CN105004791A

CN105004791A - 一种适用复合材料层板缺陷的空气耦合兰姆波超声检测d成像方法及其装置

Info

Publication number: CN105004791A
Application number: CN201510287514.4A
Authority: CN
Inventors: 刘志浩; 卢超; 肖文凤
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2015-10-28

Abstract

一种适用复合材料层板缺陷的空气耦合兰姆波超声检测D成像方法及其装置，该装置主要由发射探头、接收探头、复合材料层板、发射接收器、外置增幅器、采集卡和PC组成；在复合材料层板上部隔空布置一发射探头和一接收探头，接收探头与发射探头沿同一水平线布置，且发射探头和接收探头具有固定倾角，发射探头和接收探头能够移动进行扫描成像检测。本发明的效果是：扫查成像灵敏度高，适用缺陷广，快速高效。同时空气耦合超声检测以空气作为检测试样和探头质检的声耦合剂，避免了传统接触式检测中液体或固体耦合剂对试样带来的二次污染与损伤等不利因素，可用于传统超声检测手段难以适应的场合，具有非接触式和快速检测的优点。

Description

一种适用复合材料层板缺陷的空气耦合兰姆波超声检测D成像方法及其装置

技术领域

本发明属于无损检测领域，涉及到一种复合材料层板分层缺陷的检测方法，具体为一种适用复合材料层板缺陷的空气耦合兰姆波超声检测D成像装置及其方法。

背景技术

在现代航空、航天、汽车等工业中，随着纤维增强铝合金层板的应用，日趋广泛，在生产和使用过程中，材料结构会不可避免的出现各种缺陷或损伤。据美国能源部SANDIA国家实验室统计，树脂注入成型后粘接加工过程中所产生的各种典型缺陷如起皱、分层、脱粘等是影响纤维增强复合材料结构质量和安全的首要隐患。无损检测技术作为一种工业发展必不可少的有效工具，在复合材料结构质量检测中发挥着关键作用。

常规的复合材料层板的检测装置主要是生产过程中的水浸超声检测和在役的红外热成像和声振检测仪器进行检测。红外热成像检测虽然检测速度快但图像对比度低，分辨细节能力较差，不能透过透明障碍物（如玻璃等）看清目标。而声振检测也存在精度不高且不利于快捷检测等缺点。

兰姆波的频散特性研究和兰姆波模式的选择问题是此项技术的关键。兰姆波在板中传播时，由于板的厚度这种特征几何尺寸影响，使得兰姆波的速度依赖于波的频率。从而导致兰姆波的频散特性。随着频率的增加，兰姆波的模式也会越来越多，即具有多模式现象。兰姆波的频散和多模式特性使得在超声兰姆波检测过程中缺陷信号的识别和提取变得非常复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用复合材料层板缺陷的空气耦合兰姆波超声检测D成像方法，同时给出了相应的检测装置。本发明无需传统超声检测所需的接触式耦合剂，以空气介质为耦合剂，易于操作。同时减少了耦合问题对检测的影响。利用兰姆波的特性只需沿一方向扫查便可实现对整个区域缺陷的检测。检测成本低，效率高。

依据复合材料层板的频散曲线可知，当频率低于Mode1模式的截止频率时，板中只有两种兰姆波模式A0和S0。再结合A0、S0两种模式的里离面位移和面内位移的分布情况，可知，A0模式兰姆波产生的泄漏兰姆波强，S0模式兰姆波产生的泄漏兰姆波弱，因此，我们选择A0模式的兰姆波作为空气耦合检测所用兰姆波模式。

一种复合材料层板分层缺陷的空气耦合超声兰姆波D成像检测方法，其包括以下基本步骤：

第一步、将待检测复合材料层板水平放置在检测台上，并将超声波发射和接收探头隔空放置在复合材料层板之上；

第二步、调整发射和接收探头的倾角，并保证待检测区域在两探头倾向侧；

第三步、超声波发射探头发出超声波，接收探头采集接收反射回的超声波；

第四步、在导轨的驱动下，收发探头沿水平方向以1mm步进移动，接收探头采集每个位置的A扫波形信号；

第五步、将采集到的A扫信号在一矩阵中进行幅值成像，得到缺陷的D扫图像。

一种复合材料层板分层缺陷的空气耦合超声兰姆波D成像检测装置，主要包括：主要由发射探头、接收探头、复合材料层板、外置增幅器、采集卡、PC和复合材料层板超声发射接收器组成；其特征在于：接收探头连接外置增幅器，外置增幅器连接采集卡，采集卡连接PC，PC连接复合材料层板超声发射接收器，复合材料层板超声发射接收器连接发射探头，在复合材料层板上部隔空布置一发射探头和一接收探头，接收探头与发射探头延同一水平线布置，且发射探头和接收探头具有固定倾角，所述复合材料层板能够分层，在复合材料层板上有一分层缺陷区域，发射探头和接收探头在其左边，发射探头和接收探头能够移动进行扫描成像检测。

本发明工作原理：在探头不接触待检测试样的情况下，依靠发射探头在板中产生的兰姆波及接收探头接收的缺陷泄漏回波，同时通过收发探头的移动来实现对整个缺陷的成像，进而能够对缺陷的位置，大小及危害性做出评价。

本实发明的效果是：（1）无需传统超声检测所需的接触式耦合剂，以空气介质为耦合剂，易于操作；（2）减少了耦合问题对检测的影响，利用兰姆波的特性只需一维线性步进便可实现对整个区域缺陷的检测；（3）检测成本低，效率高。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为一种基于兰姆波的复合材料层板分层缺陷空气耦合超声检测系统结构示意图。

图2为本发明探头布置的主视图。

图3为本发明的扫查示意图。

在图中，1为在图中，1为复合材料层板，2为发射探头，3为接收探头，4、外置增幅器，5、采集卡，6、PC，7、超声发射接收器，8、分层缺陷区域。

图4（a），图4（b）分别为1.5mm复合材料层板的相速度频散曲线和群速度频散曲线。

图5为（a），图5（b）分别为A0、S0两种模式的里离面位移和面内位移的分布图。

图6,7,8分别为对不同类型缺陷，得到的D扫描成像结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为一种基于兰姆波的复合材料层板分层缺陷空气耦合超声检测系统结构。发射探头1和接收探头2均为中心频率0.45MHz、晶片尺寸：14mm×14mm，高功率超声发射接收器7发射信号电压为260（峰峰值）、频率为0.45MHz、波数为11的矩形脉冲。外置增幅器4可对接收探头2接收的信号进行0~60dB的增幅。采集卡5负责采集接收到的超声波信号并将信号传输保存在电脑PC6。

如图2所示，本发明是这样来工作和实施的，一种适用复合材料层板缺陷的空气耦合兰姆波超声检测D成像装置，主要由发射探头1、接收探头2、复合材料层板3组成；其特征在于：接收探头2连接外置增幅器4，外置增幅器4连接采集卡5，采集卡5连接PC6，PC6连接复合材料层板超声发射接收器7，复合材料层板超声发射接收器7连接发射探头1，在复合材料层板3上部隔空布置一发射探头1和一接收探头2，通过对板中兰姆波传播特性的研究，利用固定倾角的发射探头在板中激励出单一A0模式的兰姆波，接收探头2与发射探头1延同一水平线布置，以保证能够更好接收板中缺陷回波信号，且发射探头1和接收探头2具有固定倾角，所述复合材料层板3能够分层，在复合材料层板3上有一分层缺陷区域8，发射探头1和接收探头2在其左边，发射探头1和接收探头2能够移动进行扫描成像检测。成像过程发射探头与接收探头同时以步进Δy=1mm沿两探头垂直方向移动扫查，采集每个位置的A扫查信号，将全部A扫查信号进行幅值成像，最终得到复合材料层板中分层缺陷的D扫查成像结果。

发射探头T和接收探头R均为中心频率0.45MHz。发射探头T通过空气介质在板中激励出沿x方向传播的兰姆波，在传播过程中如果遇到缺陷将会有一部分波反射回来并泄漏到空气中由接收探头R接受。同时，收发探头同步以Δy=1mm沿y方向步进扫查，直至覆盖整个待扫区域。

发射探头T与接收探头R水平布置在待检测分层缺陷的左侧，根据复合材料层板频散曲线得知，0.45MHz时，A0的相速度为1431m/s，空气中的速度为340m/s。根据Snell定律可得该频率下的激发角为θ=13.7°，θ₁=13.7°。

Snell定律表示为：

式中分别为声束的入射角和折射角，为第二介质对第一介质的相对折射率。

图4（a），图4（b）分别为1.5mm复合材料层板的相速度频散曲线和群速度频散曲线。当频率低于Mode1模式的截止频率时，板中只有两种兰姆波模式A0和S0。模式单一利于检测。

图5为（a），图5（b）分别为A0、S0两种模式的里离面位移和面内位移的分布情况，由图可知，A0模式兰姆波产生的泄漏兰姆波强，S0模式兰姆波产生的泄漏兰姆波弱。所以我们选择A0模式的兰姆波作为检测波形。

图6，7，8分别为装置对不同类型缺陷得到的D扫描成像结果。A,B,C对应不同水平位置的分层缺陷。X轴与兰姆波传播方向平行，是缺陷信号与速度进行匹配后的结果，因此从X轴上读到的缺陷信息仅是缺陷信号波包的长度；Y轴是探头沿着Y方向扫描时移动的距离，因此Y轴才具有表征缺陷大小的能力。

Claims

1.一种复合材料层板分层缺陷的空气耦合超声兰姆波D成像检测方法，其包括以下基本步骤：

2.一种根据权利要求1所述复合材料层板分层缺陷的空气耦合超声兰姆波D成像检测装置，主要由发射探头、接收探头、复合材料层板、外置增幅器、采集卡、PC和复合材料层板超声发射接收器组成；其特征在于：接收探头连接外置增幅器，外置增幅器连接采集卡，采集卡连接PC，PC连接复合材料层板超声发射接收器，复合材料层板超声发射接收器连接发射探头，在复合材料层板上部隔空布置一发射探头和一接收探头，接收探头与发射探头延同一水平线布置，且发射探头和接收探头具有固定倾角，所述复合材料层板能够分层，在复合材料层板上有一分层缺陷区域，发射探头和接收探头在其左边，发射探头和接收探头能够移动进行扫描成像检测。