CN110361323A - 一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置及方法，包括由导线连接的结合力检测系统和信号采集系统，采取一个激励源(激光器)多个接收源(传感器阵列)，传感器以激光源作为圆心进行环形阵列，其阵列分布方向与复合材料铺层方向相对应，实现激光器一次激励，阵列传感器同时接收多路冲击波响应信号，提取阵列传感器单元接收信号中“层裂”特征信息，获得激光冲击区域“层裂”特征周向分布，通过定义损伤指数和平方误差，实现复合材料结合力指标的重新定义。本发明有效地解决激光冲击波复合材料结合力检测问题，通过一次激励、环向多点接收，通过多方向数据融合方法，实现结合力指标更为全面、准确的评价。
Description
技术领域
本发明属于激光技术和材料性能测试领域，尤其涉及一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置及方法，其适于薄膜或粘接性结构的附着力测定、各种复合材料、涂层以及其它类型的界面结合力测定。
背景技术
复合材料已在航空航天等领域广泛应用，由于其特殊制造工艺及较为恶劣服役环境，易出现分层、夹杂、空洞缺陷，针对上述缺陷类型，现有超声、工业CT、微波、热红外等传统方法即可实现成熟、可靠检测。然而对于“吻”结合、弱结合缺陷，采用上述传统检测方法无法有效识别，上述损伤在服役过程中发生扩展，影响使用寿命，甚至结构产生破坏，造成灾难。为了识别“吻”结合、弱结合缺陷，需对复合材料粘接层结合力进行有效检测和评价。
针对复合材料粘接层结合力检测，理论上讲，可通过拉伸法、弯曲法及断裂力学法等进行评估，但上述方法均具有破坏性，很难应用于服役产品检测。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置及方法，采取一个激励源(激光器)多个接收源(传感器阵列)，传感器以激光源作为圆心进行环形阵列，对复合材料结合力进行精确检测。
本发明的技术方案如下：
一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置，其特征在于：包括由导线连接的结合力检测系统和信号采集系统，
其中，所述结合力检测系统包括激光器、法兰盘、柔性导光装置、传感器单元、光路保护固定装置和传感器激励接收装置，多个所述传感器单元通过所述法兰盘按阵列设置于待测复合材料的一侧；所述激光器产生的激光冲击波通过所述柔性导光装置引导到待测复合材料检测区域，所述光路保护固定装置设置于所述柔性导光装置端口的外周，通过所述光路保护固定装置将柔性导光装置固定于所述法兰盘上，所述传感器激励接收装置通过导线与所述传感器单元连接；
所述信号采集系统包括通过导线连接的高速采集系统和计算机，且所述高速采集系统还通过导线与所述传感器激励接收装置连接，所述计算机通过导线与所述激光器连接。
优选的，还包括能量吸收层和贴合在所述能量吸收层上的能量约束层，所述能量吸收层贴合于待测复合材料上，贴合位置位于所述激光器的辐照光斑处；
其中，所述能量吸收层为黑胶带或铝箔，所述能量约束层为透明玻璃或水。。
优选的，所述传感器单元阵列和所述激光器位于待测复合材料的同侧，所述传感器单元阵列以柔性导光装置的端头为圆心呈均匀环状分布，且圆环的半径可调。
优选的，所述光路保护固定装置设置于所述柔性导光装置端口的外周。
优选的，所述传感器单元包括电磁超声传感器单元、压电超声传感器单元或空气耦合传感器单元。
优选的，所述传感器单元与所述激光器的端头距离≧10mm，所述传感器单元阵列环形均匀分布方向包含复合材料的所有铺层方向，且每个铺层方向上有两个所述传感器单元对称地分布在所述柔性导光装置端头两侧，即相邻两个所述传感器单元的夹角为
所述n为传感器单元数量，其为铺层方向数量的倍数，n取正整数；N为复合材料铺层方向数量。
一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法，根据一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置实现，
具体步骤如下：
S1：调整激光器参数，使得激光冲击波产生的拉应力δ不大于复合材料粘接层结合力指标σN一半，即
S2：控制激光器在复合材料中首次激发冲击波，传感器单元阵列所有单元同时通过高速采集系统记录由激光冲击区域向四周辐射的冲击波信号，并传输给计算机；
S3：利用计算机提取传感器单元阵列中各单元接收信号中相关信号特征定义传感器单元i对应方向上损伤指数DIi，绘制第一次激光冲击时，损伤指数周向分布曲线DI1，其中i＝1,2,...n，i为传感器单元编号；
S4：针对待测复合材料，对其合格标准件进行大量检测，获得正常状态下损伤指数分布曲线包络作为基准，第一次激光冲击时获得的损伤指数周向分布曲线DI1，观察DI1是否在损伤指数正常包络范围内，即可判断待测复合材料结合力指标是否满足要求；
S5：如无法获得合格标准件正常状态下损伤指数分布曲线包络，需重新调整激光器参数，使得激光冲击波产生的拉应力δ等于复合材料粘接层结合力指标σ，即δ＝σn；按步骤S2，获得第二次激光冲击时，损伤指数周向分布曲线DI2；
S6：将待测复合材料损伤指数DI1分布曲线与DI2分布曲线进行对比，判断待测材料粘接层结合力指标是否满足要求。
优选的，步骤S3中，不同检测方向损伤指标DIi定义：取接收信号中层裂后缺陷反射回波幅值、底面反射回波幅值、波包到达时间或频谱信号中特征频率点幅值作为定义损伤特征值Ai；当特征值Ai与损伤严重性呈正相关时，按式Ι计算；当特征值Ai与损伤严重性呈负相关时，损伤指数DIi按式Ⅱ计算；这样保证损伤程度增大，损伤指数DIi均增大；
优选的，步骤S6中，DI1与DI2分布曲线对比结果采用平方误差W进行表征，若平方误差W小于设定阈值T，则结合力指标满足要求，若平方误差W大于且等于设定阈值T，则结合力指标不满足要求，其中阈值T通过测试标准合格复合材料样件获得。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明采用一个激励源，即激光器和多个接收源，即传感器阵列，通过一次激励、环向多点接收，可以精确对检测区域的结合力指标，克服了现有单个激励源和单个接收源配置的检测装置，对复合材料的各项异性特征，无法全面准确检测的弊端。
(2)本发明采用损伤指数(曲线)判断结合力是否满足技术指标要求的新方法，实现了复合材料结合力指标的重新定义，使得检测更加全面和准确。
(3)本发明设置阵列传感器布置方向与复合材料铺层方向一致，阵列传感器单元数量为铺层方向倍数，即可实现激光器一次激励，阵列传感器同时从不同方向接收冲击波响应信号，克服现有结合力检测数据单一，测量适应性不强的问题。
(4)本发明通过对合格标准件进行大量检测，获得正常状态下损伤指数分布曲线包络作为基准，仅对待测复合进行一次检测，其损伤指数分布曲线是否在正常包络范围内，即可判断待测复合材料结合力指标是否满足要求，当有标准件基准数据时，减少检测次数，提高检测效率，节约成本。
(5)本专利在亦可在没有损伤指数包络基准情况下，通过两次不同能量冲击，获得损伤指数分布，通过比较平方误差W与阈值T大小，实现待测区域损伤情况的判断。
附图说明
图1为本发明基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置的结构示意图；
图2为本发明基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置中法兰盘的结构示意图；
图3为本发明基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法的检测步骤流程图；
图4为本发明基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法中两次激光冲击时传感器单元阵列接收信号的曲线图；
图5为本发明基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法中第一次激光冲击时损伤指数DI1分布曲线；
图6为本发明基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法中第一次激光冲击时损伤指数DI2分布曲线；
本发明的附图标记列示如下：
1-计算机，2-待测复合材料，3-高速采集系统，4-传感器激励接收装置，5-柔性导光装置，6-光路保护固定装置，7-激光器，8-固定螺母，9-法兰盘，10-传感器单元，11-能量约束层，12-能量吸收层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
同时，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。此外，术语“第一”，“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明包括提供一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置及方法，采取一个激励源(激光器)多个接收源(传感器阵列)，传感器以激光源作为圆心进行环形阵列，利用损伤指数(曲线)对复合材料结合力进行精确检测。
以下结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1-2所示，一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置，包括由导线连接的结合力检测系统和信号采集系统，
其中，所述结合力检测系统包括激光器7、法兰盘9、柔性导光装置5、传感器单元10、光路保护固定装置6和传感器激励接收装置5，多个所述传感器单元10通过所述法兰盘9按阵列设置于待测复合材料2的一侧，如图2所示法兰盘9上以环状分布开设有多个通孔，传感器单元10通过螺母8固定设置在法兰盘9上形成传感器单元10阵列，所述激光器7产生的激光冲击波通过柔性导光装置5引导到待测复合材料2检测区域，所述光路保护固定装置6设置于所述柔性导光装置5端口的外周，通过所述光路保护固定装置6将柔性导光装置5固定于所述法兰盘9上，所述传感器激励接收装置5通过导线与所述传感器单元10连接；
所述柔性导光装置7内含反射镜是为了将激光器7激发的激光冲击波传导至所需位置。
所述信号采集系统包括通过导线连接的高速采集系统3和计算机1，且所述高速采集系统3还通过导线与所述传感器激励接收装置4连接，所述计算机1通过导线与所述激光器7连接。
所述高速采集系统3型号为16通道数据采集NI PXI-6251，16路模拟输入通道，1.25MS/s(单通道)，1MS/s(多通道)；16位分辨率，±10V。
另外还包括能量吸收层12和贴合在所述能量吸收层12上的能量约束层11，所述能量吸收层12贴合于待测复合材料2上，贴合位置位于所述激光器7的辐照光斑处；
其中，所述能量吸收层12为黑胶带或铝箔，所述能量约束层11为透明玻璃或水，本实施例中选择水；
具体地，所述传感器单元10阵列和所述激光器7位于待测复合材料2的同侧，待测复合材料2的型号为T300，厚度2.24mm，16层铺层，铺层顺序为[0/45/90/-45]2s，即铺层方向数量为4层；传感器单元10阵列以柔性导光装置5端头为圆心呈均匀环状分布，且圆环的半径可调，设置环形半径为30mm，所述传感器单元10与所述激光器7的端头距离≧10mm，且传感器单元10阵列环形均匀分布，其方向包含复合材料的所有铺层方向，且每个铺层方向上有两个所述传感器单元10对称分布在所述激光器7的端头两侧，相邻两个所述传感器单元10的夹角为并且n为所述传感器单元数量其为铺层方向数量的倍数，n取正整数；N为复合材料铺层方向数量，传感器单元10数量选择为8个，即铺层方向数量的2倍；
本实施例的检测装置所述柔性导光装置5的内部设有反射镜，为了使激光冲击波能够准确传导至预定位置，另外还包括设置于所述柔性导光装置5的外部的光路保护固定装置6，光路保护固定装置6可以保证激光冲击波不耗散。
具体地，所述传感器单元10包括电磁超声传感器单元、压电超声传感器单元、激光干涉仪和空气耦合传感器单元，本实施例的检测装置选择空气耦合传感器单元。
如图3-6所示，一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法，采用基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置实现，具体步骤如下：
S1：调整激光器7参数，使得激光冲击波产生的拉应力δ不大于待测复合材料2粘接层结合力指标σN一半，即本实施例中激光器7的参数设置为能量密度为4J，脉宽为30ns，光斑直径为4mm。
S2：控制激光器7在复合材料中首次激发冲击波，传感器单元10阵列所有单元同时通过高速采集系统3记录由激光冲击区域向四周辐射的冲击波信号，并传输给计算机1；
S3：利用计算机1提取传感器单元10阵列中各单元接收信号中相关信号特征定义传感器单元10i对应方向上损伤指数DIi，绘制第一次激光冲击时，损伤指数周向分布曲线DI1，其中i＝1,2,...n，i为传感器单元10编号；
S4：如图5所示，针对待测复合材料2，对其合格标准件进行大量检测，获得正常状态下损伤指数分布曲线包络作为基准，第一次激光冲击时获得的损伤指数周向分布曲线DI1，观察DI1是否在损伤指数正常包络范围内，即可判断待测复合材料2结合力指标是否满足要求；
S5：如图6所示，如无法获得合格标准件正常状态下损伤指数分布曲线包络，需重新调整激光器7参数，使得激光冲击波产生的拉应力δ等于复合材料粘接层结合力指标σ，即δ＝σn；按步骤S2，获得第二次激光冲击时，损伤指数周向分布曲线DI2；
S6：将待测复合材料2损伤指数DI1分布曲线与DI2分布曲线进行对比，判断待测材料粘接层结合力指标是否满足要求。
具体地，如图4所示，在步骤S3中，不同检测方向损伤指标DIi定义：取接收信号中层裂后缺陷反射回波幅值、底面反射回波幅值、波包到达时间或频谱信号中特征频率点幅值作为定义损伤特征值Ai；当特征值Ai与损伤严重性呈正相关时，按式Ι计算；当特征值Ai与损伤严重性呈负相关时，损伤指数DIi按式Ⅱ计算；这样保证损伤程度增大，损伤指数DIi均增大；
具体地，步骤S6中，DI1与DI2分布曲线对比结果采用平方误差W进行表征，若平方误差W小于设定阈值T，则结合力指标满足要求，若平方误差W大于且等于设定阈值T，则结合力指标不满足要求，其中阈值T通过测试标准合格复合材料样件获得，不同的待测复合材料因为性能不同有不同的阈值T。
具体地，步骤S6中，DI1与DI2分布曲线对比结果采用平方误差W进行表征，若平方误差W小于设定阈值T，则结合力指标满足要求，若平方误差W大于且等于设定阈值T，则结合力指标不满足要求，其中阈值T通过测试标准合格复合材料样件获得。
在本实施例中阈值T取0.05，待检复合材料实测W值为0.61，W>>T，故待测的复合材料结合力指标不满足要求。
本发明采用以上方式，可准确地检测到待测复合材料粘接层结合力指标是否满足要求。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (8)
1.一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置，其特征在于：包括由导线连接的结合力检测系统和信号采集系统，
其中，所述结合力检测系统包括激光器、法兰盘、柔性导光装置、传感器单元、光路保护固定装置和传感器激励接收装置，多个所述传感器单元通过所述法兰盘按阵列设置于待测复合材料的一侧；所述激光器产生的激光冲击波通过所述柔性导光装置引导到待测复合材料检测区域，所述光路保护固定装置设置于所述柔性导光装置端口的外周，通过所述光路保护固定装置将柔性导光装置固定于所述法兰盘上，所述传感器激励接收装置通过导线与所述传感器单元连接；
所述信号采集系统包括通过导线连接的高速采集系统和计算机，且所述高速采集系统还通过导线与所述传感器激励接收装置连接，所述计算机通过导线与所述激光器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置，其特征在于：还包括能量吸收层和贴合在所述能量吸收层上的能量约束层，所述能量吸收层贴合于待测复合材料上，贴合位置位于所述激光器的辐照光斑处；
其中，所述能量吸收层为黑胶带或铝箔，所述能量约束层为透明玻璃或水。
3.根据权利要求1所述的一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置，其特征在于：所述传感器单元阵列和所述激光器位于待测复合材料的同侧，所述传感器单元阵列以柔性导光装置的端头为圆心呈均匀环状分布，且圆环的半径可调。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置，其特征在于：所述传感器单元包括电磁超声传感器单元、压电超声传感器单元或空气耦合传感器单元。
5.根据权利要求1所述的一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置，其特征在于：所述传感器单元与所述激光器的端头距离≧10mm，所述传感器单元阵列环形均匀分布方向包含复合材料的所有铺层方向，且每个铺层方向上有两个所述传感器单元对称地分布在所述柔性导光装置端头两侧，即相邻两个所述传感器单元的夹角为
所述n为传感器单元数量，其为铺层方向数量的倍数，n取正整数；N为复合材料铺层方向数量。
6.一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任意一项所述基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测装置实现，具体步骤如下：
S1：调整激光器参数，使得激光冲击波产生的拉应力δ不大于复合材料粘接层结合力指标σN一半，即
S2：控制激光器在复合材料中首次激发冲击波，传感器单元阵列所有单元同时通过高速采集系统记录由激光冲击区域向四周辐射的冲击波信号，并传输给计算机；
S3：利用计算机提取传感器单元阵列中各单元接收信号中相关信号特征定义传感器单元i对应方向上损伤指数DIi，绘制第一次激光冲击时，损伤指数周向分布曲线DI1，其中i＝1,2,...n，i为传感器单元编号；
S4：针对待测复合材料，对其合格标准件进行大量检测，获得正常状态下损伤指数分布曲线包络作为基准，第一次激光冲击时获得的损伤指数周向分布曲线DI1，观察DI1是否在损伤指数正常包络范围内，即可判断待测复合材料结合力指标是否满足要求；
S5：如无法获得合格标准件正常状态下损伤指数分布曲线包络，需重新调整激光器参数，使得激光冲击波产生的拉应力δ等于复合材料粘接层结合力指标σ，即δ＝σn；按步骤S2，获得第二次激光冲击时，损伤指数周向分布曲线DI2；
S6：将待测复合材料损伤指数DI1分布曲线与DI2分布曲线进行对比，判断待测材料粘接层结合力指标是否满足要求。
7.根据权利要求6所述的一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法，其特征在于，步骤S3中，不同检测方向损伤指标DIi定义：接收信号中层裂后缺陷反射回波幅值、底面反射回波幅值、波包到达时间或频谱信号中特征频率点幅值作为定义损伤特征值Ai；当特征值Ai与损伤严重性呈正相关时，按式Ι计算；当特征值Ai与损伤严重性呈负相关时，损伤指数DIi按式Ⅱ计算；这样保证损伤程度增大，损伤指数DIi均增大。
8.根据权利要求6所述的一种基于传感器单元阵列的激光冲击波复合材料结合力检测方法，其特征在于，步骤S6中，DI1与DI2分布曲线对比结果采用平方误差W进行表征，若平方误差W小于设定阈值T，则结合力指标满足要求，若平方误差W大于且等于设定阈值T，则结合力指标不满足要求，其中阈值T通过测试标准合格复合材料样件获得。
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