CN1851451A - Lcm工艺直流电阻法实时监测方法 - Google Patents

Abstract

LCM工艺直流电阻法实时监测方法，根据构件尺寸的大小在预成型体上下表面交叉排放激发导线和感应导线确定监测点；在监测点两侧施加直流电压，并为该被测监测点预成型体电阻串联参比电阻，构成分压电路，测量参比电阻两端的电压，该电压经运放及AD转换被实时采集到PC机上进行显示，通过计算即得到被测预成型体电阻；进行树脂充模，充模时循环扫描所有监测点，以监测电压值的突变判断树脂流动前锋的到达；充模结束后，每个监测点处的预成型体电阻都在增大，测量这些预成型体电阻的变化，即通过监测可以实时地了解树脂的固化情况。本发明能够准确地反映出监测点处树脂流动前锋的到达以及之后的固化过程，由此为减少充模不完全或干斑等缺陷提供依据，降低废品率，提高产品质量，有效解决树脂基复合材料的生产中存在的产品质量不稳定的问题。

Description

LCM工艺直流电阻法实时监测方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料液体成型工艺LCM的实时监测方法。

背景技术

复合材料液体成型工艺LCM(Liquid Composites Molding)是指将专用液态低粘度树脂在一定压力下，注入预先铺放了纤维增强材料的闭合模腔或加热熔化模腔内的树脂膜，树脂流动、浸润增强材料并固化成型的一种先进复合材料工艺方法，它在航天航空领域、汽车、造船、建筑等行业应用日趋广泛。LCM工艺是一种一步成型的工艺方法，优点是操作灵活，可设计性强，设备和工艺成本较低，基本上也不会对环境造成污染。由于该工艺生产的构件质量很大程度上依赖于树脂的流动充模过程及其化学固化反应，LCM工艺自身也存在明显缺点：如树脂流动时间长，模具及工艺设计不当很容易出次品，形成干斑和气泡等典型缺陷，严重影响外观和构件质量。

目前解决LCM工艺存在问题的方法是对工艺进行计算机模拟优化，但是模拟并不能完全准确反映工艺情况，而最有效的方法是对树脂流动和固化过程进行实时监测。工艺监测能够实时准确的反映工艺状况，便于及时调整工艺条件，最大限度降低废品率，提高产品质量，并为研究树脂浸润预成形体提供可靠的数据。现有的LCM工艺监测技术可分为非嵌入式和嵌入式两种。非嵌入式的监测方法包括超声监测、热谱和摄像等，一般不会对工艺过程造成影响，但需要相当昂贵的监测设备；嵌入式监测技术有：以热电偶为监测元件的热监控、以压力传感器为介质的压力监测、光纤监测技术、直流电监测以及介电监测技术等。嵌入式元件或多或少影响树脂流动和构件质量，但它们有准确传输构件内信息的优点。

1993年美国ARL(Army Research Laboratory)和Delaware大学成功开发出SMART weave流动监测传感系统并获得专利，Walsh Shawn M.In-situsensor method and device.US5210499，1993。该技术是在模腔内预埋直交导线网络，网络的每一个结点为一传感点，采用介电场引入可移动的离子，当树脂将横向“纱”导线桥连接通时形成闭合电流回路，这些结点就会反馈模腔内的流动状态，可根据电导率的变化推断出热梯度和固化状态，达到实时监测的目的。SMART weave系统已经被用于监测大型构件树脂流动前锋的推进并提供工艺控制信息。但是，该体系存在两个较大的缺陷，一是预成型体内导线的预埋相当耗时；二是仅能提供结点处的流动前沿和固化信息。其数据处理软件也有一定的局限性，如不能描述充模过程中输出电压的变化情况，使DC监控输出信息与LCM模拟信息不能进行有效的对比。因此，该技术一般仅用于大型、高成本的部件。

基于此直流电测量技术又发展起来了线性直流电(LDC)监测系统，它与SMART weave监测系统类似，均采用树脂桥接两个传导元件间的空隙形成闭合电路。但LDC监测系统的传导元件是由两根相互平行的导线组成，导线被树脂覆盖后，检测两导线间的输出阻抗或电容的变化即可探测流动前沿位置。LDC监测系统可以监测导线整个长度方向上的流动前沿，减少了导线的数目，可获得连续的流动信息，特别适用于监测流动形态简单的工艺。LDC传感技术的主要缺点是电阻率的校对。树脂的电阻率是两导线的相互平行度、树脂种类及时间的函数，在安装时必须确保两导线相互平行才能保持电阻率为常数。尤其对于垂直的流动前沿和带倾斜角度的导线，难以准确确定传感器的响应。这类技术发展至今尚未提出最佳使用方法及如何在模具内布置等问题，还处于研发中。

国内在LCM工艺实时监测研究较多是采用光纤传感技术，如光强调制型及光纤光栅传感器。李辰砂，粱吉，张博明，王殿富，光纤传感器监测复合材料固化成型过程，清华大学学报(自然科版)，2002，42(2)：161-164；武湛君，张博明等，基于折射率变化的复合材料固化在线监测研究，复合材料学报，2002，19(6)：87-91研究是即是采用光纤传感技术进行LCM工艺实时监测。

光强调制型光纤传感器的基本原理是利用外界信号的扰动改变光纤中的光强，再通过测量输出光强的变化实现对外界信号的测量。这类传感器使用方便、耐用、成本低且解调精确，变折射率型、荧光效应型、透明度型、微弯损耗型等光强调制技术已用来测量液体的粘度和空隙。光纤光栅传感器的基本原理是当光纤光栅所处环境的物理量发生变化时将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，使反射光的波长发生变化，通过测量变化前后反射光波长的变化获得待测物理量的变化情况。光纤光栅的种类很多，主要分为：短周期光栅(FBG)和长周期光栅(LPG)。在光纤光栅中两个传输模发生耦合时，FBG将正向传输的导模能量耦合到反向导模中，LPG则是将能量从正向传输的导模耦合到包层模中，在其透射中形成多个吸收峰。

光纤传感技术具有一系列独特的、其他传感技术难以相比的优点，如可进行多种监测、测量多种物理量，光纤质轻、体积小，便于嵌入结构内，灵敏度高、不受电磁、无线电频率干扰等，但其也有一些不可避免的缺陷，对于复合材料来讲，埋入的光纤传感器因干扰光纤-基体界面的局部应变场影响了复合材料主构件的完整性，引起应力集中可能会降低结构的性能。大多数实验表明，125μm或更小直径的光纤对复合材料的损伤行为、拉伸强度、泊松比等没有明显的影响，但对复合材料的压缩强度有明显影响，强度下降约24～60％，对疲劳寿命也有明显的影响。因此，采用光纤传感技术进行LCM的实时监测受到了限制。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种能够进行实时监测、监测准确，且操作简单、成本低的LCM工艺直流电阻法实时监测方法

本发明的技术解决方案：LCM工艺直流电阻法实时监测方法，其特点在于通过下列步骤实现：

(1)根据构件尺寸的大小在预成型体上下表面交叉排放激发导线和感应导线确定监测点，这些监测点即构成被测预成型体电阻；

(2)在被测预成型体电阻两侧施加直流电压，并为该被测预成型体电阻串联一个大小相互匹配的参比电阻，构成分压电路，测量参比电阻两端的电压，该电压经运放及AD转换被实时采集到PC机上进行显示，通过计算即得到被测预成型体电阻；

(3)进行树脂充模，充模时循环扫描所有监测点，以监测电压值的突变判断树脂流动前锋的到达；充模结束后，每个监测点处的预成型体电阻都在增大，测量这些预成型体电阻的变化，即通过监测可以实时地了解树脂的固化情况。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明能够准确地反映出监测点处树脂流动前锋的到达以及之后的固化过程，从而指导工艺优化，减少充模不完全或干斑等缺陷，降低废品率，提高产品质量，有效解决树脂基复合材料的生产中存在的产品质量不稳定的问题。

附图说明

图1为本发明方法的原理示意图；

图2为本发明的预成型体布线示意图；

图3为实现本发明方法的监测系统框图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的具体步骤如下：

(1)根据构件的尺寸大小在上下表面纵横交错布线，上表面排放激发导线，下表面排放感应导线，每个激发导线和感应导线的交叉点，即为监测点，其电阻值R_x为预成型体监测点处电阻，监测点应均匀分布在构件整个表面上，以便对充模过程进行总体监测；也通过工艺模拟找出可能出现工艺缺陷的点，将其作为监测点。

(2)为预成型体监测点串联一个参比电阻R_c，R_c的值选取方法为：首先通过反复试验把预成型体电阻R_x的值大致测出来，再选出与R_x在同一数量级或相匹配的参比电阻R_c，本发明中R_c值为10¹⁰-10¹¹欧姆数量级，再在R_c和R_x两个串联电阻两端加直流电压U_d，该电压在检测前须进行实验来确定，所加的直流电压U_d的值能使已浸润树脂的预成型体监测电信号值在200左右即可，U_in是参比电阻R_c所分得的直流电压，U_in被运放输出后为U_out，U_out经A/D转换后传输到PC机上进行实时显示和存储。

根据分压电路的基本原理，如图1所示，

$U_{\mathrm{in}}=\frac{R_x}{R_x+R_c}\·U_d---\left(1\right)$

U_out＝n·U_in                                 (2)

$U_{\mathrm{out}}=\frac{5V}{2^8}\mathrm{DATA}\≈\frac{\mathrm{DATA}}{51}---\left(3\right)$

其中n为放大倍数，DATA是U_out经AD转换后PC机上实时采集到的数据，5V为A/D转换芯片的基准电压，2⁸表示所用芯片为8位A/D转换。

结合(1)、(2)和(3)式，得到：

$U_{\mathrm{in}}=\frac{\mathrm{DATA}}{51n}=\frac{R_x\·U_d}{R_x+R_c}---\left(4\right)$

由所采集的电信号DATA，根据下式可以求解任一时刻监测点处的预成型体电阻值

$R_x=(\frac{51\·n\·U_d}{\mathrm{DATA}}-1)R_c---\left(5\right)$

(3)进行树脂充模，充模时循环扫描所有监测点，以监测电压值的突变判断树脂流动前锋的到达；充模结束后，每个监测点处的预成型体电阻R_x都在增大，测量这些预成型体电阻R_x的变化，即通过监测可以实时地了解树脂的固化情况。

如图3所示，实现本发明方法的监测系统由预成型体的排布、参比电阻R_c、输出电压控制器、放大器及A/D转换器、控制电路CPU及PC机等，本发明上下可设置1-16条激发导线和感应导线，因此可以构成1-256个监测点，控制电路CPU通过控制信号使输出电压控制器选择1-256个点中的一个或多个，同时经过与参比电阻R_c串接后，施加直流电压，该电压经过放大器放大及A/D转换后，控制电路CPU循环扫描并采集1-256个监测点的监测信号，系统为每一条电压感应线分别设置了A/D转换模块，数据转换传输速度很高，对所有256个监测点循环扫描一次只需1秒钟。

控制电路CPU有控制循环扫描功能，监测时，它对256路监测路线进行循环扫描，对于未接入的路线，监测信号将显示为零。

Claims (3)

1、LCM工艺直流电阻法实时监测方法，其特征在于通过下列步骤实现：

(1)根据构件尺寸的大小在预成型体上下表面交叉排放激发导线和感应导线确定监测点，这些监测点即构成被测预成型体电阻；

(2)在被测预成型体电阻两侧施加直流电压，并为该被测预成型体电阻串联一个大小相互匹配的参比电阻，构成分压电路，测量参比电阻两端的电压，该电压经运放及AD转换被实时采集到PC机上进行显示，通过计算即得到被测预成型体电阻；

(3)进行树脂充模，充模时循环扫描所有监测点，以监测电压值的突变判断树脂流动前锋的到达；充模结束后，每个监测点处的预成型体电阻都在增大，测量这些预成型体电阻的变化，即通过监测可以实时地了解树脂的固化情况。

2、根据权利要求1所述的LCM工艺直流电阻法实时监测方法，其特征在于：所述的参比电阻R_c值为10¹⁰-10¹¹欧姆。

3、根据权利要求1所述的LCM工艺直流电阻法实时监测方法，其特征在于：所述的监测点为1-256个。

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