基于超聲C掃描的變厚度構(gòu)件掃查路徑規(guī)劃和增益補償檢測法

周正干，王 鑫，章寬爽，周江華

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

超聲檢測是目前對于復合材料最為實用有效、應用最為廣泛的無損檢測技術(shù)，它能可靠地檢測出復合材料中的分層、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷［1－3］。國內(nèi)超聲檢測的對象大部分是等厚度構(gòu)件，對于變厚度復合材料構(gòu)件自動檢測方法的研究較少。人工檢測法仍然是絕大多數(shù)國內(nèi)企業(yè)檢測變厚度復合材料構(gòu)件的方法，該方法對檢測人員的經(jīng)驗要求較高，效率也低，而且難以進行均勻掃描，容易造成漏檢而引發(fā)安全事故［4］；另一種方法是多動態(tài)電子門法，其通過在變厚度構(gòu)件界面波與底波間設置多個沿深度方向連續(xù)的動態(tài)電子門，進行超聲C掃描成像，然后對各深度的超聲C掃描檢測結(jié)果進行處理并融合，最后得到表征變厚度構(gòu)件的檢測圖譜［5－6］，但是這種方法要進行復雜的后處理，無法一次獲取檢測結(jié)果；國內(nèi)曾有研究人員開發(fā)了一套針對變厚度復合材料的超聲檢測系統(tǒng)，提出厚度和曲率對靈敏度的影響，但是未給出明確的補償方法［7－8］；另外也有研究人員對變厚度構(gòu)件的超聲檢測進行了較深入的研究，通過實時調(diào)節(jié)探傷儀增益來進行靈敏度補償，但這降低了檢測效率和探傷儀壽命［9－13］。

基于以上問題，提出了一種變厚度構(gòu)件超聲C掃描軌跡規(guī)劃和增益補償方法，主要研究在保證檢測結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上，如何高效地規(guī)劃掃查軌跡，補償因構(gòu)件厚度變化、表面曲率等造成的聲衰減。

1 變厚度構(gòu)件信號衰減及補償原理

超聲波在材料中傳播時，除了有擴散損失外，還有材料的內(nèi)摩擦以及組織界面的散射，使沿材料內(nèi)部傳播的超聲波能量衰減。此種衰減情況可用衰減系數(shù)α0表示，設與探頭表面的軸向距離為x，如圖1所示，x＝0處的聲壓（振幅）為P0，x處的聲壓為Px，滿足

圖1 距離探頭不同位置聲壓示意圖

在實際檢測中，常用分貝（dB）表示兩聲波的聲壓（P1和P2）或聲強（I1和I2）之間的關(guān)系［14］，式中分貝（dB）表示為K，即

聲強I、聲壓P、探傷儀顯示器的透射波高度H之間存在如下關(guān)系：

對變厚度構(gòu)件的檢測，除了考慮缺陷衰減外，還應考慮厚度、表面曲率變化引起聲衰減的不同。

如圖2，當發(fā)射探頭處入射聲壓P0相同、構(gòu)件厚度相等，構(gòu)件內(nèi)部分別有缺陷、無缺陷時接收到的透射波高度如圖2（a），（b）所示；而當發(fā)射探頭入射聲壓相同、構(gòu)件厚度分別為x1和x2（x1＜x2）時，接收到的透射波高度如圖2（c），（d）所示。

由于透射法超聲檢測中，缺陷判別的依據(jù)就是透射波高度的變化，而圖2（b），（d）中透射波高度基本一致。在實際檢測中，這將導致檢測過程中的誤判，即將圖2（b）判斷為構(gòu)件內(nèi)部無缺陷信號或?qū)D2（d）判斷為構(gòu)件內(nèi)部有缺陷信號。因此，對于變厚度構(gòu)件，必須通過增益補償構(gòu)件厚度對檢測結(jié)果的影響。

圖2 變厚度構(gòu)件的穿透法檢測原理圖

“增益補償”，就是通過調(diào)整增益，改變接收信號的幅值，對因厚度、表面曲率造成的衰減進行補償。增益的調(diào)整方法有兩種：一種是基于探傷儀的硬件調(diào)整，即直接調(diào)節(jié)探傷儀上的增益值；另一種是基于計算機軟件參數(shù)的調(diào)整，即不改變探傷儀增益，而只改變軟件A 波的信號幅值，從而影響C 型成像以及后處理結(jié)果。由于硬件調(diào)整要頻繁地與探傷儀進行通信，降低了檢測效率，還會加重儀器的使用負擔，降低儀器使用壽命。因此，采用軟件調(diào)整的方法。

由式（2），（3）可得

即增益補償值與補償前后位置波高比值的對數(shù)成正比，即通過調(diào)整增益就可以調(diào)節(jié)顯示屏上的波高。首先確定一個初始波高H2，當波高小于某個值H1（確定這個值的依據(jù)是“要能發(fā)現(xiàn)檢測標準要求發(fā)現(xiàn)的最小缺陷”［15］）時，補償K的增益值，使波高達到H2。K即為C型成像時的補償系數(shù)。

由式（4）可得

C型成像時，需獲取波高H值進行顏色映射，H1是原始數(shù)據(jù)，H2是H1補償后應達到的高度，因此，只需把得到的H1值乘以系數(shù)10K／20，就可得到補償后的C型圖。

2 軌跡規(guī)劃和增益補償方法

掃查軌跡規(guī)劃是指掃查時兩探頭沿構(gòu)件外輪廓進行自動化掃查的路徑。一般情況下，考慮聲波在進入構(gòu)件時會在構(gòu)件的表面發(fā)生反射、折射，兩探頭晶片連線方向與表面檢測點的法線方向相同時，超聲波在材料中的衰減最小［16］。但在實際掃描過程中，由于變厚度構(gòu)件兩側(cè)表面是不平行的，而穿透法要保證兩探頭對齊，在此不考慮探頭姿態(tài)的調(diào)整。

如圖3所示，獲取檢測掃描起點、厚度轉(zhuǎn)折點、掃描終點的坐標，以此來確定被檢構(gòu)件的空間形狀。掃描間距確定各個點位的X坐標，步進間距確定各個點位的Y、Z坐標。通過軌跡規(guī)劃，得到探頭的掃查軌跡和所有掃描點的位置坐標（x，y，z）。

圖3 變厚度復合材料板材掃描示意圖

軌跡規(guī)劃完成之后進行增益補償。如圖4 所示，首先取一個構(gòu)件衰減較小的位置，調(diào)整增益使此處波高處于合適高度H。參考軌跡規(guī)劃中轉(zhuǎn)折點的概念，在構(gòu)件的起點、轉(zhuǎn)折點、終點處，由于厚度增加和曲率不同，波高會明顯低于H，故進行增益補償，使波高達到H，得到其增益補償值。

圖4 規(guī)則變厚度構(gòu)件靈敏度補償示意圖

圖4中只需要對5個點進行補償，由于相鄰兩點之間的厚度是線性變化的，故采用線性插值的方法計算出相鄰兩補償點之間所有點的增益補償值，方法如下。

設這兩個點是N和N＋1，其增益補償值對應為KN和KN＋1，Z方向坐標分別為ZN和ZN＋1，則在N和N＋1之間任意一點P的增益補償值為增益補償完成之后，構(gòu)件上所有點的位置坐標值（x，y，z）和對應的增益補償值（K）便可確定，再按式（5）補償?shù)匠上駭?shù)組。

以上方法是針對截面相對規(guī)則的變厚度構(gòu)件，而在實際應用中也會有一些幾何截面不規(guī)則的構(gòu)件，如圖5所示。此時將相鄰的兩個點位之間厚度近似看作是線性變化的，仍按式（6）來計算。選取的兩個補償點之間距離越短，其變化越接近線性，補償結(jié)果也越精確。

圖5 不規(guī)則截面變厚度構(gòu)件增益補償示意圖

3 檢測試驗和結(jié)果

試驗用的變厚度構(gòu)件試樣如圖6所示。試樣兩端是變厚區(qū)，厚度由5mm 線性變化到10mm，中間部分是等厚度區(qū)，厚度為10 mm，其中一側(cè)變厚區(qū)和等厚區(qū)預埋有φ5mm 的缺陷。

圖6 變厚度試樣

對此變厚度試樣進行超聲檢測試驗，不采用增益補償及經(jīng)過增益補償方法之后，分別得到如圖7（a），（b）所示的檢測結(jié)果。

圖7 變厚度試樣補償前后的檢測結(jié)果

根據(jù)檢測結(jié)果可以看出，沒有增益補償時，試樣的兩端變厚區(qū)由于曲率的存在，超聲波的反射和散射衰減比等厚區(qū)更為嚴重，如果不清楚試樣的結(jié)構(gòu)很容易做出變厚區(qū)是缺陷的誤判；此外，由于衰減嚴重，變厚區(qū)缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，也容易造成變厚區(qū)沒有缺陷或者與實際缺陷尺寸不對應的誤判。進行增益補償后，試樣衰減嚴重的變厚區(qū)跟等厚區(qū)保持相同的能量水平，并且能夠清晰地發(fā)現(xiàn)變厚區(qū)中的缺陷。

4 結(jié)論

（1）具有軌跡規(guī)劃和增益補償功能的變厚度構(gòu)件超聲C掃描方法可用于不同截面的變厚度構(gòu)件檢測，操作簡化，易于實現(xiàn)，提高了檢測效率。

（2）提出的增益補償方法綜合考慮了被測試件的曲率和厚度等變化對衰減的影響，檢測結(jié)果具有較高的可靠性。

（3）該方法的局限性在于要求被檢試樣沿掃描方向的截面相同或近似不變，即在掃描任意一行時，厚度變化很小。對于沿掃描方向截面變化很大的構(gòu)件，還需要對每一行的掃描進行軌跡規(guī)劃和靈敏度補償。

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