一种基于线阵式步进扫查的空耦超声缺陷检测方法

本发明属于超声无损检测，特别是涉及一种基于线阵式步进扫查的空耦超声缺陷检测方法。

背景技术：

1、碳纤维复合材料具有比强度高(强度极限与相对密度的比值)、比模量高(弹性模量与相对密度的比值)、耐腐蚀、比重小等特点，在航空航天领域应用广泛。碳纤维复合材料应用于飞机可以实现高结构效率和改善飞机气动弹性与隐身等综合性能，目前空客a350中复合材料用量已接近机体总质量的53％，波音787使用的复合材料超过了50％。国产大型客机c919的用量分别也达到12％。我国第四代战斗机的各个零件设备中碳纤维复合材料所占比重就占24％左右，应用于机身和机翼的制造。然而随着使用时间的增长，飞机结构在疲劳载荷及外界环境的作用下，容易出现裂纹、铆钉松动、蒙皮鼓动等损伤。表面缺陷是复合材料中最常见的损伤类型之一。因此对复合材料的表面缺陷进行检测具有重要的意义和价值。经大量研究表明，超声检测方法是目前复合材料缺陷检测的主要检测技术，其中空气耦合换能器由于无需使用耦合剂，可实现非接触检测被广泛应用。

2、超声检测方法，尤其是基于lamb波的检测技术，由于lamb波的波长小、在高衰减比的材料中传播距离远，各种模态可以穿透复合材料板的整个厚度等优点，被应用于复合材料的缺陷检测。基于概率损伤成像算法的传统正交扫查方法由于扫查方式简单、应用于像素点成像特征信息少导致缺陷二维成像分辨率低精度差，甚至导致漏捡、误检等现象。因此本发明提出了一种基于线阵式步进扫查的空耦超声缺陷检测方法。该检测方法充分发挥空耦超声检测非接触、灵活度高的优势，有效扫查面积大，获取数据量充足，大大提高缺陷检测的分辨率与精度，同时避免了漏捡、误检。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于线阵式步进扫查的空耦超声缺陷检测方法，在实现复合材料表面缺陷表征的同时，用以解决现有检测过程中的数据收集量不足导致的检测精度低的问题。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于线阵式步进扫查的空耦超声缺陷检测方法，所述方法具体为：

3、步骤1：将空气耦合换能器放置初始位置，连接并调试设备；

4、步骤2：基于步骤1空气耦合换能器所处位置进行线阵式步进扫查复合材料；

5、步骤3：将基于步骤2检测到的回波信号进行模态分解处理；

6、步骤4：将步骤3通过模态处理的检测信号与无缺陷参考信号的瞬时能量进行特征提取和分析，并将两者互相关系数作为能量损伤因子用于表面缺陷的表征；

7、步骤5：基于步骤4的损伤指数通过概率损伤成像方法从扫查数据中获得二维图像实现碳纤维复合板表面缺陷的定性分析与定量表征。

8、进一步地，所述步骤1的设备具体包括激励空气耦合换能器、接收空气耦合换能器、碳纤维复合材料板、二维运动平台、角度调整器、信号发生器、电压放大器、前置放大器、高速采集板卡和计算机；所述激励空气耦合换能器依次与电压放大器和信号发生器相连接，所述接收空气耦合换能器依次与前置放大器、高速采集板卡、计算机相连接。

9、进一步地，所述二维运动平台的直线导轨通过固定连接器、角度调整器分别与激励空气耦合换能器和接收空气耦合换能器相连接，所述激励空气耦合换能器与接收空气耦合换能器分别设置在碳纤维复合材料板两侧，所述碳纤维复合材料板放置在第三条直线导轨上。

10、进一步地，所述步骤2包括如下步骤：

11、步骤2.1：基于步骤1激励空气耦合换能器与接收空气耦合换能器所放置的初始位置，信号发生器生成正弦脉冲信号，经电压放大器传送到激励空气耦合换能器，激励空气耦合换能器产生lamb波信号通过碳纤维复合材料板，接收空气耦合换能器接收lamb波信号，接收的lamb波信号经前置放大器后被高速采集板卡收集到计算机，完成一次回波信号采集；

12、步骤2.2：固定激励空气耦合换能器位置不动，通过二维移动平台移动接收空气耦合换能器到位置2处；

13、步骤2.3：通过角度调整器使激励空气耦合换能器与接收空气耦合换能器与该扫查位置的lamb波传播路径平行，并保持与碳纤维复合材料板夹角不变；再次完成一次回波信号采集；

14、步骤2.4：继续移动接收空气耦合换能器分别到3，4，5，……，n位置，角度调整器调节激励空气耦合换能器与接收空气耦合换能器正确角度，依次完成第3-n次回波信号采集，共采集n组回波数据；

15、步骤2.5：通过二维运动平台移动激励空气耦合换能器到位置2后位置固定不动；重复步骤2.1-2.4，共采集n组回波数据；

16、步骤2.6：当激励空气耦合换能器与接收空气耦合换能器全部在位置n时，扫查结束，整个扫查过程共采集n×n组数据。

17、进一步地，所述模态分解具体步骤分为：小波阈值去噪、经典模式分解、希尔伯特变换；希尔伯特变换后即可得到检测回波信号的瞬时能量，将检测信号与无缺陷参考信号的瞬时能量互相关系数作为概率损伤成像的概率损伤因子：

18、

19、其中edi为概率损伤指数，ediij为第i-j条路径的能量损伤因子，ρ为检测信号的瞬时能量及其相应的无缺陷信号的瞬时能量的互相关系数，x为无缺陷参考信号的瞬时能量；y为检测信号的瞬时能量；cxy为x和y的协方差；σx和σy分别是x和y的标准差。

20、进一步地，所述步骤5概率损伤成像方法为：将探头之间的监测区域划分为若干个均匀的像素点；对于某个特定路径，其周围的像素点受影响的概率与其到发射、接收探头之间的相对距离有关；根据分布函数的定义，获得任意一个像素点相对于所有扫查路径的权重因子，将所有扫查路径的概率损伤指数进行加权求和，获得该点像素点的概率损伤值，同理，可得到检测区域内每个像素点的概率损伤值，最后通过判断成像区域中像素点损伤值大的位置来判断损伤存在的位置；

21、其中，概率损伤值为：

22、

23、其中ediij为第i-j条路径的能量损伤因子；wij[rij(x,y)]为第i-j条路径的损伤权重分布函数；rij(x,y)为像素点(x,y)距离激励-传感路径距离；

24、定义损伤权重分布函数为：

25、

26、其中rij(x,y)为像素点(x,y)距离激励-传感路径距离，r为激励lamb波在扫描路径两侧能量分布宽度的1/2，在多次测量基础上，r取12mm；σ决定激励lamb波在扫描路径两侧能量衰减的速度，σ取0.3。

27、进一步地，将碳纤维复合板转换为二维坐标系，激励空气耦合换能器沿x轴由原点o向x轴正向运动，接收空气耦合换能器沿点(0,200)到点(200,200)之间往返运动接收超声回波数据；设：(xk,yk)为激励探头的坐标；(xm,ym)为接收探头的坐标，则扫查区域像素点(x,y)距离激励-传感路径距离rij(x,y)为：

28、

29、进一步地，所述扫查方法中两个空气耦合换能器每次移动距离均为0.5mm。

30、本发明的有益效果为：

31、本发明提出的线阵式步进扫查方式，较传统的正交扫查方式，能够获取更多的数据量用于概率损伤成像，避免了漏检、误检，大大提高了成像的分辨率与精度。

32、本发明采用的角度调整器，能够实时快速的调整空气耦合换能器的方向角度，为碳纤维复合材料板快速扫查提供了帮助。