CN104749082A - 孔隙含量超声多功能评价方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种孔隙含量超声多功能评价方法及装置，属于无损检测领域。本发明通过对声速、声衰减系数及超声非线性系数的测量，建立复合材料孔隙微缺陷与各参量的内在联系和评价方法，并研制孔隙含量超声多功能评价装置。装置包括上位机模块（a）、信号激励与接收模块（b）和换能器模块（c）。上位机模块可操纵上位机软件评价界面对信号进行处理，信号激励与接收模块可用于激励和接收信号，同时还具有滤波放大等功能。本发明实现了声速、声衰减系数以及超声非线性系数等多参量评价复合材料孔隙含量，克服了专用设备的系统性能不稳定及系统集成问题，提高了孔隙缺陷的检出能力和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种孔隙含量超声多功能评价方法及装置。
背景技术
树脂传递模塑(RTM)是一种材料成型工艺，由于其成本低、成型快、质量好、污染小的特点，深受国内外航空、航天等领域的青睐。然而运用此工艺制备的纺织复合材料容易生成孔隙微缺陷，导致材料的最终力学性能降低。因此研究孔隙对于RTM/纺织复合材料的应用具有实际意义。
传统的超声检测技术已较成熟，目前较多使用的检测方法是通过对声速以及超声波衰减的测试来判定孔隙率。但由于RTM/纺织复合材料与预浸料工艺制造的复合材料结构有明显的变化，使声波在其内部传播规律要复杂得许多。近年来，力学、声学和材料学领域的一些研究进展发现，通过非线性超声方法能够很好的反映结构内部疲劳损伤和疲劳裂纹引起的力学性能变化，即使是非常小的损伤，也会导致结构出现明显的非线性。本发明结合非线性声学原理，提出用非线性超声方法评价RTM/纺织复合材料的孔隙含量。
发明内容
本发明的目的是针对RTM/纺织复合材料，提出一种孔隙含量超声多功能评价方法及装置，通过对声速、声衰减系数以及超声非线性系数的测量来评价材料的孔隙含量。
一种孔隙含量超声多功能评价方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）制备一套RTM/纺织复合材料不同孔隙含量的试样；
（2）采用孔隙含量超声多功能评价装置，对RTM/纺织复合材料试样进行测试，获得声速、声衰减系数和超声非线性系数；
（3）通过图表的形式对RTM/纺织复合材料试样的测试数据进行汇总，总结出声速、声衰减系数和超声非线性系数等各参量与孔隙含量之间的联系；
（4）对待测RTM/纺织复合材料重复2）的步骤，获得待测RTM/纺织复合材料的声速、声衰减系数和超声非线性系数；
（5）通过与RTM/纺织复合材料试样的声速、声衰减系数以及超声非线性系数进行比较，得到待测RTM/纺织复合材料的孔隙含量。
本发明所述一种孔隙含量超声多功能评价装置，包括测量声速、声衰减系数的实验装置和测量超声非线性系数的实验装置，二个实验装置都包括上位机模块、信号激励与接收模块和换能器模块；上位机模块连接信号激励与接收模块，信号激励与接收模块连接换能器模块。
本发明所述测量声速、声衰减系数的实验装置的上位机模块包括计算机和高速数据采集卡，信号激励与接收模块包括接收装置、阻抗器、衰减器和低通滤波器；换能器模块包括发射接收换能器和试样，其特征是：计算机连接高速数据采集卡，高速数据采集卡连接信号激励与接收装置，信号激励与接收装置连接阻抗器，阻抗器连接衰减器，衰减器连接低通滤波器，低通滤波器和信号激励与接收装置连接发射接收换能器，发射接收换能器连接试样。
本发明所述测量声速、声衰减系数的实验装置的操作步骤为：
（1）打开测试系统，进入上位机软件评价界面，选择声速或声衰减评价界面，对测量声速、声衰减系数中的信号激励与接收装置进行参数设置，包括激励信号的频率、周期和试块厚度等；
（2）信号激励与接收装置输出幅度、宽度和频率可调的激励射频脉冲串，通过阻抗器、衰减器和低通滤波器，激励发射接收换能器发出超声波，经过试样，再由发射接收换能器接收，最终由信号激励与接收装置接收信号；
（3）接收信号通过高速数据采集卡采集数据到计算机，通过上位机软件评价界面对信号进行处理，显示及存储。
本发明所述测量声速、声衰减系数的实验装置的检测采用反射法进行。
本发明所述测量超声非线性系数的实验装置的上位机模块包括计算机和高速数据采集卡，信号激励与接收模块包括信号激励与接收装置、阻抗器、衰减器、低通滤波器、高通滤波器和前置放大器，换能器模块包括发射换能器、试样、接收换能器和换能器夹持装置，其特征是：计算机连接高速数据采集卡，高速数据采集卡连接信号激励与接收装置，信号激励与接收装置连接阻抗器，阻抗器连接衰减器，衰减器连接低通滤波器，低通滤波器连接发射换能器，发射换能器连接试样和换能器夹持装置，试样和换能器夹持装置连接接收换能器，接收换能器连接高通滤波器，高通滤波器连接前置放大器，前置放大器连接信号激励与接收装置。
本发明所述测量超声非线性系数的实验装置的操作步骤为：
（1）打开测试系统，进入上位机软件评价界面，选择非线性评价界面，对测量超声非线性系数中的信号激励与接收装置进行参数设置，包括激励信号的频率、周期和功率等；
（2）信号激励与接收装置输出幅度、宽度和频率可调的激励射频脉冲串，通过阻抗器、衰减器和低通滤波器，激励发射换能器发出超声波，经过试样，再由接收换能器接收，通过高通滤波器和前置放大器，最终由信号激励与接收装置接收信号；
（3）接收信号通过高速数据采集卡采集数据到计算机，通过上位机软件评价界面对信号进行处理，显示及存储。
本发明所述测量超声非线性系数的实验装置的检测采用穿透法进行。
本发明所述测量超声非线性系数的实验装置的检测采用水杨酸苯酯固体耦合剂。
本发明具有的优点和有益效果：（1）本发明针对RTM/纺织复合材料，提出了一种孔隙含量超声多功能评价方法及装置，实现了用声速、声衰减系数、超声非线性系数等多参量来评价复合材料孔隙含量；（2）利用本发明提出的孔隙含量超声多功能评价方法及装置，克服了专用设备的系统性能不稳定及系统集成问题，从而明显提高了孔隙缺陷的检出能力和可靠性。
附图说明
图1 孔隙含量超声多功能评价装置中测量声速、声衰减系数的组成连接关系和检测示意图。
图2 孔隙含量超声多功能评价装置中测量超声非线性系数的组成连接关系和检测示意图。
图3 孔隙含量超声多功能评价装置中的上位机软件流程图。
在图中，a为上位机模块，b为信号激励与接收模块，c为换能器模块。
在图中，1、计算机，2、高速数据采集卡，3、信号激励与接收装置，4、阻抗器，5、衰减器，6、低通滤波器，7、发射换能器，8、试样，9、接收换能器，10、换能器夹持装置，11、高通滤波器，12、前置放大器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
图1为本发明的孔隙含量超声多功能评价装置中测量声速、声衰减系数的实施例，包括上位机模块（a）中计算机（1）和高速数据采集卡（2），信号激励与接收模块（b）中信号激励与接收装置（3）、阻抗器（4）、衰减器（5）和低通滤波器（6）以及换能器模块（c）中发射接收换能器（13）和试样（8），其中信号激励与接收装置激励一定频率的超声波信号经过阻抗器减少噪音连接衰减器、低通滤波器和发射接收换能器，经过耦合剂送入到被检测试样，反射回来重新被发射接收换能器接收传播的信号，送入到信号激励与接收装置中，通过高速数据采集卡将数据传输到计算机中。
图2为本发明的孔隙含量超声多功能评价装置中测量超声非线性系数的实施例，包括上位机模块（a）中计算机（1）和高速数据采集卡（2），信号激励与接收模块（b）中信号激励与接收装置（3）、阻抗器（4）、衰减器（5）、低通滤波器（6）、高通滤波器（11）和前置放大器（12）以及换能器模块（c）中发射换能器（7）、试样（8）、接收换能器（9）和换能器夹持装置（10），其中信号激励与接收装置激励一定频率的超声波信号经过阻抗器减少噪音连接衰减器，低通滤波器和发射换能器，经过耦合剂送入到被检测试样，在试样的另一端连接接收换能器检测传播的信号，经高通滤波器后进入前置放大器，送入到信号激励与接收装置中，通过高速数据采集卡将数据传输到计算机中。
图3为本发明的孔隙含量超声多功能评价装置中的上位机软件流程图。开始进入上位机软件评价界面，选择选项卡中声速评价界面、声衰减评价界面和非线性评价界面中的一个。进入声速评价界面、声衰减评价界面或非线性评价界面，通过串口写入参数，对信号激励与接收装置进行参数设置，控制信号激励与接收装置激励出一定频率的超声波信号，通过上述图1或图2的详细说明可知，最终由信号激励与接收装置接收传播的信号，通过高速数据采集卡将数据传输到计算机中，通过上位机软件评价界面对信号进行处理，显示及存储。在声速评价界面中，主要有内置运算、数据显示以及数据存储功能，其中内置运算功能为软件中包含声速的计算公式（1），数据显示为声速和时域图的显示。在声衰减评价界面中，同样有内置运算、数据显示以及数据存储功能，其中内置运算功能为软件中包含声衰减系数的计算公式（2），数据显示为声衰减系数和时域图的显示。在非线性评价界面中，有信号处理、内置运算、数据显示以及数据存储等功能，其中信号处理功能主要有快速傅里叶变换功能和加汉宁窗功能，内置运算功能为软件中包含二阶非线性系数的计算公式（3）和三阶非线性系数的计算公式（4），数据显示为二阶非线性系数、三阶非线性系数、时域图和频域图的显示。
本发明提出的孔隙含量超声多功能评价方法，其基本原理是基于超声波传播的声速，声衰减系数及超声非线性系数与RTM/纺织复合材料内部孔隙缺陷的对应关系，通过分析各参量评价材料缺陷的程度，可在不破坏检测部件的情况下判别RTM/纺织复合材料内部孔隙含量。
各参量的测量方法如下：
1）声速的测量方法:
首先需要根据样品上各点测量得到的时域图，读出超声信号一次回波与二次回波之间的时间间隔t，又知声波在一次回波与二次回波之间两次穿过样品整个厚度T，故声速为:
v=2T/t (1)
2）声衰减系数的测量方法:
当复合材料中存在孔隙时，声波通过材料后将会引起能量的衰减和其传播速度的变化，从而可以通过超声波衰减的变化来评价复合材料的孔隙含量。对于厚度较小，上下底面互相平行，表面光洁的薄板工件或试块。可用直探头放在复合板表面，使声波在上下表面来回反射，在时域图上出现多次底波。声波衰减导致能量降低，底波幅值依次降低。材料的衰减系数按下式计算：
(2)
其中，α为材料的衰减系数，单位为dB/mm；m和n为底波的反射次数，和为第m、n次底波幅值，x为薄板的厚度，为反射损失，每次反射损失约（0.5~1）dB。
3）超声非线性系数的测量方法：
单一频率正弦超声波将与介质间产生非线性相互作用,从而产生高次谐波, 可以用二阶非线性系数和三阶非线性系数表征材料的非线性效应，定义为:
(3)
(4)
其中为波数, 为角频率, 为波速, , 和分别为基波，二次谐波幅值和三次谐波幅值，为波传播的距离。
对于给定的频率和样品长度，通过对基波和高次谐波幅值的测量，就可以确定材料的超声非线性系数。
本发明的另一目的是提供了一种孔隙含量超声多功能评价装置。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
1）上位机模块：上位机模块主要是对上位机软件的开发。使用Windows操作系统，采用LabVIEW进行开发，采用PCIe9801高速数据采集卡采集数据。
上位机软件主要功能如下：
、参数设置：可以对射频信号的载波频率、大功率射频脉冲串的周期个数、射频脉冲的功率、射频脉冲的延迟时间、接收器频率、接收器增益、试块厚度等参数进行设置。
、信号处理：采集的初始信号为时域信号，通过软件内部的快速傅里叶变换功能，能将所选择的信号范围进行FFT变换，使其转化为频域信号进行分析。
、内置运算：计算声速、声衰减系数、二阶非线性系数及三阶非线性系数等。
、数据显示：时域图、频域图、声速、声衰减系数、超声非线性系数等图像及数据的显示。
、数据存储：能将几十至几百个测试数据进行对比分析并将这些数据分为不同数组进行保存。
2）信号激励与接收模块：
信号激励与接收模块包括信号激励与接收装置、阻抗器、衰减器、低通滤波器、高通滤波器和前置放大器。
信号激励与接收装置选用高功率脉冲发生器/接收器，高功率脉冲发生器/接收器在孔隙含量超声测试系统中的主要功能为：产生大功率的射频脉冲串作为激励信号，用宽带接收器接收来自于发射射频脉冲串的不同频率信号，同时保留信号的相位信息。仪器可提供最大输出电压1800V，功率8KW，频率200KHz-20MHz的周期个数可调，频率可调的射频脉冲串。
衰减器的功能是调节激励信号的衰减大小，低通滤波器的功能是在检测过程中滤除激励信号中的高频杂波信号，高通滤波器的功能是滤除接收信号中的低频杂波信号，前置放大器的功能则是放大接收的信号，易于信号的处理及显示。
3）换能器模块：
测量声速，声衰减系数的装置中，发射接收换能器选用2.25MHz的直探头。
测量超声非线性系数的装置中，发射换能器选用中心频率为2.5MHz的铌酸锂压电晶片，接收换能器选用中心频率为5MHz和7.5MHz的铌酸锂探头。由于实验采用点对点穿透法测试，需要一个探头夹持装置避免由人工测量所引入的非线性影响，经挑选，最终选用F字木工夹具作为换能器夹持装置。耦合剂采用水杨酸苯酯固体耦合剂。
Claims (9)
1.一种孔隙含量超声多功能评价方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）制备一套RTM/纺织复合材料不同孔隙含量的试样；
（2）采用孔隙含量超声多功能评价装置，对RTM/纺织复合材料试样进行测试，获得声速、声衰减系数和超声非线性系数；
（3）通过图表的形式对RTM/纺织复合材料试样的测试数据进行汇总，总结出声速、声衰减系数和超声非线性系数等各参量与孔隙含量之间的联系；
（4）对待测RTM/纺织复合材料重复2）的步骤，获得待测RTM/纺织复合材料的声速、声衰减系数和超声非线性系数；
（5）通过与RTM/纺织复合材料试样的声速、声衰减系数以及超声非线性系数进行比较，得到待测RTM/纺织复合材料的孔隙含量。
2.一种根据权利要求1所述的孔隙含量超声多功能评价装置，包括测量声速、声衰减系数的实验装置和测量超声非线性系数的实验装置，二个实验装置都包括上位机模块、信号激励与接收模块和换能器模块；上位机模块连接信号激励与接收模块，信号激励与接收模块连接换能器模块。
3.根据权利要求2所述的一种孔隙含量超声多功能评价装置，所述测量声速、声衰减系数的实验装置的上位机模块包括计算机和高速数据采集卡，信号激励与接收模块包括接收装置、阻抗器、衰减器和低通滤波器；换能器模块包括发射接收换能器和试样，其特征是：计算机连接高速数据采集卡，高速数据采集卡连接信号激励与接收装置，信号激励与接收装置连接阻抗器，阻抗器连接衰减器，衰减器连接低通滤波器，低通滤波器和信号激励与接收装置连接发射接收换能器，发射接收换能器连接试样。
4.根据权利要求3所述的一种孔隙含量超声多功能评价装置，其特征在于：所述测量声速、声衰减系数的实验装置的操作步骤为：
（1）打开测试系统，进入上位机软件评价界面，选择声速或声衰减评价界面，对测量声速、声衰减系数中的信号激励与接收装置进行参数设置，包括激励信号的频率、周期和试块厚度等；
（2）信号激励与接收装置输出幅度、宽度和频率可调的激励射频脉冲串，通过阻抗器、衰减器和低通滤波器，激励发射接收换能器发出超声波，经过试样，再由发射接收换能器接收，最终由信号激励与接收装置接收信号；
（3）接收信号通过高速数据采集卡采集数据到计算机，通过上位机软件评价界面对信号进行处理，显示及存储。
5.根据权利要求4所述的一种孔隙含量超声多功能评价装置，其特征在于: 所述的检测采用反射法进行。
6.根据权利要求2所述的一种孔隙含量超声多功能评价装置，所述测量超声非线性系数的实验装置的上位机模块包括计算机和高速数据采集卡，信号激励与接收模块包括信号激励与接收装置、阻抗器、衰减器、低通滤波器、高通滤波器和前置放大器，换能器模块包括发射换能器、试样、接收换能器和换能器夹持装置，其特征是：计算机连接高速数据采集卡，高速数据采集卡连接信号激励与接收装置，信号激励与接收装置连接阻抗器，阻抗器连接衰减器，衰减器连接低通滤波器，低通滤波器连接发射换能器，发射换能器连接试样和换能器夹持装置，试样和换能器夹持装置连接接收换能器，接收换能器连接高通滤波器，高通滤波器连接前置放大器，前置放大器连接信号激励与接收装置。
7.根据权利要求6所述的一种孔隙含量超声多功能评价装置，其特征在于：所述测量超声非线性系数的实验装置的操作步骤为：
（1）打开测试系统，进入上位机软件评价界面，选择非线性评价界面，对测量超声非线性系数中的信号激励与接收装置进行参数设置，包括激励信号的频率、周期和功率等；
（2）信号激励与接收装置输出幅度、宽度和频率可调的激励射频脉冲串，通过阻抗器、衰减器和低通滤波器，激励发射换能器发出超声波，经过试样，再由接收换能器接收，通过高通滤波器和前置放大器，最终由信号激励与接收装置接收信号；
（3）接收信号通过高速数据采集卡采集数据到计算机，通过上位机软件评价界面对信号进行处理，显示及存储。
8.根据权利要求7所述的一种孔隙含量超声多功能评价装置，其特征在于：所述的检测采用穿透法进行。
9.根据权利要求7所述的一种孔隙含量超声多功能评价装置，其特征在于：所述的检测采用水杨酸苯酯固体耦合剂。
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