碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)的鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)研制

江海軍1，盛 濤，陳 力1，鄭金華，馮君偉，錢云翔

(1.南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司, 南京 210046;2.上海復(fù)合材料科技有限公司, 上海 201112)

碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)以高比強度、高比剛度、高模量和耐高溫性能好、耐疲勞性能優(yōu)越的特性，在航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)是一種特殊的復(fù)合材料，其上下兩塊大面板材料中間夾著厚而輕質(zhì)的蜂窩材料，并采用膠黏劑在一定溫度、濕度、壓力下復(fù)合成一個整體剛性結(jié)構(gòu)[1-3]。

碳纖維蜂窩材料在制造過程中，受生產(chǎn)工藝、環(huán)境控制的影響，在裝配、服役過程中會受到機械加工、外力撞擊的作用，材料內(nèi)部易生成缺陷，當缺陷尺寸達到損傷閾值時，將嚴重影響碳纖維蜂窩材料及構(gòu)件的質(zhì)量和性能[4]。同時，由于碳纖維蜂窩材料造價高、服役環(huán)境特殊、服役后難修復(fù)，對碳纖維蜂窩材料的無損檢測也就至關(guān)重要[5-6]。

李曉霞等[7]采用脈沖紅外無損檢測技術(shù)對碳纖維沖擊損傷進行了檢測，研究了損傷面積與沖擊能量的關(guān)系。黃松嶺等[8]使用脈沖紅外熱像方法對鋁蜂窩鋁蒙皮復(fù)合材料成型時較易出現(xiàn)的膠接缺陷進行了分析，結(jié)果表明，紅外熱像方法能有效地檢測出復(fù)合材料膠接缺陷、脫黏缺陷。蔣淑芳等[9]采用脈沖紅外無損檢測技術(shù)對不同厚度的鋁蜂窩碳纖維膠接缺陷進行檢測，結(jié)果表明該技術(shù)可以有效直觀地對鋁蜂窩內(nèi)部膠接質(zhì)量進行檢測。王揚等[10]采用鎖相紅外無損檢測技術(shù)對碳纖維蜂窩材料層板缺陷進行了檢測，采用概率曲線對該技術(shù)的檢測能力進行了評價。江海軍等[11]采用脈沖和鎖相紅外技術(shù)對多種復(fù)合材料的缺陷進行檢測，取得了良好的檢測效果。但上述的檢測都是基于紅外無損檢測系統(tǒng)的單次檢測，對于大面陣板的檢測效率低。為了提高紅外無損檢測技術(shù)的檢測效率，開發(fā)能夠充分發(fā)揮機器視覺檢測高效性的自動化檢測設(shè)備，已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的趨勢。為此，筆者研制了一套碳纖維蜂窩材料鎖相紅外無損檢測系統(tǒng)。

1 檢測原理

圖1 鎖相紅外無損檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

鎖相紅外無損檢測技術(shù)采用周期性調(diào)制熱源激勵試件表面，利用紅外熱像儀采集試件表面周期性變化的溫度場信號，對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行鎖相方式處理得到振幅和相位圖像。檢測人員通過分析振幅與相位圖像可以得到材料內(nèi)部的信息[12-14]。鎖相紅外無損檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其使用的熱激勵源包括鹵素?zé)簟⒓t外燈、發(fā)光二極管、激光、超聲、電磁等。鎖相數(shù)據(jù)處理方式主要包括傅里葉變換法、相關(guān)函數(shù)法、四點法等。鎖相紅外無損檢測與脈沖紅外無損檢測在檢測結(jié)果的顯示方式上有所不同，鎖相法處理數(shù)據(jù)，最終只有振幅圖像和相位圖像兩幅圖像；脈沖法處理數(shù)據(jù)得到的是與采集幀數(shù)相同的紅外圖像序列。由于鎖相技術(shù)采用周期性熱激勵，所以可以通過增加采集周期來提高熱波圖像的信噪比，達到較高的檢測靈敏度。鎖相紅外無損檢測圖像采集示意如圖2所示。

圖2 鎖相紅外無損檢測圖像采集示意

2 系統(tǒng)設(shè)計

目前，碳纖維蜂窩材料基板檢測存在效率低、移動過程中有風(fēng)險、基板檢測覆蓋率不足等問題，針對這些問題，設(shè)計了一套鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)碳纖維蜂窩材料的自動檢測。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)主要用于碳纖維蜂窩材料基板脫黏、脫膠、空氣泡等膠接質(zhì)量的檢測。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)基板自動檢測，最大支持尺寸(長×寬)為3 500 mm×2 500 mm的基板檢測。系統(tǒng)主要由三部分組成(見圖3)：檢測頭，檢測平臺，移動柜。

系統(tǒng)具有3軸運動系統(tǒng)，可控制檢測頭在檢測平臺x軸、y軸、z軸方向運動，移動重復(fù)精度為0.1 mm。檢測頭單次檢測面積為400 mm×300 mm(長×寬)。

在檢測3 500 mm×2 500 mm尺寸的基板時，需要采用多子工程拼接技術(shù)，此處采用14×7=98個工程拼接；檢測過程中，每檢測完當前區(qū)域，軟件可實現(xiàn)對檢測頭的控制與移動，自動移動到下一個待檢測區(qū)域。待所有子工程檢測結(jié)束時，可完成98幅紅外圖像無縫拼接，實現(xiàn)該基板的檢測。

圖3 鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

多工程拼接中，鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)具有缺陷定位功能，并可實現(xiàn)缺陷重復(fù)檢測，即在某個區(qū)域檢測出缺陷后，可對該區(qū)域重復(fù)檢測，檢測得到的結(jié)果圖像會自動拼接得到新的紅外圖像。

2.2 加熱源設(shè)計

鎖相紅外無損檢測技術(shù)屬于主動激勵紅外檢測技術(shù)，與被動激勵紅外檢測技術(shù)的最大區(qū)別在于其主動施加熱激勵源。激勵源對試件激勵的好壞對檢測結(jié)果的影響很大。激勵源評價的標準主要有激勵功率、光均勻度、光脈沖寬度、同步控制度等。在熱激勵源設(shè)計過程中需要考慮到紅外熱像儀的位置(一般位于中心位置)，因而很少使用單個光源對試件進行熱激勵，多采用熱激勵源對稱分布。熱激勵源對稱分布又可分為熱激勵源與試件表面垂直分布和角度分布。由于熱激勵源與試件表面角度分布容易造成熱激勵中心區(qū)域能量過大、周圍區(qū)域能量過小,因而在熱激勵源設(shè)計過程中采用的是熱激勵源與試件表面垂直的分布方式。在檢測過程中需要考慮1 Hz甚至更高頻率的鎖相頻率，而紅外燈/鹵素?zé)舻臒釂訒r間長、熱慣性大，很難實現(xiàn)高頻率的周期性調(diào)制，故設(shè)計中舍棄了上述激勵源，而是采用了更有優(yōu)勢的LED激勵源。LED激勵源具有啟動無延遲、熱啟動快、調(diào)制頻率高、熱量均勻等優(yōu)點，并且采用LED陣列方式，能實現(xiàn)LED高能量均勻加載。在鎖相過程中，通過紅外熱像儀的場同步信號控制ARM板，來實現(xiàn)對LED熱激勵源鎖相頻率和鎖相周期數(shù)的精確控制。

3 鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)紅外圖像采集、運動系統(tǒng)控制、圖像無縫拼接、圖像處理、缺陷分析等功能；系統(tǒng)軟件處理操作是基于鎖相紅外無損檢測技術(shù)進行的，既可以消除試件表面熱吸收非均勻性的影響，又可以檢測到原始紅外圖像序列中未檢測到的缺陷特征。圖4 所示為鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)實物圖，表1所示為該檢測系統(tǒng)的指標。

表1 鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)指標

圖4 鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)實物圖片

4 檢測結(jié)果

為了驗證鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng)的有效性和無縫拼接系統(tǒng)的可靠性，采用單次檢測和多工程檢測對系統(tǒng)進行驗證。單次檢測時，系統(tǒng)主要對碳纖維蜂窩材料樣件1進行檢測，樣件尺寸(長×寬×厚)為240 mm×200 mm×20 mm，樣件1主要模擬碳纖維網(wǎng)格面板之間的脫黏[位于圖5(a)中的紅色圈內(nèi)]。系統(tǒng)采用的鎖相頻率為1 Hz，采集頻率為30 Hz，檢測圖像如圖5(b)所示，圖中紅色圈中明顯有亮斑，該亮斑為網(wǎng)格面板之間的脫黏區(qū)域。網(wǎng)格面板之間由于脫黏，形成了“熱阻”，阻礙熱波的傳播使得此處熱量聚集，此區(qū)域溫度也就比正常區(qū)域的要高，從而形成了亮斑。

圖5 碳纖維蜂窩材料樣件1的可見光圖像與檢測圖像

圖6 碳纖維蜂窩材料樣件2的光學(xué)圖像

碳纖維蜂窩材料樣件2(見圖6)由4塊大小不一的樣件組成，各樣件的尺寸如表2所示，樣件的厚度都是20 mm。其中，樣件a在表面聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板之間插入了金屬片，同時存在脫黏，主要用于模擬金屬缺陷和脫黏缺陷。樣件b在表面聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板之間插入了特氟龍塑料片，主要用于模擬特氟龍塑料缺陷；特氟龍塑料缺陷相比脫黏缺陷更難檢測，相比于脫黏缺陷區(qū)域的空氣，特氟龍的導(dǎo)熱率更高，熱波在缺陷區(qū)域能更好地傳播，表面采集到的紅外熱波圖像對比度會相對降低，該缺陷主要用于模擬真實生產(chǎn)過程中掉入的異物。樣件c在表面聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板周圍存在脫黏，主要用于模擬完全脫黏缺陷。樣件d模擬網(wǎng)格面板和蜂窩之間膠接不均勻的狀況。碳纖維蜂窩材料樣件2采用多工程采集，設(shè)置為2×4子工程模式，共計8個子工程，試驗中采用的鎖相頻率為1 Hz，采集頻率為30 Hz。圖7 為碳纖維樣件2多工程檢測結(jié)果列表，分為(1,1)、(1,2)、(1,3)、(1,4)、(2,1)、(2,2)、(2,3)、(2,4)共8個子工程。

圖7 碳纖維樣件2的多工程檢測結(jié)果列表

mm

系統(tǒng)在運動過程中的定位精度為0.1 mm，這對于拼接結(jié)果至關(guān)重要，定位精度越高，相鄰工程的位置相對越固定，拼接圖像越準確。圖像在拼接過程中接縫處容易出現(xiàn)突變使得拼接圖像不自然，此時可采用加權(quán)融合方式，在重疊部分由前一幅圖像慢慢過渡到第二幅圖像，即將圖像重疊區(qū)域的像素值按一定的權(quán)值相加合成新的圖像，新圖像即為圖像無縫拼接技術(shù)合成的圖像。圖8所示為碳纖維樣件2的多工程檢測拼接圖像，可見圖像平滑自然，幾乎看不出圖像拼接痕跡。從圖8中可以看到樣件a，b，c，d中各個樣件的缺陷。

圖8 碳纖維樣件2的多工程檢測拼接圖像

5 結(jié)語

針對碳纖維蜂窩材料檢測效率低的問題，研制了一套鎖相紅外自動化檢測系統(tǒng),系統(tǒng)配置了非制冷紅外熱像儀,熱激勵源采用LED陣列方式，可實現(xiàn)LED高能量均勻加載。系統(tǒng)單次檢測面積為300 mm×400 mm。采用單工程系統(tǒng)對碳纖維網(wǎng)格面板之間的脫黏進行了檢測，成功檢測出脫黏缺陷；采用多工程系統(tǒng)對碳纖維聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板金屬缺陷、脫黏缺陷、特氟龍塑料缺陷、完全脫黏缺陷、膠接不均勻情況進行了檢測，并對多工程圖像進行了圖像無縫拼接，得到的拼接圖像平滑自然。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對上述碳纖維人工制作缺陷檢測有一定的效果。