基于敲擊法的復合材料損傷檢測系統設計

王東鋒 張 濤 涂明武

（空軍工程大學航空機務士官學校，信陽 464000）

21 世紀以來，復合材料廣泛應用于航空航天等工業領域[1]。但是，由于加工工藝的限制和材料內部結構的復雜性，復合材料在加工過程和服役過程中可能產生缺陷與損傷，導致材料的耐久性降低，威脅飛機操作的安全性[2]。因此，復合材料的無損檢測技術已成為航空航天領域的重要研究內容[3]。

敲擊法由來已久，早期由操作者持硬幣或小錘對材料表面進行敲擊，通過敲擊聲音來判斷材料內部是否存在缺陷，但效果對操作者的經驗依賴性極大。因此，本文基于單片機系統，結合傳統敲擊法與現代傳感器技術，設計了一種復合材料損傷檢測系統，即利用傳感器采集敲擊響應信號，并基于敲擊響應脈沖的寬度值判斷材料內部是否存在損傷。

1 理論基礎

針對敲擊法的物理原理，Cawley 教授利用彈簧-質量模型對敲擊檢測中的振動系統進行了描述[4]，如圖1 所示。

圖1 振動系統模型

Cawley 教授將缺陷建模為具有一定剛度kb的彈簧，假設敲擊錘的質量為m，敲擊錘與材料表面間的接觸剛度為ka，則該處的有效剛度等效于接觸剛度與缺陷剛度的串聯[5-6]，即：

可以得到，敲擊響應脈沖的寬度T 為：

由式（2）可知，敲擊響應脈沖的寬度值越高，該點的剛度越低，即材料內部的缺陷或損傷程度越重。因此，通過比較敲擊力的脈沖寬度能夠有效判斷材料內部是否存在缺陷。

2 系統設計

2.1 系統電路設計

系統檢測的敲擊響應信號本質上是振動信號。為采集信號，需設計振動傳感器信號采集硬件系統。設計中采用壓電式加速度傳感器，使用2 ～10mA 恒流源供電。為保證傳感器能夠安全穩定工作，系統采用16 位DA 芯片AD5422 輸出模擬4 ～20mA 的恒定電流信號。恒流源輸出電路如圖2 所示。

系統在STM32H743 單片機控制下，輸出精確可控的4 ～20mA 電流。其中，引腳21 為電壓輸出引腳，引腳19為電流輸出引腳。電流由傳感器的正極輸入，后輸出至電源地。由于傳感器存在動態電阻，因此在傳感器正極會產生動態電壓。該動態電壓可由后級模擬電壓采集模塊采集。

傳感器接口輸出信號后，需將其調理為0 ～5V 的直流電壓信號，以供后級模數采集芯片采集。試驗表明，復合材料損傷的檢測脈寬一般在100 ～2000μs，則該損傷檢測的敲擊波形頻率f=1/T=250 ～500Hz。為消除高頻干擾，需設計截止頻率為500×2=1000Hz 的低通濾波器。因此，設計信號調理電路如圖3 所示。

圖2 恒流源輸出電路

圖3 信號調理電路

信號調理電路可將振動信號轉換為0 ～5V 的直流電壓信號，并供后級AD 采集芯片采集轉換。由于傳感器滿量程輸出為-5V ～+5V 電壓，因此設置電阻R19與R21對射極跟隨后的電壓進行分壓。該電壓與R18輸入的+2.5V 電壓疊加后輸入集成運放，再經后級電阻R20和C22進行低通濾波，防止高頻信號干擾。

調理電路輸出的信號直接送入高速模數信號轉換芯片AD7327，其接口電路如圖4 所示。

模擬信號由AD0端輸入，經限流電阻R24輸入引腳7。轉換后的數字信號由引腳18 輸入至單片機進行分析。

2.2 系統軟件設計

檢測敲擊響應脈沖的寬度需要將振動波形轉換為方波，再利用高速單片機STM32H743 的電平突變捕捉功能，通過軟件編程測量方波的寬度。測量流程如圖5 所示。

敲擊產生的沖擊力波形經過傳感器轉換后近似為正弦波。該正弦波經過電壓比較器，小于門閾值的正弦電壓比較輸出0V，大于門閾值的正弦電壓比較輸出+5V，可將正弦波轉換為方波。最后，利用STM32H743 高性能單片機的定時器捕捉中斷功能，即可完成脈寬的測量工作。脈寬測量流程圖如圖6 所示。

先對捕捉引腳進行初始化設置，將捕捉設置為上升沿捕捉。開始計時后，再將捕捉設置為下降沿捕捉。當脈沖下降沿到來時，發生下降沿捕捉中斷，此時停止計時。

圖4 模數轉換芯片接口電路

圖5 脈寬測量流程

圖6 脈寬測量流程圖

3 試驗驗證

為驗證敲擊檢測系統的性能，研究中選用預置缺陷的復合材料蜂窩結構進行敲擊檢測試驗。試件內部預置3 處缺陷，整體示意圖如圖7 所示。

試驗中，在材料表面選取15 處位置進行敲擊檢測，其中包括3 處預置缺陷的損傷點和12 處無損點。使用設計的復合材料損傷檢測系統進行敲擊試驗，共得到15 組脈沖寬度，如圖8 所示。可以看出，3 處損傷點的敲擊響應脈寬均在0.8ms 以上，而無損點的敲擊響應脈寬均不高于0.6ms。試驗證明，損傷處的敲擊響應脈寬遠高于無損處的敲擊響應脈寬，通過脈寬值比較能夠有效辨識復合材料蜂窩結構內部的缺陷。

圖7 復合材料蜂窩結構試件

圖8 敲擊檢測結果

4 結語

設計的復合材料檢測系統以單片機為核心，配合傳感器實現了對敲擊響應信號的采集及分析，并通過測量敲擊響應信號的脈沖寬度完成了缺陷的辨識工作。試驗證明，設計的系統能夠有效辨識復合材料內部缺陷，極大地提高了檢測效率及工作可靠性。