復合材料的相控陣超聲C掃描成像檢測

付汝龍，陳建華，林丹源，鄭偉和，林齊梅

（廣東汕頭超聲電子股份有限公司超聲儀器分公司，汕頭 515041）

隨著復合材料的廣泛應用，特別是在航空航天領域的大量應用，開發便攜式、應用于復合材料大面積快速掃查的檢測技術就顯得很有必要。超聲檢測作為一項比較成熟的檢測技術，其衍生的各種檢測新技術開始應用于復合材料的檢測［1－2］，有效地解決了復合材料的一些檢測難題。在復合材料的超聲檢測應用方面，相控陣超聲檢測技術可以有效檢測出層壓板分層及夾雜缺陷［3］，碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件、帶涂層以及不帶涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件等蜂窩復合材料的內部脫粘缺陷［4］，對復合材料的拐角（R 區）等特殊部位也能很好地進行檢測［5－6］，對飛機蒙皮劃痕的檢測也取得了比較好的效果［7］。復合材料的超聲C 掃描檢測通常采用多軸聯動超聲C掃描檢測系統，對復合材料進行噴水穿透法、噴水脈沖反射法、水浸穿透法以及水浸脈沖反射法檢測［8］，如采用噴水穿透法對層壓板和蜂窩結構粘接缺陷進行檢測可得到清晰的超聲C掃描圖像［9］。多軸聯動超聲C掃描檢測系統雖然可以對某些復合材料進行有效檢測，但是受檢測工件和檢測場地的限制，不利于應用于在役飛機的快速掃查檢測上，因此，筆者開發了適用于復合材料的大面積快速C掃描檢測以及特殊位置的雙軸定位C掃描檢測系統。

1 相控陣超聲檢測原理

1.1 發射與接收

相控陣超聲的基本原理來源于相控陣雷達技術，相控陣超聲探頭由多個晶片按一定的規律分布排列，通常是線陣列，通過軟件可以單獨控制每個晶片的激發時間，從而控制發射超聲波束的形狀和方向，實現超聲波束的掃描、偏轉和聚焦。

1.2 電子掃描

相控陣超聲具有獨特的波束掃描和聚焦特點，因此使用一個多陣元的相控陣探頭，在不移動探頭的情況下就可以實現工件斷面的掃描檢測。相控陣超聲電子掃描的原理如圖1所示，假設采用相控陣探頭的陣元間距為d，每次激勵的陣元數為A，探頭陣元總數為N，如第1次激勵的陣元為1至A，第2次激勵陣元為2至A＋1，依次類推，第n次激勵陣元為n至A＋n－1（N），由此可推導出采用電子掃描時相控陣超聲波束總數為N－A＋1，聲束有效覆蓋寬度為（N－A＋1）×d。

圖1 電子掃描原理示意

1.3 相控陣C掃描方式

采用相控陣電子掃描不需要移動探頭就可實現對工件一定寬度的斷面掃查，因此，對比于單晶探頭常規鋸齒形的掃查方式，相控陣掃查只需單軸直線掃查便可獲得工件的C掃描圖像。常規掃查方式與相控陣掃查方式的對比如圖2所示，相控陣掃查方式效率明顯提高，根據相控陣探頭移動的距離L，則可計算出工件單次掃查的面積為（N－A＋1）×d×L。

圖2 常規掃查與相控陣掃查方式對比

2 相控陣C掃描檢測系統

2.1 滾輪探頭檢測系統

根據相控陣檢測原理，為實現復合材料的快速C掃描檢測，開發了適合檢測用途的滾輪探頭。滾輪探頭的結構為：相控陣探頭放置在一個密閉的套筒里，套筒兩端安裝有可旋轉的滑輪，套筒里面充滿水，相控陣探頭發出的超聲波經過水層后到達橡膠套，橡膠套采用與水聲阻抗接近的材料以使超聲波傳播時可透射更多的能量。滾輪探頭加裝一個高精度的位置編碼器進行定位和同步數據采集。研制的滾輪探頭，采用相控陣探頭，其頻率為5MHz，陣元數為64，陣元間距為0.8mm；因此，探頭有效聲場最大覆蓋寬度為51.2mm，編碼器掃查最高精度為0.1mm／步，探頭線長度為5m，配合具備相控陣C掃描功能的CTS－2108PA相控陣超聲檢測儀（檢測范圍最小1mm，檢測重復頻率10kHz），構成一套完整的相控陣C掃描快速成像檢測系統。系統檢測時一般采用水作為耦合劑，輕輕滾動探頭，C掃圖像即刻呈現，特別適合大面積復合材料的C掃描檢測。滾輪探頭的實物圖片如圖3所示。

圖3 滾輪探頭圖片

2.2 雙軸拉線編碼器檢測系統

2.2.1 定位原理

拉線編碼器的位置信息是通過拉出線的長度來確定的，當采用兩個拉線編碼器進行定位時，假定P1位置為第1個編碼器，P2位置為第2個編碼器，P（X，Y）為探頭位置。以兩個編碼器的位置連線作為定位坐標軸的X軸，然后在X軸上以某個參考點作為零點，畫出Y軸，從而建立直角坐標系XOY；假設檢測工件就位于直角坐標系中，建立的定位坐標如圖4所示。

圖4中，X1、X2通過編碼器校準后為已知，設探頭位置與編碼器的距離分別為a，b，a與b的值由編碼器讀出，根據兩點之間的距離計算公式有：由式（2）和式（1）可求出X值與Y值，因此探頭的位置坐標（X，Y）即可確定。

圖4 雙軸拉線編碼器定位原理示意圖

通常都是以工件中的某一點為參考點，因此由式（1）和式（2）求出的探頭位置坐標需要進行坐標變換。假設圖中的O′為工件的參考零點坐標（X0，Y0），則探頭的位置坐標為P（X－X0，Y－Y0）。

2.2.2 探頭夾具設計

應用筆者所在公司制造的64陣元探頭，規格型號為5L64－0.8×10，設計一個中空的方形夾具，外側長寬視加工的固定螺釘孔尺寸而定，內側長寬以放入楔塊稍有余量即可，高度小于楔塊厚度，檢測時僅楔塊接觸工件。在方形夾具的左上角加工一個拉線固定螺孔，作為固定雙軸編碼器線的匯聚點。在方形夾具的四邊中部各加工一個探頭固定螺孔用于固定探頭楔塊。該掃查夾具可以適合多種規格的探頭，只要楔塊小于內方尺寸，可采用長螺釘固定，同時把手固定螺孔可以進行把手安裝。夾具結構示意如圖5所示。

圖5 探頭夾具結構示意

2.2.3 檢測系統

雙軸拉線編碼器檢測系統如圖6所示。拉線編碼器的底座根據材料不同可選擇真空、夾持或磁鐵吸附的安裝方式，圖6中采用真空吸附的安裝方式。檢測時將編碼器吸附在工件表面上，固定拆卸靈活方便，而且對工件表面無任何損傷，兩個拉線編碼器拉出的線匯聚于掃查探頭并固定于掃查夾具上。拉線編碼器的最高掃查精度為0.1mm／步，拉線最大長度為1.5m。以前的手動雙軸掃查器定位方式比較死板，探頭的移動不好操作，而這種定位方式很方便，探頭移動也比較靈活，在進行特定區域的C 掃描檢測上具有較大的優勢，可對缺陷進行完整的掃查、測量和評定。

圖6 雙軸拉線編碼器檢測系統

3 檢測結果

采用滾輪探頭對多種復合材料進行檢測：對某復合材料進行表面沖擊缺陷檢測圖像如圖7（a）所示，沖擊位置的缺陷圖像清晰可見；對某復合材料進行底層粘結結構檢測，未粘結區域的圖像顏色對比明顯，且底波明顯有分開痕跡，如圖7（b）所示；對某復合材料進行脫粘缺陷檢測，脫粘區域缺陷圖像特別明顯，掃查圖像可清楚地看到蜂窩的結構圖像，如圖7（c）所示。采用雙軸拉線編碼器在試塊上進行檢測，試塊上的缺陷全部被掃查出來，而且重復覆蓋性很好，如圖8所示。

圖7 滾輪探頭對多種復合材料的檢測結果

圖8 雙軸拉線編碼器對試塊缺陷的C掃描圖像

4 結論

（1）根據相控陣超聲C 掃描成像檢測技術，研發滾輪探頭用于復合材料快速C 掃描檢測，試驗結果表明滾輪探頭耦合效果好，推行阻力小，掃查圖像清晰；目前，該系統已成功推廣應用，服務于航空航天領域。

（2）滾輪探頭配合具有C掃描功能的便攜式相控陣儀器CTS－2108PA 組成C 掃描檢測系統，可隨時隨地對復合材料進行C掃描檢測。

（3）由CTS－2108PA 儀器和雙軸拉線編碼器組成的定位C掃描檢測系統，編碼器裝卸容易，調試、操作簡單，探頭移動靈活，定位精度高，重復覆蓋性好，可應用于復合材料特殊區域的定位C掃描檢測。

（4）采用滾輪探頭結合雙軸拉線編碼器定位對復合材料進行檢測，不僅可實現復合材料的快速C掃描檢測，還可進行特定區域的C 掃描檢測評估，對提高復合材料的檢測效率以及缺陷檢測評估具有重要作用，是可行的復合材料檢測的系統解決方案。

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