CN107356678A - 一种基于超声背散射信号递归定量分析的cfrp孔隙率超声表征方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率超声表征方法，其属于无损检测技术领域。该方法采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统，采集超声背散射信号并对其进行相空间重构。计算相空间中任意两个时间向量之间的距离，设定参考阈值，获得二维递归矩阵，将其图像化得到递归图(Recurrence Plot，RP)。使用RQA量化指标递归度(Recurrence Rate，RR)对RP图进行定量计算，最终建立CFRP孔隙率P与RR二者之间的相关关系，即RR＝aP‑1，实现孔隙率的表征。与超声衰减法相比，该方法克服底面回波不存在或较弱时无法表征孔隙率的限制，具有良好的推广前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率超声表征方法，其属于无损检测技术领域。
背景技术
CFRP具有性能可设计、高比强度和比刚度、疲劳性能好、耐腐蚀、可整体成型等优点，在航空航天等领域的应用日益广泛。CFRP加工制备过程中不可避免的会有孔隙产生，完全不含孔隙的CFRP是不存在的。孔隙含量由孔隙率来表征。孔隙率对CFRP的力学性能有很大影响。研究指出，每增加1％的孔隙率，复合材料的层间剪切性能下降5％～15％不等，直到孔隙率达到4％，这种规律基本保持不变；随着孔隙率的增加，弯曲强度逐渐下降，在孔隙率小于1％时，弯曲性能相差不大，弯曲强度的保持率为90％左右，当孔隙率大于3％时，弯曲强度的下降趋势趋于平缓，弯曲强度保持率大约只有75％。当孔隙率超过一定的数值时，复合材料就会由于强度的急剧下降而失效。另外，复合材料的其它性能如纵/横向拉伸强度、弯曲强度、模量、抗压强度、疲劳极限等均受到孔隙率的影响。在实际应用中，孔隙率<2％时可满足大多数工程应用需求。因此，迫切需求可靠的CFRP孔隙率无损检测方法。
目前CFRP孔隙率无损检测方法主要包括超声检测法、射线检测法等。与射线检测法相比，超声检测法具有检测灵敏度高、速度快、使用范围广、显示直观、对孔隙比较敏感等优点，因此在复合材料孔隙检测方面得到了最为广泛的应用。超声检测主要包含超声声速法、超声声阻抗法、超声衰减法以及对比试块法等。超声声速法、超声声阻抗法等存在对检测系统的分辨率要求很高、声速和密度测量的准确性较低等缺点，导致其适用性很低。超声衰减法具有检测原理明确、测试方法简单、受纤维含量影响较小等优点，是目前最常用的孔隙率无损检测方法，但其受底面回波限制，CFRP复杂结构件中出现底面回波不存在或较弱的情况时无法使用。而对比试块法由于对比试块的制作难度较高，且制作工艺的差异会导致无法建立孔隙率与超声衰减系数的通用曲线，故其适用性低。
超声背散射信号是由CFRP内部孔隙对入射声波的散射形成的，故其中包含大量的孔隙形貌信息，因此，从超声背散射信号入手，对CFRP孔隙率的无损检测具有重要意义。本发明引入递归定量分析方法对超声背散射信号进行分析，建立CFRP孔隙率与递归度之间的相关关系，从而实现CFRP孔隙率的表征。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率超声表征方法，该方法采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统对超声背散射信号进行采集，对其进行相空间重构，通过计算相空间中任意两个时间向量之间的距离，并设定参考阈值，得到一个二维的递归矩阵并将其图像化得到RP图，使用RQA量化指标递归度(Recurrence Rate，RR)对RP图进行定量计算。最终建立CFRP孔隙率P与RR二者之间的相关关系，实现孔隙率的表征。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率超声表征方法，采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统，使用RQA方法分析采集得到的超声背散射信号，经计算建立RQA量化指标递归度与孔隙率P二者之间的相关关系，即RR＝aP-1，实现CFRP孔隙率的表征，具体的计算步骤如下：
(1)超声背散射信号的采集
借助超声C扫描系统，采用超声反射法对CFRP层板进行扫查，根据所得扫描图像选取颜色较为均匀的区域为待研究区域，然后，使用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统对超声背散射信号进行采集，该超声背散射信号作为待研究的时间序列；
(2)相空间重构
相空间重构是通过分析系统某一分量的时间序列数据来提取和恢复系统原来的规律；对于一个包含N点的超声背散射信号{xi}(i＝1，2，...，N)，应用Takens延迟嵌入定理重构后得到的相空间如式(1)所示：
式中，Xi为第i个相点，表示m维相空间中的一个状态；m是嵌入维数，τ是延迟时间，重构后的相空间矢量数M＝N-(m-1)；最佳m的选取采用虚假近邻法、预测误差最小法以及改进的饱和关联维数法(G-P算法)，最佳τ的选取采用线性自相关函数法、平均互信息法以及平均位移法；
(3)递归图的建立
通过上述相空间重构得到向量Xi，每一个Xi是m维相空间中的一个点，代表系统在时刻i的状态；计算上述相空间中任意两点之间的距离，并设定参考阈值，得到递归矩阵Rij(i，j＝1，2，...，M)，如式(2)所示：
Rij＝Θ(ε-||Xi-Xj||) (2)
式中，ε为预设的参考阈值，一般取时间序列标准偏差的12-18％；|| ||表示范数；Θ(x)为Heavside函数，即
将递归矩阵Rij图像化得到RP图，图像化的规则为：当Rij＝1时，表示对应RP图(i，j)位置上的一个黑点；当Rij＝0时，表示对应RP图(i，j)位置上的一个白点，RP图就是通过黑点和白点描绘图形以此反映待研究的时间序列特性；
(4)递归定量分析
递归定量分析方法中使用特征量对由黑点和白点构成的RP图包含的黑点进行定量分析；该方法使用的量化指标包括递归度RR、确定性(Determinism，DET)、熵(Entropy，ENTR)，其中递归度RR指递归点(即黑点)占总点数的比值，数学表达式如式(4)所示：
(5)CFRP孔隙率获取
从CFRP层板上将待研究区域切割下来，将切割好的待研究区域进行镶嵌，镶嵌时保证其上表面垂直于纤维束铺设面，然后将待研究区域逐层磨削并拍摄每层的金相照片，获得其连续切片照片；使用图像处理软件(IPP)统计每层金相照片的孔隙率，取所有孔隙率的平均值作为待研究区域的孔隙率；
(6)CFRP孔隙率与递归度之间相关关系的建立
建立上述步骤(4)中计算得到的递归度RR与(5)中统计的孔隙率P二者之间的相关关系，即RR＝aP-1，基于此，实现CFRP孔隙率的表征。
本发明的有益效果是：这种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率超声表征方法，基于递归定量分析方法分析超声背散射信号，建立CFRP孔隙率P与递归度RR二者之间的相关关系，即RR＝aP-1，实现CFRP孔隙率的表征。与现有的孔隙率超声检测方法相比，本发明有不受底面回波的限制、对检测环境要求较低、无需考虑对比试块制作要求等优点。与现有的信号后处理技术相比，该方法克服了传统方法对过程平稳的严格要求、受数据统计分布假设的限制等缺点。本发明方法适用范围广，具有良好的推广及应用前景。
附图说明
图1是超声信号采集系统的连接示意图。
图2中(a)是某一超声背散射信号，(b)是对应的递归(RP)图。
图3是金相照片。
图4是孔隙率与递归度的关系图。
具体实施方式
本发明采用的超声信号采集系统的连接示意图如图1所示。本实施例中的实验样品为预浸料经热压成型制备的多向CFRP层板，纤维含量69±3％。具体的计算步骤如下：
(1)超声背散射信号的采集
借助超声C扫描系统，采用超声反射法对CFRP层板进行扫查，根据所得扫描图像选取颜色较为均匀的区域为待研究区域，采用如图1所示的超声信号采集系统对待研究区域中的32个部位进行超声背散射信号采集，将该信号作为待研究的时间序列，如图2(a)所示。
(2)相空间重构
对于一个包含2500个点的超声背散射信号{xi}(i＝1，2，...，2500)，应用Takens延迟嵌入定理重构后得到的相空间如式(1)所示：
式中，Xi为第i个相点，表示m维相空间中的一个状态；m是嵌入维数，τ为延迟时间。重构后的相空间矢量数M＝N-(m-1)。
(3)递归图的建立
通过上述相空间重构得到向量Xi，每一个Xi是m维相空间中的一个点，代表系统在时刻i的状态。RP图中的点由式(2)所示的递归矩阵Rij(i，j＝1，2，...，M)确定：
Rij＝Θ(ε-||Xi-Xj||) (2)
式中，ε为预设的参考阈值，一般取时间序列标准偏差的15％左右为宜；|| ||表示范数；Θ(x)为Heavside函数，即
当Rij＝1时，在RP图中(i，j)位置上表示为一个黑点；当Rij＝0时，在RP图中(i，j)位置上表示为一个白点，RP图就是通过黑点和白点描绘图形以此反映待研究的时间序列特性，本实施例中超声背散射信号得到的RP图如图2(b)所示。
(4)递归定量分析
本发明使用的RQA量化指标为递归度RR，其定义为RP图中递归点占总点数的比值，数学表达式如式(4)所示：
(5)CFRP孔隙率获取
从CFRP层板上将待研究区域切割下来，将切割好的待研究区域进行镶嵌，镶嵌时保证其上表面垂直于纤维束铺设面。然后对待研究区域逐层磨削，先用400#砂纸将待研究区域表面打磨平整，之后依次使用800#、1500#砂纸进行打磨，每层切片去除厚度约50μm，并拍摄每层的金相照片，如图3所示，获得其连续切片照片。使用图像处理软件Image ProPlus(IPP)统计每层金相照片的孔隙率，取所有孔隙率的平均值作为该研究对象的孔隙率。
(6)CFRP孔隙率与递归度之间相关关系的建立
由上述步骤(4)及(5)中计算得到待测时间序列的递归度RR及其对应的孔隙率P，建立二者之间的相关关系，如图4所示。可以看出，随着P的增加，RR逐渐减小，拟合二者之间的相关关系得到RR＝0.30P-1，基于此，实现CFRP孔隙率的表征。
Claims (1)
1.一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率超声表征方法，其特征是：采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统，使用RQA方法分析采集得到的超声背散射信号，经计算建立RQA量化指标递归度与孔隙率P二者之间的相关关系，即RR＝aP-1，实现CFRP孔隙率的表征，具体的计算步骤如下：
(1)超声背散射信号的采集
借助超声C扫描系统，采用超声反射法对CFRP层板进行扫查，根据所得扫描图像选取颜色较为均匀的区域为待研究区域，然后，使用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统对超声背散射信号进行采集，该超声背散射信号作为待研究的时间序列；
(2)相空间重构
相空间重构是通过分析系统某一分量的时间序列数据来提取和恢复系统原来的规律；对于一个包含N点的超声背散射信号{xi}(i＝1，2，...，N)，应用Takens延迟嵌入定理重构后得到的相空间如式(1)所示：
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(3)递归图的建立
通过上述相空间重构得到向量Xi，每一个Xi是m维相空间中的一个点，代表系统在时刻i的状态；计算上述相空间中任意两点之间的距离，并设定参考阈值，得到递归矩阵Rij(i，j＝1，2，...，M)，如式(2)所示：
Rij＝Θ(ε-||Xi-Xj||) (2)
式中，ε为预设的参考阈值，一般取时间序列标准偏差的12-18％；||||表示范数；Θ(x)为Heavside函数，即
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将递归矩阵Rij图像化得到RP图，图像化的规则为：当Rij＝1时，表示对应RP图(i，j)位置上的一个黑点；当Rij＝0时，表示对应RP图(i，j)位置上的一个白点，RP图就是通过黑点和白点描绘图形以此反映待研究的时间序列特性；
(4)递归定量分析
递归定量分析方法中使用特征量对由黑点和白点构成的RP图包含的黑点进行定量分析；该方法使用的量化指标包括递归度RR、确定性、熵，其中递归度RR指递归点占总点数的比值，数学表达式如式(4)所示：
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(5)CFRP孔隙率获取
从CFRP层板上将待研究区域切割下来，将切割好的待研究区域进行镶嵌，镶嵌时保证其上表面垂直于纤维束铺设面，然后将待研究区域逐层磨削并拍摄每层的金相照片，获得其连续切片照片；使用图像处理软件统计每层金相照片的孔隙率，取所有孔隙率的平均值作为待研究区域的孔隙率；
(6)CFRP孔隙率与递归度之间相关关系的建立
建立上述步骤(4)中计算得到的递归度RR与(5)中统计的孔隙率P二者之间的相关关系，即RR＝aP-1，基于此，实现CFRP孔隙率的表征。
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