水浸超聲C掃描系統(tǒng)的構(gòu)建與試驗驗證

馬蒙源，曹弘毅，姜明順，張法業(yè)，張 雷，隋青美

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，車體輕量化要求越來越高，復(fù)合材料由于具備輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點，在軌道車輛中有著廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。不同于傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料的微觀構(gòu)造是一個復(fù)雜的多相體系，因其組份的多樣性和各向異性，以及制造過程中工藝的不穩(wěn)定性，決定了不論是在材料的工藝研究階段，還是在構(gòu)件設(shè)計制造、服役使用階段，都極易產(chǎn)生缺陷或損傷[4]。在復(fù)合材料制作和固化過程中，人為因素和工藝質(zhì)量的不穩(wěn)定性使得復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量具有一定的隨機(jī)性，會產(chǎn)生一些缺陷，嚴(yán)重影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計性能。因此，對復(fù)合材料制造缺陷進(jìn)行及時準(zhǔn)確的無損檢測是評估其健康狀態(tài)、保障其安全運行的必要措施和手段。

針對復(fù)合材料常用的無損檢測方法主要有目視法、超聲波法、X射線法、光學(xué)法和聲發(fā)射法等。目視法主要用于檢測撞擊、脫粘等肉眼能夠觀測到的表面缺陷，而對于復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷無法識別，受人為因素影響很大且檢測分辨力有限；X射線法[5-7]具有成像速度快、檢測效率高、檢測結(jié)果便于保存等特點，但對檢測環(huán)境要求很高，且射線對人體有害和對復(fù)合材料內(nèi)的分層缺陷不敏感；光學(xué)法[8]可以檢測出在試樣加載條件下引起溫度變化或表面變形的缺陷，但對深處缺陷不敏感，且要面對光學(xué)激勵加載不均勻、檢測環(huán)境要求較高等問題；聲發(fā)射法[9-10]主要應(yīng)用于復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的無損檢測，對裂紋檢測靈敏度較高，但是定位精度有限，并且其對正在擴(kuò)展的缺陷靈敏度較高，這意味著檢測結(jié)果與缺陷尺寸無關(guān)，對于穩(wěn)定的缺陷檢測能力較弱；超聲波法檢測的特點是靈敏度高，對人體無害，且易于實現(xiàn)自動化，因此在復(fù)合材料無損檢測當(dāng)中應(yīng)用最為普遍[11-13]。

超聲C掃描檢測[14-16]是無損檢測領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種檢測方法，具有操作方便、結(jié)果顯示直觀、檢測精度高等優(yōu)點。自主研制的超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)可以根據(jù)工件的大小自動設(shè)計掃查路徑，實現(xiàn)自動化掃查和實時C掃描成像，準(zhǔn)確、直觀地呈現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷情況，實現(xiàn)對復(fù)合材料的無損檢測與評估，滿足對復(fù)合材料制造缺陷的檢測需求。

1 超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)分為超聲、運動控制、機(jī)械3個子系統(tǒng)。其中超聲子系統(tǒng)主要包括超聲探頭、脈沖信號源、放大器、超聲采集卡以及一些簡單的超聲信號硬件處理電路；運動控制子系統(tǒng)主要包括三維導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、運動控制器、開關(guān)電源；機(jī)械子系統(tǒng)主要包括平臺支架、水槽、超聲探頭夾具等。圖1為超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)進(jìn)行檢測時，會根據(jù)工件尺寸進(jìn)行檢測路徑規(guī)劃，上位PC機(jī)中的檢測軟件通過多線程同步控制超聲A掃描數(shù)據(jù)采集成像、掃查路徑控制、位置反饋、閘門跟蹤、超聲信號處理、C掃描成像、缺陷深度計算，確保檢測結(jié)果準(zhǔn)確實時呈現(xiàn)。同時，系統(tǒng)可以存儲原始A掃描數(shù)據(jù)信號，并隨時讀取已存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。

1.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及連接方式如圖2所示，主要包括超聲采集卡、上位PC機(jī)、三維導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、運動控制器、平臺支架、超聲探頭及夾具等。

1.2.1 超聲探頭

超聲探頭采用日本Olympus生產(chǎn)的V310-SU-F0.50IN-PTF超聲水浸探頭，探頭頻率為5 MHz，聚焦深度為12.7 mm。

1.2.2 超聲采集卡

系統(tǒng)選擇US Ultratek生產(chǎn)的USB-UT350超聲采集卡。USB-UT350超聲采集卡集超聲脈沖發(fā)生和超聲信號數(shù)字采集為一體，可通過USB2.0直接與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并提供C/C++、Visual BASIC和LabVIEW軟件開發(fā)工具包。其性能參數(shù)如表1所示。

1.2.3 三維導(dǎo)軌

三維導(dǎo)軌與步進(jìn)電機(jī)、運動控制器構(gòu)成圖1中的三維位移平臺。為保證運行的平穩(wěn)性，減小運動誤差，三維導(dǎo)軌采用龍門式設(shè)計。三維導(dǎo)軌采用東莞市奧銘機(jī)電設(shè)備有限公司的AMB45軌道模組，根據(jù)需求，設(shè)計X、Y、Z三軸行程分別為800 mm、500 mm、300 mm。

1.2.4 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)采用深圳市研控自動化科技有限公司的ESS57-P21脈沖型集成式電機(jī)，是電機(jī)與驅(qū)動一體的集成式設(shè)計，采用新一代32位DSP技術(shù)，轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000 r/min，可以智能調(diào)節(jié)電流，減少振動、噪聲和發(fā)熱，且安裝方便，占用空間小。

1.2.5 運動控制器

運動控制器采用深圳市研控自動化科技有限公司的MCN420以太網(wǎng)運動控制卡，可以實現(xiàn)高速的點位和軌跡運動控制，并提供C語言等函數(shù)庫和Windows動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，并將這些控制函數(shù)與超聲信號獲取、數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

1.2.6 平臺支架及水槽

系統(tǒng)中水槽采用較玻璃更加安全的透明亞克力材料定制而成，平臺支架由40鋁型材搭建而成。為滿足800 mm×500 mm的掃查范圍要求，水槽大小設(shè)計為870 mm×690 mm×200 mm，平臺支架內(nèi)部大小為930 mm×750 mm×350 mm。

1.3 系統(tǒng)軟件及功能實現(xiàn)

為達(dá)到復(fù)合材料制造缺陷無損檢測平臺的設(shè)計要求，系統(tǒng)軟件程序需要集控制、超聲信號存儲、缺陷實時成像于一體?；贑++語言在Win7操作系統(tǒng)、Qt5.12.2環(huán)境下開發(fā)上位機(jī)程序，實現(xiàn)超聲采集與運動控制同步進(jìn)行、超聲信號實時存儲、缺陷實時成像、缺陷深度計算、離線數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件界面

檢測軟件主要包括檢測向?qū)K、掃查路徑規(guī)劃模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊、C掃描成像模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，如圖4所示。

1.3.1 檢測軟件的多線程設(shè)計

為提高檢測軟件運行效率，將檢測過程中對每個點位的操作分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理三部分并行處理。檢測軟件設(shè)計有5個線程，其每個線程的功能如下：

(1) 線程一。在獲得數(shù)據(jù)采集信號后，將當(dāng)前位置的超聲A掃描數(shù)據(jù)采集到內(nèi)存中。

(2) 線程二。獲取到A掃描信號采集完成的信號后，將內(nèi)存中的超聲A掃描數(shù)據(jù)存儲在硬盤中。

(3) 線程三。獲取到A掃描信號采集完成的信號后，對內(nèi)存中的超聲A掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行C掃描計算和結(jié)果存儲。

(4) 線程四。依照預(yù)先規(guī)劃好的掃查路徑，監(jiān)測當(dāng)前運動步驟是否達(dá)到目的地，若達(dá)到的話開啟下一步運動。

(5) 線程五。時鐘線程，每隔一定的時間刷新C掃描圖像和主界面的顯示。

其中，線程一分別與線程二、線程三采用互斥量同步，使得線程二和線程三在使用完內(nèi)存中的A掃描數(shù)據(jù)前，線程一無法在內(nèi)存中寫入下一組A掃描數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)操作不會出現(xiàn)錯位。

1.3.2 掃查路徑規(guī)劃

為提高檢測速度，系統(tǒng)采用預(yù)掃查加重點部位精細(xì)掃查的方式。在掃查開始前，可以預(yù)先設(shè)置預(yù)掃查分辨率和精細(xì)掃查分辨率，并根據(jù)需要添加重點掃查區(qū)域坐標(biāo)。系統(tǒng)會先進(jìn)行預(yù)掃查，并根據(jù)預(yù)掃查的結(jié)果確定缺陷嫌疑區(qū)域，然后對缺陷嫌疑區(qū)域和預(yù)先設(shè)置的重點檢測區(qū)域進(jìn)行精細(xì)掃查。這種預(yù)掃查加重點部位精細(xì)掃查的方式可以兼顧檢測速度的同時獲得準(zhǔn)確的缺陷信息。掃查流程如圖5所示。

圖5 掃查流程圖

在掃查過程中，由于超聲采集卡組大脈沖重復(fù)頻率的限制，掃查速度有一個最大限值，否則掃查速度過快會產(chǎn)生部分點位數(shù)據(jù)丟失的情況。設(shè)置最大掃查速度為vm，計算公式為：

vm=Fp·n

(1)

式中：Fp——脈沖重復(fù)頻率；

n——掃查分辨率。

1.3.3 超聲信號處理與成像算法

第1步：從非缺陷區(qū)域獲取標(biāo)準(zhǔn)A掃描信號。為了減少隨機(jī)誤差的影響，信號的個數(shù)應(yīng)大于10。

第2步：根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)A掃描信號計算自相關(guān)函數(shù)，并生成自相關(guān)的參考信號。

第3步：對物體的所有區(qū)域進(jìn)行超聲掃描，獲得A掃描信號。在此期間，超聲換能器與被測物體之間的距離、超聲激勵脈沖電壓、超聲回波信號采樣率和信號增益等參數(shù)的設(shè)置應(yīng)與第1步的設(shè)置一致。

第4步：計算所有A掃描信號的自相關(guān)函數(shù)，并計算其與第2步得到的自相關(guān)的參考信號的歐式距離，設(shè)定一個合適的閾值，從而區(qū)分含缺陷信號和無缺陷信號。

第5步：根據(jù)歐氏距離生成缺陷圖像。為了提高可視性，采用偽彩色編碼將灰度圖像轉(zhuǎn)換成彩色圖像。

第6步：對于含缺陷信號，計算其自相關(guān)函數(shù)中前2個波峰的相對位置差，并將其作為缺陷位置的渡越時間(Time of Flight, TOF)，從而計算分類缺陷區(qū)域A掃描信號的缺陷深度。

2 系統(tǒng)的檢測試驗

2.1 準(zhǔn)備工作

根據(jù)上述系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和檢測軟件的設(shè)計方案，搭建了超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)(圖6)。檢測系統(tǒng)的掃查區(qū)域為800 mm×500 mm，掃查速度為40 mm/s，最大掃查分辨率為0.03 mm。

1.步進(jìn)電機(jī)；2.三維導(dǎo)軌；3.水槽；4.上位PC機(jī)；5.探頭夾具；6.超聲探頭；7.24 V電源；8.運動控制器；9.超聲采集卡。

為了驗證超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)對復(fù)合材料制造缺陷的檢測能力，設(shè)計了一種人工埋入缺陷的檢測試樣。試樣為碳纖維復(fù)合材料層壓板，其采用熱壓罐成型工藝制備，制備壓力0.6 MPa，最高溫度130 ℃，材料為東麗T300編織預(yù)浸料，采用層疊鋪層方式，層數(shù)為14層，厚2 mm。用插入3個直徑為12.7 mm的聚四氟乙烯薄膜模擬不同深度的人工分層缺陷。3個聚四氟乙烯薄膜分別插入第3層和第4層、第6層和第7層以及第9層和第10層碳纖維之間(圖7)。

圖7 碳纖維復(fù)合材料層壓板試樣

在熱壓罐成型過程中，人工缺陷的形狀、大小和深度不可避免地發(fā)生微小的變化，實際缺陷尺寸和位置不再與預(yù)期相同。因此，將相控陣超聲檢測設(shè)備的檢測結(jié)果作為對照，來驗證超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。相控陣超聲檢測設(shè)備主機(jī)型號為Olympus OmniScan MX2，選擇具有64個芯片、芯片中心間距為1 mm、中心頻率為5 MHz的5L64-NW1(Olympus)相控陣探頭。為了克服探針表面附近的盲區(qū)，選擇了高22 mm的SNW1-0L(Olympus)有機(jī)玻璃楔塊。編碼器型號為ENC1-2.5-DE(Olympus)。

2.2 檢測試驗

超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)檢測區(qū)域設(shè)為120 mm×62 mm，掃查速度設(shè)為30 mm/s，預(yù)掃查分辨率設(shè)為0.750 mm，精細(xì)掃查分辨率設(shè)為0.125 mm，無預(yù)設(shè)重點檢測區(qū)域。本系統(tǒng)預(yù)掃查耗時7 min12 s，精細(xì)掃查耗時8 min56 s，共耗時16 min8 s。若全程以0.125 mm的掃查分辨率進(jìn)行檢測，則耗時超過40 min。對比試驗結(jié)果顯示，有預(yù)掃查的檢測時間比同精度下全程掃查的縮短了60 %左右。

圖8為超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)和作為對照的相控陣超聲檢測設(shè)備對碳纖維復(fù)合材料層壓板人工缺陷試樣進(jìn)行檢測得到的C掃描圖像?？梢钥闯觯嗫仃嚦暀z測設(shè)備和本文搭建的超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)都能很好地呈現(xiàn)出缺陷形狀。

表2為2種檢測方式計算出的缺陷大小、深度結(jié)果，以及本文所搭建的超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與相控陣超聲檢測設(shè)備檢測結(jié)果的誤差。

表2 缺陷大小、深度計算結(jié)果

從表2中可以看出，本文所構(gòu)建的超聲水浸C掃描自動檢測系統(tǒng)能準(zhǔn)確計算出碳纖維復(fù)合材料制造缺陷的大小、深度，計算誤差均在3%以內(nèi)，能夠滿足應(yīng)用與軌道交通碳纖維復(fù)合材料的無損檢測需求。

3 結(jié)論與展望

(1) 采用預(yù)掃描與精細(xì)掃描相結(jié)合的方式能夠大幅提高超聲水浸C掃描檢測的速度，再結(jié)合多線程設(shè)計的檢測軟件，能大幅提高檢測效率。

(2) 基于相關(guān)技術(shù)設(shè)計的超聲信號處理、C掃描成像和缺陷定量計算算法能夠很好地適應(yīng)復(fù)合材料的無損檢測，檢測結(jié)果與相控陣超聲設(shè)備的檢測結(jié)果誤差在3%以內(nèi)。

(3) 本文所構(gòu)建的系統(tǒng)主要適用于平板復(fù)合材料的檢測，而軌道交通領(lǐng)域存在許多大型非平板的復(fù)雜構(gòu)件，系統(tǒng)難以滿足這類工件的無損檢測需求。進(jìn)一步提高檢測速度以滿足大型工件的檢測需求、改進(jìn)檢測系統(tǒng)以滿足復(fù)雜曲面工件的檢測需求是后續(xù)開展工作的2個方向。