CN105158335A - 一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法，采用直接接触法用两个固定间距的500？KHz超声导波探头以一定入射角激励和接收导波检测信号，获得板材结构检测信息，通过与脱粘良好处的健康超声导波检测信号做互相关处理，计算出互相关系数，可根据互相关系数的大小对结构脱粘大小进行定量评价，实现对该类复合板材结构质量状况的有效检测与评价。本发明的优点是：这种数据处理与评价方法还适用于其他结构复合板材的脱粘质量检测，具有重要的实际应用价值。

Description

一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法

技术领域

本发明涉及利用大功率超声导波检测系统实现超声导波对钢-玻璃钢复合板材结构质量状况的有效检测与评价，是属于超声无损检测范围的一种新的复合材料结构质量检测评价方法，具体涉及的是一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法。

背景技术

在航空航天领域中，粘接结构因其比强度、比模量高、抗疲劳强、造价低、减震及其他显著的优势得到越来越广泛的应用。作为金属-非金属粘接结构代表之一的钢-玻璃钢粘接结构，由于在粘接过程中由于粘接工艺和在役损伤等许多实际原因在其粘接界面经常会出现分层、脱粘、强度弱化等缺陷，严重影响粘接结构的完整性，在使用过程中可能造成灾难性的后果。比如在粘接工艺之前未对粘接界面进行清洗，粘接剂涂抹不均匀或未采用合适的固化工艺等都会导致粘接界面脱粘或弱粘接，且使用环境和残余应力也会影响粘接结构的使用效果。因此，对粘接结构质量的检测与评价对于保证粘接结构的有效性和可靠性具有重大的实际意义。

目前常用于检测粘接结构的无损检测方法有：超声检测、红外热成像、射线照相法以及渗透法。红外热成像法虽然具有图像显示直观、非接触、检测精度高、应用范围广等优点，但由于应用成本高，对温度等外界环境因素较敏感，所以在实际应用中受到严格的环境因素的限制；射线照相法是指利用X射线和γ射线穿透试件，以胶片记录结构信息。射线在穿透过物体时会与物质发生相互作用，因吸收和散射而使其发生不同程度的衰减。通过观察底片图像的黑度差异来判断结构的粘接质量。它的优点是用底片记录介质信息，可直接得到缺陷的直观图像、而且可以长期保存。通过观察底片就能够比较准确地判断出缺陷的性质、数量、尺寸和位置等信息。但是它不能检出垂直照射方向的薄层缺陷，比如钢板的分层，且对充气缺陷不敏感。相比于超声法，检测成本较高，检测速度缓慢，且对人体有伤害，需要采取防护措施，所以射线法的应用受到了限制；渗透法是用于检测试件表面缺陷的方法。它的优点是可以同时显示种种表面缺陷，检测的效果直观。但这种方法只能用于检测开口暴露在工件表面的缺陷，不能检测内部隐藏缺陷。相比上述几种无损检测方法，超声检测法因其设备轻便、检测成本低、速度快、穿透能力强、缺陷定位准确、灵敏度高、对人体及环境无害、被检对象范围广及现场使用较方便等优势，而得到了广泛的应用。本次研究首次提出采用超声导波检测技术对钢-玻璃钢粘接结构的粘接质量进行检测与评价。

目前常用于检测粘接结构的超声检测方法主要有脉冲回波法、斜入射法、超声相控阵法、声-超声法、超声导波法。其中超声导波法因其显著的优势已经被广泛应用。超声导波的理论最初于20世纪50年代出现。对超声导波的研究按照传播介质分类可以分为板型介质中的Lamb波、SH波传播特性的研究以及空心圆柱体中的多模态导波的研究。超声导波是由于超声波在波导内部的不连续交界面间经过多次反射、干涉后发生波型转换而产生的，其中，板状波导中的导波可分为Lamb波和SH波；导波的最显著的特性就是频散和多模态；频散特性能够反映介质的几何参数和物理参数的变化，所以通过研究超声导波的频散特性就能够对波导的材料进行检测和评价。在应用方面，美国宾西法尼州立大学的J.L.Rose教授早在上个世纪末就已经编著了关于固体中的超声波的专著。国内在这方面的研究也有一些进展。第二炮兵工程学院的艾春安和高利荣等在利用超声导波检测固体火箭发动机的壳体时，求解了导波在壳体内传播时的频散方程，并通过导波在结构内传播时的频散曲线评价固体火箭发动机壳体中钢层和绝热层之间的层状粘接结构的粘接质量。西安交通大学的张锐和万明习^[30]等通过数值仿真模拟和试验验证的方法，提出了一种全新的准确评价层状粘接质量的超声导波方法。

发明内容

本发明的目的是针对复合板材钢-玻璃钢粘接结构质量检测需要，提出一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法。采用直接接触法用两个固定间距的500KHz超声导波探头以一定入射角激励和接收导波检测信号，获得板材结构检测信息，通过与脱粘良好处的健康超声导波检测信号做互相关处理，计算出互相关系数，可以根据互相关系数的大小对脱粘缺陷大小进行定量评价，实现对该类复合板材结构质量状况的有效检测与评价。

本发明的技术方案：一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法，其特征在于方法步骤如下：

（1）利用大功率超声导波检测系统进行检测，检测频率500KHz，检测钢-玻璃钢双层结构复合板材，环氧高温压制而成，钢板厚为0.8mm，玻璃钢厚为2.5mm；检测导波探头中心频率为500KHz，探头楔块角度为60度，保证激励出有效的导波模态；两个导波探头采用一发一收方式检测，探头间距保持为60mm，能够使接收信号有充足的检测能量，保证足够的检测灵敏度；

（2）在试样上采集一组无脱粘缺陷的健康信号x(t)，然后再对有不同大小脱粘缺陷处进行检测y _i (t)(i=1,2,3…)，将采集缺陷检测信号，进行后期的互相关处理和分析；

（3）因此将采集到的不同大小缺陷处检测信号y _i (t)与健康信号x(t)进行互相关处理，计算出互相关系数，最后根据不同大小的脱粘缺陷与互相关系数进行对照，获得缺陷大小与互相关系数间的内在联系，从而实现超声导波对该复合板材结构质量状况的有效检测与评价。

本发明所述互相关函数就是用来描述两个相似信号的相关程度，它是表示两个信号之间依赖关系的相关统计量，针对两个连续信号x(t)、y(t)互相关函数定义如公式（1）：

（1）

信号x(t)在时刻t，信号y(t)在时刻（）相乘的平均值，其中是延迟时间，N为采样点。对信号x(t)、y _i (t)以时间间隔进行采样，假定单位延迟时间，得到，，其中n是延迟时间序列，a是时间序列，得到两个离散信号的互相关函数表达式如公式（2）：

（2）

在实际情况下，为了更加形象的表达出两个变量的相关性，在基于互相关函数的基础上定义了互相关系数，表达式如公式（3）：

（3）

互相关系数在-1至1之间，它的值越大，说明两个变量的相似度越大。

基于上述互相关评估的理论，可以通过互相关系数间接反映缺陷大小引起的差异。以无缺陷情况的健康信号x(t)为参考信号，与之相关系数越小，缺陷越大。

本发明与现有技术相比具有的特点是：

一般超声导波主要用于单一介质的波导材料（板材、棒材、管材等）检测，由于超声导波检测时存在频散特性和多模态特点，检测是需根据不同材料中的频散特性选择合适的导波模态就行检测，这方面的研究在国内外都已经较成熟。而由于在金属基粘接复合板材中导波传播机理更为复杂，频散曲线很难计算，而且导波在复合材料中的传播衰减严重，所以对于数个毫米的金属基粘接复合板材的超声导波检测还处于实验室仿真研究阶段，常规超声导波检测方法仍然很难实现对该类粘接复合材料的有效检测与评价。本次发明的评价方法就是通过一定入射角激励出传播能量大并能在玻璃钢层传播的导波模态信号，通过固定距离的接收信号保证接收到有效检测信号，最后经过计算不同大小脱粘信号与健康信号的互相关系数，建立脱粘缺陷大小与互相关系数间的内在联系，最终实现超声导波对该复合板材结构质量状况的有效检测与评价，这种方法不用考虑超声导波模态的变化，且通过探头距离保证足够的传播能量，从而避免了频散曲线的计算和不同模态导波的传播机理分析。

附图说明

图1本发明的大功率超声检测系统示意图。

图2以60度倾斜激励时健康信号与脱粘缺陷信号波形对比图一。

图3以60度倾斜激励时健康信号与脱粘缺陷信号波形对比图二。

图4脱粘缺陷大小与互相关系数的关系图。

具体实施方式

本发明采用的技术方案如下：一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法，其特征是能不破坏复合板材结构的完整性检测到材料粘接缺陷，将在缺陷处和无缺陷处的超声导波信号进行互相关处理，通过计算互相关系数评价结构质量状况。由于这类复合板材结构特殊，由0.5-1mm的钢板与2.5mm的玻璃钢粘接而成，超声导波在其中传播过程非常复杂，模态较多，且玻璃钢的声衰减非常大，在玻璃钢层传播的导波信号非常微弱，即使检测信号中有玻璃钢层传播的检测信息，也很难反映出脱粘缺陷信号，因此常规导波检测无法实现检测。该评价方法就是通过一定入射角激励出传播能量大并能在玻璃钢层传播的导波模态信号，通过固定距离的接收信号保证接收到有效检测信号，最后经过计算不同大小脱粘信号与健康信号的互相关系数，建立脱粘缺陷大小与互相关系数间的内在联系，最终实现超声导波对该复合板材结构质量状况的有效检测与评价。具体方法是：利用大功率超声导波检测系统进行检测，检测频率500KHz，检测钢-玻璃钢双层结构复合板材，环氧高温压制而成，钢板厚为0.8mm，玻璃钢厚为2.5mm；检测导波探头中心频率为500KHz，探头楔块角度为60度，保证激励出有效的导波模态。两个导波探头采用一发一收方式检测，探头间距保持为60mm，保证有足够的检测灵敏度。首先在试样上采集一组无脱粘缺陷的健康信号，然后再对有脱粘缺陷处进行检测，将采集到的缺陷处检测信号与健康信号进行互相关处理，计算出互相关系数，最后根据不同大小的脱粘缺陷与互相关系数进行对照，获得缺陷大小与互相关系数间的内在联系，从而实现超声导波对该复合板材结构质量状况的有效检测与评价。

对于此发明的有效性以及可行性，我们进行了实验验证。实验采用大功率多功能超声检测系统产生足够大的激励信号，超声检测系统示意图如图1所示；采用一发一收的双探头超声导波检测方法，导波探头中心频率为500KHz，为了获得衰减较小的一簇导波模态进行实验测试，实验采用30度、45度、60度三种不同倾角的斜楔控制激励信号的入射角，比较用不同入射角激励时的实际检测有效性；测试用钢-玻璃钢双层粘接结构复合板材由0.8mm厚钢板和2.5mm厚玻璃钢组成，经过环氧高温压制后成样，加工过程中在钢板和玻璃钢间预先嵌入了直径为φ5mm-φ25mm的5种尺寸的脱模布，作为结构脱粘缺陷。

接下来对制备的试块进行实验测试，实验采用一发一收两个超声导波探头进行检测的方法，为了保证足够的检测灵敏度，固定两探头前沿间距为60mm，分别采用三种不同激励入射角度测试，检测在不同入射角度条件下的检测有效性。检测是首先用两个探头在无缺陷处检测，采集到无缺陷的健康信号；然后分别在不同大小脱粘缺陷处采集缺陷检测信号，图2和图3给出了60度入射激励时健康信号与各种大小脱粘缺陷信号波形对比图；接下来将健康信号与缺陷测试信号导入计算机内，按照公式（2）和公式（3）分别计算出不同大小脱粘缺陷检测信号与健康信号之间的互相关系数，计算结果如表1所示：

表1三种入射角度下不同尺寸脱粘缺陷的互相关系数

为了能更直观的看出不同入射角度下脱粘大小与互相关系数的关系，将表1中的计算结果作图表示，如图4所示。从图4中可以很明显的看出，用各不同入射角度激励超声导波进行实验检测时，缺陷信号与健康信号的相似程度均随脱粘缺陷尺寸的增大呈减小趋势。对同一尺寸圆形缺陷的检测，60度激励时接收到的缺陷信号与健康信号的相似程度较相同条件下30度和45度的相似度更低。45度的互相关系数在5mm、10mm二者处变化幅值较小，同样的情况也发生在20mm和25mm处。30度的互相关系数在20mm和25mm处变化很小。通过图4比较可知，采用60度入射角度激励超声导波进行该复合材料脱粘缺陷检测时，脱粘缺陷尺寸变化与相关系数大小变化具有良好的线性关系。

基于以上实验结果，提出对钢-玻璃钢粘接复合材料脱粘缺陷检测的一种有效检测和评价方法：采用直接接触法用两个固定间距为60mm的500KHz超声导波探头以60度入射角激励和接收导波检测信号，获得板材结构检测信息，通过与脱粘良好处的健康超声导波检测信号做互相关处理，计算出互相关系数，并可根据互相关系数的大小对结构脱粘大小进行定量评价。

Claims (2)

1.一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法，其特征在于方法步骤如下：

（1）利用大功率超声导波检测系统进行检测，检测频率500KHz，检测钢-玻璃钢双层结构复合板材，环氧高温压制而成，钢板厚为0.8mm，玻璃钢厚为2.5mm；检测导波探头中心频率为500KHz，探头楔块角度为60度，保证激励出有效的导波模态；两个导波探头采用一发一收方式检测，探头间距保持为60mm，能够使接收信号有充足的检测能量，保证足够的检测灵敏度；

（2）在试样上采集一组无脱粘缺陷的健康信号x(t)，然后再对有不同大小脱粘缺陷处进行检测y _i (t)(i=1,2,3…)，将采集缺陷检测信号，进行后期的互相关处理和分析；

（3）将采集到的不同大小缺陷处检测信号y _i (t)与健康信号x(t)进行互相关处理，计算出互相关系数，最后根据不同大小的脱粘缺陷与互相关系数进行对照，获得缺陷大小与互相关系数间的内在联系，从而实现超声导波对该复合板材结构质量状况的有效检测与评价。

2.根据权利要求1所述的一种钢-玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法，其特征在于：所述互相关函数就是用来描述两个相似信号的相关程度，它是表示两个信号之间依赖关系的相关统计量，针对两个连续信号x(t)、y(t)互相关函数定义如公式（1）：

（1）

信号x(t)在时刻t，信号y(t)在时刻（）相乘的平均值，其中是延迟时间，N为采样点；对信号x(t)、y _i (t)以时间间隔进行采样，假定单位延迟时间，得到，，其中n是延迟时间序列，a是时间序列，得到两个离散信号的互相关函数表达式如公式（2）：

（2）

在实际情况下，为了更加形象的表达出两个变量的相关性，在基于互相关函数的基础上定义了互相关系数，表达式如公式（3）：

（3）

互相关系数在-1至1之间，它的值越大，说明两个变量的相似度越大；基于上述互相关评估的理论，可以通过互相关系数间接反映缺陷大小引起的差异，以无缺陷情况的健康信号x(t)为参考信号，与之相关系数越小，缺陷越大。