复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法及装置

摘要

一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法和装置，所述的方法是首先通过微波无损检测复合材料损伤区域，再基于微波加热固化待修复区域，在固化同时监测复合材料的固化状态，实时调整修复工艺。所述的装置采用的微波发生源既可对复合材料进行微波无损检测，又可对复合材料进行微波快速修复和固化监测。本发明能将微波无损检测、快速修复与固化监测同步进行，明显提高了复合材料修复速度和修复质量，降低了修复成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料构件无损检测、快速修补和固化过程在线监测技术，尤其是一种一体化检测修复技术，具体地说是一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法及装置。

背景技术

目前，随着航空器对轻量化的要求进一步提高，复合材料在飞机结构件上的使用量逐渐超过金属材料。但是，飞机复合材料构件在受到剧烈冲击、震动、雷击、鸟撞、烧蚀等外部作用时，很容易出现破损、疲劳断裂、分层脱胶等损伤，这些损伤大部分需要在飞机使用过程中进行检测及修补。传统的飞机复合材料构件外场修补采用热补法[1]，即利用电加热毯覆盖修补区域，通过热量传导的方式加热固化修补区域的补片。近年来又出现了微波外场快速修复设备[2],即利用微波源产生的微波并通过辐射天线辐照至修补区域，使得修补区域的复合材料补片由内到外均匀发热并固化。虽然微波外场快速修补法较热补法具有更快的升温速率，温度均匀性也更好，但是仅凭借材料温度难以精确控制微波场功率，且修补区域的固化反应过程无法实时监测，由此可能会导致微波固化后的修补区域出现局部温度过高、固化质量难以控制等情况。

在实际的外场修复过程中，首先要对材料进行无损检测，以确定构件的损伤类型、位置与尺寸。传统的检测方式主要运用超声波检测，但超声波在复合材料介质内衰减大，穿透能力差，很难准确的探测待修复区域的损伤情况。另外，超声波探伤往往需要在制件表面涂抹有毒或是有腐蚀性的液体耦合剂，这对制件质量和作业人员都有非常大的伤害。近年来提出了一种复合材料微波无损检测手段。由于微波在复合材料中穿透性强，衰减弱，测量精确，且小功率的微波不会对材料产生影响，可在无任何耦合剂的情况下精准测量出复合材料内部的损伤外形，尺寸，位置等信息。

为提高复合材料外场快速检修的质量和效率，急需提供一种复合材料微波检测、快速修复与固化监测方法和装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的复合材料构件修得时检测和修复分开进行且修复过程中不能实时控制修复质量的问题，发明一种高度集成的，包含无损检测和快速固化以及材料固化状态在线监测等功能的复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法，同时提供一种相应的装置。它利用同一个微波源产生微波信号，该信号可直接辐照至材料受损区域，通过接受并处理材料的回波信号可得到材料的损伤信息；同时该信号还可通过有源放大器进行功率放大，利用辐射器辐射至材料对材料进行加热固化；在加热固化的同时，利用半球面收发器接收材料的回波，根据该回波信息，计算回波的功率衰减，实时得到材料的固化度和介电性能的变化。固化过程中，根据固化过程中材料的温度变化和固化度的变化，智能控制微波源的输出功率和频率，高效的解决了微波在对材料进行加热时温度场分布不均匀的问题，提高了复合材料修复速度和修复质量。

本发明的技术方案之一是：

一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法，其特征在于：首先，使用同一微波源与收发天线实现微波无损检测复合材料损伤区域；其次，根据检测结果，启动微波加热固化待修复区域；第三在固化修复的同时监测复合材料的固化状态，实时调整修复工艺；其中，检测、监测与修复能同时进行、分步进行或单独进行操作。

所述的微波检测、修复与监测的频率在300MHz至300GHz之间。

所述的微波检测、修复与监测的频率在2GHz至8GHz之间。

所述的微波源在微波控制器的控制下产生微波经过传输线，由半球面收发器辐射微波直接对复合材料进行检测，或直接切换至有源放大器放大，通过多路发射天线对复合材料快速修复与固化监测；在加热修复过程中，半球面收发天线辐射微波至复合材料待修复区域后，基于反射的微波信号变化计算复合材料介电常数随修复温度与时间变化，监测复合材料的固化状态；半球面收发天线接收回波，对材料的固化状态进行实时监测；复合材料损伤检测过程中，半球面收发天线内同一周线上的微波天线既能发射微波，又能接收微波，同时有至少两个在不同周线上的接收端接收材料反射的微波。

一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法，它包括以下具体步骤：

第一步：开启微波检修装置，利用半球面收发器发出微波信号对材料进行扫频检查，频率从2GHz至8GHz变化；粗略扫描受损的复合材料构件后，根据处理后的多路回波信号大致确定修补区域；

第二步：利用第一步中获得的指示波段微波对受损区域进行精确检测，确定受损类型和损伤程度，对待修复区域进行精确定位，并且利用溶剂清洗该区域后，切割挖补修复区域，并打磨断层多余毛刺和断裂的纤维；

第三步：铺设预浸料补片、铝箔防护圈、脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋以及光纤光栅温度传感器，接通真空管，开启真空系统，抽取真空，待真空压力稳定后，架设好半球面收发器；利用柔性铝箔屏蔽整个修复区域，防止微波泄露。

第四步：根据第二步中获得的损伤信息，确定加热波段频率，设置固化工艺参数，开始加热固化；微波控制器根据固化过程中检测天线所接受到的材料固化度信息、光纤传感器测得的材料温度数据，实时调整微波频率、功率，整个系统形成闭环控制；

第五步：待固化过程执行完毕，拆除铝箔、真空袋及多余材料，打磨除去多余毛刺，并清洗表面；

第六步：再次利用半球面收发器对已修复区域进行扫频检测，评估修复质量，并扩大检测范围，防止因修复造成的二次损伤；

第七步：清理修复作业现场，关闭修复系统，妥善放置半球面收发器和其他附属装置。

本发明的技术方案之二是：

一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测一体化装置，其特征是它包括微波控制器1、微波源2、微波切换器3、有源放大器4、半球面收发器5、微波收发天线6、光纤信号调制器8和测温传感器11，微波控制器1控制微波源2产生微波经过传输线9传送至半球面收发器5中的微波收发天线6辐射微波直接对复合材料12需检测修复的部件进行检测，或经微波切换器3切换至有源放大器4放大，通过半球面收发器5中安装的多路发射天线13对复合材料加热固化区7快速修复；在加热修复过程中，半球面收发器5中的多路接收天线14根据接收到的反射的微波信号的变化计算出复合材料介电常数随修复温度与时间变化，监测复合材料的固化状态；复合材料损伤检测过程中，半球面收发器5内同一周线上的多路发射天线13和多路接收天线14分别进行微波发射和微波接收；安装在复合材料加热固化区7的测温传感器11将测得的温度送入光纤信号调制器8处理后送入微波控制器1，微波控制器1根据测得的温度控制微波源2的开启和微波发射功率。

所述的半球面收发器5由不透波球面外壳16和内部天线阵列组成，其中内部天线由奇数或偶数排接收天线14阵列和发射天线13阵列交错组成，每条阵列由多条微波天线经过传输线17组成，所述的半球面收发器5能实现同时进行损伤检测、固化加热和回波信号接收。

本发明采用同一微波源发出频率一定或连续变化的微波信号，该信号的频率可在300MHz至300GHz，优选频率为2GHz至8GHz,通过半球面收发器中的多路发射天线辐射至材料，半球面收发器内同一周线上既能发射微波，又能接收微波，可同时有至少两个在不同周线上的接收端接收反射的微波。多路接收天线接收材料回波后，分析回波波形等特性数据进行无损检测，收发器与材料可间隔一定距离，也可紧贴材料。微波信号也可由有源放大器放大功率后经半球面收发器中的发射天线阵列发出，并对材料进行加热固化。固化过程中半球面收发器中的接收天线阵列不断接收材料回波信号，经过单向信号处理器后计算复合材料介电常数随修复温度与时间的变化，监测复合材料的固化状态。

本发明的微波控制器控制微波源产生变频或者定频信号经过传输线后，由半球面收发器发出微波可直接用于对复合材料进行无损检测，也可经有源放大器放大后加热材料。回波信号经过单向信号处理器进行D/A转换后得到材料的损伤和固化信息，传回至微波控制器。

本发明的微波控制器控制微波源产生微波经过传输线，由半球面收发器辐射微波直接对复合材料进行检测，检测过程中，回波信号经过数据计算处理得到材料的损伤信息。信号也可切换至有源放大器放大，通过发射天线发出，辐照复合材料，对复合材料快速修复。固化的同时，通过半球面收发器接收材料反射波，通过计算入射波功率与反射波功率差值，对比复合材料介电数据，得到复材固化状态信息，对材料的固化状态进行实时固化监测。

半球面收发器由球面金属外壳和内部天线阵列组成，其中内部天线由奇数或偶数排接收天线阵列和发射天线阵列交错组成，每条阵列由多条微波天线经过传输线组成。该收发器可实现同时进行固化加热和信号接收。

本发明的有益效果：

本发明利用同一微波源产生频率一定或连续变化的微波信号，既能对复合材料构件进行微波无损检测，经有源放大器放大后又能对复合材料修补区域进行微波加热固化，这样设计的修复装置结构简单，重量轻，能源利用率高，更适合复合材料构件的外场快速检测和修复。在修复区域固化的同时，多路收发器接收材料的回波信号，计算微波的功率衰减，在线检测材料的固化状态，结合光纤温度传感器测得的温度信息，更综合的评判材料的固化过程，精准的对微波源进行控制，以获得更好的修复质量。

本发明的微波无损检测、快速修复与固化监测同步进行，明显提高了复合材料修复速度和修复质量，降低了修复成本。

附图说明

图1是本发明的一体化装置的结构示意图。

图2为本发明的半球面收发器的内部结构示意图。

图中：1-微波控制器，2-微波源，3-微波切换器，4-有源放大器，5-半球面收发器，6-微波收发天线，7-加热固化区域，8-信号调制器，9-传输线，10-同轴传输线，11-测温传感器，12-复合材料，13-多路发射天线，14-多路接收天线，15-同轴传输线，16-半球面，17-传输线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-2所示。

一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测的方法，首先，使用同一微波源与收发天线实现微波无损检测复合材料损伤区域；其次，根据检测结果，启动微波加热固化待修复区域；第三在固化修复的同时监测复合材料的固化状态，实时调整修复工艺；其中，检测、监测与修复能同时进行、分步进行或单独进行操作。微波检测、修复与监测的频率在300MHz至300GHz之间，最佳在2GHz至8GHz之间。如图1所示，所述的微波源在微波控制器的控制下产生微波经过传输线，由半球面收发器辐射微波直接对复合材料进行检测，或直接切换至有源放大器放大，通过多路发射天线对复合材料快速修复与固化监测；在加热修复过程中，半球面收发天线辐射微波至复合材料待修复区域后，基于反射的微波信号变化计算复合材料介电常数随修复温度与时间变化，监测复合材料的固化状态；半球面收发天线接收回波，对材料的固化状态进行实时监测；复合材料损伤检测过程中，半球面收发天线内同一周线上的微波天线既能发射微波，又能接收微波，同时有至少两个在不同周线上的接收端接收材料反射的微波，如图2所示。

具体步骤为：

第一步：开启微波检修装置，利用半球面收发器发出微波信号对材料进行扫频检查，频率从2GHz至8GHz变化；粗略扫描受损的复合材料构件后，根据处理后的多路回波信号大致确定修补区域；

第二步：利用第一步中获得的指示波段微波对受损区域进行精确检测，确定受损类型和损伤程度，对待修复区域进行精确定位，并且利用溶剂清洗该区域后，切割挖补修复区域，并打磨断层多余毛刺和断裂的纤维；

第三步：铺设预浸料补片、铝箔防护圈、脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋以及光纤光栅温度传感器，接通真空管，开启真空系统，抽取真空，待真空压力稳定后，架设好半球面收发器；利用柔性铝箔屏蔽整个修复区域，防止微波泄露。

第四步：根据第二步中获得的损伤信息，确定加热波段频率，设置固化工艺参数，开始加热固化；微波控制器根据固化过程中检测天线所接受到的材料固化度信息、光纤传感器测得的材料温度数据，实时调整微波频率、功率，整个系统形成闭环控制；

第五步：待固化过程执行完毕，拆除铝箔、真空袋及多余材料，打磨除去多余毛刺，并清洗表面；

第六步：再次利用半球面收发器对已修复区域进行扫频检测，评估修复质量，并扩大检测范围，防止因修复造成的二次损伤；

第七步：清理修复作业现场，关闭修复系统，妥善放置半球面收发器和其他附属装置。

实施例二。

如图1-2所示。

一种复合材料微波无损检测、快速修复与实时监测一体化装置，它包括微波控制器1、微波源2、微波切换器3、有源放大器4、半球面收发器5、微波收发天线6、信号调制器8（采用光纤信号调制器）和测温传感器11（采用光纤光栅测温传感器），如图1所示，微波控制器1控制微波源2产生微波经过传输线9传送至半球面收发器5中的微波收发天线6辐射微波直接对复合材料12需检测修复的部件进行检测，或经微波切换器3切换至有源放大器4放大，通过半球面收发器5中安装的多路发射天线13对复合材料加热固化区7快速修复；在加热修复过程中，半球面收发器5中的多路接收天线14根据接收到的反射的微波信号的变化计算出复合材料介电常数随修复温度与时间变化，监测复合材料的固化状态；复合材料损伤检测过程中，半球面收发器5内同一周线上的多路发射天线13和多路接收天线14分别进行微波发射和微波接收；安装在复合材料加热固化区7的测温传感器11将测得的温度送入光纤信号调制器8处理后送入微波控制器1，微波控制器1根据测得的温度控制微波源2的开启和微波发射功率。半球面收发器5的结构如图2所示，它由不透波球面外壳16和内部天线阵列组成，其中内部天线由奇数或偶数排接收天线14阵列和发射天线13阵列交错组成，每条阵列由多条微波天线经过传输线17组成，复合材料损伤检测过程中，半球面收发器5内同一周线上的微波天线既能发射微波，又能接收微波，同时有至少两个在不同周线上的接收端接收材料反射的微波。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。