CN108827218A - 一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用红外热像检测和图像分析技术，检测Z‑pin在复合材料层合板中植入角的装置及方法，属于复合材料三维增强技术领域。该装置包括：已植入Z‑pin的待检测复合材料层合板、热源、红外热像仪、红外热像仪自身的系统软件和图像处理软件，其中热源为层合板下表面提供均匀的热量，利用红外热像仪采集层合板上表面热量分布，并由红外热像仪自身的系统软件生成pin截面热像图，经由图像处理软件提取Z‑pin端面在层合板上下表面位置的几何图，根据层合板的厚度结合三角关系求取Z‑pin的偏转角度及方向，进而得到Z‑pin在层合板中的植入角。
Description
技术领域
本发明属于复合材料三维增强的技术领域，特别是一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置及方法。
背景技术
红外热像技术是一门集红外辐射、红外成像和热波传递三大基础原理为一体、新兴的无损检测技术，现阶段主要应用于设备监测故障诊断、节能检测、建筑物检测等领域。
Z-pin是纤维在树脂中浸渍，经拉挤工艺共固化后制成的针状细杆。
Z-pin三维增强技术指将Z-pin以一定的角度（绝大部分为垂直方向，即90°）和分布密度使用超声枪植入到复合材料层合板坯材中。该项技术将层合板中铺层与铺层结合成整体，有效提高层间强度和层间断裂韧性，具有可设计性强、操作简单、减重性好、对纤维损伤小等优点，适用于预浸料工艺和局部增强或连接，这些优点使得Z-pin技术迅速发展。
在超声植入过程中，Z-pin会受到来自层合板和超声枪的不均匀反作用力，导致其植入角与预期植入角产生偏差，而研究表明，Z-pin在层合板中的植入角对层合板的力学性能有较大影响。
目前只能通过破坏性试验评判层合板中Z-pin的植入质量，除此以外Z-pin在层合板中的植入角处于不可测、不可控状态，因此即使Z-pin三维增强技术取得了极好的层间增强效果，也未应用到对可靠性要求极为严格的航空领域中。
因此，急需一种可无损检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，以此来评判Z-pin植入质量，为其工艺可靠性提供依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，提供一种采用红外热像检测和图像分析技术，检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置及方法，经过图像处理分析Z-pin在层合板中的偏转方向及角度大小，并以此为依据评判Z-pin在层合板中植入质量。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其中：包括热源、红外热像仪、分析系统以及已植入Z-pin的待检测复合材料层合板，待检测复合材料层合板厚度均匀，且Z-pin的两端分别截断于待检测复合材料层合板的两侧面，待检测复合材料层合板一侧面置于热源上，热源对待检测复合材料层合板该侧面均匀加热，红外热像仪置于待检测复合材料层合板的另一侧，用于感应待检测复合材料层合板另一侧的温度分布情况，红外热像仪与分析系统连接，红外热像仪能将捕捉到的红外热像图信息传递至分析系统。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的待检测复合材料层合板中Z-pin的预期植入方向垂直于复合材料层合板的几何中面。
上述的热源为加热板或加热灯。
上述的红外热像仪用铁架台架在待检测复合材料层合板的正上方，热源设置在待检测复合材料层合板的下方。
上述的分析系统为图像处理系统，该系统可对红外热像图进行翻转和重叠操作。
一种检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，包括以下步骤：
步骤一：打开热源开关，待温度稳定后，将已植入Z-pin的待检测复合材料层合板放置在热源上，使热源能均匀加热待检测复合材料层合板，规定此时热源加热的为层合板B面，另一面待检面为A面；
步骤二：红外热像仪固定在待检测复合材料层合板的正上方，从热源对待检测复合材料层合板加热开始，采集A面温度分布情况，观察红外热像图，当红外热像图中Z-pin外形界面与其他区域有明显颜色区别时，保存该张图像，得到A面的Z-pin分布位置图；
步骤三：将待检测复合材料层合板移出热源加热范围，恢复至室温，将其翻转180°，使B面向上，A面向下，再次放在热源上，重复步骤二，得到B面的Z-pin分布位置图，在分析系统中将图像沿宽度方向翻转，得到B面Z-pin分布在A面投影的位置图；
步骤四：将A面的Z-pin分布位置图与B面Z-pin分布在A面投影的位置图按照待检测复合材料层合板的边缘轮廓重叠，可得到Z-pin在待检测复合材料层合板A、B两面的位置关系图；连接两个Z-pin位置的中心点，即为Z-pin在A面的投影。测量待检测复合材料层合板厚度，利用三角关系测得Z-pin的偏转角度及方向，进而得到Z-pin的植入角。
热源的温度和加热时间可调整。
Z-pin的偏转角度及方向的测量方法为：
以A面Z-pin位置为点b，B面Z-pin位置为点c,B面Z-pin在A面的投影为点a，以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系，定义坐标系x轴正方向为指标方向，点b在x轴上的垂点为点d，利用三角关系测得Z-pin的偏转方向
α=arcsin(bd/ab)
及角度
β=arctan(ab/ac)。
上述的以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系的x轴与待检测复合材料层合板(4)的一条边平行。
以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系的z轴与待检测复合材料层合板(4)的几何中面法线方向平行。
本发明与现有技术相比的优点是：
1、整体装置简单，仅利用热源、红外热像仪、红外热像仪自身的系统软件和图像处理软件即可高效率、高精度获得Z-pin在复合材料层合板中的偏转角度及方向；
2、无需破坏复合材料层合板，仅利用Z-pin与复合材料层合板的材料导热速度的差异，做到无损检测。
3、可以一次性检测一个复合材料层合板上所有的Z-pin偏转角度及方向，无需一个一个单独测量，效率显著提高。
4、使用一个A、B两面的位置关系图即可完成所有的Z-pin偏转角度及方向的测量，减少了关系图众多导致的测量偏差，从而获得了更高的检测精度。
附图说明
图1为检测Z-pin植入角的装置；
图2为红外热像仪采集到Z-pin位置以及图像处理的示意图；
图3-6为求解Z-pin偏转角度及方向示意图。
其中的附图标记为：热源1、红外热像仪2、分析系统3、待检测复合材料层合板4。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其中：包括热源1、红外热像仪2、分析系统3以及已植入Z-pin的待检测复合材料层合板4，待检测复合材料层合板4厚度均匀，且Z-pin的两端分别截断于待检测复合材料层合板4的两侧面，待检测复合材料层合板4一侧面置于热源1上，热源1对待检测复合材料层合板4该侧面均匀加热，红外热像仪2置于待检测复合材料层合板4的另一侧，用于感应待检测复合材料层合板4另一侧的温度分布情况，红外热像仪2与分析系统3连接，红外热像仪2能将捕捉到的红外热像图信息传递至分析系统3。
实施例中，待检测复合材料层合板4中Z-pin的预期植入方向垂直于复合材料层合板的几何中面。
实施例中，热源1为加热板或加热灯。
实施例中，红外热像仪2用铁架台架在待检测复合材料层合板4的正上方，热源1设置在待检测复合材料层合板4的下方。
实施例中，分析系统3为图像处理系统，该系统可对红外热像图进行翻转和重叠操作。
一种检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，包括以下步骤：
步骤一：打开热源1开关，待温度稳定后，将已植入Z-pin的待检测复合材料层合板4放置在热源1上，使热源1能均匀加热待检测复合材料层合板4，规定此时热源1加热的为层合板B面，另一面待检面为A面；
步骤二：红外热像仪2固定在待检测复合材料层合板4的正上方，从热源1对待检测复合材料层合板4加热开始，采集A面温度分布情况，观察红外热像图，当红外热像图中Z-pin端部外形界面与其他区域有明显颜色区别时，保存该张图像，得到A面的Z-pin分布位置图；
步骤三：将待检测复合材料层合板4移出热源1加热范围，恢复至室温，将其翻转180°，使B面向上，A面向下，再次放在热源1上，重复步骤二，得到B面的Z-pin分布位置图，在分析系统3中将图像沿宽度方向翻转，得到B面Z-pin分布在A面投影的位置图；
步骤四：将A面的Z-pin分布位置图与B面Z-pin分布在A面投影的位置图按照待检测复合材料层合板4的边缘轮廓重叠，可得到Z-pin在待检测复合材料层合板4的A、B两面的位置关系图；连接两个Z-pin位置的中心点，即为Z-pin在A面的投影。测量待检测复合材料层合板4厚度，利用三角关系测得Z-pin的偏转角度及方向，进而得到Z-pin的植入角。
热源1的温度和加热时间可调整。
Z-pin的偏转角度及方向的测量方法为：
以A面Z-pin位置为点b，B面Z-pin位置为点c,B面Z-pin在A面的投影为点a，以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系，定义坐标系x轴正方向为指标方向，点b在x轴上的垂点为点d，利用三角关系测得Z-pin的偏转方向
α=arcsin(bd/ab)
及角度
β=arctan(ab/ac)。
步骤一中热源对层合板的加热，应保证加热接触面平整，以实现加热的均匀性，消除因加热不均匀导致的传热不均匀，干扰实验结果。
步骤一中，在保证不影响材料正常使用性能的前提下，热源温度应尽可能提高，使层合板的Z-pin区域与其他区域短时间内产生较大温差，形成良好的检测效果。
步骤三中务必保证层合板完全恢复至室温，无任何残余热量，否则会对实验效果产生影响。
步骤四中Z-pin的偏转角度及方向可以以层合板的长度或宽度方向为参考，也可以几何中面法线方向为参考。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：包括热源(1)、红外热像仪(2)、分析系统(3)以及已植入Z-pin的待检测复合材料层合板(4)，所述的待检测复合材料层合板(4)厚度均匀，且Z-pin的两端分别截断于待检测复合材料层合板(4)的两侧面，所述的待检测复合材料层合板(4)一侧面置于热源(1)上，所述的热源(1)对待检测复合材料层合板(4)该侧面均匀加热，所述的红外热像仪(2)置于待检测复合材料层合板(4)的另一侧，用于感应待检测复合材料层合板(4)另一侧的温度分布情况，所述的红外热像仪(2)与分析系统(3)连接，所述的红外热像仪(2)能将捕捉到的红外热像图信息传递至分析系统(3)。
2.根据权利要求1所述的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：待检测复合材料层合板(4)中Z-pin的预期植入方向垂直于复合材料层合板的几何中面。
3.根据权利要求1所述的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：所述的热源(1)为加热板或加热灯。
4.根据权利要求1所述的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：所述的红外热像仪(2)用铁架台架在待检测复合材料层合板(4)的正上方，所述的热源(1)设置在待检测复合材料层合板(4)的下方。
5.根据权利要求1所述的一种红外检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的装置，其特征是：所述的分析系统(3)为图像处理系统，该系统可对红外热像图进行翻转和重叠操作。
6.一种利用如权利要求1所述的装置检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，包括以下步骤：
步骤一：打开热源(1)开关，待温度稳定后，将已植入Z-pin的待检测复合材料层合板(4)放置在热源(1)上，使热源(1)能均匀加热待检测复合材料层合板(4)，规定此时热源(1)加热的为层合板B面，另一面待检面为A面；
步骤二：红外热像仪(2)固定在待检测复合材料层合板(4)的正上方，从热源(1)对待检测复合材料层合板(4)加热开始，采集A面温度分布情况，观察红外热像图，当红外热像图中Z-pin外形界面与其他区域有明显颜色区别时，保存该张图像，得到A面的Z-pin分布位置图；
步骤三：将待检测复合材料层合板(4)移出热源(1)加热范围，恢复至室温，将其翻转180°，使B面向上，A面向下，再次放在热源(1)上，重复步骤二，得到B面的Z-pin分布位置图，在分析系统(3)中将图像沿宽度方向翻转，得到B面Z-pin在A面投影的位置图；
步骤四：将A面的Z-pin分布位置图与B面Z-pin分布在A面投影的位置图按照待检测复合材料层合板(4)的边缘轮廓重叠，可得到Z-pin端部截面在待检测复合材料层合板(4)A、B两面的位置关系图；连接两个Z-pin位置的中心点，即为Z-pin在A面的投影；测量待检测复合材料层合板(4)厚度，利用三角关系测得Z-pin的偏转角度及方向，进而得到Z-pin的植入角。
7.根据权利要求6所述的一种检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，其特征是：所述的热源(1)的温度和加热时间可调整。
8.根据权利要求6所述的一种检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，其特征是：所述的Z-pin的偏转角度及方向的测量方法为：
以A面Z-pin位置为点b，B面Z-pin位置为点c,B面Z-pin在A面的投影为点a，以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系，定义坐标系x轴正方向为指标方向，点b在x轴上的垂点为点d，利用三角关系测得Z-pin的偏转方向
α=arcsin(bd/ab)
及角度
β=arctan(ab/ac)。
9.根据权利要求6所述的一种检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，其特征是：所述的以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系的x轴与待检测复合材料层合板(4)的一条边平行。
10.根据权利要求6所述的一种检测Z-pin在复合材料层合板中植入角的方法，其特征是：以点a为原点，以A面为基准面，作出三维坐标系的z轴与待检测复合材料层合板(4)的几何中面法线方向平行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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