全自动超声C扫描系统在航空复合材料检测中的应用
王燕 刘艳珍
摘 要：超聲检测技术作为当前重要检测技术之一，在多种材料的检测中有着广泛应用。大型曲面复合材料一般来说具有较多缺陷例如孔洞、分层以及夹杂等，利用超声检测技术能够准确检测出曲面符合材料内部所有的缺陷，从而为材料的分级和丰谷提供参考。本文主要通过对大型曲面复合材料超声检测技术进行探讨，研发了无损超声检测系统，希望能够给材料检测工作提供一定的参考。
关键词：大型曲面；复合材料；超声检测技术
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.016
1 前言
复合材料同时具备多种材料的优点，具有良好的抗腐蚀性能和较高的强度，在多种领域有着广泛的应用。在复合材料制备过程中，由于复合工艺问题以及技术不足等原因往往会造成符合材料成品出现缺陷，直接影响材料的质量。因此，采取有效的方法对材料进行检测是十分必要的。目前来看，超声检测方法是复合材料检测过程中常用的方法之一，利用超声波的变化特点能够较为准确的反映材料缺陷，且对材料本身的损伤较小，十分有利于发展复合材料领域的无损检测[1]。
2 复合材料超声检测
2.1 超声透射检测法
当超声波在材料内部传播时，材料会对超声波进行反射或者吸收造成超声波的衰减，且衰减强度随着传播距离的增加而越发加大。在材料内部，声波的散射、扩散以及材料介质的吸收是超声波衰减的主要原因，当超声波传播过程中遇见复合材料的缺陷例如夹杂和孔洞时，会造成超声波不断散射而明显衰减。[2]由于超声波衰减的强度与材料内部缺陷的种类和程度有关，因此利用超声波衰减的数据可以初步判断缺陷的数量以及缺陷类型。相对来说，超声透射检测方法简单，成本较低，耗费的材料也相对较少，但精度不高，适用于精度要求不高的工业化生产。
2.2 测量理论
利用耦合剂和发射探头将超声波入射到被测材料的内部，并将入射截面为零界面，得到入射波超声波在材料内部的传播关系。当超声波在不同介质之间传播时，会发生透射和反射，根据能量守恒定律可以得到超声波的透射系数和反射系数。随着距离的不断增加，超声波在介质传播中会伴随衰减，通过相应计算我们可以得到声压的衰减规律。
2.3 C扫描检测原理
假设复合材料内部没有任何缺陷，材料另一侧的接收探头能够接受到更强的超声波信号。当材料内部存在较小的缺陷时，被缺陷反射出部分超声波，而造成接收位置处声波衰减，当复合材料内部的缺陷较大时，入射的超声波会完全被缺陷反射，从而无法在接收位置处检测到超声波信号。在实际超声检测过程中，可以使用脉冲波或者连续波进行超声检测，连续波的使用方法比较简单，但是由于使用过程中很可能在工件内部产生驻波而造成透射量不稳定，因此大多使用脉冲波，保证检测的效率。
超声C扫描是指在水平面内利用超声探头进行逐行扫查而得到透射波图像的一种成像方式。在C扫描系统工作中，计算机利用触发装置和脉冲装置得到激励信号，并刺激相关晶片产生超声波，然后声波由复合材料另一侧的晶片接收，接收到的超声波经过转换器转变为电信号并经由放大电路转变为数字信号，并进行数字处理工作。计算机扫描平台对样品进行水平面二维扫描控制，得到二维图像并传输到电脑中得到超声图像。
3 曲面复合材料双机械手测量技术
在实现大型曲面符合材料测量中，双关节机械手发挥着十分关键的作用。相对于普通检测方式来说，双关节机械手的重复性更高，检测速度更快且成本相对较低。利用双机械手不仅能够极大地提高测量精度，而且在很大程度上解放了人力，更为自动化和技术化。
3.1 空间任意曲面超声透射检测路径规划技术
大型曲面复合材料具有一定的表面曲率，因此在对其进行超声检测时会发生较强的散射、反射以及折射等光学行为，造成超声波信号无法准确入射到工件内部。在实际检测中，可以应用超声探头追踪工件形状变化，要求曲面发现方向与超声波入射方向一致，从而保障超声波信号能够较强的入射到工件之中。另外，在外表面法线矢量与探头实际位置出现偏差之时，声波的散射受到缺陷以及构件形状的影响更大，造成实际由探头接收到的声波更少，而无法精确检测试件内部的缺陷情况。所以，需要保证探头指向能够被检测设备精确控制，使得检测方向能够与探头指向完全一致。在自动化检测进程中，获得相关曲面坐标数据是自动化检测的前提，在检测系统中，由于工具坐标系和笛卡尔坐标系是相互独立的，因此首先需要完成公共坐标系的建立，以保证两个机械手的同步机械检测。
3.2 双机械手超声透射检测控制系统
双机械手的检测控制系统的任务主要是对机械进行实时准确的控制，高端机械手灵活性好、机动性较强且工作速度快，被广泛应用在双机械手控制系统中。在该系统中，我们采用的上下位机控制结构形式可以更好的保证系统的控制精度和实时控制。工控机是一台上位机，主要是进行系统监控、任务分配以及路径规划等。控制器利用PC控制技术，结合数字和总线控制方案，并通过DSI实现机器人系统编码，完成传感器的信号采集和处理。在检测过程中，机械手同时夹持换能器在大型曲面复合材料表面运动，使得发射换能器与接收换能器的平面位置保持一致，同时保证超声波可以垂直入射。两个机械手要根据工作的实际情况合理调整位置，保证超声波入射的效率和有效性，从而能够得到更为精确的检测结果。
4 结束语
综上所述，超声波检测技术在大型曲面复合材料检测中具有十分广泛的应用，本文从超声波检测技术的原理入手，重点介绍了无损超声波检测技术的设计以及相应的构造方法，从而实现大型曲面复合材料缺陷的精确检测，提高检测的效率，减少检测成本，为相关的复合材料检测行业提供一定的参考。
参考文献：
[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.
