基于毫米波檢測的CFRP沖擊損傷可視化定量評估*

譚建國， 李 勇， 李文嘉， 胡金花， 陳振茂

(西安交通大學 航天航空學院 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室 陜西省無損檢測與結(jié)構(gòu)完整性評價工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710049)

0 引 言

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)由于具有質(zhì)量輕、強度高、抗疲勞性好和可設計性強等優(yōu)點，廣泛應用于航空、能源、化工等領域的工程結(jié)構(gòu)中。由于低速沖擊載荷的作用，服役中的CFRP表面易出現(xiàn)缺損、凹坑等沖擊損傷。由于其表面常覆有保護層及其他覆蓋物，這類隱藏沖擊損傷難以發(fā)現(xiàn)，造成CFRP工程結(jié)構(gòu)存巨大安全隱患。因此，對CFRP沖擊損傷實施有效無損檢測和定量評估十分必要。

毫米波是一種高頻電磁波[1]，基于毫米波的無損檢測方法(即毫米波檢測),相比于低頻電磁無損檢測方法[2～4]具有以下優(yōu)勢[5～7]：非接觸檢測，提離較大；頻譜寬，波長短，方向性好;其極化特性可以提高檢測具有方向性缺陷的靈敏度，兩個不同缺陷的分辨率可達檢測波長的1/10[8]；介電材料的損耗因子以及毫米波的工作頻率，使毫米波對非金屬材料穿透能力較強[8]；對于脫粘等面狀缺陷有較好的檢測精度；輻射較小，對人體危害較低。隨著CFRP應用領域的擴大，毫米波檢測CFRP越來越受到重視。Ghasr M T等人[9]通過設計新型毫米波反射計，減小了CFRP損傷成像陣列的尺寸和能量消耗；邢賀民等人[10]通過對不同非金屬基的復合材料試驗，得出回波損耗可以作為研究復合材料內(nèi)部缺陷特征參量的結(jié)論；Zhang H[11]在毫米波頻域信號成像中，通過主成分分析(principal component analysis,PCA)法，提高了成像的精度。

本文集中探究基于毫米波檢測的CFRP沖擊損傷可視化定量評估技術(shù)。通過建立CFRP沖擊損傷的毫米波無損檢測三維有限元仿真模型，研究毫米波檢測信號特性，提出用于損傷成像的信號特征。搭建8～40 GHz頻段毫米波檢測實驗平臺，通過掃頻檢測研究，探究了CFRP沖擊損傷毫米波檢測成像關(guān)鍵。

1 仿真研究

本文建立了矩形波導探頭的全尺寸有限元仿真模型，如圖1所示。矩形波導探頭[12]用于激發(fā)和接收一定頻段的毫米波，其結(jié)構(gòu)包括SMA接口和矩形波導管，具體尺寸參數(shù)為探針半徑r為0.64 mm，探針長度l1為17 mm，管壁內(nèi)徑R為2.05 mm,管壁厚d為0.6 mm,管壁長l2為8 mm。其中，SMA接口填充物為聚四氟乙烯(polytetrafluoro-ethylent,PTFE)，矩形波導管填充物為空氣。探頭工作頻段為X波段(8.2～12.4 GHz)，探頭提離(波導管開口端部到CFRP表面的距離)為5 mm。仿真計算所求參數(shù)為S參數(shù)(scattering parameter)S11，其頻域信號計算結(jié)果的實部、虛部如圖2(a)所示?？梢姡琒11頻域信號的實部、虛部與激勵頻率相關(guān)聯(lián)，因此，檢測時對激勵頻率的選取十分重要。為了進一步分析S11時域信號，采用逆傅里葉變換對頻域信號進行處理，求取可得S參數(shù)時域信號，如圖2(b)所示，可見，時域信號出現(xiàn)3個波包。

圖1 有限元仿真模型及SMA接口示意

圖2 有限元仿真所得S參數(shù)頻域、時域信號

為探究各波包出現(xiàn)原因，建立了圖3所示的3個模型，其中，圖3(a)所示模型僅考慮矩形波導管，毫米波激勵端為矩形波導管一端；圖3(b)所示模型考慮矩形波導探頭，毫米波激勵端為SMA接口；圖3(c)為全尺寸模型，包含矩形波導探頭、空氣域和被測試件。試件電導率為σxx=σyy=1×104S/m，σzz=10 S/m，其中，σxx，σyy表示試件x和y方向的電導率，σzz表示試件厚度z方向的電導率；試件相對磁導率μr=1，相對介電常數(shù)εr=3.6。

圖3 考慮不同探頭結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真模型

將圖3所示3個模型仿真計算得到的S參數(shù)頻域信號經(jīng)逆傅里葉變換得到S參數(shù)時域信號。由矩形波導管模型仿真得出的S參數(shù)時域信號僅存一個波包，進一步分析表明，該波包出現(xiàn)原因是由于在矩形波導管端口處存在異質(zhì)界面，當激發(fā)的毫米波經(jīng)過該界面時發(fā)生反射，探頭所拾取的S參數(shù)時域信號出現(xiàn)明顯波包。相較于矩形波導管模型，矩形波導探頭模型的S參數(shù)時域信號出現(xiàn)了兩個波包，分析表明，新波包出現(xiàn)的原因是由于激發(fā)的毫米波在SMA接口探針處的反射效應造成。對比于前兩種情況,全尺寸模型的S參數(shù)時域信號存在三個波包，新波包產(chǎn)生原因是由于激發(fā)的毫米波在試件表面處的反射效應造成。為描述方便，令該新出現(xiàn)的波包為第三波包，由于其出現(xiàn)原因直接與試件表面相關(guān)，因此第三波包含有試件表面狀態(tài)的信息，在后續(xù)研究中，集中分析S參數(shù)時域信號的第三波包，用于CFRP表面沖擊損傷的檢測和可視化。

為探究S參數(shù)時域信號第三波包與沖擊損傷的關(guān)聯(lián)規(guī)律，仿真中，在試件表面設置了一個尺寸為5 mm×20 mm×1.5 mm的沖擊損傷，如圖4(a)，探頭對該損傷進行一維掃查(y=0)，以損傷中心為坐標原點，掃查路徑從x=-16至x=16 mm，掃查間隔為2 mm。所得結(jié)果為各掃查點對應的S參數(shù)時域信號，提取第三波包峰值和時域信號積分作為信號特征，繪制S參數(shù)時域信號特征—探頭位置曲線，并對其進行歸一化處理，所得CFRP沖擊損傷掃查曲線如圖4(b)所示,可見，在探頭中心位于x=-14 mm和x=14 mm時，第三波包峰值和時域信號積分均急劇減小，表明探頭位于損傷邊緣時，損傷邊界對毫米波散射效應較強，探頭所拾取的反射波強度減少，使第三波包峰值和時域信號積分降低；在探頭中心位于x=-8 mm和x=8 mm時，第三波包峰值和時域信號積分均急劇增大，表明探頭所激發(fā)入射波照射損傷區(qū)域時，損傷邊緣對毫米波散射效應減弱，探頭所拾取的反射波強度增大，進而使第三波包峰值和時域信號積分增強。由上述分析可知，S參數(shù)時域信號對沖擊損傷邊界響應靈敏，其信號特征可用于對CFRP沖擊損傷的檢測及定量評估。因此，選取第三波包峰值和時域信號積分作為S參數(shù)時域信號的特征量，用于CFRP表面沖擊損傷的成像。

圖4 S參數(shù)信號第三波包與沖擊損傷關(guān)聯(lián)規(guī)律

2 實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)

搭建了CFRP沖擊損傷毫米波自動化檢測系統(tǒng)如圖5所示。檢測系統(tǒng)由控制電腦PC端、矢量網(wǎng)絡分析儀(Agilent PNA N5224A)、X/Y/Z三維掃查裝置、矩形波導探頭和CFRP樣件組成。矩形波導探頭型號分別為WR90,WR51,WR28，工作頻段分別為8.2～12.4 GHz,14.5～22 GHz和26.5～40 GHz。實驗中，矩形波導探頭提離為5 mm。CFRP樣件尺寸為300 mm×300 mm×3 mm(12層)，每一層由碳纖維和環(huán)氧樹脂基體構(gòu)成，每一層內(nèi)部的碳纖維為同向排列結(jié)構(gòu)，相鄰兩層碳纖維按0°,45°,90°,135°循環(huán)排列。

圖5 毫米波檢測系統(tǒng)框圖

2.2 基于S參數(shù)信號頻域和時域特征量沖擊損傷成像

實驗首先探究基于S參數(shù)信號頻域特征量(各頻率對應的幅值和相位)、時域特征量(第三波包峰值和時域信號積分)的CFRP沖擊損傷檢測和可視化。在CFRP試件表面加工了一個尺寸為5 mm×20 mm×1.5 mm的表面缺陷，用于模擬沖擊損傷，分別采用不同工作頻段的矩形波導探頭對其進行二維掃查，提取各掃查點處S參數(shù)信號頻域、時域特征量，構(gòu)建沖擊損傷檢測圖像。

8.2～12.4 GHz頻段的成像結(jié)果如圖6、圖7所示，實線框表示沖擊損傷的實際位置以及形狀大小。

圖6 8.2～12.4 GHz頻段S參數(shù)信號頻域特征的損傷圖像

圖7 8.2～12.4 GHz頻段S參數(shù)信號時域特征的損傷圖像

由圖6可見，頻率為10.3 GHz時，S參數(shù)的幅值、相位成像結(jié)果均能反映損傷位置，但未能有效反映損傷大?。活l率為12.4 GHz時，損傷位置僅可由S參數(shù)幅值成像結(jié)果反映。由圖7可見，S參數(shù)信號時域特征量在損傷邊緣處減小，而在損傷中心處增大，與仿真結(jié)果相符，相較于圖6所示的S參數(shù)信號頻域特征量成像結(jié)果，采用S參數(shù)時域信號特征量對沖擊損傷進行成像，無需選取成像最優(yōu)頻率，成像效果較好。分析圖7可知，第三波包峰值和時域信號積分成像結(jié)果均能反映損傷的位置，但對損傷邊緣的響應靈敏度較差，未有效識別損傷邊界，容易造成對損傷開口尺寸的誤判。相較于時域信號積分成像結(jié)果，第三波包峰值成像結(jié)果對損傷邊界識別靈敏度更高，成像精度更佳。

基于S參數(shù)信號頻域特征的損傷圖像如圖8所示，可見，S參數(shù)的幅值、相位成像結(jié)果在14.5～22 GHz和26.5～40 GHz頻段內(nèi)均能反映損傷位置，且能有效地反映損傷大小。比較兩圖，可以發(fā)現(xiàn)較高激勵頻率對損傷邊界識別靈敏度更高，成像精度更佳。

圖8 S參數(shù)信號頻域特征的損傷圖像

基于S參數(shù)信號時域特征的損傷圖像如圖9所示?？梢姡琒參數(shù)信號時域特征量在損傷邊緣處減小，而在損傷中心處增大，與仿真結(jié)果相符。進一步分析可知，第三波包峰值和時域信號積分成像結(jié)果均能反映損傷的位置，對損傷邊緣的響應靈敏度較高，能有效識別損傷邊界，可較精確地判斷損傷開口尺寸。同時，相較于時域信號積分成像結(jié)果，第三波包峰值成像結(jié)果對損傷邊界識別靈敏度更高，成像精度更佳。

圖9 S參數(shù)信號時域特征的損傷圖像

26.5～40 GHz頻段的成像結(jié)果與8.2～12.4 GHz頻段、14.5～22 GHz頻段的成像結(jié)果比較，激勵頻段高的S參數(shù)信號頻域特征量和時域特征量成像更能反映損傷的位置和邊界，更適合CFRP沖擊損傷的可視化定量評估。

2.3 S參數(shù)信號時域特征量不同尺寸沖擊損傷成像

由前述實驗結(jié)果及分析可知，在CFRP沖擊損傷的毫米波檢測中，S參數(shù)時域信號第三波包峰值對沖擊損傷響應靈敏度更高，成像精度高，為進一步探究其對沖擊損傷可視化定量評估的可行性，在CFRP試件表面加工了5個不同尺寸的模擬沖擊損傷，其尺寸如表1所示。采用工作頻率為26.5～40 GHz的矩形波導探頭對所制備沖擊損傷進行二維掃查，提取掃查得到的S參數(shù)時域信號第三波包峰值，用于損傷成像。不同深度沖擊損傷的成像結(jié)果如圖10所示。

表1 沖擊損傷參數(shù)

圖10 第三波包峰值—損傷深度成像結(jié)果

可見，隨損傷深度的增加，損傷區(qū)域內(nèi)S參數(shù)時域信號第三波包峰值增大，表明該特征與損傷深度呈正相關(guān)，其原因在于，毫米波照射損傷時，造成其發(fā)生反射的損傷端面面積隨損傷深度增大而增大，探頭拾取的反射回波強度增強。不同寬度沖擊損傷的成像結(jié)果如圖11所示。

圖11 第三波包峰值—損傷寬度成像結(jié)果

可見，由于在損傷邊緣處的S參數(shù)時域信號第三波包峰值減弱，因此，沖擊損傷寬度變化通過識別圖像對比度直觀反映在損傷圖像中。隨損傷寬度的增大，損傷區(qū)域內(nèi)第三波包峰值隨之增大，表明第三波包峰值與沖擊損傷寬度相關(guān)。結(jié)合前述分析可知，利用所提S參數(shù)時域信號第三波包峰值可對CFRP沖擊損傷實施有效檢測及成像，所得損傷圖像可有效呈現(xiàn)損傷邊界，進而得出損傷開口面積，且該特征與損傷體積正相關(guān)，可進一步對CFRP沖擊損傷體積進行定量評估。

3 結(jié) 論

研究表明，沖擊損傷成像精度與毫米波頻率直接相關(guān)，采用較高激勵頻率，可有效提升CFRP沖擊損傷的成像精度，然而，需對損傷成像最優(yōu)激勵頻率進行有效選取。有鑒于此，本文提出了基于S參數(shù)時域信號第三波包峰值的沖擊損傷成像方法，該方法在保證損傷成像精度的基礎上，無需對最優(yōu)激勵頻率進行選取、成像效率高，且所得損傷圖像蘊含損傷信息更為豐富，可對沖擊損傷開口尺寸及體積進行有效定量評估。