CN110361324A - 一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置及方法，包括激励超声传感器、接收超声传感器、激光器、导光装置、传感器激励接收装置、计算机，其中，所述激励超声传感器和接收超声传感器通过导线分别与传感器激励接收装置连接，所述导光装置与激光器连接，所述激励超声传感器和接收超声传感器对称地设置在所述激光器的两边，且三者位于复合材料板的同一侧；在声波选择上，采用“层裂”敏感性更高的兰姆波对“层裂”进行扫查；在信号获取上，采用主动激励方式，极大提高检测信号纯净度，提取更多“层裂”特征信息。本发明有效地解决激光冲击波复合材料结合力检测过程信号干扰大、缺陷难识别问题。
Description
技术领域
本发明属于激光应用和复合材料无损检测等技术领域，尤其涉及一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置及方法，其适于薄膜或粘接性结构的附着力测定、各种复合材料、涂层以及其它类型的界面结合力测定。
背景技术
复合材料粘接处是复合材料结构的关键部位，也是结构强度的薄弱部位，结合力不足大大降低材料强度，严重时会造成灾难性后果，因此复合材料结合力检测至关重要。
激光冲击波是基于激光诱导高压、高能等离子体在材料表面形成爆裂产生的超声波，主要以纵波形式在材料界面反射和耦合，可在复合材料粘接面形成较大拉应力，若该应力值超过材料的结合力指标，材料内部就会发生局部“层裂”现象。
为了捕捉“层裂”现象，江苏大学周明等人在专利CN1215320C“界面结合强度激光冲击定量测定方法及装置”中，利用速度干涉仪对材料背面粒子速度进行监测，并以此判断“层裂”是否发生。该方法测试难度大、精度要求高、检测过程时间长，无法实现复合材料结构的在线快速检测；空军工程大学聂祥樊等人在专利CN201710874872“一种基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法”和CN201810997996“一种基于电磁超声技术的激光冲击波结合力检测方法”利用压电传感器或电磁超声传感器接收界面反射回波信号，并以此判断“层裂”是否发生，该方法对于激光器性能参数要求非常高，且复合材料表面导电片或铁磁片粘接一致性对于检测结果影响较大。
一方面，上述两者方式均利用激光器在待测材料中产生纵波而进行检测，声波传播方向为厚度方向，只有一种振动模态，对于“层裂”特征表征能力有限；而兰姆波传播范围更广，模态具有多样性，对于“层裂”特征更为敏感。另一方面，上述方式均被动接收激光冲击时材料散射出信号，很大程度会引入激光冲击过程中产生噪声等干扰信息，使得“层裂”特征信息提取难度增大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置及方法，采取激光冲击波和兰姆波相结合的检测方式；在超声波选择上，采用“层裂”敏感性更高的兰姆波(导波)代替纵波(体波)，对“层裂”进行扫查；在信号获取上，采用主动激励和接收代替以往结合力检测方法被动接收方式，极大提高检测信号纯净度，提取更多“层裂”特征信息，达到对复合材料结合力精确检测的目的。
本发明的技术方案如下：
一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置，包括激励超声传感器、接收超声传感器、激光器、导光装置、传感器激励接收装置和计算机，
其中，所述激励超声传感器和接收超声传感器通过导线分别与传感器激励接收装置连接，所述导光装置与激光器相连接，所述激励超声传感器和接收超声传感器对称地设置在所述激光器的两边，且三者位于复合材料板的同一侧；
所述计算机与所述激光器和传感器激励接收装置相连接。
优选的，还包括能量吸收层和贴合在所述能量吸收层上的能量约束层，所述能量吸收层贴合于复合材料板上，贴合位置位于所述激光器的辐照光斑处。
优选的，所述能量吸收层为黑胶带或铝箔，所述能量约束层为透明玻璃或水。
一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法，采用结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置实现，具体步骤如下：
S1：通过传感器激励接收装置控制激励超声传感器在复合材料板中首次激发兰姆波，并用接收超声传感器接收兰姆波；
S2：调整导光装置，使激光器的端头位于所述兰姆波的传播路径中间区域；
S3：设置激光器参数，通过激光器控制器激光冲击波在复合材料板粘接层产生的拉应力等于复合材料板粘接层的结合力指标；
S4：保持激励超声传感器、接收超声传感器与复合材料板的相对位置不动，通过传感器激励接收装置控制激励超声传感器再次激发和接收所述兰姆波；
S5：对比步骤S1和步骤S4中两次接收到的兰姆波的信号差异性，评价复合材料板是否层裂或结合力是否满足要求；
S6：通过计算机完成信号采集、特征提取和结果分析。
优选的，所述步骤S1和S4中的激励超声传感器和接收超声传感器为非接触式空气耦合传感器，且激励超声传感器和接收超声传感器之间的距离≧50mm，两者设置时与所述激光器形成一定角度，即入射角，该角度符合Snell定律。
优选的，所述步骤S1和步骤S4中激励超声传感器的激励信号为调制窄频带。
优选的，所述步骤S1和S4中激励超声传感器在复合材料板中激发出低阶兰姆波进行检测。
优选的，所述步骤S5中，兰姆波的信号差异性包含接收信号时域、频域和时频综合特征的变化；
其中，信号时域特征包括直达波时间、幅值、相位以及缺陷反射波包及模态转化的波包及其特征；采用傅里叶变换提取信号频域特征，包括频谱峰值点分布，幅值或能量；采用短时傅里叶变换、连续小波变换或温格尔-维纳变换获取信号时频特征，包括信号能量在时间和频率分布。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明在超声波选择上，采用兰姆波对“层裂”进行扫查，兰姆波传播范围更广，模态具有多样性，对于“层裂”特征更为敏感。
(2)本发明在信号获取上，采用主动激励和接收代替以往结合力检测方法被动接收方式，降低了激光冲击过程中产生噪声等干扰信息，极大提高检测信号纯净度，提取更多“层裂”特征信息。
附图说明
图1为本发明结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置的结构示意图；
图2为本发明结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法的检测步骤流程图；
图3为本发明结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法中第一次空气耦合传感器接收时域信号的曲线图；
图4为本发明结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法中第二次空气耦合传感器接收时域信号的曲线图；
本发明的附图标记列示如下：
1-激励超声传感器，2-导光装置，3-能量约束层，4-能量吸收层，5-计算机，6-接收超声传感器，7-激光器，8-传感器激励接收装置，9-粘接层，10-复合材料板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
同时，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。此外，术语“第一”，“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明包括提供一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置及方法，采取激光冲击波和兰姆波相结合的检测方式对复合材料结合力进行精确检测。
以下结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置，包括激励超声传感器1、接收超声传感器6、激光器7、导光装置2、传感器激励接收装置8和计算机5，
其中，所述激励超声传感器1和接收超声传感器8通过导线分别与传感器激励接收装置8连接，所述导光装置2与激光器7相连接，所述激励超声传感器1和接收超声传感器6对称地设置在所述导光装置2端头的两边，且三者位于复合材料板10的同一侧；传感器激励接收装置8控制激励超声传感器1和接收超声传感器6，激发出低阶兰姆波；利用激励超声传感器1在复合材料板10中首次激发兰姆波，利用接收超声传感器6接收兰姆波，通过调整导光装置2，使得激光冲击位置位于激励超声传感器1激发的兰姆波的传播路径中间区域。
所述计算机5与所述激光器7和所述传感器激励接收装置8相连接，利用计算机5进行数据分析，反馈检测结果。
另外还包括所述能量吸收层4上设置能量约束层3，所述能量吸收层4粘接于复合材料板10上，粘接位置位于所述激光器7产生辐照光斑处。
具体地，所述能量吸收层4为黑胶带或铝箔，所述能量约束层3为透明玻璃或水，本实施例中选择能量吸收层4为黑胶带，能量约束层3为水。
本实施例中选择一块具有粘接层9的复合材料板10作为测试对象，将两只激励超声传感器1和接收超声传感器6固定于复合材料板10的同侧，相距100mm，其中激励超声传感器1和接收超声传感器6的性能参数均相同。
如图2-4所示，一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法，采用结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置实现，具体步骤如下，如图2所示：
S1：通过传感器激励接收装置8控制激励超声传感器1在复合材料板10中首次激发兰姆波，并用接收超声传感器6接收兰姆波；传感器激励接收装置8选择Retic-RPR4000，激励超声传感器1和接收超声传感器6选用中心频率为200kHz空气耦合传感器，基于Snell定理和频散曲线，调整安装倾角为14°，可激发出较为单一低阶A0模态兰姆波，信号如图3所示；激励信号选择经汉宁窗调制的5周期正弦波，即Tone burst信号。
其中，Snell定理为当光波从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质时，会发生折射现象，反应入射角与折射角之间的关系。
S2：调整导光装置2，使导光装置2端头位于所述兰姆波的传播路径中间区域；
S3：设置激光器7参数，激光器7选择型号为Nd:Glass，通过导光装置引导激光冲击波在复合材料板10的粘接层9处产生的拉应力等于复合材料板10粘接层9的结合力指标；若粘接层9结合力不满足指标要求，会发生“层裂”现象；反之，不能发生“层裂”，亦不会产生损伤。
S4：保持激励超声传感器1和接收超声传感器6与复合材料板10的相对位置不动，通过传感器激励接收装置8再次激发和接收所述兰姆波，接收信号如图4；
S5：对比步骤S1和步骤S4中两次接收到的兰姆波的信号差异性，评价复合材料板10是否层裂或结合力是否满足要求；
具体地，所述步骤S5中，兰姆波的信号差异性包含接收信号时域、频域和时频综合特征的变化；
其中，接收信号时域特征包括直达波时间、幅值、相位以及是否出现了缺陷反射波包及模态转化的波包及其特征；
接收信号频域特征，采用傅里叶变换提取信号频域特征，包括频谱峰值点分布，幅值或能量；
接收信号时频特征，采用短时傅里叶变换、连续小波变换或温格尔-维纳变换获取信号时频特征，包括信号能量在时间和频率分布。
S6：通过计算机5完成信号采集、特征提取和结果分析；以接收信号时域特征中直达波时间和幅值为例，对是否发生“层裂”进行分析，利用计算机5提取激光冲击前后两信号时域特征，可看出经过激光冲击后，直达A0模态波包幅值由9.23mV降低为5.68mV；到达时间由116.5μs延时到113.8μs；说明复合材料板5在激光冲击下发生了“层裂”，其结合力指标不满足要求。反之，直达波信号幅值和到达时间应不变，说明复合材料板10的粘接层9未发生“层裂”，结合力指标满足要求。
本发明采用以上方式，可准确地检测到复合材料板10粘接层结合力指标是否满足要求。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (8)
1.一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置，其特征在于：包括激励超声传感器、接收超声传感器、激光器、导光装置、传感器激励接收装置和计算机。
其中，所述激励超声传感器和接收超声传感器通过导线分别与传感器激励接收装置连接，所述导光装置与激光器连接；所述激励超声传感器和接收超声传感器对称地设置在所述激光器的两边，且三者位于复合材料板的同一侧；所述计算机与所述激光器和所述传感器激励接收装置相连接。
2.根据权利要求1所述的结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置，其特征在于：还包括能量吸收层和设置在所述能量吸收层上的能量约束层，所述能量吸收层贴合于复合材料板上，贴合位置位于所述激光器的辐照光斑处。
3.根据权利要求2所述的结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置，其特征在于：所述能量吸收层为黑胶带或铝箔，所述能量约束层为透明玻璃或水。
4.一种结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法，其特征在于：采用权利要求1-3中任意一项所述结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测装置实现，具体步骤如下：
S1：通过传感器激励接收装置控制激励超声传感器在复合材料板中首次激发兰姆波，并用接收超声传感器接收兰姆波；
S2：调整导光装置，使激光器的端头位于所述激励超声传感器发出的兰姆波的传播路径中间区域；
S3：设置激光器参数，通过激光器发出的激光冲击波在复合材料板粘接层产生的拉应力等于复合材料板粘接层的结合力指标；
S4：保持激励超声传感器、接收超声传感器与复合材料板的相对位置不动，通过传感器激励接收装置控制激励超声传感器再次激发和接收所述兰姆波；
S5：对比步骤S1和步骤S4中两次接收到的兰姆波的信号差异性，评价复合材料板是否层裂或结合力是否满足要求；
S6：通过计算机完成信号采集、特征提取和结果分析。
5.根据权利要求4所述的结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法，其特征在于：所述步骤S1和S4中的激励超声传感器和接收超声传感器为空气耦合传感器，且激励超声传感器和接收超声传感器之间的距离≧50mm，且两者设置时与所述激光器形成一定角度，即入射角，该角度符合Snell定律。
6.根据权利要求4所述的结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法，其特征在于，所述步骤S1和步骤S4中激励超声传感器的激励信号为调制窄频带。
7.根据权利要求4所述的结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法，其特征在于，所述步骤S1和S4中激励超声传感器在复合材料板中激发出低阶兰姆波进行检测。
8.根据权利要求4所述的结合激光冲击波和兰姆波的复合材料结合力在线快速检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，兰姆波的信号差异性包含接收信号时域、频域和时频综合特征的变化；其中，信号时域特征包括直达波时间、幅值、相位以及缺陷反射波包及模态转化的波包及其特征；采用傅里叶变换提取信号频域特征，包括频谱峰值点分布，幅值或能量；采用短时傅里叶变换、连续小波变换或温格尔-维纳变换获取信号时频特征，包括信号能量在时间和频率分布。
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