CN111999388A - 一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统及方法，通过脉冲激光器发出脉冲激光光束在待测碳纤维编织复合材料表面产生激光超声信号，而线阵式空气耦合激光超声探头以预先设定的相控聚焦方式接收其表面产生的激光超声信号，并计算待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与其内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将光吸收率与预设光吸收率阈值比对，并根据比对结果对待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，又将激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对，并根据比对结果对待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征，实现了对待测平板类材料的表面与内部结构缺陷进行微米级精度检测的目的。

Description

一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统及方法
技术领域
本申请涉及激光超声检测技术领域，尤其涉及应用于碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统以及相应的检测方法。
背景技术
碳纤维编织复合材料由于其优异的结构性能广泛应用于民用工业制造、航空航天及军工等领域。由于碳纤维编织复合材料其材料的组成成分多，材料存在各向异性，工艺也很复杂，这对于对于生产阶段的碳纤维编织复合材料的质量检测提出了新的要求。
目前，如何解决碳纤维复合板材微表面复杂结构对检测系统的干扰以及检测效率，并同时获得高分辨率表面微结构和内部深层缺陷成为一个亟待解决的问题。在传统的发射探头和接收探头都使用空气耦合探头的系统当中，由于其空气中的剧烈的衰减和其扫描速度慢，分辨率低，信噪比差，在面对具有复杂表面编织结构的碳纤维复合材料的检测时，仅能检测内部的大尺寸缺陷，且不能显示复合材料表面的编织结构。
此外，激光超声检测技术由于其快速、实时、非接触检测、高空间分辨率的优点在碳纤维编织复合材料检测领域得到了广泛的关注。可传统基于光学信号检测的激光超声系统仅能检测材料内部缺陷，无法检测表面缺陷，且其系统体积大、检测效率低、激光功率大、成本昂贵并且易受材料表面粗糙度和环境震动的影响，碳纤维编织复合材料的各向异性属性和编织结构的复杂性严重影响传统光学的信号缺陷检测系统的准确性。
发明内容
本申请提供了一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统及方法，用于解决现有技术中生产阶段对碳纤维编织复合材料的结构缺陷检测不够全面、检测效率低、体积较大、成本高且准确性较低的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，包括：脉冲激光器、一维激光振镜、场镜、线阵式空气耦合激光超声探头与数据处理模块；
所述一维激光振镜设于所述脉冲激光器下方，所述场镜设于所述一维激光振镜下方，所述场镜的最大扫描面积大于或等于待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜一侧的表面面积，所述脉冲激光器用于发出脉冲激光光束后依次通过所述一维激光振镜与所述场镜后在所述待测碳纤维编织复合材料表面聚焦扫描从而产生激光超声信号；
所述线阵式空气耦合激光超声探头设于所述待测碳纤维编织复合材料相对远离所述场镜的一侧，所述线阵式空气耦合激光超声探头的阵列长度大于或等于所述待测碳纤维编织复合材料相对长度方向上的边长，所述线阵式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述脉冲激光光束在所述待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的所述激光超声信号；
所述数据处理模块与所述线阵式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理处理，还用于根据滤波和放大处理处理后的激光超声信号计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，同时，将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。
优选地，所述待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜的一侧表面与所述场镜的光学焦平面重合。
优选地，所述线阵式空气耦合激光超声探头包括上部开口的壳体，所述壳体内设有具有若干个压电晶片呈线性排列的压电晶片阵列，所述压电晶片阵列的上表面镀有外电极层，所述外电极层的上表面镀有内匹配层，所述内匹配层的上表面镀有外匹配层，所述外匹配层设于所述壳体的开口处且与所述待测碳纤维编织复合材料对应设置，所述压电晶片阵列的下表面镀有内电极层，所述内电极层的下表面镀有背衬层，所述壳体还设有输出端，所述外电极层与所述内电极层均通过导线与所述输出端电连接。
优选地，所述外匹配层采用泡沫材料制成，所述外匹配层为所述线阵式空气耦合激光超声探头的预设主频波长的四分之一；所述内匹配层采用以环氧树脂为基体、空心玻璃微珠为填料的复合材料制成，所述内匹配层的厚度为所述线阵式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的四分之一；所述压电晶片为1-3型结构的复合材料，所述压电晶片的压电相采用锆钛酸铅制成，所述压电晶片的聚合物相采用高分子环氧树脂制成，所述压电晶片的厚度为所述线阵式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的二分之一；所述背衬层的材料采用钨粉与环氧树脂混合制成。
优选地，所述压电晶片的数量为128个，相邻的所述压电晶片之间的间距为0.1mm，所述线阵式空气耦合激光超声探头的中心频率为200KHz～2MHz。
优选地，所述脉冲激光器的脉冲宽度为500ns～2.5us。
优选地，碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统还包括一维电控移动平台，所述待测碳纤维编织复合材料设于所述一维电控移动平台上，用于驱动所述待测碳纤维编织复合材料运动从而使其脱离所述场镜的扫描范围，所述线阵式空气耦合激光超声探头设于所述一维电控移动平台内部。
优选地，所述数据处理模块包括信号调理子模块、数据采集子模块与计算机；
所述信号调理子模块与所述线阵式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理；
所述数据采集子模块与所述信号调理子模块电连接，用于接收并向所述计算机传输经所述信号调理子模块进行滤波和放大处理后的激光超声信号；
所述计算机与所述数据采集子模块电连接，所述计算机用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而获得光吸收率比对结果，并将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而获得激光超声信号衰减幅值比对结果；
所述计算机内设有超声数据成像模块，所述超声数据成像模块用于基于预先存储的聚焦成像算法，并根据所述光吸收率比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，并根据所述激光超声信号衰减幅值比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。
另一方面，本申请实施例还提供了一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测方法，基于上述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，包括以下步骤：
S101：通过脉冲激光器射出脉冲激光光束，并依次通过一维激光振镜和场镜射至在待测碳纤维编织复合材料表面聚焦扫描从而产生的激光超声信号；
S102：通过线阵式空气耦合激光超声探头以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述脉冲激光光束在所述待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的所述激光超声信号；
S103：通过信号调理子模块对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理；
S104：通过数据采集子模块接收并向计算机传输经所述信号调理子模块进行滤波和放大处理后的激光超声信号；
S105：通过所述计算机对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而获得光吸收率比对结果，并将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而获得激光超声信号衰减幅值比对结果；
S106：通过超声数据成像模块基于预先存储的聚焦成像算法，并根据所述光吸收率比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，并根据所述激光超声信号衰减幅值比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。
优选地，在所述步骤S106之后还包括：通过一维电控移动平台相对所述场镜移动所述待测碳纤维编织复合材料直至脱离所述场镜的扫描范围。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
1)本申请实施例利用脉冲激光器，其功率低且成本低，大大减少了系统的制作成本，同时，通过脉冲激光器发出脉冲激光光束在待测材料表面聚焦扫描产生激光超声信号，而线阵式空气耦合激光超声探头以预先设定的相控聚焦方式接收其表面产生的激光超声信号，并根据滤波放大处理后的激光超声信号来计算待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而对待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，同时，将激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而对待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征，使得达到了对待测碳纤维编织复合材料的表面与内部结构缺陷均可进行微米级精度检测的目的；
2)本申请实施例通过设置场镜的最大扫描面积大于或等于待测碳纤维编织复合材料靠近场镜一侧的表面面积，可以使得脉冲激光器发出的脉冲激光光束在整块待测碳纤维编织复合材料的表面进行一次性地扫描，提高了扫描速率；
3)本申请实施例通过设置线阵式空气耦合激光超声探头的阵列长度大于或等于待测碳纤维编织复合材料相对长度方向上的边长，可以使得对激光超声信号一次性接收在待测碳纤维编织复合材料上产生的激光超声信号，提高了检测效率；
4)由于激光超声信号具有较强的穿透性，使得本申请实施例设置的线阵式空气耦合激光超声探头只需接收激光超声信号，无需发送探测信号，便于线阵式空气耦合激光超声探头的小型化，能够有效减小系统体积；
5)本申请实施例利用碳纤维编织复合材料拥有对激光的吸收能量强的特性，能够获取到信噪比较好的激光超声信号并降低了激光器的所需功率，同时，利用碳纤维编织复合材料具有高强度、低密度的特点，并利用激光超声信号具有穿透能力强的特性，采用线阵式空气耦合激光超声探头以相控聚焦的方式接收激光超声信号，获得的激光超声信号信噪比较好，避免了材料表面粗糙度和环境震动对检测结果的影响，提高了检测的准确性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统的线阵式空气耦合激光超声探头的线性结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统的线阵式空气耦合激光超声探头的结构示意图；
图4为本申请实施例中具有预制盲孔缺陷的碳纤维编织复合材料的背面结构示意图；
图5为本申请实施例中对碳纤维编织复合材料中预制盲孔缺陷检测获得的图像表征图；
图6为本申请实施例提供的一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请实施例提供的一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，包括：脉冲激光器1、一维激光振镜2、场镜3、线阵式空气耦合激光超声探头6与数据处理模块；
一维激光振镜2设于脉冲激光器1下方，场镜3设于一维激光振镜2下方，场镜3的最大扫描面积大于或等于待测碳纤维编织复合材料4相对场镜3一侧的表面面积，脉冲激光器1用于发出脉冲激光光束后依次通过一维激光振镜2与场镜3后在待测碳纤维编织复合材料4表面聚焦扫描从而产生激光超声信号；
需要说明的是，待测碳纤维编织复合材料4的表面具有编织结构。
可以理解的是，场镜3的最大扫描面积大于或等于待测碳纤维编织复合材料4靠近场镜3一侧的表面面积，可以使得脉冲激光器1发出的脉冲激光光束在整块待测碳纤维编织复合材料4的表面进行一次性地扫描，提高了扫描速率。
线阵式空气耦合激光超声探头6设于待测碳纤维编织复合材料4相对远离场镜3的一侧，线阵式空气耦合激光超声探头6的阵列长度大于或等于待测碳纤维编织复合材料4相对长度方向上的边长，线阵式空气耦合激光超声探头6用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由脉冲激光光束在待测碳纤维编织复合材料4表面产生且穿透待测碳纤维编织复合材料4的内部结构的激光超声信号；
可以理解的是，线阵式空气耦合激光超声探头的阵列长度大于或等于待测碳纤维编织复合材料相对长度方向上的边长可以使得对激光超声信号一次性接收在待测碳纤维编织复合材料上产生的激光超声信号；另外，由于激光超声信号具有较强的穿透性，如图2所示，线阵式空气耦合激光超声探头采用线阵式结构，利用相控聚焦的方式接收激光超声信号，无需发射探测信号，便于线阵式空气耦合激光超声探头的小型化。
数据处理模块与线阵式空气耦合激光超声探头6的输出端电连接，用于对线阵式空气耦合激光超声探头6接收的激光超声信号进行滤波和放大处理处理，还用于根据滤波和放大处理处理后的激光超声信号计算待测碳纤维编织复合材料4的表面结构的光吸收率与待测碳纤维编织复合材料4的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而根据其比对结果对待测碳纤维编织复合材料4的表面结构缺陷进行图像表征，同时，将激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而根据其比对结果对待测碳纤维编织复合材料4的内部结构缺陷进行图像表征。
可以理解的是，可通过计算机对脉冲激光器1、一维激光振镜2、场镜3、线阵式空气耦合激光超声探头6与数据处理模块分别设置预设参数。
需要说明的是，对线阵式空气耦合激光超声探头接收的激光超声信号进行滤波和放大处理处理后，还可以对激光超声信号进行信号补偿光学吸收的差异，而增强激光超声信号强度。
另外，碳纤维编织复合材料表面不同材料的编织结构对激光的吸收率不同，导致不同材料的激发出的超声信号幅值的不同，激发出的超声信号的幅值会随着表面编织结构的变化出现周期性的波动，从而能够得到碳纤维编织复合材料的表面结构，并光吸收率超过预设光吸收率阈值时，则说明表面结构存在缺陷，预设光吸收率阈值可以根据预先在表面没有缺陷结构的相同碳纤维编织复合材料进行实验测得，然后，基于相控阵的聚焦成像算法对材料的表面结构存在的缺陷结构进行图像表征。
另外，利用激光超声信号经过内部的缺陷时产生的幅值衰减、以及空气和材料中超声的传播时间的不同，同时，根据幅值出现的衰减程度和信号接收时间延迟可以判断是否存在内部结构缺陷，当激光超声信号衰减幅值不在预设激光超声信号衰减阈值内，则说明存在内部结构缺陷，预设激光超声信号衰减阈值可以根据预先在内部没有缺陷结构的相同碳纤维编织复合材料进行实验测得，然后，基于相控阵的聚焦成像算法对材料的内部结构缺陷进行图像表征。
进一步地，待测碳纤维编织复合材料4相对场镜3的一侧表面与场镜3的光学焦平面重合。
可以理解的是，待测碳纤维编织复合材料设于场镜的光学焦平面，可以使脉冲激光光束聚焦于待测碳纤维编织复合材料表面上。
进一步地，参阅图3，线阵式空气耦合激光超声探头6包括上部开口的壳体17，壳体17内设有具有若干个压电晶片呈线性排列的压电晶片阵列13，压电晶片阵列13的上表面镀有外电极层12，外电极层12的上表面镀有内匹配层11，内匹配层11的上表面镀有外匹配层10，外匹配层10设于壳体17的开口处且与待测碳纤维编织复合材料4对应设置，压电晶片阵列13的下表面镀有内电极层14，内电极层14的下表面镀有背衬层15，壳体17还设有输出端，外电极层12与内电极层14均通过导线16与输出端电连接。
需要说明的是，线阵式空气耦合激光超声探头的信号相控聚焦接收过程为：根据相控阵超声接收聚焦原理，通过根据激光单点扫描时的落点，提前预先设置压电晶片的数目，并根据提前预设的压电晶片间的间距、已知的被测介质中的声速、目标声焦点到达设置的数目的中心阵元距离参数，通过余弦定理可以计算出每个压电晶片距离超声的目标焦点的距离，从而可以得到各个超声传播到各个压电晶片的时间，通过预先对各个压电晶片的接收信号的时延进行控制，完成相控阵延时和带权重补偿的求和信号接收，其权重系数需综合考虑表面光学吸收差异的补偿和接收角度的不同。
相控聚焦接收方式，则可以选择预先控制所有压电晶片的时间延时接收，即同时控制所有压电晶片对激光落点进行信号的聚焦接收，或者选择控制激光落点下方对应的压电晶片进行相控聚焦接收，随着激光落点移动控制其对应下方对应的压电晶片依次启动，完成全部的激光超声信号的接收。
可以理解的是，本实施例中线阵式空气耦合激光超声探头利用相控阵中的延时和求和模式聚焦接收激光超声信号，可以改善单个探头扫描速度慢、分辨率低的问题，可以提高信号接收的信噪比，提高检测的精确度。
进一步地，外匹配层10采用泡沫材料制成，外匹配层10为线阵式空气耦合激光超声探头6的预设主频波长的四分之一；内匹配层11采用以环氧树脂为基体、空心玻璃微珠为填料的复合材料制成，内匹配层11的厚度为线阵式空气耦合激光超声探头6的预设主频波长的四分之一；压电晶片为1-3型结构的复合材料，压电晶片的压电相采用锆钛酸铅制成，压电晶片的聚合物相采用高分子环氧树脂制成，压电晶片的厚度为线阵式空气耦合激光超声探头6的预设主频波长的二分之一；背衬层15的材料采用钨粉与环氧树脂混合制成。
需要说明的是，外匹配层10为线阵式空气耦合激光超声探头6的预设主频波长的四分之一，内匹配层11的厚度为线阵式空气耦合激光超声探头6的预设主频波长的四分之一，压电晶片的厚度为线阵式空气耦合激光超声探头6的预设主频波长的二分之一，其针对上述结构厚度进行限定，其是为了有最佳的阻抗匹配效果，其中，外匹配层10的最优声阻抗＜0.1MRayl，内匹配层11的最优声阻抗＜1-3MRayl，而结构厚度就决定声阻抗，而线阵式空气耦合激光超声探头6的主频波长就决定了其最优厚度，而线阵式空气耦合激光超声探头6的预设主频波长为其中心频率的倒数，而中心频率则是根据激光脉冲宽度进行设定，一般设为激光脉冲宽度的倒数的二分之一。
进一步地，压电晶片的数量为128个，相邻的压电晶片之间的间距为0.1mm，压电晶片的宽度为0.34mm，线阵式空气耦合激光超声探头6的中心频率为200KHz～2MHz。
进一步地，脉冲激光器1的脉冲宽度为500ns～2.5us。
需要说明的是，在本实施例中，脉冲激光器1的脉冲激光光束的波长为1064nm，重复频率为1MHz，而通过采用低成本小功率的脉冲激光器1与碳纤维编织复合材料配合，利用碳纤维编织复合材料拥有对激光的吸收能量强的特性，能够降低所需激光的功率同时并获取到信噪比较好的激光超声信号，同时，利用碳纤维编织复合材料具有高强度、低密度的特点，利用产生低频的激光超声信号具有穿透能力强的特性，采用线阵式空气耦合激光超声探头6透射式接收可以获取信噪比较高的激光超声信号，并能很好的表征材料表面及内部结构缺陷，也避免了材料表面粗糙度和环境震动对检测结果的影响，提高了检测的准确性。
进一步地，碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统还包括一维电控移动平台，待测碳纤维编织复合材料4设于一维电控移动平台上，用于驱动待测碳纤维编织复合材料4运动从而使其脱离场镜3的扫描范围，线阵式空气耦合激光超声探头6设于一维电控移动平台内部。
需要说明的是，由于本实施例中的激光超声检测系统可以一次性地对碳纤维编织复合材料进行检测，检测后，可以通过一维电控移动平台，可以实现碳纤维编织复合材料在生产阶段呈流水线式的连续检测的目的。
进一步地，数据处理模块包括信号调理子模块、数据采集子模块与计算机；
信号调理子模块与线阵式空气耦合激光超声探头6的输出端电连接，用于对线阵式空气耦合激光超声探头6接收的激光超声信号进行滤波和放大处理；
数据采集子模块与信号调理子模块电连接，用于接收并向计算机传输经信号调理子模块进行滤波和放大处理后的激光超声信号；
计算机与数据采集子模块电连接，计算机用于对线阵式空气耦合激光超声探头6接收的激光超声信号计算待测碳纤维编织复合材料4的表面结构的光吸收率与待测碳纤维编织复合材料4的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而获得光吸收率比对结果，并将激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而获得激光超声信号衰减幅值比对结果；
计算机内设有超声数据成像模块，超声数据成像模块用于基于预先存储的聚焦成像算法，并根据光吸收率比对结果对待测碳纤维编织复合材料4的表面结构缺陷进行图像表征，并根据激光超声信号衰减幅值比对结果对待测碳纤维编织复合材料4的内部结构缺陷进行图像表征。
为了方便理解，本实施例以厚度为3mm的碳纤维编织复合材料作为待测材料为例，并对其表面编织结构缺陷与内部结构缺陷进行检测，检测实施如下：
(1)脉冲激光器设备及参数
脉冲激光器采用中国POWER LASER公司生产制造的PD-1064-1-KD型调Q开关的Nd:YAG双波长脉冲激光器；脉冲激光器的脉冲宽度为500ns，激光波长为1064nm，重复频率为1MHz，单个脉冲频率范围为1KHz。
(2)线阵式空气耦合激光超声探头参数
压电晶片的数量为128个，相邻的压电晶片之间的间距为0.1mm，线阵式空气耦合激光超声探头的机电耦合系数为0.85，压电晶片的宽度为0.34mm，线阵式空气耦合激光超声探头的中心频率为1MHz。
(3)实验准备
如图4所示，在碳纤维编织复合材料的背面预制盲孔缺陷，其中盲孔缺陷直径为3mm，深度为2.6mm。
(4)实验过程与结果
通过本实施例中的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统对碳纤维编织复合材料的背面预制盲孔缺陷进行检测，通过对其盲孔缺陷相对的正面进行激光扫描，通过接收激光超声信号，再对盲孔缺陷结构进行图像表征，图像表征结果如图5所示，可以发现图像表征结果可以较好的再现碳纤维编织复合材料的表面结构特征与背部缺陷。
以上为本申请实施例提供的一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统的一个实施例，以下为本申请实施例提供的一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测方法的实施例。
为了方便理解，请参阅图6，本实施例提供了一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测方法，基于上述实施例中的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，包括以下步骤：
S101：通过脉冲激光器射出脉冲激光光束，并依次通过一维激光振镜和场镜射至在待测碳纤维编织复合材料表面聚焦扫描从而产生的激光超声信号；
S102：通过线阵式空气耦合激光超声探头以预先设定的相控聚焦的方式接收由脉冲激光光束在待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号；
S103：通过信号调理子模块对线阵式空气耦合激光超声探头接收的激光超声信号进行滤波和放大处理；
S104：通过数据采集子模块接收并向计算机传输经信号调理子模块进行滤波和放大处理后的激光超声信号；
S105：通过计算机对线阵式空气耦合激光超声探头接收的激光超声信号计算待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而获得光吸收率比对结果，并将激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而获得激光超声信号衰减幅值比对结果；
S106：通过超声数据成像模块基于预先存储的聚焦成像算法，并根据光吸收率比对结果对待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，并根据激光超声信号衰减幅值比对结果对待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。
进一步地，在步骤S106之后还包括：通过一维电控移动平台相对场镜移动待测碳纤维编织复合材料直至脱离场镜的扫描范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，包括：脉冲激光器、一维激光振镜、场镜、线阵式空气耦合激光超声探头与数据处理模块；
所述一维激光振镜设于所述脉冲激光器下方，所述场镜设于所述一维激光振镜下方，所述场镜的最大扫描面积大于或等于待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜一侧的表面面积，所述脉冲激光器用于发出脉冲激光光束后依次通过所述一维激光振镜与所述场镜后在所述待测碳纤维编织复合材料表面进行聚焦扫描从而产生激光超声信号；
所述线阵式空气耦合激光超声探头设于所述待测碳纤维编织复合材料相对远离所述场镜的一侧，所述线阵式空气耦合激光超声探头的阵列长度大于或等于所述待测碳纤维编织复合材料相对长度方向上的边长，所述线阵式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述脉冲激光光束在所述待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的所述激光超声信号；
所述数据处理模块与所述线阵式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波放大处理，还用于根据滤波放大处理后的激光超声信号计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，同时，将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。
2.根据权利要求1所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜的一侧表面与所述场镜的光学焦平面重合。
3.根据权利要求1所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述线阵式空气耦合激光超声探头包括上部开口的壳体，所述壳体内设有具有若干个压电晶片呈线性排列的压电晶片阵列，所述压电晶片阵列的上表面镀有外电极层，所述外电极层的上表面镀有内匹配层，所述内匹配层的上表面镀有外匹配层，所述外匹配层设于所述壳体的开口处且与所述待测碳纤维编织复合材料对应设置，所述压电晶片阵列的下表面镀有内电极层，所述内电极层的下表面镀有背衬层，所述壳体还设有输出端，所述外电极层与所述内电极层均通过导线与所述输出端电连接。
4.根据权利要求3所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述外匹配层采用泡沫材料制成，所述外匹配层为所述线阵式空气耦合激光超声探头的预设主频波长的四分之一；所述内匹配层采用以环氧树脂为基体、空心玻璃微珠为填料的复合材料制成，所述内匹配层的厚度为所述线阵式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的四分之一；所述压电晶片为1-3型结构的复合材料，所述压电晶片的压电相采用锆钛酸铅制成，所述压电晶片的聚合物相采用高分子环氧树脂制成，所述压电晶片的厚度为所述线阵式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的二分之一；所述背衬层的材料采用钨粉与环氧树脂混合制成。
5.根据权利要求3所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述压电晶片的数量为128个，相邻的所述压电晶片之间的间距为0.1mm，所述线阵式空气耦合激光超声探头的中心频率为200KHz～2MHz。
6.根据权利要求1所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述脉冲激光器的脉冲宽度为500ns～2.5us。
7.根据权利要求1所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，还包括一维电控移动平台，所述待测碳纤维编织复合材料设于所述一维电控移动平台上，用于驱动所述待测碳纤维编织复合材料运动从而使其脱离所述场镜的扫描范围，所述线阵式空气耦合激光超声探头设于所述一维电控移动平台内部。
8.根据权利要求1所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括信号调理子模块、数据采集子模块、计算机；
所述信号调理子模块与所述线阵式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理；
所述数据采集子模块与所述信号调理子模块电连接，用于接收并向所述计算机传输经所述信号调理子模块进行滤波和放大处理后的激光超声信号；
所述计算机与所述数据采集子模块电连接，所述计算机用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而获得光吸收率比对结果，并将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而获得激光超声信号衰减幅值比对结果；
所述计算机内设有超声数据成像模块，所述超声数据成像模块用于基于预先存储的聚焦成像算法，并根据所述光吸收率比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，并根据所述激光超声信号衰减幅值比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。
9.一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测方法，基于权利要求1～8中任一项所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，包括以下步骤：
S101：通过脉冲激光器射出脉冲激光光束，并依次通过一维激光振镜和场镜射至在待测碳纤维编织复合材料表面聚焦扫描从而产生的激光超声信号；
S102：通过线阵式空气耦合激光超声探头以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述脉冲激光光束在所述待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的所述激光超声信号；
S103：通过信号调理子模块对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理；
S104：通过数据采集子模块接收并向计算机传输经所述信号调理子模块进行滤波和放大处理后的激光超声信号；
S105：通过所述计算机对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而获得光吸收率比对结果，并将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而获得激光超声信号衰减幅值比对结果；
S106：通过超声数据成像模块基于预先存储的聚焦成像算法，并根据所述光吸收率比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，并根据所述激光超声信号衰减幅值比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。
10.根据权利要求9所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测方法，其特征在于，在所述步骤S106之后还包括：通过一维电控移动平台相对所述场镜移动所述待测碳纤维编织复合材料直至脱离所述场镜的扫描范围。
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