变厚度曲面复合构件超声检测中的自动波形跟踪技术

　　1　前言

　　复合材料具有高比强度、高比模量、低密度等优良性能,在工业部门得到了广泛的应用。但其又具有制造工艺复杂,质量离散性大的特点,因此,如何保证产品质量就成为复合材料应用的关键问题,而复合材料超声检测技术的研究正是解决这一问题的重要途径。在超声检测中,自动波形跟踪和闸门设置极为关键,能否成功地精确定位缺陷判断区间,生成C扫描图像,往往取决于波形的正确判读。但是目前对该类型航空构件基本上采用手工方式进行探伤[1],难以控制探头进行均匀扫描,波形分析也是靠检测人员来完成的,容易造成漏检而引发安全事故。因此十分必要研究自动波形跟踪方法来取代人工操作。在超声自动检测系统中,系统得到的是超声射频采样信号,波形分析由计算机自动完成,通过建立一套计算机超声波形分析的理论和运算算法,不仅降低了对检测人员的要求,而且增加了检测的可靠性。曲面形状复合构件多为变厚度工件,且超声衰减系数大,使得波形跟踪成为研究的重点,也是实现超声C扫描图像的前提条件。本研究采用实验室自己开发的CurScan超声检测系统对超声卡采集的A/D全波采样信号进行数据分析和处理,实现对均匀变厚度材料实施超声波动态自动化探伤的实时波形跟踪,提高了超声C扫描成像的检测效率。

　　2　复合材料构件的超声检测原理

　　自动化超声无损检测,根据构件的不同,分别采用穿透法和脉冲反射法。穿透法是根据脉冲波或连续波穿透时的能量变化来判断缺陷情况的方法,它是根据超声波被缺陷散射等引起的衰减程度探测工件中的缺陷。脉冲反射法是超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检测工件内,利用被检测工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法。本文所用的试件为碳纤维复合材料泡沫夹芯结构,由碳纤维多层板蒙皮和泡沫芯胶结而成。由于超声波根本无法穿透泡沫芯材料,所以只能采用脉冲反射法并用水浸耦合方式进行检测。工件和探头的相对位置如图1(a)所示,一般只需采用既发且收的单探头在工件表面进行移动扫查。

　　复杂曲面构件由于构件表面曲率的存在,超声波在构件中会产生散射、反射、折射、聚焦等相当复杂的传播,为了对这类曲面构件进行准确的超声无损探伤,保证超声波信号较强地入射到工件中,一般要求探头自动跟踪工件形状的变化,使超声波的入射方向始终与曲面法线方向重合,因此需要根据工件的曲面模型进行仿形测量、曲面重构、路径规划等[2]。探头根据规划好的路径进行运动扫查,扫描程序对各扫查点的A型波进行全波采样,并对分析区间内的波形进行波形跟踪和检峰处理。考虑到工件厚度对检测结果的影响,在检测过程中根据构件厚度变化建立DAC曲线实时调整发射探头处入射声压,或者实时调整超声卡的增益,以保证检测结果的正确性[3]。随着探头入射点的不同,存在以下五种情况: