摘 要： 針對無人機復合材料的特點設計了一個超聲檢測系統，闡述了系統超聲探頭頻率的選擇、數據采集的硬件和軟件實現方法。采用該系統對玻璃纖維復合材料進行缺陷檢測，實驗結果表明，可以通過超聲回波信號的幅值直接判斷出缺陷的尺寸。
關鍵詞： 超聲檢測；復合材料；探頭
近年來，玻璃纖維、碳纖維、卡夫隆等復合材料越來越廣泛地應用于飛機的雷達罩、垂直尾翼、襟板、副翼等結構，對材料可靠性和安全性的要求越來越高。在復合材料的制造和使用過程中，不可避免地產生脫膠、減薄、變質、分層、孔洞等各種缺陷，大大影響了結構的強度，還有可能造成災難性的后果[1-2]。利用超聲波在材料中的傳播特性實現對材料內部缺陷的無損檢測已廣泛應用于研究機構和工業部門中[3-9]。
傳統超聲檢測主要基于手工探傷，自動超聲檢測不僅減少人為誤差，而且具有數據存儲和處理的功能，可以實現自動判傷和缺陷定位。本文針對無人機機體的復合材料結構特點，根據超聲波的衰減、反射特性，研制出一種能自動檢測無人機復合材料結構缺陷的超聲檢測系統。
1 檢測對象和系統方案
檢測對象為厚度15 mm的玻璃纖維復合材料，超聲檢測系統的功能就是實現對這些材料內部結構缺陷進行無損檢測和分析。復合材料是低阻抗材料，超聲在復合材料中傳播衰減很大，要想獲得復合材料內部缺陷的信息必須保證超聲回波能足夠被探測到，而超聲傳感器的頻率選擇是聲波在層狀介質中反射和穿透能力的關鍵。頻率低，穿透能力強，但分辨率低；頻率高，波長短，方向性好，發現小信號的能力強，亦能準確判定缺陷位置。通過分析層狀結構的狀態轉移矩陣，可以得到多層粘接結構的超聲回波的反射系數模型和透射系數模型[10]。
其中R為反射回波幅度，D為透射波的幅度，Aij為各層的轉移矩陣，Zi為各層介質的聲阻抗。利用式(1)和式(2)可以得到復合材料結構超聲檢測頻率與透射系數之間的關系，如圖1所示。從圖中可以看出復合材料的最優檢測頻率均為0.5 MHz及其倍頻。考慮衰減對頻率的依賴效應，本文選擇低頻超聲雙晶縱波探頭，中心頻率為0.5 MHz，采樣頻率為80 MHz。
基于工控機的超聲檢測系統主要由超聲探頭、超聲發射/接收裝置、探測頭驅動機構、工控機等組成，檢測系統結構如圖2所示。通過單片機掃查控制電路，超聲探頭在電機控制下沿著被檢復合材料結構表面運動，同時啟動探頭的軸向和切向位移傳感器獲得超聲探頭的位移信息，并送回單片機掃查控制電路實現探頭在復合材料表面的掃查運動，同時為實現缺陷定位提供坐標信息；超聲波發射/接收卡發射超聲換能器的激發脈沖信號對超聲回波進行預處理，并通過高速采集卡實現回波信號的數據采樣和存儲；工控機系統對上述各部分實施控制，同時對接收信號進行數字濾波、信號處理、特征提取和測試結果顯示，從而實現復合材料的超聲無損檢測。
2 數據采集
超聲回波信息的采集利用超聲發射/接收裝置和探頭實現。超聲發射/接收裝置由超聲波高壓激勵電源DC 600 V、超聲波發射電路、接收電路(包括限幅保護電路、高頻程控放大電路、高速數據采集電路)、譯碼電路、同步電路組成，其結構如圖3所示。常見的脈沖超聲發射/接收電路設計一般同步信號產生電路和接收放大電路，多用模擬的方法實現，靈敏度、靈活性都不是很高，調試起來也不方便。本系統采用以80C196MC單片機為主控元件的數字方式同步信號產生電路和以AD8045運算放大器為主的放大濾波電路，硬件結構簡單，調試方便，克服了上述模擬電路的缺點，在實際應用中取得了良好的效果。
高速數據采集電路的功能是在計算機的控制下將經調理后的超聲模擬信號轉換為數字信號，并經數字檢波后將轉換數據存入高速緩存。當轉換結束后，計算機可通過PCI總線對緩存中的數據進行讀取，從而對其進行一系列的運算操作和結果顯示。該模塊主要有兩種工作方式：數據采集方式和計算機讀取方式。工作于數據采集方式時，接口電路接收到計算機發出的采集啟動命令之后，控制電路控制數模轉換器采樣并將轉換數據存入卡載高速緩存；工作于計算機讀/寫方式時，可將板載高速緩存視為計算機的擴展內存，計算機可以直接讀取轉換后的數據。
基于超聲發射/接收裝置的結構，通過VC++6.0編程開發，實現儀器功能。超聲信號的數據采集流程如圖4所示。整個數據處理軟件分為兩大模塊：實時數據的采集與存儲模塊、數據分析處理與顯示模塊。由于超聲信號頻率較高，要求的采樣頻率很高，因此實時數據的采集和存儲模塊使用嵌入匯編語言的C語言編制。這主要是由于嵌入匯編語言的C語言能充分利用機器的硬件結構特點，直接與操作系統進行接口，對輸入輸出設備直接進行操作，實時性能好，而且程序代碼短、效率高、節省內存，執行速度快，從而可以滿足大量數據的精確實時采集與存儲。
3 實驗結果
檢測玻璃纖維復合材料的信號經過去均值、歸一化后如圖5所示。無缺陷時，可以清晰地分辨超聲發射和回波的波包，缺陷出現后，發射波包和回波波包互相疊加為一個新的波包，且隨著缺陷等效直徑的增大，信號的峰值逐漸減小，具體數據見表1。
將信號的峰值關于缺陷等效面積作曲線二次擬合，如圖6所示。擬合表達式如下：
y=-9.1×10-7x2+1.6×10-4x+0.54 (3)
其中，x為缺陷等效面積，單位為mm2；y為信號歸一化后的峰值。
擬合曲線與原始數據的誤差最大為3.6%，可以根據測得超聲信號的峰值由式(3)近似計算得到試件內部缺陷的等效面積。
本文根據超聲檢測信號的特點，結合實際檢測對象，對無人機復合材料超聲檢測系統中傳感器選擇、數據采集和軟件設計等關鍵問題進行了探討。利用該系統對不同面積缺陷的玻璃纖維復合材料進行檢測實驗，實驗結果表明，隨著缺陷面積的增大，回波信號的峰值逐漸減小，可以通過信號的時域峰值直接判斷出缺陷的尺寸。
參考文獻
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