专利名称：玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于材料性能测试、图像处理、结构损伤检测技术领域，特别涉及玻璃 纤维复合材料内部结构的三维成像和损伤检测装置。
背景技术：
玻璃纤维复合材料具有高的比强度和比模量、良好的抗疲劳性等特点，被广泛 应用于航空、航天、兵器、汽车等行业。然而由于复合材料的非均质性和各向异性， 在制造和生产过程中较易产生各种缺陷和损坏，影响了材料的可靠性，制约了材料的应 用。在应用过程中，由于疲劳累积、撞击、腐蚀等物理化学的因素影响，复合材料也会 产生缺陷，这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料内部。研究精确的复合材料定量、 定性检测技术已成为无损检测技术的重点研究内容之一。目前玻璃纤维复合材料的检测方法主要有X射线、红外热波、声发射、超声 检测。X射线检测是检测复合材料中孔隙和夹杂物等体积型缺陷的优良方法，对增强基 分布不均也有一定的检测能力。但是，该方法检测分层缺陷有困难，并且它具有辐射生 物效应，其安全性需要考虑。红外热波无损检测的工作原理是根据变化性热源与媒介材 料及其几何结构之间的相互作用，通过控制热激励并适时监测和记录材料表面的温场变 化，经过特殊的算法和图像处理来获取被检物体材料的均勻性信息及其表面下的结构及 热属性的特征信息，从而达到检测和探伤的目的。这种方法检测速度快，观测面积大， 但是测量缺陷大小的时候误差较大(约200微米)。另外由于热图对材料非均勻性的敏 感，也可以会对某些试件缺陷造成误判。声发射是在材料局部因能量的快速释放而发出 瞬态弹性波的现象，是材料在应力作用下的变形、形成裂纹与裂纹扩展。这种检测方法 适用于裂纹较大的场合。超声C扫描能可靠地检出材料中的分层、疏松、孔隙等大部分 危害性缺陷，但检测效率较低，检测分辨率只能达到大约100微米。综上所述，至今在我国仍没有一种检测方法可以很精确地检测玻璃纤维复合材 料的内部结构，特别是微米级的损伤检测。

发明内容
本发明的目的在于提供一种玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像和损伤检测 装置，该装置可以三维成像玻璃纤维复合材料内部结构，并测量玻璃纤维复合材料内部 微小损伤，测量精度高，最高可达亚微米级。本发明的技术方案在于一种玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检 测装置，其特征在于包括光源(1)，所述光源出射光沿光路的方向上依次设有双凸 透镜(A)、光纤(I)、双凸透镜(B)及分光镜(2)，所述分光镜一侧出射端设有 待检玻璃纤维复合材料(3)，另一侧出射端设有参考镜(4)，所述分光镜的输出端设 有双凸透镜(C)，所述双凸透镜(C)经光纤(II)连接至光谱仪(5)，所述光谱仪 与带有数据采集和处理的电脑(6)相连。
所述待检玻璃纤维复合材料设于可水平移动的水平移动平台(7)上，所述水 平移动平台设于可垂直运动的垂直移动平台(8)上，所述水平移动平台经水平控制器
(9)与电脑相连，所述垂直移动平台经垂直控制器(10)与电脑相连。所述参考镜设于参考镜位移驱动器(11)上，所述参考镜位移驱动器经控制器 (12)与电脑相连。所述光纤(I)及光纤(II)的两端分别设有用于固定的连接座(13)。所述光源为可见光源或红外线光源，所述分光镜对应为可见光分光镜或红外线分光镜，所述光谱仪对应为可见光范围光谱仪或红外线光谱仪。本发明的优点在于相对于传统的红外热波、超声检测以及声发射等方法，本 发明具有更高的检测精度高，可以达亚微米级，适合于玻璃纤维复合材料结构早期微小 缺陷的检测，防范于未然；该发明也解决了 X射线对于分层缺陷的难题，可以很好地对 分层、疏松、孔隙、裂纹等大部分危害性缺陷进行检测；另外该发明不具有类似于X射 线的辐射生物效应，安全性可以保证。


图1为本发明的光路结构示意图。
具体实施例方式一种玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检测装置，其特征在于包 括光源(1)，所述光源出射光沿光路的方向上依次设有双凸透镜(A)、光纤(I)、 双凸透镜(B)及分光镜(2)，所述分光镜一侧出射端设有待检玻璃纤维复合材料
(3)，另一侧出射端设有参考镜(4)，所述分光镜的输出端设有双凸透镜(C)，所 述双凸透镜(C)经光纤(II)连接至光谱仪(5)，所述光谱仪与带有数据采集和处理 的电脑(6)相连。所述待检玻璃纤维复合材料设于可水平移动的水平移动平台(7)上，所述水 平移动平台设于可垂直运动的垂直移动平台(8)上，所述水平移动平台经水平控制器
(9)与电脑相连，所述垂直移动平台经垂直控制器(10)与电脑相连。所述参考镜设于参考镜位移驱动器(11)上，所述参考镜位移驱动器经控制器 (12)与电脑相连。所述光纤(I)及光纤(II)的两端分别设有用于固定的连接座(13)。所述光源为可见光源或红外线光源，所述分光镜对应为可见光分光镜或红外线 分光镜，所述光谱仪对应为可见光范围光谱仪或红外线光谱仪。本发明的工作过程大致如下如图1所示，红外线或者可见光由光源(1)经透 镜(A)、光纤(I)、透镜(B)和分光镜(2)后分成两路一路照到待检测玻璃纤 维复合材料(3)；另外一路照到参考镜(4)上，参考镜(4)安装在参考镜位移驱动 器(11)上，旨在利用相位平移的方法达到增加信噪比和系统动态范围的目的。参考镜位移驱动器(11)是由电脑(12)来控制的，两束光分别在参考镜和待测 玻璃纤维复合材料表面发生反射/散射并且由分光镜的光纤输出端发生干涉并经此光纤 接到红外线或可见光范围的光谱仪(5)输入端，红外线或可见光范围的光谱仪(5)输出端通过USB连接线(14)将光谱信号传送至电脑(6)，在电脑中实现数据采集和处 理、三维成像和内部损伤检测功能，水平移动平台(7)和垂直移动平台(8)的移动可 以二维扫描玻璃复合材料，光谱信号经过电脑的实时处理可以实现复合材料内部结构三 维成像，进而可以获得复合材料的内部缺陷的信息，实现内部损伤的检测。本发明利用Visual C++和Matlab混合编程的方法来实现实时控制、数据采集和 分析、三维成像和缺陷诊断；利用Visual C++对水平和垂直方向自动移动扫描平台、参 考镜位移驱动器和光谱信号的采集过程进行协调；鉴于Matlab拥有强大的信号处理和图 像处理功能，本发明将采集到的光谱信号利用Matlab进行分析处理并三 维成像；在分析 过程中，对所采集到光谱信号首先进行小波降噪(StationaryWaveletTransform)处理， 再进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)，从而获得玻璃纤维结构深度方向的信 肩、ο如果玻璃纤维复合材料结构内部存在缺陷(比如分层)，在经过傅里叶变换过 的光谱信号上就会呈现更多的细节信号(比如波形上呈现更多的波峰等)，对所有扫描 得到的光谱信号进行处理之后就可以重构玻璃纤维内部结构的二维和三维图，根据此二 维/三维图就可以诊断玻璃纤维复合材料结构内部的各种缺陷。本发明对于玻璃纤维复合材料结构内部损伤的检测精度极高，以卤素钨灯等为 例，如果采用分辨率为1.5纳米的光谱仪，并且光谱中心频率为700纳米，半宽度为236 纳米，该检测装置深度方向的分辨率可达0.7微米(假设玻璃纤维的折射率为1.5)，比 超声C扫描(精度为100微米)、红外线热波(精度为200微米)在精度上有明显的优势。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化 与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检测装置，其特征在于包括 光源(1)，所述光源出射光沿光路的方向上依次设有双凸透镜(A)、光纤(I)、 双凸透镜(B)及分光镜(2)，所述分光镜一侧出射端设有待检玻璃纤维复合材料(3)，另一侧出射端设有参考镜(4)，所述分光镜的输出端设有双凸透镜(C)，所 述双凸透镜(C)经光纤(II)连接至光谱仪(5)，所述光谱仪与带有数据采集和处理 的电脑(6)相连。
2.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检测装置，其 特征在于所述待检玻璃纤维复合材料设于可水平移动的水平移动平台(7)上，所述 水平移动平台设于可垂直运动的垂直移动平台(8)上，所述水平移动平台经水平控制 器(9)与电脑相连，所述垂直移动平台经垂直控制器(10)与电脑相连。
3.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检测装置， 其特征在于所述参考镜设于参考镜位移驱动器(11)上，所述参考镜位移驱动器经控 制器(12)与电脑相连。
4.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检测装置， 其特征在于所述光纤(I)及光纤(II)的两端分别设有用于固定的连接座(13)。
5.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检测装置， 其特征在于所述光源为可见光源或红外线光源，所述分光镜对应为可见光分光镜或红 外线分光镜，所述光谱仪对应为可见光范围光谱仪或红外线光谱仪。
全文摘要
本发明涉及一种玻璃纤维复合材料内部结构的三维成像及损伤检测装置，其特征在于包括光源(1)，所述光源出射光沿光路的方向上依次设有双凸透镜(A)、光纤(Ⅰ)、双凸透镜(B)及分光镜(2)，所述分光镜一侧出射端设有待检玻璃纤维复合材料(3)，另一侧出射端设有参考镜(4)，所述分光镜的输出端设有双凸透镜(C)，所述双凸透镜(C)经光纤(Ⅱ)连接至光谱仪(5)，所述光谱仪与带有数据采集和处理的电脑(6)相连，该装置通过扫描玻璃纤维复合材料，得到的光谱信号经过电脑的实时处理可以实现复合材料内部结构的三维成像，进而可以获得复合材料内部缺陷的信息，实现内部损伤的检测，检测精度高。
文档编号G01N21/896GK102023165SQ20101057894
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者杨晓翔, 钟舜聪 申请人:福州大学