Page 60 - 无损检测2021年第七期
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徐   莹, 等:

            变厚度复合材料结构超声反射法成像的缺陷识别与定量表征


            率 [ 4 ] 。对于复杂的变厚度层压结构复合材料制件的                       别与定量表征。
            超声检测, 要实现缺陷的可靠自动化识别难度较大,
                                                              1  超声反射法成像检测
            因此目前对该类复合材料制件基本采用手动方式进
            行检测。手动检测对人员的经验要求较高, 不仅工                               复合材料结构超声反射法检测的基础是使入射
            作强度大、 检测效率低, 而且检测者难以控制换能器                          声波在复合材料中形成各种反射, 通过选用合适的
            进行均匀扫描, 容易造成漏检, 同时也没有可追溯的                          入射声波, 使其与复合材料相互作用后, 在复合材料
            图像信息     [ 5 ] 。因此, 探寻一种可靠性高的自动化检                  中形成有效的检测信号。这些声学反射信息可表征
            测方案十分必要。                                           材料内部的多种缺陷和结构特征, 故可利用各种可
                 在超声反射法检测中, 常规的 C 扫描成像方式                       视化的信号显示方式或成像方式再现超声检测结
            是对缺陷波单独成像, 通过在表面回波与底波之间                            果, 对缺陷进行准确识别。通常, 识别缺陷所需要的
            设置缺陷分析区间, 采集超声信号, 以直观表征零件                          超声信号信息包括脉冲回波的形态特征、 幅度大小
            内部的缺陷状态。缺陷分析区间的确定在自动化检                             和时域位置     [ 4 ] 。常见的 C 扫描成像方式有缺陷波
            测系统对缺陷的可靠识别中起到至关重要的作用。                             成像、 底波成像和位置成像 3 种            [ 9 ] 。缺陷波成像能
            对于复杂变厚度层压结构, 各扫描点的底波位置会                            够直观反映零件内部的缺陷; 底波成像能够用底波
            随零件厚度的变化而改变, 这给缺陷分析区间的确                            幅值表征零件内部是否存在缺陷或异常; 位置成像
            定带来较大困难。国内关于这方面的研究方法主要                             是反映零件厚度和缺陷深度的有效手段。
            分为 3 种: 一种方法是通过波形识别, 对表面回波和                            传统成像方法适用于等厚的层压结构, 对于不
            底波进行算法跟踪, 从而对缺陷分析区间的闸门进                            规则的变厚度结构, 其底波位置会随零件厚度的变
            行自动设置, 目前此种算法仅适用于厚度渐变零件                            化而相应变化; 对于上板和下板厚度均有变化的板
            中非近表面缺陷的识别, 对于厚度突变的零件, 其检                          板黏接结构, 其波形图中胶膜波和底波位置变化的
            测效果不稳定且误差较大             [ 6 ] ; 另一种方法是利用改          情况会更加复杂。同时, 复合材料中允许出现的缺
            进型的 BP 神经网络来获取零件采样点位置信息与                           陷尺寸往往较大( 一般大于超声换能器晶片尺寸),
            灵敏度之间的映射关系, 生成各采样点的灵敏度模                            当零件中出现某类缺陷时, 底波可能会因超声波被
            板, 再使用最小二乘法来拟合厚度与灵敏度之间的                            缺陷阻挡而完全消失, 甚至有时会出现缺陷的二次
            关系方程, 通过换能器的位置信息算出各采样点的                            回波, 若系统软件不具备有效的底波位置识别功能
            厚度并随之调整闸门宽度, 该方法解决了厚度突变                            和动态闸门对底波的自动跟踪功能, 将难以实现底
            零件和大厚度衰减材料在底波前出现杂波或多峰导                             波成像和缺陷波成像。
            致的波形识别困难的问题, 但该方法的模板普适性                           1.1  成像方法
            差, 前期生成灵敏度模板的过程中数据采样的工作                               由于底波以及底波与表面回波之间的波形特征
            量巨大, 因此不适用工业的批量检测                [ 7 ] ; 还有一种方     均可反映零件的内部信息, 故将有效分析区间定义
            法是利用多电子闸门成像技术, 通过在变厚度层压                            为在时域上由表面回波至底波( 包含底波) 的半开区
            板最厚区域的表面回波与底波之间设置多个首尾相                             间。根据变厚度复合材料结构底波和板板黏接界面
            连闸门的方式采集信号, 进行超声 C 扫描成像, 然                         的胶膜波在时域位置上随层板厚度变化而变动的特
            后对各个深度的 C 扫描图像进行组合分析, 得到表                          点, 成像方法如下所述。
            征变厚度零件各个厚度区内部缺陷信息的 检测图                                 首先, 根据变厚度零件的厚度范围确定最大有效
            像, 不过这种方法得到的每幅 C 扫描图像只反映了                          分析区间, 设置包含最大有效分析区间的闸门。其
            对应厚度区的部分信息, 无法在整体上反映缺陷在                            次, 在此范围内分别采集表面回波之后出现的首个反
            零件中的分布       [ 8 ] 。                               射回波前沿到表面回波的距离信息( 简称“ 首沿位
                 基于上述方法的局限性, 笔者提出一种新的 C                        置”)、 最后一个反射回波的后沿到表面回波的距离信
            扫描反射法自动化检测成像与缺陷识别方案, 主要                            息( 简称“ 尾沿位置”)、 所有反射回波中最高回波波峰
            研究如何在保证检测结果可靠的基础上, 通过不同                            到表面回波的距离信息( 简称“ 峰值位置”) 和最后一
            成像方法的复合分析, 扩大缺陷分析区间的范围, 以                          个反射回波的幅值信息( 简称“ 尾沿波幅”)。最后, 对
            实现不规则变厚度复合材料零件中缺陷的自动化识                             采集到的数据进行可视化处理, 形成 4 幅 C 扫描图
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                   2021 年 第 43 卷 第 7 期
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