一種碳纖維復(fù)合材料的電渦流細(xì)觀構(gòu)造成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及缺陷進行監(jiān)測的方法，尤其涉及一 種基于電渦流的碳纖維復(fù)合材料細(xì)觀構(gòu)造成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維復(fù)合材料優(yōu)秀的力學(xué)性能，特別是具有比強度高、比剛度大、可設(shè)計性強、 耐腐蝕及良好的抗疲勞損傷等特點，使之成為在汽車制造業(yè)與航空航天中越來越流行的材 料之一。其細(xì)觀構(gòu)造是一個復(fù)雜的多相體系，且是不均勻和多相異性的，與金屬制件中的宏 觀缺陷不同，它在制造和使用過程中容易產(chǎn)生一些諸如貧膠、富膠、纖維束抽出、間隙過大、 錯位、沖擊以及分層等缺陷，而這些缺陷會嚴(yán)重威脅著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。為 此，需要迫切地掌握復(fù)合材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)信息、微小缺陷信息，包括纖維、樹脂等成分的 排布信息。
[0003] 目前，常用無損檢測成像技術(shù)包括X射線照相技術(shù)、超聲無損檢測成像技術(shù)、紅外 熱成像技術(shù)、計算機層析照相法，這些成像技術(shù)都存在一定的缺陷和局限性：
[0004] 1)X射線照相是利用可記錄并由激光讀出X射線影像信息的成像板作為載體，經(jīng)X 射線曝光及信息讀出后，形成數(shù)字式膠片影像。其缺點是不能對射線圖像進行直接觀察，檢 測周期長、檢查費用高，掃描儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0005] 2)超聲成像是利用超聲波獲取物體可見圖像的方法。由于超聲檢測受材料組織結(jié) 構(gòu)的影響較大，在夾雜物較多時，組織較粗大的材料中聲波的衰減和散射現(xiàn)象較嚴(yán)重，因此 導(dǎo)致了大多數(shù)的超聲檢測圖像存在對比度差的現(xiàn)象。
[0006] 3)紅外熱成像技術(shù)的核心設(shè)備是紅外熱儀，以斯蒂芬-玻爾茲曼定律為原理。然 而，在室溫條件下，紅外熱儀的響應(yīng)速度慢，靈敏度低；特別地，在低溫環(huán)境下需要制冷裝 置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴。
[0007] 4)計算機層析照相法的檢測效率低，成本高，雙側(cè)透射成像，不適于平面薄板構(gòu)件 及大型構(gòu)件的現(xiàn)場檢測。
[0008] 電渦流細(xì)觀構(gòu)造成像技術(shù)利用碳纖維復(fù)合材料電導(dǎo)率的分布特性來提取特征信 號并成像。電渦流成像系統(tǒng)的渦流探頭具有非接觸、非介入以及無公害的特點。通過獲取 并分析可能由被檢對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；虮旧硖赜械奈锢硇阅茏兓鸬母鞣N物理信號， 利用灰度差或偽彩色形式全面準(zhǔn)確地反映被測材料或制件內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)元素，包括纖維 束錯位、纖維鋪層及微缺陷的量化信息，從而評價被檢對象的完整性、安全可靠性及某些物 理性能，實現(xiàn)對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及缺陷的定性定量分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 技術(shù)問題
[0010] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種碳纖維復(fù)合材料（CFRP復(fù)合材料）的電渦流 細(xì)觀構(gòu)造成像方法，該方法采用發(fā)射-接收式的電渦流探頭通過C掃描的方式獲取碳纖維 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)信息，并利用后續(xù)的信號處理過程，最終結(jié)合二維傅里葉變換法以圖像的 形式呈現(xiàn)出碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)以及缺陷信息。
[0011] 技術(shù)方案
[0012] 為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的纖維復(fù)合材料的電渦流細(xì)觀構(gòu)造成像方法包 括以下步驟：
[0013] 步驟一：根據(jù)待成像碳纖維復(fù)合材料的形狀確定渦流探頭C掃描路徑；使用渦流 探頭C進行掃描的目的是為了得到被測件的C掃描圖像；
[0014] 步驟二：通過X-Y二維位移平臺控制器控制渦流探頭在X-Y方向的運動，來控制渦 流探頭掃描待成像碳纖維復(fù)合材料的一塊待測區(qū)域，獲取碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中不同位置 處的渦流信號的實部Vx和虛部Vy;
[0015] 步驟三：對步驟二所得的渦流信號實部Vx和虛部Vy分別進行小波去噪分析，即選 取合適的小波基，采用小波變換對渦流檢測信號進行分解，并利用小波反變換重構(gòu)出渦流 檢測信號，如下：
[0017] 其中：當(dāng)m= 1時，A。(k) =Vx表示原始信號向量，Am(n)是經(jīng)分解后的平滑 分量，Dm(n)是經(jīng)分解后的高頻細(xì)節(jié)分量。應(yīng)和分別是H和G的鏡像濾波器，滿足
。h(n)和g(n)分別是低通濾波器H和高通濾波器G的沖擊響應(yīng)序 列，由下面兩式表示：
[0019] 上式中，巾⑴和分別是多分辨率分析中的尺度函數(shù)和小波函數(shù)。
[0020] 經(jīng)小波反變換得到最終信號為：
[0022] 對于虛部信號Vy經(jīng)小波變換后可得到同樣的去噪結(jié)果。
[0023] 步驟四：對步驟三所得的經(jīng)去噪后的渦流檢測信號進行特征參數(shù)提取，通過小波 變換提取檢測信號幅值波形的特征參量：
[0025] 其中，V為信號幅值，Vx(n)為去噪后的信號實部，Vy(n)為去噪后的信號虛部；
[0026] 步驟五：對步驟四完成特征提取后的信號幅值V進行點擴展函數(shù)卷積處理，得到 掃描圖像像素點的灰度值f(x，y)，即：
[0028] f(x,y) = |A(x,y) |2
[0029] 其中，為信號幅值V的2DFFT變換，外，v)為點擴展函數(shù)的2DFFT變換，由下 式給出：
[0030] 0 H=cksinc(kR)
[0031] 式中k表示波數(shù)，c表示復(fù)常數(shù)，i表示位置矢量，網(wǎng)；
[0032] 步驟六：根據(jù)步驟五得到的像素點灰度值f(x，y)，進行2DFFT變換，得到頻譜圖：
[0034] 其中，F(xiàn)(u，v)為像素點的頻譜值；
[0035] 在得到頻譜圖后，針對不同纖維排列方向進行頻域濾波，再進行2DFFT反變換得 到每層的纖維排列灰度圖像：
[0037] 上式中，F(xiàn)'（u，v)為濾波后像素點的頻譜值，f'（x，y)是反變換后的像素點灰度 值；
[0038] 步驟七：損傷區(qū)域和位置確定。通過步驟六得到的灰度圖像，對損傷區(qū)域進行分 析，利用渦流信號變化大小來調(diào)節(jié)圖像的灰度，信號值越大，則圖像的顏色越深，表示被檢 件損傷越嚴(yán)重。
[0039] 本發(fā)明的成像方法中，步驟二中采用小波分析進行高頻去噪，從而對渦流檢測信 號的噪聲及缺陷進行識別。步驟五中，點擴展函數(shù)卷積處理利用點擴展函數(shù)的2DFFT變換 和卷積濾波法對所得特征信號進行聚焦處理，2DFFT變換和2DFFT反變換處理能分離出每 個纖維鋪層的圖像，獲得清晰的纖維編織紋路。
[0040] 有益效果
[0041] 本發(fā)明的碳纖維復(fù)合材料的電渦流細(xì)觀構(gòu)造成像方法結(jié)合了信號處理、點擴展函 數(shù)卷積處理以及2DFFT變換和2DFFT反變換法以圖像的形式呈現(xiàn)出碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 及缺陷信息，能夠準(zhǔn)確有效地實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及缺陷的判斷，成像速度快，圖像清 晰、可靠，結(jié)果直觀易懂。為掌握復(fù)合材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)信息、微小缺陷信息，包括纖維、樹 脂等成分的排布信息提供了一種可靠的成像方案。
【附圖說明】
[0042] 圖1是禍流探頭C掃描路徑不意圖；
[0043] 圖2是本發(fā)明方法的流程圖；
[0044] 圖3是探頭檢測原始信號（a)及小波去噪波形圖（b);
[0045] 圖4是纖維排布成像結(jié)果；