CN110988124B - 相控阵超声自动检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相控阵超声自动检测系统及方法。本相控阵超声自动检测系统包括扫查模块、运动控制模块及图像分析模块；扫查模块通过相控阵超声探头对碳纤维复合材料圆筒结构件的外圆周面进行扫查，获取碳纤维复合材料圆筒结构件的超声C扫描图像并发送至图像分析模块；运动控制模块与扫查模块电连接，用于控制扫查模块运动；图形分析模块与扫查模块电连接，用于对接收到的超声C扫描成像进行分析判断。本发明提供的检测系统，采用先进相控阵超声PAUT方法对碳纤维复合材料圆筒结构件碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测，更直观的检测碳纤维与金属粘接层的脱粘缺陷，防止该结构类工件在使用过程中发生破坏。

Description

相控阵超声自动检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及复合材料构件检测领域，具体地涉及一种用于对碳纤维复合材料圆筒结构件碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测的相控阵超声自动检测系统及其方法。

背景技术

超声波检测复合材料结构有专用的行业标准GJB 1038.1A-2004，但是对于碳纤维复合材料圆筒结构件碳纤维与金属粘接的检测却没有相应可参照的标准，这样对于检测方法选取、成套检测装置及探头楔块设计、探头频率选择以及缺陷的评定造成了很大的技术难度，甚至使检测不能正常进行。

另一方面，对于复合材料与金属材料粘接层质量状况的无损检测，目前还尚未有人使用自动相控阵超声以及带延时块的相控阵超声探头进行检测，而且目前的扫查装置主要是常规点聚焦式水浸超声检测或局部水浸式穿透式超声检测，对于该类材料及结构，当无法使用水浸法检测时，通常使用手动常规A型超声波脉冲回波检测或穿透式超声检测，该方法无法保证现场大批量筒体结构超声检测的效率要求，同时手动超声检测无法保证扫查的精度要求，因此也限制其在现场大批量及工况复杂条件下的使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对碳纤维复合材料圆筒结构件碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测的相控阵超声自动检测系统及其方法，更直观的检测碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷，防止该结构类产品在使用过程中发生破坏。

本发明的一个方式的相控阵超声自动检测系统，用于检测碳纤维复合材料圆筒结构件的碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷，其包括扫查模块、运动控制模块及图像分析模块；

所述扫查模块通过相控阵超声探头对碳纤维复合材料圆筒结构件的外圆周面进行扫查，获取碳纤维复合材料圆筒结构件的超声C扫描图像并发送至所述图像分析模块；

所述扫查模块包括整体支架、周向步进旋转装置、直线运动装置、相控阵超声探头、底部带有注水口和钢质防磨球的探头延时块以及向所述注水口供水的喷水管路；所述周向步进旋转装置设置于所述整体支架上，包括相互平行且水平设置的主动周向旋转滚子、从动周向旋转滚子和能够带动所述主动周向旋转滚子转动的周向旋转电机及周向电机编码器，所述主动周向旋转滚子和从动周向旋转滚子能够支撑并带动所述碳纤维复合材料圆筒结构件沿水平轴线周向步进转动，所述直线运动装置能够带动所述相控阵超声探头和探头延时块与所述碳纤维复合材料圆筒结构件的外壁接触并水平直线移动；

所述直线运动装置包括与所述主动周向旋转滚子平行的丝杠、由所述丝杠带动的水平滑块、驱动所述丝杠转动的丝杠电机和丝杠电机编码器，以及设置于所述水平滑块的探头夹持装置；所述探头夹持装置用于连接所述相控阵超声探头和探头延时块；所述运动控制模块与所述丝杠电机和丝杠电机编码器电连接；

所述运动控制模块与所述扫查模块电连接，用于控制所述扫查模块运动；所述运动控制模块与所述周向旋转电机及周向电机编码器电连接；

所述图形分析模块与所述扫查模块电连接，用于对接收到的超声C扫描成像进行分析判断。

优选地，所述探头夹持装置包括转接块、连接杆、滑杆及夹持框；所述转接块转动设置于所述水平滑块并能够相对于所述水平滑块固定；所述连接杆滑动设置于所述转接块并能够相对于所述转接块固定；所述滑杆滑动设置于所述连接杆的前端，且在所述滑杆与所述连接杆之间设有用于向所述滑杆施加弹性力的弹簧；所述夹持框设置于所述滑杆前端并与所述探头延时块相连接；所述弹簧向所述滑杆施加弹性力时能够使所述探头延时块压紧在碳纤维复合材料圆筒结构件上。

优选地，所述主动周向旋转滚子和从动周向旋转滚子之间的距离可调地设置于所述整体支架。

优选地，所述相控阵超声探头为线阵探头。

优选地，所述相控阵超声探头的频率为10MHz，晶片数量最小为32，最大为64。

优选地，所述探头夹持装置夹持所述相控阵超声探头沿碳纤维复合材料圆筒结构件表面作栅格式移动扫查，扫查面为圆柱面。

本发明的一个方式的相控阵超声自动检测方法，利用上述的相控阵超声自动检测系统对检测碳纤维复合材料圆筒结构件的碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测，其包括如下步骤：

S1、根据碳纤维复合材料圆筒结构件的筒体直径大小选取相控阵超声探头及适配探头延时块进行检测，具体选择方式如下：

当筒体直径为120mm～500mm时，使用10L32相控阵超声检测探头并配置相应弧度的探头延时块对筒体进行检测；

当筒体直径为500mm～600mm时，使用10L64相控阵超声检测探头可配置平底面探头延时块对筒体进行检测；

S2、超声检测时，使用选定的相控阵超声探头对碳纤维复合材料圆筒结构件的筒体进行检测，并将获取的扫描图像发送到图像分析模块；

S3、图像分析模块对超声检测成像进行分析，判断碳纤维与金属粘接层的质量状况，具体包括：

闸门设置于碳纤维与金属粘接层位置，当输出图像中有红色显示时，该处存在脱粘缺陷；当输出图像显示为淡黄色或浅白色点时，则该处不存在脱粘缺陷。

本发明的效果如下：

①本发明提供的用于碳纤维复合材料圆筒结构件碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测的相控阵超声自动检测系统，其采用先进相控阵超声PAUT方法对碳纤维复合材料圆筒结构件碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测，更直观的检测碳纤维与金属粘接层的脱粘缺陷，防止该结构类工件在使用过程中发生破坏。

②在本领域内，对于复合材料与金属粘接层的缺陷检测时，传统的使用接触式常规超声脉冲回波及穿透法，或者水浸超声脉冲回波或局部喷水式穿透法，接触式常规超声方法检测效率很低，无法满足现场大批量结构件的检测需求，同时更无法满足高精度及成像检测的要求，水浸或局部喷水式超声一般使用单探头点聚焦或线聚焦方式检测该类缺陷，该方法对于平板件比较合适，而对于尺寸较大的构件或异型结构件检测比较困难，有时甚至无法完成检测，本发明针对于圆柱形筒体结构，按照筒体直径范围区别性的选用合适的相控阵探头及延时块，不仅能够准确完成产品检测，并且检测效率及检测灵活性大幅提高，解决了本领域的技术偏见。

③采用探头结合成像显示及粘接层界面波或底波闸门设置方法，相比传统超声方法的波形显示，通过波形判断检测结果，成像显示更加直观、准确，如果局部存在碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷，图像在缺陷处呈现红色；如果粘接层不存在该类粘接缺陷，图像整体显示为淡黄色或浅白色。由此能够直观判断该类筒体结构中粘接界面位置是否存在脱粘缺陷的问题。

④本发明在该类结构检测中引入带延时块的接触式相控阵超声检测方法，利用该方法外加喷水式耦合，顺利实现了碳纤维复合材料与金属粘接层脱粘缺陷的检测，极大提高了检测效率及检测灵活性，充分保证了结构的安全。

⑤本发明针对该类圆柱形筒体结构，设计制作了专用的自动化超声检测系统，检测精度及检测效率得到极大提升，检测系统使用灵活性高，适用面较宽。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的相控阵超声自动检测系统的结构框图；

图2是本发明的一个实施方式的相控阵超声自动检测系统的外观立体图；

图3是图2中的相控阵超声自动检测系统从另一角度观察时的示意图；以及

图4是图2中的探头夹持装置的示意图。

图中：100、扫查模块；200、运动控制模块；300、图像分析模块；400、碳纤维复合材料圆筒结构件；1、整体支架；11、主动周向旋转滚子；12、从动周向旋转滚子；13、周向旋转电机；14、周向电机编码器；31、丝杠；32、水平滑块；33、丝杠电机；34、丝杠电机编码器；35、探头夹持装置；351、转接块；352、连接杆；353、滑杆；354、夹持框；4、相控阵超声探头；5、探头延时块。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

如图1～图4所示，本发明实施方式公开了一种相控阵超声自动检测系统，用于检测碳纤维复合材料圆筒结构件400的碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷。该系统包括扫查模块100、运动控制模块200及图像分析模块300。扫查模块100通过相控阵超声探头4对碳纤维复合材料圆筒结构件400的外圆周面进行扫查，获取碳纤维复合材料圆筒结构件400的超声C扫描图像并发送至图像分析模块300；运动控制模块200与扫查模块100电连接，用于控制扫查模块100运动；图像分析模块300与扫查模块100电连接，用于对接收到的超声C扫描成像进行分析判断。

扫查模块100包括整体支架1、周向步进旋转装置、直线运动装置、相控阵超声探头4、底部带有注水口和钢质防磨球的探头延时块5以及向注水口供水的喷水管路；周向步进旋转装置设置于整体支架1上，包括相互平行且水平设置的主动周向旋转滚子11和从动周向旋转滚子12，该周向步进旋转装置能够支撑并带动碳纤维复合材料圆筒结构件400沿水平轴线周向步进转动，直线运动装置能够带动相控阵超声探头4和探头延时块5与碳纤维复合材料圆筒结构件400的外壁接触并水平直线移动。本实施方式的主动周向旋转滚子11和从动周向旋转滚子12是长杆状结构，这两个滚子也可是由多个滚轮组合而成。在本实施方式中，主动周向旋转滚子11和从动周向旋转滚子12之间的距离可调地设置于整体支架1。这两个滚子之间的间距可以通过螺杆、齿条、垫块等进行调节。该主动周向旋转滚子11和从动周向旋转滚子12也可直接固定在整体支架1上。在本实施方式中，该相控阵超声探头4为线阵探头，且相控阵超声探头4的频率为10MHz，晶片数量最小为32，最大为64。

本实施方式的周向步进旋转装置还包括能够带动主动周向旋转滚子11转动的周向旋转电机13及周向电机编码器14，运动控制模块200与周向旋转电机13及周向电机编码器14电连接。

本实施方式的直线运动装置包括与主动周向旋转滚子11平行的丝杠31、由丝杠31带动的水平滑块32、驱动丝杠31转动的丝杠电机33和丝杠电机编码器34，以及设置于水平滑块32的探头夹持装置35。水平滑块32滑动设置在滑轨上，丝杠31与水平滑块32相连接，转动时能够带动水平滑块32左右移动。探头夹持装置35用于连接相控阵超声探头4和探头延时块5；运动控制模块200与丝杠电机33和丝杠电机编码器34电连接。探头夹持装置35夹持相控阵超声探头4沿碳纤维复合材料圆筒结构件400表面作栅格式移动扫查，扫查面为圆柱面。

探头夹持装置35包括转接块351、连接杆352、滑杆353及夹持框354；转接块351转动设置于水平滑块32并能够相对于水平滑块32固定；连接杆352滑动设置于转接块351并能够相对于转接块351固定；滑杆353滑动设置于连接杆352的前端，且在滑杆353与连接杆352之间设有用于向滑杆353施加弹性力的弹簧；夹持框354设置于滑杆353前端并与探头延时块5相连接；弹簧向滑杆353施加弹性力时能够使探头延时块5压紧在碳纤维复合材料圆筒结构件400上。

本检测装置在使用时，先根据碳纤维复合材料圆筒结构件400的直径，确定主动周向旋转滚子11和从动周向旋转滚子12之间的间距，然后将碳纤维复合材料圆筒结构件400放置在这两个滚子上。通过弹簧调节相控阵超声探头4与碳纤维复合材料圆筒结构件400的贴合度。丝杠31带动水平滑块32沿碳纤维复合材料圆筒结构件400的轴向运动，并记录相应的轴向扫查位置，在此过程中相控阵超声探头4对碳纤维复合材料圆筒结构件400进行检测。当相控阵超声探头4运动至扫查终点时，主动周向旋转滚子11转动一个步进距离，该步进距离为三分之二探头宽度。相控阵超声探头4再沿轴向从扫查终点位置移动到扫查起点位置，如此往复栅格扫查完成整个碳纤维复合材料圆筒结构件400表面区域的超声C扫描成像检测。

在探头延时块5的底面四个角的位置加装高度可调的钢质防磨球并在探头延时块5的底部加工矩形导流槽。钢质防磨球可以保证探头延时块5在检测过程中移动的稳定性，导流槽可使通过探头延时块5的水耦合介质在探头延时块5底部形成均匀水耦合薄层，从而保证超声检测耦合稳定性。

在现场检测中，当待检圆筒件长度较长一次无法完成整个长度方向扫查时，可选择分段扫查方式，将工件沿轴向左右移动相应的距离，对每个检测段分别进行扫查，为避免漏检，两次扫查需要一定的扫查重合部分，可使用轴向运动编码器进行定位并划定扫查重合部分。

本发明还公开了一种相控阵超声自动检测方法，利用上述的相控阵超声自动检测系统对检测碳纤维复合材料圆筒结构件的碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测，包括如下步骤：

S1、根据碳纤维复合材料圆筒结构件的筒体直径大小选取相控阵超声探头及适配探头延时块进行检测，具体选择方式如下：

当筒体直径为120mm～500mm时，使用10L32相控阵超声检测探头并配置相应弧度的探头延时块对筒体进行检测；

当筒体直径为500mm～600mm时，使用10L64相控阵超声检测探头可配置平底面探头延时块对筒体进行检测；

S2、超声检测时，使用选定的相控阵超声探头对碳纤维复合材料圆筒结构件的筒体进行检测，并将获取的扫描图像发送到图像分析模块；

S3、图像分析模块对超声检测成像进行分析，判断碳纤维与金属粘接层的质量状况，具体包括：

闸门设置于碳纤维与金属粘接层位置，当输出图像中有红色显示时，该处存在脱粘缺陷；当输出图像显示为淡黄色或浅白色点时，则该处不存在脱粘缺陷。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

①本发明提供的用于碳纤维复合材料圆筒结构件碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测的相控阵超声自动检测系统，其采用先进相控阵超声PAUT方法对碳纤维复合材料圆筒结构件碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测，更直观的检测碳纤维与金属粘接层的脱粘缺陷，防止该结构类工件在使用过程中发生破坏。

②在本领域内，对于复合材料与金属粘接层的缺陷检测时，传统的使用接触式常规超声脉冲回波及穿透法，或者水浸超声脉冲回波或局部喷水式穿透法，接触式常规超声方法检测效率很低，无法满足现场大批量结构件的检测需求，同时更无法满足高精度及成像检测的要求，水浸或局部喷水式超声一般使用单探头点聚焦或线聚焦方式检测该类缺陷，该方法对于平板件比较合适，而对于尺寸较大的构件或异型结构件检测比较困难，有时甚至无法完成检测，本发明针对于圆柱形筒体结构，按照筒体直径范围区别性的选用合适的相控阵探头及延时块，不仅能够准确完成产品检测，并且检测效率及检测灵活性大幅提高，解决了本领域的技术偏见。

③采用探头结合成像显示及粘接层界面波或底波闸门设置方法，相比传统超声方法的波形显示，通过波形判断检测结果，成像显示更加直观、准确，如果局部存在碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷，图像在缺陷处呈现红色；如果粘接层不存在该类粘接缺陷，图像整体显示为淡黄色或浅白色。由此能够直观判断该类筒体结构中粘接界面位置是否存在脱粘缺陷的问题。

④本发明在该类结构检测中引入带延时块的接触式相控阵超声检测方法，利用该方法外加喷水式耦合，顺利实现了碳纤维复合材料与金属粘接层脱粘缺陷的检测，极大提高了检测效率及检测灵活性，充分保证了结构的安全。

⑤本发明针对该类圆柱形筒体结构，设计制作了专用的自动化超声检测系统，检测精度及检测效率得到极大提升，检测系统使用灵活性高，适用面较宽。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种相控阵超声自动检测系统，用于检测碳纤维复合材料圆筒结构件的碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷，其特征在于，其包括扫查模块、运动控制模块及图像分析模块；

所述扫查模块通过相控阵超声探头对碳纤维复合材料圆筒结构件的外圆周面进行扫查，获取碳纤维复合材料圆筒结构件的超声C扫描图像并发送至所述图像分析模块；

所述扫查模块包括整体支架、周向步进旋转装置、直线运动装置、相控阵超声探头、底部带有注水口和钢质防磨球的探头延时块以及向所述注水口供水的喷水管路；所述周向步进旋转装置设置于所述整体支架上，包括相互平行且水平设置的主动周向旋转滚子、从动周向旋转滚子和能够带动所述主动周向旋转滚子转动的周向旋转电机及周向电机编码器，所述主动周向旋转滚子和从动周向旋转滚子能够支撑并带动所述碳纤维复合材料圆筒结构件沿水平轴线周向步进转动；所述主动周向旋转滚子和从动周向旋转滚子之间的距离可调地设置于所述整体支架，所述直线运动装置能够带动所述相控阵超声探头和探头延时块与所述碳纤维复合材料圆筒结构件的外壁接触并水平直线移动，所述直线运动装置包括与所述主动周向旋转滚子平行的丝杠、由所述丝杠带动的水平滑块、驱动所述丝杠转动的丝杠电机和丝杠电机编码器，以及设置于所述水平滑块的探头夹持装置；所述探头夹持装置用于连接所述相控阵超声探头和探头延时块；探头夹持装置包括转接块、连接杆、滑杆及夹持框；所述转接块转动设置于所述水平滑块并能够相对于所述水平滑块固定；所述连接杆滑动设置于所述转接块并能够相对于所述转接块固定；所述滑杆滑动设置于所述连接杆的前端，且在所述滑杆与所述连接杆之间设有用于向所述滑杆施加弹性力的弹簧；所述夹持框设置于所述滑杆前端并与所述探头延时块相连接；所述弹簧向所述滑杆施加弹性力时能够使所述探头延时块压紧在碳纤维复合材料圆筒结构件上；在探头延时块的底面四个角的位置加装高度可调的钢质防磨球并在探头延时块的底部加工矩形导流槽；钢质防磨球可以保证探头延时块在检测过程中移动的稳定性，导流槽可使通过探头延时块的水耦合介质在探头延时块底部形成均匀水耦合薄层，从而保证超声检测耦合稳定性；所述运动控制模块与所述丝杠电机和丝杠电机编码器电连接；

所述相控阵超声探头及适配探头延时块根据所述碳纤维复合材料圆筒结构件的筒体直径大小来选定：当筒体直径为120mm～500mm时，使用10L32相控阵超声检测探头并配置相应弧度的探头延时块对筒体进行检测；当筒体直径为500mm～600mm时，使用10L64相控阵超声检测探头配置平底面探头延时块对筒体进行检测；

所述运动控制模块与所述扫查模块电连接，用于控制所述扫查模块运动，所述运动控制模块与所述周向旋转电机及周向电机编码器电连接；丝杠带动水平滑块沿碳纤维复合材料圆筒结构件的轴向运动，并记录相应的轴向扫查位置，在此过程中相控阵超声探头对碳纤维复合材料圆筒结构件进行检测，当相控阵超声探头运动至扫查终点时，主动周向旋转滚子转动一个步进距离，相控阵超声探头再沿轴向从扫查终点位置移动到扫查起点位置，如此往复栅格扫查完成整个碳纤维复合材料圆筒结构件表面区域的超声C扫描成像检测；当待检圆筒件长度一次无法完成整个长度方向扫查时，选择分段扫查方式，将工件沿轴向左右移动相应的距离，对每个检测段分别进行扫查，两次扫查需要一定的扫查重合部分，使用轴向运动编码器进行定位并划定扫查重合部分；

所述图像分析模块与所述扫查模块电连接，用于对接收到的超声C扫描成像进行分析判断；采用探头结合成像显示及粘接层界面波或底波闸门设置方法，通过波形判断检测结果。

2.根据权利要求1所述的相控阵超声自动检测系统，其特征在于，所述相控阵超声探头为线阵探头。

3.根据权利要求2所述的相控阵超声自动检测系统，其特征在于，所述相控阵超声探头的频率为10MHz，晶片数量最小为32，最大为64。

4.一种相控阵超声自动检测方法，利用如权利要求1至3中任一所述的相控阵超声自动检测系统对检测碳纤维复合材料圆筒结构件的碳纤维与金属粘接层脱粘缺陷进行检测，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、根据碳纤维复合材料圆筒结构件的筒体直径大小选取相控阵超声探头及适配探头延时块进行检测，具体选择方式如下：

当筒体直径为120mm～500mm时，使用10L32相控阵超声检测探头并配置相应弧度的探头延时块对筒体进行检测；

当筒体直径为500mm～600mm时，使用10L64相控阵超声检测探头配置平底面探头延时块对筒体进行检测；

S2、超声检测时，使用选定的相控阵超声探头对碳纤维复合材料圆筒结构件的筒体进行检测，并将获取的扫描图像发送到图像分析模块；

S3、图像分析模块对超声检测成像进行分析，判断碳纤维与金属粘接层的质量状况，具体包括：

闸门设置于碳纤维与金属粘接层位置，当输出图像中有红色显示时，该处存在脱粘缺陷；当输出图像显示为淡黄色或浅白色点时，则该处不存在脱粘缺陷。

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