（纺织材料与纺织品设计专业论文）机织物复合材料纤维体积含量计算机图象测定.pdf

y 3 0 6 0 s 本文主要研究了利用c c d 摄像机和专用a d 板采集的复合材料层 合板截面图象检测碳纤维机织物增强复合材料的纤维体积含量的方法。 根据测定纤维体积含量的原理，设计了特定的测试步骤，采用几何法和 阕值法，利用计算机对所采集的图象进行数据处理分析，从而可以获得 层合板的纤维体积含量值。经对比分析表明检测结果与复合材料制造者 提供的纤维体积含量标准值相符合，因此可以认为这两种利用截面图象 测定纤维体积含量的方法是可行的。 纤维体积含量，机织物复合材羊斗，截面图象，测定方法 c 礁曲1 虹 一、一、州- 一“琳；，j - 耗 7 = = j 黼j 蕤臻辩蓁 i nt h i st h e s i sm e t h o d sf o rd e t e r m i n i n gl h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o ni n c a r b o nf a b r i cr e i n f o r c e dc o m p o s i t el a m i n a t e sb yt h eu s eo fs e c t i o n i m a g e so fl a m i n a t e s ，w h i c ha r es a m p l e db yt h eu s eo fc c dc a m e r a a n da dd e v i c e ，h a v eb e e nd e v e l o p e d s p e c i a lm e a s u r i n gs t e p sa r e d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fd e t e r m i n i n gt h ef i b e rv o l u m e f r a c t i o n ，u s i n gg e o m e t r i c a lm e t h o da n dt h r e s h o l dm e t h o d ，a n dt h e c a p t u r e di m a g e sc a nb ep r o c e s s e da n da n a l y z e db yc o m p u t e r s ，t h u s t h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o nv a l u e so fl a m i n a t e sc a nb eo b t a i n e d a f f e r c o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h eo b t a i n e dv a l u e sa r e i n a g r e e m e n tw i t ht h es t a n d a r dv a l u e so ff i b e rv o l u m ef r a c t i o no f f e r e db y l h ec o m p o s i t em a k e r s oi h em e t h o d sc a nb ec o n s i d e r e df e a s i b l e f i b e rv o l u m ef r a c t i o n ；w o v e nf a b r i cc o m p o s i t e s e c t i o ni m a g e ；m e a s u r i n gm e t h o d 绪论 一复合材料的介绍 ( 一) 复合材料鹃定义 根据用际标准化组织为复合材料所下的定义，复合材料是由两种或两种以上 物理和f t 学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 纺织复合材料是复合材料中的个重要种类。所谓纺织复台材料是指用纺织 纤维、纱线、织物，特别是指用纺织的方法所形成的织物与基体，如：树脂、金 属、陶瓷、碳等相结合而成的复合材料。 由硼纤维、碳纤维、芳纶等高性能纤维增强的复合材料称为先进复合材料或 高级复合材料。 复合材料通常由称为基体的连续相和称为增强材料的分散相组成。分散相是 以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。复合材料的复合不 是组分材料的简单组合，而是包括了物理的，化学的，甚至生物的相互作用的复 杂过程。所以在复合材料中，组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性 能却不是组分材料的简单加和，而是有着重要的改进。在纺织复合材料中，纺织 产品起增强作用，承受大部分载荷，使材料显示出较高的抗张强度和刚度。基体 与增强的纺织产品通过界面联系在一起，基体将载荷经界面传递给纺织产品，不 仅能充分发挥纺织产品抗张性能优异的特点，还能达到使载荷均匀分布和保护纺 织产品免受外界损伤的作用。 ( 二) 复台材辩的性驻特点 l 复合材料的优点 比模量高，比强度大；材料具有可设计性：制造工艺简单；此外不同的复合 材料还具有不同的优良性能。例如：抗疲劳性，抗冲击性，电绝缘性，导热性或 隔热性耐高温或低温性，透电磁波性，减震阻尼性耐腐蚀性等。 2 复合材料的缺点 材料的各向异性严重：材料性能的分散度较大，质量控制和检测较困难；材 料成本较高：有些复合材料的韧性较差，机械连接较困难。 以上缺点，除固有的各向异性之外，很多都可以设法改进。如改进工艺，提 高工业化程度，从而提高稳定性能，降低生产成本。改进组分材料性能，提高其 韧性等。总之，复合材料的优点远多于缺点，今后有广泛的用途和良好的发展前 景【“。 仨国厩笼避毒令蹦搏触瑟衣磬毵藏毖厦趁势3 1 当前国际先进复合材料的技术现状和发展趋势可简要地归纳为“五强调”，即： 1 强调发展薪技术材料 2 强调低成本生产技术 3 强调质量控制技术 4 强调应用 5 强调军转民 1 发展新材科技术 先进复合材料在很多方面取得了突破性进展，包括： ( 1 ) 解决了沥青基碳纤维的强度问题 ( 2 ) 氧化铝纤维及其织物有新的突破 ( 3 ) 进一步改进提高了蜂窝芯子的性能 ( 4 ) 发展了具有超级导电性能的新材料 ( 5 ) 研制发展了聚酰亚胺和聚酰胺等液晶材料 2 低成本生产技术 降低成本，提高效费比的主要措施有： ( 1 ) 采用新的高效率的生产工艺，象树脂传递模压法( r t m ) ，拉挤成型法 ( p u t r u s i o n ) ，压缩成型法( c o m p r e s s i o nm o l d i r i g ) 和纤维缠绕成型法( f i l a m e n t w i n d i n g ) 等。 ( 2 ) 采用新的低成本的原材料 ( 3 ) 研制发展先进新技术 ( 4 ) 加强检测和质量控制 ( 5 ) 采用先进计算机技术，改进设计方法 3 性黻征和质量控铝 主要在以下几个方面加强性能表征和质量控制： ( 1 ) 加强复合材料原材料的性能表征 ( 2 ) 加强复合材料加工制造过程中的在线质量控制 ( 3 ) 加强复合材料及其零部件的质量检测 ( 4 ) 加强修补技术和预测评估技术 ( 5 ) 加强安全、环保和废物利用回收技术 4 应用 先进复合材料的主要应用领域还是在军事方面，包括军用飞机，推进系统， 航天飞行器，空间结构，军用舰艇等，随着军备缩减，先进复合材料在民用上不 断扩大，除了在体育娱乐领域外，主要是在民用飞机，医疗设备等方面，新发展 的领域是乐器上的应用。 5 两用技术 先进复合材料的用途应从其主要的军事方面扩大到各个民用的领域例如， 纤维增强复台材料可用来加固翻新桥梁，作为停车场或大型建筑的构件。还有大 量报道涉及用高性能复合材料取代制筋或混凝土。高性能复合材料在土小建筑。! ；： 域的应用所采用的技术一股有：混杂拉挤：碳环氧或碳乙烯脂带缠绕水泥柒； 碳纤维缆或芳纶纤维缆取代钢筋增强混凝土；短纤维增强混凝土制梁和面板等， 二计算机图象处理技术概论及在纺织工业上的应用 f 一) 计蕈掘图案发术薪静 计算机图象处理是信息技术中的一门新兴学科，它是在数字信号处理，计算 h 【科学信息论，几何学，模式识别及其它应用领域基础上发展起来的边缘科学。 汁算机图象处理技术起始于5 0 年代末，具有处理精度高，系统可靠性好，处理 灵活等特点。随着计算机技术和大规模集成电路技术的迅速发展以及与信息论、 网络理论的相互结合，它已渗透到包括纺织工业在内的许多领域之中，诸如：机 械工程、铁路交通工程、宇航工程、土木建筑工程等等。 计算机图象处理技术中的图象可以是绘图、照片或电视图象，一般泛指在2 维平面l 二产生的光强度( 反射光、透射光或发光) 和分布所构成的信息。以光的 强度为例( 如图1 ) ，我们用2 维坐标函数f ( x ，y ) 来表示光强度，将坐标x ，y 以 及光强度f ( x ，y ) 各值数字化，并存储在计算机的存储器中，然后作各种处理， 这就是图象处理的基本原理。 x ( 坐标) ( 灰度值) y ( 坐标) 图l 图象的一般表示 研究图2 所示的构成图象的二维平面上的m 行n 列正方形格子，诸格子位 置( i ：j ) 上的光强度f ( i ，j ) 用数字近似表示。各格子即为组成该图象的象素，数字 化后的各象素的灰度值作为所对应的m 行n 列的二维有序数列记忆在计算机的存 储器中，象素m x n 多，即格子细，得到的图象分辨率高。灰度数字化水平越高， 获得的图象灰度级就越丰富，图象就越逼真。数字化后存储在计算机存储器里的 图象，可作为二维有序数列使用，可进一步作各种处理。 如上所述，计算机图象处理的基本原理，就是将构成图象的光强度按坐标数 字化，用二维有序排列的数来表示。 数字化记忆在存储器中的图象是接近原始浓淡图象的。为了实现各种目的把 这种图象作数值演算，既改变它的灰度分布又改变它的形状的过程即为图象处理。 若将原图象或经过处理得到的图象作几何学上的分析称作图象分析。 图2图象的2 元序列表示 ( - - 3 眉留域龅鲥易i e j 当鳓绽z 泣亡崩啦渭 图象处理系统的功能多种多样，因此它的应用领域从纯学术研究到工业应用 也就十分广泛，图象处理技术在纺织工业应用已近十年，从国内外的文献报道来 看，它已经涉及到纺织工业的各个方面。以图象处理为主要方式的有织纹标样设 计【一。5 “1 ，色彩分析与管理【7 1 ，地毯表面状态测试与分析f 8 q 等。以图象分析为主 要方式的有纤维断面形状，纤维长度纤维屈曲度【“】，纤维取向【1 2 l ，织物疵 点 1 3 l ，原棉含杂分析等。 图象处理技术也广泛地应用于纺织复合材料，利用该技术可以考察纺织复台 材料的内部结构，检测各类参数。不仅可用于观测纺织复合材料中增强纱线的状 态变化，检测内部缺陷，纤维的取向、长度及分布状况 1 “，最近还被用于三维编 织复合材料预制件表面性能的测定“ 三课愿研究的内容，意义 ( 一) 课曩研究的内容 本课题主要研究的是利用计算机图象技术检测碳纤维机织物复合材料的纤维 体积含量，试图找出准确科学并简便易行的测试方法。 ( 二) 课鼍研究钓意义 1 检测纤维体积舍量的意义 纤维体积含量是复合材料的复合工艺及细观力学设计中的一个很重要的参 数，对复合材料的拉伸、压缩等力学性能均有影响。含量过低，不能充分发挥复 合材料中增强材料的骨架作用。含量过高，纤维之间的相互作用加剧+ 应力集中， 必然导致界面部分脱胶，从而降低其力学性能因此纤维体积含量会影响到复合 材料的应用。 为了能使复合材料性能达到设计要求，以及准确地评估复合材料的各项有关的 力学性能。达到最好地利用材料的目的，有必要较为准确地检测出纤维体积含革( v f ) 值。传统测定v f 的标准方法太多是手j ：检测方法，不仅耗时而且准确度不高，并 且要求测试者具有较熟练的操作能力，菜牡方法还存在一定的缺点。因此，随 一一 1lllw y 着科学技术的发展为了扩大复合材料的应用，耍将手工检测提高到智能化阶段 进而提高检测速度与准确度。 2 检测纤维体积古量的标准及其不足 纤维体积含量( v f ) 的检测属于复合材料的工艺性能方面的测定，可直接或间 接测定v f 的标准方法主要有以下几种： 显微镜法 g b 3 3 6 68 2 ( 碳纤维增强复合材料的纤维体积含量测定方法( 显微镜法) ) 是 利用显微镜测定单向铺层构成的碳纤维增强的纤维复合材料。 基体分解法 此方法是用加热的酸剂使树脂基体完全分解，余下增强材料，利用一定公式 可求出纤维体积含量。 g b 3 8 5 5 8 3 ( 碳纤维增强塑料树脂含量试验方法) 是利用硫酸来分解基体，它 适用于硫酸在一定条件下能使树脂基体完全分解而又不过分地腐蚀纤维的碳纤维 增强塑料。 6 8 7 1 9 28 7 ( 预浸料树脂含量试验方法) 是利用溶剂煮解树脂，根据试验前 后试样含量的变化，可算出预浸料的树脂含量，通过一定的变换也可得出v f 值， 不适用于其增强材料在溶剂中有增重或减重及b 阶段( 热固性树脂固化的中间阶 段) 程度高的预浸料。 a s t md 3 1 7 卜7 6 则是利用硝酸来除去基体，比较试样前后质量来求得纤维重 量比。 灼烧法 该方法是将复合材料中的树脂基体完全燃烧掉，从而余下增强物比较试样前 后质量求出纤维体积含量的方法，一般适用于在高温灼烧时不失重的玻纤增强 复合材料。 6 8 2 5 7 7 8 1 ( 玻璃钢树脂含量试验方法) 将试样放入坩锅，在马弗炉中灼烧， 灼烧温度达6 0 0 2 0 ，烧尽预浸料中的树脂，根据试验前后质量的变化求出v f 值。 g b 7 1 9 2 8 7 中也是采用g b 2 5 7 7 8 1 中的方法求出预浸料的v f 。 i s o l l 7 2 ：1 9 7 5 也是测定玻纤增强复合材料的v f 。 a s t md 2 8 5 4 6 8 灼烧温度达5 6 5 另外，a s t i dd 3 3 5 57 4 是适用于含有导电纤维( 如碳纤维) 的单方向性增强 复合材料，其基体为不导电材料。通过复合材料与未复合的纤维导电性的比较可 直接求出复合材料的纤维体积含量。 但是，上述的测定方法也有其不足之处。 ( 1 ) 利用显微镜法及导电性能测定v f 的方法仅适用于单方向性增强的复合材 料，对于二维机织物增强的复合材料不适用。 ( 2 ) 由于高分子树脂都具有溶胀特性，要用溶剂全部彻底除去树脂往往是很困 难的。残留的树脂会影响到测量的准确性。若采用灼烧法则由于树脂的碳化或纤 维的部分燃烧，也会给测量带来较大的误差，而且具有一定的危险性。 ( 3 ) 对于某些类型的树脂基体，没有适当的溶剂可溶解它。运用基体分解法测 定纤维体积含量具有一定困难。 ( 4 ) 利用上述方法完成一个试样的测量需要花费较长的时间及人工，而且具有 定的局限性。 四国内外研究动态 近年来，国外出版物上有利用x 光，涡流法，振动热图象法或超声波等无损 检测法，采用特殊的技术及设备检测v f 的报道，但均极为简略，尚未形成标准 方法。 中山大学的王晓等人研究了一种计算机辅助测算预浸带纤维含量的方法。其 方法为从要测量的预浸带截取长度一定的预浸带试样段，测出质量w 及线密度。 从每一个用于制备此预浸带的纤维卷筒上各截取长度相同的纤维段铡出总质量 w 3 及线密度。当每个卷简各个区段碳纤维的线密度波动性不大时，就可用w 3 来 代替预浸带试样中纤维的实际重量w 1 ，进而求出纤维体积含量及树脂含量。这个 方法还可应用于测定热塑性树脂基短切纤维增强复合材料的纤维含量“s 一“。 法国的c a s t a i n g 等人利用计算机图象处理技术对三种玻纤长丝缠绕法生产的 复合材料管进行了显微结构的定量分析测出了纤维体积含量，孔隙率和长丝缠 绕角，这些数据还可进一步用于分析复合材料管的力学性能啪j 。 美国的w a t e r b u r y 等人研究了一种光学方法，通过在数字显微镜中观察单向 复合材料的横截面，利用图象分析系统，自动计量单位面积的纤维末端数，得出 纤维体积含量值，与传统的基体分解法的实验结果符合性较好胁】。 国内外还没有利用计算机图象处理技术检测二维机织物增强的复合材料的纤 维体积含量的报道，本课题的研究就是致力于这个方向。 五诹题的研究思路及要解决的问题 t 一、研究材料帕遴拜 当一个方向增强时，单向增强的力学性能最高，但是在形成各向同性材料时， 机织物增强形式则显示出更优良的力学性能从增强物的生产来看，机织物纤维 ( 或纱线) 覆盖率高，织造方法简单：从后加工性能来看，织物预浸科还具有纤 维形态稳定( 不会横向开裂和改变纤维取向) 和适于三维曲面等单向预浸料所不 具备的一些特性。某些工业上的零部件往往要经受复杂的变形所以织物预浸荆 更为适台。机织物的织法种类很多，可根据成形物的形状选择。平板成形物多使 用平纹，而复杂成形物多使用缎纹。 机织物增强的复合材料已进行工业化十产使用最多的形式则是平纹崖合板 三轴向织物复合材料和三维编织复台材料由丁顸制件生产效率比较低，成本较高， 目前仪在宇航方面采用。因此，研究机织物复合材料具有实际意义。本课题用于 研究的复合材料是t 3 0 0 3 k 碳纤维机织物与环氧树脂经r t m 工艺复合而成的层合 板试件。经纱方向为o 。铺层方向，层数为9 层 本课题的实验要求用复台材料的截面图象进行研究，因此必须要作切片。织 物组织的不同部分的截面具有不同的纱线屈曲形态。为了在尽可能少的截面中得 到尽可能多的纱线屈曲形态，所以选用多层铺就的复合材料来作截面研究。这样， 在同一片截面中，每层织物的截面都可能具有不同的截面形态，由于是多层镝就 的材料，就大大增加了在同一片截面中获得尽可能多的织物组织不同部分截面的 可能性。 ( 二) 谋甚妥解决鳃鞫纛 1 图象处理硬件系统的合理选用 2 研制利用计算机图象技术检测纤维体积含量的软件系统。 3 计算机图象检测方法准确性的研究。 7 第一章图象处理硬件系统 图象处理硬件系统的组成一般主要有输入装置、图象处理设备以及图象输出 设备等。图象的输入一般用摄像机、光纤、电池等。为了将输入的模拟量变换为 数字信号，一般使用a d 变换装置。数字化后的输出图象数据，存储在图象存储 器中，各种处理用计算机通过数字运算来实现。原图象或处理后的图象，通过d a 变换装置再模拟输出。在图象的a d o a 变换装置及图象存储器之间，一般使用 特殊回路及多个存储器将汁算机和接口系统有机地组合起来。这是图象处理硬件 系统常常使用的方法。 一图象处理硬件系统的构成 图卜1 是数字图象处理硬件系统的构成图。系统的基本配置大致可分为如下 部分：图象摄取并进行数字化：处理象素阵列的运算装置；储存输入数据和处理 结果的存储器( 包括外存储器) ：显示、记录处理结果的输出设备等四个部分。其 中，图象输入、输出设备的种类取决于被处理的图象的性质和处理的目的。运算 处理的核一心是通用计算机。 ( 大容量图象) 存储 爪 ( 图象) 运算处理 图卜1 数字图象处理分析系统的构成 = 图象处理硬件系统的组成部分及其原理 ( 一) 巨象赣人设备 1 数字图象 数字图象就是把投影到二维平面上的信号( 模拟信号) 变成计算机能够处理 的信息形式( 数字信号) 如图卜2 所示，也即把画面分割成被称为象素的离散 点，各象素的灰度值也是用离散的整数值来表示的。 囝彗西蒸舯 8 曦热搓 抽样就是把时间和空间上连续的图象变换成离散点( 抽样点即象素) 的集合 的一种操作图象是二维平面上分夼的信息形式要把它输入计算机，首先要把 二维信号变成一维信号，因此要进行扫描，扫描是在二维平面上按一定的间隔从 上方顺序地沿水平移动而获得浓淡值( 灰度值) 的线扫描。对于由此得到的一维 信号，通过求出每一特定间隔的值就得到了离散的信号。在抽样时，如果设横向 的象素数是m ，纵向的象素数是n 则画面的大小可表示为“m n ”个象素。 麟i 孽豫嚣爨媲鞫塞黪 经过抽样，图象被分解为在时间或空间上的离散的象素。但是象素的值( 浓 淡值) 还是连续值。把这样连续的浓淡值变换成离散值( 整数值) 的操作就是量 化。如图1 ”3 ( a ) 所示，对于存在z 1 z z 2 的浓淡值，量化后成为整数值q i ， 这样得到的数值叫做灰度值或灰度级。 z l z 专 q i l q 1 q i + 1 z 2 连续的量化值 灰度值( 整教值) 网 黑 l i 灰i 灰 l 刨 白 从白到黑的 萑续变化 2 5 5 2 5 4 1 2 8 l 0 ( a ) 量化 ( b ) 把从白到黑的灰度值量化成8 比特 图卜3量化 图卜3 ( b ) 是用以表示白灰黑的连续变化( 灰度值) 量化成为8 比特， 即0 2 5 5 的2 5 6 级时的情况，表现了数值与灰度值相对应的浓淡程度，将表示 对应于各个灰度值的浓淡程度叫做灰度等级或灰度标度。在用0 2 5 5 的值对应于 白与黑的时候，有以0 为白，以2 5 5 为黑或者以0 为黑，以2 5 5 为白两种方法。 图i - 4 是获得数字图象过程的图示。 2 输入设备配置 本课题图象输入系统是由c c d 摄像机和v 5 1 2 一a 板构成。 麟摄黼群羹羹蓬 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 电荷耦合器件是利用电荷传送读出方式 输出的固体摄像器件。它由很多细小的探测器构成，这些探测器可以寄存 ， ， 目一 垂直方向 的抽 ( 扫描线) 静止图象 ( 模拽) 各扫描线上 醋 象素 n 象 素 m 象素 数字囝象( v n 蕞素) 图1 4 数字图象：抽样和量化 模拟电荷量，其值正比于照射它的光强度。这些探测器按一定的规律排列，这样 可以在一幅模拟量的原始图象上进行采样，并记录下来。每当电荷耦合器件采样 一行原始图象时，它就将其电荷量( 表示光能级的模拟量) 发送给模，数转换器， 将它转换成二进制数据。接着。电荷耦合器件又去接收下一行的电荷量，这一过 程只需花费几分之一秒的时间。 c c d 电荷传送读出方式如图1 5 所示，在光电变换器件群( 探测器) 里存 储的信号电荷，通过移位寄存器同时向一个方向顺序传递而得到输出。工作原理 如下：在图1 - 6 所示的构造中，加压于电极l 上，从而在半导体基板内形成耗尽 层( 势阱) ( 如图l - 6 ( a ) ) 。由电或光激励起的电荷存储在耗尽层中( 图1 - 6 ( b ) ) ， 接着，在电极2 加上大的负电压( u i 1 9 5 。那么，应有下式成立。 l一v11790543,1-50004999029 5 g m m 7 1 7 当此式成立时，x = 6 。 以上分析可以推广到n 层及n 个等概率事件。实际会出现的不同截面情况为 rn + l i n n + n t n 为奇数 1兰 j 尘譬坐 n 为偶数 其中只切割到纤维束( 中间部分与边部) 的情况为 荤 n 为奇数 n 为偶数 当c d 的数值不同时，等概率事件n 的数值就会发生变化。取样时，满足一 定概率条件的截面数x 也会随之变化。下面的表2 - l 就是c d 值发生变化时，对应 的n 及x 的数值，铺层数n - - 9 。 表2 - 1 c n d4 57 69 81 1 0 l 1 1 3 2 【1 1 4 5 x 2 l1 18 6 5 4 当复合材料增强物采用同等细度的纱线系统时，纱线密度的增大会使空隙部 分减小，因此，c d 值会增大，由表2 1 可看出所取截面数x 会相对减小。所以， 当增强织物密度较小时，应该尽量多取样；当增强织物密度较大时，可以相对减 少取样量。 但是，为了对检测的结果进行数理统计方面的合理分析，减小误差，在实验 条件与经费许可的前提下，应尽可能多取样，加大样本容量。 当使用阈值法检测纤维体积含量时可以只考虑纤维束的横截面情况。观察 图2 5 中的纱线交织图，可知切割在织物的任何部分，都可以得到纤维柬的横截 面。切割面应与被截断的纤维束垂直，这样，纤维柬中单根碳纤维的横截面的面 积就比较一致。随着切割位置的不同，整个纤维束的横截面的形状会有所变化。 这个变化应该是连续的。但为了分析方便，可以考虑几个具有代表性的横截面形 状。即对应图2 5 中( i ) 的横截面形状l ，对应( i i ) 的横截面形状2 ，列应( i i i ) 的横截面形状3 。出现横截面形状1 和2 的概率比出现横截面形状3 的概率大。 可以沿用前面曾提到的等概率分析方法。将等概率事件个数设为n 时，n1 l 。当铺层数为9 层时，实际会出现的不同截面情况为： ! ! ：g ! ! ! ! ：1 1 7 9 0 5 4 3 7 l 2 其中三种横截面形状1 ，2 ，3 均存在的情况数为： ! ! ：! ! 二! ! 二! ! 二! ! ! k ：! ：= ! - 2 c ； 3 9 + 3 5 + 6 3 x 2 9 3 2 5 】一l = 6 7 8 8 1 8 6 7 0 设检测纤维体积含量时，任取x 个截面，其中至少有一个三种横截面形状均 存在的截面的概率为9 5 。那么，应有下式成立： 1 一1 。1 1 7 9 0 5 4 3 7 1 - 6 7 8 8 8 6 7 0 9 5 ，t j 。1 1 7 9 0 5 4 3 7 1 当此式成立时，x = 4 。 以上分析可以推广到r t 层及n 个等概率事件。三种横截面形状均存在r 不重 复的截面情况数为： r l + 1n + 1 n + i n “+ n2 一o q 1 ) 。一( n 一1 ) 2 一( n 一1 ) l2 “+ 22 4 l lj c釜“+孚+s一，n一tn+13 323 2 1 1 2 n 为奇数 c 备一，f “+ 2 + 6 3 “一2i n 为奇数 j ”+：一(n-0n-n n c n t ，：一c n 一， 2 。+ 2 ；一4 ”+ 2 一( n 一1 ) 2 一( n 1 ) 。+ 2 一 ，蚶m z ； 一t 枷数 当c d 的值不同时，会使设置的等概率事件的个数n 值发生变化。取样时， 满足一定等概率条件的截面数x 也要随之变化。下面的表2 - 2 就是不同的c d 值对 应的n 值与x 值。 6+ n 一2 3+ n 3 ，孔 c 表2 - 2 分析上表，当增强织物密度较小( e d 值较小) 时，取样量可以相对小；当 增强织物密度较大( c d 值较大) 时，取样量应该增大。为了利于实验结果的分析， 在实验条件及经费许可的前提下，应尽可能加大取样量。 三试件的制备 标准g b 3 3 6 6 - 8 2 ( 碳纤维增强塑料纤维体积含量检验方法) 及f s b 7 3 0 8 ( 先进 复合材料横断面和显微照相的评价) 中都有制备截面图象的标准方法，主要有粗 磨、细磨、抛光等步骤。本实验由于实验仪器及条件有限，因而没有进行抛光处 理。具体做法是：首先复合材料在铣床上进行切割取样( 应与一纱线系统平行， 与另一纱线系统垂直) ，然后截面用1 8 0 粒度的耐水砂纸进行粗磨，再用3 2 0 粒度 的进行细磨，在打磨过程中均用流动水冲掉表面磨下的磨粒。 第三章纤维体积含量的测试 将测难? f 维体积含量的原理与图象处理硬件系统结合起来就可进行纤维体 积含量的测试，下面将介绍测试系统使用的软件及测试步骤 一测试软件 本实验运恫、1sl l a lb a s i c5 0 编制测试系统的使用界面和测出纤维体积含量 的程序。利用使用界面，可以分别进行“获取截面图蒙”，“利用截面图象进行测 定”及“测定结果的汁算及存储”等各项操作。 测出纤维体积含量的程序主要分别对应几何法及阈值法。 图31 几何法程序框图 2 l 否 图3 - 2 鲤值法程序框图 二测试步骤 ( 一) 获取截面图象 用c c d 摄像机摄取清晰的截面图象( 注意平稳不要晃动。以免图象模糊) ，存 储为b m p 图蒙文件。图象的大小为2 5 6 x 2 5 6 。 t 二) 翻禹藏面圈惫进行穗定 对应几何法及阈值法，设计了两种实验方法，均利用商业图象处理软件a d o b e p h o t o s h 0 1 ) 4 0 进行。因为p h o t o s h o p 是一个优秀的图象处理软件，图象处理的 功能十分强大，可以满足我们的实验要求。因此，可以在测试系统中直接调用 p h o t o s h o p 来处理图象。 1 方法1 ( 对应几何法) 步骤如下：在p h o t o s h o p 中打开欲测图象的图象文件。 在i m a g e 菜单下进入a d j u s t 中的b r i g h t n e s s c o n t r a s t 对话框，将c o n t r a s t 值设为95 ，调整b r i g h t f l e s s 的值直到图 象清晰，织物结构明显为止，记录下b r i g h t n e s s 与c o n t r a s t 的 值。 在f i l t e r 菜单下进入s h a r p e ne d g e ，使图象锐化，图象边缘得 到加强。 利用工具箱中的放大工具，将图象放大至500 。( 利于检测单 个象素) 使用鼠标测量( 光标最好呈十字指针形，有利于定位) 。对应象素 的坐标位置，灰度值可由i n f o r m a t i o n 窗口中获得。 退出p h o t o s h o p ，利用测试系统中的“几何法”，输入 a ，b ，e ，d ，e ，f jv 。值可以求出纤维体积含量。 图3 - 3 步骤图3 - 4 步骤 8 ，b c ，d - e f 的嗣定 根据第步中记录的b r i g h t n e s s 与c o n t r a s t 的值，查看下表： 表3 - 1 其中灰度值灰度值】的象素，认为代表碳纤维。灰度值 灰度值1 且灰 度值2 的象紊，认为代表纱线截面中的树脂。移动鼠标，可以测出a ，a z ，c l ，c 。 这四个象素的灰度值均 灰 度值l 且灰度值2 。图3 5 中可以看出水平方向的纱线灰度值比截面大得多， 图象普遍较明亮，但灰度值仍略有差别。当鼠标沿纵坐标上下移动时，灰度值变 化较大的( 增加或减少30 以上) 象素的纵坐标值即为b 。b z 。图3 5 中图象上 的虚线框坐标为( c na 1 ) 一( c 2 ，a 2 ) 。 a = 2 d ：b 二型1 2 图3 - 5v f ，的确定 b ：堕二蝈兰 ；2 ； e = i ! ! 二! ! ! ! 2 c 2 那么，b 。，b 2 ，a l ，a 2 ，e ，e 2 均是象素的纵坐标值；c 。，c 。，d l ，d 2 均为象素的横坐标值。 为r 简化测量，令e = f 。 v 。的测定：( c 1 ，a 1 ) 一( c 2 ，a 2 ) 所形成的矩形n r 以看作是完整的纱线束截面的图象， 不包括那些二个纱线系统问的纯树脂区域( e f d 的区域) 。利用工具箱中的 、t 川一t 具选定这个矩形，坐标即为( c l ，a 1 ) 一( c 2 ，a 2 ) 。打开i m a g e 菜单中的 h i - f 雌m m ，可以看到这个区域的灰度值分布及象素个数的直方图。记下灰度值 i 的缘索占总象素的比值( 即碳纤维在整个矩形图象中的含量) 及灰度值2 的 象紊占总象索的比值( 即碳纤维和树脂的含量) 两值相比，即v 。参见图35 ， 繁藏镳辩黼鬻蘩霾舞黪： 表31 是为了方便测量而设计的一张表。在利用c c d 摄像机摄取截面图象时， 光线强弱不同会影响图象的效果；而且由于仪器及图象自身的原因，图象可能不 够清楚，边缘可能不够清晰。利用b r i g h t n e s s c o n t r a s t 对话框，可以使图象的 亮度及对比度都处于良好的状态，便于测量。每幅图象都进行这个处理，有助于 消除摄像时光线的影响。使所有图象的总体水平都接近，即图象的平均亮度值， 灰度值变化范围，灰度值范围的中点值( 分别对应图象分析表h i s t o g r a m 中的 m e a n s t dd e v m e d i a n ) 接近，进行测量时，误差才可能将至最低。 判断图象质量的最常用和最可靠的方法是作为观察者的人的主观评价。根据 经验，当此三值均在7 0 左右时，图象总体质量较好，人眼看上去比较舒服，利于 枪测者的检测。固定c o n t r a s t 的值，只变化b r i g h t n e s s 的值，是为了找出规律， 而l ；l ，由实践可知，当b r i g h t n e s s 值不超过2 0 时，c o n t r a s t 的值为9 5 时，是 对比较好的。 从p h o t o s h o p 的图象分析表( h i s t o g r a m ) 中，可以看出，当图象经过亮度及 刈比度的变化，以及边缘锐化后，图象的灰度值不是完全连续的。有些灰度值没 有对应的象素值，即这些灰度值在图象中是不存在的。这些象素个数为0 的灰度 值，无形中将整个灰度值范围分为若干组，再加以总结，可以归纳出一系列的灰 度值1 及灰度值2 ，来区分碳纤维和树脂。表31 就是这样得到的。 2 方法2 ( 对应阈值法) 步骤如下：进入p h o t o s h o p4 0 ，打开含有欲测图象的图象文件。 利用公具箱中的m a r q u e e 工具，在背景中精确选定图象，用i m a g e 菜单中的c r o p 将其剪下，记录下h i s t o g r a m 中的象素总数。 退出p h o t o s h o p ，利用测试系统中的“闽值法”可得出经纱纬纱 的纤维体积含量。 表4 - 1 是复合材料制造者提供的a ，b ，c ，d ，e ，f 等各批试件的增强物的织物结构 参数。 表4 - 1 织物结构参数 经密纬密厚度单位面积质量 ( 根1 0 e m j( 根l o o m )( m m )( 鲋一) a 5 05 0 0 3 7 0 2 0 18 9 b5 55 50 3 8 72 2 3 3 3 c6 56 60 4 0 92 6 93 3 d6 56 504 0 72 6 9 2 i e6 56 60 4 1 32 6 8 2 1 f 7 37 30 4 5 l3 0 09 9 表4 2 中是由复合材料制造者提供的各组试样的纤维体积含量标准值，获取此 值的方法参见附录。 衷4 - 2 试样 abcdef v f 标准值( ) 3 78 24 1 6 0 4 7 7 74 72 04 84 05 0 6 0 一几何法： ( 一j 麟 表4 - 3 中是用几何法得到的v f 检测值的数据汇总及其平均值，具体的原始数 据参见附录。 表4 3 v f 检测值( ) 平均值( ) 3 8 1 23 8 6 53 8 8 53 89 7 3 8 6 73 85 83 86 73 83 23 41 5 a 3 49 0 3 4 7 03 4 8 6 3 4 2 43 49 53 47 23 47 44 34 34 3 “ 4 04 44 25 94 1 2 14 13 6 4 23 64 45 03 7 6 13 7 5 83 79 63 80 9 3 79 13 7 2 53 7 7 4 3 60 63 58 13 55 63 5 2 43 39 53 6 o o 3 9 2 6 3 93 63 99 73 95 63 95 5 b4 17 4 4 14 74 1 ，1 24 14 l 4 46 23 95 6 3 90 5 3 98 0 3 99 4 4 28 04 2 3 64 24 44 39 24 39 4 3 8 6 44 08 9 4 14 8 4 80 64 85 24 8 2 l4 86 94 89 64 8 1 5 4 8 4 74 83 74 80 l c 4 81 2 4 8 2 54 8 4 74 75 14 73 84 99 34 9 4 24 51 14 53 94 7 1 8 4 46 64 4 6 34 25 14 30 14 36 34 66 74 67 64 6 5 45 04 7 d4 47 6 4 57 14 50 15 2 1 24 18 84 2 2 15 09 44 92 i4 89 7 4 70 7 4 86 74 79 94 90 64 71 34 78 94 6 0 54 65 4 e 5 08 94 5 9 64 8 4 24 8 1 64 72 44 81 3 f5 2 1 65 23 7 5 19 25 05 25 07 65 09 65 03 35 18 65 05 4 4 86 5 4 86 64 7 1 84 62 24 73 74 83 24 9 1 14 98 44 9 4 84 98 1 5 02 2 v ，检测值的各个数据均取4 位有效数字。以下从附录中选取几个表格进行分析。 表4 4 a 组l a w 2 b m p l 项目 abcde f v h ( )v f ( ) 14 5453 25l7 8 0 7 4 43 92 0 7 0 7 2 3543 0 57156 7 6 6 6 52 8 5 8 3 4 1 3 453 53 5 5 05 7 88 7 3 l 4 2 5 1 0 8 2 45553 254l8 62 6 3 54 57 8 6 3 5 5444 43】7 58 4 9 84 0 1 7 3 5 2 65 553 6550 57 8 2 7 6 84 29 2 9 2 6 74 52 54 9 55o57 85 9 0 34 3 2 0 0 9 2 83 5452 725159 03 4 2 54 39 9 1 6 9 93 544 165l7 0 0 5 8 53 3 8 3 3 5 7 1 0443 75507 34 0 3 04 35 3 1 4 1 l l232 0 570 57 6 ，0 0 0 43 3 1 9 4 9 1 1 2657 95l7 3 1 0 5 44 0 5 1 6 1 3 45 5 5 3 755l 5 92 9 8 33 0 7 9 0 0 9 1 43543 0 51 0056 7 7 3 8 33 l2 1 5 1 l 1 53544 1530 57 9 2 6 6 54 5 1 1 9 8 6 平均 3 8 9 7 2 2 7 表中的a , b ，c ，d ，e , f nv r y 是根据第三章中的几何法测出的。v f 值是利用公式( 2 - 1 ) - ( 2 - 7 ) 得出的。1 , 2 ，1 5 是单元体个数。 123456 7 89l ol l1 21 31 4 1 5 l 墨柱形代表纤维体积含量i i - _ _ _ _ - - - - - ，- 一 图4 1 平均值v f = 3 8 9 7 标准差= 5 6 3 可以看出图中的标准差比较高。这有几方面的原因： 受图象打磨精度所限，造成图象不够清晰，总体质量不高。 受图象面积所限，可取的单元体( 样本) 数量太少。 复合材料本身的质量原因。 测量时人为的误差。 下面再看看另几组中选取的数据的柱形图表，基本状况与图4 1 相似。 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 l23456 7891 01 11 2 1 31 41 51 6 1 71 8 1 92 02 l 图4 - 2 平均值v t = 4 1 1 2 标准差6 6 ( 8 组2 c j 3 b m p ) 1234567891 01 11 21 3 1 4 1 5 1 6 图4 - 3 平均值v r - 4 67 6 标准差= 63 8 ( c 组4 b j 2b m p ) 234 5678 图4 - 4 平均值v r = 4 7 1 3 标准差= 24 9 ( d 组5 0 w lb m p ) 6 0 5 0 4 0 , 3 0 2 0 0 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 234567891 0 匝亟垦堕囹 图4 - 5 平均值v f = 4 81 6 标准差= 43 8 ( e 组6 c w 2 b m p ) 2 qb 6f89i ui l1 21 3t 41 51 6 【rl 8l 92 0 i 圈柱形代表纤维体积含量l 图4 - 6 平均值、，r = 5 03 9 标准差= 50 3 ( f 组3 a j 5 i m p ) ( 二) 教据分析： 以下分析中，m 0 为每组的纤维体积含量的标准值，n 为每组的取样个数。设 a ，b ，c ，d ，e ，f 各组试样的纤维体积含量均服从正态分布。 a 组：设显著水平o = 00 5 ，双侧检验。 m 0 = 3 7 8 2n = 4 1 t 1 。2 ( 1 1 1 ) = t 0 5 0 0 产2 2 0 1 v ，平均值- - 3 80 9 s - - 28 1 8 3 u ：2 8 1 8 3 ；x ：2 0 2 1 ：0 8 9 0 4 1 7 v f 平均值一u = 3 7 2 0 0v ，平均值+ u = 3 89 8 0 v f 平均值- m 0 i = 02 7 因为0 2 7 08 9 0 ，所以认为a 组的v f 平均值等于标准值m o ，置信区问为 ( 3 72 0 0 ，3 89 8 0 ) ，置信概率为9 5 i 。 b 维：设显著水平n = 00 5 ，取侧检验。 m 0 = 4 l6 0n = 1 6 2 9 h 。2 ( n 一1 ) 2 t o9 7 s ( 1 5 ) 21 3 l v ，平均值- - 4 1 4 8 s = 1 8 0 1 9 u ：! ：! ! ! 罂! 型：0 9 6 0 、1 6 v f 平均值一u - = 4 0