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一种 复合材料横担 缺陷的无损检测方法

阅读：1066发布：2020-06-25

专利汇可以提供一种复合材料横担缺陷的无损检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种复合材料横担缺陷的无损检测方法，包括：S1：建立已知不同缺陷类型、不同缺陷尺寸横担样品的太赫兹成像缺陷地图库与样品的力学、电气性能数据库之间的点对点数据关系；S2：利用太赫兹成像系统对复合材料横担测试品进行扫描成像，得到测试品的缺陷地图，根据步骤S1建立的点对点数据关系，得到对应缺陷地图测试品的力学性能和电气性能；S3：将步骤S2得到的测试品的力学性能和电气性能，对比于复合材料横担的材料性能标准，判断测试品的性能是否达标。基于太赫兹技术的检测方法，不会对横担造成破坏，可在线检测，检测精度高，可探测到孔径小于1mm的缺陷点。，下面是一种复合材料横担缺陷的无损检测方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种复合材料横担缺陷的无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立已知不同缺陷类型、不同缺陷尺寸复合材料横担样品的太赫兹成像缺陷地图库与力学、电气性能数据库之间的点对点数据关系；
S2：利用太赫兹成像系统对复合材料横担测试品进行扫描成像，得到测试品的缺陷地图，根据步骤S1建立的点对点数据关系，得到对应缺陷地图测试品的力学性能和电气性能；
S3：将步骤S2得到的测试品的力学性能和电气性能，对比于复合材料横担的材料性能标准，判断测试品的性能是否达标。
2.根据权利要求1所述的复合材料横担缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述步骤S1中点对点数据关系的建立包括以下步骤：
(1)制备不同缺陷类型和不同缺陷尺寸的复合材料横担样品；
(2)利用太赫兹成像系统对上述复合材料横担样品进行扫描成像，经过大量复合材料横担样品的扫描，建立相应不同缺陷类型、不同缺陷尺寸样品的太赫兹成像缺陷地图库；
(3)将上述扫描过的复合材料横担样品进行力学性能和电气性能测试，建立相应不同缺陷类型、不同缺陷尺寸样品的力学、电气性能数据库；
(4)建立不同缺陷类型、不同缺陷尺寸横担样品的太赫兹成像缺陷地图库与样品的力学、电气性能数据库之间的点对点数据关系。
3.根据权利要求1所述的复合材料横担缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述缺陷类型包括孔洞缺陷、开裂缺陷、纤维断裂缺陷或空鼓缺陷。
4.根据权利要求3所述的复合材料横担缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述步骤S2中扫描成像是对测试品以不同角度在三维空间内进行的，通过观察测试品不同层的光学图，根据各个方向以及各层的反射强度差异，判断差异区域的形状类型，进而确定对应的缺陷类型，包括以下判定标准：
孔洞缺陷的光学图内层存在部分反射强度差异，若反射差异部分类似于柱型，对差异部分选取采样点观察z轴强度曲线，若只在很小范围内存在很多反射峰，判定为孔洞缺陷，根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定缺陷的位置和尺寸；
开裂缺陷和纤维断裂缺陷的光学图均存在部分反射强度差异，若反射差异部分杂乱无章，对应的z轴强度曲线存在峰值杂乱跳变部分，判定为开裂缺陷或纤维断裂缺陷，根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定缺陷的位置和尺寸，缺陷尺寸较大的为开裂缺陷，缺陷尺寸较小的为纤维断裂缺陷；
空鼓缺陷的光学图外表面反射和内部反射均存在强度差异，若反射差异部分为板型，对差异部分选取采样点观察z轴强度曲线，在一片区域范围内存在很多反射峰，且对应的z轴强度曲线存在峰值移位，判定为空鼓缺陷，根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定缺陷的位置和尺寸。
5.根据权利要求3所述的复合材料横担缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述步骤S3中测试品的性能判断标准为：
孔洞缺陷复合材料横担：孔洞缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，或电气性能低于无缺陷横担样品的50％，判定为不合格产品；
开裂缺陷复合材料横担：开裂缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，判定为不合格产品；
纤维断裂缺陷复合材料横担：纤维断裂缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的70％，判定为不合格产品；
空鼓缺陷复合材料横担：空鼓缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，或电气性能低于无缺陷横担样品的50％，判定为不合格产品。
6.根据权利要求1所述的复合材料横担缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述力学性能测试为强度测试，所述电气性能测试包括体积电阻率测试和介电强度测试。
7.根据权利要求6所述的复合材料横担缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述强度测试包括三点弯曲强度测试和压缩强度测试。
8.根据权利要求1所述的复合材料横担缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述复合材料横担包括玻纤增强树脂基复合材料横担、玄武岩纤维增强树脂基复合材料横担、芳纶纤维增强树脂基复合材料横担、纤维增强尼龙复合材料横担或聚乙烯复合材料横担。

说明书全文

一种复合材料横担 缺陷的无损检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及横担缺陷的检测方法，尤其涉及一种复合材料横担缺陷的无损检测方法。

背景技术

[0002] 复合材料横担不仅质量轻，强度高，方便运输及安装、施工，耐腐蚀性强，使用寿命长，而且具有优异的防雷、防污秽特性，相比于传统铁制横担，相地、相间爬电距离增加2倍以上，相应防雷水平提高5倍以上。为提高配电线路的绝缘强度，提升电网运行的可靠性，降低配电线路的维护成本，近几年电力系统开始大规模应用复合材料横担，包括玻纤增强树脂基配网复合材料、玄武岩纤维增强树脂基复合材料、芳纶纤维增强树脂基复合材料、纤维增强尼龙、聚乙烯等复合材料所制备的横担。

[0003] 复合材料横担在生产、运输、安装或应用运行过程中，常常因为树脂基体中纤维断裂出现孔洞、错位、裂缝等缺陷，导致材料强度迅速降低，甚至强度失效。复合材料的内部结构难以窥探，常规方法是对运行复合材料横担进行抽检，从配电线路上卸下该批次部分横担，对横担产品及横担材料的力学和电气性能进行检测，判断该批次投运横担的有无问题。常规抽检方法程序复杂，需要提前申报停电计划，且抽检工作量大，测试过的横担样品基本无法再重复使用。

发明内容

[0004] 发明目的：针对以上问题，本发明提出一种利用太赫兹成像技术对复合材料横担的内部缺陷进行无损检测的方法。

[0005] 技术方案：本发明所述的复合材料横担缺陷的无损检测方法，包括以下步骤：

[0006] S1：建立已知不同缺陷类型、不同缺陷尺寸复合材料横担样品的太赫兹成像缺陷地图库与样品的力学、电气性能数据库之间的点对点数据关系；

[0007] S2：利用太赫兹成像系统对复合材料横担测试品进行扫描成像，得到测试品的缺陷地图，根据太赫兹成像缺陷地图库与力学、电气性能数据库之间的点对点数据关系，便可得知对应缺陷地图测试品的力学性能和电气性能；

[0008] S3：将测试品的力学性能和电气性能，对比于复合材料横担的材料性能标准，判断测试品的性能是否达标。

[0009] 其中，所述步骤S1中点对点数据关系的建立包括以下步骤：

[0010] (1)制备不同缺陷类型和不同缺陷尺寸的复合材料横担样品；

[0011] (2)利用太赫兹成像系统对上述复合材料横担样品进行扫描成像，经过大量复合材料横担样品的扫描，建立相应不同缺陷类型、不同缺陷尺寸样品的太赫兹成像缺陷地图库；

[0012] (3)将上述扫描过的复合材料横担样品进行力学性能和电气性能测试，建立相应不同缺陷类型、不同缺陷尺寸样品的力学、电气性能数据库；

[0013] (4)建立不同缺陷类型、不同缺陷尺寸横担样品的太赫兹成像缺陷地图库与样品的力学、电气性能数据库之间的点对点数据关系。

[0014] 所述缺陷类型包括孔洞缺陷、开裂缺陷、纤维断裂缺陷或空鼓缺陷。

[0015] 所述力学性能测试包括三点弯曲强度测试和压缩强度测试，所述电气性能测试包括体积电阻率测试和介电强度测试。

[0016] 所述步骤S2中扫描成像是对测试品以不同角度在三维空间内进行的，通过观察测试品不同层的光学图，根据各个方向以及各层的反射强度差异，判断差异区域的形状类型，进而确定对应的缺陷类型，包括以下判定标准：

[0017] 孔洞缺陷的光学图内层存在部分反射强度差异，若反射差异部分类似于柱型，对差异部分选取采样点观察z轴强度曲线，若只在很小范围内存在很多反射峰，判定为孔洞缺陷，根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定缺陷的位置和尺寸；

[0018] 开裂缺陷和纤维断裂缺陷的光学图均存在部分反射强度差异，若反射差异部分杂乱无章，对应的z轴强度曲线存在峰值杂乱跳变部分，判定为开裂缺陷或纤维断裂缺陷，根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定缺陷的位置和尺寸，缺陷尺寸较大的为开裂缺陷，缺陷尺寸较小的为纤维断裂缺陷；

[0019] 空鼓缺陷的光学图外表面反射和内部反射均存在强度差异，若反射差异部分为板型，对差异部分选取采样点观察z轴强度曲线，在一片区域范围内存在很多反射峰(类似于分层缺陷的结果图)，且对应的z轴强度曲线存在峰值移位，判定为空鼓缺陷，根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定缺陷的位置和尺寸。

[0020] 所述步骤S3中测试品的性能判断标准为：

[0021] 孔洞缺陷复合材料横担：孔洞缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，或电气性能低于无缺陷横担样品的50％，判定为不合格产品；

[0022] 开裂缺陷复合材料横担：开裂缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，判定为不合格产品；

[0023] 纤维断裂缺陷复合材料横担：纤维断裂缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的70％，判定为不合格产品；

[0024] 空鼓缺陷复合材料横担：空鼓缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，或电气性能低于无缺陷横担样品的50％，判定为不合格产品。

[0025] 所述复合材料横担包括玻纤增强树脂基复合材料横担、玄武岩纤维增强树脂基复合材料横担、芳纶纤维增强树脂基复合材料横担、纤维增强尼龙复合材料横担或聚乙烯复合材料横担。

[0026] 有益效果：与现有技术相比，本发明的的显著优点是：基于太赫兹技术的检测方法，不会对横担造成破坏，检测合格的产品依然能够投入使用；横担无需从配电线路上拆下来，可实现在线检测；检测缺陷精度高，可以探测到孔径小于1mm的缺陷点；太赫兹辐射对人体没有伤害，安全性高。附图说明

[0027] 图1是本发明的流程图；

[0028] 图2是不同缺陷类型的横担样品，

[0029] 其中A、B、C、D分别对应孔洞缺陷、开裂缺陷、纤维断裂缺陷、空鼓缺陷的横担样品；

[0030] 图3是本发明的检测模型图；

[0031] 图4是本发明的太赫兹扫描成像图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0033] 太赫兹(terahertz，THz)波，又称T射线(T-rays)，频率在0.1～10THz，对应波长为30μm～3mm，在电磁波中位于微波与红外辐射之间。太赫兹波能以很小的衰减穿透物质，对大部分非金属、非极性材料(如泡沫、陶瓷、玻璃、树脂、涂料、橡胶和复合材料等)具有较好的穿透能力。利用物体的介电性质或者物体中的不连续性对太赫兹信号的影响，通过测定并分析太赫兹信号的改变，并结合各种成像技术，对材料中的缺陷进行检测。太赫兹波对大部分非金属、非极性材料具有较好的穿透能力，可利用太赫兹波结合成像技术，对这类材料的内部缺陷进行无损探伤。太赫兹波的光子能量较低，频率为l THz的太赫兹脉冲光子能量只有4meV，相比x射线(keV)的光子能量而言，不会使被检测对象产生光致电离，具有对人和环境更高的安全性。

[0034] 本发明所用的太赫兹成像系统，为德国SynView公司生产的SynViewScan 300，其扫频范围在0.23～0.32THz；动态范围优于50dB；空间分辨率约1mm；每像素扫描时间小于250μs；实验中X方向步进采样精度取0.5mm，Y方向步进采样精度取0.5mm，相应的Z方向可探测有效深度为-50～50mm。从不同角度扫描样品，可以得到不同角度检测的不同层的光学图，可以进行灰度图和RGB图切换，由于金属对太赫兹的反射率接近1，以金属面反射为对比，光学图亮度或者灰度值代表了样品对太赫兹的反射程度，缺陷改变样品内部结构，从而改变样品对太赫兹信号的反射强度，根据光学图亮度或者灰度值可以判定缺陷的轮廓以及位置等信息。扫描仪器横向分辨率可达1mm，纵向分辨率可达1.67mm，当强度图中峰值间距大于1mm可判定横向存在缺陷，z轴强度曲线峰值间距大于1.67mm时可判定纵向存在缺陷，这也是对于缺陷位置和轮廓的判定的精确度。

[0035] 如图1所示，为本发明的无损检测方法的流程图。

[0036] 制备如图2所示的四种不同缺陷类型的复合材料横担样品，分别是孔洞缺陷横担样品A、开裂缺陷横担样品B、纤维断裂缺陷横担样品C和空鼓缺陷横担样品D，每种缺陷类型分别对应多种不同缺陷尺寸。

[0037] 利用太赫兹成像系统对已知缺陷孔洞尺寸的孔洞缺陷横担样品A进行无损检测，获得样品A的缺陷地图，建立缺陷地图中缺陷尺寸和样品A实际缺陷尺寸的对应关系，重复上述操作，每次用不同缺陷孔径的样品A进行扫描，获得孔洞缺陷的缺陷地图库。

[0038] 另外三种缺陷的横担样品B、C和D的测试方法同横担样品A，经过大量复合材料横担样品的扫描，建立相应不同缺陷类型、不同缺陷尺寸样品的太赫兹成像缺陷地图库。

[0039] 将上述扫描过的复合材料横担样品进行力学性能和电气性能测试，因电气性能不用完全破坏样品，先测试横担样品的电气性能，包括体积电阻率和介电强度的测试，电气性能完成后，再测试样品的力学性能，包括三点弯曲强度和压缩强度，重复以上试验，建立相应不同缺陷类型、不同缺陷尺寸样品的力学、电气性能数据库。

[0040] 根据缺陷类型、缺陷尺寸，匹配出每一个缺陷下太赫兹无损检测所获得的缺陷地图和相应缺陷样品的力学、电气性能，建立太赫兹缺陷地图与相应缺陷样品的性能数据间的点对点之间的相互关系，通过大量的试验数据积累及点对点的匹配，完成以上缺陷地图和性能之间联系的数据库，通过计算机建立不同缺陷类型、不同缺陷尺寸样品的太赫兹成像缺陷地图库与力学、电气性能数据库之间的点对点数据关系。

[0041] 利用太赫兹成像系统对复合材料横担测试品进行扫描成像：在配网复合材料横担带电运行情况下，如图3所示，通过手持太赫兹成像CCD头2对复合材料横担测试品1的四个面沿箭头方向分别进行扫描，扫面结果通过数据线4传送给成像分析系统3，便可以获取运行中复合材料横担每个面复合横担的缺陷地图情况(如图4所示)，其中，测试品可以是暂未投入使用的横担，也可以是在线使用的横担。复合材料横担还可以是圆管型，并不仅限于本实施例中的方管型，当检测圆管复合材料横担时，对横担的上下两个面按照箭头方向分别进行扫描即可。

[0042] 扫描成像是对测试品以不同角度在三维空间内进行的，通过观察测试品不同层的光学图，根据各个方向以及各层的反射强度差异，判断差异区域的形状类型，进而确定对应的缺陷类型，包括以下判定标准：

[0043] 孔洞缺陷与分层缺陷的光学图内层均存在部分反射强度差异，若反射差异部分类似于柱型，对差异部分选取采样点观察z轴强度曲线，若只在很小范围内存在很多反射峰，则可判定为孔洞缺陷；若反射差异部分为板型，对差异部分选取采样点观察z轴强度曲线，若在一片区域范围内存在很多反射峰，判定为开裂导致的分层缺陷；根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定孔洞轮廓大小和分层程度；

[0044] 开裂缺陷和纤维断裂缺陷的光学图均存在部分反射强度差异，由于开裂处材料结构杂乱不均匀，若反射差异部分杂乱无章，对应的z轴强度曲线存在峰值杂乱跳变部分，则可判定为开裂缺陷或纤维断裂缺陷，根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定缺陷位置和轮廓大小，缺陷位置和轮廓较大的为开裂缺陷，缺陷位置和轮廓较小一般为纤维断裂缺陷；

[0045] 空鼓缺陷的光学图外表面反射和内部反射均存在强度差异，由于空鼓缺陷使材料表面凸起，内部产生部分分层缺陷，平面反射层在光学图上存在移位，对应的z轴强度曲线存在峰值移位，内部存在类似于分层缺陷的结果图，判定为空鼓缺陷，根据不同方向的光学图和z轴强度曲线确定空鼓区域和位置。

[0046] 通过太赫兹成像技术扫描配网复合材料横担，就可以获取复合材料横担有无缺陷、缺陷类型及缺陷大小的信息。根据太赫兹成像缺陷地图库与力学、电气性能数据库之间的点对点数据关系，经成像分析系统3进行系统分析，便可得知对应缺陷地图测试品的力学性能和电气性能。

[0047] 最后将测试品的力学性能和电气性能，对比于复合材料横担的材料性能标准，判断测试品的性能是否达标，继续使用是否安全。

[0048] 测试品的性能判断标准为：

[0049] 孔洞缺陷复合材料横担：孔洞缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，或电气性能低于无缺陷横担样品的50％，判定为不合格产品；

[0050] 开裂缺陷复合材料横担：开裂缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，判定为不合格产品；

[0051] 纤维断裂缺陷复合材料横担：纤维断裂缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的70％，判定为不合格产品；

[0052] 空鼓缺陷复合材料横担：空鼓缺陷复合材料横担的力学性能低于无缺陷复合材料横担样品的60％，或电气性能低于无缺陷横担样品的50％，判定为不合格产品。

[0053] 复合材料横担包括玻纤增强树脂基复合材料横担、玄武岩纤维增强树脂基复合材料横担、芳纶纤维增强树脂基复合材料横担、纤维增强尼龙复合材料横担、聚乙烯复合材料横担以及其他纤维、树脂基复合材料横担，导电碳纤维复合材料横担除外。

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一种复合材料横担缺陷的无损检测方法

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