基于锁相感应热成像的碳纤维增强复合材料缺陷检测研究

摘要

碳纤维增强复合材料，是一种高强度、轻质量的优质材料，常用于需要抗环境干扰能力较高的航空、航天、桥梁建筑、汽车车身零部件和有高强度需求的体育器材等领域。碳纤维增强复合材料的大量应用给无损检测技术与评估带来了新的挑战，本文旨在通过锁相感应热成像技术，研究碳纤维增强复合材料的缺陷检测。　　本文主要介绍了红外热波检测的理论基础，并基于热波检理论对锁相感应热成像的原理进行了详细的推导运算，同时解释了当被测材料中存在缺陷时，如何处理才可以在计算机上显示出相位图像和幅值图像。本文随后建立了感应激励系统，包括频率发生器、电压放大器、工作磁头电路和导电线圈的参数设置，以及如何使用外部触发盒使得频率发生器与红外摄像机的辐射检测序列同步，最后使主动热成像系统可以实现锁相感应加热。本文也推导了专门用于处理热图像序列的锁相算法，该方法可以有效降低因抑制发射率变化、表面反射、探测器不均匀性和温度漂移效应等因素引起的干扰。　　本文深入研究了导电碳纤维增强复合材料中的感应发热原理，紧接着介绍了碳纤维的集总参数模型及其相应的加热机理，并基于该理论建立了仿真模型，探究碳纤维编织环路以及碳纤维束的宽度和间距对温度分布的影响。本文也研究了在碳纤维束之间，不同接触状态下，内部温度场的变化规律，其实验结果表明，只有当碳纤维束内部的最大环路闭合时，材料内部才可以产生良好的涡流。同时也发现纤维束的断裂部分会产生强烈的热信号，从而可以在热成像探测中标记出纤维束的断裂缺陷。　　最后，本文研究了冲击损伤的成像结果与感应线圈探测角度之间的关系，在不同角度下，对冲击损伤中含有的三种不同裂纹缺陷进行检测研究。其实验结果表明，不同的探测角度会导致涡流密度的分布发生变化。在极坐标系下，缺陷的相位信息通常呈椭圆对称分布，从中也可以分析得出缺陷的形状信息。　　全文的工作研究了不同情况下锁相感应热成像在碳纤维增强复合材料上的检测效果，并系统分析了锁相感应热成像对冲击损伤的检测有效性，为这种材料的无损检测方案提供了新的解决思路。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 碳纤维复合材料无损检测研究现状

1.2.1 碳纤维复合材料的分类

1.2.2 碳纤维增强复合材料的典型缺陷及其无损检测发展

1.3 红外热成像的常用方法

1.4 锁相感应热成像技术及其应用于 CFRP 检测的研究进展

1.5 本文的结构安排

第2 章锁相感应热成像原理

2.1 红外热波检测理论

2.2 锁相感应热成像的原理

2.3 数字锁相感应热成像的原理

2.4 本章小结

第3 章锁相感应热成像系统

3.1 感应激励系统

3.1.1 频率发生器

3.1.2 电压放大器

3.1.3 工作电路

3.1.4 感应线圈

3.2 锁相感应热成像系统

3.2.1 锁相激励技术

3.2.2 锁相算法的图像处理

3.2.3 减弱噪声的影响

3.3 本章小结

第4 章 碳纤维的集总参数模型及其仿真

4.1 碳纤维的感应加热机理

4.2 碳纤维集总参数模型

4.3 碳纤维传导与缺陷检测仿真分析

4.3.1 碳纤维编织环路的涡流场与温度场分布

4.3.2 碳纤维束宽度与间距的温度场分布

4.3.3 带有缺陷的涡流场与热特性

4.4 本章小结

第5 章 碳纤维电特性及其损伤实验与分析

5.1 概述

5.2 碳纤维束接触与温度场之间的关系

5.2.1 实验样品

5.2.2 实验装置与内容

5.2.3 实验结果与分析

5.3 碳纤维束断裂实验

5.4 本章小结

第6 章 CFRP 冲击损伤的实验结果与分析

6.1 概述

6.2 冲击损伤与线圈探测角度的实验

6.2.1 实验样品

6.2.2 实验原理

6.2.3 实验系统

6.2.4 冲击损伤与线圈探测角度的关系

6.4 本章小结

总结与展望

工作总结

未来展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果