太赫兹和热损失测试玻璃纤维增强复合材料的影响

文摘

玻璃纤维增强复合材料的研究,由于其日益流行和高多样性的工业应用,越来越受欢迎的无损检测。提到复合材料使用,在其他应用程序中,在风力涡轮叶片和暴露在各种各样的损失。准确的设备可靠性要求迫使发展他们的健康监测方法。在本文中,我们目前的研究复合样品损失和影响,使用三种方法:太赫兹时域检查,积极与对流激发温度记录,并与微波激发活跃的温度记录。结果获得时间序列信号的离散傅里叶变换将以及一些图像处理得到的振幅和相位的图像。提出了实验方法结合谐波分析是有效的工具允许的缺陷检测和检测缺陷检查标本。读者可能会发现很有趣,尽管应用实验方法在本质上的差异,信号处理技术之一(谐波分析)给了足够的和类似的结果在每种情况下。

1。介绍

聚合物复合材料,因为他们的高强度重量比和耐腐蚀性能,越来越集中在各种行业使用。最重要的应用之一是船体的船只和飞机,液体燃料的管道系统,风力涡轮叶片。提到结构暴露在各种环境条件下,也机械的影响。损失导致分层,严重削弱的影响复合结构强度从而检测是很重要的问题。出于这个原因,影响损害赔偿应使用适当的技术评估。超声检测、射线照相和shearography是常见的复合材料无损评价方法(1]。因为大多数聚合物复合材料的不导电和非磁性的性格,太赫兹技术(2)可以应用为了检测影响的缺陷。作者的3)使用时间控制和峰值估计检测冲击造成的分层。我们的标本,缺陷的反应太弱利用这种方法。然而,谐波分析被证明是更敏感和允许检测分钟分层。还在3),frequency-gated谐波分析被成功地应用于评价凯夫拉尔/ Nomex蜂窝夹层板。在[4与相同的结果),类似的处理方案是用于传输测量。在这篇文章中,一些基本的信息太赫兹时域检测系统将呈现。然后,太赫兹信号的谐波分析将使用玻璃纤维增强复合材料反射安排检验的结果。

在本文的第二部分,活跃的基础温度记录与对流加热激发和微波激发将。离散傅里叶变换的脉相温度记录温度自记曲线序列(5)将被应用到研究玻璃纤维增强复合标本。一些图像处理获得振幅图像和phaseograms将显示。

2。研究了复合材料

样品用于我们的实验是呈现在图1。有五种类型的玻璃纤维增强材料。示例S1是一个商用材料由26层的玻璃纤维织物与普通的纤维。其余的样品专用材料设计和制造主要用于测试。在所有样本的情况下,聚酯树脂Polimal 109 - 32 K的利用。样本S2由26层的玻璃粗纱织物密度为170 g / m²和方向设置。S3示例包括10层的玻璃粗纱织物密度为430 g / m²和方向设置。样本S4由6层的玻璃垫维特克斯Unifilo 4750 - 138密度的450 g / m²。样本S5的强化是一样的S4,但树脂掺杂合成橡胶Hypro VTBNX 1300 x33。所有的复合材料是由一只手上篮的方法。聚合物基质固化后,聚合物板被割断。样品的厚度在每种情况下等于5毫米。16个焦耳能量的影响是由spherical-shaped撞击器2 g的质量。

3所示。太赫兹时域检测

脉冲太赫兹无损检测系统基于托盘- 4000分光镜Picometrix及其简化方案呈现在图2。系统的主要部件是一对光敏传感器和光纤耦合(发射机和接收机),一个超高速激光器,光学延迟线。

基于光电导天线(PCA)的发射机和接收机正面反映工作模式(如图2)。一个超短的太赫兹脉冲传输产生的主成分分析的重点在于评估材料表面,反映和被接收PCA。实现信号的基础上,可以获得关于评估对象的内部结构信息(类似的超声波测试)。可以检测任何扰乱了折射率分布的缺陷,例如,包容、分层,空虚,材料(纤维/矩阵分布),非均质性和内部层之间的接口(在分层结构)。主要优势与太赫兹技术有关(我)非接触测量的反射和传输协议,(2)电离性质,(3)内部结构和光谱信息获得,(iv)毫米的决议。

太赫兹技术的主要缺点(我)太赫兹的低功率发射器,(2)低速的考试(光栅扫描的需要),(3)限制绝缘的材料(因为高频率和集肤效应)。

4所示。太赫兹时域实验的政权和结果

影响破坏样本检查使用脉冲太赫兹技术在反射安排如图2。的检查结果(快信号)给出的数字3(一个)- - - - - -7(一)(在所有样本S1-S5)。为每个测点,1792个样本组成的时域响应波形收购。采样时间步等于78.1 fs,因此产生的延时范围的所有测量是140 ps。由于性质的激励,也包括脉冲的响应。两个主要的脉冲对应(FSR)和后表面反射(BSR)。一个可以观察到FSR的B-scans接近和BSR的附近。任何额外的脉冲是由内部结构反射引起的。的层状材料(样本S1、S2和S3),因为明显不同的树脂和纤维折射率在太赫兹领域,各层之间的接口是直接在快清晰可见。的地方表面材料暴露于机械强迫可以变形的影响。这个表面变形作为一个镜头,导致当地FSR的振幅增加。这种效果是可见特别是S4的样本和S5。影响影响是清晰可见的内部结构(层)的区分。快的S1和S3样品,改变内部层和BSR的位置可以直接看到。等其他材料的视觉测量信号的分析是不够的。

我们建议太赫兹信号的谐波分析,以获得一个撞击破坏的位置信息。在此之前,所有测量信号在时域中值过滤,由傅里叶变换处理。频率响应和健康受损材料的介绍和比较数据3 (b)- - - - - -7 (b)(在所有样本S1-S5)。破坏和健康领域最大的区别是在0.3 - -0.9太赫兹范围。主要与close-to-front表面材料和可以利用的变化以本地化表面损伤。较低的频率使估计影响缺陷的位置和形状后表面附近的评估材料。空间分布的测量波形的幅度和相位的低频数据所示3 (c)- - - - - -7 (c)和数字3 (d)- - - - - -7 (d)。在所有情况下,定位基于获得的缺陷分布是可能的。

太赫兹的频率高于0.9,由于信噪比很低,信号不包含任何适用的缺陷(数据信息4,5,6)。

5。积极与对流和微波激发温度记录

复合样品影响损害调查使用主动红外温度记录。作为激励,我们提出两个能源:对流热流从电感加热钢板(联系方式)和微波加热(非接触式方法)。对流加热的复合试样放在电感加热钢板(图8(一个))。自由流动的热量通过检查标本可以使用thermovision然后观察到相机。检测到的缺陷,(根据损伤类型)或过热的地方。这种方法的主要缺点是要求样本应该在加热钢板的接触,从而使实际应用的问题。

积极与微波激发非接触式方法温度记录。在这种技术,研究了样本是由高功率微波加热(500 W,工作频率2.45 GHz)。加热阶段观察到的适当担保thermovision相机。一个方法的示意图如图8 (b)而图9显示了设计实验室设置。

因为在加热阶段可以被观察到这两种技术,脉冲阶段温度记录(PPT)可以应用。该方法结合了实验过程中使用脉冲温度记录(PT)与信号分析用于调制温度记录(MT) [6]。温谱图的顺序记录,而热脉冲应用于检测标本。

获得序列的分析是基于离散傅里叶变换(DFT),它允许评估输出相位和振幅的组合。手术方案呈现在图10。

著名的热谱序列中的每个像素的傅里叶变换可以编写如下(7]: 在哪里表示频率增量和再保险和Im显示变换的实部和虚部。振幅和相位使用以下公式计算: 两幅图像和phaseograms被用来获得可靠的结果标本的评估。

5.1。积极与对流加热温度记录实验的政权和结果

在对流加热的情况下,所有5个样本测试,使用相同的加热时间和记录的频率。观察时间设置为55秒,记录是9赫兹频率,使我们获得495温谱图在一个序列。对于每一个样本,使用相同的信号处理过程:温谱图序列的DFT进行,选择振幅图像和phaseograms然后加工使用中值或标准差过滤器,提高对比背景和缺陷。

结果(选择phaseograms和选定的振幅图像的图像处理和phaseograms)数据所示11- - - - - -20.。

最好可以注意到结果阶段的图像样本S2-S5(数字(13日),(15日),(17日),(19日))获得了0.018赫兹的频率,同时这些实验的最低可用频率。样本的S1, phaseogram 0.036赫兹的频率呈现在最的方式(图的所有缺陷11 (b))。中位数(除加热不均匀)和标准差(缺陷增强)过滤信号振幅图像给出了在每种情况下的缺陷位置和大小的信息。

5.2。积极与微波加热温度记录实验的政权和结果

Microwave-enhanced红外测温术是一种相对较新的无损检测方法。使用微波作为能量来源提供了可能性的体积加热材料,可以显著加快热量的过程。此外,这种方法的非接触式。不幸的是,高功率微波,需要获得可见缺陷与背景之间的温度差异,可能会导致损坏thermovision相机。因此,在这种情况下需要额外的保护住房。特殊的金属网,作为镜头的保护,增加了噪音水平获得热分析图。热谱序列的图像处理然后更多的要求和耗费时间。

在微波加热的情况下观察时间设置为100秒,和记录频率设置为15赫兹,允许在一个序列获得1500温谱图。DFT方法后,选择振幅图像增强使用基于用过滤的过程。结果样品S2 S5(只有)承诺(数字14- - - - - -17),但是很明显未来工作需要获得更准确的结果。加热热法获得的样本S1和序列分析利用DFT不允许损伤检测,因此,在表示省略产生的图像(数字21- - - - - -24)。

可用振幅图像的图像处理是基于中值滤波和对比度增强。结果给缺陷近似位置,但信息缺陷的大小并不包含在结果图像。

由于高噪声电平输出中温谱图,研究应继续提高测量的方法。加热的时间扩展为了增加温度对比背景和缺陷以及温谱图的顺序记录频率增加,因此,考虑。

6。结论

玻璃纤维增强复合材料的利用方法检查使检测缺陷造成的影响。脉冲太赫兹技术提供了非常广泛的和独特的(相对于其他常见方法)的能力检验:高分辨率,不需要使用任何额外的耦合介质,光谱信息的可用性,最后还提供了一个缺陷深度信息。简单的谐波分析是充分的工具检测机械所导致的损害影响的各种材料。

主动红外温度记录是一个快速(有时它允许实时监测结构)方法并给予切实的结果。对流激允许获得缺陷的位置和大小的信息。温谱图得到的序列的谐波分析标本S1-S5(代表不同类型的复合材料可能被发现在实际使用)被证明是足够获得可靠的结果。在每种情况下,缺陷本身是清晰可见的,此外,额外的分析使用标准devaition过滤,允许可视化分层出现在附近的伤害。该方法的应用在实践中,然而,由于它需要与热源接触,有时是困难的。微波激发,另一方面,是一种非接触式的方法。然而,它需要额外的thermovision相机保护,导致显著增加获得温谱图噪声水平。因此,接收到的热谱序列图像处理更困难。这种情况下的谐波分析与额外的信号处理涉及基于中值滤波去除趋势。然而,结果只允许一个近似定位的缺陷。 The further development of the active infrared thermography with microwave excitation method, however, is highly warranted because of the ease of its industrial application, high speed, and the ability to simultaneous study of materials’ large surfaces.

每个示例使用两种不同的方法(即检查。,THz imaging and active thermography with two energy sources), but the signal processing technique was chosen to be the same for data obtained with both utilized methods. Reader may notice that harmonic analysis allowed to detect the flaws in examined samples, and obtained results may be used to quantitative and qualitative evaluation of materials.

承认

这项工作是由欧洲委员会支持部分项目HEMOW:健康监测近海风电场(参考:fp7 -人- 2010之下国税局- ga - 269202)。

引用

1. 答:Kapadia复合材料的非破坏性测试双胞胎有限公司
2. d·m·米特·m·古普塔r . Neelamani r . g . Baraniuk j . v .陆克文和m .科赫,“最近太赫兹成像技术的进步,”应用物理B,卷68,不。6,1085 - 1094年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. d . k .许k h . Im c·p·邱和d·j·巴纳德,“太赫兹波的公用事业的探索复合材料的濒死经历,”程序审查的定量无损评价30卷航会议论文集,页533 - 540,纽约,纽约,美国,2011年。视图:谷歌学术搜索
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