一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统及方法技术方案

本申请公开了碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统及方法，通过脉冲激光器发出脉冲激光光束在待测碳纤维编织复合材料表面产生激光超声信号，而线阵式空气耦合激光超声探头以预先设定的相控聚焦方式接收其表面产生的激光超声信号，并计算待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与其内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将光吸收率与预设光吸收率阈值比对，并根据比对结果对待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，又将激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对，并根据比对结果对待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征，实现了对待测平板类材料的表面与内部结构缺陷进行微米级精度检测的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统及方法
本申请涉及激光超声检测
，尤其涉及应用于碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统以及相应的检测方法。
技术介绍
碳纤维编织复合材料由于其优异的结构性能广泛应用于民用工业制造、航空航天及军工等领域。由于碳纤维编织复合材料其材料的组成成分多，材料存在各向异性，工艺也很复杂，这对于对于生产阶段的碳纤维编织复合材料的质量检测提出了新的要求。目前，如何解决碳纤维复合板材微表面复杂结构对检测系统的干扰以及检测效率，并同时获得高分辨率表面微结构和内部深层缺陷成为一个亟待解决的问题。在传统的发射探头和接收探头都使用空气耦合探头的系统当中，由于其空气中的剧烈的衰减和其扫描速度慢，分辨率低，信噪比差，在面对具有复杂表面编织结构的碳纤维复合材料的检测时，仅能检测内部的大尺寸缺陷，且不能显示复合材料表面的编织结构。此外，激光超声检测技术由于其快速、实时、非接触检测、高空间分辨率的优点在碳纤维编织复合材料检测领域得到了广泛的关注。可传统基于光学信号检测的激光超声系统仅能检测材料内部缺陷，无法检测表面缺陷，且其系统体积大、检测效率低、激光功率大、成本昂贵并且易受材料表面粗糙度和环境震动的影响，碳纤维编织复合材料的各向异性属性和编织结构的复杂性严重影响传统光学的信号缺陷检测系统的准确性。
技术实现思路
本申请提供了一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统及方法，用于解决现有技术中生产阶段对碳纤维编织复合材料的结构缺陷检测不够全面、检测效率低、体积较大、成本高且准确性较低的技术问题。有鉴于此，本申请第一方面提供了一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，包括：脉冲激光器、一维激光振镜、场镜、线阵式空气耦合激光超声探头与数据处理模块；所述一维激光振镜设于所述脉冲激光器下方，所述场镜设于所述一维激光振镜下方，所述场镜的最大扫描面积大于或等于待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜一侧的表面面积，所述脉冲激光器用于发出脉冲激光光束后依次通过所述一维激光振镜与所述场镜后在所述待测碳纤维编织复合材料表面聚焦扫描从而产生激光超声信号；所述线阵式空气耦合激光超声探头设于所述待测碳纤维编织复合材料相对远离所述场镜的一侧，所述线阵式空气耦合激光超声探头的阵列长度大于或等于所述待测碳纤维编织复合材料相对长度方向上的边长，所述线阵式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述脉冲激光光束在所述待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的所述激光超声信号；所述数据处理模块与所述线阵式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理处理，还用于根据滤波和放大处理处理后的激光超声信号计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，同时，将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。优选地，所述待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜的一侧表面与所述场镜的光学焦平面重合。优选地，所述线阵式空气耦合激光超声探头包括上部开口的壳体，所述壳体内设有具有若干个压电晶片呈线性排列的压电晶片阵列，所述压电晶片阵列的上表面镀有外电极层，所述外电极层的上表面镀有内匹配层，所述内匹配层的上表面镀有外匹配层，所述外匹配层设于所述壳体的开口处且与所述待测碳纤维编织复合材料对应设置，所述压电晶片阵列的下表面镀有内电极层，所述内电极层的下表面镀有背衬层，所述壳体还设有输出端，所述外电极层与所述内电极层均通过导线与所述输出端电连接。优选地，所述外匹配层采用泡沫材料制成，所述外匹配层为所述线阵式空气耦合激光超声探头的预设主频波长的四分之一；所述内匹配层采用以环氧树脂为基体、空心玻璃微珠为填料的复合材料制成，所述内匹配层的厚度为所述线阵式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的四分之一；所述压电晶片为1-3型结构的复合材料，所述压电晶片的压电相采用锆钛酸铅制成，所述压电晶片的聚合物相采用高分子环氧树脂制成，所述压电晶片的厚度为所述线阵式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的二分之一；所述背衬层的材料采用钨粉与环氧树脂混合制成。优选地，所述压电晶片的数量为128个，相邻的所述压电晶片之间的间距为0.1mm，所述线阵式空气耦合激光超声探头的中心频率为200KHz～2MHz。优选地，所述脉冲激光器的脉冲宽度为500ns～2.5us。优选地，碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统还包括一维电控移动平台，所述待测碳纤维编织复合材料设于所述一维电控移动平台上，用于驱动所述待测碳纤维编织复合材料运动从而使其脱离所述场镜的扫描范围，所述线阵式空气耦合激光超声探头设于所述一维电控移动平台内部。优选地，所述数据处理模块包括信号调理子模块、数据采集子模块与计算机；所述信号调理子模块与所述线阵式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理；所述数据采集子模块与所述信号调理子模块电连接，用于接收并向所述计算机传输经所述信号调理子模块进行滤波和放大处理后的激光超声信号；所述计算机与所述数据采集子模块电连接，所述计算机用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而获得光吸收率比对结果，并将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而获得激光超声信号衰减幅值比对结果；所述计算机内设有超声数据成像模块，所述超声数据成像模块用于基于预先存储的聚焦成像算法，并根据所述光吸收率比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，并根据所述激光超声信号衰减幅值比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。另一方面，本申请实施例还提供了一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测方法，基于上述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，包括以下步骤：S101：通过脉冲激光器射出脉冲激光光束，并依次通过一维激光振镜和场镜射至在待测碳纤维编织复合材料表面聚焦扫描从而产生的激光超声信号；S102：通过线阵式空气耦合激光超声探头以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述脉冲激光光束在所述待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的所述激光超声信号；S103：通过信号调理子模块对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波和放大处理；S104：通过数据采集子模块接收并向计算机传输经所述信号调理子模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，包括：脉冲激光器、一维激光振镜、场镜、线阵式空气耦合激光超声探头与数据处理模块；/n所述一维激光振镜设于所述脉冲激光器下方，所述场镜设于所述一维激光振镜下方，所述场镜的最大扫描面积大于或等于待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜一侧的表面面积，所述脉冲激光器用于发出脉冲激光光束后依次通过所述一维激光振镜与所述场镜后在所述待测碳纤维编织复合材料表面进行聚焦扫描从而产生激光超声信号；/n所述线阵式空气耦合激光超声探头设于所述待测碳纤维编织复合材料相对远离所述场镜的一侧，所述线阵式空气耦合激光超声探头的阵列长度大于或等于所述待测碳纤维编织复合材料相对长度方向上的边长，所述线阵式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述脉冲激光光束在所述待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的所述激光超声信号；/n所述数据处理模块与所述线阵式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波放大处理，还用于根据滤波放大处理后的激光超声信号计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，同时，将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。/n...

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，包括：脉冲激光器、一维激光振镜、场镜、线阵式空气耦合激光超声探头与数据处理模块；
所述一维激光振镜设于所述脉冲激光器下方，所述场镜设于所述一维激光振镜下方，所述场镜的最大扫描面积大于或等于待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜一侧的表面面积，所述脉冲激光器用于发出脉冲激光光束后依次通过所述一维激光振镜与所述场镜后在所述待测碳纤维编织复合材料表面进行聚焦扫描从而产生激光超声信号；
所述线阵式空气耦合激光超声探头设于所述待测碳纤维编织复合材料相对远离所述场镜的一侧，所述线阵式空气耦合激光超声探头的阵列长度大于或等于所述待测碳纤维编织复合材料相对长度方向上的边长，所述线阵式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述脉冲激光光束在所述待测碳纤维编织复合材料表面产生且穿透所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的所述激光超声信号；
所述数据处理模块与所述线阵式空气耦合激光超声探头的输出端电连接，用于对所述线阵式空气耦合激光超声探头接收的所述激光超声信号进行滤波放大处理，还用于根据滤波放大处理后的激光超声信号计算所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构的光吸收率与所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构的激光超声信号衰减幅值，并将所述光吸收率与预设光吸收率阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的表面结构缺陷进行图像表征，同时，将所述激光超声信号衰减幅值与预设激光超声信号衰减阈值比对从而根据其比对结果对所述待测碳纤维编织复合材料的内部结构缺陷进行图像表征。


2.根据权利要求1所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述待测碳纤维编织复合材料相对所述场镜的一侧表面与所述场镜的光学焦平面重合。


3.根据权利要求1所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述线阵式空气耦合激光超声探头包括上部开口的壳体，所述壳体内设有具有若干个压电晶片呈线性排列的压电晶片阵列，所述压电晶片阵列的上表面镀有外电极层，所述外电极层的上表面镀有内匹配层，所述内匹配层的上表面镀有外匹配层，所述外匹配层设于所述壳体的开口处且与所述待测碳纤维编织复合材料对应设置，所述压电晶片阵列的下表面镀有内电极层，所述内电极层的下表面镀有背衬层，所述壳体还设有输出端，所述外电极层与所述内电极层均通过导线与所述输出端电连接。


4.根据权利要求3所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述外匹配层采用泡沫材料制成，所述外匹配层为所述线阵式空气耦合激光超声探头的预设主频波长的四分之一；所述内匹配层采用以环氧树脂为基体、空心玻璃微珠为填料的复合材料制成，所述内匹配层的厚度为所述线阵式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的四分之一；所述压电晶片为1-3型结构的复合材料，所述压电晶片的压电相采用锆钛酸铅制成，所述压电晶片的聚合物相采用高分子环氧树脂制成，所述压电晶片的厚度为所述线阵式空气耦合激光超声探头的所述预设主频波长的二分之一；所述背衬层的材料采用钨粉与环氧树脂混合制成。


5.根据权利要求3所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述压电晶片的数量为128个，相邻的所述压电晶片之间的间距为0.1mm，所述线阵式空气耦合激光超声探头的中心频率为200KHz～2MHz。


6.根据权利要求1所述的碳纤维编织复合材料的激光超声检测系统，其特征在于，所述脉冲激...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾吕明，王宝定，纪轩荣，何勇，邓丽军，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44