CN112946077A - 碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***及方法，能够通过使用变角度楔块调整超声入射角度，在接收楔块中观察到接收波形的最大幅值，从而对碳纤维复合材料第一临界角进行标定后，进而确定在材料近表面处激发出了临界折射纵波。本发明可以测量出激发临界折射纵波的最佳入射角，从而确保材料中激励出标准的临界折射纵波，拥有更准确的传播方向，更小的衰减和散射，提高无损检测测量区域的准确度。得到最佳的接收信号，幅值较大，特征清晰，便于分析利用。
Description
技术领域
本发明涉及超声无损检测及结构健康监测领域，具体涉及一种基于接收波幅值的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***及方法。
背景技术
使用超声临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal wave,LCR wave)对材料表面进行检测是超声无损检测中常用的手段。临界折射纵波是基于斯涅尔定律，利用第一临界入射角形成的沿材料表面传播的纵波。使用超声临界折射纵波对材料表面进行检测是超声无损检测中常用的手段。临界折射纵波是基于斯涅尔定律，利用第一临界入射角形成的沿材料表面传播的纵波。近年来应用LCR波对材料进行应用检测的研究领域主要为管道焊接应力、复杂曲面的残余应力、轨道表面残余应力等。总结来讲，目前使用LCR波进行超声检测的研究和应用领域主要为金属等各向同性材料。
LCR波方法在碳纤维复合材料的无损检测中拥有很高的应用潜力。该方法对于超声入射角度和传感器的接收角度有着严格的要求，而碳纤维复合材料作为各向异性材料，其内部结构会对超声的传播造成很大的影响。与各向同性材料不同，为了在碳纤维复合材料上激发出LCR波并获得良好的收波效果，需要对相应碳纤维复合材料中LCR波的最佳激发角度进行标定。
发明内容
本发明提供了一种基于接收波幅值的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***及方法，能够通过使用变角度楔块调整超声入射角度，在接收楔块中观察到接收波形的最大幅值，从而对碳纤维复合材料第一临界角进行标定后，进而确定在材料近表面处激发出了临界折射纵波。
本发明的具体技术方案如下：
(1)本发明提供的检测***，其组成部分由图1所示。整个***由工控机***、脉冲激励卡、变角度超声楔块、超声换能器、数据采集卡构成。
工控机***是直接与人交互的计算机***，与脉冲激励卡及数据采集卡直接连接，通过自行研发的超声无损检测软件向脉冲激励卡发送命令并解析和展示由数据采集卡记录的超声数据，将采集到的超声波形显示在屏幕上，软件流程图如图2所示。
脉冲激励卡一端与工控机***连接，另一端和超声换能器连接，当接收工控机***的命令后，向超声换能器发送脉冲波；
数据采集卡通过与负责接收信息的超声换能器连接，采集超声换能器的相关电信号信息，并发送给工控机***。
其中，超声换能器可将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，也可将收到的机械功率转换能电功率。本***中应用2个超声换能器和2个变角度超声楔块，其中1组超声换能器和变角度楔块接收来自脉冲激励卡的脉冲波，向材料中发射超声波，另1组超声换能器和变角度楔块接收由材料中传出的波形。
变角度超声楔块为超声换能器与待测材料之间的辅助模块，用于固定超声换能器，使其与被测材料表面形成稳定的位置关系，其结构示意图如图3所示。为减小表面之间的空气对超声波传播的影响，变角度超声楔块同时与超声换能器和材料表面使用耦合剂进行耦合。使用时，超声波从超声换能器发出后通过变角度超声楔块内部抵达材料表面，经折射后在材料内部传播，由另一组变角度超声楔块和超声换能器接收。
(2)本发明中激发超声临界折射纵波的核心方法之一是通过调节变角度超声楔块改变超声波入射材料表面的角度。变角度超声楔块的结构原理示意图如图3所示。使用时对超声换能器与滑块上表面进行耦合及固定。改变入射角度时，首先调节固定旋钮，使滑块和滑动曲面之间产生松动，然后将滑块沿轴心转一定角度后，重新拧紧固定旋钮，以固定新角度。
(3)根据斯涅尔定律，当超声入射角小于第一临界角时，材料中同时存在折射纵波和折射横波。根据斯涅尔定律及相关研究，当入射角逐渐增大时，折射纵波的主瓣方向逐渐向表面偏移，当达到第一临界角时，折射纵波将在表面下方沿表面平行方向传播。在各向异性材料中，超声的折射角的计算不符合斯涅尔定律，但折射纵波会随着入射角的增大而接近表面，而纵波主瓣越接近表面，在接收楔块中引起的折射纵波的幅值越大。
本发明中激发临界折射纵波的原理为，当超声波以最佳角度入射材料表面并成功激发出临界折射纵波时，接收到的波形幅值最大。因此激发方法的核心步骤在于不断调整超声入射角度，直到接收波形的幅值达到最大值，并将此时对应的超声波入射角作为激发临界折射纵波的最佳角度。
(4)在对变角度超声楔块进行角度调节时，需要对临界折射纵波的激发角度进行大致的估计，以缩小试验角度范围。本发明中通过对超声在碳纤维复合材料中的传播进行有限元模拟仿真的方法对初始角度进行估计。得到初始角度后，0度至初始角度+10°的范围内，每次对变角度超声楔块进行1°左右的调整后观察接收波形的幅值，直到其达到最大值。
下面将本发明一种碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发方法的技术方案，详述如下：
步骤一：通过仿真确定临界折射纵波激发试验的测试角度范围
使用COMSOL对超声波在超声楔块(非实际试验中的变角度超声楔块，只是仿真中设计的替代品)和碳纤维材料中的传播进行仿真。超声从左边的楔块中被激发，在进入碳纤维材料中时，会激发出折射纵波和折射横波、头波等。其中，折射纵波再次通过折射进入右侧的楔块并被传感器接收。超声楔块材料为有机玻璃(PMMA)，该材料内声速为2700m/s，碳纤维材料的弹性矩阵为：
使用周期为1.5MHz的单周期对左侧楔块进行激励，观察接收楔块中的接收波形。
当超声入射角度设置为14.5度左右时，在CFRP材料中观察到了LCR波。
当入射角在0～90°之间变化时，由于折射纵波和折射横波拥有不同的临界折射角，接收波形会多次达到极值。因此在激发试验中，应根据仿真结果确定超声入射角度的试验范围。
步骤二：试验准备
使用工控机***、脉冲激励卡、数据采集卡、变角度超声楔块与超声换能器组成的试验***，分别对0度铺层、[0/90]铺层、[0/45/-45/90]铺层三种碳纤维复合材料板进行超声检测。
试验所使用的材料为碳纤维板，其厚度应大于5mm，板材表面无特殊处理。碳纤维材料板置于水平平整面上，将分别负责发射与接收的两个变角度超声楔块置于板材表面，使用超声耦合剂对材料表面与变角度超声楔块表面、变角度超声楔块及超声换能器之间进行耦合。两个变角度超声楔块的边缘与板材边缘对齐，以保证楔块中心共线。根据碳纤维板材纤维铺设方式的不同，放置楔块时应保证超声折射波的传播方向与板材中其中一个的纤维方向平行。由于超声波在碳纤维材料中衰减较强，两个楔块之间的距离不应超过100mm。
将检测***搭建完成后，软件中显示出当前接收波形，开始下一步试验。
步骤三：调整变角度超声楔块，寻找接收波幅值最大点
首次观察波形时，先将楔块入射角置于0度，记录当前的接收波波形，并调整超声入射角度。接收楔块和发射楔块应同时调整，每次调整变角度超声楔块的幅度为1度，调节后记录当前的收波波形。重复调整和记录操作，直到(0～14°+10°)范围内的角度都被测试过一遍。
对比所有记录的波形数据，寻找波形幅值第一次达到最大值时对应的超声波入射角。可认为此时材料表面成功激发出LCR波，并且该角度为激发LCR波的最佳角度。
本发明的优点及有益效果在于：经多方研究和实验可知，临界折射纵波的最佳激发角度并非由斯涅尔定律直接计算得出的第一临界角，而是与该角度有着几度的差别。对于碳纤维复合材料来说，由于其内部层状结构及铺层特征，使用斯涅尔定律计算出来的激励角度所激励出的折射纵波不能保证其临界性。加上超声在材料内部传播时衰减和散射较大，因此超声入射角度的差别会对接收波形的幅值造成较大影响。本发明可以测量出激发临界折射纵波的最佳入射角，从而确保：1、材料中激励出标准的临界折射纵波，拥有更准确的传播方向，更小的衰减和散射，提高无损检测测量区域的准确度。2、得到最佳的接收信号，幅值较大，特征清晰，便于分析利用。
附图说明
图1为本发明中检测***的原理图。
图2为检测中所用软件的流程图。
图3为变角度超声楔块结构示意图。
图4为超声临界折射纵波传播路径图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：
步骤一：通过仿真确定临界折射纵波激发试验的测试角度范围
使用COMSOL对超声波在超声楔块(非实际试验中的变角度超声楔块，只是仿真中设计的替代品)和碳纤维材料中的传播进行仿真。超声的传播路径如图4所示，超声从左边的楔块中被激发，在进入碳纤维材料中时，会激发出折射纵波和折射横波、头波等。其中折射纵波再次通过折射进入右侧的楔块并被传感器接收。仿真中超声楔块材料为有机玻璃(PMMA)，该材料内声速为2700m/s，碳纤维材料的弹性矩阵为：
使用周期为1.5MHz的单周期对左侧楔块进行激励，观察接收楔块中的接收波形。
当超声入射角度设置为14.5度左右时，在CFRP材料中观察到了LCR波。
本仿真中在14.5度一定范围内测试不同入射角度下接收波形的最高幅值，结果如表1所示。结果表明随着超声入射角度与第一临界角的接近，接收波形的幅值逐渐增大。通过对仿真结果的分析可知，在该材料中，临界折射纵波的激发角度大致在14度左右。
当入射角在0～90°之间变化时，由于折射纵波和折射横波拥有不同的临界折射角，接收波形会多次达到极值。因此在激发试验中，应根据仿真结果确定超声入射角度的试验范围。根据仿真结果，本次试验的角度测试范围为(0～14°+10°)。
表1不同入射角度下接收波形的幅值
步骤二：试验准备
使用工控机***、脉冲激励卡、数据采集卡、变角度超声楔块与超声换能器组成的试验***分别对0度铺层、[0/90]铺层、[0/45/-45/90]铺层三种碳纤维复合材料板进行超声检测。
试验所使用的材料为碳纤维板，其厚度应大于5mm，板材表面无特殊处理。碳纤维材料板置于水平平整面上，将分别负责发射与接收的两个变角度超声楔块置于板材表面，使用超声耦合剂对材料表面与变角度超声楔块表面、变角度超声楔块及超声换能器之间进行耦合。两个变角度超声楔块的边缘与板材边缘对齐，以保证楔块中心共线。根据碳纤维板材纤维铺设方式的不同，放置楔块时应保证超声折射波的传播方向与板材中其中一个的纤维方向平行。由于超声波在碳纤维材料中衰减较强，两个楔块之间的距离不应超过100mm。
将检测***搭建完成后，软件中显示出当前接收波形，开始下一步试验。
步骤三：调整变角度超声楔块，寻找接收波幅值最大点
首次观察波形时，先将楔块入射角置于0度，记录当前的接收波波形，并调整超声入射角度。接收楔块和发射楔块应同时调整，每次调整变角度超声楔块的幅度为1度，调节后记录当前的收波波形。重复调整和记录操作，直到(0～14°+10°)范围内的角度都被测试过一遍。
对比所有记录的波形数据，寻找波形幅值第一次达到最大值时对应的超声波入射角。可认为此时材料表面成功激发出LCR波，并且该角度为激发LCR波的最佳角度。
通过实验，三种铺层的碳纤维复合材料的各方向声速如表2所示。在三种铺层的碳纤维复合材料板上沿纤维方向激发出LCR波所对应的入射角(大约值)如表3所示。同时，使用直接根据斯涅尔定律由纤维方向上的超声声速计算出的角度与试验所得角度进行对比。
表2碳纤维声速试验结果
表3三种碳纤维复合板材所对应的第一临界角
该结果证实了碳纤维复合材料激发LCR波时不能使用由斯涅尔定律计算得出的第一临界角的观点，并证实了通过观察接收波形幅值的方法来在碳纤维复合材料表层激发出LCR波的可行性。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：
检测***由工控机***、脉冲激励卡、变角度超声楔块、超声换能器及数据采集卡构成；
工控机***是直接与人交互的计算机***，与脉冲激励卡及数据采集卡直接连接，通过超声无损检测软件向脉冲激励卡发送命令并解析和展示由数据采集卡记录的超声数据，将采集到的超声波形显示在屏幕上；
脉冲激励卡一端与工控机***连接，另一端和超声换能器连接，当接收工控机***的命令后，向超声换能器发送脉冲波；
数据采集卡通过与负责接收信息的超声换能器连接，采集超声换能器的相关电信号信息，并发送给工控机***；
超声换能器将输入的电功率转换成机械功率即超声波再传递出去，或者将收到的机械功率转换能电功率；
变角度超声楔块为超声换能器与待测材料之间的辅助模块，用于固定超声换能器，使其与被测材料表面形成稳定的位置关系。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：采用2个超声换能器和2个变角度超声楔块，其中1组超声换能器和变角度楔块接收来自脉冲激励卡的脉冲波，向材料中发射超声波；另1组超声换能器和变角度楔块接收由材料中传出的波形。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：为减小表面之间的空气对超声波传播的影响，变角度超声楔块同时与超声换能器和材料表面使用耦合剂进行耦合；超声波从超声换能器发出后通过变角度超声楔块内部抵达材料表面，经折射后在材料内部传播，由另一组变角度超声楔块和超声换能器接收。
4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：通过调节变角度超声楔块改变超声波入射材料表面的角度；使用时对超声换能器与滑块上表面进行耦合及固定；改变入射角度时，首先调节固定旋钮，使滑块和滑动曲面之间产生松动，然后将滑块沿轴心转一定角度后，重新拧紧固定旋钮，以固定新角度。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：当超声波以最佳角度入射材料表面并成功激发出临界折射纵波时，接收到的波形幅值最大；因此需要不断调整超声入射角度，直到接收波形的幅值达到最大值，并将此时对应的超声波入射角作为激发临界折射纵波的最佳角度。
6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：0度至初始角度+10°的范围内，每次对变角度超声楔块进行1°左右的调整后观察接收波形的幅值，直到其达到最大值。
7.一种根据权利要求1所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***的检测方法，其特征在于：
步骤一：通过仿真确定临界折射纵波激发试验的测试角度范围
使用COMSOL对超声波在超声楔块和碳纤维材料中的传播进行仿真；超声从左边的楔块中被激发，在进入碳纤维材料中时，会激发出折射纵波和折射横波、头波；其中，折射纵波再次通过折射进入右侧的楔块并被传感器接收；超声楔块材料为有机玻璃PMMA，该材料内声速为2700m/s，碳纤维材料的弹性矩阵为：
使用周期为1.5MHz的单周期对左侧楔块进行激励，观察接收楔块中的接收波形；
步骤二：试验准备
使用检测***，分别对0度铺层、[0/90]铺层、[0/45/-45/90]铺层三种碳纤维复合材料板进行超声检测；
试验所使用的材料为碳纤维板，将碳纤维材料板置于水平平整面上，将分别负责发射与接收的两个变角度超声楔块置于板材表面，使用超声耦合剂对材料表面与变角度超声楔块表面、变角度超声楔块及超声换能器之间进行耦合；两个变角度超声楔块的边缘与板材边缘对齐，保证楔块中心共线；
将检测***搭建完成后，软件中显示出当前接收波形，开始下一步试验；
步骤三：调整变角度超声楔块，寻找接收波幅值最大点
首次观察波形时，先将楔块入射角置于0度，记录当前的接收波波形，并调整超声入射角度；接收楔块和发射楔块应同时调整，每次调整变角度超声楔块的幅度为1度，调节后记录当前的收波波形；重复调整和记录操作，直到0～14°+10°范围内的角度都被测试过一遍；
对比所有记录的波形数据，寻找波形幅值第一次达到最大值时对应的超声波入射角；认为此时材料表面成功激发出LCR波，并且该角度为激发LCR波的最佳角度。
8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：在步骤一中，当超声入射角度设置为14.5度左右时，在CFRP材料中观察到了LCR波；当入射角在0～90°之间变化时，由于折射纵波和折射横波拥有不同的临界折射角，接收波形会多次达到极值；因此在激发试验中，应根据仿真结果确定超声入射角度的试验范围。
9.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：碳纤维板厚度应大于5mm，板材表面无特殊处理。
10.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测***，其特征在于：放置楔块时应保证超声折射波的传播方向与板材中其中一个的纤维方向平行；两个楔块之间的距离不应超过100mm。
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