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結(jié)合激光測(cè)振技術(shù)和主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)以增強(qiáng)GFRP的無(wú)損檢測(cè)效果
背景
GFRP學(xué)名玻璃纖維增強(qiáng)塑料，是一種比較常見(jiàn)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(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)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(guò)多的孔隙可能會(huì)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(huì)造成裂紋、分層、基體斷裂等多種類型的缺陷。
超聲激光測(cè)振技術(shù)是近興起的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它通過(guò)分析測(cè)試試樣的共振來(lái)分析其中的結(jié)構(gòu)缺陷。該技術(shù)結(jié)合了超聲激勵(lì)和激光振動(dòng)掃描方法。在固體材料中，結(jié)構(gòu)的不均勻性會(huì)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(cè)振技術(shù)所探測(cè)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(jí)的共振條件下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特殊的熱能，這個(gè)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(guò)使用3D掃描測(cè)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(lái)無(wú)法有效地了解缺陷的深度，而這可用通過(guò)一側(cè)的主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但這種主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)只能檢測(cè)不連續(xù)類型的缺陷，并且對(duì)于厚度大于10mm的工件也很難使用。
因而在此研究中，同時(shí)使用了單激勵(lì)激光測(cè)振技術(shù)和主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)來(lái)對(duì)16mm厚度的GFRP復(fù)合材料中的圓形平底孔進(jìn)行檢測(cè)，以獲得顯著的檢測(cè)結(jié)果。
2 檢測(cè)對(duì)象和方法
檢測(cè)對(duì)象是一塊320x320x16mm的GFRP試塊，其中包含了16個(gè)平底孔類型的缺陷，每個(gè)都是20mm直徑，缺陷深度在1到12mm之間。
激光測(cè)振技術(shù)包含了一個(gè)掃描激光測(cè)振儀PSV-500-3D，一個(gè)信號(hào)發(fā)生器AWG-4163，帶一個(gè)放大器。信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)一個(gè)超聲脈沖給壓電晶片探頭。通過(guò)激光測(cè)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(duì)其造成的干擾。
如前面提到的，使用振動(dòng)分析技術(shù)可以對(duì)缺陷進(jìn)行定位，已經(jīng)確定缺點(diǎn)的尺寸和區(qū)域，但無(wú)法確定深度。為了得到缺陷深度信息，使用了主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)。該技術(shù)使用一個(gè)4x500W鹵素?zé)糇鳛榧訜嵩?，持續(xù)加熱10s。假設(shè)材料的熱擴(kuò)散系數(shù)已知，缺陷深度通過(guò)大溫度差的延遲時(shí)間來(lái)進(jìn)行評(píng)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(cè)振技術(shù)
下面是共振測(cè)振在平底孔上的結(jié)果，例如圖中的16號(hào)缺陷（深度1.1mm），檢測(cè)頻率是12.5kHz。而8號(hào)缺陷（深度1.2mm）和5號(hào)缺陷（深度7.2mm），可以被所有頻率檢測(cè)到。
在全振動(dòng)模式下，頻率范圍50Hz-100kHz，可以發(fā)現(xiàn)16個(gè)缺陷中的15個(gè)，只有深的9號(hào)缺陷未被發(fā)現(xiàn)。通常來(lái)說(shuō)，越深的缺陷振動(dòng)觀測(cè)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(huì)造成顯示上的差異，缺陷越深，振動(dòng)強(qiáng)度越低。因而9號(hào)缺陷沒(méi)有顯示。通過(guò)ThermoLab軟件，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行二次處理分析，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(jì)缺陷的深度，并與振動(dòng)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(méi)有檢測(cè)出。
4 結(jié)論
共振激光測(cè)振技術(shù)證明是檢測(cè)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(gè)缺陷中的15個(gè)，而通過(guò)ThermoLab軟件進(jìn)行算法處理可以發(fā)現(xiàn)所有16個(gè)缺陷，而使用主動(dòng)熱紅外技術(shù)可以對(duì)其中的部分缺陷進(jìn)行深度評(píng)價(jià)。
待續(xù)
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