複合材料結構熱激勵系統及其熱激勵方法
2023-05-04 14:21:56
專利名稱：複合材料結構熱激勵系統及其熱激勵方法
技術領域：
本發明涉及一種複合材料熱激勵系統,尤其涉及一種通過紅外熱成像技術檢測複合材料結構內部缺陷與損傷的熱激勵系統及其熱激勵方法，屬於複合材料無損檢測領域。
背景技術：
複合材料由於其優異的特性，在航空航天、土木工程、交通運輸等領域得到廣泛的應用，在現代結構中所使用的比例越來越高。由於複合材料製造過程複雜，並且在各種環境條件下又極易受到損傷，所以缺陷的發生、發展是不可避免的，為了確保產品質量，預測復 合材料壽命，評定修補措施是否恰當，對複合材料進行無損檢測是非常重要的。足夠的和可靠的檢測是保證複合材料結構正常使用的必要條件。一般用於複合材料結構內部缺陷與損傷檢測的方法主要有超聲法、射線法、聲發射法和紅外法等。超聲法能夠較好地檢測複合材料結構內部的分層、脫粘等缺陷與損傷，但檢測效率低；射線法檢測效果較好，但對安全、環保有負面影響；聲發射法主要用於結構損傷擴展的過程檢測，對缺陷和靜態的損傷不敏感。紅外檢測就是以紅外輻射的原理為基礎，運用紅外輻射測量分析方法和技術對設備、材料及其他物體的表面溫度場的分布和變化進行測量和分析的綜合工程技術，可以通過該技術對物體內部的變化進行分析和研究。紅外檢測是一種實時檢測技術,它集光電成像技術、計算機技術、圖像處理技術於一身，通過接收物體發出的紅外輻射，將其以熱像的形式顯示出來，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況。與超聲、射線等常規檢測方法相t匕，具有準確、實時、快速、無汙染等優點。複合材料內部的缺陷與損傷所產生的與正常區域的溫度差對紅外檢測的效果有直接影響。均勻性好、溫度易於控制的熱激勵源可以提高複合材料紅外無損檢測的精度和
可靠性。紅外無損檢測可按照熱激勵的方式分為主動式紅外檢測和被動式紅外檢測兩大類。主動式紅外檢測要根據檢測的需要施加熱激勵,使得有缺陷與損傷的部位產生溫度場。被動式紅外檢測不需要專門施加熱激勵，一般通過構件的自然工作過程產生溫度場。主動式紅外檢測易於控制，是複合材料檢測的主要方式。目前在主動式紅外檢測中常用的熱激勵方式有光波式、氣流式、接觸式等。光波式激勵採用大功率電光源作為熱源，直接將熱量輻射到被測區域，速度快，檢測效率高，但功率大，能耗高，激勵過程不易控制，輸入熱量的均勻性不高；氣流式激勵採用大功率電阻絲加熱空氣，用鼓風機產生熱氣流，熱氣流加熱被測區域，加熱效率不高，溫度均勻性也不高。接觸式主要採用加熱毯覆蓋被測構件的方式實施。加熱毯中有電熱絲處溫度很高，導致溫度場不均勻；要求將構件平放，加熱毯與構件間容易形成空氣隙，產生較大的接觸熱阻，影響熱流的順利傳遞。本發明採用兩層導熱絕緣膜夾護電熱絲，在有電熱絲區域和無電熱絲區域加快熱傳導，形成等溫區，使得加熱墊產生相等的溫度場；採用安放於柔性支撐導熱層上另一面的隔熱層減小熱量的背向傳導，使加熱墊產生的熱量儘量用於加熱被測構件，節約能量；採用吸附機構將加熱墊吸附在被測構件上，一方面滿足了構件的側面、底面等部位原位檢測的需要，另一方面排除了加熱墊與構件間的空氣隙，減小接觸熱阻，使得加熱墊能夠更充分地與構件接觸，產生更均勻的溫度場。因此，本發明能夠以較小的能量輸入產生均勻的溫度場，並且能夠滿足構件的側面、底面等部位原位檢測的需要。
發明內容
本發明為實現複合材料構件在多種工位狀態下的缺陷與損傷原位紅外無損檢測而提出一種高均勻性熱激勵系統及其使用方法。一種複合材料結構熱激勵系統，其特徵在於包括加熱墊、吸附機構、控制系統；上述加熱墊依次由柔性支撐導熱層和隔熱層組成，柔性支撐導熱層內布有兩層導熱絕緣膜，兩層導熱絕緣膜中間夾有電熱絲；上述吸附機構包括用於將加熱墊的柔性支撐導熱層貼於複合材料被測區的粘附邊條、與加熱墊相連的導流接口、通過導流管與導流接口相 連的真空泵；上述控制系統由控制器和計算機組成，其中控制器包括分布式溫度傳感器和溫度控制儀，其中溫度控制儀的輸出端與上述電熱絲的輸入端連接。一種利用所述複合材料結構熱激勵系統的熱激勵方法，包括如下步驟步驟I、把加熱墊貼靠在被測複合材料構件上，使粘附邊條粘附被測構件，擠出粘附區域的氣泡，將導流管和導流接口、真空泵接好，打開真空泵；步驟2、激勵被測區域，步驟如下
步驟2-1、根據被測複合材料構件的測試要求，按照不產生超調和最快加熱速度為條件，對加熱控制參數進行設置或整定；步驟2-2、打開加熱開關，進行升溫和保溫；步驟2-3、保溫階段結束，關閉真空泵，移走加熱墊，結束熱激勵。結束激勵後，利用紅外熱像儀對被激勵區域的降溫過程進行檢測，圖像處理系統對得到的數據進行處理、分析。本發明為了克服電熱絲處分布產生的溫度場不均勻現象，在柔性支撐導熱層中用兩層導熱絕緣膜夾護電熱絲，使得電熱絲產生的熱量在面內快速傳導，形成面狀等溫區；柔性支撐導熱層一面接觸被測構件，另一面貼有隔熱層，以減小熱量的背向傳導，使加熱墊產生的熱量避免熱量散失，實現高效熱激勵；通過吸附機構將加熱墊整體吸附在被測構件上，可以滿足了構件的側面、底面等部位原位熱激勵和紅外檢測的需要，同時排除了加熱墊與構件間的空氣隙，使得加熱墊能夠更充分地與構件接觸，減小接觸熱阻分布不均勻的影響，產生更均勻的溫度場，也提高了加熱墊與構件間的熱傳導效率。因此，本發明能夠以較小的能量輸入產生均勻的溫度場，並且能夠滿足構件的側面、底面等部位原位檢測的需要。
圖I是本發明的組成結構框 圖2是本發明中吸附機構示意 圖3是本發明中加熱墊示意 圖4是本發明中控制系統示意 圖中標號名稱1、加熱墊，2、控制器，3、計算機，4、柔性支撐導熱層，5、電熱絲，6、導熱絕緣膜，7、隔熱層，8、溫度傳感器，9、溫度控制儀，10、粘附邊條，11、導流接口，12、導流管，13、真空泵。
具體實施例方式如圖I所示，一種為採用紅外熱像檢測複合材料結構內部缺陷與損傷提供高均勻性溫度場的熱激勵系統，包括加熱墊I、控 制器2、計算機3和吸附機構，其中加熱墊I連接控制器2，控制器2連接計算機3，其特徵在於所述加熱墊I包括柔性支承導熱層4、電熱絲5、導熱絕緣膜6和隔熱層7 ;控制器2包括溫度傳感器8和溫度控制儀9 ;吸附機構包括粘附邊條10、導流接口 11、導流管12和真空泵13。其中溫度控制儀9接收溫度傳感器8的溫度信號，電熱絲5的輸入端連接溫度控制儀9的輸出端。如圖2所示，該熱激勵系統中的吸附機構，包括粘附邊條、導流接口、導流管和真空泵，可以使得加熱墊在均勻壓力下與激勵負載緊密接觸，克服空氣層對傳熱的不良影響。如圖3所示，該熱激勵系統中的加熱墊，包括柔性支承導熱墊、電熱絲、導熱絕緣膜和隔熱膜，可以使得電熱絲產生的熱量均勻分布，減少背向輻射。如圖4所示，該熱激勵系統中的控制系統，包括溫度控制儀和分布式溫度傳感器，可以根據複合材料結構內部缺陷與損傷紅外熱成像檢測的需要，控制溫度場的變化。該熱激勵系統的使用方法包括如下步驟
步驟I、把加熱墊貼靠在被測複合材料構件上，使粘附邊條粘附被測構件，擠出粘附區域的氣泡，將導流管和導流接口、真空泵接好，打開真空泵；
步驟2、激勵被測區域，步驟如下
步驟2-1、根據被測複合材料構件的測試要求，設定溫度控制儀的「上升溫度」、「升溫時間」、「保溫時間」等參數；
步驟2-2、打開加熱開關；
步驟2-3、保溫階段結束，關閉真空泵，移走加熱墊，結束熱激勵。步驟3、紅外熱像儀對被激勵區域的降溫過程進行檢測，圖像處理系統對得到的數據進行處理、分析。
權利要求
1.一種複合材料結構熱激勵系統，其特徵在於 包括加熱墊(I)、吸附機構、控制系統； 上述加熱墊(I)依次由柔性支撐導熱層(4)和隔熱層(7)組成，柔性支撐導熱層(4)內布有兩層導熱絕緣膜(6)，兩層導熱絕緣膜(6)中間夾有電熱絲(5)； 上述吸附機構(4)包括用於將加熱墊(I)的柔性支撐導熱層(4)貼於複合材料被測區的粘附邊條(10)、與加熱墊(I)相連的導流接口(11)、通過導流管(12)與導流接口相連的真空泵(13)； 上述控制系統由控制器(2)和計算機(3)組成，其中控制器包括分布式溫度傳感器(8)和溫度控制儀(9)，其中溫度控制儀(9)的輸出端與上述電熱絲(5)的輸入端連接。
2.利用權利要求I所述複合材料結構熱激勵系統的熱激勵方法，其特徵在於包括如下步驟 步驟I、把加熱墊(I)貼靠在被測複合材料構件上，使粘附邊條(10)粘附被測構件，擠出粘附區域的氣泡，將導流管(12)和導流接口(11)、真空泵(13)接好，打開真空泵(13)； 步驟2、激勵被測區域，步驟如下 步驟2-1、根據被測複合材料構件的測試要求，按照不產生超調和最快加熱速度為條件，對加熱控制參數進行設置或整定； 步驟2-2、打開加熱開關，進行升溫和保溫； 步驟2-3、保溫階段結束，關閉真空泵(13)，移走加熱墊(I )，結束熱激勵。
全文摘要
本發明公開了一種複合材料結構熱激勵系統及其熱激勵方法，屬複合材料無損檢測領域。結構包括加熱墊(1)、吸附機構、控制系統；上述加熱墊(1)依次由柔性支撐導熱層(4)和隔熱層(7)組成，上述吸附機構包括用於將加熱墊(1)的柔性支撐導熱層(4)貼於複合材料被測區的粘附邊條(10)、與加熱墊(1)相連的導流接口(11)、通過導流管(12)與導流接口相連的真空泵(13)；上述控制系統由控制器(2)和計算機(3)組成，其中控制器包括分布式溫度傳感器(8)和溫度控制儀(9)，其中溫度控制儀(9)的輸出端與上述電熱絲(5)的輸入端連接。本發明激勵過程控制準確，溫度均勻性好，成本低，可在側、仰等狀態使用。
文檔編號G01N25/72GK102749354SQ20121024251
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者何方成, 劉穎韜, 周克印, 姚恩濤, 田裕鵬 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院, 南京航空航天大學