無人機(jī)復(fù)合材料超聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計研究

周海林，褚麗娜，李建增

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003）

近年來，玻璃纖維、碳纖維、卡夫隆等復(fù)合材料越來越廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)的雷達(dá)罩、垂直尾翼、襟板、副翼等結(jié)構(gòu)，對材料可靠性和安全性的要求越來越高。在復(fù)合材料的制造和使用過程中，不可避免地產(chǎn)生脫膠、減薄、變質(zhì)、分層、孔洞等各種缺陷，大大影響了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還有可能造成災(zāi)難性的后果[1-2]。利用超聲波在材料中的傳播特性實現(xiàn)對材料內(nèi)部缺陷的無損檢測已廣泛應(yīng)用于研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門中[3-9]。

傳統(tǒng)超聲檢測主要基于手工探傷，自動超聲檢測不僅減少人為誤差，而且具有數(shù)據(jù)存儲和處理的功能，可以實現(xiàn)自動判傷和缺陷定位。本文針對無人機(jī)機(jī)體的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)超聲波的衰減、反射特性，研制出一種能自動檢測無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷的超聲檢測系統(tǒng)。

1 檢測對象和系統(tǒng)方案

檢測對象為厚度15 mm的玻璃纖維復(fù)合材料，超聲檢測系統(tǒng)的功能就是實現(xiàn)對這些材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行無損檢測和分析。復(fù)合材料是低阻抗材料，超聲在復(fù)合材料中傳播衰減很大，要想獲得復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的信息必須保證超聲回波能足夠被探測到，而超聲傳感器的頻率選擇是聲波在層狀介質(zhì)中反射和穿透能力的關(guān)鍵。頻率低，穿透能力強(qiáng)，但分辨率低；頻率高，波長短，方向性好，發(fā)現(xiàn)小信號的能力強(qiáng)，亦能準(zhǔn)確判定缺陷位置。通過分析層狀結(jié)構(gòu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，可以得到多層粘接結(jié)構(gòu)的超聲回波的反射系數(shù)模型和透射系數(shù)模型[10]。

反射幅度系數(shù)：

透射幅度系數(shù)：

其中R為反射回波幅度，D為透射波的幅度，Aij為各層的轉(zhuǎn)移矩陣，Zi為各層介質(zhì)的聲阻抗。利用式(1)和式(2)可以得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超聲檢測頻率與透射系數(shù)之間的關(guān)系，如圖1所示。從圖中可以看出復(fù)合材料的最優(yōu)檢測頻率均為0.5 MHz及其倍頻?？紤]衰減對頻率的依賴效應(yīng)，本文選擇低頻超聲雙晶縱波探頭，中心頻率為0.5 MHz，采樣頻率為 80 MHz。

基于工控機(jī)的超聲檢測系統(tǒng)主要由超聲探頭、超聲發(fā)射/接收裝置、探測頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)、工控機(jī)等組成，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過單片機(jī)掃查控制電路，超聲探頭在電機(jī)控制下沿著被檢復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面運(yùn)動，同時啟動探頭的軸向和切向位移傳感器獲得超聲探頭的位移信息，并送回單片機(jī)掃查控制電路實現(xiàn)探頭在復(fù)合材料表面的掃查運(yùn)動，同時為實現(xiàn)缺陷定位提供坐標(biāo)信息；超聲波發(fā)射/接收卡發(fā)射超聲換能器的激發(fā)脈沖信號對超聲回波進(jìn)行預(yù)處理，并通過高速采集卡實現(xiàn)回波信號的數(shù)據(jù)采樣和存儲；工控機(jī)系統(tǒng)對上述各部分實施控制，同時對接收信號進(jìn)行數(shù)字濾波、信號處理、特征提取和測試結(jié)果顯示，從而實現(xiàn)復(fù)合材料的超聲無損檢測。

2 數(shù)據(jù)采集

超聲回波信息的采集利用超聲發(fā)射/接收裝置和探頭實現(xiàn)。超聲發(fā)射/接收裝置由超聲波高壓激勵電源DC 600 V、超聲波發(fā)射電路、接收電路(包括限幅保護(hù)電路、高頻程控放大電路、高速數(shù)據(jù)采集電路)、譯碼電路、同步電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。常見的脈沖超聲發(fā)射/接收電路設(shè)計一般同步信號產(chǎn)生電路和接收放大電路，多用模擬的方法實現(xiàn)，靈敏度、靈活性都不是很高，調(diào)試起來也不方便。本系統(tǒng)采用以80C196MC單片機(jī)為主控元件的數(shù)字方式同步信號產(chǎn)生電路和以AD8045運(yùn)算放大器為主的放大濾波電路，硬件結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，克服了上述模擬電路的缺點，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

高速數(shù)據(jù)采集電路的功能是在計算機(jī)的控制下將經(jīng)調(diào)理后的超聲模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并經(jīng)數(shù)字檢波后將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入高速緩存。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，計算機(jī)可通過PCI總線對緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，從而對其進(jìn)行一系列的運(yùn)算操作和結(jié)果顯示。該模塊主要有兩種工作方式：數(shù)據(jù)采集方式和計算機(jī)讀取方式。工作于數(shù)據(jù)采集方式時，接口電路接收到計算機(jī)發(fā)出的采集啟動命令之后，控制電路控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器采樣并將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入卡載高速緩存；工作于計算機(jī)讀/寫方式時，可將板載高速緩存視為計算機(jī)的擴(kuò)展內(nèi)存，計算機(jī)可以直接讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

基于超聲發(fā)射/接收裝置的結(jié)構(gòu)，通過VC++6.0編程開發(fā)，實現(xiàn)儀器功能。超聲信號的數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。整個數(shù)據(jù)處理軟件分為兩大模塊：實時數(shù)據(jù)的采集與存儲模塊、數(shù)據(jù)分析處理與顯示模塊。由于超聲信號頻率較高，要求的采樣頻率很高，因此實時數(shù)據(jù)的采集和存儲模塊使用嵌入?yún)R編語言的C語言編制。這主要是由于嵌入?yún)R編語言的C語言能充分利用機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)特點，直接與操作系統(tǒng)進(jìn)行接口，對輸入輸出設(shè)備直接進(jìn)行操作，實時性能好，而且程序代碼短、效率高、節(jié)省內(nèi)存，執(zhí)行速度快，從而可以滿足大量數(shù)據(jù)的精確實時采集與存儲。

3 實驗結(jié)果

檢測玻璃纖維復(fù)合材料的信號經(jīng)過去均值、歸一化后如圖5所示。無缺陷時，可以清晰地分辨超聲發(fā)射和回波的波包，缺陷出現(xiàn)后，發(fā)射波包和回波波包互相疊加為一個新的波包，且隨著缺陷等效直徑的增大，信號的峰值逐漸減小，具體數(shù)據(jù)見表1。

將信號的峰值關(guān)于缺陷等效面積作曲線二次擬合，如圖6所示。擬合表達(dá)式如下：

其中，x為缺陷等效面積，單位為 mm2；y為信號歸一化后的峰值。

表1 不同缺陷信號峰值數(shù)據(jù)

擬合曲線與原始數(shù)據(jù)的誤差最大為3.6%，可以根據(jù)測得超聲信號的峰值由式(3)近似計算得到試件內(nèi)部缺陷的等效面積。

本文根據(jù)超聲檢測信號的特點，結(jié)合實際檢測對象，對無人機(jī)復(fù)合材料超聲檢測系統(tǒng)中傳感器選擇、數(shù)據(jù)采集和軟件設(shè)計等關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。利用該系統(tǒng)對不同面積缺陷的玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行檢測實驗，實驗結(jié)果表明，隨著缺陷面積的增大，回波信號的峰值逐漸減小，可以通過信號的時域峰值直接判斷出缺陷的尺寸。

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