馬蒙源，曹弘毅，姜明順，張法業(yè)，張 雷，隋青美

(山東大學 控制科學與工程學院，山東 濟南 250061)

隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展與進步，車體輕量化要求越來越高，復合材料由于具備輕質(zhì)量、高強度、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點，在軌道車輛中有著廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。不同于傳統(tǒng)材料，復合材料的微觀構(gòu)造是一個復雜的多相體系，因其組份的多樣性和各向異性，以及制造過程中工藝的不穩(wěn)定性，決定了不論是在材料的工藝研究階段，還是在構(gòu)件設(shè)計制造、服役使用階段，都極易產(chǎn)生缺陷或損傷[4]。在復合材料制作和固化過程中，人為因素和工藝質(zhì)量的不穩(wěn)定性使得復合材料構(gòu)件的質(zhì)量具有一定的隨機性，會產(chǎn)生一些缺陷，嚴重影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計性能。因此，對復合材料制造缺陷進行及時準確的無損檢測是評估其健康狀態(tài)、保障其安全運行的必要措施和手段。

針對復合材料常用的無損檢測方法主要有目視法、超聲波法、X射線法、光學法和聲發(fā)射法等。目視法主要用于檢測撞擊、脫粘等肉眼能夠觀測到的表面缺陷，而對于復合材料內(nèi)部的缺陷無法識別，受人為因素影響很大且檢測分辨力有限；X射線法[5-7]具有成像速度快、檢測效率高、檢測結(jié)果便于保存等特點，但對檢測環(huán)境要求很高，且射線對人體有害和對復合材料內(nèi)的分層缺陷不敏感；光學法[8]可以檢測出在試樣加載條件下引起溫度變化或表面變形的缺陷，但對深處缺陷不敏感，且要面對光學激勵加載不均勻、檢測環(huán)境要求較高等問題；聲發(fā)射法[9-10]主要應(yīng)用于復合材料承力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的無損檢測，對裂紋檢測靈敏度較高，但是定位精度有限，并且其對正在擴展的缺陷靈敏度較高，這意味著檢測結(jié)果與缺陷尺寸無關(guān)，對于穩(wěn)定的缺陷檢測能力較弱；超聲波法檢測的特點是靈敏度高，對人體無害，且易于實現(xiàn)自動化，因此在復合材料無損檢測當中應(yīng)用最為普遍[11-13]。

超聲C掃描檢測[14-16]是無損檢測領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種檢測方法，具有操作方便、結(jié)果顯示直觀、檢測精度高等優(yōu)點。自主研制的超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)可以根據(jù)工件的大小自動設(shè)計掃查路徑，實現(xiàn)自動化掃查和實時C掃描成像，準確、直觀地呈現(xiàn)復合材料內(nèi)部的缺陷情況，實現(xiàn)對復合材料的無損檢測與評估，滿足對復合材料制造缺陷的檢測需求。

1 超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)分為超聲、運動控制、機械3個子系統(tǒng)。其中超聲子系統(tǒng)主要包括超聲探頭、脈沖信號源、放大器、超聲采集卡以及一些簡單的超聲信號硬件處理電路；運動控制子系統(tǒng)主要包括三維導軌、步進電機、運動控制器、開關(guān)電源；機械子系統(tǒng)主要包括平臺支架、水槽、超聲探頭夾具等。圖1為超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)進行檢測時，會根據(jù)工件尺寸進行檢測路徑規(guī)劃，上位PC機中的檢測軟件通過多線程同步控制超聲A掃描數(shù)據(jù)采集成像、掃查路徑控制、位置反饋、閘門跟蹤、超聲信號處理、C掃描成像、缺陷深度計算，確保檢測結(jié)果準確實時呈現(xiàn)。同時，系統(tǒng)可以存儲原始A掃描數(shù)據(jù)信號，并隨時讀取已存儲數(shù)據(jù)進行離線分析。

1.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及連接方式如圖2所示，主要包括超聲采集卡、上位PC機、三維導軌、步進電機、運動控制器、平臺支架、超聲探頭及夾具等。

1.2.1 超聲探頭

超聲探頭采用日本Olympus生產(chǎn)的V310-SU-F0.50IN-PTF超聲水浸探頭，探頭頻率為5 MHz，聚焦深度為12.7 mm。

1.2.2 超聲采集卡

系統(tǒng)選擇US Ultratek生產(chǎn)的USB-UT350超聲采集卡。USB-UT350超聲采集卡集超聲脈沖發(fā)生和超聲信號數(shù)字采集為一體，可通過USB2.0直接與PC進行數(shù)據(jù)傳輸，并提供C/C++、Visual BASIC和LabVIEW軟件開發(fā)工具包。其性能參數(shù)如表1所示。

1.2.3 三維導軌

三維導軌與步進電機、運動控制器構(gòu)成圖1中的三維位移平臺。為保證運行的平穩(wěn)性，減小運動誤差，三維導軌采用龍門式設(shè)計。三維導軌采用東莞市奧銘機電設(shè)備有限公司的AMB45軌道模組，根據(jù)需求，設(shè)計X、Y、Z三軸行程分別為800 mm、500 mm、300 mm。

1.2.4 步進電機

步進電機采用深圳市研控自動化科技有限公司的ESS57-P21脈沖型集成式電機，是電機與驅(qū)動一體的集成式設(shè)計，采用新一代32位DSP技術(shù)，轉(zhuǎn)速可達3 000 r/min，可以智能調(diào)節(jié)電流，減少振動、噪聲和發(fā)熱，且安裝方便，占用空間小。

1.2.5 運動控制器

運動控制器采用深圳市研控自動化科技有限公司的MCN420以太網(wǎng)運動控制卡，可以實現(xiàn)高速的點位和軌跡運動控制，并提供C語言等函數(shù)庫和Windows動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)復雜的控制功能，并將這些控制函數(shù)與超聲信號獲取、數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

1.2.6 平臺支架及水槽

系統(tǒng)中水槽采用較玻璃更加安全的透明亞克力材料定制而成，平臺支架由40鋁型材搭建而成。為滿足800 mm×500 mm的掃查范圍要求，水槽大小設(shè)計為870 mm×690 mm×200 mm，平臺支架內(nèi)部大小為930 mm×750 mm×350 mm。

1.3 系統(tǒng)軟件及功能實現(xiàn)

為達到復合材料制造缺陷無損檢測平臺的設(shè)計要求，系統(tǒng)軟件程序需要集控制、超聲信號存儲、缺陷實時成像于一體?；贑++語言在Win7操作系統(tǒng)、Qt5.12.2環(huán)境下開發(fā)上位機程序，實現(xiàn)超聲采集與運動控制同步進行、超聲信號實時存儲、缺陷實時成像、缺陷深度計算、離線數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件界面

檢測軟件主要包括檢測向?qū)K、掃查路徑規(guī)劃模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊、C掃描成像模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，如圖4所示。

1.3.1 檢測軟件的多線程設(shè)計

為提高檢測軟件運行效率，將檢測過程中對每個點位的操作分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理三部分并行處理。檢測軟件設(shè)計有5個線程，其每個線程的功能如下：

(1) 線程一。在獲得數(shù)據(jù)采集信號后，將當前位置的超聲A掃描數(shù)據(jù)采集到內(nèi)存中。

(2) 線程二。獲取到A掃描信號采集完成的信號后，將內(nèi)存中的超聲A掃描數(shù)據(jù)存儲在硬盤中。

(3) 線程三。獲取到A掃描信號采集完成的信號后，對內(nèi)存中的超聲A掃描數(shù)據(jù)進行預處理，并進行C掃描計算和結(jié)果存儲。

(4) 線程四。依照預先規(guī)劃好的掃查路徑，監(jiān)測當前運動步驟是否達到目的地，若達到的話開啟下一步運動。

(5) 線程五。時鐘線程，每隔一定的時間刷新C掃描圖像和主界面的顯示。

其中，線程一分別與線程二、線程三采用互斥量同步，使得線程二和線程三在使用完內(nèi)存中的A掃描數(shù)據(jù)前，線程一無法在內(nèi)存中寫入下一組A掃描數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)操作不會出現(xiàn)錯位。

1.3.2 掃查路徑規(guī)劃

為提高檢測速度，系統(tǒng)采用預掃查加重點部位精細掃查的方式。在掃查開始前，可以預先設(shè)置預掃查分辨率和精細掃查分辨率，并根據(jù)需要添加重點掃查區(qū)域坐標。系統(tǒng)會先進行預掃查，并根據(jù)預掃查的結(jié)果確定缺陷嫌疑區(qū)域，然后對缺陷嫌疑區(qū)域和預先設(shè)置的重點檢測區(qū)域進行精細掃查。這種預掃查加重點部位精細掃查的方式可以兼顧檢測速度的同時獲得準確的缺陷信息。掃查流程如圖5所示。

圖5 掃查流程圖

在掃查過程中，由于超聲采集卡組大脈沖重復頻率的限制，掃查速度有一個最大限值，否則掃查速度過快會產(chǎn)生部分點位數(shù)據(jù)丟失的情況。設(shè)置最大掃查速度為vm，計算公式為：

vm=Fp·n

(1)

式中：Fp——脈沖重復頻率；

n——掃查分辨率。

1.3.3 超聲信號處理與成像算法

第1步：從非缺陷區(qū)域獲取標準A掃描信號。為了減少隨機誤差的影響，信號的個數(shù)應(yīng)大于10。

第2步：根據(jù)上述標準A掃描信號計算自相關(guān)函數(shù)，并生成自相關(guān)的參考信號。

第3步：對物體的所有區(qū)域進行超聲掃描，獲得A掃描信號。在此期間，超聲換能器與被測物體之間的距離、超聲激勵脈沖電壓、超聲回波信號采樣率和信號增益等參數(shù)的設(shè)置應(yīng)與第1步的設(shè)置一致。

第4步：計算所有A掃描信號的自相關(guān)函數(shù)，并計算其與第2步得到的自相關(guān)的參考信號的歐式距離，設(shè)定一個合適的閾值，從而區(qū)分含缺陷信號和無缺陷信號。

第5步：根據(jù)歐氏距離生成缺陷圖像。為了提高可視性，采用偽彩色編碼將灰度圖像轉(zhuǎn)換成彩色圖像。

第6步：對于含缺陷信號，計算其自相關(guān)函數(shù)中前2個波峰的相對位置差，并將其作為缺陷位置的渡越時間(Time of Flight, TOF)，從而計算分類缺陷區(qū)域A掃描信號的缺陷深度。

2 系統(tǒng)的檢測試驗

2.1 準備工作

根據(jù)上述系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和檢測軟件的設(shè)計方案，搭建了超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)(圖6)。檢測系統(tǒng)的掃查區(qū)域為800 mm×500 mm，掃查速度為40 mm/s，最大掃查分辨率為0.03 mm。

1.步進電機；2.三維導軌；3.水槽；4.上位PC機；5.探頭夾具；6.超聲探頭；7.24 V電源；8.運動控制器；9.超聲采集卡。

為了驗證超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)對復合材料制造缺陷的檢測能力，設(shè)計了一種人工埋入缺陷的檢測試樣。試樣為碳纖維復合材料層壓板，其采用熱壓罐成型工藝制備，制備壓力0.6 MPa，最高溫度130 ℃，材料為東麗T300編織預浸料，采用層疊鋪層方式，層數(shù)為14層，厚2 mm。用插入3個直徑為12.7 mm的聚四氟乙烯薄膜模擬不同深度的人工分層缺陷。3個聚四氟乙烯薄膜分別插入第3層和第4層、第6層和第7層以及第9層和第10層碳纖維之間(圖7)。

圖7 碳纖維復合材料層壓板試樣

在熱壓罐成型過程中，人工缺陷的形狀、大小和深度不可避免地發(fā)生微小的變化，實際缺陷尺寸和位置不再與預期相同。因此，將相控陣超聲檢測設(shè)備的檢測結(jié)果作為對照，來驗證超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的準確性。相控陣超聲檢測設(shè)備主機型號為Olympus OmniScan MX2，選擇具有64個芯片、芯片中心間距為1 mm、中心頻率為5 MHz的5L64-NW1(Olympus)相控陣探頭。為了克服探針表面附近的盲區(qū)，選擇了高22 mm的SNW1-0L(Olympus)有機玻璃楔塊。編碼器型號為ENC1-2.5-DE(Olympus)。

2.2 檢測試驗

超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)檢測區(qū)域設(shè)為120 mm×62 mm，掃查速度設(shè)為30 mm/s，預掃查分辨率設(shè)為0.750 mm，精細掃查分辨率設(shè)為0.125 mm，無預設(shè)重點檢測區(qū)域。本系統(tǒng)預掃查耗時7 min12 s，精細掃查耗時8 min56 s，共耗時16 min8 s。若全程以0.125 mm的掃查分辨率進行檢測，則耗時超過40 min。對比試驗結(jié)果顯示，有預掃查的檢測時間比同精度下全程掃查的縮短了60 %左右。

圖8為超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)和作為對照的相控陣超聲檢測設(shè)備對碳纖維復合材料層壓板人工缺陷試樣進行檢測得到的C掃描圖像?？梢钥闯觯嗫仃嚦暀z測設(shè)備和本文搭建的超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)都能很好地呈現(xiàn)出缺陷形狀。

表2為2種檢測方式計算出的缺陷大小、深度結(jié)果，以及本文所搭建的超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與相控陣超聲檢測設(shè)備檢測結(jié)果的誤差。

表2 缺陷大小、深度計算結(jié)果

從表2中可以看出，本文所構(gòu)建的超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)能準確計算出碳纖維復合材料制造缺陷的大小、深度，計算誤差均在3%以內(nèi)，能夠滿足應(yīng)用與軌道交通碳纖維復合材料的無損檢測需求。

3 結(jié)論與展望

(1) 采用預掃描與精細掃描相結(jié)合的方式能夠大幅提高超聲水浸C掃描檢測的速度，再結(jié)合多線程設(shè)計的檢測軟件，能大幅提高檢測效率。

(2) 基于相關(guān)技術(shù)設(shè)計的超聲信號處理、C掃描成像和缺陷定量計算算法能夠很好地適應(yīng)復合材料的無損檢測，檢測結(jié)果與相控陣超聲設(shè)備的檢測結(jié)果誤差在3%以內(nèi)。

(3) 本文所構(gòu)建的系統(tǒng)主要適用于平板復合材料的檢測，而軌道交通領(lǐng)域存在許多大型非平板的復雜構(gòu)件，系統(tǒng)難以滿足這類工件的無損檢測需求。進一步提高檢測速度以滿足大型工件的檢測需求、改進檢測系統(tǒng)以滿足復雜曲面工件的檢測需求是后續(xù)開展工作的2個方向。