CN111537604B - 基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法，根据板层结构与板的材质建立物理模型，采用计算机计算该材料板的频散曲线，根据频散曲线计算声波传播时不同模态的波长。安装一对水膜耦合导波传感器，计算机接收到信号后记录该信号，将直达波与直达波后一定时间范围内的信号幅值量进行求和累加。将累加值记录在计算机中。控制该扫描检测装置，标记不同直达波信号累加值所对应在实体板材上的扫描段，结合所对应的坐标将指标引入计算机的虚拟板材，实现缺陷检测与成像。本发明能够有效克服导波在复合材料板上无法兼顾自动化与高频高精度检测的缺点，对提高复合材料板的检测精度与效率有非常重要的工程应用价值。

Description

基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于水膜耦合导波检测的复合材料板材自动化检测成像方法，适用于复合材料薄板结构缺陷的自动化超声检测，属于无损检测领域。

背景技术

板材是国防、工业等众多领域的基础材料，复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀抗疲劳的优良特性，复合材料板结构在航空、航天、核电等领域有着大量广泛的应用。目前受加工工艺的影响，复合材料板在生产与使用过程中不可避免地存在各种缺陷，如脱粘、夹杂等。这些缺陷的存在，降低了板材的可靠性，使板材在使用过程中更容易出现断裂等严重损伤，危害了人们正常的生产生活。所以采用无损检测的方式对复合材料板材结构进行质量控制，及时规避生产风险是十分重要的。

无损检测领域针对复合材料板结构的检测多采用超声波检测的方法，传统的超声波检测法采用C扫描的扫描方法，传感器在板表面逐点扫描，根据回波信号的波形变化情况进行检测。该方法检测效率低。超声导波检测技术是一种利用超声导波完成快速检测的方法，是由超声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的，它可以沿薄板结构传播很远的距离，声场可遍布整个薄板厚度。具有传播距离长、检测范围大、检测效率高等优点。

目前国内外学者利用导波完成复合材料板结构缺陷的扫描检测多采用空气耦合的方式，但该种扫描检测方式由于声波在空气中的衰减严重且空气与材料耦合效果差的原因，激励与接收的信号能量低，尤其是高频信号成分衰减严重，使得检测精度低，检测距离短。采用接触式的导波检测，在检测过程中存在传感器划伤复合材料板材表面的风险，难以实现自动化检测。

在针对复合材料板的检测中，传统的超声C扫描检测效率低，空耦式的超声导波检测则难以实现高频检测，检测精度受限，接触式导波检测易划伤材料板。本发明针对复合材料板的检测难点提出一种基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法，具有检测方便快捷、精度高、易实现自动化检测等的优点。

发明内容

本发明的目的在于针对目前复合材料板的缺陷检测难以提升检测精度与难以实现自动化检测的现状，针对现有检测技术中的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法。

采用一种水膜耦合导波检测板材自动化检测装置，该装置包括复合材料板和一对水膜耦合导波传感器，还包括函数发生器、功率放大器、数据采集卡、计算机与自动化扫描平台。所述的复合材料板定位夹紧在自动化扫描平台上，并保持平整。水膜耦合导波传感器固定在自动化扫描平台上，并分置在复合材料板的两端。函数发生器的输出端与功率放大器连接，功率放大器再与其中一个传感器连接。信号由函数发生器产生，经由功率放大器电信号放大，作用与传感器完成换能，在板中实现超声波的激励。另外一侧，传感器、数据采集卡与计算机依次相连，通过整块复合材料板的声波信号被该水膜耦合导波传感器采集并转换为电信号，经数据采集卡转换为数字信号，并在计算机中完成计算并实现成像。整体过程中，自动化扫描架完成逐段扫描，该扫描架与计算机相连，由计算机实现控制。

基于水膜耦合Lamb波的板材自动化检测成像方法，包括如下步骤。

S1建立物理模型，根据板层结构与板的材质建立物理模型，采用计算机计算该材料板的频散曲线，根据频散曲线计算声波传播时不同模态的波长。确定波长小于需要检测的缺陷尺寸，从而确定传感器的激励频率。

S2安装一对水膜耦合导波传感器，如图1该传感器有一定可调节倾角，囊状耦合结构4为天然橡胶注塑压制而成，为了避免超声回声干扰，耦合膜4除底部外四周表面贴吸声材料2。使用过程中，耦合膜内部填充满室温水3，换能器1前端直接浸泡在水中。安装完成后需要对两传感器进行称重，保证重量一致。

S3搭建自动化扫描检测装置，将复合材料板5展平并定位压紧在扫描平台上，压紧过程中在不破坏板结构的同时，要保证板的平整度，不会出现边缘翘曲和中间隆起的情况。将安装完成的传感器加装在扫描架上，扫描平台在加装传感器时要保证传感器对材料板的压力较小，并且两传感器的角度相对，之间距离为L。扫描架上的传感器夹持装置6上配有压力传感器，此时水膜耦合导波传感器底部的耦合材料4由于橡胶的柔软特性而向下鼓起，由扫描架传感器的传感器夹持装置实现角度的调节补偿，读取扫描架的传感器夹持装置上为提拉传感器而施加的外力N。连接函数发生器7与功率放大器8，并连入其中一个传感器。将数据采集卡与另一个传感器连接，并与计算机9连接，计算机另外与扫描平台连接。完成水膜耦合导波扫描检测装置的搭建。

S4由函数发生器7产生高频脉冲信号，利用功率放大器8将该高频脉冲信号进行放大，被放大的信号通过水膜耦合导波传感器激励出超声导波。声波首先在囊状结构所包覆的水3中传播，然后经过该结构的耦合面4入射进入复合材料板5中。在水膜底端与材料接触位置喷洒少量水。声波在不同介质之间传播过程中，阻抗匹配失衡会使高频的超声信号能量衰减太大而无法采集，限制了导波对复合材料小缺陷的检测。由于天然橡胶与水的声阻抗接近，并且与复合材料表面的声阻抗相差较小，使超声信号更容易透射进入材料中。当导波传播到复合材料另一端时，该波形携带有整个传播路径上材料结构对导波影响而造成的声学响应信号。由另一水膜耦合导波传感器接收该高频信号，并传递到计算机9中。

S5计算机9接收到信号后记录该信号，由于导波传播过程中会产生频散，导致信号被展宽，不同波形的重合造成信号分析困难。并且声波在水囊中传播时，水囊边界的水与空气声阻抗会造成较大的声波反射，反射会干扰初次回波后频散的波形，造成信号分析困难。为了保证传播路径上信号的有效性，所以将直达波与直达波后一定时间范围内的信号幅值量进行求和累加。将累加值记录在计算机中。

S6控制该扫描检测装置，该装置会带动两传感器在待测材料板上由板的一端沿Y轴另一端移动。移动一步后重复S4和S5，直到传感器移动到材料板另一端。完成后，传感器夹持装置将传感器提起，旋转90°后，将传感器放到待测材料板上，此时要保证两传感器压力前后压力也为N，以衡量两传感器安装的一致性，并由板的一端沿着X轴向另一端移动，移动一步后重复S4和S5，直到传感器移动到材料板另一端。

S7标记不同直达波信号累加值所对应在实体板材上的扫描段，行按照X_1，2，3...的标记方式依次类推，列按照Y_1，2，3...的标记方式依次类推，对所有累加值做归一化处理，将累加值落在[0,1]的量纲中。将行列累加值按照X_n·Y_m的方式两两相乘，计算得到的值作为超声检测的缺陷指标，指标越低则存在缺陷的概率越高，将指标按照(X_n，Y_m)的坐标一一对应。结合所对应的坐标将指标引入计算机的虚拟板材，实现缺陷检测与成像。

附图说明

图1为水膜耦合导波传感器的原理图。

图2为检测装置原理图。

图3为Lamb波的波长频散曲线。

图4检测波形图。

图5检测成像图。

图中：1-换能装置，2-吸声材质，3-水，4-透声耦合膜，5-检测对象，6-夹紧及扫描装置，7-函数发生器，8-功率放大器，9-计算机，10-电机驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例设计了一套复合材料板水膜耦合导波检测的自动化检测成像装置。该装置依靠基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法，能够提升导波检测的精度与效率。本实施例中检测对象5为碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，板材厚度为2.24mm，长宽均为400mm，共16层，采用铺层方式为[(0°/45°/90°/-45°)2]S的准各向同性铺层。其中待检测缺陷为3mmx5mm的脱粘缺陷。

1)根据导波在复合材料板中的波长-频散曲线图确定所采用的声波频率。图3为导波在该材料板的传播过程中仿真计算得到的波长-频散曲线图。为了在该材料板上检测直径为3mm的缺陷，根据确定声波波长应该小于3mm，即选用频率高于0.5MHz的超声频率。该实施例中采用1MHz频率的超声信号。

2)根据该新方法需要配有一对水膜耦合导波传感器，该水膜耦合导波传感器采用一个中心频率为1MHz的换能装置1接收电信号并转换为超声信号，换能装置1的前端完全浸泡在水3中。传感器内衬采用厚度为1mm的毛毡材料，贴合在外壳上。透声耦合膜4采用了厚度为0.5mm的天然橡胶，该材料与水的声阻抗接近，声波传播到透声耦合膜4和水3的接触面上时，能够透过大部分的声能量。

3)函数发生器7激励的超声信号为1MHz的5周期正弦波信号，经过功率放大器8放大50倍，得到幅值为50Vpp的5周期正弦波信号，经过水膜耦合导波传感器换能激励出超声导波，该信号经过复合材料板5被另一传感器检测接收到。接收信号被计算机9接收记录。

4)在待测材料板5边缘上用洒水喷头喷洒少量水，将传感器放置在喷洒的水层上。利用计算机9控制夹紧装置下移，使两传感器的重量一部分被材料板承接，一部分被提拉。记录提拉所用的力的大小为10N。

5)由计算机9控制电机驱动器10，从而带动整个扫描架先由X方向扫描并记录检测信息，再由Y方向扫描记录检测信息，扫描步距为0.5mm，扫描速度为0.5mm/s。

6)在计算机9中进行数据的整理，图4为该实施例得到的检测波形图，其中(a)为非缺陷区检测到的导波信号，该信号的极限峰值为3.4x10^-4 V，(b)为缺陷区检测到的导波信号，该信号的极限峰值为0.4x10^-4 V。在该实施例下，利用该方法检测缺陷区与非缺陷区，两者在信号上存在明显差异。截取(a)、(b)数据中的所有检测波信号成分，即图4中0.6x10^-4s～1.8x10^-4s处，分别对幅值进行累加、标记与归一化处理，得到不同坐标的缺陷指标。

7)缺陷指标对应不同色度，将其按照其所对应的坐标在计算机9中作图，得到采用基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法得到的检测成像图5。图5中，红色为标记刻画的实际缺陷，该缺陷为3mmx5mm的脱粘缺陷。图5中的蓝色为缺陷概率较低的区域，黄色为缺陷概率较高的区域。对比该检测结果可以确定，该装置成功实现了复合材料板3mm缺陷的自动化检测成像。由此结果可以印证，基于水膜耦合导波检测的复合材料板材自动化检测成像方法能够有效克服导波在复合材料板上无法兼顾自动化与高频高精度检测的缺点，对提高复合材料板的检测精度与效率有非常重要的工程应用价值。

Claims (4)

1.一种基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1)对复合材料结构特性建立物理模型分析，根据波长频散曲线与缺陷尺寸确定传感器激励频率；该频率的选取仅需考虑波长与缺陷尺寸，忽视多模态与耦合时的声能损失；

步骤2)安装一对水膜耦合导波传感器；使用过程中，耦合膜内部填充满室温水，换能器前端直接浸泡在水中；安装完成后需要对两传感器进行称重，保证重量一致；

步骤3)搭建自动化扫描检测；对待检测的复合材料板展平压紧保证平整度；导波传感器分别置于待检测板的两端，与待测板材接触，在待检测板与导波传感器接触位置上提前喷洒纯净水；两水膜耦合导波传感器的加装过程采用压力传感器，压力传感器对比计算出水膜耦合导波传感器对复合材料板接触时的压力；

步骤4)函数发生器激励高频脉冲信号，经功率放大器放大，作用水膜耦合导波传感器激励超声导波；导波传播到待测板另一端时被另一水膜耦合导波传感器接收，并将信号传递到计算机中；

步骤5)将直达波与直达波后一定时间范围内的信号幅值量进行求和累加，将累加值记录在计算机中；

步骤6)分别对X与Y方向进行扫描检测，需要保证两次检测时，水膜耦合导波传感器安装后对板造成的压力同为N；

步骤7)标记不同直达波累加值所对应在实体板材上的扫描段，行与列分别按照X_1,2,3…和Y_1,2,3…的标记方式以此类推，对所有累加值做归一化处理，累加值落在[0,1]的量纲中；将行列累加值按照X_n·Y_m的方式两两相乘，计算得到的值作为超声检测的缺陷指标，指标越低则存在缺陷的概率越高，将指标按照(X_n，Y_m)的坐标一一对应；结合所对应的坐标将指标引入计算机的虚拟板材，实现缺陷检测与成像。

2.根据权利要求1所述的基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法，其特征在于：步骤2)中采用水膜耦合导波传感器，水膜耦合导波传感器的角度可调，囊状耦合结构采用天然橡胶材质，底面薄四面厚，结构内部处薄面外，均贴有吸声材料。

3.根据权利要求1所述的基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法，其特征在于：步骤3)中在应用水膜耦合导波传感器时，采用压力传感器差值计算的方法完成对水膜耦合导波传感器的耦合条件的量化标定。

4.根据权利要求1所述的基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法，其特征在于：步骤4)中采用更高频率的超声脉冲信号，实现超声导波的自动化检测。

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