專利名稱：Lcm工藝直流電阻法實(shí)時(shí)監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料液體成型工藝LCM的實(shí)時(shí)監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料液體成型工藝LCM(Liquid Composites Molding)是指將專用液態(tài)低粘度樹脂在一定壓力下，注入預(yù)先鋪放了纖維增強(qiáng)材料的閉合模腔或加熱熔化模腔內(nèi)的樹脂膜，樹脂流動(dòng)、浸潤增強(qiáng)材料并固化成型的一種先進(jìn)復(fù)合材料工藝方法，它在航天航空領(lǐng)域、汽車、造船、建筑等行業(yè)應(yīng)用日趨廣泛。LCM工藝是一種一步成型的工藝方法，優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，設(shè)備和工藝成本較低，基本上也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。由于該工藝生產(chǎn)的構(gòu)件質(zhì)量很大程度上依賴于樹脂的流動(dòng)充模過程及其化學(xué)固化反應(yīng)，LCM工藝自身也存在明顯缺點(diǎn)如樹脂流動(dòng)時(shí)間長，模具及工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)很容易出次品，形成干斑和氣泡等典型缺陷，嚴(yán)重影響外觀和構(gòu)件質(zhì)量。
目前解決LCM工藝存在問題的方法是對(duì)工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化，但是模擬并不能完全準(zhǔn)確反映工藝情況，而最有效的方法是對(duì)樹脂流動(dòng)和固化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。工藝監(jiān)測能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的反映工藝狀況，便于及時(shí)調(diào)整工藝條件，最大限度降低廢品率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并為研究樹脂浸潤預(yù)成形體提供可靠的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的LCM工藝監(jiān)測技術(shù)可分為非嵌入式和嵌入式兩種。非嵌入式的監(jiān)測方法包括超聲監(jiān)測、熱譜和攝像等，一般不會(huì)對(duì)工藝過程造成影響，但需要相當(dāng)昂貴的監(jiān)測設(shè)備；嵌入式監(jiān)測技術(shù)有以熱電偶為監(jiān)測元件的熱監(jiān)控、以壓力傳感器為介質(zhì)的壓力監(jiān)測、光纖監(jiān)測技術(shù)、直流電監(jiān)測以及介電監(jiān)測技術(shù)等。嵌入式元件或多或少影響樹脂流動(dòng)和構(gòu)件質(zhì)量，但它們有準(zhǔn)確傳輸構(gòu)件內(nèi)信息的優(yōu)點(diǎn)。
1993年美國ARL(Army Research Laboratory)和Delaware大學(xué)成功開發(fā)出SMART weave流動(dòng)監(jiān)測傳感系統(tǒng)并獲得專利，Walsh Shawn M.In-situsensor method and device.US5210499，1993。該技術(shù)是在模腔內(nèi)預(yù)埋直交導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)為一傳感點(diǎn)，采用介電場引入可移動(dòng)的離子，當(dāng)樹脂將橫向“紗”導(dǎo)線橋連接通時(shí)形成閉合電流回路，這些結(jié)點(diǎn)就會(huì)反饋模腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，可根據(jù)電導(dǎo)率的變化推斷出熱梯度和固化狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。SMART weave系統(tǒng)已經(jīng)被用于監(jiān)測大型構(gòu)件樹脂流動(dòng)前鋒的推進(jìn)并提供工藝控制信息。但是，該體系存在兩個(gè)較大的缺陷，一是預(yù)成型體內(nèi)導(dǎo)線的預(yù)埋相當(dāng)耗時(shí)；二是僅能提供結(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)前沿和固化信息。其數(shù)據(jù)處理軟件也有一定的局限性，如不能描述充模過程中輸出電壓的變化情況，使DC監(jiān)控輸出信息與LCM模擬信息不能進(jìn)行有效的對(duì)比。因此，該技術(shù)一般僅用于大型、高成本的部件。
基于此直流電測量技術(shù)又發(fā)展起來了線性直流電(LDC)監(jiān)測系統(tǒng)，它與SMART weave監(jiān)測系統(tǒng)類似，均采用樹脂橋接兩個(gè)傳導(dǎo)元件間的空隙形成閉合電路。但LDC監(jiān)測系統(tǒng)的傳導(dǎo)元件是由兩根相互平行的導(dǎo)線組成，導(dǎo)線被樹脂覆蓋后，檢測兩導(dǎo)線間的輸出阻抗或電容的變化即可探測流動(dòng)前沿位置。LDC監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測導(dǎo)線整個(gè)長度方向上的流動(dòng)前沿，減少了導(dǎo)線的數(shù)目，可獲得連續(xù)的流動(dòng)信息，特別適用于監(jiān)測流動(dòng)形態(tài)簡單的工藝。LDC傳感技術(shù)的主要缺點(diǎn)是電阻率的校對(duì)。樹脂的電阻率是兩導(dǎo)線的相互平行度、樹脂種類及時(shí)間的函數(shù)，在安裝時(shí)必須確保兩導(dǎo)線相互平行才能保持電阻率為常數(shù)。尤其對(duì)于垂直的流動(dòng)前沿和帶傾斜角度的導(dǎo)線，難以準(zhǔn)確確定傳感器的響應(yīng)。這類技術(shù)發(fā)展至今尚未提出最佳使用方法及如何在模具內(nèi)布置等問題，還處于研發(fā)中。
國內(nèi)在LCM工藝實(shí)時(shí)監(jiān)測研究較多是采用光纖傳感技術(shù)，如光強(qiáng)調(diào)制型及光纖光柵傳感器。李辰砂，粱吉，張博明，王殿富，光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化成型過程，清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科版)，2002，42(2)161-164；武湛君，張博明等，基于折射率變化的復(fù)合材料固化在線監(jiān)測研究，復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2002，19(6)87-91研究是即是采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行LCM工藝實(shí)時(shí)監(jiān)測。
光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的基本原理是利用外界信號(hào)的擾動(dòng)改變光纖中的光強(qiáng)，再通過測量輸出光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的測量。這類傳感器使用方便、耐用、成本低且解調(diào)精確，變折射率型、熒光效應(yīng)型、透明度型、微彎損耗型等光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)已用來測量液體的粘度和空隙。光纖光柵傳感器的基本原理是當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的物理量發(fā)生變化時(shí)將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化，使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量變化前后反射光波長的變化獲得待測物理量的變化情況。光纖光柵的種類很多，主要分為短周期光柵(FBG)和長周期光柵(LPG)。在光纖光柵中兩個(gè)傳輸模發(fā)生耦合時(shí)，F(xiàn)BG將正向傳輸?shù)膶?dǎo)模能量耦合到反向?qū)Ｖ?，LPG則是將能量從正向傳輸?shù)膶?dǎo)模耦合到包層模中，在其透射中形成多個(gè)吸收峰。
光纖傳感技術(shù)具有一系列獨(dú)特的、其他傳感技術(shù)難以相比的優(yōu)點(diǎn)，如可進(jìn)行多種監(jiān)測、測量多種物理量，光纖質(zhì)輕、體積小，便于嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)，靈敏度高、不受電磁、無線電頻率干擾等，但其也有一些不可避免的缺陷，對(duì)于復(fù)合材料來講，埋入的光纖傳感器因干擾光纖-基體界面的局部應(yīng)變場影響了復(fù)合材料主構(gòu)件的完整性，引起應(yīng)力集中可能會(huì)降低結(jié)構(gòu)的性能。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，125μm或更小直徑的光纖對(duì)復(fù)合材料的損傷行為、拉伸強(qiáng)度、泊松比等沒有明顯的影響，但對(duì)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度有明顯影響，強(qiáng)度下降約24～60％，對(duì)疲勞壽命也有明顯的影響。因此，采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行LCM的實(shí)時(shí)監(jiān)測受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、監(jiān)測準(zhǔn)確，且操作簡單、成本低的LCM工藝直流電阻法實(shí)時(shí)監(jiān)測方法本發(fā)明的技術(shù)解決方案LCM工藝直流電阻法實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，其特點(diǎn)在于通過下列步驟實(shí)現(xiàn)(1)根據(jù)構(gòu)件尺寸的大小在預(yù)成型體上下表面交叉排放激發(fā)導(dǎo)線和感應(yīng)導(dǎo)線確定監(jiān)測點(diǎn)，這些監(jiān)測點(diǎn)即構(gòu)成被測預(yù)成型體電阻；(2)在被測預(yù)成型體電阻兩側(cè)施加直流電壓，并為該被測預(yù)成型體電阻串聯(lián)一個(gè)大小相互匹配的參比電阻，構(gòu)成分壓電路，測量參比電阻兩端的電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)放及AD轉(zhuǎn)換被實(shí)時(shí)采集到PC機(jī)上進(jìn)行顯示，通過計(jì)算即得到被測預(yù)成型體電阻；(3)進(jìn)行樹脂充模，充模時(shí)循環(huán)掃描所有監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)測電壓值的突變判斷樹脂流動(dòng)前鋒的到達(dá)；充模結(jié)束后，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處的預(yù)成型體電阻都在增大，測量這些預(yù)成型體電阻的變化，即通過監(jiān)測可以實(shí)時(shí)地了解樹脂的固化情況。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地反映出監(jiān)測點(diǎn)處樹脂流動(dòng)前鋒的到達(dá)以及之后的固化過程，從而指導(dǎo)工藝優(yōu)化，減少充模不完全或干斑等缺陷，降低廢品率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效解決樹脂基復(fù)合材料的生產(chǎn)中存在的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。


圖1為本發(fā)明方法的原理示意圖；圖2為本發(fā)明的預(yù)成型體布線示意圖；圖3為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的監(jiān)測系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、2所示，本發(fā)明的具體步驟如下(1)根據(jù)構(gòu)件的尺寸大小在上下表面縱橫交錯(cuò)布線，上表面排放激發(fā)導(dǎo)線，下表面排放感應(yīng)導(dǎo)線，每個(gè)激發(fā)導(dǎo)線和感應(yīng)導(dǎo)線的交叉點(diǎn)，即為監(jiān)測點(diǎn)，其電阻值Rx為預(yù)成型體監(jiān)測點(diǎn)處電阻，監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)均勻分布在構(gòu)件整個(gè)表面上，以便對(duì)充模過程進(jìn)行總體監(jiān)測；也通過工藝模擬找出可能出現(xiàn)工藝缺陷的點(diǎn)，將其作為監(jiān)測點(diǎn)。
(2)為預(yù)成型體監(jiān)測點(diǎn)串聯(lián)一個(gè)參比電阻Rc，Rc的值選取方法為首先通過反復(fù)試驗(yàn)把預(yù)成型體電阻Rx的值大致測出來，再選出與Rx在同一數(shù)量級(jí)或相匹配的參比電阻Rc，本發(fā)明中Rc值為1010-1011歐姆數(shù)量級(jí)，再在Rc和Rx兩個(gè)串聯(lián)電阻兩端加直流電壓Ud，該電壓在檢測前須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來確定，所加的直流電壓Ud的值能使已浸潤樹脂的預(yù)成型體監(jiān)測電信號(hào)值在200左右即可，Uin是參比電阻Rc所分得的直流電壓，Uin被運(yùn)放輸出后為Uout，Uout經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。
根據(jù)分壓電路的基本原理，如圖1所示，Uin=RxRx+Rc·Ud---(1)]]>Uout＝n·Uin(2)Uout=5V28DATA≈DATA51---(3)]]>其中n為放大倍數(shù)，DATA是Uout經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后PC機(jī)上實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，5V為A/D轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓，28表示所用芯片為8位A/D轉(zhuǎn)換。
結(jié)合(1)、(2)和(3)式，得到Uin=DATA51n=Rx·UdRx+Rc---(4)]]>由所采集的電信號(hào)DATA，根據(jù)下式可以求解任一時(shí)刻監(jiān)測點(diǎn)處的預(yù)成型體電阻值Rx=(51·n·UdDATA-1)Rc---(5)]]>(3)進(jìn)行樹脂充模，充模時(shí)循環(huán)掃描所有監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)測電壓值的突變判斷樹脂流動(dòng)前鋒的到達(dá)；充模結(jié)束后，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處的預(yù)成型體電阻Rx都在增大，測量這些預(yù)成型體電阻Rx的變化，即通過監(jiān)測可以實(shí)時(shí)地了解樹脂的固化情況。
如圖3所示，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的監(jiān)測系統(tǒng)由預(yù)成型體的排布、參比電阻Rc、輸出電壓控制器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器、控制電路CPU及PC機(jī)等，本發(fā)明上下可設(shè)置1-16條激發(fā)導(dǎo)線和感應(yīng)導(dǎo)線，因此可以構(gòu)成1-256個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，控制電路CPU通過控制信號(hào)使輸出電壓控制器選擇1-256個(gè)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)，同時(shí)經(jīng)過與參比電阻Rc串接后，施加直流電壓，該電壓經(jīng)過放大器放大及A/D轉(zhuǎn)換后，控制電路CPU循環(huán)掃描并采集1-256個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測信號(hào)，系統(tǒng)為每一條電壓感應(yīng)線分別設(shè)置了A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸速度很高，對(duì)所有256個(gè)監(jiān)測點(diǎn)循環(huán)掃描一次只需1秒鐘。
控制電路CPU有控制循環(huán)掃描功能，監(jiān)測時(shí)，它對(duì)256路監(jiān)測路線進(jìn)行循環(huán)掃描，對(duì)于未接入的路線，監(jiān)測信號(hào)將顯示為零。
權(quán)利要求
1.LCM工藝直流電阻法實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，其特征在于通過下列步驟實(shí)現(xiàn)(1)根據(jù)構(gòu)件尺寸的大小在預(yù)成型體上下表面交叉排放激發(fā)導(dǎo)線和感應(yīng)導(dǎo)線確定監(jiān)測點(diǎn)，這些監(jiān)測點(diǎn)即構(gòu)成被測預(yù)成型體電阻；(2)在被測預(yù)成型體電阻兩側(cè)施加直流電壓，并為該被測預(yù)成型體電阻串聯(lián)一個(gè)大小相互匹配的參比電阻，構(gòu)成分壓電路，測量參比電阻兩端的電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)放及AD轉(zhuǎn)換被實(shí)時(shí)采集到PC機(jī)上進(jìn)行顯示，通過計(jì)算即得到被測預(yù)成型體電阻；(3)進(jìn)行樹脂充模，充模時(shí)循環(huán)掃描所有監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)測電壓值的突變判斷樹脂流動(dòng)前鋒的到達(dá)；充模結(jié)束后，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處的預(yù)成型體電阻都在增大，測量這些預(yù)成型體電阻的變化，即通過監(jiān)測可以實(shí)時(shí)地了解樹脂的固化情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LCM工藝直流電阻法實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，其特征在于所述的參比電阻Rc值為1010-1011歐姆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LCM工藝直流電阻法實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，其特征在于所述的監(jiān)測點(diǎn)為1-256個(gè)。
全文摘要
LCM工藝直流電阻法實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，根據(jù)構(gòu)件尺寸的大小在預(yù)成型體上下表面交叉排放激發(fā)導(dǎo)線和感應(yīng)導(dǎo)線確定監(jiān)測點(diǎn)；在監(jiān)測點(diǎn)兩側(cè)施加直流電壓，并為該被測監(jiān)測點(diǎn)預(yù)成型體電阻串聯(lián)參比電阻，構(gòu)成分壓電路，測量參比電阻兩端的電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)放及AD轉(zhuǎn)換被實(shí)時(shí)采集到PC機(jī)上進(jìn)行顯示，通過計(jì)算即得到被測預(yù)成型體電阻；進(jìn)行樹脂充模，充模時(shí)循環(huán)掃描所有監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)測電壓值的突變判斷樹脂流動(dòng)前鋒的到達(dá)；充模結(jié)束后，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處的預(yù)成型體電阻都在增大，測量這些預(yù)成型體電阻的變化，即通過監(jiān)測可以實(shí)時(shí)地了解樹脂的固化情況。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地反映出監(jiān)測點(diǎn)處樹脂流動(dòng)前鋒的到達(dá)以及之后的固化過程，由此為減少充模不完全或干斑等缺陷提供依據(jù)，降低廢品率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效解決樹脂基復(fù)合材料的生產(chǎn)中存在的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。
文檔編號(hào)B29C70/54GK1851451SQ20061001209
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者段躍新, 孫玉敏, 張佐光 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)