專利名稱：玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于材料性能測試、圖像處理、結構損傷檢測技術領域，特別涉及玻璃 纖維復合材料內部結構的三維成像和損傷檢測裝置。
背景技術：
玻璃纖維復合材料具有高的比強度和比模量、良好的抗疲勞性等特點，被廣泛 應用于航空、航天、兵器、汽車等行業(yè)。然而由于復合材料的非均質性和各向異性， 在制造和生產過程中較易產生各種缺陷和損壞，影響了材料的可靠性，制約了材料的應 用。在應用過程中，由于疲勞累積、撞擊、腐蝕等物理化學的因素影響，復合材料也會 產生缺陷，這些缺陷很大一部分還是產生在復合材料內部。研究精確的復合材料定量、 定性檢測技術已成為無損檢測技術的重點研究內容之一。目前玻璃纖維復合材料的檢測方法主要有X射線、紅外熱波、聲發(fā)射、超聲 檢測。X射線檢測是檢測復合材料中孔隙和夾雜物等體積型缺陷的優(yōu)良方法，對增強基 分布不均也有一定的檢測能力。但是，該方法檢測分層缺陷有困難，并且它具有輻射生 物效應，其安全性需要考慮。紅外熱波無損檢測的工作原理是根據變化性熱源與媒介材 料及其幾何結構之間的相互作用，通過控制熱激勵并適時監(jiān)測和記錄材料表面的溫場變 化，經過特殊的算法和圖像處理來獲取被檢物體材料的均勻性信息及其表面下的結構及 熱屬性的特征信息，從而達到檢測和探傷的目的。這種方法檢測速度快，觀測面積大， 但是測量缺陷大小的時候誤差較大(約200微米)。另外由于熱圖對材料非均勻性的敏 感，也可以會對某些試件缺陷造成誤判。聲發(fā)射是在材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出 瞬態(tài)彈性波的現象，是材料在應力作用下的變形、形成裂紋與裂紋擴展。這種檢測方法 適用于裂紋較大的場合。超聲C掃描能可靠地檢出材料中的分層、疏松、孔隙等大部分 危害性缺陷，但檢測效率較低，檢測分辨率只能達到大約100微米。綜上所述，至今在我國仍沒有一種檢測方法可以很精確地檢測玻璃纖維復合材 料的內部結構，特別是微米級的損傷檢測。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像和損傷檢測 裝置，該裝置可以三維成像玻璃纖維復合材料內部結構，并測量玻璃纖維復合材料內部 微小損傷，測量精度高，最高可達亞微米級。本發(fā)明的技術方案在于一種玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢 測裝置，其特征在于包括光源(1)，所述光源出射光沿光路的方向上依次設有雙凸 透鏡(A)、光纖(I)、雙凸透鏡(B)及分光鏡(2)，所述分光鏡一側出射端設有 待檢玻璃纖維復合材料(3)，另一側出射端設有參考鏡(4)，所述分光鏡的輸出端設 有雙凸透鏡(C)，所述雙凸透鏡(C)經光纖(II)連接至光譜儀(5)，所述光譜儀 與帶有數據采集和處理的電腦(6)相連。
所述待檢玻璃纖維復合材料設于可水平移動的水平移動平臺(7)上，所述水 平移動平臺設于可垂直運動的垂直移動平臺(8)上，所述水平移動平臺經水平控制器
(9)與電腦相連，所述垂直移動平臺經垂直控制器(10)與電腦相連。所述參考鏡設于參考鏡位移驅動器(11)上，所述參考鏡位移驅動器經控制器 (12)與電腦相連。所述光纖(I)及光纖(II)的兩端分別設有用于固定的連接座(13)。所述光源為可見光源或紅外線光源，所述分光鏡對應為可見光分光鏡或紅外線分光鏡，所述光譜儀對應為可見光范圍光譜儀或紅外線光譜儀。本發(fā)明的優(yōu)點在于相對于傳統(tǒng)的紅外熱波、超聲檢測以及聲發(fā)射等方法，本 發(fā)明具有更高的檢測精度高，可以達亞微米級，適合于玻璃纖維復合材料結構早期微小 缺陷的檢測，防范于未然；該發(fā)明也解決了 X射線對于分層缺陷的難題，可以很好地對 分層、疏松、孔隙、裂紋等大部分危害性缺陷進行檢測；另外該發(fā)明不具有類似于X射 線的輻射生物效應，安全性可以保證。
圖1為本發(fā)明的光路結構示意圖。
具體實施例方式一種玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢測裝置，其特征在于包 括光源(1)，所述光源出射光沿光路的方向上依次設有雙凸透鏡(A)、光纖(I)、 雙凸透鏡(B)及分光鏡(2)，所述分光鏡一側出射端設有待檢玻璃纖維復合材料
(3)，另一側出射端設有參考鏡(4)，所述分光鏡的輸出端設有雙凸透鏡(C)，所 述雙凸透鏡(C)經光纖(II)連接至光譜儀(5)，所述光譜儀與帶有數據采集和處理 的電腦(6)相連。所述待檢玻璃纖維復合材料設于可水平移動的水平移動平臺(7)上，所述水 平移動平臺設于可垂直運動的垂直移動平臺(8)上，所述水平移動平臺經水平控制器
(9)與電腦相連，所述垂直移動平臺經垂直控制器(10)與電腦相連。所述參考鏡設于參考鏡位移驅動器(11)上，所述參考鏡位移驅動器經控制器 (12)與電腦相連。所述光纖(I)及光纖(II)的兩端分別設有用于固定的連接座(13)。所述光源為可見光源或紅外線光源，所述分光鏡對應為可見光分光鏡或紅外線 分光鏡，所述光譜儀對應為可見光范圍光譜儀或紅外線光譜儀。本發(fā)明的工作過程大致如下如圖1所示，紅外線或者可見光由光源(1)經透 鏡(A)、光纖(I)、透鏡(B)和分光鏡(2)后分成兩路一路照到待檢測玻璃纖 維復合材料(3)；另外一路照到參考鏡(4)上，參考鏡(4)安裝在參考鏡位移驅動 器(11)上，旨在利用相位平移的方法達到增加信噪比和系統(tǒng)動態(tài)范圍的目的。參考鏡位移驅動器(11)是由電腦(12)來控制的，兩束光分別在參考鏡和待測 玻璃纖維復合材料表面發(fā)生反射/散射并且由分光鏡的光纖輸出端發(fā)生干涉并經此光纖 接到紅外線或可見光范圍的光譜儀(5)輸入端，紅外線或可見光范圍的光譜儀(5)輸出端通過USB連接線(14)將光譜信號傳送至電腦(6)，在電腦中實現數據采集和處 理、三維成像和內部損傷檢測功能，水平移動平臺(7)和垂直移動平臺(8)的移動可 以二維掃描玻璃復合材料，光譜信號經過電腦的實時處理可以實現復合材料內部結構三 維成像，進而可以獲得復合材料的內部缺陷的信息，實現內部損傷的檢測。本發(fā)明利用Visual C++和Matlab混合編程的方法來實現實時控制、數據采集和 分析、三維成像和缺陷診斷；利用Visual C++對水平和垂直方向自動移動掃描平臺、參 考鏡位移驅動器和光譜信號的采集過程進行協調；鑒于Matlab擁有強大的信號處理和圖 像處理功能，本發(fā)明將采集到的光譜信號利用Matlab進行分析處理并三 維成像；在分析 過程中，對所采集到光譜信號首先進行小波降噪(StationaryWaveletTransform)處理， 再進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform)，從而獲得玻璃纖維結構深度方向的信 肩、ο如果玻璃纖維復合材料結構內部存在缺陷(比如分層)，在經過傅里葉變換過 的光譜信號上就會呈現更多的細節(jié)信號(比如波形上呈現更多的波峰等)，對所有掃描 得到的光譜信號進行處理之后就可以重構玻璃纖維內部結構的二維和三維圖，根據此二 維/三維圖就可以診斷玻璃纖維復合材料結構內部的各種缺陷。本發(fā)明對于玻璃纖維復合材料結構內部損傷的檢測精度極高，以鹵素鎢燈等為 例，如果采用分辨率為1.5納米的光譜儀，并且光譜中心頻率為700納米，半寬度為236 納米，該檢測裝置深度方向的分辨率可達0.7微米(假設玻璃纖維的折射率為1.5)，比 超聲C掃描(精度為100微米)、紅外線熱波(精度為200微米)在精度上有明顯的優(yōu)勢。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化 與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢測裝置，其特征在于包括 光源(1)，所述光源出射光沿光路的方向上依次設有雙凸透鏡(A)、光纖(I)、 雙凸透鏡(B)及分光鏡(2)，所述分光鏡一側出射端設有待檢玻璃纖維復合材料(3)，另一側出射端設有參考鏡(4)，所述分光鏡的輸出端設有雙凸透鏡(C)，所 述雙凸透鏡(C)經光纖(II)連接至光譜儀(5)，所述光譜儀與帶有數據采集和處理 的電腦(6)相連。
2.根據權利要求1所述的玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢測裝置，其 特征在于所述待檢玻璃纖維復合材料設于可水平移動的水平移動平臺(7)上，所述 水平移動平臺設于可垂直運動的垂直移動平臺(8)上，所述水平移動平臺經水平控制 器(9)與電腦相連，所述垂直移動平臺經垂直控制器(10)與電腦相連。
3.根據權利要求1所述的玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢測裝置， 其特征在于所述參考鏡設于參考鏡位移驅動器(11)上，所述參考鏡位移驅動器經控 制器(12)與電腦相連。
4.根據權利要求1所述的玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢測裝置， 其特征在于所述光纖(I)及光纖(II)的兩端分別設有用于固定的連接座(13)。
5.根據權利要求1所述的玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢測裝置， 其特征在于所述光源為可見光源或紅外線光源，所述分光鏡對應為可見光分光鏡或紅 外線分光鏡，所述光譜儀對應為可見光范圍光譜儀或紅外線光譜儀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種玻璃纖維復合材料內部結構的三維成像及損傷檢測裝置，其特征在于包括光源(1)，所述光源出射光沿光路的方向上依次設有雙凸透鏡(A)、光纖(Ⅰ)、雙凸透鏡(B)及分光鏡(2)，所述分光鏡一側出射端設有待檢玻璃纖維復合材料(3)，另一側出射端設有參考鏡(4)，所述分光鏡的輸出端設有雙凸透鏡(C)，所述雙凸透鏡(C)經光纖(Ⅱ)連接至光譜儀(5)，所述光譜儀與帶有數據采集和處理的電腦(6)相連，該裝置通過掃描玻璃纖維復合材料，得到的光譜信號經過電腦的實時處理可以實現復合材料內部結構的三維成像，進而可以獲得復合材料內部缺陷的信息，實現內部損傷的檢測，檢測精度高。
文檔編號G01N21/896GK102023165SQ20101057894
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權日2010年12月8日
發(fā)明者楊曉翔, 鐘舜聰 申請人:福州大學