本发明属于压力管道检测领域，更具体的说涉及一种碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法。
背景技术：
纤维缠绕复合材料气瓶是在金属或非金属内胆上缠绕高强度碳纤维或玻璃纤维制造而成。由于其具有轻质、耐压、抗疲劳性能好等诸多优点，近年来被越来越多地应用于航空航天产品的研制中。与传统的金属材料气瓶相比，复合缠绕气瓶的高强度比和高容重比特性，能够有效降低汽车、飞行器的结构重量，降低能耗，应用前景广阔。同时，由于复合材料气瓶的生产工艺复杂、影响因素多，为使气瓶满足设计压力及后续使用的安全性、可靠性要求，制造过程中需要对每个气瓶进行无损检测。
目前，针对纤维缠绕复合材料气瓶的无损检测方法主要有目视检测、射线检测、计算机层析成像(工业ct)检测、超声检测、声发射检测等。其中目视检测主要针对气瓶瓶体外壁纤维缠绕情况进行检测，而射线检测、工业ct检测、超声检测主要针对纤维缠绕层内部及其与内胆粘接层缺陷情况进行检测。气瓶在后续试验或使用过程中，瓶体内压的变化、内胆与缠绕层复合材料线膨胀系数的差异以及弹性模量、延伸率的差异等诸多因素都有可能导致气瓶瓶身复合材料层出现纤维断裂、分层、脱粘等损伤或缺陷，而目前并没有对气瓶瓶身复合材料层的检测。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种采用微波技术对纤维缠绕复合材料气瓶瓶身的缺陷进行无损检测研究，旨在通过系统性的研究，掌握纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，提高检测的准确性和可靠性，为开发基于微波技术的新型无损检测方法提供实验依据。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，包括如下步骤，
s1：气瓶的准备，制作瓶身无缺陷、含有孔隙、裂纹、分层或脱粘中一种或多种缺陷的纤维缠绕复合材料的气瓶试样；
s2：确定最佳检测频率，采用频率扫描的方法对无缺陷瓶身扫描测定气瓶瓶身材料的特征频率，并将此频率作为对气瓶瓶身缺陷检测的最佳检测频率；
s3：在最佳检测频率下，使用波导探头对含有缺陷的气瓶扫描检测，并根据缺陷记录相应的反射系数的变化，将反射系数的变化结果归集建立常规缺陷特征反射系数数据库；
s4：缺陷种类的确定，在最佳检测频率下，使用波导探头对待检测的气瓶瓶身进行扫描检测，观察反射系数的变化并使反射系数与反射系数数据库内的数据进行比对，确定缺陷的种类；
s5：缺陷位置的确定，在检测到存在缺陷时，记录此时波导探头的位置信息为缺陷位置。
进一步的在步骤s4或s5之后，增设步骤s6：缺陷尺寸的确定，在检测到存在缺陷时，降低扫描速率，监测反射系数的变化，测定缺陷的尺寸。
进一步的在检测到存在缺陷时，系统自动降低扫描速率，以确定缺陷的尺寸并记录。
或者在检测到存在缺陷时，系统发出报警提示，由人工主动降低扫描速率，以确定缺陷的尺寸并记录。
进一步的在步骤s2中，使用矢量网络分析仪作为信号源，基于微波反射原理，将波导探头垂直靠近气瓶瓶身进行扫频检测，在回波信号呈现正态波形的频段内找出反射系数的极值，以此确定最佳检测频率。
进一步的以矢量网络分析仪或微波自动测量线为信号源，引入微波电桥技术，设计无损检测系统，以无缺陷的瓶身复合材料为参照样。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)首次系统研究基于微波反射原理的纤维缠绕复合材料气瓶常见缺陷的无损检测方法；
(2)创新地将微波电桥技术引入对纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波无损检测，显著提高检测的准确度和可靠性；
(3)首次提出建立常见类型纤维缠绕复合材料气瓶的最佳微波检测频率和瓶身常规缺陷特征反射系数的数据库。
附图说明
图1是本发明提供的微波无损检测系统的原理框图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(x)”、“纵向(y)”、“竖向(z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
一种碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，包括如下步骤，
s1：气瓶的准备，制作瓶身无缺陷、含有孔隙、裂纹、分层或脱粘中一种或多种缺陷的纤维缠绕复合材料的气瓶试样；
s2：确定最佳检测频率，采用频率扫描的方法对无缺陷瓶身扫描测定气瓶瓶身材料的特征频率，并将此频率作为对气瓶瓶身缺陷检测的最佳检测频率；
s3：在最佳检测频率下，使用波导探头对含有缺陷的气瓶扫描检测，此时波导探头沿着气瓶瓶身以一定的速度平移，并根据缺陷记录相应的反射系数的变化，将反射系数的变化结果归集建立常规缺陷特征反射系数数据库；
s4：缺陷种类的确定，在最佳检测频率下，使用波导探头对气瓶瓶身进行扫描检测，此时波导探头沿着气瓶瓶身以一定的速度平移，观察反射系数的变化，并使反射系数与反射系数数据库内的数据进行比对，确定缺陷的种类，在有缺陷时，通常反射系数的绝对值会突然变小；
s5：缺陷位置的确定，在检测到存在缺陷时，记录此时波导探头的位置信息为缺陷位置。
本实施例优选的在步骤s4或s5之后，增设步骤s6：缺陷尺寸的确定，在检测到存在缺陷时，降低扫描速率，监测反射系数的变化，测定缺陷的尺寸。
其中在确定尺寸时，可采用系统自动测定或人工测定，其中系统测定时，在检测到存在缺陷时，系统自动降低扫描速率，以确定缺陷的尺寸并记录；人工测定时，在检测到存在缺陷时，系统发出报警提示，由人工主动降低扫描速率，以确定缺陷的尺寸并记录。
本实施例优选的在步骤s2中，使用矢量网络分析仪作为信号源，基于微波反射原理，将波导探头垂直靠近气瓶瓶身进行扫频检测，在回波信号呈现正态波形的频段内找出反射系数的极值，以此确定最佳检测频率。
如图1所示，本实施例优选的以矢量网络分析仪或微波自动测量线为信号源，引入微波电桥技术，设计无损检测系统，以无缺陷的瓶身复合材料为参照样，其具体的工作过程可参照申请号为cn201410179411.1，名称为一种聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法和检测装置所公开的内容。
微波是一种频率范围在0.3-300ghz之间的电磁波。在微波检测中,微波与被检材料介质相互作用,介质的电磁特性和对微波场的响应决定了微波的分布状况和微波幅度值、相位、频率等基本参数的变化。通过测量微波基本参数的变化,可以判断被测材料或工件内部是否存在缺陷，并可获得缺陷的位置、大小、形状等相关信息。与常规的超声检测、x射线照相等无损检测方法相比，微波检测技术可通过空气实现从探头到被测物体的有效耦合，不需要使用耦合剂；微波频谱宽、方向性好，对非金属材料的穿透能力很强，十分适合测量复合材料的内部缺陷；除了能检测出材料的体积状缺陷外，还可有效地检出其他常规检测法无法检出的面状缺陷如脱粘等。
纤维增强复合材料具有较低的相对介电常数，对微波的吸收能力弱，因此微波在纤维缠绕复合材料中具有较强的穿透能力和反射能力。当一定频率的微波垂直入射到两种不同介质的分界面上时，由于两种介质的介电常数不同，介质中的电场强度(e)和磁场强度(h)的比值不等，因此微波会在介质分界面上发生反射，这部分被反射回信号源的微波称为回波，可以用反射系数s11来表征回波的信号功率：s11＝20lg(vr/vi)，其中vr和vi分别代表反射波的功率和入射波的功率。如果复合材料内部存在缺陷或损伤，会导致微波的反射系数明显偏离无缺陷情况下的反射系数值。通过监测微波反射系数的变化可以实现对纤维缠绕复合材料气瓶瓶身缺陷的检出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，其特征在于，包括如下步骤，
s1：气瓶的准备，制作瓶身无缺陷、含有孔隙、裂纹、分层或脱粘中一种或多种缺陷的纤维缠绕复合材料的气瓶试样；
s2：确定最佳检测频率，采用频率扫描的方法对无缺陷瓶身扫描测定气瓶瓶身材料的特征频率，并将此频率作为对气瓶瓶身缺陷检测的最佳检测频率；
s3：在最佳检测频率下，使用波导探头对含有缺陷的气瓶扫描检测，并根据缺陷记录相应的反射系数的变化，将反射系数的变化结果归集建立常规缺陷特征反射系数数据库；
s4：缺陷种类的确定，在最佳检测频率下，使用波导探头对待检测的气瓶瓶身进行扫描检测，观察反射系数的变化并使反射系数与反射系数数据库内的数据进行比对，确定缺陷的种类；
s5：缺陷位置的确定，在检测到存在缺陷时，记录此时波导探头的位置信息为缺陷位置。
2.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，其特征在于：在步骤s4或s5之后，增设步骤s6：缺陷尺寸的确定，在检测到存在缺陷时，降低扫描速率，监测反射系数的变化，测定缺陷的尺寸。
3.根据权利要求2所述的碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，其特征在于：在检测到存在缺陷时，系统自动降低扫描速率，以确定缺陷的尺寸并记录。
4.根据权利要求2所述的碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，其特征在于：在检测到存在缺陷时，系统发出报警提示，由人工主动降低扫描速率，以确定缺陷的尺寸并记录。
5.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，其特征在于：在步骤s2中，使用矢量网络分析仪作为信号源，基于微波反射原理，将波导探头垂直靠近气瓶瓶身进行扫频检测，在回波信号呈现正态波形的频段内找出反射系数的极值，以此确定最佳检测频率。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的碳纤维缠绕复合材料气瓶缺陷的微波检测方法，其特征在于：以矢量网络分析仪或微波自动测量线为信号源，引入微波电桥技术，设计无损检测系统，以无缺陷的瓶身复合材料为参照样。
技术总结