一种厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法

摘要

本发明公开了一种厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法。本发明的超声检测方法采用先得到原始信号数据，通过降噪、快速傅里叶变换、连续小波变换等信号处理方法获得最终信号数据，并生成小波系数幅值-时间曲线图，根据生成的小波系数幅值-时间曲线图，提取出复合材料层内部损伤、复合材料层与金属层界面脱粘的位置及大小，并计算得到金属层厚度的分布；本发明可以用于由复合材料与金属组成的管状结构的多种缺陷的检测，并利用响应的信号处理技术进行损伤定位及大小评估，可实现整体结构性能的定量化分析；本发明的超声检测方法精度较高，无需基准信号，简单易行且可用于现场检测。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法。

背景技术

复合材料以其强度高，刚度高，抗疲劳性能好等优良性能广泛应用于航空航天、国防、 工业等各个领域中，而复合管状结构作为其基本的结构方式也得到了长足的发展。以金属为 内衬的厚壁复合管状结构综合了全复合材料管状结构性能好及金属气瓶成本低的优点，逐渐 成为了气瓶、管道、油罐等设备的主要实现方式。但是由于此结构的制造过程复杂及使用周 期长，因此结构内部会存在复合材料内部损伤、复合材料层与钢层脱粘、金属腐蚀等多种缺 陷。如何准确、高效地实现厚壁复合管状结构的无损检测，成为了一个很具挑战性的问题。 这不仅关系到设备本身性能的评估，更关系到国家财产与人身安全。

目前，常用的无损检测主要有超声检测法、X射线检验法、涡流检测法、微波检测法、 声发射检测法等。超声检测法可以检测复合材料构件的分层、孔隙、裂纹和夹杂物。无论对 于小而薄的板，还是大型构件都可以采用脉冲反射或透射进行检测。X射线方法检测分层缺 陷很困难，一般只有当裂纹平面与射线束大致平行时方能检出，所以该法通常只能检测与试 样表面垂直的裂纹。该方法可与超声检测法互补，但是对人体有害。涡流检测法只适用于导 电材料及近表面缺陷的检测，且其容易受到环境中电磁信号的干扰。热成像法仅仅适用于厚 度较薄的复合材料，并且要求工件表层有较好的热吸收率。声发射法可以用于加载过程中产 生缺陷扩展的动态测量，但其信号依赖于缺陷本身，无法通过外部的声源提高信号敏感度， 较易受到噪声或者假缺陷干扰。

20世纪70年代，超声检测法开始被引入复合材料层合板的无损检测问题中。20世纪 90年代，超声脉冲斜波入射的方法在复合材料无损检测领域内广泛应用，与此同时，有学者 尝试应用超声扫描方法，并结合匹配算法和数据库技术建立复合材料损伤的三维显示系统。 近年来，复合材料的超声无损检测发展迅速而且日臻成熟。Rokhlin等人在垂直于和平行于纤 维方向的平面内，通过测量超声波纵波、横波相速度与波束入射角度的关系，计算出纤维基 体复合材料的模量，并以此确定纤维基体层间损伤。Pagodinas等人研究了纤维增强复合材料 的超声无损检测技术，指出由于复合材料缺陷的多样性，检测信号分析应结合合适的信号处 理技术，同时提出了信号滤波、调整换能器阻尼、脉冲整形和平滑、控制信号幅值四种常用 的信号处理办法。他分析复合材料无损检测中亟待解决的问题分别为区分结构噪声下缺陷的 回波信号，不规则材料下超声回波信号的建模，多个回波信号情况下分辨率的提高，非均质 材料中缺陷位置的确定。2000年，Aymerich提出了基于超声检测复合材料结构中基体缺陷 的检测问题，分析指出通过传统的脉冲垂直入射回波和脉冲斜入射回波进行检测可以分别检 测出复合材料和基体中缺陷。但是缺陷仅局限于平行于层合板平面的复合材料缺陷和平行于 复合材料纤维方向的基体缺陷。目前为止，超声检测技术的发展多局限于简单的全复合材料 结构中损伤的大小、位置判断及其作用机理的研究中。

国内对复合材料超声无损检测的研究正处于刚起步的阶段，研究热点主要集中在复合材 料板壳结构中损伤的识别、定位、评估、重构等方面，建模方法、实验手段、设备制造等方 面都有十足的进步。但尚有一些不足，主要体现在:1)研究对象仅是全复合材料的简单的小型 结构；3)研究问题主要集中在单一缺陷的检测方法上，未考虑结构中缺陷的多样性；2)检测 方法多在实验条件下进行，鲜有可行的现场实时监测技术；4)缺陷判断需要完好信号作为基 准。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种厚壁复合管状结构的超声检测方法； 本发明的方法可以用于复合材料与金属组成的管状结构的多种缺陷的检测，并利用响应的信 号处理技术进行损伤定位及大小评估，可实现整体结构性能的定量化分析，检测方法精度较 高，无需基准信号，简单易行且可用于现场检测。

本发明的目的在于提出一种厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法。

本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测装置包括：超声纵波探头、超声脉冲发生/ 接收器、数字示波器和计算机；其中，耦合剂均匀涂抹在待测结构的外表面；超声纵波探头 垂直压在涂有耦合剂的待测结构的表面；超声脉冲发生/接收器发射超声波作为入射波至待测 结构，经待测结构反射后的反射波由超声纵波探头接收；接收的反射波经超声脉冲发生/接收 器将声波信号转换成数字信号后，传输至数字示波器显示，并同时将数字信号传输至计算机。

本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法，包括以下步骤：

1)参数设置：依次连接超声纵波探头、超声脉冲发生/接收器、数字示波器和计算机； 选择超声脉冲发生/接收器的模式为反射模式，设置通带范围和增益，打开示波器， 设置入射波、反射波通道及触发方式，打开计算机中的波形数据采集软件；

2)信号测试及参数调整：在待测结构的外表面均匀涂抹耦合剂，将超声纵波探头垂直 压在涂有耦合剂的待测结构的表面，微调超声纵波探头的位置，使其与耦合剂接触 良好；超声脉冲发生/接收器发射超声波作为入射波至待测结构，经待测结构反射后 的反射波由超声纵波探头接收，经超声脉冲发生/接收器将声波信号转换成数字信号 后，传输至数字示波器显示，观察数字示波器，调整超声脉冲发生/接收器的增益及 示波器的时间分辨率及幅值，使反射波的信号最佳，调整完成后，所有超声脉冲发 生/接收器和示波器的参数设置在整个待测结构的检测过程中均应保持不变；

3)得到原始信号数据：保存接收到的反射波的数据，形成原始信号数据x0(n)， n＝1,2,3,4…N，其中，N为采样数，N≥2：

4)信号处理：将原始信号经过降噪、快速傅里叶变换FFT、连续小波变换CWT的信号 处理后，获得最终信号数据x2(n)，并生成小波系数幅值-时间曲线图；

5)缺陷评估及金属层测厚：根据生成的小波系数幅值-时间曲线图，提取出复合材料层 内部损伤、复合材料层与金属层界面脱粘的位置及大小，并计算得到金属层厚度的 分布；

6)结构的C扫描：检测过程中按照顺序逐点移动超声波纵波探头，使测点均布在待测 结构的表面，在每个测点处，重复步骤3)～5)，得到各个测点对应的复合材料层内 部损伤、复合材料层-金属层界面脱粘、金属层的厚度的量化后的信息；

7)将所有测点的信息按照其坐标排列，生成整个待测结构的复合材料层内部损伤、复 合材料层-金属层界面脱粘、金属层厚度的分布云图。

其中，在步骤4)中，信号处理具体包括以下步骤：

(1)降噪：对原始信号数据进行降噪处理，得到降噪后的信号数据x1(n)，降噪包括小 波降噪和小波包降噪两种方式实现：

a)小波包降噪：选择能测得集中度的可加性代价函数M，通过最优基选择方法，搜索 原始信号数据x0(n)关于可加性代价函数M的最优小波包基B，利用最优小波包基B 及可加性代价函数M，对原始信号x0(n)进行L层的小波包分解，得到小波包分解系 数，对每一个小波包分解系数，采用预先设定的降噪阈值THR进行阈值量化，得到 量化处理的系数，根据最底层的小波包分解系数和量化处理的系数，重构小波包， 从而得到降噪后的信号数据x1(n)，其中，L≥3，且L为整数；

b)小波降噪：对原始信号x0(n)进行L层的小波分解，得到各个分解尺度下的底层低频 系数和高层高频系数，对各个分解尺度下的高层高频系数，采用预先设定的降噪阈 值THR进行软阈值量化，得到量化处理的高层高频系数，根据小波分解的底层低频 系数和量化处理的各高层高频系数，重构小波包，从而得到降噪后的信号数据x1(n)， 其中，L≥3，且L为整数。

(2)快速傅里叶变换提取原始信号中心频率：计算原始信号数据的采样频率Fs及信号 的频率范围F，对原始信号数据x0(n)进行快速傅里叶变换，根据计算变换后的幅值，以 频率范围F为横坐标画出频谱图，根据频谱图估计原始信号的中心频率f；

(3)连续小波变换：根据得到的中心频率f，选取尺度因子a，a＝Fs/f，并根据时频分辨 率特性选择小波函数，对降噪后的信号x1(n)进行单频率的连续小波变换，得到最终信 号数据x2(n)，并生成小波系数幅值-时间曲线图，其中，曲线图中的小波系数的峰值时 刻就表示频率为f的波组分的峰值时刻。

在步骤5)中，具体的评估方法如下：

(1)根据生成的小波系数幅值-时间曲线图以及材料的波速，得到三个时间区间，分别 为入射峰时间区间[t11,t12]、复合材料层-金属层界面反射峰时间区间[t21,t22]及金属层后 表面第一反射峰时间区间[t31,t32]，寻找三个时间区间内各自的峰值时刻t1、t2和t3及 其幅值大小P1、P2和P3，幅值大小即小波系数值；

(2)复合材料层内部损伤的位置及大小评估：计算入射峰时间区间[t11,t12]与复合材料 层-金属层界面反射峰时间区间[t21,t22]内各波峰及波谷的幅值，计算相邻波峰与波谷间 的垂直距离，取绝对值Q，与预先设定的损伤阈值Pc(应大于三倍的噪声信号幅值)进行 比较，当Q>Pc时，相应的波峰为损伤的反射波峰；当Q≤Pc时，相应的波峰为噪声信 号，通过峰值大小及峰值时刻，并结合材料中的波速，计算出各个损伤的大小及其深度；

(3)复合材料层与金属层界面脱粘的位置及大小评估：计算反射峰比值R＝P3/P2，与预 先设定的脱粘阈值Pd(应大于三倍的噪声信号幅值)进行比较，当R≤Pd时，复合材料层- 金属层界面为完好粘接，当R>Pd时，复合材料层-金属层界面出现脱粘，R越大脱粘面 积越大，通过计算R的大小即可估算出脱粘面积的大小，由于脱粘的位置固定不变，根 据金属层的厚度及金属中波速计算得到脱粘的位置；

(4)金属层的厚度测定：计算波峰P3与P2的时间间隔Δt＝t3-t2，结合金属中波速的大 小，得出金属层厚度，若超声波在金属层内多次反射，则通过金属层后表面的多次反射 波峰时刻计算金属层的厚度。

本发明的优点

本发明先得到原始信号数据，通过降噪、快速傅里叶变换、连续小波变换等信号处理方 法获得最终信号数据，并生成小波系数幅值-时间曲线图，根据生成的小波系数幅值-时间曲 线图，提取出复合材料层内部损伤、复合材料层与金属层界面脱粘的位置及大小，并计算得 到金属层厚度的分布；本发明可以用于由复合材料与金属组成的管状结构的多种缺陷的检测， 并利用响应的信号处理技术进行损伤定位及大小评估，可实现整体结构性能的定量化分析； 检测方法精度较高，无需基准信号，简单易行且可用于现场检测。

附图说明

图1为本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测装置的示意图；

图2为根据本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法得到的信号处理图，其中，(a) 为原始信号数据图，(b)为降噪后的信号数据图，(c)为快速傅里叶变换后得到的频谱图， (d)为小波系数幅值-时间曲线图；

图3为根据本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法进行复合材料层内部损伤评估 示意图；

图4为根据本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法进行复合材料层-钢层界面脱粘 评估示意图；

图5为根据本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法进行C扫描方式示意图；

图6为根据本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法得到的待测结构的复合材料层 内部损伤情况云图；

图7为本发明的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测装置包括：超声纵波探头 2、超声脉冲发生/接收器3、数字示波器4和计算机5；其中，耦合剂14均匀涂抹在待测结 构的外表面；超声纵波探头垂直压在涂有耦合剂的待测结构的表面；超声脉冲发生/接收器发 射超声波作为入射波至待测结构1，经待测结构反射后的反射波由超声纵波探头接收；接收 的反射波经超声脉冲发生/接收器将声波信号转换成数字信号后，传输至数字示波器显示，传 输至数字示波器显示，并同时将数字信号传输至计算机。

待测结构1为厚壁钢内衬碳纤维复合管状结构，是由多层角铺设碳纤维复合材料11缠绕 厚壁钢管12制造而成。为了更有力地说明发明的可行性，最外层粘了一层吸波效果很好的薄 涂层13。

本实施例的厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法，如图7所示，包括以下步骤：

1)参数设置：超声纵波探头2与超声脉冲发生/接收器3的信号输入端36相连接，超声 脉冲发生/接收器3的信号输出端34连接至示波器的反射波通道42，超声脉冲发生/ 接收器3的触发信号端35连接至示波器4的触发通道41，示波器4的输出信号端 43连接至计算机5；模式设定按钮31设置超声脉冲发生/接收器的模式为反射模式， 增益设定按钮32设置最大增益为10，通带范围设定按钮33设置通带范围为 1～10MHZ，打开示波器4，设置入射波、反射波通道及触发方式，打开计算机中的 波形数据采集软件。

2)信号测试及参数调整：在待测结构的外表面均匀涂抹耦合剂14，将5MHz超声纵波 探头2垂直压在涂有耦合剂的待测结构1的表面，微调超声纵波探头的位置，使其 与耦合剂接触良好；超声脉冲发生/接收器3发射超声波作为入射波至待测结构，经 待测结构反射后的反射波由超声纵波探头接收；接收的反射波经超声脉冲发生/接收 器将声波信号转换成数字信号后，传输至数字示波器显示，观察数字示波器，调整 超声脉冲发生/接收器的增益及示波器的时间分辨率及幅值，使反射波的信号最佳， 此时增益10为60DB，调整完成后，所有超声脉冲发生/接收器和示波器的参数设置 在整个待测结构的检测过程中均应保持不变；

3)得到原始信号数据：保存接收到的反射波的数据，形成原始信号数据x0(n)， n＝1,2,3,4…N，其中，N为采样数，如图2(a)所示：

4)信号处理：

(1)小波包降噪：通过最优基选择方法，搜索原始信号数据x0(n)关于可加性代价函数 M的最优小波包基B，可加性代价函数M选择为香农(Shannon)熵函数，利用小波函 数db6及香农(Shannon)熵函数，对原始信号x0(n)进行6层的小波包分解，得到小波 包分解系数，对每一个小波包分解系数，利用启发式阈值选择进行阈值量化，得到量化 处理的系数，根据最底层的小波包分解系数和量化处理的系数，重构小波包，从而得到 降噪后的信号数据x1(n)，如图2(b)所示；

(2)快速傅里叶变换提取原始信号中心频率：计算原始信号数据的采样频率Fs及信号 的频率范围F，计算信号的频率范围F＝[0:N-1])*Fs/N，对原始信号数据x0(n)进行快速傅 里叶变换，根据计算变换后的幅值，以频率范围F为横坐标画出频谱图，如图2(c)所 示，根据频谱图估计原始信号的中心频率f；

(3)连续小波变换：根据得到的中心频率f，选取尺度因子a＝Fs/f，以及选择小波函数为 Morlet小波，对降噪后的信号数据x1(n)进行单频率的连续小波变换，得到最终信号数据 x2(n)，并生成小波系数幅值-时间曲线图，如图2(d)所示，其中，曲线图中的小波系 数的峰值时刻就表示频率为f的波组分的峰值时刻。

5)缺陷评估及钢层测厚：

(1)根据生成的小波系数幅值-时间曲线图以及材料的波速，得到三个时间区间，分别为 入射峰时间区间[t11,t12]、复合材料层-钢层界面反射峰时间区间[t21,t22]及钢层后表面第 一反射峰时间区间[t31,t32]，寻找三个时间区间内各自的峰值时刻t1、t2和t3及其幅值 大小P1、P2和P3，即小波系数值；

(2)复合材料层内部损伤的位置及大小评估：计算入射峰时间区间[t11,t12]与复合材料 层-钢层界面反射峰时间区间[t21,t22]内各波峰及波谷的幅值，计算相邻波峰与波谷间的 垂直距离，取绝对值Q，与预先设定的损伤阈值Pc(应大于三倍的噪声信号幅值)进行比 较，当Q>Pc时，相应的波峰为损伤的反射波峰；当Q≤Pc时，相应的波峰为噪声信号， 通过峰值大小及峰值时刻，并结合材料中的波速，计算出各个损伤的大小及其深度，图 3为该待测结构1中碳纤维复合材料层11内存在7mm深度损伤时的典型信号，为了更 加形象地说明，图3中将其与无损伤的信号进行了对比；

(3)复合材料层与钢层界面脱粘的位置及大小评估：计算反射峰比值R＝P3/P2，与预先 设定的脱粘阈值Pd(应大于三倍的噪声信号幅值)进行比较，当R≤Pd时，复合材料层-钢 层界面为完好粘接，当R>Pd时，复合材料层-钢层界面出现脱粘，通过计算R的大小即 可估算出脱粘面积的大小，由于脱粘的位置固定不变，根据钢层的厚度及钢中波速计算 得到脱粘的位置，图4为界面脱粘时的典型信号，为了更加形象地说明，图4中将其与 界面完好的信号进行了对比；

(4)钢层的厚度测定：计算波峰P3与P2的时间间隔Δt＝t3-t2，结合钢中波速的大小， 得出钢层厚度d_s＝C_s×Δt，从图5中可以看出，超声波在钢内有多次反射，也可通过钢后 表面的多次反射波峰时刻计算钢层厚度d_s。另外，如图5所示在，在本实施例中，还可 以用相同的方法计算薄涂层13中的厚度分布d_c。

6)结构的C扫描：如图6所示对对待测结构1进行C扫描，检测顺序如下：首先，将 整个待测结构的侧面区域划分，沿圆周分别为A～O共15份，沿轴向分为3份，共 划分成15×3块，检测过程中，以2×3块为一个区域，以为A1、A2、A3、B1、B2 和B3的区域为例，在区域内，每块内均匀分布4×4个测点1～4，在每个测点处，重 复步骤3)～5)进行检测，并通过U形扫描方式进行扫描。整个区域完成后，将待 测结构转动一定角度，检测下个区域，以此类推，直到检测完成；

7)将所有测点信息按照其坐标排列，生成整个结构的复合材料层内部损伤、复合材料 层-钢界面脱粘、钢层厚度的分布云图。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术 人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可 能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书 界定的范围为准。