王燕 劉艷珍

摘 要：超聲檢測技術(shù)作為當前重要檢測技術(shù)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(shù)能夠準確檢測出曲面符合材料內(nèi)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(shù)進行探討，研發(fā)了無損超聲檢測系統(tǒng)，希望能夠給材料檢測工作提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：大型曲面；復合材料；超聲檢測技術(shù)

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(yōu)點，具有良好的抗腐蝕性能和較高的強度，在多種領(lǐng)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(shù)不足等原因往往會造成符合材料成品出現(xiàn)缺陷，直接影響材料的質(zhì)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(fā)展復合材料領(lǐng)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(nèi)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(fā)加大。在材料內(nèi)部，聲波的散射、擴散以及材料介質(zhì)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(nèi)部缺陷的種類和程度有關(guān)，因此利用超聲波衰減的數(shù)據(jù)可以初步判斷缺陷的數(shù)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(yè)化生產(chǎn)。

2.2 測量理論

利用耦合劑和發(fā)射探頭將超聲波入射到被測材料的內(nèi)部，并將入射截面為零界面，得到入射波超聲波在材料內(nèi)部的傳播關(guān)系。當超聲波在不同介質(zhì)之間傳播時，會發(fā)生透射和反射，根據(jù)能量守恒定律可以得到超聲波的透射系數(shù)和反射系數(shù)。隨著距離的不斷增加，超聲波在介質(zhì)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(guī)律。

2.3 C掃描檢測原理

假設(shè)復合材料內(nèi)部沒有任何缺陷，材料另一側(cè)的接收探頭能夠接受到更強的超聲波信號。當材料內(nèi)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(nèi)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(xù)波進行超聲檢測，連續(xù)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(nèi)部產(chǎn)生駐波而造成透射量不穩(wěn)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(nèi)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(tǒng)工作中，計算機利用觸發(fā)裝置和脈沖裝置得到激勵信號，并刺激相關(guān)晶片產(chǎn)生超聲波，然后聲波由復合材料另一側(cè)的晶片接收，接收到的超聲波經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒔?jīng)由放大電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并進行數(shù)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?shù)诫娔X中得到超聲圖像。

3 曲面復合材料雙機械手測量技術(shù)

在實現(xiàn)大型曲面符合材料測量中，雙關(guān)節(jié)機械手發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。相對于普通檢測方式來說，雙關(guān)節(jié)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(shù)化。

3.1 空間任意曲面超聲透射檢測路徑規(guī)劃技術(shù)

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(fā)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)偏差之時，聲波的散射受到缺陷以及構(gòu)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(nèi)部的缺陷情況。所以，需要保證探頭指向能夠被檢測設(shè)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(guān)曲面坐標數(shù)據(jù)是自動化檢測的前提，在檢測系統(tǒng)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(tǒng)

雙機械手的檢測控制系統(tǒng)的任務(wù)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(tǒng)中。在該系統(tǒng)中，我們采用的上下位機控制結(jié)構(gòu)形式可以更好的保證系統(tǒng)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(tǒng)監(jiān)控、任務(wù)分配以及路徑規(guī)劃等?？刂破骼肞C控制技術(shù)，結(jié)合數(shù)字和總線控制方案，并通過DSI實現(xiàn)機器人系統(tǒng)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(fā)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(jù)工作的實際情況合理調(diào)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(jié)果。

4 結(jié)束語

綜上所述，超聲波檢測技術(shù)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(shù)的原理入手，重點介紹了無損超聲波檢測技術(shù)的設(shè)計以及相應的構(gòu)造方法，從而實現(xiàn)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(guān)的復合材料檢測行業(yè)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.