基于超聲C掃描的變厚度構件掃查路徑規劃和增益補償檢測法

周正干，王 鑫，章寬爽，周江華

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

超聲檢測是目前對于復合材料最為實用有效、應用最為廣泛的無損檢測技術，它能可靠地檢測出復合材料中的分層、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷［1－3］。國內超聲檢測的對象大部分是等厚度構件，對于變厚度復合材料構件自動檢測方法的研究較少。人工檢測法仍然是絕大多數國內企業檢測變厚度復合材料構件的方法，該方法對檢測人員的經驗要求較高，效率也低，而且難以進行均勻掃描，容易造成漏檢而引發安全事故［4］；另一種方法是多動態電子門法，其通過在變厚度構件界面波與底波間設置多個沿深度方向連續的動態電子門，進行超聲C掃描成像，然后對各深度的超聲C掃描檢測結果進行處理并融合，最后得到表征變厚度構件的檢測圖譜［5－6］，但是這種方法要進行復雜的后處理，無法一次獲取檢測結果；國內曾有研究人員開發了一套針對變厚度復合材料的超聲檢測系統，提出厚度和曲率對靈敏度的影響，但是未給出明確的補償方法［7－8］；另外也有研究人員對變厚度構件的超聲檢測進行了較深入的研究，通過實時調節探傷儀增益來進行靈敏度補償，但這降低了檢測效率和探傷儀壽命［9－13］。

基于以上問題，提出了一種變厚度構件超聲C掃描軌跡規劃和增益補償方法，主要研究在保證檢測結果可靠性的基礎上，如何高效地規劃掃查軌跡，補償因構件厚度變化、表面曲率等造成的聲衰減。

1 變厚度構件信號衰減及補償原理

超聲波在材料中傳播時，除了有擴散損失外，還有材料的內摩擦以及組織界面的散射，使沿材料內部傳播的超聲波能量衰減。此種衰減情況可用衰減系數α0表示，設與探頭表面的軸向距離為x，如圖1所示，x＝0處的聲壓（振幅）為P0，x處的聲壓為Px，滿足

圖1 距離探頭不同位置聲壓示意圖

在實際檢測中，常用分貝（dB）表示兩聲波的聲壓（P1和P2）或聲強（I1和I2）之間的關系［14］，式中分貝（dB）表示為K，即

聲強I、聲壓P、探傷儀顯示器的透射波高度H之間存在如下關系：

對變厚度構件的檢測，除了考慮缺陷衰減外，還應考慮厚度、表面曲率變化引起聲衰減的不同。

如圖2，當發射探頭處入射聲壓P0相同、構件厚度相等，構件內部分別有缺陷、無缺陷時接收到的透射波高度如圖2（a），（b）所示；而當發射探頭入射聲壓相同、構件厚度分別為x1和x2（x1＜x2）時，接收到的透射波高度如圖2（c），（d）所示。

由于透射法超聲檢測中，缺陷判別的依據就是透射波高度的變化，而圖2（b），（d）中透射波高度基本一致。在實際檢測中，這將導致檢測過程中的誤判，即將圖2（b）判斷為構件內部無缺陷信號或將圖2（d）判斷為構件內部有缺陷信號。因此，對于變厚度構件，必須通過增益補償構件厚度對檢測結果的影響。

圖2 變厚度構件的穿透法檢測原理圖

“增益補償”，就是通過調整增益，改變接收信號的幅值，對因厚度、表面曲率造成的衰減進行補償。增益的調整方法有兩種：一種是基于探傷儀的硬件調整，即直接調節探傷儀上的增益值；另一種是基于計算機軟件參數的調整，即不改變探傷儀增益，而只改變軟件A 波的信號幅值，從而影響C 型成像以及后處理結果。由于硬件調整要頻繁地與探傷儀進行通信，降低了檢測效率，還會加重儀器的使用負擔，降低儀器使用壽命。因此，采用軟件調整的方法。

由式（2），（3）可得

即增益補償值與補償前后位置波高比值的對數成正比，即通過調整增益就可以調節顯示屏上的波高。首先確定一個初始波高H2，當波高小于某個值H1（確定這個值的依據是“要能發現檢測標準要求發現的最小缺陷”［15］）時，補償K的增益值，使波高達到H2。K即為C型成像時的補償系數。

由式（4）可得

C型成像時，需獲取波高H值進行顏色映射，H1是原始數據，H2是H1補償后應達到的高度，因此，只需把得到的H1值乘以系數10K／20，就可得到補償后的C型圖。

2 軌跡規劃和增益補償方法

掃查軌跡規劃是指掃查時兩探頭沿構件外輪廓進行自動化掃查的路徑。一般情況下，考慮聲波在進入構件時會在構件的表面發生反射、折射，兩探頭晶片連線方向與表面檢測點的法線方向相同時，超聲波在材料中的衰減最小［16］。但在實際掃描過程中，由于變厚度構件兩側表面是不平行的，而穿透法要保證兩探頭對齊，在此不考慮探頭姿態的調整。

如圖3所示，獲取檢測掃描起點、厚度轉折點、掃描終點的坐標，以此來確定被檢構件的空間形狀。掃描間距確定各個點位的X坐標，步進間距確定各個點位的Y、Z坐標。通過軌跡規劃，得到探頭的掃查軌跡和所有掃描點的位置坐標（x，y，z）。

圖3 變厚度復合材料板材掃描示意圖

軌跡規劃完成之后進行增益補償。如圖4 所示，首先取一個構件衰減較小的位置，調整增益使此處波高處于合適高度H。參考軌跡規劃中轉折點的概念，在構件的起點、轉折點、終點處，由于厚度增加和曲率不同，波高會明顯低于H，故進行增益補償，使波高達到H，得到其增益補償值。

圖4 規則變厚度構件靈敏度補償示意圖

圖4中只需要對5個點進行補償，由于相鄰兩點之間的厚度是線性變化的，故采用線性插值的方法計算出相鄰兩補償點之間所有點的增益補償值，方法如下。

設這兩個點是N和N＋1，其增益補償值對應為KN和KN＋1，Z方向坐標分別為ZN和ZN＋1，則在N和N＋1之間任意一點P的增益補償值為增益補償完成之后，構件上所有點的位置坐標值（x，y，z）和對應的增益補償值（K）便可確定，再按式（5）補償到成像數組。

以上方法是針對截面相對規則的變厚度構件，而在實際應用中也會有一些幾何截面不規則的構件，如圖5所示。此時將相鄰的兩個點位之間厚度近似看作是線性變化的，仍按式（6）來計算。選取的兩個補償點之間距離越短，其變化越接近線性，補償結果也越精確。

圖5 不規則截面變厚度構件增益補償示意圖

3 檢測試驗和結果

試驗用的變厚度構件試樣如圖6所示。試樣兩端是變厚區，厚度由5mm 線性變化到10mm，中間部分是等厚度區，厚度為10 mm，其中一側變厚區和等厚區預埋有φ5mm 的缺陷。

圖6 變厚度試樣

對此變厚度試樣進行超聲檢測試驗，不采用增益補償及經過增益補償方法之后，分別得到如圖7（a），（b）所示的檢測結果。

圖7 變厚度試樣補償前后的檢測結果

根據檢測結果可以看出，沒有增益補償時，試樣的兩端變厚區由于曲率的存在，超聲波的反射和散射衰減比等厚區更為嚴重，如果不清楚試樣的結構很容易做出變厚區是缺陷的誤判；此外，由于衰減嚴重，變厚區缺陷不易被發現，也容易造成變厚區沒有缺陷或者與實際缺陷尺寸不對應的誤判。進行增益補償后，試樣衰減嚴重的變厚區跟等厚區保持相同的能量水平，并且能夠清晰地發現變厚區中的缺陷。

4 結論

（1）具有軌跡規劃和增益補償功能的變厚度構件超聲C掃描方法可用于不同截面的變厚度構件檢測，操作簡化，易于實現，提高了檢測效率。

（2）提出的增益補償方法綜合考慮了被測試件的曲率和厚度等變化對衰減的影響，檢測結果具有較高的可靠性。

（3）該方法的局限性在于要求被檢試樣沿掃描方向的截面相同或近似不變，即在掃描任意一行時，厚度變化很小。對于沿掃描方向截面變化很大的構件，還需要對每一行的掃描進行軌跡規劃和靈敏度補償。

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