如附图4所示。
(4)时频信号变换：将参考信号时域波形进行傅里叶变换，得到参考信号的频域波形，如附图5所示。
(5)实验测试：将样本放置与样本槽中，对待测样品进行反射模式的XY方向扫描，X、Y方向的扫描步进均设为为0.01mm，扫描速度设为0.03m/s。扫描完成后获得一个x轴，y轴，和时间轴的三维时域数据矩阵。
(6)时域信号处理及成像：应用太赫兹三维时域数据矩阵的时间轴数据的设定时间位置对应的信号幅值、幅值最大值和延迟时间对样本成像；
①设定时间位置对应的信号幅值成像：时间位置选择粘合部分与未粘合部分的时域信号幅值差大于设定阈值的时间位置，即第一时域参考信号ref1和第二时域参考信号ref2的幅值差大于设定阈值的时间位置；
Δf(t)＝fref1(t)-fref2(t)；
其中，fref1(t)为粘合部分的时域脉冲波形，fref2(t)为未粘合部分的时域脉冲波形，Δf(t)为粘合部分的与未粘合部分的时域信号幅值差成像结果如附图7-9。
②时域信号的最大值成像：最大值的确定是每个扫描点对应时域信号的幅值最大值，成像结果如附图10。
③时域信号的延迟时间成像：延迟时间为粘合部分时域信号最大值对应的时间位置与每个扫描点的时域信号最大值对应的时间位置之差。
fref1_max＝fref1(t0)；
f扫描_max＝f扫描(t1)；
Δt＝t0-t1；
其中，fref1_max为粘合部分所测得时域信号的最大值，f扫描_max为每个扫描点所测得时域信号的最大值，fref1为粘合部分所测得时域信号，f扫描为每个扫描点所测得时域信号，t0为粘合部分时域信号最大值对应的时间位置，t1每个扫描点的时域信号最大值对应的时间位置，Δt为延迟时间，成像结果如附图11。
(7)频域信号处理及成像：将太赫兹三维时域数据矩阵的时间轴数据进行傅里叶变换，获得x轴，y轴和频谱轴的三维频域数据矩阵，提取频域信号不同频点的幅值和所有频点幅值叠加值分别对胶接结构样本成像；
①不同频点的幅值成像：频点的选择粘合部分的与未粘合部分的频域幅值差大于设定阈值的频点，频域信号幅值差如附图12。
Δf(ω)＝fref1(ω)-fref2(ω)；
其中，fref1(ω)为粘合部分的频谱，fref2(ω)为未粘合部分的频谱，Δf(ω)为粘合部分的与未粘合部分频谱的幅值差，成像结果如附图13-14。
②所有频点幅值叠加值成像：每个扫描点对应频谱幅值和叠加值进行成像，成像结果如附图15。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，包括：
步骤(1)：制备胶接结构样本；所述胶接结构样本，包括：复合材料层和金属层，所述复合材料层和金属层之间通过胶进行部分粘合；
步骤(2)：利用太赫兹时域光谱系统对胶接结构样本进行测试；
步骤(3)：获取胶接结构样本粘合部分的时域信号作为第一时域参考信号ref1；获取胶接结构样本未粘合部分的时域信号作为第二时域参考信号ref2；
步骤(4)：将第一时域参考信号ref1进行傅里叶变换为第一频域参考信号；将第二时域参考信号ref2进行傅里叶变换为第二频域参考信号；
步骤(5)：对胶接结构样本在太赫兹时域光谱系统的反射模式下进行二维扫描，分别得到三维时域数据矩阵和三维频域数据矩阵；
步骤(6)：应用太赫兹三维时域数据矩阵的时间轴数据对胶接结构样本进行成像，根据设定时间位置对应的信号幅值、幅值最大值和延迟时间对胶接结构样本进行成像；
步骤(7)：应用三维频域数据矩阵的频谱轴数据对胶接结构样本进行成像，根据频域信号不同频点的幅值和所有频点幅值叠加值分别对胶接结构样本成像；
步骤(8)：根据步骤(6)和步骤(7)的成像结果对胶接结构样本的脱粘缺陷进行人工识别。
2.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述复合材料为PMI泡沫材料；所述金属层为304钢板。
3.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述步骤(2)采用的太赫兹时域光谱系统工作在反射模式下，实验时，胶接结构样本放置在充满干燥空气的封闭箱内，空气湿度控制在0～2％，温度控制在20℃。
4.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述步骤(5)的步骤为：
步骤(51)：根据第一时域参考信号ref1获得粘合部分的时域波形；根据第二时域参考信号ref2获得未粘合部分的时域波形；
步骤(52)：对胶接结构样本在太赫兹时域光谱系统的反射模式下进行X和Y方向的二维扫描，每个扫描点对应一个太赫兹时域脉冲，得到x轴、y轴和时间轴的三维时域数据矩阵；
步骤(53)：将三维时域数据矩阵进行傅里叶变换，得到x轴，y轴和频谱轴的三维频域数据矩阵。
5.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述步骤(6)应用太赫兹时域信号的设定时间位置对应的信号幅值对胶接结构样本进行成像，所述时间位置选择粘合部分与未粘合部分的时域信号幅值差大于设定阈值的时间位置，即第一时域参考信号ref1和第二时域参考信号ref2的幅值差大于设定阈值的时间位置；
Δf(t)＝fref1(t)-fref2(t)；
其中，fref1(t)为粘合部分的时域脉冲波形，fref2(t)为未粘合部分的时域脉冲波形，Δf(t)为粘合部分的与未粘合部分的时域信号幅值差。
6.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述步骤(6)应用太赫兹时域信号的幅值最大值对样本成像，所述幅值最大值是每个扫描点对应时域信号的幅值最大值。
7.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述步骤(6)应用太赫兹时域信号的延迟时间对胶接结构样本进行成像，所述延迟时间为粘合部分时域信号幅值最大值对应的时间位置与每个扫描点时域信号数据幅值最大值对应的时间位置之差：
fref1_max＝fref1(t0)；
f扫描_max＝f扫描(t1)；
Δt＝t0-t1；
其中，fref1_max为粘合部分所测得时域信号的幅值最大值，f扫描_max为每个扫描点所测得时域信号的幅值最大值，fref1为粘合部分所测得时域信号，f扫描为每个扫描点所测得时域信号，t0为粘合部分时域信号幅值最大值对应的时间位置，t1每个扫描点的时域信号幅值最大值对应的时间位置，Δt为延迟时间。
8.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述步骤(6)中，一个扫描点(x,y)对应一个时间轴数据，时间轴数据为扫描点对应的时域信号。
9.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述步骤(7)中，一个扫描点(x,y)对应一个频谱轴数据，频谱轴数据即为扫描点对应的频域信号。
10.如权利要求1所述的太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法，其特征是，所述步骤(7)应用太赫兹频域信号不同频点的幅值对胶接结构样本成像，频点的选择粘合部分的与未粘合部分的频域幅值差大于设定阈值的频点；
Δf(ω)＝fref1(ω)-fref2(ω)；
其中，fref1(ω)为粘合部分的频谱，fref2(ω)为未粘合部分的频谱，Δf(ω)为粘合部分的与未粘合部分频谱的幅值差。
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