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1、复合材料深度方向超声C扫描检测技术 刘松平,郭恩明,张谦琳 1) , Vadi m M Levin 2) ,张路根 3) ,姚文增 4) (北京航空工艺研究所 复合材料NDT中心,北京 100024) 摘 要:介绍一种基于超声传播时域特性的深度方向超声C扫描成象检测技术,一次扫描可以 同时获取被测材料结构内部若干层的扫描检测图象。 关键词:复合材料;超声检验;成象 中图分类号: TG115. 28+5 文献标识码:A 文章编号: 100026656(2001)0120013203 EVALUATI ON OF COM POSITEMATERIALS BY ULTRASONIC C-SCAN I
2、N DEPTHS L IU Song-ping, GUO En-m ing, ZHANG Qian-lin 1) , Vadi m M Levin 2) , ZHANGLu-gen 3) , YAO W en-zeng 4) (Beijing A eronauticalM anufacturing Technology Research Institute 100024, China) Abstract: A n evaluation technique, based on ultrasonic characteristics in ti me domain, by which several
3、 C2 scan i mages in depths of a material tested can be obtained by once2through scanning, has been presented. Keywords: Composite; U ltrasonic testing; I maging 复合材料等一些新材料结构,因其组分的多样 性和各向异性等因素影响,较易产生体积分布类缺 陷。对在树脂基复合材料研制和应用初期产生的一 些大面积的分层缺陷,一方面已有了较为成熟的检 测技术1 6, 同时由于材料工艺水平的提高、 认识的 深入、 设备的不断改进和精确控制,通常也能较
4、容易 控制,即使产生了,采用目前较为成熟的C扫描检 测技术,也能十分清楚地检出3 6。要降低复合材料 制造成本,就要充分利用损伤容限设计技术,从设计 上充分利用其在使用寿命内的承受能力,延长其使 用寿命。因此要求有更精确的复合材料定量检测技 术,特别是新型复合材料,如缝编结构及陶瓷基复合 材料等,由于其成形工艺特点,通常最容易产生直接 影响损伤容限设计和延寿定寿的呈体积分布的微小 缺陷,要了解和掌握这类缺陷在材料内部的分布情 况和含量,常规的超声C扫描技术只能提供深度方 向的一个平面投影检测结果。因此,深度方向C扫 收稿日期: 2000201226 基金项目:国家自然科学基金支助项目(5987
5、1048),国家 “九五” 预研资助项目。 1) 中国科技大学研究生院(北京)电子学部。 2) Center of Acoustic M icroscopy,Institute of Biochem ical Physics,Russian Academy of Sciences。 3) 江西省锅检所。 4) 沈阳飞机制造公司。 描检测技术(也称超声仿真CT或超声层析)近年来 迅速发展起来7 8, 而且也有了较好的应用,一些发 达国家已开始生产这类新仪器设备。本文介绍基于 射频超声原理,采用脉冲扫描技术,通过硬软件相结 合的方法,一次扫描即可实时快速获得若干层C扫 描检测结果图象的深度方向超声
6、扫描成象技术。 1 深度方向超声C扫描检测 1. 1 深度方向C扫描基本原理(图 1) 图1 深度方向C扫描原理 31 第23卷第1期 2 0 0 1年1月 无损检测 NDT Vol . 23 No. 1 Jan. 2 0 0 1 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 超声波通过传感器入射到被测材料内部,若以 被测材料入射界面为零界面,在材料中沿传播方向 上任意一点的声波,根据波动方程可表示为 Pi(x,t ) = P i0e j(t-kx) (1) 式中 Pi0声波幅度 k波数 k= c
7、 角频率 c声速 表示P i由多次谐波组成,在被测材料入射 界面,x= 0,则 Pi(x,t)x= 0= P i0e jt 其界面反射波Prf为 Prf(x,t)x= 0= P rf0e jt 同理,在材料底面x=xT处反射波Prb为 Prb(x,t ) = P rb0e j(t+kx) x=xT 如果在材料内部任意一点xi处存在缺陷,则该 点的入射声波为Pi(xi,t ), 由于缺陷阻抗与材料声 阻抗的差异,会产生反射声波Pr(xi,t ), 由式(1)可 得缺陷反射声波Prd为 Prd(x,t ) = P rd0e j(t+kx) x=xi(2) 对垂直入射,且入射声波波长大于缺陷间隙,缺
8、 陷处入射声压与反射声压的关系可用下式近似描述 R= Zd-Zc Zd+Zc 式中 Zd缺陷阻抗 Zc材料阻抗 由式(1)和(2)可知,缺陷反射声波Prd(x,t)比 Prf(x,t)滞后xi?c,而比Prb(x,t)超前(xT-xi)?c。 对应时域,将在0tT间产生回波Fi,如以t=ti或x =xi为切面,且传感器在YOZ平面作覆盖扫查,则 材料内部沿声波传播方向任意一点的入射声波为 Pi(x,y,z,t ) = P i0e j(t-kx) x=xi 如果在x=xi的切面存在缺陷,则入射声波将 在缺陷界面产生缺陷反射声波 Prd(x,y,z,t ) = P rd0e j(t+kx) x=x
9、i 因此,只要检测到传感器在YOZ平面扫描时所 有Pr(x,y,z,t)x=xi层深截面的声波信号,即可获 取对应x=xi层的扫描检测结果。 1. 2 脉冲扫描采样 获取不同层深超声信号的一种方法是将传感器 接收到的信号用超高速A?D全波采集、 存储,然后 在后处理时,用数据搜索等方法显示不同层深位置 的信号,该法通常又称TOF图象显示。但该法硬件 成本高,数据量很大,对硬件要求较高;另一种方法 是用硬件通过事先设置的若干个选定的闸门,记录 采集闸门内选定层深的信号,进行C扫描图象显 示,该法速度快,数据量也减少了很多,但一次扫描 所获取的层深信号有限,即受硬件闸门数限制。 本文采用硬软件相结
10、合的方法(图2),脉冲扫 描单元由基准脉冲、 脉冲控制、 扫描脉冲、 时间窗口 和A?D转换等部分组成。 通过专用线路设计产生一 个对应界面波的T0触发脉冲,作为时间基准,生成 采样脉冲控制信号,形成扫描采样脉冲,控制时间窗 口,在任意时刻,只有通过时间窗口的超声信号ui 才被采集记录,窗口的起点Toff和宽度Tw通过软件 编程扫描控制,时间窗口在一个可由软件控制的重 复脉冲Tp作用下工作,Tp由用户编程设置。 在自动 扫描过程中,脉冲扫描单元将对每一点在深度方向 同时记录采集到的对应不同层深的超声特征信号。 图2 脉冲扫描 图3 典型深度方向超声C扫描检测结果 41 刘松平等:复合材料深度方
11、向超声C扫描检测技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图4 深度方向超声C扫描检测结果 2 典型检测结果 图3是一组典型的深度方向超声C扫描检测 结果,试样为厚4. 5mm的碳纤维复合材料,用北京 航空工艺研究所生产的DW C2 1 ( CU S2 4) 六坐标自 适应扫描检测机器人系统对其进行深度方向扫描检 测,采用喷水耦合,探头在扫描机构作用下可沿任何 形状被测材料或构件表面进行自适应跟踪扫描,扫 描速度和步距连续可调。图3是一次扫描获得的厚 度方向分为五层的试样的检测结果。扫描
12、速度为 50mm? s, 脉冲频率为100Hz,步距为1mm ,宽带窄 脉冲传感器的中心频率为5M Hz,焦点0. 5mm。限 于篇幅图3仅给出了第一至第四层的检测结果(从 上至下顺序排列)。在试样中心位置有冲击损伤,从 图中的不同层深扫描检测结果可以清楚地分析出冲 击损伤的扩展和分布情况,其中第一层检测结果为 冲击损伤最表层,因而损伤最严重,其轮廓最清楚, 扩展方向也很清晰,即损伤沿左上角有明显的扩展。 从第二至第四层也能看出损伤的大致分布,因此,通 过这种深度方向C扫描成象可很好地分析和了解 复合材料损伤分布和扩展情况,目前我们采用这种 扫描检测技术对一百多种碳纤维复合材料工艺试样 和结构
13、试样进行了检测,取得了较好的效果。 图4是一组经精密扫描获得的深度方向超声C 扫描检测结果,试样为正交铺层碳纤维层压结构,厚 度1. 5mm ,图中仅给出其中上表面(图 4a )、 中间第 一层(图 4b )和底表面(图4c)三个层深的扫描检测 结果,从中可看出碳纤维束的取向,即使是一些位于 纤维束之间的细小缺陷也能检测出来,图 4b 中箭头 所指的白色区域即为纤维束间的细小缺陷,这种细 微缺陷采用常规超声扫描检测技术很难检出。 3 结论 利用超声波在材料内部的传播特性,通过脉冲 扫描采样方法获取不同层深位置的超声特征信号, 能较好地再现材料或结构内部的缺陷分布或结构变 化,从而为材料应用和产
14、品设计提供比常规超声C 扫描检测更详细的信息,深度方向超声C扫描检测 技术具有明显优越的分辨力和小缺陷检测能力。该 检测技术目前已在复合材料工艺研究中得到广泛应 用,发挥了较好的作用。 目前正在对诸如不同层深声 波的衰减补偿、 采样脉冲的频率选择和控制等方面 作进一步优化,以获得最佳扫描检测效果。 参考文献: 1 HagemaierDJ, M cFaulHJ, ParksJT. Nondestructive testing techniques for fiberglass, graphite fiber and boronfibercompositeaircraftstructures J
15、. M aterials Evaluation, 1970, 28(9): 194- 204. 2 HagemaierDJ,FassbenderRH.Nondestructive testingofadvancedcomposites J .M aterials Evaluation, 1979, 37(6): 43- 49. 3 Jones TS. Inspectionofcompositesusingthe automated ultrasonic scanning system J . M aterials Evaluation, 1985, 43(5): 746- 753. 4 Jon
16、es Thomas S, Berger Harold.Application of nondestructive inspection methods tocomposites J . M aterials Evaluation, 1989, 47(4): 390- 398. 5 刘松平.碳纤维复合材料超声多维扫描成象检测技术 J .新型碳材料, 1998, 13(1): 34- 37. 6 刘松平.先进的超声手动扫描成象检测技术J .无损 检测, 1997, 19(6): 151- 153. 7 Buynak CF, M oran TJ, M artin RW.Delam ination a
17、nd crack i maging in graphite2epoxy composite J . M aterials Evaluation, 1989, 47(4): 438- 441. 8 Stubbs David A ,Zawada L arry P.Detection of porosity in glass ceram icmatrix composites using an ultrasonicmultiple2gateC2scantechnique J . M aterials Evaluation, 1996, 54(7): 827- 831. 51 刘松平等:复合材料深度方向超声C扫描检测技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.