CN103901108A - 一种复合材料界面脱粘的相控阵超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料界面脱粘的相控阵超声检测方法，包括如下步骤:步骤1、相控阵探头各晶元依次触发产生超声波信号，超声波信号经过叠加后进入复合材料内部传播，遇到复合材料分界面或者复合材料界面脱粘便发生反射；步骤2、反射的超声波信号经过叠加后被相控阵探头接收，通过数据处理后通过相控阵显示仪输出相控阵扫描图像；步骤3、对比复合材料界面粘接良好时的超声波检测图像和界面脱粘时的超声波检测图像，由此判断复合材料是否存在脱粘缺陷。具有检测精度高和操作过程简单等优点。

Description

一种复合材料界面脱粘的相控阵超声波检测方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料界面粘接的无损检测技术，具体地说是一种复合材料界面脱粘缺陷的相控阵超声波检测方法。

背景技术

复合材料的使用提高了产品的性能，但同时也给无损检测带来了挑战。脱粘作为多层粘接的复合材料最主要的缺陷之一，直接影响复合材料的可靠性。粘接作为联接材料或结构的手段有诸多的优越性，比如施工方便、联接应力分散、对粘接体本身要求低，适用面广等。通常情况下，粘接的效果由粘接工艺过程决定，如粘接剂的成分设计，工艺设计等。粘接结构由于具有比强度、比模量高，抗疲劳和减震性能优越等特点，已经在航空、航天和军工领域被广泛使用。在粘接过程中由于粘接工艺等原因可能产生界面脱粘缺陷，这些粘接缺陷严重影响了粘接结构的完整性。而且，即使粘接工艺设计很理想，在实施过程中也可能存在诸多因素导致粘接效果变差或强度降低。如在制造过程中，粘接界面上还往往存在残余应力，如热固化产生的残余应力，加上粘接界面对使用环境也比较敏感，如疲劳、腐蚀、老化等，使得厚度尺寸很小的粘接界面层在即使有微小的缺陷情况下也可能发生致命的破坏，因而，无论在粘接件制造过程中还是在其使用中，对复合材料界面存在脱粘缺陷的检测已成为超声检测中一个极其重要的研究领域和前沿课题。

超声波检测由于其操作方便、检测速度快、灵敏度高、可靠性好的特点，目前在复合材料检测领域得到广泛应用，但对复合材料粘接结构脱粘缺陷的检测还比较困难。近年来，相控阵超声检测技术发展迅速，美国Stanford大学的Pierre研究小组实现了基于二维阵列探头的实时三维成像技术。英国RobertGordon大学提出了基于声光成像的缺陷直接可视化技术，并进行了系统设计和实验研究。目前，相控阵超声波技术主要应用于生物医学、管道检测以及海洋形貌探测和反潜等领域。相控阵超声波检测技术在复合材料界面脱粘的检测尚未见报道。本文针对复合材料界面脱粘提出一种新的相控阵超声波检测方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种复合材料界面脱粘的相控阵超声波检测方法，该检测方法具有检测精度高、缺陷检出率高和检测过程简单等特点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种复合材料界面脱粘的相控阵超声波检测方法，包括以下步骤：

1)相控阵探头各晶元依次触发产生超声波信号，超声波信号经过叠加后进入复合材料内部传播，遇到复合材料分界面或者复合材料界面脱粘便发生反射；

2)反射的超声波信号经过叠加后被相控阵探头接收，通过数据处理后通过相控阵显示仪输出相控阵扫描图像；

3)对比复合材料界面粘接良好时的超声波检测图像和界面脱粘时的超声波检测图像，由此判断复合材料是否存在脱粘缺陷。

对复合材料界面粘接良好时的超声波检测图像和界面脱粘时的超声波检测图像的对比确认的过程是基于反射波声程差原理；当检测复合材料的界面完好时，超声波信号在整个传播到反射过程的声程较长，显示在相控阵检测图像上的第二界面反射波的高度较低；当检测复合材料的界面脱粘时，超声波信号在整个传播到反射过程的声程较短，显示在相控阵检测图像上的脱粘缺陷反射波的高度较高；通过对界面粘接良好时的超声波检测图像和界面脱粘时的超声波检测图像进行对比，得到的声程差Δh，即可判断复合材料是否存在脱粘缺陷。

相控阵探头晶元按顺序激发超声波，形成的波阵面具有偏转和聚焦作用，可以再少移动或者不移动探头的情况下扫查复合材料界面情况。

本发明的工作原理：本发明利用一维相控阵超声探头，采用机油作为探头与复合材料之间的耦合剂，对复合材料粘接界面进相控阵扇形扫描。根据扇形扫描的二维图像来判断界面脱粘缺陷。相控阵超声波探测的流程图如图2所示。超声检测的工作流程为：相控阵探头的晶元发出超声波，超声波在探头和介质之间传播，根据超声波在介质和缺陷的传播性质的不同回拨的性质也不一样，通过接收的反射波来显示被测试件的内部特征，从而通过二维超声图像来识别缺陷的大小和类型。

本发明所采用的技术原理：1、相控阵超声检测原理：超声波是指频率高于20kHZ的振动横波，一般用于无损检测的频率通常是0.5～10MHZ的频率波段。超声波在介质中传播时，遇到另一种介质，会在界面处发生折射、反射和模式变换（即横波变成纵波，纵波变成横波）。一部分波能被反射回原来的介质，被称为反射波，即反射波；另一部分能量穿过界面，在另一介质中继续传播，被称为折射波。声波在界面被反射的程度主要由两种介质的声阻抗（声波在介质中的传播速度与介质的密度的乘积）决定，声阻抗差越大，反射强度越强。超声检测时，如果需要对物体内的某一区域进行成像，必须进行声束扫描。相控阵成像是通过控制阵列换能器中各个晶元的激励与接收脉冲的时间延迟，从而改变各个晶元发射（或接受）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控波束合成，形成成像扫描。普通超声波脉冲反射波扫描，探头由单个晶元组成。相控阵探头是基于惠更斯原理设计的，由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个晶元，按一定的时序用电子系统控制激发，使阵列中各晶元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面，如图1a所示。同样，在反射波的接收过程中，按一定时序控制接收单元，并进行信号合成，再将合成结果以一定形式显示出来,如图1b所示。相控阵超声成像可进行线形扫描、扇形扫描和体扫描成像，但无论哪种显示都是由A扫的信息转换而来。2、反射波声程差原理：超声波的声程等于从发射超声波到接收反射波经过的时间乘以超声波在检测材料中的传播速度，声程反映在相控阵扫描图像上即为反射波的高度。不同的反射波由于传播时间的不同，在相控阵扫描图像上的高度也会不同。通过对界面粘接良好时的超声波检测图像和界面脱粘时的超声波检测图像进行对比，得到的反射波的声程差Δh，即可复合材料是否存在界面脱粘。图3a为复合材料界面完好情况，图3b为复合材料界面缺陷情况，图4a为界面粘接良好时相控阵超声波检测图像，图4b为界面脱粘时相控阵超声波检测图像。相控阵探头通过控制各个晶元时延发出超声波，通过耦合介质传播到复合材料1，一部分声波经过耦合剂在第1界面发生反射沿原路径返回探头。另一部分声波透射进入复合材料1并向前传播，透射进入复合材料1的声波向前传播到达与复合材料2之间的界面处，一部分透射声波会在界面处发生反射并沿原路径返回探头，产生了第2界面反射波。若复合材料1与复合材料2界面完好如图4a，则第2界面反射波在相控阵扫描图像中显示的位置即为第2界面；若复合材料1与复合材料2存在脱粘缺陷，超声波遇到脱粘缺陷发生提前反射，对比界面完好的扫描图像，由于脱粘缺陷反射波在材料中的传播时间的减少，声程也会减少，因此得到反射波声程差△h。3、抑制旁瓣：超声仪发射信号进行扫查时，除了主波束信号，还会产生旁瓣信号。相控阵超声检测由于存在多个晶元发出信号，当相邻晶元相位延迟按台阶方式变化而产生相位量化误差时，会产生较大的旁瓣，导致图像成像不清晰，信噪比低。本文选用的超声波相控阵检测仪通过幅度加权变迹，对探头中心晶元赋予较大的加权系数，向两端加权系数逐渐减小。在发射状态时中心晶元激励弱，两端晶元激励增强；在接收状态时中心晶元权重，两端晶元权轻，由此可以有效降低旁瓣电平，获得最窄的主波束宽度和最小的旁瓣幅度，从而大大改善图像质量。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、利用相控阵超声波检测复合材料界面脱粘，克服了现有检测技术的诸多缺点，实现了实时无损检测；检测精度高，能够检测出声阻抗相差较大的界面所存在的微小脱粘缺陷；为复合材料脱粘缺陷检测提供了一种新的检测方法。

2、由于相控阵超声可以进行聚焦和偏转，所以不移动探头就可以实现对被测试件在一定声场范围的扫查；相控阵的扇扫图像是二维图像，与A扫图像相比，能更加直观地显示出脱粘缺陷的尺寸和位置，可辅助定量判断缺陷的大小和类型；

3、相控阵检测技术与常规超声检测相比具有其不可比拟的优点：①检测能力更强，缺陷检出率更大。超声检测的横向分辨力受声束的宽度的影响，声束宽度越宽横向分辨力越低，反之，横向分辨力越高。传统探头的声束宽度要比比超声相控阵的声束宽得多。超声相控阵检测技术不但可以实现声束的偏转，同时还可以实现声束的聚焦，通过电子系统，对相控阵仪器设置不同的延时规则能控制所激发的波束特征，并能聚焦在不同的深度和位置。相控阵探头可以针对缺陷的可能位置、类型结合工件外形及检测面选择合适的波束角度及聚集深度，完成复杂形状工件的全面扫描，得到分辨率高的检测图像，提高了缺陷特别是深度缺陷的检出能力，克服了常规超声脉冲反射波法不能实现声束聚焦或者虽然可以实现声束聚焦但无法实现可变聚焦这一难题。②检测更全面，灵活快捷。相控阵探头中被选中激发的晶片能够实现高精度、快速、全面的断面扫描。传统的超声检测探头由于声束方向固定无法偏转，所以在检测外形复杂工件材料时要不断更换各种探头或移动探头从不同方向进行扫描来保证扫描部位被完全覆盖而不致于漏检，在实际检测中可操作性不强。而用超声波相控阵检测时，则可通过局部晶片单元组合实现波束偏转角度、形状、方向和聚焦深度的控制，可在保证检测灵敏度较高、不移动工件的前提下实现高速电子扫描和检测，不移动探头或少移动探头就可扫描厚度较大工件和外状复杂工件的各个区域，而且检测过程比传统探头快得多，还可实现实时电子扫描和动态聚焦，这些优势是传统超声检测方法所无法比拟的。③相控阵的扇扫图像是二维图像，与传统超声波检测图像相比，缺陷图像更直观、准确。相控阵检测通过控制发射声束的偏转和聚焦，使超声波能够到达被检物体的每个细微之处，接收反射回来的信号之后经过延时聚焦、变孔径、变迹处理，对信号进行图像重建便可得到被检材料某一截面的声成像，形成直观的、高分辨率的、易于观察分析的缺陷图像。超声波相控阵检测还能通过声束合成技术将A扫描图像合成C扫描、D扫描、S扫描等显像形式，从而显示出超声波束在被检材料中的底面投影及缺陷位置（深度）图像，大大提高了缺陷定位、定量、定性的准确性。

4、检测过程操作简单，对被检试件无伤害，是一种无损检测；解决了复合材料界面粘接质量的检测问题，并且为运行已久的复合材料的界面检测提供有效方法。

5、研制出专用复合材料界面脱粘检测的相控阵探头。通过优化探头尺寸、透声层厚度设计、晶元数量，使探头可以对复合材料界面区域进行最大范围的扫查，同时聚焦效果集中在复合材料的分界面上，提高的检测图像的信噪比和分辨率，减少了杂波干扰。

附图说明

图1a是相控阵声束的发射示意图。

图1b是相控阵声束的接收示意图。

图2是相控阵超声波检测流程图。

图3a是复合材料界面粘接良好时的相控阵检测示意图。

图3b是复合材料界面脱粘时的相控阵检测示意图。

图4a是复合材料界面粘接良好时的相控阵检测效果图。

图4b是复合材料界面脱粘时的相控阵检测效果图。

图中：1、相控阵探头；2、复合材料一；3、复合材料二；4、第一界面；5、第二界面；6、脱粘空气隙；7、盲区；8、第二界面反射波；9、脱粘空气隙反射波。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图3a、图3b、图4a、图4b所示，本发明提出一种复合材料界面脱粘的相控阵超声检测方法，利用超声波声束的合成和聚焦对复合材料进行检测，所述的检测过程包括如下步骤：

1、按需要在相控阵超声检测仪上通过预置软件输入复合材料2和复合材料3的声速、声速的偏转角度、探头频率、焦距深度、激活的晶片数量、扫描的类型、扫描的步进角度等参数。

2、完成参数设置之后，清除被探测物表面和探头移动区的污垢，并在复合材料2表面和探头移动区涂抹耦合剂，耦合剂选用机油。

3、根据复合材料1的厚度调整相控阵探头的聚焦深度，从而提高图像的清晰度和信噪比。

4、将相控阵探头1通过耦合剂置于界面粘接良好的复合材料表面上，如图3a。

5、按照一定的扫描方式移动相控阵探头1对复合材料进行扫描检测。

6、相控阵超声检测仪通过系统主控计算机自动计算时间延迟，并根据计算结果由相控阵超声电子单元控制相控阵探头1里面的各个晶元依次触发，产生超声波信号。

7、超声波信号叠加后通过第一界面4进入复合材料2内部传播，遇到第一界面发生第一次反射，产生第一界面4的反射超声波信号。

8、第一界面4的反射超声波信号在图4a相控阵检测效果图中显示成信号盲区7。

9、超声波信号继续传播，遇到复合材料2与复合材料3的第二界面5，发生第二次反射，产生第二界面5的反射超声波信号。

10、第二界面5的反射超声波信号在图4b相控阵检测效果图中显示成第二界面反射波8。

11、将相控阵探头1通过耦合剂置于界面脱粘的复合材料表面上，尽量使探头1与复合材料2的表面紧密接触。

12、按照一定的扫描方式移动相控阵探头1对复合材料进行扫描检测。

13、相控阵超声检测仪通过系统主控计算机自动计算时间延迟，并根据计算结果由相控阵超声电子单元控制相控阵探头1里面的各个晶元依次触发，产生超声波信号。

14、超声波信号叠加后通过第一界面4进入复合材料2内部传播，遇到第一界面发生第一次反射，产生第一界面4的反射波。

15、第一界面4的反射波在图4b相控阵检测效果图中显示成信号盲区7。

16、超声波信号继续传播，遇到复合材料界面脱粘的空气隙，发生第二次反射，产生脱粘缺陷的反射波，该反射波在图4b相控阵检测效果图中显示成反射波9。

17、通过将反射波8和反射波9进行对比，通过声程差Δh确定复合材料是否存在界面脱粘。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合材料界面脱粘的相控阵超声检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、依次触发相控阵探头的各个晶元，产生超声波信号，超声波信号经过叠加后进入复合材料内部传播，遇到复合材料分界面或者复合材料界面脱粘便发生反射；

步骤2、反射的超声波信号经过叠加后被相控阵探头接收，通过数据处理后通过相控阵显示仪输出相控阵扫描图像；

步骤3、对比复合材料界面粘接良好时的超声波检测图像和界面脱粘时的超声波检测图像，由此判断复合材料是否存在脱粘缺陷。

2.如权利1所述的复合材料界面脱粘的相控阵超声检测方法，其特征在于，在步骤3中，所述的对比复合材料界面粘接良好时的超声波检测图像和界面脱粘时的超声波检测图像的对比过程是基于反射波声程差原理；所述反射波声程差原理中的超声波的声程等于从发射超声波到接收反射波经过的时间乘以超声波在检测材料中的传播速度，声程反映在相控阵扫描图像上即为反射波的高度；不同的反射波由于传播时间的不同，在相控阵扫描图像上的高度也会不同；当检测复合材料的界面完好时，超声波信号从发射到反射的声程较长，显示在相控阵检测图像上的第二界面反射波的高度较低；当检测复合材料界面脱粘时，超声波信号在从发射到反射的声程较短，显示在相控阵检测图像上的脱粘缺陷反射波的高度较高；通过对第二界面反射波和脱粘缺陷反射波进行对比，得到声程差Δh，根据声程差Δh来判断复合材料是否存在脱粘缺陷。

3.如权利1所述的复合材料界面脱粘的相控阵超声检测方法，其特征在于，在步骤1中，所述相控阵探头各个晶元按一定规律延时发射超声波信号，发射的所述超声波信号在空间叠加后形成具有一定偏转角度的超声波声束。

4.如权利1所述的复合材料界面脱粘的相控阵超声检测方法，其特征在于，在步骤1中，所述相控阵探头的晶元按顺序激发超声波，形成的波阵面具有偏转和聚焦作用，可以再少移动或者不移动探头的情况下扫查复合材料界面情况。

5.如权利1所述的复合材料界面脱粘的相控阵超声检测方法，其特征在于，在步骤1中，把所述复合材料的界面脱粘作为检测对象。

6.如权利1所述的复合材料界面脱粘的相控阵超声检测方法，其特征在于，在步骤2中，所述反射的超声波信号经过叠加后被相控阵探头接收，通过数据处理后通过相控阵显示仪输出相控阵扫描图像的过程中，采用了幅度加权变迹；超声仪发射信号进行扫查时，除了主波束信号，还会产生旁瓣信号；相控阵超声检测由于存在多个晶元发出信号，当相邻晶元相位延迟按台阶方式变化而产生相位量化误差时，会产生较大的旁瓣，导致图像成像不清晰，信噪比低；所述的幅度加权变迹，其原理是对探头中心晶元赋予较大的加权系数，向两端加权系数逐渐减小；在发射状态时中心晶元激励弱，两端晶元激励增强；在接收状态时中心晶元权重，两端晶元权轻。

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