超声相控阵技术在复合材料检测上的应用.pdf

　８６　超声相控阵技术在复合材料检测上的应用　　２０１０年３月　　　超声相控阵技术在复合材料检测上的应用　　　　李怀富，李业书，吕贵平，田卡嘉　　　　　　　　　（１．中材科技风电叶片股份有限公司，北京１０２１０１；２．北京天创时代检测设备有限公司，北京１ＯＯＯ８０）　　摘要：本文介绍了超声相控阵技术的原理及特点。并通过超声相控阵技术对复合材料样板粘接缺陷的试验检测阐述了　超声相控阵技术在复合材料检测上的应用。　　　关键词ｉ相控阵；复合材料　　　　　　———　中图分类号ｔＴＢ３３２文献标识码ｉＡ文章编号：１００３０９９９（２０１０）０２００８６０３　　　　　１引言　　　超声相控阵技术已有近二十多年的发展历史。　…　　　　初期主要应用于医疗领域。然而随着电子技术　和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应　　用于工业无损检测。在相控阵系统设计、系统仿真、　生产与测试和应用等方面已取得一系列进展，如采　　　　　用新复合材料压电换能器改善电声性能］，奥氏体　　　　焊缝、混凝土和复合材料等的超声相控阵检测Ｌ３ｊ，　　　Ｒ／ＤＴＥＣＨ，ＳＩＥＭＥＮＳ及ＩＭＡ２ＳＯＮＩＣ等公司已生产　　　超声相控阵检测系统及相控阵换能器。目前，国内　　　　在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，　　　主要集中于医疗领域。。Ｊ。　　　复合材料具有轻质高强的优良特性，因而被广　　泛应用于航天、航空领域，在汽车和建筑等行业也得　　　到了越来越多地应用。在复合材料成型过程中，由　　　　于存在很多人为因素和工艺质量的不稳定性，产品　　　很可能出现裂纹、掺杂和气泡等缺陷，这些缺陷对材　　　　料的性能影响很大。由于缺陷的存在是不可避免　　　　的，这使得复合材料构件的质量具有一定的随机性，　　　致使材料的质量下降。为了保证复合材料制品　　的安全使用，通过必要的检测手段控制复合材料制　件的质量是非常必要的。　　　２相控阵技术原理及特点Ｊ　　超声相控阵换能器是基于惠更斯原理设计的。　　　　　由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称　　　为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制　　　激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加　形成一个新的波阵面。同样，在反射波的接收过程　　中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行　　信号合成，再将合成结果以适当形式显示。　　　　由其原理可知，相控阵换能器最显著的特点是　可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。　其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围　　内连续、动态可调；而且探头内可快速平移声束见图　　　１。因此，与传统超声检测技术相比，相控阵技术的①　优势为：用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高　②　　检测速度；不移动探头或尽量少移动探头可扫查　　　　厚大工件和形状复杂工件的各个区域，成为解决可③　达性差和空间限制问题的有效手段；通常不需要　　复杂的扫查装置，不需更换探头就可实现整个体积　　或所关心区域的多角度多方向扫查，因此在核工业④　设备检测中可减少受辐照时间；优化控制焦柱长　　　度、焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检　　　出率等方面具有一定的优越性。…　．　［…　　　．Ｉ＝＝＝：　二二＝＝　十童　（ａ）声柬的平移　（ｂ）声束角控制　（ｃ）聚焦的控制　　　图１相控阵换能器的声束控制（Ｎ－单元序号）　　　当然，相控阵技术在实现上要面临诸多挑战，如　　　　要求压电晶片电声性能好；相邻单元间隔声性能好；　避免产生旁瓣，声束角度较大时更应注意该问题；时　　　　间延迟的精确控制以及声束方向、形状及声压分布　　的仿真等。超声相控阵换能器按其晶片形式主要分　三类，即线阵、面阵和环形阵列。线阵最为成熟，已　　　有含２５６个单元的线阵（Ｎ×　１），可满足多数情况下的应用要求；面阵又叫二维阵列（Ｎ×　Ｍ），可对声束　　　实现三维控制，对超声成像及提高图像质量大有益　　—　收稿日期：２００９－０８１４　　作者简介：李怀富（１９８５．），男，工程师，主要从事复合材料质量控制方面的研究。　　２０１０年第２期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　８７　　处，目前已有含１２８×　　１２８阵列的超声成像系统应用　　　　　于金属和复合材料的检测与性能评价，该系统具有　　　　　　实时ｃ扫描成像功能，以标准视频图像在液晶显示　　　　器上显示，然而同线阵相比，面阵的复杂性剧增，其　　　　经济适用性影响该类探头在工业检测领域的应用；　　　　环形阵列在中心轴线上的聚焦能力优异、旁瓣低、电　　　子系统简单、应用广泛，但不能进行声束偏转控制。　　３复合材料相控阵检测应用试验　　　复合材料制品中，粘接部分缺陷会对制品的整　　体性能产生很大影响。以下对玻璃纤维／环氧树脂　基复合材料的粘接进行相控阵试验检测。　　　图２试块长×　宽×　厚＝１００×　１００×　　１２（４＋４＋４ａｍ　　　３．１待测样板　　　　　试块材料：玻璃钢；试块结构：两面为玻璃钢，中　　　间由胶粘合在一起；加工流程：第一层玻璃钢生产好　　后人工刷一脉冲层胶，再粘接一层玻璃钢。　　　　３．２试验仪器　　　　　表１所用试验仪器　　　　　图２检测工件和探头放置方式　　３．３检测过程　　检测工件和探头放置方式见图２。　仪器基本设置：电压：８０Ｖ；滤波：１ＭＨＺ；视频滤　　　　　　　　　波：打开；聚焦深度：１１ｍｍ；扇扫范围：一１５度到１５　　　度；没用编码器而是内部时钟触发扫查。没有使用　　　　　楔块，工件和探头直接接触，所以图像中的始脉冲显　　　　　　得比较宽。该探头ｐｉｔｃｈ为１．２５ｍｍ，长２０ｍｍ，共１６　个晶片同时激发。　　袁２　仪器主要参数介绍　　　１个ＯｍｎｉＳｃａｎ相控阵探头接口；　．　　　　　　　　２个ＢＮＣ接口（１个用于脉冲发生器／接收　　接口器，　　　　　　　　　１个用于常规超声接收器）（３２：３２和　　　　３２：１２８型，无ＢＮＣ接口）　　聚焦法则数量　２５６个　探头识别　自动探头识别和设置　　　脉冲发生器　１６个晶片　电压　　每个晶片８０Ｖ　脉冲宽度　—　　　　　从３０５００ｎｓ可调，分辨率为２．５ｎｓ　　下降时间　　小于１０ｎｓ　　脉冲形状　负方波　　输出阻抗　　小于２５ｎ　　接收器　　１２８个晶片增益　　—　０～７４ｄＢ，最大输入信号１．３２ＶｐＰ　　输入阻抗　７５ｆｔ系统带宽　０．７５～１８ＭＨｚ（－３ｄＢ）　声束形成　扫查类型　　扇形和线性　扫查数量　　　高达８次　　激活晶片数　１６个　晶片数　１２８个　发射延迟范围　　Ｏ一１０ｓ，２．５ｎｓ增量接收延迟范围　０１Ｌｓ～ｌＯｐｅｓ，２．５ｎｓ增量　　３．４检测结果　　　增益：１８．６ｄＢ；底面反射波幅：８Ｏ％；噪声２０％，当　　探头扫查到缺陷位置底面反射波会消失。如下所示，　　　　图３工件无缺陷区域有底波，图４有缺陷区域没底波。　　图３无缺陷区域扫描图像　　图４缺陷区域扫描图像　　　　　　　　通过图３和图４的对比可以清楚地看到，无缺　　　　陷区域的扫描图像中底面反射波清晰可见，缺陷区　　０扫囊嗡潦　８８　超声相控阵技术在复合材料检测上的应用　　２０１０年３月　域的扫描图像中底面反射波消失，即缺陷的存在导　　致底面反射波消失。　　　对样板进行打孔注胶修复，待固化后再对样板　　　　缺陷修复区域进行检测。仪器调试及检测步骤同　　　上。扫描图像如图５所示。　　图５样板修复反缺陷区域扫描图像　　　　从图５中可以看到，修复后的样板缺陷区域扫　描波形中，底面反射波清晰可见。所以通过对复合　　材料样板无缺陷区域扫描图像、缺陷区域扫描图像　　　以及修复后缺陷区域扫描图像的对比可以看出超声　　　相控阵技术在复合材料检测上有良好的应用。　　４结束语　　随着复合材料在各领域的广泛应用，复合材料　的检测技术也随之发展。超声相控阵检测技术的发　　　展为复合材料的检测提供了良好的条件。从上述对　　复合材料粘接试验可以看出，超声相控阵技术可以　　　　通过反射波很好地显示出其缺陷所在。所以，超声　相控阵技术在复合材料检测上的应用必定有长远的　　　发展。　参考文献　　　　　　　　［１］ＶｏｎＲａｍｍＯＴ，ＳｍｉｔｈＳＷ．Ｂｅａｍｓｔｅｅｒｉｎｇｗｉｔｈｌｉｎ－ｅａｒａｒｒａｙｓ［Ｊ］．　　　　—　ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎ・ｅｅｒｉｎｇ，１９８３，３０（８）：４３８　４５２．　　　　　　　　—　［２］ＲｉｔｔｅｒＪ．ＵｎｉｖｅｒｓａｌｐｈａｓｅｄａｒｒａｙＵＴｐｒｏｂｅｆｏｒｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｅｘｉｌｍｉ　　　　—　　ｎａｔｉｏｎｓｕｓｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｒｙｓｔａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｔｈ￣２Ｊｏｕｍａｌｏｆ　　　ＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉ・ｎｇ，ＶｉＮｑＸＶ．ｎｄＬｎｅｔ，２０００，５（９）．　　　［３］ＥｒｈａｒｄＡ，ＳｃｈｅｎｋＧ，ｅｔａ　　　　　１．Ｕｌｔｒａｓｅｎｉｃｐｈａｓｅｄａｒｒａｙｔｅｅｂ．２ｎｉｑｕｅｆｏｒ　　　　　　ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｗｅｌｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ［Ａ］．Ｐｒｏｃｏｆｔｈｅ１５ｔｈＷＣＮＤＴ［Ｍ］．　　Ｒｏｍｅ：２０００，１９２．　［４］ＬａｗｒｅｎｃｅＡｚａｒ．Ｅｘｐｅｒ　　　　　ｉｍｅｎｔａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｕｈｒａｓｅｎｉｃｐｈａｓｅｄｉｌｌ＇－　　　　　　　ｒａｙｓｆｏｒｔｈｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｅｖａｌｕ－ａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．　　—　ＭａｔｅｒｉａｌｓＥｖａｌｕａｔｉｏｎ１９９９，５７（２）：１３４１３５．　　　　　　［５］ＬａｎｇｌｏｉｓＪｏｃｅｌｙｎ．Ｕｓｅｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｒｒａｙｓｉｎｉｎｓｐｅｅ２ｔ　ｉｏｎ［Ｊ］．　　　　　　　　Ｔｈｅｅ２ＪｏｕｍａｌｏｆＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅＩｌｇ，ｗｗｗ．ｎｄＬｎｅｔ，１９９９，４　（３）．　［６］钟志民，梅德松．超声相控阵技术的发展及应用［Ｊ］．无损检测，　２００２，２４（２）：６９－７１．　［７］唐桂云等．先进复合材料的无损检测［Ｊ］．纤维复合材料，２ＯＯ６，　３（１）：３３．　　　　　　［８］蒋志峰等．复合材料孔隙含量超声检测系统的设计研究［Ｊ］．玻　　璃钢／复合材料，２００９，２０７（４）：２７－３１．　　　　　’　　　　　　’ＵＬＴＲＡＳ【ＪＩＣＰＨＡＳＥＤＡＲＲＡＹ。ＩＥＣＨ０Ｌ０ＧＹｌＴＨＥＤＥｌ＿’’　ＥＣＩＩｏＮ　　　　　　ｏＦＣｏＭ口Ｅ．ＯＳｒｒＥＭ＿ＡＴＥＲＬＳＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　—　　—　　—　　　ＬＩＨｕａｉｆｕ，ＬＩＹｅｓｈｕ，ＬＶＧｕｉｐｉｎｇ，ＴＩＡＮＫａ－ｊｉａ　　　　　　（１．ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　　２．ＢｅｉｊｉｎｇＴｉｍｅｓＴｉａｎｃｈｕａｎｇＴｅｓｔｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　’　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉ＇ｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｈａｓｅｄａｒｒａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｐｒ　　　　ｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｈａｓｅｄａｒｒａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｍｏｄｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｅｓｔｂｏｎｄｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｈａｓｅｄａｒｒａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ　　　　　　ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅｄａｒｒａｙ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ　　（上接第５８页）　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｉｍｏｆｔｈｅｒｅｓｅａ　　　　　　　　　　　ｒｃｈｉｓｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＦＲＰｒａｄｏｍｅｖｉａａｒｔｉｆ　　ｉｃｉａｌｎｅｕｒａｌ　　　　　　　　　　　ｎｅ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