碳纤维增强复合材料的超声无损检测

本文介绍了通过对超声信号的频谱分析,利用超声信号的频谱特征参数无损测量碳纤维增强树脂基层压板复合材料微气孔含量、纤维体积含量的新方法。     

基于超声复解析信号的碳纤维层压复合材料检测方法研究

采用超声波检测碳纤维层压复合材料时,换能器将接收到层间产生的反射信号。为了有效利用层间反射信号表征碳纤维层压复合材料内部树脂及纤维铺层的几何状态,开展基于超声复解析信号的检测方法研究。介绍超声复解析信号的基本理论,阐述其相对原始A型信号的优势;定义用于成像的复解析信号表征参量,设计基于表征参量的检测成像算法,采用简化声学模型分析碳纤维层压复合材料微观结构超声响应对表征参量的影响;针对包含冲击损伤的碳纤维增强复合材料层压板开展阵列超声检测试验,试验结果表明基于超声复解析信号的检测成像方法可清晰观测出碳纤维层压复合材料微观结构内部的纤维铺层几何形态,基于原始A型信号的检测成像方法无法有效观测,超声复解析信号具有用于表征评价复合材料脱层、褶皱等缺陷的巨大潜力。     

一种自调零平切型电涡流探头及其在碳纤维复合材料细观成像中的应用

针对碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)弱导电性和异质多相结构特点,通过设计开发高分辨率涡流线圈探头结合空频域信号处理方法,实现对碳纤维复合材料板中10-6～10-3m细观尺寸范围内的纤维分布以及纤维缺失、褶皱和空隙过大等缺陷的涡流成像.主要从线圈探头耦合特性建模仿真和图像特征参数提取两个方面对碳纤维复合材料的电涡流细观尺度成像技术进行研究,建立分离式线圈探头耦合阻抗信号模型和点扩散函数数学模型,综合考虑这两方面影响因素设计一种自调零涡流探头并确定了其结构参数.对多方向CFRP层合板进行了检测并研究了图像的特征参数提取方法,基于复平面相位旋转的方法确定每个扫描点的像素值,得到了清晰的纤维纹路分布和缺陷图像,进一步提高检测的分辨率.     

碳纤维复合材料缺陷的超声检测及材料力学性能仿真研究

碳纤维复合材料内部结构的健康程度将直接影响到零部件的整体性能.采用高频超声衰减法对碳纤维复合材料进行内部无损检测.在超声波频率为30 MHz、探头距离工件表面1 cm、等离子水介质条件下,通过超声C扫描、X扫描,分析和确定内部缺陷位置及形状,并通过剖切试样,采用光学显微形貌表征对内部缺陷进行确证.采用ABAQUS对层间...     

复合材料层压板钻孔分层激光超声检测方法

飞机复合材料结构钻孔分层的定位、定量检测是无损检测领域的难点之一,也是航空制造领域亟待解决的安全问题之一,激光超声检测技术是解决该问题的可能途径。试验验证利用激光超声检测复合材料钻孔分层的技术可行性。制备复合材料层压板钻孔试样,研究热弹性条件下脉冲激光在复合材料中产生超声波的宽频带特性,提取出满足检测灵敏度、分辨力要求并具有良好信噪比的超声信号;分析近孔边缘分层界面对声传播规律的影响,得出钻孔边缘分层缺陷的激光超声表征方法;采用脉冲反射法、透射法对复合材料钻孔试样进行激光超声C扫描检测,获得钻孔分层缺陷的形貌、尺寸和位置特征。研究结果表明,激光超声检测技术是解决飞机复合材料结构钻孔分层检测问题的有效手段。     

复合材料冲击损伤高分辨率超声成像检测与损伤行为分析

冲击损伤是复合材料结构易产生的一种危害性缺陷,针对碳纤维复合材料层压结构特点,分析脉冲超声波在复合材料中的反射特性,当能减小入射声波脉冲的时域占宽,提高其品质,可显著改善超声检测表面盲区和纵向分辨率。利用入射声波在冲击损伤区形成的反射信号及其渡越时间可确定冲击损伤的深度和大小。研究采用高分辨率脉冲超声B扫描和层深C扫描(T扫描)成像方法,可揭示复合材料内部冲击损伤及其大小与沿厚度方向的分布特征,进行复合材料冲击损伤量化评估与损伤行为可视化分析。试验结果表明,在入射脉冲单周脉冲特性条件下,当来自复合材料缺陷的回波信号的渡越时间达到入射声波脉冲时域占宽的一半左右时,即可清晰地提取到时域可分辨的缺陷回波信号,使超声检测表面盲区和纵向分辨率达到单个复合材料预浸料铺层的厚度,约0.13 mm。利用超声断面B扫描成像,可以形象地再现复合材料中冲击损伤的断面分布与扩展情况以及损伤的深度等确切信息。采用超声T扫描成像,则可以直观地再现冲击损伤在复合材料铺层方向的分布及其损伤区域(面积)等定量信息。二者的结合则为揭示复合材料冲击损伤的3D分布及其特征提供一种超声成像检测量化评估和损伤行为可视化分析方法。     

厚截面CFRP孔隙超声脉冲反射检测方法

目前对碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced plastic,简称CFRP)孔隙缺陷超声检测识别的研究主要以薄板型CFRP为对象,针对厚截面CFRP孔隙缺陷检测的需要,提出了基于超声脉冲反射背散射信号处理的孔隙缺陷识别方法。背散射信号特征分析结果表明,背散射信号由材料近表面共振结构噪声、信号指数型衰减成分、孔隙的反射和散射信号以及随机噪声组成。为得到孔隙的反射和散射信号,首先,利用提升小波变换良好的去噪能力除去背散射信号中的随机噪声;其次,设计低通滤波和自适应滤波分别除去信号中的共振结构噪声和衰减成分。对实验信号的处理结果表明,上述处理方法可以有效去除相应信号成分。在此基础上进一步提出了背散射信号幅值C扫描成像方法,将该成像方法应用于厚截面CFRP孔隙缺陷识别,可以有效识别试块中的含孔隙区域。     

机器人辅助激光超声检测系统及参量匹配方法

为解决飞行器复合材料构件的非接触、高精度无损检测问题,提出基于关节型机器人的激光超声检测系统及光声学参量匹配方法。采用有限元方法建立层状复合材料模型,计算分析材料层状各向异性导致激光超声的非对称分布、声束倾斜和畸变特征,结合实验分析得出利用激光超声表征分层的光声学参量匹配方法。在系统设计上,利用1 064 nm波长的Nd:YAG脉冲激光器激励超声波,利用基于光折变效应的双波混合干涉测量系统探测超声信号,激励和探测激光由光纤传导并投射至被检测工件表面,采用精密六轴关节型机器人作为C型扫描装置,建立系统的实验室原型,实现碳/环氧复合材料试样的C型扫描检测,得到试样中模拟缺陷的分布、形状和尺寸特征,验证了检测系统及参量匹配方法的有效性。研究结果表明,研制的机器人辅助激光超声检测系统可以实现碳/环氧复合材料内部直径1 mm以上分层的检测与成像,在飞行器复合材料构件的无损检测方面具有应用前景。     

非线性超声在金属基复合材料结构界面粘接强度评价中的应用

针对常规超声波难以对金属基复合材料结构的界面质量进行评价的问题,设计了非线性超声检测系统,利用超声波在界面上传播时微小缺陷与其相互作用产生的非线性响应信号,通过计算回波信号的超声非线性系数,就可以进行金属基复合材料结构界面弱粘接缺陷的检测,进而评价界面的粘接质量.实验结果表明超声非线性系数与界面的粘接强度之间存在一定的关系,因此,非线性超声检测方法有望用于金属基复合材料结构的无损评价.     

基于小波包变换的复合材料拉挤多腔板振动检测

复合材料拉挤多腔板在线生产时有时会产生缺陷,导致生产线故障甚至全面停车,因此需要对在线生产的复合材料进行实时无损检测.为此,采用敲击测试的方法,获取振动信号,利用小波包分析对敲击振动信号进行多层分解,分解后的频带能量作为特征向量.把经过归一化处理的特征向量用支持向量机(SVM)进行分类识别.经过实验验证,识别率达到10...     

基于小波分析的脉冲激光回波抗干扰算法研究

针对脉冲激光雷达易受自然环境干扰的问题,提出了采用小波分析的抗干扰方法,通过脉冲激光对真实目标和干扰目标的回波差异分析,采用小波分析对激光雷达回波进行处理。在此基础上建立脉冲激光雷达回波的数学模型,设计基于小波分析的抗干扰算法,通过仿真验证,该方法具有良好的抗云、雾、烟尘等自然环境干扰的性能。     

金属材料小缺陷超声反射信号建模及识别

为了能从含噪声金属材料超声检测信号中有效识别出微小缺陷回波,建立了金属材料超声反射信号模型并提出了基于相关系数的微小缺陷回波识别方法。对含微小缺陷金属材料超声脉冲反射信号的成分进行分析,建立了基于散射声场与高斯回波理论的优化超声回波模型。设计了超声缺陷回波位置识别方法。该方法对超声脉冲反射信号去噪后,取探头发射脉冲信号为参考信号;然后与去噪后的信号逐段求解相关系数;最后对该相关系数序列进行阈值化处理,获得缺陷回波在超声回波信号中的位置。将利用上述优化超声回波模型生成的超声反射信号及其频谱与实验获得的金属材料超声反射信号及其频谱进行了对比,结果表明:两者的时频域特征具有一致性。当将阈值设定为相关系数序列最大值的60%时,能够有效从超声背散射信号中识别出金属材料微小缺陷回波。     

Identification of gas-liquid two-phase flow patterns in a horizontal pipe based on ultrasonic echoes and RBF neural network

This paper proposes a novel flow pattern identification method using ultrasonic echo signals within the pipe wall. A two-dimensional acoustic pressure numerical model is established to investigate the ultrasonic pulse transmission behavior between the wall-gas and wall-liquid interface. Experiments were also carried out at a horizontal air-water two-phase flow loop to measure the ultrasonic echo pulse signals of stratified flow, slug flow, and annular flow. It is interesting to find that the attenuation of the ultrasonic pulse at the wall-liquid interface is faster than the attenuation at the wall-gas interface. An RBF neural network is constructed for online flow pattern identification. The normalized envelop area and the area ratios of the echo spectrum are selected as the input parameters. The results show that the stratified flow, slug flow, and annular flow can be identified with an accuracy of 94.0%.     

超声导波相移追踪的回波辨识方法

超声导波的多模式和频散特性使得其回波分析与定位异常复杂,在导波传播的模型解析的基础上,提出了一种基于频率相位追踪的回波辨识方法。首先,选取指定模式的直接散射信号的频域相位作为参考相位,将被分析信号各个波包的频域相位用参考相位进行归一化处理,得到各个波包相对参考波包传播距离的归一化阶次;然后,结合回波信号的传播路径分析,达到对各个波包定位辨识的目的。数值仿真和实验也验证了该方法的可行性和有效性。     

Pulse Train Microprocessor Programmer for NMR Relaxometers-Diffusiometers

A pulse train programmer for a spin–echo NMR relaxometer–diffusiometer is based on an AT89C51-24PC microcontroller. The programmer ensures the arbitrary generation of pulse trains with a minimum train step of 30 s and recording of up to 30000 10-bit amplitudes of spin–echo NMR signals with a minimum quantization step of 3 s. The all-in-one one-board programmer is connected to a computer serial asynchronous data port, which is compatible with NMR relaxometer–diffusiometers of almost any design.     

光纤色散法测量闪烁体脉冲光谱

提出了一种利用光纤波长色散测量脉冲光谱的方法.由于具有较宽光谱的脉冲光在一定长度的光纤中传播时会发生波形展宽,需要根据测量和标定结果校正展宽的波形才能得到光源的实际光谱曲线.标定时首先利用ps级脉冲光源对测量系统进行时间响应标定,得到系统的时间响应函数;接着测量不同波长光的走时,得到不同波长的群折射率;最后测量光纤中的光谱衰减,得到各种波长的相对衰减或传输效率.利用以上3个标定结果,对波形进行数字逆卷积,并进行走时校正和衰减系数校正,即可对所得到的波形进行恢复.经实验测量和数据处理,得到了一种红光闪烁体的发光光谱曲线,其中心波长与用其他方法测到的中心波长的差小于2 nm,谱线形状基本一致.研究显示,在脉冲光的脉冲宽度远小于其色散展宽时,可以利用光纤的波长色散对脉冲光的光谱进行测量.     

Instantaneous frequency estimation used for the classification of echo signals from different reflectors

A comparative analysis of the frequency parameters of echo signals from artificial reflectors of different shapes and from a natural spill-type flaw has been performed. The use of the instantaneous frequencies of ultrasonic signals that correspond to certain instants inside a pulse was suggested as an informative parameter for determining the flaw type. Instantaneous frequency is estimated based on the algorithm of the continuous wavelet transform, which increases the noise immunity of the method. It is shown that for the algorithm to be practically implemented it is appropriate to present the results in the form of dimensionless parameters, namely, normalized frequency deviations determined between the pulse center, edge, and tail. Their joint application makes it possible, in particular, to reliably distinguish echo signals that are reflected at junction flaws that rise to the surface of a test object (notches, dihedral angles, and spills of the weld joints), flat specimen surfaces, and local flaws, such as cylindrical side through holes and flat bottom drills.     

Application of Wavelet Packet Energy Spectrum to Extract the Feature of the Pulse Signal

The wavelet packet is presented as a new kind of multi-scale analysis technique followed by Wavelet analysis. The fundamental and realization arithmetic of the wavelet packet analysis method are described in this paper. A new application approach of the wavelet packed method to extract the feature of the pulse signal from energy distributing angle is expatiated. It is convenient for the microchip to process and judge by using the wavelet packet analysis method to make the pulse signals quantized and analyzed. Kinds of experiments are simulated in the lab, and the experiments prove that it is a convenient and accurate method to extract the feature of the pulse signal based on wavelet packed-energy spectrum analysis.     

Pattern recognition and signal processing of ultrasonic echo signal on two-phase flow

This paper presents a novel measurement method using ultrasonic echo signals on the flow of air–water mixtures. This method has the capability of measuring an instantaneous echo intensity profile along an ultrasonic beam, so it is expected to apply to pattern recognition of two-phase flow. Additionally, this method has an advantage compared with conventional techniques because of the clump-on type. The principle of the flow pattern recognition is based on the delay time and strength of the pulse echo. In this paper, first of all, the transmission of ultrasound through solid plates, which are made of plexiglass and carbon steel, has been investigated and the effective incidence angles for these materials were found. Then, echo signals reflected off a boundary between water and air in a vertical pipe, having a diameter of 50 mm, were obtained using an ultrasound system, and the effects estimated of a two-phase pattern, from bubbly to slug flow, on the signals. In addition, water flows down the inner surface of a pipe as annular flow, and the echo signals then also investigated.