专利名称：用ct值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，特别是涉及一种用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，属于无损检测技术领域。
背景技术：
复合材料广泛应用于航空航天、电力、冶金、汽车制造等诸多领域，起到减轻 重量、防热隔热等各种作用，在工程技术应用领域的地位越来越重要。复合材料的内 部质量对于复合材料的性能有至关重要的影响，复合材料内部常见的缺陷包括夹杂、孔 洞、裂纹、密度不均等。工业CT是八十年代末发展起来的先进的无损检测技术，目前已工业CT已在航 天、航空、军事、核能、石油、电子、机械、考古等领域广泛应用。工业CT给出试件的 断层扫描图像，从图像上可以直观看出目标细节的空间位置、形状、大小，感兴趣的目 标不受周围细节特征的遮挡，图像容易识别和理解；工业CT具有突出的密度分辨能力， 高质量的CT图像可达0.1%甚至更高，比常规射线检测技术高一个数量级。工业CT图像 是数字化的结果，从中可以直接给出像素值、尺寸等物理信息，数字化图像便于存储、 传输、分析和处理等。工业CT在复合材料检测上的经济价值表现在缩短研究周期、减少 盲目性、增加设计的选择性几方面。国外利用CT技术对复合材料进行无损检测已有很长的时间，并取得了很多的成 果，主要体现在提高缺陷的检测精度方面。国内利用CT技术对复合材料进行无损检测的 工作还处于起步阶段，主要根据缺陷图像的某种特征来定性的定义缺陷，对于夹杂缺陷 的判断主要根据亮度对比和缺陷形状，将亮度明显高于复合材料亮度、具有明显形状的 缺陷定义为夹杂缺陷，但不能真正的确定夹杂类型，也就无法针对不同类型夹杂在复合 材料中随生产过程的变化情况和对最终产品的性能影响进行研究。现有国内外CT无损检 测方法都无法解决复合材料内部夹杂缺陷准确定量和定性检测的难题，利用CT技术对复 合材料的内部缺陷进行CT值意义上的定量研究未见公开文献报道。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种用CT值定量表征复 合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法。本发明的技术解决方案是用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损 检测方法，通过以下步骤实现第一步，标定CT设备；第二步，确定测试条件，即测试时CT设备的电压和电流；第三步，制作复合材料夹杂缺陷模拟试样，在复合材料增强纤维编织过程中加入不同尺寸的夹杂缺陷，按照待测复合材料加工工艺将夹杂了缺陷的增强纤维制作成复合材料夹杂缺陷模拟试样；第四步，建立第 三步制作的复合材料夹杂缺陷模拟试样的CT值-像素尺寸拟合 曲线，A4.1、利用第一步标定的CT设备采用第二步确定的测试条件在不同的像素尺寸 下测试第三步得到每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样；A4.2、利用像素平均法确定每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样在不同像素尺寸 的CT值，像素平均法确定CT值的标准，缺陷尺寸小于单个像素对角尺寸时，以缺陷相 邻四个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于单个像素对角尺寸、小于两 个像素对角尺寸，以缺陷相邻九个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于 两个像素对角尺寸时，以缺陷填满的像素中最大CT值表征缺陷的CT值；A4.3、禾Ij用步骤A4.2中不同像素尺寸与CT值的关系，得到不同夹杂缺陷的不同 尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线；第五步，利用CT设备采用第二步确定的测试条件在不同像素尺寸下测试待检测 复合材料，利用像素平均法得到待检测复合材料的夹杂缺陷的CT值-像素尺寸拟合曲 线.
一入 ，第六步，将第五步得到的待检测复合材料的夹杂缺陷的CT值-像素尺寸拟合曲 线与第四步确定的不同夹杂缺陷的不同尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线对比，定量确定 待检测复合材料中夹杂缺陷的类型。所述步骤A4.2和第五步中不同像素尺寸下的CT值为在同一像素尺寸条件下不 少于6次测试的平均值，得到每一个CT值的标准差，标准差最大的数值作为CT值-像 素尺寸拟合曲线的误差范围。所述第三步中夹杂缺陷的尺寸从0.25 Imm中选取不少于6个。所述第四步、第五步中像素尺寸的选择在CT设备测试范围内不少于10个。所述第一步测试条件为复合材料密度在0.5 2.5g/cm3，CT设备的电压为 120kV 140kV，电流为 200mA 300mA。所述第三步在增强纤维编织过程中加入的夹杂缺陷为铁、铝或铜。所述第三步复合材料夹杂缺陷模拟试样的形状和CT切片方向的尺寸与待检测复 合材料一致，或成比例的缩小，复合材料夹杂缺陷模拟试样的高度为CT设备检测层厚度 的整数倍。本发明设计原理1、制作CT值标定试样标定CT设备制作水模试样和复合材料试样，用于测试CT检测过程中各种因素对检测结果 CT值的影响和确定检测条件和检测工艺。2、制作夹杂缺陷模拟试样根据生产工艺确定待检测复合材料生产过程中常见的夹杂缺陷，制作相应类型 和尺寸的夹杂缺陷模拟试样。3、建立已知夹杂缺陷的拟合关系曲线利用制作的模拟夹杂缺陷试样，根据CT成像原理和图像与像素的关系，建立不 同类型、尺寸夹杂缺陷的CT值与像素关系拟合曲线。
4、实际检测产品检测过程中，发现夹杂缺陷，得到未知夹杂缺陷的CT值和像素尺寸表征的 采样点，利用已建立的夹杂缺陷拟合曲线图谱判定该夹杂缺陷类型。本发明与现有技术相比有益效果为(1)本发明通过制作夹杂缺陷模拟试样，建立不同类型、不同尺寸的夹杂缺陷 CT值与像素关系曲线图谱，实际检测过程中利用确定的图谱来定量表征夹杂缺陷的类 型；(2)本发明采用像素平均法对夹杂缺陷的CT值进行准确的测量，排除了容积效 应和点扩展现象对夹杂缺陷CT值的影响，实现了夹杂缺陷CT值的准确测量；(3)本发明确定的检测条件保证了检测结果CT图像的质量，高的信噪比、没有 伪像或轻微的伪像等。
图1为本发明流程图；图2为本发明铝夹杂缺陷CT值-像素尺寸关系拟合曲线图；图3为本发明铜夹杂缺陷CT值-像素尺寸关系拟合曲线图；图4为本发明铁夹杂缺陷CT值-像素尺寸关系拟合曲线图；图5为本发明利用夹杂缺陷CT值-像素尺寸关系拟合曲线图定量表征夹杂类型 示意图。
具体实施例方式利用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法是利用CT检测 技术的检测结果检测图像CT值来定量描述夹杂缺陷的类型，CT值的物理含义是表征该 处材料的线衰减系数，图像上为像素值。在排除检测过程中材料因素和非材料因素影响 的前提下，利用已知不同尺寸、不同类型的夹杂缺陷模拟试样建立其与像素尺寸的关系 曲线；实际检测过程中，对发现的已知尺寸、未知类型的夹杂缺陷同样建立其CT值与像 素尺寸的关系曲线，将该曲线与已知曲线进行对比和差值从而确定夹杂缺陷的类型。本发明如图1所示，实施方式如下(1)标定试样的设计与制备，CT设备的标定根据CT检测技术的原理及实际检测经验，设计并制作相应的CT值标定试样 (具体加工方法和标定方法见GJB5312-2004)包括水模试样、复合材料试样；水模试样 为圆柱形，外壳采用有机玻璃，试样的直径大于等于被检产品的最大直径，试样高度为 CT设备检测层厚度的整数倍，一般为IOmm厚。水模试样中装满纯净水，不能留有空 气。复合材料试样应与被检产品为同一种材料，采用同样的生产工艺生产。利用制作的 CT值标定试样对CT设备进行标定，具体标定方法见GJB5312-2004。(2)量化材料因素和非材料因素对CT值的影响利用以上标定试样分别测试产品形状、产品的尺寸、缺陷位置、检测条件、摆 放位置等材料因素和非材料因素变化引起的CT值的变化规律，从而量化这些因素对 CT 值的影响，同时确定检测条件和检测工艺并确保该检测参数和检测工艺的一致性。根据大量试验得知，产品形状、产品的尺寸、缺陷位置、摆放位置对检测结果CT值的影响很 小一般为3%左右，对试验结果的影响可以忽略。检测条件对检测结果CT值的影响较 大，因此必须针对具体的复合材料选择适合的检测条件，合适的检测条件必须保证检测 结果CT图像的质量，高的信噪比、没有伪像或轻微的伪像等。(3)制作夹杂缺陷模拟试样模拟夹杂缺陷试样的形状和CT切片方向的尺寸应和被检产品一致，或成比例的 缩小，高度试样高度为CT设备检测层厚度的整数倍，一般为IOmm厚。夹杂缺陷的类 型和尺寸为生产工艺过程中易产生的夹杂缺陷的类型和尺寸。(4)建立夹杂缺陷与像素尺寸之间的关系曲线利用选定的检测条件和制作的夹杂缺陷模拟试样，按照正常产品的检测工艺进 行检测，改变像素尺寸同时测量夹杂缺陷的CT值，利用像素平均法测量夹杂缺陷的CT 值，建立缺陷CT值与像素尺寸之间的函数关系曲线图谱作为实际产品检测过程中检测夹 杂缺陷类型的依据。像素平均法缺陷尺寸小于单个像素对角尺寸时，缺陷最多对相邻四个像素的 CT值产生影响，采用相邻四个像素CT值平均的结果表征缺陷的CT值；缺陷尺寸大于单 个像素对角尺寸、小于两个像素对角尺寸，缺陷最多对相邻九个像素CT值产生影响时， 采用相邻九个像素CT值平均的结果表征缺陷的CT值；缺陷尺寸大于两个像素对角尺寸 时，即缺陷可以完全填满一个像素时，采用最大CT值表征缺陷的CT值。(5)产品检测过程中夹杂缺陷类型的确定产品检测过程中，发现夹杂缺陷，同样的建立该未知夹杂缺陷的用CT值和像素 尺寸表征的采样点，将采样点与已知尺寸、类型夹杂缺陷的拟合曲线进行对比，即可确 定该种夹杂缺陷的类型。以下结合具体实施例详细介绍本发明1、标定CT设备。2、确定测试条件，即测试时CT设备的电压和电流。复合材料密度在0.5 2.5g/cm3，CT设备的电压为120kV 140kV，电流为 200mA 300mA。密度增大，电压和电流也要相应的增大；密度减少，电压和电流值也 可以相应的减小。3、制作复合材料夹杂缺陷模拟试样制作复合材料常见夹杂缺陷铝、铁和铜三种的模拟试样，夹杂缺陷的尺寸从 0.25 Imm中选取不少于6个。在复合材料增强纤维编织过程中加入不同尺寸的夹杂缺 陷，按照待测复合材料加工工艺将夹杂了缺陷的增强纤维制作成复合材料夹杂缺陷模拟 试样。4、建立复合材料夹杂缺陷模拟试样的CT值-像素尺寸拟合曲线(1)利用标定好的CT设备在不同的像素尺寸下测试每一个复合材料夹杂缺陷模 拟试样。(2)利用像素平均法确定每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样在不同像素尺寸的CT值，像素平均法确定CT值的标准，缺陷尺寸小于单个像素对角尺寸时，以缺陷相邻 四个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于单个像素对角尺寸、小于两个像素对角尺寸，以缺陷相邻九个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于两 个像素对角尺寸时，以缺陷填满的像素中最大CT值表征缺陷的CT值。(3)利用不同像素尺寸与CT值的关系，得到不同夹杂缺陷的不同尺寸下CT 值-像素尺寸拟合曲线。
在具体测试过程中对每一个缺陷尺寸下，在每个像素尺寸条件下测试多次，取 多次测试值的平均值作为拟合曲线中的CT值，如图2、3、4中的每一个采样点都是平均值。如图2所示，夹杂缺陷为铝的CT值-像素尺寸拟合曲线，其中横坐标为像素尺 寸(mm)、纵坐标为CT值(图3 5定义一致)，图中曲线从上到下依次为缺陷尺寸为 1.00mm、0.80mm、0.63mm、0.50mm、0.40mm、0.32mm、0.25mm。每个缺陷尺寸下， 每一个像素尺寸条件下至少测试6次，将6个测试值平均得到拟合曲线中每个采样点的 CT值，根据平均值得到每个采样点的标准差，像素尺素在CT设备允许的测试范围内至 少选取10个，选取拟合曲线中各采样点中标准差最大的作为拟合曲线的误差范围，即以 每一条拟合曲线为中心上下浮动一个误差范围。表1所示为图2中各条拟合曲线的误差。表 权利要求
1.用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于通过以 下步骤实现第一步，标定CT设备；第二步，确定测试条件，即测试时CT设备的电压和电流； 第三步，制作复合材料夹杂缺陷模拟试样，在复合材料增强纤维编织过程中加入不同尺寸的夹杂缺陷，按照待测复合材料加工 工艺将夹杂了缺陷的增强纤维制作成复合材料夹杂缺陷模拟试样；第四步，建立第三步制作的复合材料夹杂缺陷模拟试样的CT值-像素尺寸拟合曲线，A4.1、利用第一步标定的CT设备采用第二步确定的测试条件在不同的像素尺寸下测 试第三步得到每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样；A4.2、利用像素平均法确定每一个复合材料夹杂缺陷模拟试样在不同像素尺寸下的 CT值，像素平均法确定CT值的标准为，缺陷尺寸小于单个像素对角尺寸时，以缺陷相 邻四个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于单个像素对角尺寸、小于两 个像素对角尺寸，以缺陷相邻九个像素CT值的平均值表征缺陷的CT值，缺陷尺寸大于 两个像素对角尺寸时，以缺陷填满的像素中最大CT值表征缺陷的CT值；A4.3、利用步骤A4.2中不同像素尺寸与CT值的关系，得到由CT值和像素尺寸表征 的采样点，根据采样点得到不同夹杂缺陷的不同尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线；第五步，利用CT设备采用第二步确定的测试条件在不同像素尺寸下测试待检测复合 材料，利用像素平均法得到待检测复合材料的夹杂缺陷的用CT值和像素尺寸表征的采样占.^ w\ 第六步，将第五步得到的待检测复合材料的夹杂缺陷的采样点与第四步确定的不同 夹杂缺陷的不同尺寸下CT值-像素尺寸拟合曲线对比，定量确定待检测复合材料中夹杂 缺陷的类型。
2.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方 法，其特征在于所述步骤A4.2和第五步中不同像素尺寸下的CT值为在同一像素尺寸 条件下不少于6次测试的平均值，得到每一个CT值的标准差，标准差最大的数值作为CT 值_像素尺寸拟合曲线的误差范围。
3.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方 法，其特征在于所述第三步中夹杂缺陷的尺寸从0.25 Imm中选取不少于6个。
4.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方 法，其特征在于所述第四步、第五步中像素尺寸的选择在CT设备测试范围内不少于 10个。
5.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方 法，其特征在于所述第一步测试条件为复合材料密度在0.5 2.5g/cm3，CT设备的电 压为 120kV 140kV，电流为 200mA 300mA。
6.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方 法，其特征在于所述第三步在增强纤维编织过程中加入的夹杂缺陷为铁、铝或铜。
7.根据权利要求1所述的用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，其特征在于所述第三步复合材料夹杂缺陷模拟试样的形状和CT切片方向的尺寸与 待检测复合材料一致，或成比例的缩小，复合材料夹杂缺陷模拟试样的高度为CT设备检 测层厚度的整数倍。
全文摘要
用CT值定量表征复合材料内部夹杂缺陷类型的无损检测方法，通过利用夹杂缺陷模拟试样，建立不同类型、不同尺寸的夹杂缺陷CT值与像素关系曲线图谱，实际检测过程中利用该图谱来定量表征夹杂缺陷的类型。本发明通过制作夹杂缺陷模拟试样，建立不同类型、不同尺寸的夹杂缺陷CT值与像素关系曲线图谱，实际检测过程中利用确定的图谱来定量表征夹杂缺陷的类型；本发明采用像素平均法对夹杂缺陷的CT值进行准确的测量，排除了容积效应和点扩展现象对夹杂缺陷CT值的影响，实现了夹杂缺陷CT值的准确测量；本发明确定的检测条件保证了检测结果CT图像的质量，高的信噪比、没有伪像或轻微的伪像等。
文档编号G01N23/04GK102023171SQ20101054353
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者任华友, 朱军辉, 金虎, 陈颖 申请人:航天材料及工艺研究所