一種適用復(fù)合材料層板缺陷的空氣耦合蘭姆波超聲檢測(cè)d成像方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無損檢測(cè)領(lǐng)域，涉及到一種復(fù)合材料層板分層缺陷的檢測(cè)方法，具體 為一種適用復(fù)合材料層板缺陷的空氣耦合蘭姆波超聲檢測(cè)D成像裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代航空、航天、汽車等工業(yè)中，隨著纖維增強(qiáng)鋁合金層板的應(yīng)用，日趨廣泛，在 生產(chǎn)和使用過程中，材料結(jié)構(gòu)會(huì)不可避免的出現(xiàn)各種缺陷或損傷。據(jù)美國(guó)能源部SANDIA國(guó) 家實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)，樹脂注入成型后粘接加工過程中所產(chǎn)生的各種典型缺陷如起皺、分層、脫粘 等是影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全的首要隱患。無損檢測(cè)技術(shù)作為一種工業(yè)發(fā)展 必不可少的有效工具，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
[0003] 常規(guī)的復(fù)合材料層板的檢測(cè)裝置主要是生產(chǎn)過程中的水浸超聲檢測(cè)和在役的紅 外熱成像和聲振檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)。紅外熱成像檢測(cè)雖然檢測(cè)速度快但圖像對(duì)比度低，分 辨細(xì)節(jié)能力較差，不能透過透明障礙物(如玻璃等）看清目標(biāo)。而聲振檢測(cè)也存在精度不高 且不利于快捷檢測(cè)等缺點(diǎn)。
[0004] 蘭姆波的頻散特性研究和蘭姆波模式的選擇問題是此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。蘭姆波在板 中傳播時(shí)，由于板的厚度這種特征幾何尺寸影響，使得蘭姆波的速度依賴于波的頻率。從而 導(dǎo)致蘭姆波的頻散特性。隨著頻率的增加，蘭姆波的模式也會(huì)越來越多，即具有多模式現(xiàn) 象。蘭姆波的頻散和多模式特性使得在超聲蘭姆波檢測(cè)過程中缺陷信號(hào)的識(shí)別和提取變得 非常復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種適用復(fù)合材料層板缺陷的空氣耦合蘭姆波超聲檢測(cè)D 成像方法，同時(shí)給出了相應(yīng)的檢測(cè)裝置。本發(fā)明無需傳統(tǒng)超聲檢測(cè)所需的接觸式耦合劑，以 空氣介質(zhì)為耦合劑，易于操作。同時(shí)減少了耦合問題對(duì)檢測(cè)的影響。利用蘭姆波的特性只 需沿一方向掃查便可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域缺陷的檢測(cè)。檢測(cè)成本低，效率高。
[0006] 依據(jù)復(fù)合材料層板的頻散曲線可知，當(dāng)頻率低于Model模式的截止頻率時(shí)，板中 只有兩種蘭姆波模式A0和S0。再結(jié)合A0、S0兩種模式的里離面位移和面內(nèi)位移的分布情 況，可知，A0模式蘭姆波產(chǎn)生的泄漏蘭姆波強(qiáng)，S0模式蘭姆波產(chǎn)生的泄漏蘭姆波弱，因此， 我們選擇A0模式的蘭姆波作為空氣耦合檢測(cè)所用蘭姆波模式。
[0007] -種復(fù)合材料層板分層缺陷的空氣耦合超聲蘭姆波D成像檢測(cè)方法，其包括以下 基本步驟： 第一步、將待檢測(cè)復(fù)合材料層板水平放置在檢測(cè)臺(tái)上，并將超聲波發(fā)射和接收探頭隔 空放置在復(fù)合材料層板之上； 第二步、調(diào)整發(fā)射和接收探頭的傾角，并保證待檢測(cè)區(qū)域在兩探頭傾向側(cè)； 第三步、超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，接收探頭采集接收反射回的超聲波； 第四步、在導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)下，收發(fā)探頭沿水平方向以1mm步進(jìn)移動(dòng)，接收探頭采集每個(gè)位 置的A掃波形信號(hào)； 第五步、將采集到的A掃信號(hào)在一矩陣中進(jìn)行幅值成像，得到缺陷的D掃圖像。
[0008] -種復(fù)合材料層板分層缺陷的空氣耦合超聲蘭姆波D成像檢測(cè)裝置，主要包括： 主要由發(fā)射探頭、接收探頭、復(fù)合材料層板、外置增幅器、采集卡、PC和復(fù)合材料層板超聲 發(fā)射接收器組成；其特征在于：接收探頭連接外置增幅器，外置增幅器連接采集卡，采集卡 連接PC，PC連接復(fù)合材料層板超聲發(fā)射接收器，復(fù)合材料層板超聲發(fā)射接收器連接發(fā)射探 頭，在復(fù)合材料層板上部隔空布置一發(fā)射探頭和一接收探頭，接收探頭與發(fā)射探頭延同一 水平線布置，且發(fā)射探頭和接收探頭具有固定傾角，所述復(fù)合材料層板能夠分層，在復(fù)合材 料層板上有一分層缺陷區(qū)域，發(fā)射探頭和接收探頭在其左邊，發(fā)射探頭和接收探頭能夠移 動(dòng)進(jìn)行掃描成像檢測(cè)。
[0009] 本發(fā)明工作原理：在探頭不接觸待檢測(cè)試樣的情況下，依靠發(fā)射探頭在板中產(chǎn)生 的蘭姆波及接收探頭接收的缺陷泄漏回波，同時(shí)通過收發(fā)探頭的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)缺陷的 成像，進(jìn)而能夠?qū)θ毕莸奈恢茫笮〖拔：π宰龀鲈u(píng)價(jià)。
[0010] 本實(shí)發(fā)明的效果是：（1)無需傳統(tǒng)超聲檢測(cè)所需的接觸式耦合劑，以空氣介質(zhì)為 耦合劑，易于操作；（2)減少了耦合問題對(duì)檢測(cè)的影響，利用蘭姆波的特性只需一維線性步 進(jìn)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域缺陷的檢測(cè)；（3)檢測(cè)成本低，效率高。
【附圖說明】
[0011] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0012] 圖1為一種基于蘭姆波的復(fù)合材料層板分層缺陷空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0013] 圖2為本發(fā)明探頭布置的主視圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明的掃查示意圖。
[0015]在圖中，1為在圖中，1為復(fù)合材料層板，2為發(fā)射探頭，3為接收探頭，4、外置增幅 器，5、采集卡，6、PC，7、超聲發(fā)射接收器，8、分層缺陷區(qū)域。
[0016]圖4 (a)，圖4(b)分別為1. 5mm復(fù)合材料層板的相速度頻散曲線和群速度頻散曲 線。
[0017] 圖5為（a)，圖5 (b)分別為AO、S0兩種模式的里尚面位移和面內(nèi)位移的分布圖。
[0018] 圖6, 7, 8分別為對(duì)不同類型缺陷，得到的D掃描成像結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0020] 圖1為一種基于蘭姆波的復(fù)合材料層板分層缺陷空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。發(fā) 射探頭1和接收探頭2均為中心頻率0. 45MHz、晶片尺寸：14mmX14mm，高功率超聲發(fā)射接 收器7發(fā)射信號(hào)電壓為260 (峰峰值)、頻率為0. 45MHz、波數(shù)為11的矩形脈沖。外置增幅 器4可對(duì)接收探頭2接收的信號(hào)進(jìn)行0~60dB的增幅。采集卡5負(fù)責(zé)采集接收到的超聲波 信號(hào)并將信號(hào)傳輸保存在電腦PC6。
[0021] 如圖2所示，本發(fā)明是這樣來工作和實(shí)施的，一種適用復(fù)合材料層板缺陷的空氣 耦合蘭姆波超聲檢測(cè)D成像裝置，主要由發(fā)射探頭1、接收探頭2、復(fù)合材料層板3組成；其 特征在于：接收探頭2連接外置增幅器4,外置增幅器4連接采集卡5,采集卡5連接PC6， PC6連接復(fù)合材料層板超聲發(fā)射接收器7，復(fù)合材料層板超聲發(fā)射接收器7連接發(fā)射探頭1， 在復(fù)合材料層板3上部隔空布置一發(fā)射探頭1和一接收探頭2,通過對(duì)板中蘭姆波傳播特性 的研究，利用固定傾角的發(fā)射探頭在板中激勵(lì)出單一A0模式的蘭姆波，接收探頭2與發(fā)射 探頭1延同一水平線布置，以保證能夠更好接收板中缺陷回波信號(hào)，且發(fā)射探頭1和接收探 頭2具有固定傾角，所述復(fù)合材料層板3能夠分層，在復(fù)合材料層板3上有一分層缺陷區(qū)域 8,發(fā)射探頭1和接收探頭2在其左邊，發(fā)射探頭1和接收探頭2能夠移動(dòng)進(jìn)彳丁掃描成像檢 測(cè)。成像過程發(fā)射探頭與接收探頭同時(shí)以步進(jìn)Ay=lmm沿兩探頭垂直方向移動(dòng)掃查，采集 每個(gè)位置的A掃查信號(hào)，將全部A掃查信號(hào)進(jìn)行幅值成像，最終得到復(fù)合材料層板中分層缺 陷的D掃查成像結(jié)果。
[0022] 發(fā)射探頭T和接收探頭R均為中心頻率0. 45MHz。發(fā)射探頭T通過空氣介質(zhì)在板 中激勵(lì)出沿x方向傳播的蘭姆波，在傳播過程中如果遇到缺陷將會(huì)有一部分波反射回來并 泄漏到空氣中由接收探頭R接受。同時(shí)，收發(fā)探頭同步以△y=lmm沿y方向步進(jìn)掃查，直至 覆蓋整個(gè)待掃區(qū)域。
[0023] 發(fā)射探頭T與接收探頭R水平布置在待檢測(cè)分層缺陷的左側(cè)，根據(jù)復(fù)合材料層板 頻散曲線得知，0. 45MHz時(shí)，A0的相速度為1431m/s，空氣中的速度為340m/s。根據(jù)Snell 定律可得該頻率下的激發(fā)角為9=13.7°，01=13.7°。
[0024] Snell定律表示為：
式中分別為聲束的入射角和折射角，為第二介質(zhì)對(duì)第一介質(zhì)的相對(duì)折射率。
[0025] 圖4 (a)，圖4 (b)分別為1. 5mm復(fù)合材料層板的相速度頻散曲線和群速度頻散曲 線。當(dāng)頻率低于Model模式的截止頻率時(shí)，板中只有兩種蘭姆波模式A0和S0。模式單一利 于檢測(cè)。
[0026] 圖5為（a)，圖5 (b)分別為A0、S0兩種模式的里離面位移和面內(nèi)位移的分布情 況，由圖可知，A0模式蘭姆波產(chǎn)生的泄漏蘭姆波強(qiáng)，S0模式蘭姆波產(chǎn)生的泄漏蘭姆波弱。所 以我們選擇A0模式的蘭姆波作為檢測(cè)波形。
[0027] 圖6, 7,8分別為裝置對(duì)不同類型缺陷得到的D掃描成像結(jié)果。A，B，C對(duì)應(yīng)不同水 平位置的分層缺陷。X軸與蘭姆波傳播方向平行，是缺陷信號(hào)與速度進(jìn)行匹配后的結(jié)果，因 此從X軸上讀到的缺陷信息僅是缺陷信號(hào)波包的長(zhǎng)度；Y軸是探頭沿著Y方向掃描時(shí)移動(dòng) 的距離，因此Y軸才具有表征缺陷大小的能力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合材料層板分層缺陷的空氣耦合超聲蘭姆波D成像檢測(cè)方法，其包括以下基 本步驟： 第一步、將待檢測(cè)復(fù)合材料層板水平放置在檢測(cè)臺(tái)上，并將超聲波發(fā)射和接收探頭隔 空放置在復(fù)合材料層板之上； 第二步、調(diào)整發(fā)射和接收探頭的傾角，并保證待檢測(cè)區(qū)域在兩探頭傾向側(cè)； 第三步、超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，接收探頭采集接收反射回的超聲波； 第四步、在導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)下，收發(fā)探頭沿水平方向以Imm步進(jìn)移動(dòng)，接收探頭采集每個(gè)位 置的A掃波形信號(hào)； 第五步、將采集到的A掃信號(hào)在一矩陣中進(jìn)行幅值成像，得到缺陷的D掃圖像。2. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合材料層板分層缺陷的空氣耦合超聲蘭姆波D成像檢測(cè) 裝置，主要由發(fā)射探頭、接收探頭、復(fù)合材料層板、外置增幅器、采集卡、PC和復(fù)合材料層板 超聲發(fā)射接收器組成；其特征在于：接收探頭連接外置增幅器，外置增幅器連接采集卡，采 集卡連接PC，PC連接復(fù)合材料層板超聲發(fā)射接收器，復(fù)合材料層板超聲發(fā)射接收器連接發(fā) 射探頭，在復(fù)合材料層板上部隔空布置一發(fā)射探頭和一接收探頭，接收探頭與發(fā)射探頭延 同一水平線布置，且發(fā)射探頭和接收探頭具有固定傾角，所述復(fù)合材料層板能夠分層，在復(fù) 合材料層板上有一分層缺陷區(qū)域，發(fā)射探頭和接收探頭在其左邊，發(fā)射探頭和接收探頭能 夠移動(dòng)進(jìn)行掃描成像檢測(cè)。
【專利摘要】一種適用復(fù)合材料層板缺陷的空氣耦合蘭姆波超聲檢測(cè)D成像方法及其裝置，該裝置主要由發(fā)射探頭、接收探頭、復(fù)合材料層板、發(fā)射接收器、外置增幅器、采集卡和PC組成；在復(fù)合材料層板上部隔空布置一發(fā)射探頭和一接收探頭，接收探頭與發(fā)射探頭沿同一水平線布置，且發(fā)射探頭和接收探頭具有固定傾角，發(fā)射探頭和接收探頭能夠移動(dòng)進(jìn)行掃描成像檢測(cè)。本發(fā)明的效果是：掃查成像靈敏度高，適用缺陷廣，快速高效。同時(shí)空氣耦合超聲檢測(cè)以空氣作為檢測(cè)試樣和探頭質(zhì)檢的聲耦合劑，避免了傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)中液體或固體耦合劑對(duì)試樣帶來的二次污染與損傷等不利因素，可用于傳統(tǒng)超聲檢測(cè)手段難以適應(yīng)的場(chǎng)合，具有非接觸式和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01N29/06
【公開號(hào)】CN105004791
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510287514
【發(fā)明人】劉志浩, 盧超, 肖文鳳
【申請(qǐng)人】南昌航空大學(xué)
【公開日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年6月1日