CN108181378B - 一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法 - Google Patents

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CN108181378B CN201711335799.XA CN201711335799A CN108181378B CN 108181378 B CN108181378 B CN 108181378B CN 201711335799 A CN201711335799 A CN 201711335799A CN 108181378 B CN108181378 B CN 108181378B
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Abstract

本发明属于复合材料及无损检测技术领域，涉及一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法。本发明方法利用脉冲超声波在与被检测的混合铺层复合材料层压结构中产生的反射声波行为与其内部微结构及其界面的固有联系，通过高品质超声换能器提取来自混合铺层复合材料层压结构中的反射回波信号，构建缺陷识别与报警域，进行缺陷的判别，进而显著改进了缺陷判别的准确性，为混合铺层复合材料层压结构超声检测提供了一种缺陷判别方法。实际检测应用结果表明，利用本发明，可以显著提高缺陷判别的正确性和准确性，取得了较好的实际检测效果，可用于不同厚度混合铺层复合材料层压结构的超声反射法检测。

Description

一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法。
背景技术
各种各样的复合材料已经在宇航工业领域得到广泛应用，由于质量和安全原因，通常都需要对复合材料制件进行100％无损检测。通常需要根据复合材料的材料及工艺、结构特点，采用相应的无损检测方法，以便进行准确的缺陷判别。混合铺层复合材料层压结构是一种新型的树脂基复合材料结构，它通常由不同纤维铺层或预浸料铺层+织物铺层构成。目前主要是采用超声方法进行检测。一种是基于超声反射法检测，利用反射回波的幅值进行缺陷的判别。其主要不足是：1)入射声波在复合材料内部混合铺层的微结构和混合铺层界面存在明显的反射信号，从而会对缺陷的判别造成干扰，进而影响缺陷判别的准确性；2)缺陷判别容易受检测人员的经验影响。
由于入超声波在混合铺层复合材料层压结构中的传播行为与其铺层结构及其铺层界面状态有密切关系，而缺陷的存在必然会改变原有的声波反射规律。
发明内容
本发明的目的是针对混合铺层复合材料层压结构超声检测，提出一种缺陷超声识别方法。
本发明的技术解决方案是，
检测混合铺层复合材料层压结构的设备包括换能器、声波发射/接收单元、信号处理单元、信号显示单元，根据被检测混合铺层复合材料层压结构采用水膜或水柱耦合方式的高分辨率宽带窄脉冲超声换能器，声波发射/接收单元采用单通道或双通道声波发射/接收卡或超声仪器，信号处理单元采用具有A/D变换功能的信号采集卡或超声信号处理单板，信号显示单元采用具有CPU运算能力的计算机或微型计算机单元构成，采用TFT显示屏，通过编程对来自信号处理单元的数字信号进行存储、分析和显示，再利用换能器在声波发射/接收单元的作用下，产生脉冲超声波w0(t)，t表示脉冲超声波传播的时间，此脉冲超声波w0(t)通过换能器入射到被检测的混合铺层复合材料层压结构中，形成入射脉冲超声波wI(t)，下角标I表示入射；入射脉冲超声波wI(t)在被检测的混合铺层复合材料层压结构中产生反射脉冲超声波w(t)，并在声波发射/接收单元转换为相应的反射脉冲信号u(t)，由信号处理单元进行超声波的放大和处理并将反射脉冲信号u(t)转换为数字信号v(t)，通过I/O接口，v(t)数字信号进入到信号显示单元，信号显示单元选用具有CPU运算能力的计算机或微型计算机单元构成，采用TFT显示屏，通过编程对来自信号处理单元的数字信号v(t)进行存储、运算、分析、数字化重构和显示，实现混合铺层复合材料缺陷的超声识别，其特征是，具体步骤如下：
①标准信号的获取
信号显示单元存储和记录换能器在无缺陷的混合铺层复合材料层压结构表面不同位置j的数字检测信号，用
Figure BDA0001506594680000021
表示，j＝1,2,3,...,m，上角标G表示无缺陷区，经过运算处理，得到来自无缺陷的混合铺层复合材料层压结构中m组数字信号vG(t)并存储，且：
Figure BDA0001506594680000022
这里，t的取值范围为所设置的信号记录闸门，且t∈(tst,ted)，tst、ted分别为信号记录闸门的起点时域位置和终点时域位置，在t∈(tst,ted)范围内，vG(t)包含vf(tf)、vi(ti)、vb(tb)，并将vG(t)存储到信号显示单元中。这里vf(tf)为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构表面的反射脉冲超声数字信号，vi(ti)为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构内部的反射脉冲超声数字信号，vb(tb)为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构底面的反射脉冲超声数字信号。
①缺陷识别域的构建方法
利用vG(t)通过信号显示单元进行运算和数字化重构，构建缺陷识别域ΔAG(t)：从m组数字信号vG(t)中，求得每个时域位置ti的幅值A(ti)的最大值Amax(ti)和最小值Amin(ti)，i＝1,2,3,...,m，且：
Figure BDA0001506594680000023
Figure BDA0001506594680000024
式中，MAX,MIN—分别表示对vG(t)中m组数字信号
Figure BDA0001506594680000025
求其每个时域位置ti的最大值和最小值。
根据式(2)和式(3)，构建的缺陷识别域ΔAG(t)由式(4)确定：
Figure BDA0001506594680000026
式中，t∈(tst,ted)—为vG(t)所对应的数据记录长度。
③对检测区域缺陷的判别
对检测区域获取的检测信号的幅值A(t)和构建的缺陷识别域ΔAG(t)通过信号处理单元(3)进行比较：
当
Figure BDA0001506594680000031
时，判别为缺陷，
当A(t)∈ΔAG(t)时，判别为好区，
这里，A(t)为来自当前检测位置的超声数字检测信号v(t)。
反射脉冲信号u(t)和数字信号v(t)采用视频VF和射频RF显示模式。
m值的选择根据实际被检测的混合铺层复合材料层压结构的微结构和铺层构成确定。
换能器的移动可以采取手动或自动方式，换能器与被检测混合铺层复合材料层压结构之间采用水膜耦合和水柱耦合方式。
在信号显示单元中采取脉冲回波信号或图像显示方式，对缺陷识别结果进行显示或指示。
数据记录长度t∈(tst,ted)的tst,ted可以根据被检测混合铺层复合材料层压结构的厚度和内部结构特征设置。
信号处理单元的采样频率fp满足要求：
fp≥Kfu
式中，fu—为反射脉冲信号u(t)的频率,
K—为数据采集系数，通常为大于零的整数，K＝10～20之间。
本发明具有的优点和有益效果，
本发明利用脉冲超声波与被检测混合铺层复合材料层压结构相互作用，产生的反射信号与混合铺层复合材料层压结构微结构及缺陷的数理联系，通过换能器提取若干组来自混合铺层复合材料层压结构好区的回波信号，利用来自缺陷的超声信号的随机属性和来自混合铺层微结构的超声信号的固有属性，构建缺陷报警和识别域，创建了一种混合铺层复合材料层压结构缺陷超声判别方法，进行混合铺层复合材料层压结构中缺陷的超声识别，避免了混合铺层复合材料层压结构中固有声波反射信号对缺陷的判别造成的干扰，进而提高了超声检测时缺陷判别的准确性，减少了超声检测时，缺陷判别容易受检测人员的经验影响等不足，显著提高了超声检测结果的正确性。
附图说明
图1是本发明的混合铺层复合材料层压结构超声检测示意图；
图2是本发明的超声波在混合铺层复合材料层压结构中的传播示意图；
图3是本发明的混合铺层复合材料层压结构缺陷识别域构建方法示意图；
图4是本发明实现混合铺层复合材料缺陷的超声识别的流程图。
具体实施方式
1.检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法所采用的设备由换能器1、声波发射/接收单元2、信号处理单元3、信号显示单元4组成，参见1所示，
1)换能器1
换能器1选用水膜接触耦合方式的高分辨率宽带窄脉冲超声换能器，频率在2MHz～10MHz之间选择。
2)声波发射/接收单元2
声波发射/接收单元2采用单通道或双通道声波发射/接收卡或超声仪器，其激励输出信号幅值在100-400V之间，带宽不低于40MHz，声波发射/接收单元2的模拟增益不低于20dB，声波发射/接收单元2具有与信号处理单元3匹配的超声模拟信号和同步信号输出及其接口。
3)信号处理单元3
信号处理单元3选用具有A/D变换功能的信号采集卡或超声信号处理单板，并具有与信号显示单元(4)匹配的I/O接口，采样频率在50MPS-100MPS之间选择，分辨率不低于12bits，信号输入范围不小于±5V，可编程设置信号采集的时域起点、时域宽度、量程等。
4)信号显示单元4
信号显示单元4选用具有CPU运算能力的计算机或微型计算机单元构成，采用TFT显示屏，通过编程对来自信号处理单元3的数字信号进行存储、分析和显示，实现混合铺层复合材料缺陷的超声识别。
5)超声波产生与构建方法
①超声波产生
利用换能器1在声波发射/接收单元2的作用下，产生高品质的脉冲超声波w0(t)，此脉冲超声波w0(t)通过换能器1与被检测的混合铺层复合材料层压结构5表面之间的耦合介质6入射到被检测的混合铺层复合材料层压结构5中，形成入射脉冲超声波wI(t)，这里，t表示脉冲超声波的传播时间，下角标I表示入射，参见图2所示；
②超声波反射
入射脉冲超声波wI(t)在被检测的混合铺层复合材料层压结构5中传播时，根据声波反射理论，入射脉冲超声波wI(t)在被检测的混合铺层复合材料层压结构5中将会产生反射脉冲超声波w(t)，参见图2所示，且：
w(t)＝wf(tf)+wi(ti)+wb(tb) (1)
式中，wf(tf)—为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5表面的反射脉冲超声波，
wi(ti)—为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5内部的反射脉冲超声波，与被检测的混合铺层复合材料层压结构5内部微结构、铺层界面、缺陷的存在等有关；
wb(tb)—为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5底面的反射脉冲超声波。
6)超声波的接收与处理
①超声波信号的接收与转换
来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5的反射脉冲超声波w(t)被换能器1接收，并转换为相应的反射脉冲信号u(t)，参见图2所示，且：
u(t)＝uf(tf)+ui(ti)+ub(tb) (2)
式中，uf(tf)—为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5表面的反射脉冲超声波wf(tf)，
ui(ti)—为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5内部的反射脉冲超声波wi(ti)，
ub(tb)—为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5底面的反射脉冲超声波wb(tb)；
式(2)与式(1)存在严格对应关系。
②超声信号的处理
经换能器转换后的反射脉冲信号u(t)送信号处理单元3进行放大和处理，并由信号处理单元3将反射脉冲信号u(t)转换为数字信号v(t)，且：
v(t)＝vf(tf)+vi(ti)+vb(tb) (3)
式中，vf(tf)—为uf(tf)的反射脉冲超声数字信号，来自被检测的混合铺层复合材料层压结构(5)表面的反射脉冲超声波wf(tf)，
vi(ti)—为ui(ti)的反射脉冲超声数字信号，来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5内部的反射脉冲超声波wi(ti)、来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5表面的反射脉冲超声波wf(tf)、来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5底面的反射脉冲超声波wb(tb)构成；
vb(tb)—为ub(tb)的反射脉冲超声数字信号，来自被检测的混合铺层复合材料层压结构5底面的反射脉冲超声波wb(tb)；
且使信号处理单元3的采样频率fp满足式(4)要求：
fp≥Kfu (4)
式中，fu—为反射脉冲信号u(t)的频率，与换能器1的频率特性有关,
K—为大于零的整数。
将数字信号v(t)送信号显示单元4进行、存储、运算、数字化重构和显示。
7)缺陷判别方法
①标准信号的获取
A)利用已知无缺陷的混合铺层复合材料层压结构5，将换能器1置于混合铺层复合材料层压结构5表面，采用液体耦合方式，并使换能器1与无缺陷的混合铺层复合材料层压结构5表面之间耦合良好，并设置信号记录闸门；
B)移动换能器1，并记录换能器在无缺陷的混合铺层复合材料层压结构5表面不同位置j的数字信号，用
Figure BDA0001506594680000061
j＝1,2,3,...,m，得到来自无缺陷的混合铺层复合材料层压结构5中m组数字信号vG(t)，且：
Figure BDA0001506594680000062
这里，t的取值范围为所设置的信号记录闸门，且t∈(tst,ted)，tst、ted分别为信号记录闸门的起点时域位置和终点时域位置，在t∈(tst,ted)范围内，vG(t)包含vf(tf)、vi(ti)、vb(tb)；
并将vG(t)存储到信号显示单元4中。
②缺陷识别域的构建方法
利用vG(t)构建缺陷识别域ΔAG(t)：
从m组数字信号vG(t)中，求得每个时域位置的幅值A(ti)的最大值Amax(ti)和最小值Amin(ti)，且：
Figure BDA0001506594680000063
Figure BDA0001506594680000064
式中，MAX,MIN—分别表示对vG(t)中m组数字信号
Figure BDA0001506594680000065
求其每个时域位置的最大值和最小值。
根据式(6)和式(7)，缺陷识别域由ΔAG(t)由式(8)确定：
Figure BDA0001506594680000071
式中，t∈(tst,ted)—为vG(t)所对应的数据记录长度，参见图3所示。
③缺陷的判别
当
Figure BDA0001506594680000072
时，判别为缺陷，
当A(t)∈ΔAG(t)时，判别为好区，
这里，A(t)来自当前检测位置的超声数字检测信号v(t)的幅值。
8)检测实时过程
①构建缺陷识别域，参见图3所示：
A)按照图1连接换能器1、声波发射/接收单元2、信号处理单元3、信号显示单元4，并通电进入工作界面；
B)将换能器1置于无缺陷的混合铺层复合材料层压结构5表面，并保持换能器1耦合良好，并设置信号处理单元2的增益和信号闸门参数；
C)移动换能器1，获取当前位置的vG(t)，并保存在信号显示单元4中相应的缓存区；
D)如果继续获取下一个位置的vG(t)，执行步骤C，否则，执行下一步；
E)按式(8)构建缺陷识别域；
②移动换能器1对被检测的混合铺层复合材料层压结构5进行扫描检测，信号显示单元4根据得到的每个检测位置的v(t)，按照③实时进行缺陷判别和显示，直至检测完毕，保存或存储检测结果。
2.反射脉冲信号u(t)和超声数字信号v(t)采用视频VF和射频RF显示模式。
3.标准信号的获取时，m值的选择根据实际被检测的混合铺层复合材料层压结构的微结构和铺层构成确定。
4.换能器1的移动可以采取手动或自动方式，换能器1与被检测混合铺层复合材料层压结构5之间可以采用水膜耦合和水柱耦合方式。
5.信号显示单元4，可以采取信号或图像显示方式，对缺陷识别结果进行显示或指示。
6.数据记录长度t∈(tst,ted)，tst,ted可以根据被检测混合铺层复合材料层压结构5的厚度和内部结构特征设置。
7.数据采集系数K为大于零的整数，在K＝10～20之间选择。
实施例
采用本发明的技术方案，选择中航复合材料有限责任公司生产的MUT-1和CUS-21J检测***，包括声波发射/接收单元2、信号处理单元3、信号显示单元4，换能器1采用FJ-1换能器，频率5MHz、10MHz、15MHz，模拟增益20dB，信号采样频率选用50MPS和100MPS，分别采用水膜耦合和水柱耦合，K分别取10和20，m分别20和30，首先选用无缺陷的混合铺层复合材料层压结构试样，混合铺层复合材料层压结构试样由碳纤维预浸料铺层+碳纤维织物铺层+碳纤维预浸料铺层组成，获取缺陷识别域，然后对2mm、5mm、10mm不同厚度、300×200—200×500mm不同大小的碳纤维预浸料铺层+碳纤维织物铺层+碳纤维预浸料铺层的混合铺层复合材料层压结构，进行了系列的实际检测应用，利用所构建的缺陷超声识别方法，可以快速清晰地对混合铺层复合材料层压结构进行超声检测和缺陷判别，取得了较好的实际检测效果。

Claims (7)

1.一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，检测混合铺层复合材料层压结构的设备包括换能器(1)、声波发射/接收单元(2)、信号处理单元(3)、信号显示单元(4)，根据被检测混合铺层复合材料层压结构采用水膜或水柱耦合方式的高分辨率宽带窄脉冲超声换能器(1)，声波发射/接收单元(2)采用单通道或双通道声波发射/接收卡或超声仪器，信号处理单元(3)采用具有A/D变换功能的信号采集卡或超声信号处理单板，信号显示单元(4)采用具有CPU运算能力的计算机或微型计算机单元构成，采用TFT显示屏，通过编程对来自信号处理单元(3)的数字信号进行存储、分析和显示，再利用换能器(1)在声波发射/接收单元(2)的作用下，产生脉冲超声波w0(t)，t表示脉冲超声波传播的时间，此脉冲超声波w0(t)通过换能器(1)入射到被检测的混合铺层复合材料层压结构(5)中，形成入射脉冲超声波wI(t)，下表I表示入射；入射脉冲超声波wI(t)在被检测的混合铺层复合材料层压结构(5)中产生反射脉冲超声波w(t)，并在声波发射/接收单元(2)转换为相应的反射脉冲信号u(t)，由信号处理单元(3)进行超声波的放大和处理并将反射脉冲信号u(t)转换为数字信号v(t)，通过I/O接口，v(t)数字信号进入到信号显示单元(4)，信号显示单元(4)选用具有CPU运算能力的计算机或微型计算机单元构成，采用TFT显示屏，通过编程对来自信号处理单元(3)的数字信号v(t)进行存储、运算、分析、数字化重构和显示，实现混合铺层复合材料缺陷的超声识别，其特征是，具体步骤如下：
①标准信号的获取
信号显示单元(4)存储和记录换能器在无缺陷的混合铺层复合材料层压结构(5)表面不同位置j的数字检测信号，用
Figure FDA0002356860180000011
表示，j＝1,2,3,...,m，G表示无缺陷，经过运算处理，得到来自无缺陷的混合铺层复合材料层压结构(5)中m组数字信号vG(t)并存储，且：
Figure FDA0002356860180000012
这里，t的取值范围为所设置的信号记录闸门，且t∈(tst,ted)，tst、ted分别为信号记录闸门的起点时域位置和终点时域位置，在t∈(tst,ted)范围内，vG(t)包含vf(tf)、vi(ti)、vb(tb)，并将vG(t)存储到信号显示单元(4)中，这里vf(tf)为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构(5)表面的反射脉冲超声数字信号，vi(ti)为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构(5)内部的反射脉冲超声数字信号，vb(tb)为来自被检测的混合铺层复合材料层压结构(5)底面的反射脉冲超声数字信号；
②缺陷识别域的构建方法
利用vG(t)通过信号显示单元(4)进行运算和数字化重构，构建缺陷识别域ΔAG(t)：从m组数字信号vG(t)中，求得每个时域位置ti的幅值A(ti)的最大值Amax(ti)和最小值Amin(ti)，i＝1,2,3,...,m，且：
Figure FDA0002356860180000021
Figure FDA0002356860180000022
式中，MAX,MIN—分别表示对vG(t)中m组数字信号
Figure FDA0002356860180000023
求其每个时域位置ti的最大值和最小值；
根据式(2)和式(3)，构建的缺陷识别域ΔAG(t)由式(4)确定：
Figure FDA0002356860180000024
式中，t∈(tst,ted)—为vG(t)所对应的数据记录长度；
③对检测区域缺陷的判别
对检测区域获取的检测信号的幅值A(t)和构建的缺陷识别域ΔAG(t)通过信号处理单元(3)进行比较：
当
Figure FDA0002356860180000025
时，判别为缺陷，
当A(t)∈ΔAG(t)时，判别为好区，
这里，A(t)为来自当前检测位置的超声数字信号v(t)的幅值。
2.根据权利要求1所述的一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，其特征是，反射脉冲信号u(t)和超声数字信号v(t)采用视频VF和射频RF显示模式。
3.根据权利要求1所述的一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，其特征是，m值的选择根据实际被检测的混合铺层复合材料层压结构的微结构和铺层构成确定。
4.根据权利要求1所述的一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，其特征是，换能器(1)的移动可以采取手动或自动方式，换能器(1)与被检测混合铺层复合材料层压结构(5)之间采用水膜耦合和水柱耦合方式。
5.根据权利要求1所述的一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，其特征是，在信号显示单元(4)中采取脉冲回波信号或图像显示方式，对缺陷识别结果进行显示或指示。
6.根据权利要求1所述的一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，其特征是，数据记录长度t∈(tst,ted)的tst,ted可以根据被检测混合铺层复合材料层压结构(5)的厚度和内部结构特征设置。
7.根据权利要求1所述的一种检测混合铺层复合材料层压结构的缺陷超声识别方法，其特征是，信号处理单元(3)的采样频率fp满足要求：
fp≥Kfu
式中，fu—为反射脉冲信号u(t)的频率,
K—为大于零的整数，
K＝10～20之间。
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