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(tǒng),，闡述了系統(tǒng)超聲探頭頻率的選擇,、數(shù)據(jù)采集的硬件和軟件實現(xiàn)方法。采用該系統(tǒng)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(chǎn)生脫膠、減薄,、變質(zhì),、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(xiàn)對材料內(nèi)部缺陷的無損檢測已廣泛應用于研究機構和工業(yè)部門中[3-9],。
傳統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲和處理的功能,，可以實現(xiàn)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(jù)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(tǒng)。
1 檢測對象和系統(tǒng)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(tǒng)的功能就是實現(xiàn)對這些材料內(nèi)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(nèi)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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(tài)轉移矩陣，可以得到多層粘接結構的超聲回波的反射系數(shù)模型和透射系數(shù)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(zhì)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(shù)之間的關系，如圖1所示,。從圖中可以看出復合材料的最優(yōu)檢測頻率均為0.5 MHz及其倍頻,?？紤]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(tǒng)主要由超聲探頭,、超聲發(fā)射/接收裝置,、探測頭驅動機構、工控機等組成,，檢測系統(tǒng)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(xiàn)探頭在復合材料表面的掃查運動，同時為實現(xiàn)缺陷定位提供坐標信息,；超聲波發(fā)射/接收卡發(fā)射超聲換能器的激發(fā)脈沖信號對超聲回波進行預處理,，并通過高速采集卡實現(xiàn)回波信號的數(shù)據(jù)采樣和存儲；工控機系統(tǒng)對上述各部分實施控制,，同時對接收信號進行數(shù)字濾波,、信號處理、特征提取和測試結果顯示,，從而實現(xiàn)復合材料的超聲無損檢測,。
2 數(shù)據(jù)采集
超聲回波信息的采集利用超聲發(fā)射/接收裝置和探頭實現(xiàn)。超聲發(fā)射/接收裝置由超聲波高壓激勵電源DC 600 V,、超聲波發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)射/接收電路設計一般同步信號產(chǎn)生電路和接收放大電路，多用模擬的方法實現(xiàn),，靈敏度,、靈活性都不是很高，調(diào)試起來也不方便,。本系統(tǒng)采用以80C196MC單片機為主控元件的數(shù)字方式同步信號產(chǎn)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(diào)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(shù)據(jù)采集電路的功能是在計算機的控制下將經(jīng)調(diào)理后的超聲模擬信號轉換為數(shù)字信號,，并經(jīng)數(shù)字檢波后將轉換數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集方式和計算機讀取方式。工作于數(shù)據(jù)采集方式時,，接口電路接收到計算機發(fā)出的采集啟動命令之后,，控制電路控制數(shù)模轉換器采樣并將轉換數(shù)據(jù)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(nèi)存,，計算機可以直接讀取轉換后的數(shù)據(jù)。
基于超聲發(fā)射/接收裝置的結構,，通過VC++6.0編程開發(fā),，實現(xiàn)儀器功能。超聲信號的數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示,。整個數(shù)據(jù)處理軟件分為兩大模塊：實時數(shù)據(jù)的采集與存儲模塊,、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的采集和存儲模塊使用嵌入?yún)R編語言的C語言編制。這主要是由于嵌入?yún)R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(tǒng)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(jié)省內(nèi)存,，執(zhí)行速度快,，從而可以滿足大量數(shù)據(jù)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(jīng)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(fā)射和回波的波包,，缺陷出現(xiàn)后,，發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的誤差最大為3.6%，可以根據(jù)測得超聲信號的峰值由式(3)近似計算得到試件內(nèi)部缺陷的等效面積,。
本文根據(jù)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(tǒng)中傳感器選擇,、數(shù)據(jù)采集和軟件設計等關鍵問題進行了探討,。利用該系統(tǒng)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,。
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