CN109642862A - 用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试下对象中的缺陷的集成系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料(150)中的缺陷的集成系统和方法。该系统包括与扫描系统(20)集成的测试系统(10)，该扫描系统包括：探针组件(52)，其用于在安装在测试系统上的CFRP复合材料(150)的表面上产生涡流；以及3D扫描器组件(60)，其用于探针组件(50)在CFRP复合材料(150)的整个表面区域上沿X轴、Y轴和Z轴移动。操作者控制台(70)连接到测试系统和扫描系统(20)，用于控制(3)测试系统中的机械测试过程以及用于控制探针组件(52)以同步方式沿X轴、Y轴和Z轴的三维运动。这种系统和方法实现了对CFRP复合材料(150)的(3D)自动和同步3D扫描，以在机械测试之前/期间/之后准确地检测CFRP复合材料(150)中的缺陷，而不中断机械测试过程。

Description

用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试下对象中的缺陷 的集成系统和方法

技术领域

本实施例一般涉及对经受静态和循环负载测试的对象进行扫描。本实施例更具体地涉及一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料中的缺陷的集成系统和方法。

背景技术

通常，碳纤维增强聚合物或塑料(CFRP)复合材料广泛用于：(a)航空航天，用于制造飞行器；(b)船运，用于制造船舶、船等；(c)汽车，用于制造高速车辆；(d)运动器材，用于制造网球、羽毛球、冰球、板球、自行车轮辋、轮子和框架；(e)土木工程，以增强混凝土、木材等强度；(f)乐器，以制作吉他、小提琴、鼓；(g)枪械，以替代木材或金属部件；(h)家具，如三脚架腿、钓鱼杆、台球和步行杆；以及(i)牙科，以替代牙槽。CFRP复合材料的这些广泛应用是由于其优异的性能，例如：(i)高强度重量比；(ii)高刚度；(iii)各向异性导电率；(iv)低热膨胀系数；(v)高抗疲劳性；(vi)耐腐蚀和化学稳定；(vii)易燃；(viii)热稳定和更高的传导性。

但是，由于制造缺陷或外部负载模式，这些CFRP复合材料在其使用寿命期间经常被发现存在缺陷。CFRP复合材料的一些缺陷包括分层、空隙、堆积无序、内含物、湿气、冲击损伤、纤维断裂和未对准。当CFRP复合材料用于各种应用时，这些缺陷在CFRP复合材料中的持续性会导致严重的后果。因此，必须检测这些缺陷以避免这种后果并增加CFRP复合材料的使用寿命。这些缺陷不能被肉眼注意到，并且需要在不改变材料和几何特性的情况下进行检测。

CFRP复合材料中的缺陷和损伤可以通过多种方法检测，但是常规的检测方法通常限于某些种类的材料和结构几何形状。具体地，它需要复杂的非破坏性测试(NDT)方法，例如超声厚度测量(A-扫描)、超声线性扫描(B-扫描)、超声穿透扫描(C-扫描)、声学扫描(AC)、激光超声(LU)、膜共振(MR)、声发射(AE)、声超声(AU)、激光立体成像(LS)、涡流测试(ECT)、瞬时热成像(TT)、锁定热成像(LT)、振动热成像(VT)、X射线成像(XR)、X射线断层摄影(XT)、X射线背反射(XB)以及声冲击(AI)。涡流测量对CFRP复合材料中的碳纤维的特定响应以及无需制备样品(CFRP)表面都使得涡流测试适合于检测分层和纤维断裂形式的损坏。

在用于CFRP复合材料的NDT技术的现有方法中，样品，例如CFRP复合材料，被脱机测试并且在NDT期间不经受任何负载。这种非破坏性CFRP扫描要求三维机械手(台架系统)控制的高精度位移，以在CFRP复合材料的表面区域上移动传感器。在非破坏性涡流测试(ECT)方法的设置中，在CFRP复合材料或受试对象中产生电磁信号，其中CFRP复合材料具有导电性。这导致了CFRP复合材料中的涡流形成，其中分析裂纹周围这些涡流的变化以检测CFRP复合材料中的缺陷。

图1示出了根据现有技术的用于使用涡流传感器(3)脱机扫描CFRP复合材料(4)的系统(1)的示意图。现有技术的系统(1)和其扫描CFRP复合材料(4)的方法基本上限于脱机扫描：(a)以在生产后立即检测CFRP复合材料样本(4)中的制造缺陷；(b)以检测CFRP试样(4)在其使用寿命期间或在实验室中模拟使用寿命条件期间的条件，例如在各种负载条件下使用独立测试系统测试CFRP复合材料(4)之后。

在图1所示的脱机扫描中，使用3D(沿X、Y和Z轴的直线运动)台架系统(2)或机械手将CFRP复合材料样品(4)放置在平坦表面区域上，涡流传感器探针(3)在其上移动。伴随探针(3)，激光位移传感器提供CFRP复合材料(4)的表面与探针(3)的尖端之间的距离。该伺服控制的XYZ扫描器(2)便于扫描CFRP样品(4)的整个表面区域以检测CFRP复合材料(4)中的缺陷。然而，该独立系统(1)不能在CFRP复合材料(4)在静态或循环测试条件下在机械测试系统上负载的同时扫描CFRP样品。

但是，在这些常规的系统和方法中，在各种负载条件下的测试和扫描是分开进行的。没有单个系统在CFRP复合材料在测试系统的静态或循环测试条件下被负载时的同时扫描CFRP复合材料。在常规方法中，将CFRP复合材料安装在材料测试系统上，用于通过施加各种负载来测试CFRP复合材料的机械性能。在施加机械负载之前和之后，将样品放置在独立的扫描器上以检测其中的缺陷。

通过遵循常规方法，不可能在各种静态和循环负载条件下测试的同时扫描和检测CFRP复合材料中缺陷的生长。此外，使用独立的扫描器和测试系统来检测CFRP复合材料中的缺陷是复杂、麻烦的和繁琐的，这也可能由于在机械测试之后和扫描之前对CFRP复合材料的任何错误处理而导致对CFRP复合材料中的缺陷的不准确检测。

因此，本领域需要提供一种方法以解决一个或多个上述问题。本实施例以独特且经济的方式克服了许多这些问题。因此，期望提供一种用于在实验室中在静态或循环负载条件下测试CFRP复合材料的机械性能的同时进行原位3轴扫描和检测该CFRP复合材料中的缺陷的集成系统和方法，这可以克服上述问题和缺点。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料中的缺陷的集成系统，其实现了用于模拟CFRP复合材料上的工作载荷的伺服控制测试系统和用于在应用于CFRP复合材料的机械测试之前/期间/之后对CFRP复合材料进行自动和同步3D扫描而无需从测试系统移除CFRP复合材料的扫描系统(涡流传感器和台架系统)的集成。

本发明的另一个目的是提供一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料中的缺陷的集成系统，这提高了CFRP复合材料中缺陷分析的准确性。

本发明的另一个目的是提供一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料中的缺陷的集成系统，该集成系统简单经济，节省测试和扫描过程中的大量时间。

本发明的又一个目的是提供一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料中的缺陷的方法，其可以实现安装在测试系统上的CFRP复合材料的3D扫描而不中断机械测试过程。

根据一个实施例，实现该目的的本发明涉及一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的对象中的缺陷的集成系统。该系统包括测试系统，测试系统具有致动器和十字头组件，致动器和十字头组件由多个液压单元致动，用于在受试对象上施加期望的载荷和位移。固具组件具有多个固具元件和多个夹紧元件，多个固具元件和多个夹紧元件附接在致动器和十字头组件之间，用于保持受试对象。扫描系统通过一对支撑柱与测试系统集成。该扫描系统包括：探针组件，该探针组件具有至少一个非破坏性感测探针和至少一个感测单元，该至少一个非破坏性感测探针用于在该受试对象的表面产生和测量涡流，该至少一个感测单元用于测量探针尖端与该受试对象的表面之间的距离；以及3D扫描器组件，该3D扫描器组件具有XYZ台架系统，该XYZ台架系统布置有与探针组件相关联的多个传输元件，用于探针组件沿X轴、Y轴和Z轴移动，以使得探针在受试对象的整个表面区域上移动，用于受试对象的3D扫描。操作者控制台由安装在测试系统上的保持器组件固定，其中操作者控制台可操作地连接到测试系统和扫描系统，用于通过液压单元控制致动器和十字头组件的运动，并且用于通过XYZ台架系统控制探针组件以同步方式沿X轴、Y轴和Z轴的三维运动。这种集成的测试和扫描系统对安装在测试系统上的CFRP复合材料实现了自动和同步的3D扫描，以在对CFRP复合材料进行机械测试之前/期间/之后准确地检测CFRP复合材料中的缺陷生长，而无需从测试系统移除CFRP复合材料。

此外，该非破坏性感测探针包括涡流感测探针，涡流感测探针负载有弹簧，并以这样的方式紧固到所述探针组件的固具中，以相对于受试对象的表面定位探针尖端。感测单元包括邻近探针放置的激光传感器。这些传输元件附接到支撑框架上，该支撑框架被紧固到测试系统的支撑柱上。每一个传输元件均由操作者控制台控制的电动机和电驱动器相互依赖地操作，以提供旋转到直线运动的传动。固具和夹紧元件分别由用于安装受试对象的上固具元件和下固具元件以及上夹紧元件和下夹紧元件组成。十字头组件容纳有载荷单元，并由液压单元伺服控制，以在受试对象上施加所需的负载。受试对象包括CFRP(碳纤维增强聚合物或塑料)复合材料和双向CFRP层压板。

操作者控制台通过多通道控制和数据采集系统可操作地连接到测试系统和扫描系统，该多通道控制和数据采集系统容纳在测试系统中，用于操作液压单元和电驱动器以驱动致动器、十字头组件、探针组件的探针和感测单元、以及XYZ台架系统的传输元件。操作者控制台被配置成执行以下测试顺序：对受试对象施加载荷和进行扫描，显示联机测试状态，诊断测试系统健康和安全行为，以及生成测试报告和通知。操作者控制台控制固具组件的夹紧元件，用于即使在静态和循环测试条件下牢固地保持受试对象。

此外，传输元件包括第一、第二、第三和第四传输元件，每个传输元件在其上形成有一个或多个轨道，其中传输元件通过联轴器彼此联接，用于传输元件相对于受试对象的三维移动。第一和第二传输元件相对于测试系统竖直地附接到支撑框架。第三传输元件水平地联接在第一传输元件和第二传输元件之间，以使得第三传输元件在第一传输元件和第二传输元件的轨道上相对于受试对象在向上和向下的方向上可移动，用于探针组件沿X轴的移动。第四传输元件在垂直于受试对象的表面的方向上联接到第三传输元件上，以使得第四传输元件在第三传输元件的轨道上相对于受试对象在横向方向上可移动，用于探针组件沿着Y轴的移动，探针组件平行放置并联接到第四传输元件，以使得探针组件可连同第四传输元件的轨道一起相对于受试对象在向后和向前方向上移动，用于探针组件沿Z轴的移动。

根据另一实施例，实现该目的的本发明涉及一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的对象中的缺陷的方法。该方法包括：在零负载条件下，在固具组件的上下夹紧元件和上下固具元件之间安装受试对象；在保持受试对象与探针之间的期望距离的同时，将非破坏性感测探针定位在受试对象的左上角和右下角，以记录3D扫描器组件的X和Y坐标；基于所记录的3D扫描器组件的X和Y坐标来确定受试对象的整个扫描区域；测量感测探针的尖端与受试对象的表面之间的距离；通过XYZ台架系统的多个传输元件操作并控制探针沿X轴、Y轴和Z轴的三维运动，来扫描所确定的受试对象的扫描区域；通过探针在受试对象表面上产生和测量涡流，以确定受试对象在零负载条件下的缺陷；以及通过多个液压单元致动测试系统的致动器和十字头组件，来在受试对象上施加期望的载荷和位移，并且同步地重复测量和扫描步骤以分析在不同负载条件和不同间隔下负载期间和之后受试对象中缺陷的发生。该方法可以实现安装在测试系统上的CFRP复合材料的三维扫描，无需中断机械测试过程，并且也节省大量的测试时间。

此外，通过探针在受试对象表面上产生和测量涡流的步骤还包括以下步骤：通高频交流电以在探针中产生瞬时磁场；通过探针在受试对象表面上的运动，使探针与受试对象磁性耦合，以在受试对象表面上产生涡流并使涡流穿透进入受试对象表面；测量探针两端的电压，以检测探针与受试对象之间的自感电磁力(EMF)和互感；以及在扫描时，确定探针两端的电压是否有任何变化，以检测受试对象中的缺陷。控制感测探针的移动，用于以粗略扫描方式扫描受试对象，以快速检测受试对象中的缺陷区域，并以精细扫描方式扫描受试对象，以检测受试对象中每个识别的缺陷区域中的深度缺陷。对受试对象的扫描和测试同步地进行，以建立缺陷的生长与受试对象的物理行为之间的关联。受试对象包括CFRP(碳纤维增强聚合物或塑料)复合材料和双向CFRP层压板。

附图说明

当结合附图阅读时，可以更好地理解以上发明内容以及以下优选实施例的详细描述，附图仅作为示例示出了本发明的一种形式。为了说明本发明的应用，在附图中示出了本发明的构造和实现方式。然而，本发明不限于所公开的特定系统和方法。将参照附图更详细地讨论本发明。

图1示出了根据现有技术使用涡流传感器的CFRP复合材料的脱机扫描系统的示意图；

图2示出了根据本发明示例性实施例、用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料中的缺陷、具有3D(三维)扫描系统和测试系统的集成系统的示意图；

图3a和3b分别示出了根据本发明示例性实施例、如图2所示的具有3D扫描系统和测试系统的集成系统的侧视图和后视图；

图4a和4b分别示出了根据本发明示例性实施例、如图2所示具有3D扫描系统和测试系统的集成系统的等距前视图和后视图；

图5示出了根据本发明示例性实施例、如图2所示的用于感测探针组件的XYZ移动的3D扫描系统的详细视图；

图6示出了根据本发明示例性实施例、使用该集成系统进行原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料中的缺陷的方法流程图；

图7(a)-7(f)示出了根据本发明示例性实施例的流程图，该流程图表示在该集成系统中使用的涡流感测探针的工作原理；

图8(a)和8(b)分别示出了根据本发明的示例性实施例的双向CFRP层压板，以及表示在感测探针在如图8(a)所示的双向CFRP层压板上迁移期间感测探针两端的电压变化的时间历史的曲线图；

图9(a)和9(b)分别示出了根据本发明的示例性实施例的当安装在测试系统上时具有用于3D扫描验证的已知缺陷的CFRP复合材料样品，以及从安装在集成系统上的3D涡流扫描器获得的CFRP复合材料样品的相应2D扫描图像；

图10(a)-10(e)分别示出了根据本发明的示例性实施例、在使用测试系统对CFRP复合材料进行递增静态负载和卸载时在CFRP复合材料样品的表面区域上拍摄的扫描图像；和

图11(a)-11(e)分别示出了根据本发明的示例性实施例、示出在恒定幅度疲劳负载下在多个周期内的CFRP复合材料试样中缺陷生长的扫描图像。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明，其中在全文中使用参考数字来指代相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，显然可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，以框图的形式示出了公知的结构和设备，以便于描述本发明。本文描述了一种用于在实验室中测试CFRP复合材料在静态或循环负载条件下的机械性能的同时对CFRP复合材料中的缺陷进行原位3轴扫描和检测的集成系统和方法。

以下描述仅是本发明的示例性实施例，而不是本发明的限制范围、应用或配置。相反，以下描述旨在为实现本发明的各种实施例提供方便的说明。显然的是，在不脱离本文所述的本发明的保护范围的情况下，可以对在这些实施例中描述的结构/操作特征的功能和布置进行各种改变。应当理解，这里的描述可以适用于具有不同形状、部件等的可选配置的装置，并且仍然落在本发明的保护范围内。因此，这里的具体实施方式仅仅是为了说明而不是限制。

图2示出了根据本发明示例性实施例、具有3D(三维)扫描系统(20)和测试系统(10)的集成系统(100)的示意图，该测试系统(10)用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料(150)中的缺陷。该系统包括3D扫描器系统，该3D扫描器系统与伺服控制测试系统(10)集成，用于使用涡流传感器(52)扫描受试对象(CFRP复合材料)(150)。具体地，该系统集成了用于模拟CFRP复合材料(150)上的服役载荷的伺服控制测试系统(10)和用于CFRP复合材料(150)的3D扫描的扫描系统(20)(涡流传感器(52)和台架系统(62))。该系统便于在无需拆卸CFRP复合材料(150)的情况下在机械测试之前/同时/之后检测CFRP复合材料(150)中的缺陷，而不影响其机械性能。在本文中，CFRP复合材料(150)可以被称为但不限于CFRP复合材料、双向CFRP层压板)、CFRP样品、受试对象和样品试样，它们都仅涉及CFRP复合材料。

该系统主要由测试系统(10)和扫描系统(20)组成，其中根据本发明的示例性实施例，扫描系统(20)通过一对支撑柱(30)与测试系统(10)集成和固定，如图3a和3b所示，图3a和3b分别示出了图2所示的具有3D扫描系统(20)和测试系统(10)的集成系统(100)的侧视图和后视图。首先，测试系统(10)主要由致动器(12)和十字头组件(14)组成，其中测试系统(10)容纳若干液压单元(未示出)，这些液压单元专门被设计和布置成驱动致动器(12)和十字头组件(14)，以在受试对象，即CFRP复合材料(150)，上施加期望的载荷和位移。测试系统(10)也可以被称为伺服控制测试系统(10)，以在CFRP复合材料(150)上施加载荷。致动器(12)是液压致动器，具有内部安装的线性编码器(未示出)，用于在所述性能规范下施加期望的载荷和位移。液压单元包括但不限于动力组、伺服阀、蓄能器、冷却单元和热交换器。

测试系统(10)还容纳与测试系统(10)的致动器(12)和十字头组件(14)相关联的固具组件(40)，以保持CFRP复合材料(150)。十字头组件(14)容纳有若干不同重量的载荷单元(未示出)，并由液压单元伺服控制，以在测试CFRP复合材料(150)的机械性能时对CFRP复合材料(150)施加期望的和适当的载荷。测试系统(10)的上部设有被载荷单元包围的可移动十字头组件(14)，这也便于通过变化的LED颜色来观察机器状态(泵开/关；波形忙/闲)。测试系统(10)的下部设有外壳(80)以包围由操作者控制台(70)操作的致动器(12)、液压泵、液压单元、冷却单元和控制器，如图4a和4b所示，其分别示出了根据本发明的示例性实施例、如图2所示的具有3D扫描系统(20)和测试系统(10)的集成系统(100)的前视图和后视图。固具组件(40)具有一对固具元件(42)和一对夹紧元件(44)，其附接在致动器(12)和十字头组件(14)之间，用于将CFRP复合材料(150)保持在夹紧元件(44)之间。该固具和夹紧元件(42，44)被特别设计和制造成用于当测试系统(10)将期望的载荷施加在CFRP复合材料(150)上的同时紧固地保持CFRP复合材料(150)。固具和夹紧元件(42，44)分别分为用于安装CFRP复合材料(150)的上下固具元件(42)以及上下夹紧元件(44)。

扫描系统(20)主要由探针组件(50)和3D(三维)扫描器组件(60)组成。探针装置或组件(50)包括用于在CFRP复合材料(150)的表面上产生和测量涡流的非破坏性感测探针(52)和用于测量探针尖端和CFRP复合材料(150)的表面之间的距离的感测单元(54)。感测单元(54)是邻近探针(52)放置和定位的激光传感器。非破坏性感测探针(52)用作涡流感测探针(52)，其中探针(52)通常负载有弹簧，即弹簧负载探针(52)，以避免在不太可能与CFRP复合材料(150)的表面直接接触的情况下损坏。探针(52)以这样的方式被紧固到探针组件(50)的固具中，以将探针尖端相对于CFRP复合材料(150)的表面定位，即探针尖端面向并接近于CFRP复合材料(150)的表面，而不与CFRP复合材料表面有任何接触，其中固具被设计成保持探针(52)。

图5示出了根据本发明示例性实施例的如图2所示的3D扫描系统(20)的详细视图，用于感测探针组件(50)的XYZ移动。在扫描系统(20)中，3D扫描器组件(60)包括XYZ台架系统(62)，该XYZ台架系统(62)设有若干彼此固定的传输元件(64a，64b，64c，64d)，以形成探针(52)在CFRP复合材料(150)上的3轴移动，其中3D扫描器也起作用并且被称为XYZ涡流扫描器。容纳在3D扫描器中的传输元件(64a，64b，64c，64d)与探针组件(50)相关联，用于探针组件(50)沿X轴、Y轴和Z轴移动，以使得探针(52)在CFRP复合材料(150)的整个表面区域上移动，用于CFRP复合材料(150)的3D扫描和用于检测CFRP复合材料(150)中的缺陷。3D扫描器组件(60)的该XYZ台架系统(62)由容纳在测试系统(10)内的电驱动器驱动，其中电驱动器也与液压单元一起操作以驱动探针组件(50)和XYZ台架系统(62)。测试系统(10)的十字头组件(14)和扫描系统(20)的XYZ台架系统(62)借助于容纳在测试系统(10)中的支撑柱(30)支撑，其中这些支撑柱(30)形成空心柱，以容纳隐藏的电缆和电源线、驱动器、传感器、控制器等。

在本实施例中，传输元件被分成四个传输元件，即第一、第二、第三和第四传输元件(64a，64b，64c，64d)。每个传输元件(64a，64b，64c，64d)由其上的一个或多个导轨(66)组成。如图5所示，第一和第二传输元件(64a，64b)被放置为探针(52)在CFRP复合材料(150)上沿X方向以390mm的可移动长度移动。类似地，第三传输元件(64c)被放置为探针(52)在CFRP复合材料(150)上沿Y方向以390mm的可移动长度移动。此外，第四传输元件(64d)被放置为探针(52)在CFRP复合材料(150)上沿Z方向以100mm的可移动长度移动。

特别地，第一和第二传输元件(64a，64b)相对于测试系统(10)竖直地附接到支撑框架(68)，特别是与测试系统(10)的支撑柱(30)一致。第三传输元件(64c)水平地联接在第一和第二传输元件(64a，64b)之间，以使得第三传输元件(64c)在第一和第二传输元件(64a，64b)的轨道(66)上沿向上和向下方向可移动，这导致探针组件(50)相对于CFRP复合材料(150)沿X轴移动。

第四传输元件(64d)垂直于CFRP复合材料(150)的表面联接到第三传输元件(64c)，以使得第四传输元件(64d)在第三传输元件(64c)的轨道(66)上沿横向方向可移动，即纵向地左右移动，这导致探针组件(50)相对于CFRP复合材料(150)沿Y轴移动。探针组件(50)以平行的方式放置在第四传输元件(64d)的顶部，并且通过联轴器(90)联接到第四传输元件(64d)，以使得探针组件(50)沿着第四传输元件(64d)的轨道(66)在向后和向前方向可移动，这导致探针组件(50)相对于CFRP复合材料(150)沿Z轴移动。

另外，操作者控制台(70)由安装在测试系统(10)上的保持器组件(72)固定，其中智能接头或智能手机(windows/安卓)被配置并用作操作者控制台(70)，该操作者控制台(70)由安装在即插即用测试系统(10)上的接头保持器组件(72)紧固。操作者控制台(70)通常以安卓平板的形式提供，其便于在安装CFRP复合材料(150)时测试和扫描系统(10，20)的快速操作。操作者控制台(70)被配置并用于(i)操作液压驱动器以控制致动器(12)和十字头组件(14)的运动；(ii)控制保持受试(即在静态和循环测试条件期间)的CFRP复合材料(150)的固具和夹紧元件(42，44)；(iii)操作电驱动器以控制探针组件(50)中的涡流探针(52)的XYZ运动；以及(iv)执行以下测试顺序：安装CFRP复合材料(150)，在CFRP复合材料(150)上施加载荷，显示联机测试状态，诊断测试系统(10)健康和安全行为，以及生成测试报告和通知。另外，计算机(Windows计算机或笔记本)利于集成系统(100)的前端配置，用于执行测试负载序列、数据获取、测量和结果的在线图形显示和报告生成。

特别地，操作者控制台(70)通过容纳在测试系统(10)中的多通道控制和数据采集系统可操作地连接到测试系统(10)和扫描系统(20)，用于通过液压单元控制致动器(12)和十字头组件(14)的运动，并且用于通过XYZ台架系统(62)控制探针组件(50)以同步方式沿X轴、Y轴和Z轴的空间运动。操作者控制台(70)配置为操作液压单元和电驱动器以驱动致动器(12)、十字头组件(14)、探针组件(50)的探针(52)和感测单元(54)、以及XYZ台架系统(62)的传输元件(64a，64b，64c，64d)。应当注意的是，由于该集成系统(100)的测试系统(10)和扫描系统(20)都是由单个控制器通过操作者控制台(70)驱动的，这利于负载和扫描系统的同步控制和测量。这样的系统集成测试系统(10)和扫描系统(20)，这利于以同时和同步的方式对CFRP复合材料(150)进行机械测试和3D扫描两者，以在使用测试系统(10)的机械测试之前或期间或之后检测CFRP复合材料样品(150)中的缺陷，而不影响其机械性能，并且无需从测试系统(10)拆卸CFRP复合材料(150)用于扫描过程。

图6示出了根据本发明示例性实施例、使用集成系统(100)原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料(150)中的缺陷的方法的流程图(600)。一旦与XYZ扫描系统(20)和测试系统(10)集成的系统被设置用于其操作，则以对在静态和循环测试条件下负载的CFRP复合材料(150)中的缺陷执行原位扫描和检测的方法来执行各种步骤。最初，如步骤602所示，在零负载条件下将CFRP复合材料(150)安装在固具组件(40)的上下夹紧元件和上下固具元件(44，42)之间。选择合适的顶部夹具和固具以及底部夹具和固具用于安装CFRP复合材料(150)并将CFRP复合材料(150)安装在测试系统(10)上。CFRP复合材料(150)使用液压或手动夹具安装在测试系统(10)上，并确保在CFRP复合材料(150)上零负载。

然后，如步骤604所示，在维持CFRP复合材料(150)和非破坏性感测探针(52)之间的期望距离的同时，非破坏性感测探针(52)首先移动并定位在CFRP复合材料(150)的左上角以记录3D扫描器组件的X和Y坐标的位置，并且类似地，非破坏性感测探针(52)再次移动并定位在CFRP复合材料(150)的右下角以记录3D扫描器组件的X和Y坐标的位置。对应于CFRP复合材料(150)的左上角和右下角的X和Y坐标由此限定将被扫描的CFRP复合材料(150)的总区域。

此后，如步骤606所示，基于所记录的3D扫描器组件的X和Y坐标来确定CFRP复合材料(150)的整个扫描区域。然后，如步骤608所示，测量并维持感测探针(52)的尖端和CFRP复合材料(150)的表面之间的距离，以在特定距离进行3D扫描。此外，通过测量和维持探针时间和CFRP复合表面之间的差异距离进行3D扫描，用于各种分析以检测CFRP复合材料(150)的缺陷。

此外，如步骤610所示，通过操作和控制探针(52)通过扫描系统(20)的XYZ台架系统(62)的传输元件(64a，64b，64c，64d)沿X轴、Y轴和Z轴的三维运动，扫描CFRP复合材料(150)的所确定的扫描区域。操作和控制感测探针(52)的三维运动(X、Y和Z运动)，以粗略扫描方式和/或以精细扫描方式扫描和覆盖CFRP复合材料(150)的整个扫描区域。执行粗略扫描以迅速和快速地检测和发现CFRP复合材料(150)中的缺陷区，而执行精细扫描以检测CFRP复合材料(150)中每个已识别的缺陷区中的深度缺陷，即获得以粗略扫描识别的缺陷区的局部缺陷的清晰和完整的图像。

然后，如步骤612所示，在CFRP复合材料(150)的表面上由探针(52)产生涡流，测量该涡流以确定在零负载条件下CFRP复合材料(150)中的缺陷。此时，在通过测试系统(10)对CFRP复合材料(150)进行机械性能的任何测试之前，使用如下描述并在图7(a)-7(f)中示出的涡流工作原理，使探针(52)在CFRP复合材料(150)的整个扫描区域上移动，以观察其情况和缺陷。

最后，如步骤614所示，通过由液压单元致动测试系统(10)的致动器(12)和十字头组件(14)，在CFRP复合材料(150)上施加期望的载荷和位移。然后，同步地重复步骤608、610和612以分析CFRP复合材料(150)在不同负载条件和不同间隔下负载时以及在CFRP复合材料(150)不同负载条件和不同间隔负载后CFRP复合材料(150)中缺陷的出现，如步骤616所示。CFRP复合材料(150)的扫描和测试同步地进行，以建立CFRP复合材料(150)的缺陷生长和物理行为之间的相关性。

此时，使用安装在接头保持器组件(72)上的操作控制台(70)限定用于发现CFRP复合材料(150)的机械性能(如杨氏模量、疲劳强度、韧性)的测试顺序(服役负载的加载模式的模拟)以及CFRP扫描的间隔。针对机械性能，执行并测量测试顺序以及以限定间隔的涡流扫描，以检测CFRP复合材料(150)中的缺陷。呈现了CFRP复合材料(150)在运行过程中的机械性能和缺陷情况。在机械测试结束时，再次由扫描系统(20)扫描CFRP复合材料(150)，以检测CFRP复合材料(150)中的缺陷。

图7(a)-7(f)示出了根据本发明示例性实施例的流程图(700)，其表示在集成系统(100)中使用的涡流感测探针(52)的工作原理。涡流感测探针(52)的操作执行用于在CFRP复合材料(150)的表面上产生和测量涡流的各种子步骤。最初，将铜丝(701)缠绕在感测探针(52)的圆柱形铁氧体磁芯上，这导致感测探针(52)充当感应线圈。然后，向探针(52)通高频交流电，其中高频交流电被放大到足以在探针(52)中产生大通量。当高频交流电通过探针(52)时，探针(52)产生围绕探针(52)的瞬时磁场。

当具有磁场源的探针(52)靠近CFRP复合材料(150)(其为导电试样)时，在CFRP复合材料(150)中产生并感应螺旋形电流，即涡流。相对于探针(52)在CFRP复合材料(150)的表面上的运动，探针(52)与CFRP复合材料(150)磁耦合，以在CFRP复合材料(150)的表面上产生涡流并将涡流穿透到CFRP复合材料(150)的表面中。特别地，在其自身磁场(即主磁场)的影响下，在CFRP复合材料(150)(导电试样)上的探针(52)的移动磁性地耦合探针(52)和被扫描的CFRP复合材料(150)，这导致CFRP样品的表面的涡流产生和穿透。这产生的涡流可以穿透到CFRP复合材料(150)表面下的极少数层，其中电流穿透的深度与通过探针(52)的交流电流的频率成反比。在CFRP复合材料(150)中感应的电磁力(EMF)遵循法拉第定律与通量的变化率成比例。

此外，在CFRP复合材料(150)中产生的涡流还在探针(52)中产生其自身的磁场，即与主磁场相对的副磁场，主磁场是其产生的原因。涡流的方向基于楞次定律，以使得由CFRP复合材料(150)中的涡流产生的副磁场与探针(52)中的主磁场相对。然后，测量探头(52)两端的电压，以检测探头(52)和CFRP复合材料(150)之间的自感电磁力(EMF)和互感。在通过在CFRP复合材料(150)的表面上移动探针(52)扫描CFRP复合材料(150)的同时，确定探针(52)两端的测量电压的任何变化以检测CFRP复合材料(150)中的缺陷。

在探针(52)在CFRP复合材料试样(150)上的迁移期间，无论何时遇到缺陷，涡流的路径会中断，这导致副磁场的强度降低。由于探针(52)和CFRP复合材料试样(150)之间的耦合，该现象进一步导致探针(52)两端的电压变化。采用该电压变化来区分CFRP复合材料试样(150)的受损和未受损表面区域。因此，该集成测试和扫描系统(20)的操作的限定工作原理能够在对CFRP复合材料(150)进行机械测试之前/期间/之后检测CFRP复合材料(150)的状态。它也有助于使CFRP样品中的缺陷与其机械性能相关，并最终在其设计、生产或应用阶段采取进一步适当的措施。

通过使用这种集成的测试和扫描系统，在图8(a)和8(b)中示出了从这种测试和对CFRP复合材料样品(150)进行的扫描获得的一些结果。图8(a)示出了根据本发明示例性实施例的双向CFRP层压板(150)。通过对CFRP复合材料样品(150)进行涡流测试来验证本发明。这里，使用本发明的集成系统(100)对中心具有17焦耳冲击损伤的15×10×2cm尺寸的双向CFRP层压板(150)(如图7a所示)进行涡流测试。然后，当探针(52)在双向CFRP层压板(150)的表面上移动时测量探针两端的电压(具有10匝铜丝和5MHz交流电)。注意到对应于CFRP层压板(150)中的缺陷，曲线峰值附近的电压变化为约130mV，如图8(b)所示，曲线(800)示出了根据本发明的示例性实施例图8(a)所示的双向CFRP层压板(150)上的感测探针(52)在其迁移期间感测探针(52)两端电压变化的时间历史。

图9(a)示出了根据本发明的示例性实施例的CFRP复合材料样品(150)，该CFRP复合材料样品在安装在测试系统(10)上时具有用于3D扫描的确认的已知缺陷。然而，根据本发明的示例性实施例，图9(b)示出了从安装在集成系统(100)上的3D涡流扫描器获得的CFRP复合材料样品(150)的相应2D扫描图像(900)。从图9(a)和9(b)的图片可以清楚地看出，白色斑块对应于CFRP复合材料样品(150)中存在的已知损伤，该损伤在本发明的这种集成系统(100)的帮助下被准确地分析。

图10(a)-10(e)分别示出了根据本发明的示例性实施例，当CFRP复合材料(150)经受使用测试系统(10)的递增静态负载和卸载时，在CFRP复合材料样品(150)的表面区域上拍摄的扫描图像(1000)。从图10(a)-10(e)中可以观察到，当CFRP复合材料(150)在静态条件下负载和卸载时，CFRP复合材料(150)中的缺陷尺寸分别增大和减小。图10a示出了CFRP复合材料(150)负载到1.0kN，然后卸载到0.1k N。类似地，图10b、10d和10e分别示出了CFRP复合材料(150)被负载到2.0kN、2.5kN和3.0kN，然后每次卸载到0.1kN。从这些图中可以清楚地看出，随着静态负载的增大，缺陷的尺寸也增大，并且在CFRP复合材料(150)卸载时回到初始尺寸。图10c显示在2.0kN的恒定幅度下500次疲劳负载循环后缺陷尺寸的增长。这里，在卸载之后，CFRP复合材料试样(150)恢复原始尺寸。

图11(a)-11(e)分别示出了根据本发明的示例性实施例的扫描图像(1100)，其示出了在恒定幅度疲劳负载下在多个循环内CFRP复合材料试样(150)中的缺陷生长。下表1提供了对应于图11(a)-11(e)的负载条件和对应于这些测试条件测量的缺陷尺寸。这里，显然缺陷尺寸相对于负载幅度和负载循环的数量的增加而增加。图11(e)表示缺陷的尺寸不能进一步增大。

表1

关于恒定幅度负载循环的缺陷尺寸

图	幅度	循环	面积(mm<sup>2</sup>)
				11a	5.0kN	5000	202
11b	6.0kN	10000	206
				11c	8.0kN	35000	220
11d	10.0kN	50000	236
				11e	13.0kN	1108206	233

本发明的集成系统(100)有助于提供用于扫描CFRP复合材料(150)的3D扫描器，CFRP复合材料(150)经受在静态和循环负载下的测试，集成系统(100)提供3D扫描器与伺服控制测试系统(10)的集成，配备有用于测试系统(10)和3D扫描器的集成控制和应用(统一控制系统)，以进行以下两者：(i)在静态和/或循环负载下的机械测试以及(ii)CFRP复合材料(150)中的缺陷的3D扫描。特别地，一旦CFRP复合材料(150)安装在测试系统(10)上，就可以在该集成系统(100)本身中进行机械性能的测试和缺陷的扫描两者，这避免了在测试机械性能之后拆除CFRP复合材料(150)进行扫描的需要。

本发明的这种系统实现了模拟CFRP复合材料上的服役载荷的伺服控制测试系统和用于CFRP复合材料的3D扫描的扫描系统(涡流传感器和台架系统)的集成。它以简单和经济的方式提高了CFRP复合材料缺陷分析的准确性，节省了测试和扫描过程中的大量时间。它能够实现安装在测试系统上的CFRP复合材料的3D扫描而不中断机械测试过程。而且，它提供非接触位置反馈伺服控制，以保持探针(52)和CFRP复合材料的表面之间的指定恒定间隙，并且提供可编程的信号频率和强度，以实现在扫描期间对两者的扫描。它在CFRP复合材料试样在受控的应变或负载条件下扫描试样缺陷，并结合摄像机通过数字图像相关法(DIC)分析局部负载或应变测量。此外，CFRP复合材料的机械测试(使CFRP复合材料经受期望的负载或应变)与材料中缺陷的3D扫描的同步建立了缺陷的生长与CFRP复合材料样品的机械性能之间的相关性。它允许基于使用扫描器识别的缺陷的数量或程度来分配测试终止条件。尽管，这里在本发明中的扫描系统是通过将其与自动伺服控制负载框架集成来说明的，原则上，它也可以集成在手动或机械负载框架上。

前面的描述是本发明的具体实施例。应当理解，该实施例仅出于说明的目的而被描述。对于本领域技术人员显而易见的是，尽管本文根据本发明的特定实施例对本发明进行了描述，但是存在本发明的多种替换，修改和变化。旨在包括所有这样的修改和改变，只要它们落在所述的本发明的精神和范围或其等同物之内。因此，落入所附权利要求的宽范围内的所有变化、修改和替换都在本发明的范围内。

Claims (21)

1.一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的对象中的缺陷的系统，包括：

测试系统，所述测试系统具有致动器和十字头组件，所述致动器和所述十字头组件由多个液压单元致动，用于在受试对象上施加期望的载荷和位移；

固具组件，所述固具组件具有多个固具元件和多个夹紧元件，所述多个固具元件和所述多个夹紧元件附接在所述致动器与所述十字头组件之间用于保持所述受试对象；

扫描系统，所述扫描系统通过一对支撑柱与所述测试系统集成，其中所述扫描系统包括：

探针组件，所述探针组件具有至少一个非破坏性感测探针和至少一个感测单元，所述至少一个非破坏性感测探针用于在所述受试对象的表面产生和测量涡流，所述至少一个感测单元用于测量所述探针尖端与所述受试对象的所述表面之间的距离；和

3D扫描器组件，所述3D扫描器组件具有XYZ台架系统，所述XYZ台架系统被布置成具有多个传输元件，所述XYZ台架系统与所述探针组件相关联用于所述探针组件沿着X轴、Y轴和Z轴的移动，以使得所述探针在所述受试对象的整个表面区域上移动用于对所述受试对象进行3D扫描；

操作者控制台由安装在所述测试系统上的保持器组件紧固，其中所述操作者控制台可操作地连接到所述测试系统和所述扫描系统，用于通过所述液压单元控制所述致动器和所述十字头组件的运动，以及用于通过所述XYZ台架系统控制所述探针组件以同步方式沿X轴、Y轴和Z轴的三维运动。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述非破坏性感测探针包括涡流感测探针，所述涡流感测探针负载有弹簧并且以这种方式紧固到所述探针组件的固具中，相对于所述受试对象的所述表面定位所述探针尖端。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述感测单元包括邻近所述探针放置的激光传感器。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述传输元件附接到支撑框架上，所述支撑框架被紧固到所述测试系统的所述支撑柱上。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述传输元件中的每一个由通过所述操作者控制台控制的马达和电驱动器相互依赖地操作，以提供旋转到线性运动的传动。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述操作者控制台通过容纳在所述测试系统中的多通道控制和数据采集系统可操作地连接到所述测试系统和所述扫描系统上，用于操作所述液压单元和所述电驱动器以驱动所述致动器、所述十字头组件、所述探针组件的所述探针和所述感测单元、以及所述XYZ台架系统的所述传输元件。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述操作者控制台被配置成执行以下测试顺序：对所述受试对象施加载荷和进行扫描，显示联机测试状态，诊断测试系统健康和安全行为，以及生成测试报告和通知。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述操作者控制台控制所述固具组件的所述夹紧元件，用于即使在所述静态和循环测试条件期间也紧固地保持所述受试对象。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述固具元件和夹紧元件分别由用于安装所述受试对象的上固具元件和下固具元件以及上夹紧元件和下夹紧元件组成。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述传输元件包括各自在其上形成有一个或多个导轨的第一、第二、第三和第四传输元件，其中所述传输元件通过联轴器彼此联接，用于所述传输元件相对于所述受试对象的三维移动。

11.如权利要求1和10所述的系统，其中所述第一和第二传输元件相对于所述测试系统竖直地附接到所述支撑框架。

12.如权利要求1和10所述的系统，其中所述第三传输元件水平地联接在所述第一传输元件与所述第二传输元件之间，以使得所述第三传输元件在所述第一传输元件与所述第二传输元件的所述轨道上相对于所述受试对象在向上和向下方向上可移动，用于所述探针组件沿着所述X轴的移动。

13.如权利要求1和10所述的系统，其中所述第四传输元件在垂直于所述受试对象的所述表面的方向上联接到所述第三传输元件上，以使得所述第四传输元件在所述第三传输元件的所述轨道上相对于所述受试对象在横向方向上可移动，用于所述探针组件沿着所述Y轴的移动。

14.如权利要求1和10所述的系统，其中所述探针组件被平行地放置并联接到所述第四传输元件，以使得所述探针组件连同所述第四传输元件的所述轨道一起相对于所述受试对象在向后和向前方向上可移动，用于所述探针组件沿着所述Z轴的移动。

15.如权利要求1所述的系统，其中所述十字头组件容纳有载荷元件并且通过所述液压单元伺服控制以将期望的载荷施加到所述受试对象上。

16.如前述权利要求1至15中任一项所述的系统，其中所述受试对象包括CFRP(碳纤维增强聚合物或塑料)复合材料和双向CFRP层压板。

17.一种用于原位3轴扫描和检测在静态和循环测试条件下负载的对象中的缺陷的方法，包括以下步骤：

(a)在零负载条件下，将所述受试对象安装在固具组件的上下夹紧件和上下固具元件之间；

(b)在保持所述受试对象与所述探针之间的期望距离的同时，将非破坏性感测探针定位在所述受试对象的左上角和右下角，以记录3D扫描器组件的X坐标和Y坐标；

(c)基于所述3D扫描器组件的所记录的X和Y坐标来确定所述受试对象的整个扫描区域；

(d)测量所述感测探针的尖端与所述受试对象的所述表面之间的距离；

(e)通过XYZ台架系统的多个传输元件操作并控制所述探针沿X轴、Y轴和Z轴的三维运动，来扫描所确定的所述受试对象的扫描区域；

(f)通过所述探针在所述受试对象的所述表面上产生并测量涡流，以确定所述受试对象在零负载条件下的缺陷；以及

(g)通过多个液压单元致动测试系统的致动器和十字头组件，来在所述受试对象上施加期望的载荷和位移，并且同步地重复步骤(d)、(e)和(f)，以分析在不同负载条件和不同间隔下的负载期间和之后所述受试对象中缺陷的发生。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述通过所述探针在所述受试对象的所述表面上产生并测量涡流的步骤进一步包括以下步骤：

(a)通高频交流电以在所述探针中产生瞬时磁场；

(b)随着所述探针在所述受试对象的所述表面上的运动，使所述探针与所述受试对象磁性耦合，以在所述受试对象表面上产生涡流并使所述涡流穿透进入所述受试对象表面；

(c)测量所述探针两端的电压，以检测所述探针与所述受试对象之间的自感电磁力(EMF)和互感；以及

(d)在扫描时，确定所述探针两端的电压是否有任何变化，以检测所述受试对象中的缺陷。

19.如权利要求17所述的方法，其中控制所述感测探针的运动，用于以粗略扫描方式扫描所述受试对象，以快速检测所述受试对象中的缺陷区域，并以精细扫描方式扫描所述受试对象，以检测所述受试对象中每个识别的缺陷区域中的深度缺陷。

20.如权利要求17所述的方法，其中对所述受试对象的所述扫描和测试同步地进行，以建立所述受试对象的缺陷生长和物理行为之间的关联。

21.如以上权利要求17至20中任一项所述的方法，其中所述受试对象包括CFRP(碳纤维增强聚合物或塑料)复合材料和双向CFRP层压板。