Lcm工藝直流電阻法實時監測方法
2023-04-23 01:38:36
專利名稱：Lcm工藝直流電阻法實時監測方法
技術領域：
本發明涉及一種複合材料液體成型工藝LCM的實時監測方法。
背景技術：
複合材料液體成型工藝LCM(Liquid Composites Molding)是指將專用液態低粘度樹脂在一定壓力下，注入預先鋪放了纖維增強材料的閉合模腔或加熱熔化模腔內的樹脂膜，樹脂流動、浸潤增強材料並固化成型的一種先進複合材料工藝方法，它在航天航空領域、汽車、造船、建築等行業應用日趨廣泛。LCM工藝是一種一步成型的工藝方法，優點是操作靈活，可設計性強，設備和工藝成本較低，基本上也不會對環境造成汙染。由於該工藝生產的構件質量很大程度上依賴於樹脂的流動充模過程及其化學固化反應，LCM工藝自身也存在明顯缺點如樹脂流動時間長，模具及工藝設計不當很容易出次品，形成幹斑和氣泡等典型缺陷，嚴重影響外觀和構件質量。
目前解決LCM工藝存在問題的方法是對工藝進行計算機模擬優化，但是模擬並不能完全準確反映工藝情況，而最有效的方法是對樹脂流動和固化過程進行實時監測。工藝監測能夠實時準確的反映工藝狀況，便於及時調整工藝條件，最大限度降低廢品率，提高產品質量，並為研究樹脂浸潤預成形體提供可靠的數據。現有的LCM工藝監測技術可分為非嵌入式和嵌入式兩種。非嵌入式的監測方法包括超聲監測、熱譜和攝像等，一般不會對工藝過程造成影響，但需要相當昂貴的監測設備；嵌入式監測技術有以熱電偶為監測元件的熱監控、以壓力傳感器為介質的壓力監測、光纖監測技術、直流電監測以及介電監測技術等。嵌入式元件或多或少影響樹脂流動和構件質量，但它們有準確傳輸構件內信息的優點。
1993年美國ARL(Army Research Laboratory)和Delaware大學成功開發出SMART weave流動監測傳感系統並獲得專利，Walsh Shawn M.In-situsensor method and device.US5210499，1993。該技術是在模腔內預埋直交導線網絡，網絡的每一個結點為一傳感點，採用介電場引入可移動的離子，當樹脂將橫向「紗」導線橋連接通時形成閉合電流迴路，這些結點就會反饋模腔內的流動狀態，可根據電導率的變化推斷出熱梯度和固化狀態，達到實時監測的目的。SMART weave系統已經被用於監測大型構件樹脂流動前鋒的推進並提供工藝控制信息。但是，該體系存在兩個較大的缺陷，一是預成型體內導線的預埋相當耗時；二是僅能提供結點處的流動前沿和固化信息。其數據處理軟體也有一定的局限性，如不能描述充模過程中輸出電壓的變化情況，使DC監控輸出信息與LCM模擬信息不能進行有效的對比。因此，該技術一般僅用於大型、高成本的部件。
基於此直流電測量技術又發展起來了線性直流電(LDC)監測系統，它與SMART weave監測系統類似，均採用樹脂橋接兩個傳導元件間的空隙形成閉合電路。但LDC監測系統的傳導元件是由兩根相互平行的導線組成，導線被樹脂覆蓋後，檢測兩導線間的輸出阻抗或電容的變化即可探測流動前沿位置。LDC監測系統可以監測導線整個長度方向上的流動前沿，減少了導線的數目，可獲得連續的流動信息，特別適用於監測流動形態簡單的工藝。LDC傳感技術的主要缺點是電阻率的校對。樹脂的電阻率是兩導線的相互平行度、樹脂種類及時間的函數，在安裝時必須確保兩導線相互平行才能保持電阻率為常數。尤其對於垂直的流動前沿和帶傾斜角度的導線，難以準確確定傳感器的響應。這類技術發展至今尚未提出最佳使用方法及如何在模具內布置等問題，還處於研發中。
國內在LCM工藝實時監測研究較多是採用光纖傳感技術，如光強調製型及光纖光柵傳感器。李辰砂，粱吉，張博明，王殿富，光纖傳感器監測複合材料固化成型過程，清華大學學報(自然科版)，2002，42(2)161-164；武湛君，張博明等，基於折射率變化的複合材料固化在線監測研究，複合材料學報，2002，19(6)87-91研究是即是採用光纖傳感技術進行LCM工藝實時監測。
光強調製型光纖傳感器的基本原理是利用外界信號的擾動改變光纖中的光強，再通過測量輸出光強的變化實現對外界信號的測量。這類傳感器使用方便、耐用、成本低且解調精確，變折射率型、螢光效應型、透明度型、微彎損耗型等光強調製技術已用來測量液體的粘度和空隙。光纖光柵傳感器的基本原理是當光纖光柵所處環境的物理量發生變化時將導致光柵周期或纖芯折射率的變化，使反射光的波長發生變化，通過測量變化前後反射光波長的變化獲得待測物理量的變化情況。光纖光柵的種類很多，主要分為短周期光柵(FBG)和長周期光柵(LPG)。在光纖光柵中兩個傳輸模發生耦合時，FBG將正向傳輸的導模能量耦合到反嚮導模中，LPG則是將能量從正向傳輸的導模耦合到包層模中，在其透射中形成多個吸收峰。
光纖傳感技術具有一系列獨特的、其他傳感技術難以相比的優點，如可進行多種監測、測量多種物理量，光纖質輕、體積小，便於嵌入結構內，靈敏度高、不受電磁、無線電頻率幹擾等，但其也有一些不可避免的缺陷，對於複合材料來講，埋入的光纖傳感器因幹擾光纖-基體界面的局部應變場影響了複合材料主構件的完整性，引起應力集中可能會降低結構的性能。大多數實驗表明，125μm或更小直徑的光纖對複合材料的損傷行為、拉伸強度、泊松比等沒有明顯的影響，但對複合材料的壓縮強度有明顯影響，強度下降約24～60％，對疲勞壽命也有明顯的影響。因此，採用光纖傳感技術進行LCM的實時監測受到了限制。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種能夠進行實時監測、監測準確，且操作簡單、成本低的LCM工藝直流電阻法實時監測方法本發明的技術解決方案LCM工藝直流電阻法實時監測方法，其特點在於通過下列步驟實現(1)根據構件尺寸的大小在預成型體上下表面交叉排放激發導線和感應導線確定監測點，這些監測點即構成被測預成型體電阻；(2)在被測預成型體電阻兩側施加直流電壓，並為該被測預成型體電阻串聯一個大小相互匹配的參比電阻，構成分壓電路，測量參比電阻兩端的電壓，該電壓經運放及AD轉換被實時採集到PC機上進行顯示，通過計算即得到被測預成型體電阻；(3)進行樹脂充模，充模時循環掃描所有監測點，以監測電壓值的突變判斷樹脂流動前鋒的到達；充模結束後，每個監測點處的預成型體電阻都在增大，測量這些預成型體電阻的變化，即通過監測可以實時地了解樹脂的固化情況。
本發明與現有技術相比的優點在於本發明能夠準確地反映出監測點處樹脂流動前鋒的到達以及之後的固化過程，從而指導工藝優化，減少充模不完全或幹斑等缺陷，降低廢品率，提高產品質量，有效解決樹脂基複合材料的生產中存在的產品質量不穩定的問題。
圖1為本發明方法的原理示意圖；圖2為本發明的預成型體布線示意圖；圖3為實現本發明方法的監測系統框圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，本發明的具體步驟如下(1)根據構件的尺寸大小在上下表面縱橫交錯布線，上表面排放激發導線，下表面排放感應導線，每個激發導線和感應導線的交叉點，即為監測點，其電阻值Rx為預成型體監測點處電阻，監測點應均勻分布在構件整個表面上，以便對充模過程進行總體監測；也通過工藝模擬找出可能出現工藝缺陷的點，將其作為監測點。
(2)為預成型體監測點串聯一個參比電阻Rc，Rc的值選取方法為首先通過反覆試驗把預成型體電阻Rx的值大致測出來，再選出與Rx在同一數量級或相匹配的參比電阻Rc，本發明中Rc值為1010-1011歐姆數量級，再在Rc和Rx兩個串聯電阻兩端加直流電壓Ud，該電壓在檢測前須進行實驗來確定，所加的直流電壓Ud的值能使已浸潤樹脂的預成型體監測電信號值在200左右即可，Uin是參比電阻Rc所分得的直流電壓，Uin被運放輸出後為Uout，Uout經A/D轉換後傳輸到PC機上進行實時顯示和存儲。
根據分壓電路的基本原理，如圖1所示，Uin=RxRx+RcUd---(1)]]>Uout＝n·Uin(2)Uout=5V28DATADATA51---(3)]]>其中n為放大倍數，DATA是Uout經AD轉換後PC機上實時採集到的數據，5V為A/D轉換晶片的基準電壓，28表示所用晶片為8位A/D轉換。
結合(1)、(2)和(3)式，得到Uin=DATA51n=RxUdRx+Rc---(4)]]>由所採集的電信號DATA，根據下式可以求解任一時刻監測點處的預成型體電阻值Rx=(51nUdDATA-1)Rc---(5)]]>(3)進行樹脂充模，充模時循環掃描所有監測點，以監測電壓值的突變判斷樹脂流動前鋒的到達；充模結束後，每個監測點處的預成型體電阻Rx都在增大，測量這些預成型體電阻Rx的變化，即通過監測可以實時地了解樹脂的固化情況。
如圖3所示，實現本發明方法的監測系統由預成型體的排布、參比電阻Rc、輸出電壓控制器、放大器及A/D轉換器、控制電路CPU及PC機等，本發明上下可設置1-16條激發導線和感應導線，因此可以構成1-256個監測點，控制電路CPU通過控制信號使輸出電壓控制器選擇1-256個點中的一個或多個，同時經過與參比電阻Rc串接後，施加直流電壓，該電壓經過放大器放大及A/D轉換後，控制電路CPU循環掃描並採集1-256個監測點的監測信號，系統為每一條電壓感應線分別設置了A/D轉換模塊，數據轉換傳輸速度很高，對所有256個監測點循環掃描一次只需1秒鐘。
控制電路CPU有控制循環掃描功能，監測時，它對256路監測路線進行循環掃描，對於未接入的路線，監測信號將顯示為零。
權利要求
1.LCM工藝直流電阻法實時監測方法，其特徵在於通過下列步驟實現(1)根據構件尺寸的大小在預成型體上下表面交叉排放激發導線和感應導線確定監測點，這些監測點即構成被測預成型體電阻；(2)在被測預成型體電阻兩側施加直流電壓，並為該被測預成型體電阻串聯一個大小相互匹配的參比電阻，構成分壓電路，測量參比電阻兩端的電壓，該電壓經運放及AD轉換被實時採集到PC機上進行顯示，通過計算即得到被測預成型體電阻；(3)進行樹脂充模，充模時循環掃描所有監測點，以監測電壓值的突變判斷樹脂流動前鋒的到達；充模結束後，每個監測點處的預成型體電阻都在增大，測量這些預成型體電阻的變化，即通過監測可以實時地了解樹脂的固化情況。
2.根據權利要求1所述的LCM工藝直流電阻法實時監測方法，其特徵在於所述的參比電阻Rc值為1010-1011歐姆。
3.根據權利要求1所述的LCM工藝直流電阻法實時監測方法，其特徵在於所述的監測點為1-256個。
全文摘要
LCM工藝直流電阻法實時監測方法，根據構件尺寸的大小在預成型體上下表面交叉排放激發導線和感應導線確定監測點；在監測點兩側施加直流電壓，並為該被測監測點預成型體電阻串聯參比電阻，構成分壓電路，測量參比電阻兩端的電壓，該電壓經運放及AD轉換被實時採集到PC機上進行顯示，通過計算即得到被測預成型體電阻；進行樹脂充模，充模時循環掃描所有監測點，以監測電壓值的突變判斷樹脂流動前鋒的到達；充模結束後，每個監測點處的預成型體電阻都在增大，測量這些預成型體電阻的變化，即通過監測可以實時地了解樹脂的固化情況。本發明能夠準確地反映出監測點處樹脂流動前鋒的到達以及之後的固化過程，由此為減少充模不完全或幹斑等缺陷提供依據，降低廢品率，提高產品質量，有效解決樹脂基複合材料的生產中存在的產品質量不穩定的問題。
文檔編號B29C70/54GK1851451SQ20061001209
公開日2006年10月25日 申請日期2006年6月2日 優先權日2006年6月2日
發明者段躍新, 孫玉敏, 張佐光 申請人:北京航空航天大學