CN101173954A - 用于在负载下样本中定位故障事件的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在负载下样本中定位故障事件的***和方法。公开了一种用于定位样本(12)中故障事件的***(10)。***(10)包括至少一个传感器(14)，其被配置为检测对应于样本(12)中的故障事件的声能。***(10)还包括红外照相机(14)，其被配置为检测对应于样本(12)中的故障事件的能量的热释放。

Description

用于在负载下样本中定位故障事件的***和方法

技术领域

本发明涉及检验技术，更具体地涉及使用热敏成像法的无损测试技术。

背景技术

在航天和其他应用中，复合结构的使用在增加。根据应用，可使用各种材料和制造技术。复合结构的优点包括较低重量和增强的强度。然而，复合材料可以表现出许多缺陷类型，例如脱层、基体裂化和纤维断裂。为了设计改良的复合结构并且验证结构模型，期望确定故障事件的源深度和真实位置。

红外(IR)热成像法是一种检测和量化物体的材料缺陷和表面下损伤的方法。该技术依靠对穿过物体的热传递的瞬间(temporal)测量来提供关于物体中缺陷和裂缝的信息。既然穿过物体的热流基本上是不受物体材料的微结构影响的，该技术免于微结构可能施加的任何限制。此外，正在被检测的物体的大小、形状或者外形对热像分析没有明显的妨碍。该技术也可以比现有的常规无损测试方法快10-100倍。

然而，如Ringermacher等在US 6,367,969中讨论的，利用瞬间闪光方法，能够在复合材料中确定裂缝的位置的现有高级热像成像方法是在裂缝产生之后对其进行定位，因此不能对产生这些裂缝的事件确定因果关系。为了验证动态负载下结构中的故障的计算机模型，期望获得因果关系。此外，期望找到关于事件深度和横向位置的精确定位，以及事件的次序。

因此，需要寻求一种能解决上述问题的改进的热像技术。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种定位样本中故障事件的***。该***包括至少一个传感器，该传感器被配置为检测对应于样本中故障事件的声能。该***还包括红外照相机，该红外照相机被配置为检测对应于样本中故障事件的能量的热释放。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种检测样本中故障事件的方法。该方法包括记录对应于故障事件的声信号。该方法还包括基于声信号确定零点时间(zero-time)。该方法进一步包括在一段时间内记录样本的多个热图像。该方法还包括从该声信号和热图像确定故障事件的深度。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种定位样本中故障事件的多模式***。该***包括至少一个传感器，该传感器被配置为检测对应于样本中故障事件的声能。该***还包括红外照相机，该红外照相机被配置为检测对应于样本中故障事件的能量的热释放。该***进一步包括X射线源，该射线源被配置为照射样本的至少一部分。该***还包括数字X射线检测器，该数字X射线检测器被配置为获取至少一部分样品的至少一个X射线图像。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细说明，会更好地了解本发明的这些以及其他特征、方面和优势，在附图中相似的符号代表所有附图中相似的部件，其中：

图1是根据本发明实施例的用于定位样本中故障事件的***的示意图；

图2是根据本发明实施例的包括X射线成像的用于定位样本中故障事件的替换***的示意图；

图3是对于故障事件将要被检测的复合材料样本的示意图；

图4是说明检测样本中故障事件的位置和深度的方法的示范性步骤的流程图；

图5是声发射信号的图示，该信号对应于复合材料样本中在一段时间内所记录的故障事件；以及

图6是正在被检测故障事件的复合材料样本的表面温度-时间轮廓图的图示。

具体实施方式

如下所详细描述的，本发明的实施例包括一种在负载下样本中定位故障事件的***以及一种对其进行定位的方法。如在这里所使用的，术语“位置”是指在样本表面之下的故障事件的位置。术语“负载”是指当置于负载测试机器中时，被检测的样本受到的应力。为了确定样本中故障事件发生的起始时间，这里所公开的***包括红外成像和声发射感测的组合。

图1是用于定位样本12中故障事件的***10的示意图。***10包括红外照相机14，其被配置为检测对应于样本12中故障事件的能量的热释放。红外照相机的非限制性实例包括传感器的焦平面阵列。可由照相机控制电子设备16来操作红外照相机14。红外照相机14也可以被配置为向照相机控制电子设备16输出热像数据。在特定的实施例中，红外照相机14记录多帧中的能量的热释放，所述帧记录在帧存储器18中。在非限制性实例中，红外照相机14被配置为以大概每秒50至250帧的范围内的帧频进行工作。***10包括至少一个传感器20，其被配置为检测对应于样本12中的故障事件的声能。在所述实例中，***10包括两个传感器。在特定实施例中，传感器20可安装于样本12的上表面上。传感器20的非限制性实例是换能器。传感器20被配置为检测零点时间事件。如这里所使用的，术语“零点时间”是指故障事件发生的起始时间。当故障事件发生在样本12内的深处时，该故障事件释放声能和热能脉冲。相比于热能朝着样本表面传播的速度，声能基本上以无限大的速度传播。因此，声能检测确定故障事件的零点时间。

传感器20输出对应于检测到的声能的数据到处理器22。处理器22还控制照相机控制电子设备16和帧存储器18，以获得存储在帧存储器18中的样本12的预定数目的连续热像帧。在一个实例中，处理器是微处理器。处理器22被配置为将诸如样本12的表面热轮廓图或声发射轮廓图的数据输出到显示监视器24。帧存储器18也可将热图像帧输出到显示监视器24。在特定实施例中，传感器20和红外照相机14在公共时间的基础上同步。处理器22被配置为将传感器20检测的声发射事件时间与红外照相机14所记录的相应的其中一个帧同步。在特定实施例中，样本12包括多个层片(ply)，该多个层片关于样本的纵轴26以大约0度至180度的范围内的角度定向。样本的纵轴26也可以被称为样本12中的应力轴。

合成材料故障事件的示例包括点事件、线事件和面事件。如这里所使用的，“点事件”是指在样本12的特定深度的单个点处的瞬间能量释放。点事件的非限制性实例包括纤维的突然折断。术语“线事件”是指在样本12特定深度处沿一条线的瞬间能量释放。线事件的非限制性实例包括环氧树脂复合材料沿线的裂缝。术语“面事件”是指在样本12的特定深度处沿面的瞬间能量释放。面事件的非限制性实例包括环氧树脂复合材料在平面内的脱层。

在如图2所示的本发明的另一个所述实施例中，描述了用于定位如图1所示的样本12中的故障事件的示范性***30。***30包括X射线源32和被配置为捕获样本12的X射线图像的X射线检测器34。***30还包括被配置为检测对应于样本12中的故障事件的能量的热释放的红外照相机36。红外照相机36的非限制性实例包括传感器的焦平面阵列。红外照相机36可以由照相机控制电子设备38来操作。红外照相机36还可以被配置为向照相机控制电子设备38输出热像数据。在特定实施例中，红外照相机36记录多帧中能量的热释放，所述帧记录在帧存储器40中。在非限制性实例中，红外照相机36被配置为以大约每秒50至250帧的范围内的帧频工作。X射线检测器34被配置为在记录能量的热释放时脱离(slide out of)红外照相机36的视野。***30进一步包括至少一个传感器42，该传感器42被配置为检测对应于样本12中故障事件的声能。在所示实例中，***30包括两个传感器。在特定实施例中，传感器42可以安装于样本12的上表面。传感器42的非限制性实例包括换能器。传感器42被配置为检测故障事件的零点时间。

传感器42向处理器44输出对应于检测到的声能的数据。处理器44也控制照相机控制电子设备38和帧存储器40，以获得存储在帧存储器40中的样本12的预定数目的连续热像帧。处理器44还可以控制X射线源32的操作。在一个实例中，处理器是微处理器。X射线检测器34还向处理器44输出诸如样本X射线图像的数据。处理器44被配置为将数据输出至显示监视器46。一些非限制性的数据实例包括样本12的表面热轮廓、声发射轮廓或者X射线图像。帧存储器40也可将热像帧输出至显示监视器46。在特定实施例中，传感器42和红外照相机36在公共时间基础上同步。处理器44被配置为将传感器42检测的声发射事件时间与红外照相机36所记录的相应的其中一个帧同步。处理器44还被配置为将X射线图像与用传感器42获得的多声波数据和用红外照相机36获得的多热量数据中的至少一个相关。在特定实施例中，样本12包括多个层片(ply)，如图1中的样本12所示，该多个层片关于纵轴26以大约0度至180度范围内的角度定向。样本12的纵轴26也可以被称为样本12中的应力轴。故障事件的一些非限制性实例包括点事件、线事件和面事件。如上所述，点事件的一个例子是纤维的突然折断。线事件的一个例子是环氧树脂复合材料沿线的裂缝。面事件的一个例子是环氧树脂复合材料在平面内的脱层。

图3是如图1和图2所示的示范性复合材料样本12的示意图。在特定实施例中，样本12包括沿样本12的如图1所示的纵轴26定向的层片的层50。层50还可以被称作零度层片。零度层片形成样本12的底面。关于纵轴26沿逆时针方向以-45度或者沿顺时针方向以135度定向的层52置于零度层片50的上面。层52也可以被称作-45度层片。此外，关于纵轴26以90度角定向的层54置于-45度层片52的上面。层54也可以被称作90度层片。关于纵轴26以45度角定向的层56可以置于90度层片54的上面。层56可以称为45度层片。

图4是说明方法70的示范性步骤的流程图，该方法用于检测样本中故障事件的位置和深度。方法70包括在步骤72中检测对应于故障事件的多个声波信号。在特定实施例中，实时执行多个声波信号的检测。在步骤74中，基于记录的声波信号确定零点时间。零点时间对应于故障事件发生的起始时间。在延时之后，经由红外照相机检测样本表面上的热能量。在步骤76中，在一段时间内记录样本的多个热像。

在非限制性实例中，热像包括样本表面上分辨率单元的热像。所记录的分辨率单元对应于像素。在特定实施例中，记录热像的步骤76包括多个步骤，这些步骤开始于确定每个热像中的每个像素的各自像素强度。记录还包括为每个热像确定平均像素强度。记录进一步包括，从单个像素强度中减去平均像素强度，产生每个热像的每个像素的像素对比度。得到表面温度-时间像素对比度曲线，并基于对比度曲线确定故障事件的深度。在实例中，确定故障事件的深度包括，基于对比曲线中的拐点与热流特性时间之间的热流关系进行确定。在特定实施例中，同时执行检测声波信号的步骤72和记录热像的步骤76。在步骤78中可产生诸如样本的表面热轮廓和声发射轮廓的信号，该信号对应于故障事件的位置和深度。方法70还包括根据步骤80中产生的信号确定故障事件的深度和位置。

实例

下面的实例只是例证性的，不应该解释为对请求专利保护的发明的范围的任何一种限制。

图5是声波信号的示意图90，该信号对应于如图3中所示的复合材料样本中在一段时间内所记录的故障事件。X轴92代表时间，单位为秒。Y轴94代表幅度，单位任意。每个峰值96分别表示在大概74.5秒、76.5秒和77.2秒时，具有变化幅度的声能脉冲的释放。因此，峰值对应于在相应的测量时间的新故障事件。

图6是如图3所示样本的表面温度-时间轮廓的图示100。X轴102代表时间，单位为秒。Y轴104代表样本表面的温度，单位任意。线106代表对应于样本中故障事件的零点时间的大概5.5秒时的声发射。曲线108代表同时测量的表面的热响应。可以看到，故障事件发生在大概5.5秒时，而且，可以在大概6.1秒时发生的拐点110处通过红外照相机在表面检测到。因此，在表面上正被检测的故障事件中存在大约0.6秒的时间滞后，由112表示。可以根据下面给出的由t_lag表示的时间滞后和深度‘d’之间的关系来获得故障事件的深度：

$t_{\mathrm{lag}}=C\frac{d^2}{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{\α}};---\left(1\right)$

其中，α是样本的热扩散系数，C是常量，其分别根据点故障事件、线故障事件和面故障事件而改变大小。

有利地，上面所描述的确定样本中故障事件的位置的***和方法能够确定故障事件的位置和深度。进一步，由上述X射线检测器捕获的X射线图像可以分别与由红外成像和声发射感测获得的表面热和声发射轮廓图进行相关，以提供样本中故障发展的全面描述。而且，声发射感测使得一旦在样本中发生故障事件就能被检测出来，并消除了任何时间滞后。

虽然在这里只说明和描述了本发明的特定特征，但是对本领域技术人员来说可以产生很多修改和变化。因此，将理解的是附后的权利要求意在覆盖所有这些修改和变化，它们都在本发明的真实精神范围内。

元件列表

10用于定位故障事件的***

12样本

14红外照相机

16照相机控制电子设备

18帧存储器

20传感器

22处理器

24显示监视器

26纵轴

30用于定位故障事件的***

32 X射线源

34 X射线检测器

36红外照相机

38照相机控制电子设备

40帧存储器

42传感器

44处理器

46显示监视器

50零度层片

52-45度层片

54 90度层片

56 45度层片

70检测样本中故障事件的方法

72检测对应于故障事件的多个声波信号

74基于声波信号确定零点时间

76在一段时间内记录样本的多个热像

78产生对应于故障事件的位置和深度的信号

80基于所产生的信号确定故障事件的深度和位置

90图形表示

92 X轴代表时间，单位为秒

94 Y轴代表幅度，单位任意

96峰值

100样本的表面温度-时间轮廓图的图形表示

102 X轴代表时间，单位为秒

104 Y轴代表样本表面温度，单位任意

106样本中故障事件的零点时间

108表面的热响应

Claims (10)

1.一种用于定位样本(12)中故障事件的***(10)，该***包括：

至少一个传感器(20)，其被配置为检测对应于样本(12)中的故障事件的声能；以及

红外照相机(14)，其被配置为检测对应于样本(12)中的故障事件的能量的热释放。

2.如权利要求1所述的***(10)，进一步包括X射线源(32)和数字X射线检测器(34)，该数字X射线检测器(34)被配置为捕获样本(12)的X射线图像，其中将X射线图像与用传感器(20)获得的多个声波数据和用红外照相机(14)获得的多个热数据中的至少一个相关联。

3.如权利要求1所述的***(10)，其中所述故障事件包括点事件、线事件和面事件中的至少一个。

4.如权利要求1所述的***(10)，其中，所述至少一个传感器(20)还被配置为检测零点时间事件，其中所述红外照相机(14)在多个帧中记录对应于样本(12)中的故障事件的能量的热释放，所述***(10)进一步包括将至少其中一个帧与零点时间事件相关联的装置。

5.如权利要求1所述的***(10)，其中所述红外照相机(14)在多个帧中记录对应于样本(12)中的故障事件的能量的热释放，所述***(10)进一步包括处理器(22)，该处理器(22)被配置为将由传感器(20)检测的事件时间与相应的其中一个帧进行同步。

6.一种检测样本中故障事件的方法(70)，包括：

检测(72)对应于故障事件的多个声波信号；

基于声波信号，确定(74)零点时间；

在一段时间内记录(76)样本的多个热像；

产生(78)对应于故障事件的位置和深度的信号；以及

基于所产生的信号，确定(80)故障事件的深度和位置。

7.如权利要求6所述的方法(70)，其中所述热像包括样本(12)表面上的分辨率单元的热像，其中每个记录的分辨率单元对应于像素，并且其中所述记录热像的步骤进一步包括：

确定每个热像中每个像素的各自像素强度；

确定每个热像的平均像素强度；

从各自像素强度中减去平均像素强度，得到每个热像的每个像素的像素对比度；

产生表面温度-时间像素对比度曲线；以及

基于该对比度曲线确定故障事件的深度。

8.如权利要求6所述的方法(70)，其中所述确定故障事件的深度包括基于对比度曲线中的拐点与热流特性时间之间的热流关系进行确定。

9.一种用于定位样本(12)中的故障事件的***(30)，包括：

至少一个传感器(42)，其被配置为检测对应于样本(12)中的故障事件的声能；

红外照相机(36)，其被配置为检测对应于样本(12)中的故障事件的能量的热释放；

X射线源(32)，其被配置为照射样本的至少一部分；以及

数字X射线检测器(34)，其被配置为捕获样本(12)的至少一部分的至少一个X射线图像。

10.如权利要求9所述的***(30)，其中，所述故障事件包括点事件、线事件和面事件中的至少一个。

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