大型曲面復合材料超聲檢測技術

王燕 劉艷珍

摘 要：超聲檢測技術作為當前重要檢測技術之一，在多種材料的檢測中有著廣泛應用。大型曲面復合材料一般來說具有較多缺陷例如孔洞、分層以及夾雜等，利用超聲檢測技術能夠準確檢測出曲面符合材料內部所有的缺陷，從而為材料的分級和豐谷提供參考。本文主要通過對大型曲面復合材料超聲檢測技術進行探討，研發了無損超聲檢測系統，希望能夠給材料檢測工作提供一定的參考。

關鍵詞：大型曲面；復合材料；超聲檢測技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.016

1 前言

復合材料同時具備多種材料的優點，具有良好的抗腐蝕性能和較高的強度，在多種領域有著廣泛的應用。在復合材料制備過程中，由于復合工藝問題以及技術不足等原因往往會造成符合材料成品出現缺陷，直接影響材料的質量。因此，采取有效的方法對材料進行檢測是十分必要的。目前來看，超聲檢測方法是復合材料檢測過程中常用的方法之一，利用超聲波的變化特點能夠較為準確的反映材料缺陷，且對材料本身的損傷較小，十分有利于發展復合材料領域的無損檢測[1]。

2 復合材料超聲檢測

2.1 超聲透射檢測法

當超聲波在材料內部傳播時，材料會對超聲波進行反射或者吸收造成超聲波的衰減，且衰減強度隨著傳播距離的增加而越發加大。在材料內部，聲波的散射、擴散以及材料介質的吸收是超聲波衰減的主要原因，當超聲波傳播過程中遇見復合材料的缺陷例如夾雜和孔洞時，會造成超聲波不斷散射而明顯衰減。[2]由于超聲波衰減的強度與材料內部缺陷的種類和程度有關，因此利用超聲波衰減的數據可以初步判斷缺陷的數量以及缺陷類型。相對來說，超聲透射檢測方法簡單，成本較低，耗費的材料也相對較少，但精度不高，適用于精度要求不高的工業化生產。

2.2 測量理論

利用耦合劑和發射探頭將超聲波入射到被測材料的內部，并將入射截面為零界面，得到入射波超聲波在材料內部的傳播關系。當超聲波在不同介質之間傳播時，會發生透射和反射，根據能量守恒定律可以得到超聲波的透射系數和反射系數。隨著距離的不斷增加，超聲波在介質傳播中會伴隨衰減，通過相應計算我們可以得到聲壓的衰減規律。

2.3 C掃描檢測原理

假設復合材料內部沒有任何缺陷，材料另一側的接收探頭能夠接受到更強的超聲波信號。當材料內部存在較小的缺陷時，被缺陷反射出部分超聲波，而造成接收位置處聲波衰減，當復合材料內部的缺陷較大時，入射的超聲波會完全被缺陷反射，從而無法在接收位置處檢測到超聲波信號。在實際超聲檢測過程中，可以使用脈沖波或者連續波進行超聲檢測，連續波的使用方法比較簡單，但是由于使用過程中很可能在工件內部產生駐波而造成透射量不穩定，因此大多使用脈沖波，保證檢測的效率。

超聲C掃描是指在水平面內利用超聲探頭進行逐行掃查而得到透射波圖像的一種成像方式。在C掃描系統工作中，計算機利用觸發裝置和脈沖裝置得到激勵信號，并刺激相關晶片產生超聲波，然后聲波由復合材料另一側的晶片接收，接收到的超聲波經過轉換器轉變為電信號并經由放大電路轉變為數字信號，并進行數字處理工作。計算機掃描平臺對樣品進行水平面二維掃描控制，得到二維圖像并傳輸到電腦中得到超聲圖像。

3 曲面復合材料雙機械手測量技術

在實現大型曲面符合材料測量中，雙關節機械手發揮著十分關鍵的作用。相對于普通檢測方式來說，雙關節機械手的重復性更高，檢測速度更快且成本相對較低。利用雙機械手不僅能夠極大地提高測量精度，而且在很大程度上解放了人力，更為自動化和技術化。

3.1 空間任意曲面超聲透射檢測路徑規劃技術

大型曲面復合材料具有一定的表面曲率，因此在對其進行超聲檢測時會發生較強的散射、反射以及折射等光學行為，造成超聲波信號無法準確入射到工件內部。在實際檢測中，可以應用超聲探頭追蹤工件形狀變化，要求曲面發現方向與超聲波入射方向一致，從而保障超聲波信號能夠較強的入射到工件之中。另外，在外表面法線矢量與探頭實際位置出現偏差之時，聲波的散射受到缺陷以及構件形狀的影響更大，造成實際由探頭接收到的聲波更少，而無法精確檢測試件內部的缺陷情況。所以，需要保證探頭指向能夠被檢測設備精確控制，使得檢測方向能夠與探頭指向完全一致。在自動化檢測進程中，獲得相關曲面坐標數據是自動化檢測的前提，在檢測系統中，由于工具坐標系和笛卡爾坐標系是相互獨立的，因此首先需要完成公共坐標系的建立，以保證兩個機械手的同步機械檢測。

3.2 雙機械手超聲透射檢測控制系統

雙機械手的檢測控制系統的任務主要是對機械進行實時準確的控制，高端機械手靈活性好、機動性較強且工作速度快，被廣泛應用在雙機械手控制系統中。在該系統中，我們采用的上下位機控制結構形式可以更好的保證系統的控制精度和實時控制。工控機是一臺上位機，主要是進行系統監控、任務分配以及路徑規劃等。控制器利用PC控制技術，結合數字和總線控制方案，并通過DSI實現機器人系統編碼，完成傳感器的信號采集和處理。在檢測過程中，機械手同時夾持換能器在大型曲面復合材料表面運動，使得發射換能器與接收換能器的平面位置保持一致，同時保證超聲波可以垂直入射。兩個機械手要根據工作的實際情況合理調整位置，保證超聲波入射的效率和有效性，從而能夠得到更為精確的檢測結果。

4 結束語

綜上所述，超聲波檢測技術在大型曲面復合材料檢測中具有十分廣泛的應用，本文從超聲波檢測技術的原理入手，重點介紹了無損超聲波檢測技術的設計以及相應的構造方法，從而實現大型曲面復合材料缺陷的精確檢測，提高檢測的效率，減少檢測成本，為相關的復合材料檢測行業提供一定的參考。

參考文獻：

[1]Li C，Crosky JA.The effect of carbon fabric treatment on delamination of 2D-C /C composites[J].Compos Sci Tech， 2006，66（15）：2633-2638.

[2]Jeong H，Hsu DK.Experimental analysis of porosity-induced ultrasonic attenuation and velocity change in carbon composites[J].Ultrasonics，1995，33（03）：195-203.