一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法技术

本发明专利技术属于无损检测技术领域，涉及一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法。本发明专利技术方法基于超声反射原理，通过选用超声反射镜阵列线性扫面阵列换能器构建了一种快速超声扫描可视化成像方法，实现了复合材料结构筋条区不同部位的快速超声扫描可视化成像检测，通过选择不同扫查方式和入射方向及阵列换能器，实现不同复合材料结构筋条区的超声可视化成像检测。实际检测效果表明，明显提高了超声对复合材料结构筋条区不同部位检测的可视化程度和缺陷检出率及检测效率，可检测出复合材料结构筋条区不同部位中Ф3mm的分层，可视化成像质量非常清晰，取得了很好的实际检测效果。

Ultrasonic visual imaging method for detecting composite structure bar region

The invention belongs to the technical field of nondestructive testing, and relates to an ultrasonic visual imaging method for detecting the structural rib region of a composite material. The method is based on the principle of ultrasonic reflection, through the selection of the ultrasonic scanning mirror array linear array transducer to construct a fast visualization of ultrasound scanning imaging method, to achieve a rapid visualization of ultrasound scanning imaging in different parts of composite structure reinforcement area detection, through the selection of different scanning mode and incident direction and array transducer, ultrasound the structure of reinforced composite materials of different visual imaging region detection. Show that the detection effect, can significantly improve the degree of visualization and defects of different parts of the testing of composite rib zone ultrasonic detection rate and detection efficiency, can detect the layered composite structure reinforcement area in different parts with 3mm, visual image quality is very clear, achieves good detection effect.

【技术实现步骤摘要】
一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法
本专利技术属于无损检测
，涉及一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法。
技术介绍
各种复合材料加强筋条是复合材料承力结构的重要组成部分，其在复合材料结构中起到载荷传递和承力作用，这种复合材料结构形式目前已在航空航天、交通等工业领域应用广泛。通常需要对复合材料筋条结构部位进行可靠地无损检测。目前是基于超声方法进行复合材料筋条结构部位的无损检测：一种是采用手工超声扫描方法，利用超声A-显示信号进行缺陷判别，其主要不足是，(1)点扫描，检测效率低、易漏检；(2)检测结果不能可视化成像，容易引起缺陷误判；(3)难以实时进行被检测筋条区全局显示；(4)缺陷判别易受检测人员主观因素影响。为了改善其不足，另一种检测方法是，通过设计一些专门的超声自动扫描检测系统，实现复合材料筋条结构部位的扫描成像检测，其主要不足是，(1)成本非常高、技术难度大，需要根据不同的复合材料筋条结构部位的几何特点，设计不同的扫描检测系统；(2)因自动扫描机构复杂和场地环境条件的限制，实现起来较困难；(3)对检测场地要求高，需要占用较大的专用检测场地；(4)检测结果的核实实时性不好。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对复合材料筋条区结构部位，提出一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，实现复合材料筋条区结构部位的超声可视化检测，提高超声对复合材料筋条区结构部位检测的可视化程度和实时性与检测效率，进而提高缺陷的检出能力和检测的可靠性，改进复合材料筋条区结构部位的可检性。本专利技术的技术解决方案是，一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，由用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器、超声阵列单元、信号处理单元和成像单元组成，在超声阵列单元激励超声阵列换能器发射超声波信号，此超声波信号经过通过耦合介质传播到被检测复合材料结构筋条区内部，并在被检测复合材料结构筋条区内部形成反射超声波信号，此超声波信号被超声阵列换能器接收，并经超声阵列单元预处理后，由信号处理单元进行数字化，再由成像单元按照所建立的显示模型进行成像，(1)检测部位将被检测复合材料结构筋条区分为以下几个检测部位：4)筋条区的右侧底边部位；5)筋条区的左侧底边部位；6)筋条区的立边部位；(2)入射方向选择选择从筋条区的右侧底边和左侧底边及立边方向作为入射方向进行超声可视化成像检测：d)入射方向①：适用于筋条区的右侧底边部位及对应的蒙皮区部位的超声可视化成像检测；e)入射方向②：适用于筋条区的左侧底边部及对应的蒙皮区部位的超声可视化成像检测；f)入射方向③：适用于筋条区的立边部位的超声可视化成像检测；(3)超声阵列换能器的选择1)类型选择选择用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器，对被检测复合材料结构筋条区的左侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮区部位、筋条区的立边部位进行检测，用于复合材料结构筋条区的超声阵列换能器主要包括超声反射镜、超声透射镜、压电晶元阵列、匹配层、阻尼块、外壳、连接座，其中，外壳为一长方体，在此长方体内部为贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧有用于锁紧超声反射镜的小凸台及贯通孔，压电晶元阵列由N个压电晶元组成，N为压电晶元阵列的压电晶元数，压电晶元阵列的大小与匹配层的大小匹配，匹配层和阻尼块的大小与外壳贯通内长方孔匹配，按照阻尼块+压电晶元阵列+匹配层的组合关系封装在外壳的内部，超声透射镜为一矩形45°透声斜契，相对于45°斜切面的一端平面与匹配层保持声学耦合，利用螺母穿过外壳中的固定用的贯通孔与超声透射镜中两个配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，相对于超声透射镜中的45°斜切面的另一端平面，即入射面与被检测复合材料结构筋条区中的右侧底边部位或左侧底边部位或立边部位表面保持接触或非接触声学耦合，超声反射镜为一矩形45°反声斜契，此矩形45°反声斜契中的45°斜切面与超声透射镜中45°的斜切面方向、大小位置比配，并彼此保持声学耦合，利用螺母穿过超声透射镜中的固定用的贯通孔与超声反射镜中配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，2)阵列声源的构成根据被检测复合材料结构筋条区检测部位的几何特征，选择超声阵列换能器，构成阵列声源这里，i＝1,2,...,N，Si为第i个晶元wi对应的声束作用面积，通过对筋条区的右侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的左侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的立边部位进行声波覆盖入射，从而在被检测复合材料结构筋条区内部形成入射超声波阵列声束，且N由式(1)确定和选择：这里，wi——为单个压电晶元的宽度，对于筋条区的底边部位的超声检测，Hj取筋条的右侧底边部位的宽度H1和筋条的左侧底边部位的宽度H2的最大值，即Hj＝max{H1,H2}，且不大于80mm，对于筋条区的立边部位的检测，Hj取筋条区的立边部位的宽度H3的高度最大值，且不大于80mm，实际检测时，使每一个压电晶元对应一个声束进行扫描，或通过电子延时合成的方法，将N个压电晶元进行组合，合成阵列扫描声束，对复合材料结构筋条区的左侧底边部位、右侧底边部位和立边部位的覆盖扫查检测。3)的频率选择根据被检测复合材料筋条区的检测要求和材料工艺及其结构厚度，选择超声阵列换能器的频率f；(4)扫查方法选择与超声阵列换能器中的晶元的线性排列方向垂直的方向，即复合材料筋条区的长度方向，作为扫查方向，步进方向与扫查方向垂直，通过手动或者自动扫查机构移动超声阵列换能器对被检测复合材料结构筋条区的左侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的右侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的立边部位进行扫查检测，(5)成像方法通过信号处理单元将来自超声阵列换能器和超声单元的超声信号进行数字化处理，按照式(2)转换为数字成像信号Pi(xi,yi,ci)，在显示单元(4)中进行成像显示，这里，ui(Ai,ti)与单值线性对应，为超声阵列换能器中第i个入射声束Si传播路径上接收到的反射超声波信号，其幅值为Ai，传播时间为ti，同时ui(Ai,ti)与被检测复合材料结构筋条区中的被检测部位的位置坐标Qi(xi,yi)单值对应，i对应Si在被检测复合材料结构筋条区当前扫查区的位置点，xi表示Si在被检测复合材料结构筋条区的x方向，即筋条底边部位和筋条立边部位宽度方向的位置坐标，检出缺陷的在筋条区中的宽度方向的位置wi通过xi由式(4)映射确定，yi表示Si在筋条底边部位和筋条立边部位厚度方向传播时间t方向的坐标，检出缺陷的深度位置hi通过yi由式(5)映射确定，且，υ——为复合材料结构筋条区中的声速，ci——为图像显示中(xi,yi)点所对应的颜色值，且其中Kc为颜色值或灰度转换系数，与显示单元对应的灰度或者彩色分辨率有关，u0为对应显示单元的灰度或彩色级差的最大值，xi＝kxwi(4)yi＝kyhi(5)这里，kx——为x方向的坐标转换系数，ky——为y方向的坐标转换系数，将超声阵列换能器在每个扫描位置的检测信号按照式(2)进行映射和成像显示，实现对每个扫描位置的检测结果的超声可视化成像；(6)缺陷判别根据超声阵列换能器接收到的来自每个入射声束Si传播路径上的反射超声波信号ui(Ai,ti)中的幅值Ai及其在显示单元中显示的对应的图像的颜色或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，由用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器(1)、超声阵列单元(2)、信号处理单元(3)和成像单元(4)组成，在超声阵列单元(2)激励超声阵列换能器(1)发射超声波信号，此超声波信号经过通过耦合介质传播到被检测复合材料结构筋条区内部，并在被检测复合材料结构筋条区内部形成反射超声波信号，此超声波信号被超声阵列换能器(1)接收，并经超声阵列单元(2)预处理后，由信号处理单元(3)进行数字化，再由成像单元(4)按照所建立的显示模型进行成像，其特征是，(1)检测部位将被检测复合材料结构筋条区(5)分为以下几个检测部位：1)筋条区(5)的右侧底边部位(5A)；2)筋条区(5)的左侧底边部位(5B)；3)筋条区(5)的立边部位(5C)；(2)入射方向选择选择从筋条区(5)的右侧底边和左侧底边及立边方向作为入射方向进行超声可视化成像检测：a)入射方向①：适用于筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位的超声可视化成像检测；b)入射方向②：适用于筋条区(5)的左侧底边部(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位的超声可视化成像检测；c)入射方向③：适用于筋条区(5)的立边部位(5C)的超声可视化成像检测；(3)超声阵列换能器(1)的选择1)类型选择选择用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器(1)，对被检测复合材料结构筋条区(5)的左侧底边部位(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的立边部位(5C)进行检测，用于复合材料结构筋条区(5)的超声阵列换能器(1)主要包括超声反射镜(1C)、超声透射镜(1D)、压电晶元阵列(1E)、匹配层(1F)、阻尼块(1G)、外壳(1H)、连接座(1J)，其中，外壳(1H)为一长方体，在此长方体内部为贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧有用于锁紧超声反射镜(1C)的小凸台及贯通孔，压电晶元阵列(1E)由N个压电晶元组成，N为压电晶元阵列(1E)的压电晶元数，压电晶元阵列(1E)的大小与匹配层(1F)的大小匹配，匹配层(1F)和阻尼块(1G)的大小与外壳(1H)贯通内长方孔匹配，按照阻尼块(1G)+压电晶元阵列(1E)+匹配层(1F)的组合关系封装在外壳(1H)的内部，超声透射镜(1D)为一矩形45°透声斜契，相对于45°斜切面的一端平面与匹配层(1F)保持声学耦合，利用螺母穿过外壳(1H)中的固定用的贯通孔与超声透射镜(1D)中两个配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，相对于超声透射镜(1D)中的45°斜切面的另一端平面，即入射面(1K)与被检测复合材料结构筋条区(5)中的右侧底边部位(5A)或左侧底边部位(5B)或立边部位(5C)表面之间保持接触或非接触声学耦合，超声反射镜(1C)为一矩形45°反声斜契，此矩形45°反声斜契中的45°斜切面与超声透射镜(1D)中45°的斜切面方向、大小位置比配，并彼此保持声学耦合，利用螺母穿过超声透射镜(1D)中的固定用的贯通孔与超声反射镜(1C)中配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，2)阵列声源的构成根据被检测复合材料结构筋条区(5)检测部位的几何特征，选择超声阵列换能器(1)，构成阵列声源...

【技术特征摘要】
1.一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，由用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器(1)、超声阵列单元(2)、信号处理单元(3)和成像单元(4)组成，在超声阵列单元(2)激励超声阵列换能器(1)发射超声波信号，此超声波信号经过通过耦合介质传播到被检测复合材料结构筋条区内部，并在被检测复合材料结构筋条区内部形成反射超声波信号，此超声波信号被超声阵列换能器(1)接收，并经超声阵列单元(2)预处理后，由信号处理单元(3)进行数字化，再由成像单元(4)按照所建立的显示模型进行成像，其特征是，(1)检测部位将被检测复合材料结构筋条区(5)分为以下几个检测部位：1)筋条区(5)的右侧底边部位(5A)；2)筋条区(5)的左侧底边部位(5B)；3)筋条区(5)的立边部位(5C)；(2)入射方向选择选择从筋条区(5)的右侧底边和左侧底边及立边方向作为入射方向进行超声可视化成像检测：a)入射方向①：适用于筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位的超声可视化成像检测；b)入射方向②：适用于筋条区(5)的左侧底边部(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位的超声可视化成像检测；c)入射方向③：适用于筋条区(5)的立边部位(5C)的超声可视化成像检测；(3)超声阵列换能器(1)的选择1)类型选择选择用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器(1)，对被检测复合材料结构筋条区(5)的左侧底边部位(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的立边部位(5C)进行检测，用于复合材料结构筋条区(5)的超声阵列换能器(1)主要包括超声反射镜(1C)、超声透射镜(1D)、压电晶元阵列(1E)、匹配层(1F)、阻尼块(1G)、外壳(1H)、连接座(1J)，其中，外壳(1H)为一长方体，在此长方体内部为贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧有用于锁紧超声反射镜(1C)的小凸台及贯通孔，压电晶元阵列(1E)由N个压电晶元组成，N为压电晶元阵列(1E)的压电晶元数，压电晶元阵列(1E)的大小与匹配层(1F)的大小匹配，匹配层(1F)和阻尼块(1G)的大小与外壳(1H)贯通内长方孔匹配，按照阻尼块(1G)+压电晶元阵列(1E)+匹配层(1F)的组合关系封装在外壳(1H)的内部，超声透射镜(1D)为一矩形45°透声斜契，相对于45°斜切面的一端平面与匹配层(1F)保持声学耦合，利用螺母穿过外壳(1H)中的固定用的贯通孔与超声透射镜(1D)中两个配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，相对于超声透射镜(1D)中的45°斜切面的另一端平面，即入射面(1K)与被检测复合材料结构筋条区(5)中的右侧底边部位(5A)或左侧底边部位(5B)或立边部位(5C)表面之间保持接触或非接触声学耦合，超声反射镜(1C)为一矩形45°反声斜契，此矩形45°反声斜契中的45°斜切面与超声透射镜(1D)中45°的斜切面方向、大小位置比配，并彼此保持声学耦合，利用螺母穿过超声透射镜(1D)中的固定用的贯通孔与超声反射镜(1C)中配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，2)阵列声源的构成根据被检测复合材料结构筋条区(5)检测部位的几何特征，选择超声阵列换能器(1)，构成阵列声源这里，i＝1,2,...,N，Si为第i个晶元wi对应的声束作用面积，通过对筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的左侧底边部位(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的立边部位(5C)进行声波覆盖入射，从而在被检测复合材料结构筋条(5)区内部形成入射超声波阵列声束，且N由式(1)确定和选择：这里，wi——为单个压电晶元的宽度，对于筋条区(5)的底边部位(5A和5B)的超声检测，Hj取筋条(5)的右侧底边部位(5A)的宽度H1和筋条(5)的左侧底边部位(5B)的宽度H2的最大值，即Hj＝max{H1,H2}，且不大于80mm，对于筋条区(5)的立边部位(5C)的检测，Hj取筋条区(5)的立边部位(5C)的宽度H3的高度最大值，且不大于80mm，实际检测时，使每一个压电晶元对应一个声束进行扫描，或通过电子延时合成的方法，将N个压电晶元进行组合，合成阵列扫描声束，对复合材料结构筋条区(5)的左侧底边部位(5B、右侧底边部位(5A)和立边(5C)部位的覆盖扫查检测。3)频率选择根据被检测复合材料筋条区(5)的检...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘菲菲，刘松平，李治应，李乐刚，傅天航，史俊伟，
申请(专利权)人：中航复合材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11