用于碳纤维复合材料孔隙率检测的便携式超声仪器研制

近年来,碳纤维复合材料由于具有优良的综合性能而被广泛的应用于机械、电子、纺织、航空航天等领域。但在制造的过程中由于理论不完善和工艺等原因,复合材料的内部几乎不可避免的会形成孔隙、夹杂、基体开裂、分层等缺陷,其中孔隙是复合材料中最常见的缺陷,绝对没有孔隙的复合材料构件是不存在的。研究表明,如果复合材料的孔隙率增加到一定程度,材料就会由于强度的急剧下降而失效[1 4]。当前,国内对于碳纤维复合材料板的检测一般采用抽样然后做酸吸收实验或显微照相的方法,但是这2种方法均属于破坏性实验,这样就会浪费大量的材料,同时也会由于抽样的随机性和同一批材料的巨大差异而导致实验结果不准确。因此,研制能够用于现场快速检测碳纤维复合材料孔隙率的智能仪器就显示出无比的重要性。文中针对航空领域专用的碳纤维复合材料板材,基于超声波的声衰减模型,开发出了一种能够快速、准确地检测孔隙率的便携式智能仪器。

2　检测原理与硬件结构

2.1　检测基本原理

超声波在传播的过程中会发生衰减,其衰减用衰减系数α表示。如果初始声压为P0,传播一段距离X后声压为P1,则有下式成立[5]:

如果X的单位为mm,则α的单位为dB/mm。若仅考虑孔隙缺陷,则碳纤维复合材料的体积孔隙率Pv与超声波底面波和表面波的衰减系数αT之间有下面的近似关系式成立[6]:

式中:C0、C1、C2为依赖于频率的常数。所以在探头频率已经选定的情况下,对于相同的碳纤维复合材料,如果通过实验测定出某些试块的衰减系数和孔隙率,就可以标定出C0、C1、C2的值,最后可以解出复合材料的体积孔隙率为:

因此当超声波探头在复合材料板上进行移动扫描时(如图1所示),可以根据采集到的表面波和底面波的幅值计算出各个点位的衰减系数,进而得出复合材料的孔隙率。

2.2　硬件系统结构

系统硬件主要包括笔记本计算机、扩展箱、高速超声波数据采集卡(PCI)、超声波探头、位置传感器、手持架等。其中位置传感器是由2个USB接口的鼠标通过驱动程序的二次开发改制而成,位置传感器和超声波探头固定在手持架上。采用笔记本电脑是为了保证仪器的便携性,使用扩展箱是为超声波数据采集卡提供PCI插槽接口,系统体系结构如图2所示。

检测过程为:手拿着手持架在碳纤维复合材料板上移动扫描,手持架上的超声波探头将向复合材料板发射一定频率的超声波声压信号,声压信号分别由材料的上表面和下表面反射回来并被探头接收并转化为电压信号,电压信号经数据采集卡进行放大、整形、滤波、A/D转换等处理后通过扩展箱送到笔记本电脑。与此同时,手持架上的位置传感器将探头在复合材料板上的位置信息通过USB接口送入笔记本电脑,在笔记本电脑中用软件对各个点位的信号进行分析、处理并提取出表面波信号和底面波信号,由表面波和底面波之间的采样点数可得出复合材料板在相应点的厚度,这样就可计算出各点的衰减系数,根据衰减系数即可得出材料各点的孔隙率,将各点的孔隙率取平均值即可得到整块板或某扫描区域的平均孔隙率。

       3　软件设计

由于仪器的设计要求为便携式系统,所以硬件结构相对来讲比较简单。但系统的功能需求又比较强大,所以软件设计工作为仪器研制的主要工作。软件开发工具使用VC++,以菜单和工具栏的形式提供标准的Windows操作界面。

3.1　软件需求分析

系统软件功能需求比较多,现选择其主要功能进行分析:

(1)实现复合材料孔隙率数值实时显示和C扫描成像功能;系统采用不同的色度值表示图像中各点孔隙率的大小,用调色板文件来调节C扫描图像的显示。

(2)实现孔隙率分布的图表分析功能;这里用直方图的方式显示材料中不同的孔隙率所占的百分比。

(3)实现检测报告的生成和打印功能。采用数据库管理检测工作信息,将有关的数据和图像转化为word格式的报表,可以很方便的保存或打印。

3.2　软件体系设计

软件体系采取模块化设计,根据功能需求分成4个模块:用户管理、系统设置、数据采集与处理和新材料检测模块。用户管理模块保证了系统的保密和安全性,它负责完成系统登陆密码验证、添加用户、删除用户、修改密码等功能。系统设置模块主要用于设定探头频率、触发延迟、增益等检测参数,这样可以适应不同的现场检测要求。数据采集与处理模块是软件的核心模块,它完成超声波信号和位置信息的采集、分析、图像显示等功能。材料检测模块是为了使软件能够检测没有标定过的新型碳纤维复合材料而增加的模块,这需要先对新材料进行预扫描,然后用预扫描采集到的数据来标定新材料并产生新的计算公式。这样就可以对这种新材料进行孔隙率检测了。图3是整个软件系统的模块结构和功能图。

4　检测实例

现使用系统对一碳纤维复合材料板中尺寸为10cm×10cm的区域进行孔隙率检测,图4是材料的超声波C扫描图像,其中色度比较深的地方是孔隙率较大的区域,从图中可以很清楚的看到材料右边区域的孔隙率要大大高于左边区域,并且可以得知孔隙的大致分布情况。

图5所示为检测所得孔隙率分布的直方图,由图可知材料孔隙率范围在0.75%～1.0%和1.13%～1.38%之间所占的百分比较大。在形成的报表中,此材料板的平均孔隙率为1.2%。

5　结束语

课题通过大量的实验,标定了碳纤维复合材料孔隙率和超声波信号衰减之间的关系式,采用先进的超声波检测技术,研制出了用于碳纤维复合材料孔隙率检测的便携式超声系统。该系统集超声波探伤、传感技术、信号采集、处理、显示于一体,能够实时显示材料的孔隙率和相应的位置,同时实现材料的超声波C扫描显示,能够对材料的孔隙率的分布进行分析,最后形成报表。仪器轻便、快捷,非常适合现场使用。