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結(jié)合激光測振技術(shù)和主動紅外熱成像技術(shù)以增強GFRP的無損檢測效果
背景
GFRP學名玻璃纖維增強塑料，是一種比較常見的復(fù)合材料。這種結(jié)合了玻璃纖維和樹脂填充的結(jié)構(gòu)，使得它具有很多特殊的性能，包括很高電絕緣性能，寬泛的工作溫度，較低的熱傳導(dǎo)性能和較高的抗腐蝕性能。這些性能也決定了GFRP材料在航空航天、市政建設(shè)和交通運輸?shù)榷鄠€行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。
而由此制作的部件的可靠性則由材料性能和其內(nèi)部可能的缺陷密切相關(guān)。例如在制造階段，過多的孔隙可能會造成材料的各向異性。而在在役使用階段，由于外部的沖擊損傷，也會造成裂紋、分層、基體斷裂等多種類型的缺陷。
超聲激光測振技術(shù)是近興起的一種無損檢測技術(shù)，它通過分析測試試樣的共振來分析其中的結(jié)構(gòu)缺陷。該技術(shù)結(jié)合了超聲激勵和激光振動掃描方法。在固體材料中，結(jié)構(gòu)的不均勻性會導(dǎo)致質(zhì)量和剛度的局部變化，這些變化很容易被激光測振技術(shù)所探測到。這種在缺陷區(qū)出現(xiàn)的特殊共振現(xiàn)象首先是由Pye和Adams發(fā)現(xiàn)的。他們發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在一定有效量級的共振條件下會產(chǎn)生一個特殊的熱能，這個熱能是由缺陷相反的兩側(cè)之間的摩擦而產(chǎn)生的。隨后Busse和Solodov等將這種現(xiàn)象定義為局部缺陷共振（LDR），它們有其特殊的共振頻率。
隨后Segers等人通過使用3D掃描測振技術(shù)研究了平底孔的平面內(nèi)和平面外共振響應(yīng)，而近期Solodov等人研究發(fā)現(xiàn)類似于平底孔的缺陷，不同形狀的平底孔，比如方形、圓形、錐形等都有其基本的共振頻率。
但不幸的是，LDR技術(shù)看起來無法有效地了解缺陷的深度，而這可用通過一側(cè)的主動紅外熱成像技術(shù)實現(xiàn)。但這種主動紅外熱成像技術(shù)只能檢測不連續(xù)類型的缺陷，并且對于厚度大于10mm的工件也很難使用。
因而在此研究中，同時使用了單激勵激光測振技術(shù)和主動紅外熱成像技術(shù)來對16mm厚度的GFRP復(fù)合材料中的圓形平底孔進行檢測，以獲得顯著的檢測結(jié)果。
2 檢測對象和方法
檢測對象是一塊320x320x16mm的GFRP試塊，其中包含了16個平底孔類型的缺陷，每個都是20mm直徑，缺陷深度在1到12mm之間。
激光測振技術(shù)包含了一個掃描激光測振儀PSV-500-3D，一個信號發(fā)生器AWG-4163，帶一個放大器。信號發(fā)生器激勵一個超聲脈沖給壓電晶片探頭。通過激光測振手段分析材料中的彈性波的傳播，以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不連續(xù)對其造成的干擾。
如前面提到的，使用振動分析技術(shù)可以對缺陷進行定位，已經(jīng)確定缺點的尺寸和區(qū)域，但無法確定深度。為了得到缺陷深度信息，使用了主動紅外熱成像技術(shù)。該技術(shù)使用一個4x500W鹵素燈作為加熱源，持續(xù)加熱10s。假設(shè)材料的熱擴散系數(shù)已知，缺陷深度通過大溫度差的延遲時間來進行評估，該技術(shù)被證明是有效的，但缺陷深度限定在10mm以內(nèi)。
3 結(jié)果分析
3.1 激光測振技術(shù)
下面是共振測振在平底孔上的結(jié)果，例如圖中的16號缺陷（深度1.1mm），檢測頻率是12.5kHz。而8號缺陷（深度1.2mm）和5號缺陷（深度7.2mm），可以被所有頻率檢測到。
在全振動模式下，頻率范圍50Hz-100kHz，可以發(fā)現(xiàn)16個缺陷中的15個，只有深的9號缺陷未被發(fā)現(xiàn)。通常來說，越深的缺陷振動觀測得到的振幅越低。
可以看到，這些缺陷的尺寸是一樣的，只是深度不同，就會造成顯示上的差異，缺陷越深，振動強度越低。因而9號缺陷沒有顯示。通過ThermoLab軟件，對檢測結(jié)果進行二次處理分析，通過一個簡單的算法可以明顯提高缺陷的顯示效果。
3.2 典型的紅外熱成像NDT方法和深度特性
使用單側(cè)典型的紅外熱成像技術(shù)可以估計缺陷的深度，并與振動分析的結(jié)果結(jié)合，可提高缺陷的檢出率。
使用紅外熱成像技術(shù)可以給出7mm以上深度的缺陷的深度，而7-12mm深度的缺陷沒有檢測出。
4 結(jié)論
共振激光測振技術(shù)證明是檢測非連續(xù)類缺陷的有效工具，缺陷在不同深度上都可被檢出。原始數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)16個缺陷中的15個，而通過ThermoLab軟件進行算法處理可以發(fā)現(xiàn)所有16個缺陷，而使用主動熱紅外技術(shù)可以對其中的部分缺陷進行深度評價。
待續(xù)
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