本发明属于树脂基工程材料内部探伤技术领域，尤其涉及一种原位检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的方法及装置。
背景技术：
碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、比模量的优异机械性能，但在其应用过程中由于温度、冲击、化学腐蚀，特别是低速撞击时会在构件内部产生肉眼无法观察到的损伤，这种损伤会对于构件造成致命的破坏。
基于此一系列的探伤技术得到了发展和应用，例如x射线探伤、超声c扫描、样品切片、涡流景象和热成像法，但这些技术方法都存在着一定的局限性，不能满足现场原位碳纤维树脂基复合材料内部探伤的要求。且这些技术还限制在实验室中进行，检测费用昂贵，同时无法检测三维尺寸上的损伤。除此之外，在导电碳纤维电阻的测量方面，虽然万用表可直接读取数据，但其误差较大不能精确的测量导电纤维的电阻变化情况，且需逐个测量计算，工作繁琐，费时费力。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供一种原位检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的方法及装置。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的方法，包括：制备碳纤维树脂基复合材料的待检测主体；交叉测量所述待检测主体y轴排布的碳纤维的终态电阻值及x轴排布的碳纤维的终态电阻值；计算y轴排布的碳纤维的终态电阻值与y轴排布的碳纤维的初始态电阻值的第一差值，以及x轴排布的碳纤维的终态电阻值与x轴排布的碳纤维的初始态电阻值的第二差值；依据所述第一差值及第二差值的大小及交叉位置得出碳纤维增强树脂基复合材料损伤的位置范围及损伤程度。
在一些可选的实施例中，所述制备碳纤维树脂基复合材料的待检测主体的过程包括：将o°预浸料组与90°预浸料组自上而下交叉叠放，所述o°预浸料组由两个o°单向预浸料层组成，所述9o°预浸料组由两个9o°单向预浸料层组成；在第一组o°预浸料组的两个o°单向预浸料层之间以及第一组90°预浸料组的两个9o°单向预浸料层之间置入成对的金属触头，使得每一对金属触头与相连纤维构成电回路成为一个传感器；将两个树脂薄膜分别置于碳纤维层压板的表层和底层。
在一些可选的实施例中，所述的检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的方法，还包括：将所述第一差值及所述第二差值的数值大小与不同的颜色进行对应，并按照交叉位置标记在页面上。
在一些可选的实施例中，所述的检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的方法，还包括：将采集的y轴排布的碳纤维的终态电阻值及x轴排布的碳纤维的终态电阻值转换为数字量，提取出数字量，并将提取出的数字量转变为电压数据。
在一些可选的实施例中，本发明提供一种检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的装置，包括：待检测主体、处理器及pc端，所述pc端包括：计算模块及分析模块；所述处理器，用于控制继电器阵列切换测试点，交叉测量所述待检测主体y轴排布的碳纤维的终态电阻值及x轴排布的碳纤维的终态电阻值，并转换为电压数据上传至所述pc端；计算模块，用于计算y轴排布的碳纤维的终态电阻值与y轴排布的碳纤维的初始态电阻值的第一差值，以及x轴排布的碳纤维的终态电阻值与x轴排布的碳纤维的初始态电阻值的第二差值；分析模块，用于依据所述第一差值及第二差值的大小及交叉位置得出碳纤维增强树脂基复合材料损伤的位置范围及损伤程度。
在一些可选的实施例中，所述待检测主体包括：若干o°预浸料组、若干90°预浸料组、金属触头、碳纤维层压板及两个树脂薄膜；o°预浸料组由两个o°单向预浸料层组成，9o°预浸料组由两个9o°单向预浸料层组成；o°预浸料组与90°预浸料组自上而下交叉叠放，在第一组o°预浸料组的两个o°单向预浸料层之间以及第一组90°预浸料组的两个9o°单向预浸料层之间置入成对的金属触头，使得每一对金属触头与相连纤维构成电回路成为一个传感器；两个树脂薄膜分别置于碳纤维层压板的表层和底层。
在一些可选的实施例中，所述pc端还包括：对应显示模块，用于将所述第一差值及所述第二差值的数值大小与不同的颜色进行对应，并按照交叉位置标记在页面上。
在一些可选的实施例中，所述的检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的装置，还包括：模数转换芯片，用于将采集的y轴排布的碳纤维的终态电阻值及x轴排布的碳纤维的终态电阻值转换为数字量。
在一些可选的实施例中，所述的检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的装置，还包括：驱动芯片，用于驱动所述继电器闭合和断开，实现继电器阵列切换。
本发明所带来的有益效果：通过对树脂基复合材料表面导电碳纤维的电阻进行测量，从而实现对复合材料内部微裂纹的产生、位置、尺寸的监测，测量精度高，可有效的对树脂基复合材料的损伤位置和尺寸进行探测，且测量方法简单方便，结果以图表形式给出直接明了，无需进行繁琐的数据处理过程；并且可对服役中的构件进行无损伤的裂纹检查确定裂纹的位置和尺寸大小预知构件的使用寿命。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1是本发明检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的方法的流程示意图；
图2是本发明检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的装置的结构示意图；
图3是本发明待检测主体的结构示意图；
图4是本发明电阻测量部分电路图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。
如图1所示，在一些说明性的实施例中，提供一种检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的方法，基于导电纤维在外力作用后自身电阻值的变化实现对材料内部损伤的探测，从而实现对碳纤维增强树脂基复合材料内部微裂纹的产生、位置、尺寸的监测。
本发明的检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的方法，包括：
101：制备碳纤维树脂基复合材料的待检测主体。复合材料碳纤维单向预浸料排布，即是将碳纤维单向预浸料按碳纤维方向的常规制备碳纤维复合材料层压板的顺序叠放。
具体过程如下：
首先，将o°预浸料组与90°预浸料组自上而下交叉叠放。其中，o°预浸料组由两个o°单向预浸料层组成，9o°预浸料组由两个9o°单向预浸料层组成。
然后，在第一组o°预浸料组的两个o°单向预浸料层之间以及第一组90°预浸料组的两个9o°单向预浸料层之间置入成对的直径为0.4mm的金属触头，使得每一对金属触头与相连纤维构成电回路成为一个传感器。
最后，将两个树脂薄膜分别置于碳纤维层压板的表层和底层。
采用真空-热压罐法制备碳纤维层压板：将碳纤维预制板装入真空袋中，然后一起放入热压罐，并将真空袋与真空机械泵相连，开启真空机械泵进行抽出样品中的气体。同时热压罐以2℃/min的速率升到80℃保温10-20min,这样碳纤维预浸料中的环氧树脂熔化，开启氮气储气罐，使热压罐中的压力为0.25-0.5mpa,热压罐的温度继续以2℃/min的速率升到120℃，保温2-3h,然后关闭加热器，待热压罐自然冷却到室温，关闭真空机械泵和储气罐阀门，最后打开热压罐排气门，使罐内气压降到大气压的压力，取出样品备用。
102：交叉测量待检测主体y轴排布的碳纤维的终态电阻值及x轴排布的碳纤维的终态电阻值。其中o°预浸料组的碳纤维的朝向作为y轴，9o°预浸料组的碳纤维的朝向作为x轴。
在碳纤维层压板受到外力如冲击力，作用力通过树脂基体传递给增强体碳纤维，碳纤维受力发生断裂或者变形，根据碳纤维断裂或拉伸，其电阻增加，受到挤压电阻减小的变化规律，通过欧姆法对复合材料中交叉排布的碳纤维的电阻进行测量，可以准确的测定复合材料层压板损失的位置及范围，及根据电阻大小变化确定损失的程度。本发明采用的工作电压为15v，在测试前，利用ad1采样对工作电压进行验证，如果满足15v开始检查，如果不能够满足15v，退出并要求对工作器件进行检查维护。同时为了保护器件正常工作，工作电流不能够超过60ma，所以在测试点上串联一个250ω的电阻r3。
交叉测量的具体过程如下：
首先，测试y轴排布的碳纤维的终态电阻ry,j,j＝1,……15。在驱动芯片作用下，继电器依次闭合/断开测试点ka1至ka15，分别测试ka1至测试点ka16间的电压值，从而得到待检测主体y轴排布的碳纤维的终态电阻值ry,j：
其中j＝1,……15。
然后，测试x轴排布的碳纤维的电阻rx,i,i＝1,……15)。首先y轴线路断开，同理在驱动芯片作用下，继电器依次闭合/断开测试点ka1，……,ka15，分别测试ka1至,ka15与测试点ka16间的电压值，从而得到待检测主体x轴排布的碳纤维的终态电阻值rx,i,：
其中i＝1,……15。
这样就实现了继电器阵列切换测试点交叉测试x轴和y轴排布的碳纤维的终态电阻值。
103：将采集的y轴排布的碳纤维的终态电阻值及x轴排布的碳纤维的终态电阻值转换为数字量，提取出数字量，并将提取出的数字量转变为电压数据，上传至pc端进行分析。
104：计算y轴排布的碳纤维的终态电阻值与y轴排布的碳纤维的初始态电阻值的第一差值，以及x轴排布的碳纤维的终态电阻值与x轴排布的碳纤维的初始态电阻值的第二差值。
105：依据第一差值及第二差值的大小及交叉位置得出碳纤维增强树脂基复合材料损伤的位置范围及损伤程度。
106：将第一差值及第二差值的数值大小与不同的颜色进行对应，并按照交叉位置标记在页面上。为了便于操作人员识别判断，使电阻差值越大颜色越深，在人机交互页面中用不同的颜色表示出两次测量的差值范围，电阻差值>2ω颜色最深，损伤严重，差值越小颜色越浅，电阻差值<0.05ω最浅，损伤最轻，从而可以清晰明了的看出板材的损伤位置。
如图2和3所示，在一些说明性的实施例中，提供一种检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的装置，以15个金属触头，碳纤维复合材料的尺寸为80mm×80mm，金属触头间距为5mm为例进行说明。
本发明的检测碳纤维增强树脂基复合材料损伤的装置包括：待检测主体1、处理器2、模数转换芯片3、驱动芯片4、电压跟随器5及pc端6。
待检测主体1包括：若干o°预浸料组、若干90°预浸料组、金属触头13、碳纤维层压板及两个树脂薄膜14。其中，o°预浸料组由两个o°单向预浸料层11组成，9o°预浸料组由两个9o°单向预浸料层12组成。单向预浸料层分为o°单向预浸料层11和9o°单向预浸料层12，若指定其中一个朝向的碳纤维为o°方向，则与o°方向垂直的碳纤维的朝向即为9o°方向，因此，预浸料组分为o°预浸料组及90°预浸料组。其中，预浸料组的数量为10层、20层、28层或40层。
10层的复合材料碳纤维单向预浸料排布自上至下依次为：o°预浸料组、金属触头、o°预浸料组、树脂薄膜、90°预浸料组、金属触头、90°预浸料组、树脂薄膜、两个o°预浸料组、两个90°预浸料组、两个o°预浸料组。
20层的复合材料碳纤维单向预浸料排布自上至下依次为：o°预浸料组、金属触头、o°预浸料组、树脂薄膜、90°预浸料组、金属触头、90°预浸料组、树脂薄膜、三个o°预浸料组、六个90°预浸料组、三个o°预浸料组、两个90°预浸料组、两个o°预浸料组。
28层的复合材料碳纤维单向预浸料排布自上至下依次为：o°预浸料组、金属触头、o°预浸料组、树脂薄膜、90°预浸料组、金属触头、90°预浸料组、树脂薄膜、两个o°预浸料组、两个90°预浸料组、两个o°预浸料组、三个90°预浸料组、两个o°预浸料组、三个90°预浸料组、两个o°预浸料组、两个90°预浸料组、两个o°预浸料组、两个90°预浸料组、两个o°预浸料组。
40层的复合材料碳纤维单向预浸料排布自上至下依次为：o°预浸料组、金属触头、o°预浸料组、树脂薄膜、90°预浸料组、金属触头、90°预浸料组、树脂薄膜、三个o°预浸料组、四个90°预浸料组、四个o°预浸料组、四个90°预浸料组、二个o°预浸料组、四个90°预浸料组、四个o°预浸料组、四个90°预浸料组、三个o°预浸料组、二个90°预浸料组、两个o°预浸料组。
o°预浸料组与90°预浸料组自上而下交叉叠放。在第一组o°预浸料组的两个o°单向预浸料层之间以及第一组90°预浸料组的两个9o°单向预浸料层之间置入成对的直径为0.4mm的金属触头，如金属触头y1、y2、y3、y4分别与金属触头y’1、y’2、y’3、y’4为一对，使得每一对金属触头与相连纤维构成电回路成为一个传感器。两个树脂薄膜分别置于碳纤维层压板的表层和底层。树脂薄膜为绝缘聚酰亚氨薄膜。
金属触头13的材质为铜，金属触头12之间的间距d为3mm或者5mm，居中向两侧排布，铜丝数量n根据碳纤维层压板的长度l和宽度w而定，具体关系如下：
n＝l(或w)/d-1。
由于测试的测试点较多，采用继电器7来切换测试测试点之间的电阻值，其中，利用驱动芯片4驱动继电器7闭合和断开，实现继电器7阵列切换，驱动芯片4使用uln2803的8路达林顿驱动芯片。为了得到可靠的采样数据，采用基于σ-△转换技术的16位高精度a/d转换器进行ad采样，如模数转换芯片ad7705。模数转换芯片3将采集的y轴排布的碳纤维的终态电阻值及x轴排布的碳纤维的终态电阻值转换为数字量。
终态电阻值的测量采用欧姆法，如图4所示，将纤维两端的电压控制在15v，并用电压跟随器5测出rx上的电压，其中r3的阻值为250ω，精度为1/100，rx的计算公式如下所示：
处理器2，型号为stm32f103，用于控制继电器7阵列切换测试点，交叉测量所述待检测主体y轴排布的碳纤维的终态电阻值及x轴排布的碳纤维的终态电阻值。处理器2还用于将模数转换芯片转变的数字量提取出来，并转换为为实际可读的测试数据，即电压数据，上传至pc端6。综上，本发明通过导线与复合材料端部的金属触头相连接，这样形成一个由继电器7、驱动芯片4、导线、处理器2、电压跟随器5、金属触头13及碳纤维组成交叉的电回路，将复合材料层压板和pc端6连接起来。采用多个测试引脚的集成电路，一次测量即可得出板层中所有金属触头上的电阻，并自动读取数据计算出电阻的变化率，将数据转化为图表，大大减少了读取和计算数据的时间。
pc端6包括：计算模块、分析模块及对应显示模块。
计算模块，用于计算y轴排布的碳纤维的终态电阻值与y轴排布的碳纤维的初始态电阻值的第一差值，以及x轴排布的碳纤维的终态电阻值与x轴排布的碳纤维的初始态电阻值的第二差值；
分析模块，用于依据所述第一差值及第二差值的大小及交叉位置得出碳纤维增强树脂基复合材料损伤的位置范围及损伤程度。
对应显示模块，用于将所述第一差值及所述第二差值的数值大小与不同的颜色进行对应，并按照交叉位置标记在页面上。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。