[发明专利]碳纤维复合材料冲击损伤的超声导波缺陷成像方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料冲击损伤的超声导波缺陷成像方法。

二、背景技术

目前影响碳纤维增强树脂基复合材料发展的主要问题之一是损伤问题。碳纤维复合材料常以板壳形式存在于结构件中，很容易受到垂直于板面的载荷作用，由于复合材料层间强度的先天性不足，所以受到垂直板面的载荷作用时，易出现基体开裂、层间分层和纤维断裂等多种形式的损伤，使得复合材料减重效能很难得到充分发挥。本文针对航空工业中常用的碳纤维-环氧树脂复合板中的孔洞缺陷，采用超声导波方法对复合板中的孔洞缺陷进行检测。随着超声导波技术的不断发展，导波检测研究工作的重点日益从定性分析向定量分析发展，通过对缺陷类型、几何形状和几何尺寸的辨识，实现对被测对象的定量无损评估，并以此来判断缺陷的存在对被测对象的影响程度。对缺陷的精确量化是超声导波无损检测研究的主要目标。

对具有较强边界反射效应的缺陷进行超声检测时，会有明显的缺陷反射信号产生，缺陷反射回波到达的时间及幅度特征包含有缺陷的信息。因此，可通过对缺陷反射回波信号特征进行分析，反推出被测试件所含缺陷的位置、尺寸和形状等信息。

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种碳纤维复合材料冲击损伤的超声导波缺陷成像方法。

本发明的检测原理是：信号由激励传感器发出，经缺陷边界反射后到达接收传感器的传播时间，结合导波的传播速度，计算得出信号在路径上总的传播距离，从而得到缺陷位置所在椭圆。由于椭圆上任意一点到两个焦点的距离和为常数，因此缺陷一定位于激励传感器和接收传感器所处的两个位置作为焦点的椭圆上。采用两组以上不同位置测量所得缺陷所在椭圆路径信息后进行叠加，所有椭圆的公共交点即为缺陷的位置。由于缺陷反射信号是具有一定时间宽度的，所以综合利用缺陷回波幅度与传播时间的全波信息，将成像区域内所有点按照接收信号幅度赋予灰度值后叠加，使得缺陷区域的灰度值比非缺陷区域大，阈值滤波后可得到缺陷成像。

其特征在于：综合利用缺陷回波幅度与传播时间的全波信息，将成像区域内所有点按照接收信号幅度赋予灰度值后叠加，使得缺陷区域的灰度值比非缺陷区域大，阈值滤波后可得到缺陷成像。该算法仅使用6个换能器就能实现对缺陷的成像，而且应用复小波变换提高了检测精度，实现了复合板冲击损伤缺陷的准确量化检测。

本发明的优点在于：使用较少的换能器阵元个数就能实现对缺陷的成像，应用复小波变换准确提取信号的到达时间和幅值信息，作为成像算法的输入信号，提高了检测精度。

四、附图说明

图1一对探头椭圆定位示意图

图2椭圆定位成像原理图

图3换能器阵列CT检测系统原理图

图4碳纤维增强环氧树脂基复合板中超声导波传播特性图

图5换能阵列成像实验典型AB路径接收信号

图6AB路径单路信号的CT算法结果

图7所有阵元组合实验信号叠加结果

图8阈值滤波后得到的缺陷图像

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

如图5所示，设发射换能器A和接收换能器B的位置坐标分别为(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，缺陷中心点F的坐标为(x₀，y₀)，则有路径与两路信号到达的时间T₁和T₂分别为：

T₁＝L_AB/c_p                                     (1)

T₂＝L_AFB/c_p                                    (2)