【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，属于复合材料脱层缺陷检测。
技术介绍
1、碳纤维增强复合材料具有质量轻、强度高、耐疲劳、抗腐蚀等优异性能，已广泛应用于航空航天、大型飞机、轨道交通、远洋船舶、风电叶片、医疗器械等众多领域。然而，由于生产工艺、材料质量、以及服役过程中受到应力或冲击力的作用，复合材料难免会产生各种结构性缺陷(孔隙、纤维褶皱和脱层等缺陷)，其中以脱层缺陷最为典型。这些内部缺陷不易察觉，且对材料的性能和安全性构成潜在威胁。若这些缺陷未能被及时检测出，随着时间的累计势必将会逐渐扩大和劣化，最终可能导致设备故障、经济损失，甚至危及人员的生命安全。因此，在复合材料的使用过程中，通过有效的检测手段及时发现内部缺陷变得至关重要。
2、目前，复合材料缺陷检测主要采用超声、射线、红外、涡流等检测方法。相较于其他无损检测方法而言，超声检测技术具有能量传播迅速、穿透性强、安全监测等优点。因此，基于超声的复合材料缺陷无损检测方法受到了行业学者们的广泛关注。
3、中国专利cn202210451721.9中公开了一种基于波数域椭圆环滤波的复合材料分层损伤形貌检测方法，包括以下步骤：1)设计二维波数域椭圆环滤波器；2)使用空气耦合超声换能器作为激励源，用激光多普勒测振仪扫描得到全波场数据，经三维傅里叶变换转换到频率-波数域中；3)选出激励的中心频率，利用二维圆环波数滤波器，在波数域中进行椭圆环滤波，得到分层损伤敏感模态增强后的波场数据；4)将分层损伤敏感模态增强后的波场数据进行逆傅里叶变换，回到空
技术实现思路
1、针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，包括如下步骤：
4、s1、以空气耦合超声传感器为激发源，并基于混合能矩阵方法计算复合材料的入射角度频散曲线，确定空气耦合超声传感器激发a0模态导波的入射角度；以激光多普勒测振仪为接收端，激光多普勒测振仪通过等间距扫查方式完成待检测区域内全波场离面位移信号的采集，并将采集到的信号传输至信号分析装置；
5、s2、信号分析装置利用局部波数域超声成像方法对离面位移信号进行处理，获得缺陷的二维成像图，并重建缺陷所处的深度；再利用res-deeplabv3+深度学习方法对二维成像图进行高分辨率分割，实现缺陷定位，并针对长条形缺陷进行方向识别；最后计算脱层缺陷的定位误差和相关性系数，完成定量分析，实现复合材料脱层缺陷的可视化表征。
6、一种实施方案，步骤s1中，所述混合能矩阵方法是通过引入对偶变量及位置方法(dvp)，建立hamilton矩阵特征向量辛内积与坡印廷矢量之间的映射关系而提出的，用于精确、快速、稳定地求出复合材料的频散曲线，所述频散曲线包括入射角度频散曲线和相速度频散曲线。
7、一种实施方案，所述步骤s2包括如下操作：
8、s21、信号分析装置将采集到的全波场离面位移信号进行导波局部波数处理，并在此基础上进行成像，同时对缺陷所处深度进行重建；
9、s211、将采集到的全波场离面位移信号进行导波局部波数处理及成像：
10、在通过激光多普勒测振仪完成复合材料区域内全波场离面位移信号u(x,y,t)的采集后，采用三维傅里叶变换方法将全波场离面位移信号转变为频率-波数域信号u(kx,ky,f)：
11、u(kx,ky,f)＝f3d(u(x,y,t)) (1)；
12、式(1)中：f3d表示三维傅里叶变换，x表示采集点的横坐标，y表示采集点的纵坐标，t表示时间轴；kx表示x方向的波数，ky表示y方向的波数，f表示频率；
13、为了保证全波场只有a0导波模态，需要在频率-波数域内通过滤波器wk(kx,ky,f)对导波模态进行分离，分离后的频率-波数域内的全波场信号为
14、
15、
16、
17、式(2)、(3)、(4)中：kx，ky，k分别表示x方向的波数，y方向的波数，以及总的波数，k1表示波数的下限值，k2表示波数的上限值，f表示频率；
18、再将全波场信号通过三维傅里叶逆变换转换为时域信号，得到纯净的a0模态全波场信号
19、
20、式(5)中：表示三维傅里叶逆变换，同时为了降低旁瓣效应，需要对a0模态全波场信号进行空间窗函数处理，经过处理后的信号记为
21、
22、
23、
24、0≤r≤1 (9)；
25、式(6)、(7)、(8)、(9)中：wxy表示tukey空间窗函数，r表示余弦锥形截面长度与整个窗口长度的比值，l表示采集点的间隔距离矢量；
26、最后对空间窗处理后的信号进行三维傅里叶变换，获得选定频率下的局部波数值：
27、
28、根据局部波数值可以得到平均波数：
29、
30、
31、式(11)、(12)、中，k(x,m)和k(y,m)分别表示局部波数中kx和ky的最大值，表示平均波数值；
32、将检测区域内任意一点处的平均波数值作为像素幅值即可得到一幅可以表征缺陷的局部波数域超声成像图，实现复合材料脱层缺陷的可视化表征；
33、s212、对缺陷进行深度重建：
34、任意点(xi,yj)处的平均波数所对应的相速度cp(xi,yj)可由下式表示：
35、
36、在相速度和超声频率已知的情况下，结合相速度频散曲线可以找出此相速度所对应的板厚度h(xi,yj)，设定h为完好板的厚度，则缺陷处重建的深度h0(xi,yj)可由下式表示：
37、h0(xi,yj)＝h-h(xi,yj) (14)；
38、由此可得缺陷的深度重建图；
39、s22、信号分析装置将采集到的全波场离面位移信号进行导波局部波数处理，并结合深度学习方法对缺陷的方向进行识别，最后对检测结果进行定量分析：
40、s221、进行缺陷高分辨率分割定位及长条形缺陷方向识别：
41、s2211、构建res-deeplabv3+网络：
42、首先将残差网络resnet34嵌入到语义分割网络deeplabv3+的下采样编码模块，通过resnet34网络提取超声图像的不同维度特征，得到高级语义特征图；再将其输入空洞空间卷积池化金字塔(aspp)模块，通过四个不同采样率的空洞卷积并联获取多尺度图像特征信息，得到次级特征图；最后，将高级语义特征图和次级特征图本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：步骤S1中，所述混合能矩阵方法是通过引入对偶变量及位置方法，建立Hamilton矩阵特征向量辛内积与坡印廷矢量之间的映射关系而提出的，用于精确、快速、稳定地求出复合材料的频散曲线，所述频散曲线包括入射角度频散曲线和相速度频散曲线。
3.根据权利要求1所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下操作：
4.根据权利要求1所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：采用复合材料脱层缺陷检测装置实现复合材料脱层缺陷检测，所述复合材料脱层缺陷检测装置包括三维扫描架体和信号分析装置，所述三维扫描架体的上部横向两侧分别设有超声传感器纵向移动机构和测振仪纵向移动机构，所述超声传感器纵向移动机构和测振仪纵向移动机构之间对称设有多个用于放置复合材料的支架机构，所述超声传感器纵向移动机构连接有角度可调的伸缩杆，所述伸缩杆的前端向着测振仪纵向移动机构方向延伸且设有可旋转
5.根据权利要求4所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：所述伸缩杆由L型伸缩杆、直线伸缩杆和伸缩杆万向节组成，所述L型伸缩杆的一端与伸缩杆万向节相连，另一端与超声传感器纵向移动机构相连，所述直线伸缩杆一端与伸缩杆万向节相连，另一端与超声传感器万向节相连，所述伸缩杆万向节连接于L型伸缩杆、直线伸缩杆之间。
6.根据权利要求4所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：所述超声传感器纵向移动机构包括纵向设于三维扫描架体的上部的丝杆，所述丝杆上下两侧分别设有与其相平行的超声传感器纵向导向杆，所述超声传感器纵向导向杆和丝杆均活动连接有滚珠轴承座，所述滚珠轴承座上设有滚珠轴承，所述滚珠轴承连接有超声传感器纵向步进电机，所述超声传感器纵向步进电机与信号分析装置控制连接。
7.根据权利要求4所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：所述测振仪纵向移动机构包括纵向设于三维扫描架体的上部的纵向螺纹杆，所述纵向螺纹杆的上下两侧分别设有与其相平行的测振仪纵向导向杆，所述纵向螺纹杆和测振仪纵向导向杆均活动连接有纵向螺母座，所述纵向螺母座上设有纵向螺母，所述纵向螺母连接有测振仪纵向步进电机，所述测振仪纵向步进电机与信号分析装置控制连接，所述测振仪垂向移动机构设于纵向螺母座上。
8.根据权利要求7所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：所述测振仪垂向移动机构包括竖直设于纵向螺母座朝向超声传感器纵向移动机构一侧的垂向螺母座，所述垂向螺母座内竖直穿设有垂向螺纹杆，所述垂向螺母座上设有垂向螺母，所述垂向螺母连接有垂向步进电机，所述纵向螺母座的底部设有可垂向伸缩的垂向伸缩杆，所述垂向伸缩杆和垂向螺纹杆的底部设有测振仪安装板，所述激光多普勒测振仪竖直设于测振仪安装板的底部，所述垂向步进电机与信号分析装置控制连接。
9.根据权利要求4所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：所述支架机构包括竖直设于三维扫描架体上的支架底座，所述支架底座的下端设有长度可调的支架伸缩杆，所述支架底座和支架伸缩杆之间连接有支架万向节，所述支架万向节连接有支架步进电机。
10.根据权利要求9所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：所述支架伸缩杆用于承载复合材料的承载端的端面设有防滑条纹胶套。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：步骤s1中，所述混合能矩阵方法是通过引入对偶变量及位置方法，建立hamilton矩阵特征向量辛内积与坡印廷矢量之间的映射关系而提出的，用于精确、快速、稳定地求出复合材料的频散曲线，所述频散曲线包括入射角度频散曲线和相速度频散曲线。
3.根据权利要求1所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤s2包括如下操作：
4.根据权利要求1所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：采用复合材料脱层缺陷检测装置实现复合材料脱层缺陷检测，所述复合材料脱层缺陷检测装置包括三维扫描架体和信号分析装置，所述三维扫描架体的上部横向两侧分别设有超声传感器纵向移动机构和测振仪纵向移动机构，所述超声传感器纵向移动机构和测振仪纵向移动机构之间对称设有多个用于放置复合材料的支架机构，所述超声传感器纵向移动机构连接有角度可调的伸缩杆，所述伸缩杆的前端向着测振仪纵向移动机构方向延伸且设有可旋转的超声传感器万向节，所述超声传感器万向节的前端连接有空气耦合超声传感器，所述空气耦合超声传感器的外侧安装有倾角传感器，所述测振仪纵向移动机构连接有测振仪垂向移动机构，所述测振仪垂向移动机构连接有激光多普勒测振仪，所述空气耦合超声传感器信号连接有超声发射器，所述空气耦合超声传感器、倾角传感器、激光多普勒测振仪、超声发射器分别与信号分析装置信号连接。
5.根据权利要求4所述的基于超声导波的复合材料脱层缺陷检测方法，其特征在于：所述伸缩杆由l型伸缩杆、直线伸缩杆和伸缩杆万向节组成，所述l型伸缩杆的一端与伸缩杆万向节相连，另一端与超声传感器纵向移动机构相连，所述直线伸缩杆一端与伸缩杆万向节相连，另一端与超声传感器万向节相连，所述伸缩杆万向节连接于l型伸缩杆、直线伸缩杆之间。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：范国鹏，杨晶晶，项延训，朱文发，张海燕，谢林峰，张辉，高春翔，张韩飞，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：
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