復合材料結構超聲檢測的不確定度評定

楊超

摘要：超聲檢測技術在缺陷定位和定位測量的過程中，呈現出了準確性和可靠性的特點，在復合型材料結構的檢測行業當中得到了較為廣泛的應用。為了充分的保障檢測和評定結果的質量，需要對復合材料結構超聲檢測的不確定程度進行評定，從而強化檢測結果的可信度。在基于超聲反射法檢測碳纖維增強復合材料時，需要對不同尺寸的平底孔缺陷進行檢測，保證檢測階段的定量性，利用底波幅值衰減的方法標定缺陷的邊界，從而獲得缺陷的實際尺寸，建立不確定度傳遞的數學模型，通過對影響檢測結果的干擾因素進行分析，得出復合材料結構超聲檢測不確定度評定的相關結果。

關鍵詞：復合材料結構;超聲檢測;不確定度;評定

超聲檢測是控制并保障鈦-鋼復合材料質量的有效方法，通過對材料內部缺陷或者不均勻程度所引起的聲波變化進行檢測，對材料的缺陷、性質、深度和尺寸等進行判斷。隨著大眾對復合材料超聲檢測技術的認知程度不斷加深，在復合材料超聲檢測的過程中，通過對不確定度的定量化設置，建立了完善的表征系統，掌握了誤差和重復性隨機誤差出現概率，通過對影響檢測結果的綜合性因素進行分析，以不確定度作為超聲檢測結果質量保證基礎評定標準，在基于表征檢測結果的同時提高了檢測結果的可信度。

一、復合材料超聲檢測與金屬材料超聲檢測之間的不同

對于復合型的材料來說，在一般情況下可以使用超聲反射法或者超聲穿透法，通過對邊界缺陷的檢驗確定相應的尺寸。不僅如此，還可以將不同類型的成像模式進行整合，在相互融合的基礎上對復合材料的內部缺陷進行表征。金屬材料在通常情況下采用的是距離-輻度曲線法，并表示其缺陷的當量實際尺寸，而不確定度的評定階段也需要建立在當量尺寸的基礎上。由于現階段從不確定的角度入手，加強評定缺陷尺寸檢測結果質量等方面的研究相對較少，可以利用超聲反射法和超聲相控陣檢測復合材料的缺陷，并評定相應的不確定度，從檢測儀器的角度入手分析不同類型的檢測參數對于缺陷檢出概率曲線和不確定程度所造成的影響，結合超聲檢測階段不確定度的主要來源以及其分量對實際檢測結果所造成的干擾，針對復合型材料當中的缺陷尺寸對超聲檢測結果不確定度進行合理的評定。

二、實驗材料的準備和方法的制定

首先，在材料的非檢測面預制平底孔時，需要以模擬分層缺陷為主將孔直徑設置為3mm、6mm、10mm以及14mm，從而獲取以對比試塊為主的超聲C掃描成像結果，需要對對比試塊的尺寸予以確定，選用特定的材料并利用熱壓罐成型工藝和準各項層壓板結構，將實際的尺寸保持在183mm×132mm左右，實際的厚度為3.26mm。其次，實驗室的溫度為（23±2）℃，相對濕度則需要保持在（50%±5%）RH的范圍內，還需要以鋼板尺為主，將其作為主要的計量器具進行使用，其最小刻度為0.5mm。最后，需要對設備以及計量器具進行檢測。將復合材料超聲檢測設備的型號設置為FCC-B，鏡片的直徑設置為30mm，焦距為50mm，聚焦換能器的型號為FJ-1中心，頻率調整為5MHz，焦柱的直徑則為0.5mm。

三、檢測方法的確定

利用超聲反射法檢測對比試塊中所模擬的分層缺陷，根據超聲6dB法對缺陷的邊界予以確定，以無缺陷處的底波幅值為基礎標準，將換能器從無缺陷區域向有缺陷區域進行移動，當發現底波幅值降低為6dB時，所標記的缺陷邊界點可以設置為P，將各個邊界點進行相互串聯，從而得到缺陷區域的輪廓情況，進一步得出清晰的圖紙內容。將所需檢測的缺陷區域中距離最遠的兩個邊界點的距離進行測定，在得出垂直于兩點之間長度方向邊界點距離時，進一步計算出缺陷的尺寸，再對缺陷尺寸超聲檢測結果進行重復檢測，最后得出平均值。

四、評定輸出量的標準不確定度

首先，需要對缺陷邊界點的標準不確定度進行評定。將缺陷邊界點標定為P，在引入相關標準的基礎上確定不確定度的主要來源。一方面是由超聲檢測儀器靈敏度引入標準運行過程中對分量不確定度的評定，另一方面是在超聲6dB法的作用下，通過對缺陷區域邊界點的標定，對引入標準不確定度的分量進行評定。其次，對于由超聲6dB法所引入的不確定度來說，經過計量科學研究院的測試，確定了超聲檢測儀器的型號以及垂直線性誤差，可以看出該系列的超聲檢測所允許的最大垂直線性誤差為5%，在均勻分布原則的指導基礎上得出了區間半寬度，進一步獲得了引起標準不確定度分量數據。最后，對于由超聲檢測儀器靈敏度引入的不確定度來說，經過計量科學研究院的不斷測試，得出了超聲檢測儀器的衰減誤差和準確程度，并設置了清晰的等級。采用超聲6dB法標定缺陷區域的實際邊界點時，不僅可以得出實際的衰減量，還能夠獲得最大允許程度下的衰減誤差，堅持均勻分布的原則得出了區間的半寬度，并進一步獲取了引起標準不確定度分量的數據。

五、測定缺陷長度和寬度的標準不確定度

一方面，需要基于缺陷寬度測定標準得出不確定度。根據合理的檢測方法以及清晰的數據模型，列出各項不確定度分量的主要來源，明確掌握缺陷區域寬度與缺陷區域長度測定標準，可以看出不確定度具有趨同性。對于缺陷尺寸檢測重復性所引起的標準不確定度來說，不僅得出了檢測值和缺陷尺寸相關數據，再由超聲檢測的重復性實驗引入相對不確定度的相關數據，還可以看出標準試塊當中不同的模擬缺陷，由檢測重復性引起的缺陷尺寸相對不確定度有所不同。另一方面，還需要測定缺陷長度不確定度。首先，需要測量邊界點的間距，并得出引入標準不確定度分量情況。其次，需要在標準試塊模擬情況下，得出缺陷尺寸不確定度的分量。最后，需要基于鋼板尺分辨力引入，得出標準不確定度分量。

六、明確超聲檢測法在復合材料結構不確定度評定階段的重要作用

首先，在評定不確定度的過程中，可以結合評價檢測的主要結果，在確保監測結果可靠性的基礎上，若不確定度的相關數據越小，所得出的檢測結果與被檢測的缺陷尺寸的真值更加接近，所使用的檢測方法和檢測技術水平會不斷提高，從而保障了檢測結果的可信度和可依賴程度。其次，在分析鈦-鋼復合板材料缺陷超聲檢測結果不確定度評定階段的過程中，可以將評定結果劃分成為A類不確定度評定和B類不確定度評定等兩種不同的部分。其中，對于B類不確定評定來說，需要對儀器、方法和試塊等多種不同的因素予以綜合性的考慮，從而引入的不確定分量，而A類不確定度的評定主要來源為檢測實驗結果的統計與分布，在重復性實驗結果的影響下，對相應的標準偏差進行了表征處理。再次，由于影響鈦-鋼復合板型材料缺陷超聲檢測的干擾因素具有多樣化的特點，在評定不確定度的過程中，需要從材料結構、檢測方法、缺陷性質、檢測靈敏度等不同的方面入手，明確掌握影響檢測結果的因素來源。最后，在評定不確定度的過程中，還有助于強化各項檢測結果之間的可比性。例如：在利用超聲檢測方法時，對鈦-鋼復合型材料實施超聲類檢測，不僅能夠得出檢測的靈敏程度，還可以獲取精準的檢測結果、不確定度以及相對拓展不確定度。若兩次的檢測結果誤差相差在15%以內時，則可以判定缺陷尺寸稍微出現明顯的變化。

結論：

利用超聲反射法檢測鈦-鋼復合型材料結構不確定度的過程中，需要結合實際的檢測結果對相關干擾因素所帶來的影響予以綜合性的考慮和深入的分析，從而得出缺陷尺寸不確定度的評定結果，有助于保障實際檢測結果的可靠性。在傳統的檢測工作中通常是以誤差表述為主，判定超聲檢測結果的準確性與可靠性，而誤差則表明了被檢測主體的估計值以及偏離參考量值的程度。對于復合材料超聲檢測作業來說，可以通過對不確定度等數據信息的引入，保障系統誤差和重復性隨機誤差的定量表征效果，在可信的概率范圍之內評定檢測結果的綜合影響程度，利用不確定度等相關數據表明測量值所呈現出的分散性特點，將不確定度等相關數據作為超聲檢測階段的評定標準，保障最終檢測結果的質量。

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