一种厚壁复合管状结构中缺陷的超声检测方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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:
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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χΟ (η)，η=1,2, 3，4…N，其中，N为采样数，N彡2:
[0013]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 (η)，并生成小波系数幅值-时间曲线图；
[0014]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;
[0015]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；
[0016]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。
[0017]其中，在步骤4)中，信号处理具体包括以下步骤:
[0018](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xl (η)，降噪包括小波降噪和小波包降噪两种方式实现:
[0019]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xO (η)关于可加性代价函数Μ的最优小波包基Β，利用最优小波包基Β及可加性代价函数Μ，对原始信号xO (η)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xl(n)，其中，L彡3，且L为整数;
[0020]b)小波降噪:对原始信号xO (η)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xl (η)，其中，L ^ 3，且L为整数。
[0021](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χθ(η)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 ;
[0022](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xl (n)进行单频率的连续小波变换，得到最终信号数据x2 (η)，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。
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