粘接質量檢測技術在計算機系統中的應用

摘要：粘接結構具有比模量高，比強度高的優越性能，近些年來被越來越廣泛的應用到各個領域中，這也使得粘接結構的質量要求越來越高，因此也對粘接質量的檢測工作提出了新的要求，超聲檢測法是目前所有無損檢測中最佳的粘接質量檢測方法，文章對超聲檢測法的分類以及它們各自的特點進行了研究分析，此外，對非線性超聲檢測系統的工作原理以及其在計算機系統中的應用進行了重點闡述，為了更好的提升檢測技術以及效率，計算機技術的合理應用是非常重要的手段之一。

關鍵詞：粘接結構;粘接質量檢測;計算機系統;超聲檢測法

中圖分類號：TCA9

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0023-04

Application of Adhesive Quality Testing Technology inComputer System

XU Shuang-mei

（School of Economics and Management， Xi'an Vocational and Technical College，Xi'an Shaanxi 710077.China）

Abstract： Adhesive structure has the advantages of high specific modulus and high specific strength.ln recentyears，it has been more and more widely used in various fields.which also makes the quality requirements of adhe-sive structure higher and higher.Therefore，it also puts forward new requirements for the detection of adhesive quali-ty.At present，the most effective detection method of adhesive quality is ultrasonic detection.The paper introducesthe classification of ultrasonic testing and their respective characteristics.ln addition，ln this paper，the working prin-ciple of the nonlinear ultrasonic detection system and its application in the computer system are mainly introduced.In order to improve the detection technology and efficiency，the reasonable application of computer technology isone of the most important means.

Key words ： adhesive structure; adhesive quality testing; computer system; ultrasonic testing method

將金屬和金屬，非金屬和非金屬或者金屬和非金屬用粘結劑粘接在一起的結構就是粘接結構，粘接結構具有優越的性能，如高強度，高模量，耐高溫，抗疲勞，耐腐蝕等等，使得其在航天航空，兵器以及國防領域的應用越來越廣泛。但是在粘接過程中，往往會由于粘接工藝過著過程控制等原因而造成粘接界面的某些缺陷，常見的粘接缺陷有氣孔，粘接不穩固，以及局部脫落等，諸如這些缺陷都會在一定程度上破壞粘接結構的完整性，進而達不到所需要的粘接強度，大大降低產品的性能，因而產品的使用安全性能也無法得到保證，甚至會引發嚴重的事故，尤其是在航空航天領域，如果產品出現問題將會發生災難性的后果，因此對產品粘接質量的把控顯得尤為重要，這也就需要采用有效的無損檢測技術來進行粘接界面的粘接質量進行檢測，以確保產品的質量和使用安全。

對粘接結構的無損檢測目前主要是集中在對膠層的界面缺陷以及內聚強度的檢測，國內外有許多學者都對粘接結構的粘接質量檢測比較進行了系統研究，就目前而言，粘接結構的粘接質量無損檢測方法主要有紅外熱成像法，超聲檢測法，滲透法以及射線照相法等，這些檢測方法有它們各白的優點和缺陷。紅外熱成像法的優點是檢測精度高，非接觸，圖像直觀以及范圍廣，缺點則是該方法應用成本高，并且對溫度等環境因素較為敏感，因此在使用這種方法進行粘接質量檢測時，需要對環境進行嚴格的控制[1]。射線檢測法的檢測方法是利用Y射線以及X射線對被檢測試件進行遠程拍片，判斷粘接質量時就可以通過觀察分析膠層的密度變化，這種檢測方法的原理是透過不同的介質材料時射線會有不同程度的衰減，這樣就會造成底片上呈現出不同的感光黑度的圖像，根據這些圖片特點就能很直觀的對粘接的缺陷進行判斷，由此可見該方法的優點就是得出的結果比較直觀，檢測人員能夠很快的得出結果，并且還可以長期保存。其缺點則是對孔隙缺陷的檢測不敏感[2]，也無法保證檢測出界面處貼合脫粘。同超聲法相比，這種方法的檢測周期較長，且費用較高。效果直觀是滲透法最突出的優勢，并且檢測出的不同表面缺陷可以同時顯示，但是它也存在一個比較明顯的缺點，就是滲透法不能對隱藏的粘接界面缺陷進行檢測，只能夠對粘接界面暴露的試件表面進行質量檢測，所以這種方法存在一些局限性。

在目前所開發設計的無損檢測方法中，超聲法是被應用最為廣泛的一種檢測方法，超聲法使用方便，靈敏度高，穿透力強，成本低，對人體也無損害，此外，這種方法的適用范圍也非常廣泛，適用于許多的檢測對象，因此在粘接結構的無損檢測中超聲檢測法得到了廣泛的應用。

1超聲檢測法

超聲檢測法具有使用方便，靈敏度高，穿透力強，適用對象范圍廣，應用成本低，并且對人體無損害等優點，這也是為什么超聲檢測法在粘接結構、粘接質量檢測領域有著非常廣泛的應用范圍，超聲檢測法目前主要有以下幾種檢測方法：斜射人法，脈沖回波法，波導法，聲一超聲法，超聲相控陣法。

1.1脈沖回波法

超聲脈沖回波法的檢測原理是利用超聲波的反射這一特性，該方法主要是指在被測構件表面入射持續時間極短的超聲脈沖波，當這些超聲脈沖波透過氣泡，粘接不良等于被測材料不同的介質時就會發生反射，這些反射回來的脈沖波就被稱之為缺陷波，另一部分沒有遇到這些缺陷的波就會直接穿過直至被測介質底面然后才會反射回來，這種反射波稱之為底波，最后分析這些反射波，缺陷波以及底波，通過觀察它們在時間軸上的位置可以判斷出粘接結構缺陷在被測構件中的大小以及位置。在粘接結構內，氣孔或者脫粘缺陷有超聲波穿過時會產生較大的回波[3]。金屬-非金屬粘接質量的檢測中，脈沖回波法具有顯著的效果，20世紀50年代就有學者對彈性波在分層介質中的傳播過程進行了研究，到了70、80年代，人們已經開始利用超聲脈沖回波法對粘接結構的粘接質量進行檢測，到了90年代，有相關的研究人員利用脈沖回波法，與計算機系統相結合進行建模分析，最終實現了對粘接結構粘接質量的檢測，成功判斷了粘接結構的缺陷[4]。后來又有學者利用超聲脈沖回波法對多層粘接結構的粘接質量進行了檢測，利用不同界面缺陷的時間差來判斷。

1.2斜入射法

利用超聲斜入射法在對粘接結構進行質量檢測時，主要是對不同入射角度的聲波和粘接界面之間的關系和變化規律進行觀察，粘接界面的缺陷就可以直接通過分析這些變化規律進行判斷[5]。斜入射法比較明顯的特點就是可以在不提超聲波的頻率的情況下提高界面弱化探測靈敏度。近些年有許多的研究人員對超聲斜入射法進行了深入研究，有學者利用斜入射法對粘接結構的特征以及劣化程度進行了檢測。還有研究人員對某種彈簧模型進行了檢測研究，這種模型可以將粘接結構的厚度忽略，同時也對粘接相對較厚的結構進行了研究，例如鋁-膠-鋁等粘接結構，對其進行了超聲反射頻譜及其低頻特性進行分析研究。此外，學者成功的建立了夾心復合材料構件的聲學模型，利用的是反射回波的斜入射技術，在成功建立模型后對超聲波斜入射角的變化對反射系數和吸聲系數的硬性進行了分析。還有學者對多層高分子復合機構進行了研究，在超聲波斜入射的情況下，觀察了每一層材料的動力學參數及其具體變化，并且研究了吸聲性能同幾何參數之間的相互影響關系。

1.3超聲相控陣法

超聲相控陣技術的主要檢測方法是將超聲探頭品片進行組合，它根據一定的時序以及規則控制激發由多個壓電片組成的陣列，這些品片會發射出超聲波，從而構成一個波面陣[6]。然后在對這些反射波進行接收時，也是根據一定的時序和規則來控制接收晶片，然后對這些信號進行合成，對這些信號進行處理分析后以適當的方式顯示出來。超聲相控陣技術的工作原理是觀察聲束的聚焦和偏轉進行檢測的，最開始這種技術主要被應用于醫學領域。國內某些研究單位已經成功的利用超聲相控陣技術實現了聲波測井井下成像，還有學者使用超聲相控陣技術，實現了對固體火箭發動機封頭構件的粘接狀態的仿真分析研究，結果證明超聲相控陣檢測法在界面粘接質量檢測方面有非常廣泛的應用前景。也有研究人員利用超聲相控陣檢測法對復合材料的粘接結構進行了檢測，結果表明這種技術利用反射波能夠很好的檢測出粘接結構缺陷的位置[7]，這也說明這種檢測方法在復合材料樣板粘接結構檢測領域的應用前景十分廣泛。

1.4聲-超聲法

聲-超聲法（AU）最早是由美國宇航局于1976年提出的，后來這項檢測技術在粘接接頭，復合材料等方面得到了廣泛的應用，這也使得更多的研究人員和研究單位對聲-超聲技術進行了更加深入的研究。聲-超聲檢測法的使用性非常好，在進行檢測時，它只需要使用兩個超聲轉換器，然后采用一發一收的方式進行檢測。聲-超聲法的檢測方法是向復合材料內部利用激光照射的方法發射脈沖信號，這里也可以采用超聲換能器進行發射信號，在復合材料的內部脈沖信號會發生多次多界面的反射以及折射，然后對這些脈沖信號進行模式的轉換處理，進而產生橫波和縱波，在復合材料內部粘接結構會與這些橫波和縱波發生相互作用，最終會被放置在材料另一表面的接收裝置接收，當這些聲一超聲信號接收完畢后，對其進行分析研究，研究被檢測材料的內部各種力學性能的變化，從而可以對粘接結構的粘接質量進行評估。有學者應用聲-超聲技術，結合小波變換技術以及白適應濾波法，實現了對固體火箭發動機機構的粘接質量的成功檢測[8]。也有研究人員利用這項技術對鋁-膠-鋁這種結構進行了粘接質量的檢測研究，研究發現這種粘接結構的粘接層固化時間同聲-超聲技術的應力波因子有某種單調對應的關系，這也說明可以利用聲信號和應力波因子的幅頻特征來判斷復合材料粘接結構的粘接質量。

1.5超聲波導法

超聲波導法是一種十分有效的無損檢測技術，在材料粘接結構質量檢測領域的應用已經十分廣泛。超聲波在管狀體或者板狀體等不連續的界面發生多次的反射，干涉，疊加以及波形轉換會產生超聲導波，超聲導波的主要特點是多模式和頻散，通常情況先為了檢測和評價材料的粘接質量主要是通過對導波的頻散特征進行研究。波導法僅從單點機理就可以進行長距離的檢測，檢測速度快也是該方法的一大優點。國內外有許多研究人員對這種檢測方法都進行了一定程度的研究，有學者針對固體火箭發動機的多層結構利用波導法進行了檢測研究，同時對這種多層結構殼體利用全局陣法進行了公式推導，成功推導出它的波導頻散公式，并且做出了頻散曲線，研究了粘接質量同頻散曲線的關系[9]。此外，有研究人員通過實驗驗證以及數值計算等方法，提出了一種新的超聲導波法，這種新的方法主要是針對層狀粘接復合結構的層間界面力學參數進行分析研究，進而實現對其粘接質量的檢測。

2超聲信號的處理方法

超聲檢測法憑借其檢測速度快，被測對象范圍廣等優點被廣泛應用于粘接結構的粘接質量無損檢測領域中，為了確保檢測的順利實現，就需要分析和處理超聲特征信號，在對超聲檢測信號進行處理之前，首先要了解超聲波在被檢測的材料中是如何進行傳播的并且掌握其轉播規律，然后選用合適的信號處理手段，對目標信號進行增強，消除噪聲的影響，進而使采集到的信號質量得到提高，目前應用最為廣泛的信號處理方法就是時頻處理方法，現有的比較好的時頻處理方法有小波變換，HHT技術以及人工神經網絡。

2.1小波變換（WT）

小波變換信號處理方法是伸縮平移所獲取活波信號，從而實現對信號的逐步細化，低頻部分和高頻部分分別作頻率細分和時間細分，最終就能夠保證信號任意細節聚焦的實現。有學者對多層粘接結構深層界面進行了檢測研究，并獲取了回波信號特征，然后利用小波變換進行分析，進而識別和定位這種多層粘接結構的脫粘缺陷。也有研究人員對薄板粘接結構進行可粘接質量檢測，使用小波變換分析檢測信號，對和粘接質量相關的特征值提出了假設，并且對被測粘接結構的粘接質量利用RBF神經網絡作出了定量識別。此外，在對鎂合金超聲檢測的應用中[10]，使用小波變換法可以有效去除噪聲。

2.2 HHT技術

HHT技術最開始是由NASA于1998年提出的，該技術主要是應用于非線性系統的分析。這項技術是一種具有自適應性的時頻局部化的分析技術，在對非穩定非線性的信號進行處理時，會對更高的時頻分辨特性。HHT技術是由兩個步驟組成的，即經驗模式分解（EMD）和Hilbert譜分析。利用這種方法獲得的Hil-bert譜能夠在頻域范圍內，十分詳細地描述被處理非平穩信號并且它還具有非常高的時頻分辨率，然后使用EMD對其進行分解可以得到的單獨IMF分量，這每一個IMF分量都具有十分明確的物理意義，對信號進行處理后可以很好的保留源信號的局部特征。有研究人員針對粗晶材料的超聲檢測信號使用HHT技術進行時頻分析，同時對其進行噪聲分解，能夠獲得效果良好的缺陷反射信號。還有學者提出了一種改進的HHT模態參數識別方法，使用該方法進行去噪，結果表明這種改進后的方法對識別缺陷信號更加精準。

2.3人工神經網絡

神經網絡是一種重要的無損檢測信號處理和分析的手段，目前主要應用在超聲檢測的定量分析和定性分析，神經網絡的優點是識別準確度高，能夠有效地對各種類粘接缺陷進行分類，即使是針對不清晰，不完全的缺陷信息也能夠保持較高的識別度。該技術主要是用過收集多種反映粘接質量的特征信息，然后在實驗室內訓練人工神經網絡分析器，進而建立最理想的模式識別算法，最后進行實踐應用，識別實際問題中的各種缺陷。此前，有研究人員應用神經網絡用頻譜為特征輸入，以此來識別分類粘接接頭。還有學者利用人工神經網絡在實驗室成功的完成了Φ1-10mm平底孔以及橫穿孔的定量測量。

3在計算機系統中的應用

在對粘接結構的粘接質量進行檢測時，我們首先需要選擇最佳的檢測方式，然后是最優的信號處理技術，而這幾種檢測信號的收集、分析以及處理都需要計算機系統的輔助，這里簡要介紹了非線性超聲檢測系統以及其測量方法，可以比較直觀的了解到其在計算機系統中的應用。

非線性超聲檢測系統的示意圖如圖1所示。該系統中包括了RAM-SNAP系統，衰減器，高能匹配電阻，信號取樣器，濾波器，粘接試件，鈮酸鋰晶片換能器，示波器，夾具以及計算機。整個系統的工作內容為：首先RAM-SNAP系統輸出5MHz頻率的高能量正弦脈沖信號，然后依次經過匹配電阻，衰減器，低通濾波器等轉裝置后加載到直徑7mm，標稱頻率為5MHz的窄帶縱波鈮酸鋰晶片上，在耦合劑的作用下脈沖信號垂直入射到被檢測的構件上，脈沖信號在構件內部粘接界面上反射產生回波，然后經過信號取樣器進入RAM-SNAP系統的CH1通道，另一部分脈沖會直接穿過粘接界面，然后被固定在構件的另一面的直徑為6mm，標稱頻率為10MHz的窄帶縱波鈮酸鋰品片R接收，在經過高通濾波器后進入RAM-SNAP系統的CH2通道。該系統中，衰減器的作用是用來檢驗非線性來源，此外還能夠將輸入電壓衰減到發射換能器的有效電壓值范圍之內，低通濾波器則可以將輸入信號中的高頻諧波分量濾除，這樣就能夠很好的保證激勵發射換能器的信號是單一頻率的正弦波，信號中的基頻信號則可以用高頻濾波器濾除。

這些器件的正常工作運行離不開計算機系統的有效控制，經過相關裝置的處理，信號最終會由計算機系統進行分析，然后形成對應的脈沖頻譜圖，然后觀察分析不同的頻譜能夠發現被檢測構件的粘接缺陷。

4結語

在對粘接結構進行質量檢測時，有許多的方法可供選擇，不同的檢測方法有著不同的特點，目前應用最廣泛的無損檢測方法就是超聲檢測法，超聲檢測法根據原理不同又可以劃分為幾種不同的類型，但是無論選擇哪一種檢測方法進行檢測，其信號處理及分析都是離不開計算機系統的應用，在整個檢測系統中，計算機系統起到了重要的作用，

一方面控制整個檢測過程的進程，另一方面還要對經過處理的信號進行成像分析，最后經過一定的算法得出最后的檢測結果。隨著粘接結構不斷的被廣泛應用，粘接質量檢測也將成為十分重要的工作，因此更好的應用計算機系統對粘接質量檢測技術以及效率的提高具有重要意義。

參考文獻

[1]戴景民，汪子君.紅外熱成像無損檢測技術及其應用現狀[J].自動化技術與應用，2007，26（1）：2-8.

[2]劉福順，湯明.無損檢測基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002：5-106.

[3]袁紅梅.粘接結構界面缺陷超聲檢測技術及其應用研究[J].北京工業大學，2010：2-19.

[4] Billson D R， Hutchins D A.Ultrasonic testing of adhe-sivelv bonded lavers using shear waves[J].Acoustics，2008，94（9）：4638-4635.

[5]袁華，王召巴.多厚度殼體發動機界面脫粘超聲檢測技術研究[J].彈簧與制導學報，2009，29（2）：150-160.

[6]盧超，鄧丹，陳文生，等.鋼軌氣壓焊接頭的超聲相控陣檢測技術研究[J].失效分析與預防，2011，6（3）：138-145.

[7]李懷富，李業書，呂貴平，等.超聲相控陣技術在復合材料檢測上的應用[J].玻璃鋼/復合材料，2010（2）：80-88.

[8]艾春安，劉瑜，趙文才，等.固體火箭發動機粘接結構粘接質量的聲一超聲檢測[J].無損檢測，2009，31（12）：290-299.

[9]艾春安，高利榮，吳安法.固體火箭發動機多層結構殼體的導波頻散特性分析[J].火箭推進，2008，34（5）：10-19.

[10]陳陣華，趙二虎，胡懷輝.鎂合金超聲檢測的相關增強小波去噪技術[J].內蒙古工業大學學報，2011，30（4）：505-510.

收稿日期：2020-01-13

作者簡介：許霜梅（1964-），女，漢族，陜西西安人，碩士學位，副教授，研究方向：計算機技術。

基金項目：陜西省教育科學規劃課題：融合商務類專業教學的高職創新創業教育研究（SGH17V063）