多层结构复合材料的超声检测系统设计

浅议复合材料构件的超声无损检测关键技术摘要：随着复合材料的广泛应用，特别是在航空航天领域的大量应用，开发便携式、应用于复合材料大面积快速扫查的检测技术就显得很有必要。

超声检测作为一项比较成熟的检测技术，其衍生的各种检测新技术开始应用于复合材料的检测，有效地解决了复合材料的一些检测难题。

对于复合材料来说，超声检测主要应用于对服役构件的在役检测，以及对复合材料的性能无损表征。

文章主要分析了复合材料构件的超声无损检测关键技术及其应用。

关键词：复合材料；超声；无损检测；关键技术引言复合材料（Composite materials）是由两种及两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。

在复合材料的超声检测应用方面，相控阵超声检测技术可以有效检测出层压板分层及夹杂缺陷，碳纤维蒙皮铝蜂窝工件、带涂层以及不带涂层的碳纤维蒙皮纸蜂窝工件等蜂窝复合材料的内部脱粘缺陷，对复合材料的拐角（R区）等特殊部位也能很好地进行检测。

复合材料的超声C扫描检测通常采用多轴联动超声C扫描检测系统，对复合材料进行喷水穿透法、喷水脉冲反射法、水浸穿透法以及水浸脉冲反射法检测，如采用喷水穿透法对层压板和蜂窝结构粘接缺陷进行检测可得到清晰的超声C扫描图像。

多轴联动超声C扫描检测系统虽然可以对某些复合材料进行有效检测，但是受检测工件和检测场地的限制，不利于应用于在役飞机的快速扫查检测上，因此，笔者开发了适用于复合材料的大面积快速C扫描检测以及特殊位置的双轴定位C扫描检测系统。

1.复合材料构件的超声无损检测技术概述复合材料之所以能得到广泛的应用，除了其自身优异的性能外，还得益于与复合材料密切相关的配套技术的同步研究和发展，而质量控制是设计要求得以满足，产品质量得以保证的关键，其中无损检测技术发挥了十分重要的推动作用。

无损检测的目的和任务就是采用合理有效的方法、技术和检测手段，及时准确地发现和检测出材料内部的缺陷和损伤，从而为进一步评价材料、结构的可靠性奠定基础。

复合材料的超声检测技术发布时间：2009-7-2 14:27:00随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。

迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30% 左右，新一代战斗机将达到40% ；直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～80% 左右，甚至出现全复合材料飞机。

复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了严峻的挑战。

经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟的复合材料无损检测方法之一。

由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。

1 超声检测在复合材料研究及其制造中的应用复合材料无损检测主要应用于以下3 个方面：材料无损检测；结构无损检测；服役无损检测。

材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究，其检测对象主要是试样、试片。

结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等，检测的对象是各种装机应用的工程结构件。

服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机后的各种服役结构件。

大量的研究和应用表明，超声检测是目前对于复合材料最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。

下表给出了几种常见复合材料超声检测技术的特点。

2 复合材料制品超声检测方法(1) 超声C 扫描检测技术超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、B 型显示和C 型显示。

A型显示是基础，其他两种显示方式均由A 型显示的数据重建得到。

92190 材料工程学论文复合材料构件的超声无损检测关键技术应用一、材料与方法（一）材料在本次实验研究活动开展过程中，为了全面掌控到超声无损检测技术在复合材料中应用技巧，配置了10：1单向玻纤布，同时保障玻纤布厚度为0.5mm，并在双酚A型环氧树脂选用过程中，将其型号确定为CYD-128。

此外，为了满足本次实验活动开展需求，在实验材料准备过程中，亦注重强调了改性铵、3201乙烯基树脂、工业级环烷酸钴、工业级过氧化甲乙酮等的选用。

而在实验设备配置过程中，为了保障实验结果的精准性，注重在实验材料准备工作开展过程中，选用多功能系统超声胶结检测仪，型号为VondaScope 3100，而设备源自NDT Systems Inc公司，就此达到最佳的实验研究状态。

（二）方法在本次实验研究活动开展过程中涉及到的实验方法主要体现在以下几个方面：第一，试件制作方法，即首先在乙烯基树脂浇注体制作过程中，为了满足实验需求，选用3201乙烯基树脂，而在乙烯基树脂浇筑作业环节开展过程中，向实验环境下投入引发剂，如，过氧化甲乙酮等，待固化作业完成后，浇注内部结构。

同时，在内部结构制作过程中，为了规避缺陷问题引发超声检测阻塞信号，需将试件厚度控制在30mm，且分为3个浇注体，继而在3个浇注体设计过程中，将挖孔径分别控制在5mm、10mm、30mm状态下，而在浇注体底部切割中，保障斜槽角度分别为30°、45°、60°，就此满足超声无损检测需求，降低复合材料结构对无损检测的干扰影响。

其次，在玻璃纤维增强树脂基复合材料板材制作过程中，应注重选定真空作业环境，同时在板材成型加工过程中，通过真空压力差，制作所需工件，且注重应用E51环氧树脂，而板材厚度为5mm，胶粘剂厚度为4mm，达到最佳的板材加工状态，提升超声无损检测质量[1]。

再次，在玻璃纤维增强树脂基复合材料制作过程中，需将硬纸片埋入板材中，继而提供实验所需试件；第二，测试方法，基于试件制作完备的基础上，为了保障实验研究结果的精准性，需确定测试方法，即首先在实验测试环节开展过程中，为了精准化实验结果，需引入RF射频模式，对复合材料构件进行超声检测，即以发射-接收探头的方法，反馈A型扫描信号，并利用材料和缺陷声阻抗差异性，获取发射波，继而通过对回波信号的接收，判断材料试块缺陷状况。

收稿日期:2010-12-15作者简介:陈颖,1972年出生,博士,高级工程师,主要从事无损检测技术研究。

E -m ai:l nd t_cen ter_casc @126.co m复合材料粘接结构超声声谐振检测技术陈 颖 何双起(航天材料及工艺研究所,北京 100076)文 摘 分析了超声声谐振检测技术原理,采用该技术对编织石英/酚醛树脂复合材料粘接结构进行了检测技术研究。

结果表明:采用所建立的超声声谐振检测装置,对于厚度为7和9mm 编织石英/酚醛树脂复合材料粘接结构可分别实现 10和 15mm 以上的脱粘缺陷检测。

关键词 超声,谐振,检测,粘接,复合材料U ltrasonic Resonant Inspecti on of Co mposite Bond StructuresChen Y ing H e Shuangq i(A erospace R esearch Instit ute o fM ater ials&P rocessi ng T echno l ogy ,Be iji ng 100076)Abst ract The u ltrason ic resonant NDT technique w as analytically discussed and the i n spection techno l o gy ofco m posite bond str uctures w as st u died w it h the deve l o ped ultrason ic resonant equ i p m en,t the result suggests t h at the de bond defects m ore than 10mm i n the bond str uctures for the co mposite layer of 7mm thick,and the de bond de fectsm o re than 15mm in t h e bond structures for t h e co mposite layer of 9mm thick can be found ou.tK ey w ords U ltrason ic ,Resonan,t Inspection ,Bond ,Co m posite 0 引言目前复合材料粘接结构的检测主要采用声学(包括脉冲超声反射、脉冲超声穿透、声阻、声谐振、超声导波以及敲击等)、光学(包括激光全息照相和错位散斑成像)以及红外热波成像等方法。

复合材料的超声检测技术发布时间：2009-7-2 14:27:00随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。

迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30% 左右，新一代战斗机将达到40% ；直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～80% 左右，甚至出现全复合材料飞机。

复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了严峻的挑战。

经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟的复合材料无损检测方法之一。

由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。

1 超声检测在复合材料研究及其制造中的应用复合材料无损检测主要应用于以下3 个方面：材料无损检测；结构无损检测；服役无损检测。

材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究，其检测对象主要是试样、试片。

结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等，检测的对象是各种装机应用的工程结构件。

服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机后的各种服役结构件。

大量的研究和应用表明，超声检测是目前对于复合材料最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。

下表给出了几种常见复合材料超声检测技术的特点。

2 复合材料制品超声检测方法(1) 超声C 扫描检测技术超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、B 型显示和C 型显示。

A型显示是基础，其他两种显示方式均由A 型显示的数据重建得到。

航空航天领域在汽车工业中，层状复合粘接构件被用于制造轻量化、高强度的汽车部件，如车门、车身等。

汽车工业其他领域层状复合粘接构件的应用力学性能下降安全性问题可靠性问题030201界面缺陷对构件性能的影响非破坏性高灵敏度快速便捷超声检测技术的优势超声阵列由多个超声波换能器组成，可同时或依次激发和接收超声波信号。

换能器通过电信号激励产生超声波，超声波在传播过程中遇到界面缺陷时产生反射和散射，返回的信号被接收并转换为电信号进行分析。

通过测量超声波在构件中传播的时间和振幅变化，可以推断出界面缺陷的位置和性质。

超声阵列的工作原理界面缺陷也会改变超声波的传播路径，使得测量时间出现偏差。

根据接收信号的振幅和时间信息，可以提取界面缺陷的形状、大小和位置信息。

界面缺陷会导致超声波反射和散射增强，接收到的信号振幅增大。

界面缺陷的超声信号特征基于信号特征的提取和分析，可以对界面缺陷进行分类和识别。

通过比较已知的缺陷信号特征和接收到的信号特征，可以实现自动化的缺陷识别和分类。

对于复杂的界面缺陷，可以采用机器学习方法对大量数据进行训练，提高缺陷识别的准确性和可靠性。

信号处理与缺陷识别材料方法实验材料与方法通过对检测数据的分析，得出了超声阵列检测技术在界面缺陷检测方面的优势和局限性，为后续的优化提供了参考。

实验结果与分析分析结果对比评估方法对比与优劣评估支持向量机（SVM）神经网络随机森林支持向量回归（SVR）机器学习算法的选择特征选择选择与缺陷检测相关的特征，去除无关或冗余的特征。

数据清洗去除异常值、缺失值和重复数据，提高数据质量。

特征转换将原始特征转换为更具有表达能力的特征，如图像处理中的纹理特征。

数据预处理与特征提取模型训练结果验证模型优化模型训练与结果验证挑战层状复合粘接构件在工程应用中易出现脱粘、空隙等界面缺陷，严重影响构件性能和安全性。

解决方案利用超声阵列技术，通过多个超声波探头同时扫描构件表面，获取全方位的超声信号，结合信号处理和图像重建技术，实现对界面缺陷的快速、准确检测。

复合材料构件的超声无损检测关键技术研究共3篇复合材料构件的超声无损检测关键技术研究1复合材料作为一种新型材料，具有轻质、高强、高硬度、低导电率、耐高温等优良性能，在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到了广泛应用。

然而在使用过程中，这些材料可能会受到各种因素的损伤和劣化，如应力、疲劳、水气、高温等，这些将导致材料性能下降，甚至失效，从而影响设备的运行安全。

因此，对于复合材料的检测和评价显得尤为重要。

目前，基于超声波技术的无损检测在复合材料中得到了广泛应用。

超声波无损检测可以在不破坏样品的情况下，通过检测材料中的声波反射、折射、散射等信息来检测材料的缺陷、腐蚀和微观结构。

随着材料科学和超声波技术的发展，超声波检测技术在复合材料上的应用和研究得到了更深入的发展。

本文将重点阐述复合材料构件的超声无损检测关键技术研究。

一、超声波检测原理超声波是指高于人类可听声音频率的机械波，其频率通常大于20kHz。

声波在材料内的传播受材料的密度、弹性模量、泊松比、拉伸强度等力学参数影响。

在无损检测中，通常采用一种声速较高、穿透性较好的波进行检测。

当声波碰到材料中的缺陷或界面时，它会从这些位置反射或散射，构成一个回声信号。

信号的强度、幅度、相位等参数可以反映出材料内的缺陷大小和位置、材料的结构、组成和工艺参数等信息。

二、超声波检测技术超声波检测技术主要包括单元和阵列探头的设计、信号处理、成像和判定等环节。

1、探头设计超声波探头是进行超声波检测的关键部件。

探头的结构形式主要有单元探头和阵列探头两种。

单元探头只能发射或接受直线声波，其角度和深度探测范围有限。

而阵列探头可以发射或接受多个声束，可以在多种角度和深度下同时检测，可实现立体成像。

2、信号处理声波的回声信号处理是超声波检测技术中的一个重要步骤。

信号处理需要对信号进行滤波和增益控制，以产生清晰的声波回波信号。

3、成像和判定成像和判定步骤主要利用计算机技术对信号进行处理，产生成像图像，通过对图像进行分析对材料内部的缺陷进行定位、分类和评估。

一种复合板结构检测系统设计岳洪芳;韩焱;郭亚丽;姚金杰;鞠响【摘要】针对传统复合板结构检测使用高频超声波方法造价高、控制难的问题,根据在介质中传播声波的幅频、相频的特点,提出了一种低频且频率方便控制的介质结构检测系统;该系统基于AD5933芯片DDS模块,并以MSP430单片机作为系统的微控制器,通过单片机串口转USB与PC机相连,将所测的波形数据通过虚拟仪器界面显示出来.该系统具有集成度高、成本低、功耗小等优势;实验结果表明:该系统稳定可靠,试验测得声波在复合板中传播50 cm之后,声波频率和波形没有变化,幅值衰减为原来的33％,与理论结果符合.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2013(021)009【总页数】3页(P2416-2418)【关键词】声波传播;DDS;MSP430;虚拟仪器【作者】岳洪芳;韩焱;郭亚丽;姚金杰;鞠响【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP319.80 引言对于混凝土、复合材料等的介质结构检测，传统的方法是使用超声波发生器产生高频声波激励材料从而对材料进行无损检测。

这种方法虽然被广泛应用，不仅超声波发生器价格高，声波入射需要耦合剂，加上外部的采集和分析设备，整个系统比较复杂，另外对声波的频率控制也很困难不灵活。

本文进行了复合板结构低频声波检测系统的硬件系统设计，利用小于2k且方便可控的低频声波信号作用于复合板材料，结果表明系统简单、易于控制，提高了系统的灵活性，并具有低成本，高性能的特点。

1 检测原理声波是弹性波的一种，若视传播介质为弹性体，则声波在材料中的传播遵循弹性波传播规律。

声波从材料一端入射，在一定的距离L处利用传感器进行接收，声波会在发射点和接收点之间形成复杂的声场［1］。