復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)的不確定度評(píng)定

楊超

摘要：超聲檢測(cè)技術(shù)在缺陷定位和定位測(cè)量的過(guò)程中，呈現(xiàn)出了準(zhǔn)確性和可靠性的特點(diǎn)，在復(fù)合型材料結(jié)構(gòu)的檢測(cè)行業(yè)當(dāng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。為了充分的保障檢測(cè)和評(píng)定結(jié)果的質(zhì)量，需要對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)的不確定程度進(jìn)行評(píng)定，從而強(qiáng)化檢測(cè)結(jié)果的可信度。在基于超聲反射法檢測(cè)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，需要對(duì)不同尺寸的平底孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)，保證檢測(cè)階段的定量性，利用底波幅值衰減的方法標(biāo)定缺陷的邊界，從而獲得缺陷的實(shí)際尺寸，建立不確定度傳遞的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)影響檢測(cè)結(jié)果的干擾因素進(jìn)行分析，得出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)不確定度評(píng)定的相關(guān)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料結(jié)構(gòu);超聲檢測(cè);不確定度;評(píng)定

超聲檢測(cè)是控制并保障鈦-鋼復(fù)合材料質(zhì)量的有效方法，通過(guò)對(duì)材料內(nèi)部缺陷或者不均勻程度所引起的聲波變化進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)材料的缺陷、性質(zhì)、深度和尺寸等進(jìn)行判斷。隨著大眾對(duì)復(fù)合材料超聲檢測(cè)技術(shù)的認(rèn)知程度不斷加深，在復(fù)合材料超聲檢測(cè)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)不確定度的定量化設(shè)置，建立了完善的表征系統(tǒng)，掌握了誤差和重復(fù)性隨機(jī)誤差出現(xiàn)概率，通過(guò)對(duì)影響檢測(cè)結(jié)果的綜合性因素進(jìn)行分析，以不確定度作為超聲檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量保證基礎(chǔ)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，在基于表征檢測(cè)結(jié)果的同時(shí)提高了檢測(cè)結(jié)果的可信度。

一、復(fù)合材料超聲檢測(cè)與金屬材料超聲檢測(cè)之間的不同

對(duì)于復(fù)合型的材料來(lái)說(shuō)，在一般情況下可以使用超聲反射法或者超聲穿透法，通過(guò)對(duì)邊界缺陷的檢驗(yàn)確定相應(yīng)的尺寸。不僅如此，還可以將不同類型的成像模式進(jìn)行整合，在相互融合的基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行表征。金屬材料在通常情況下采用的是距離-輻度曲線法，并表示其缺陷的當(dāng)量實(shí)際尺寸，而不確定度的評(píng)定階段也需要建立在當(dāng)量尺寸的基礎(chǔ)上。由于現(xiàn)階段從不確定的角度入手，加強(qiáng)評(píng)定缺陷尺寸檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量等方面的研究相對(duì)較少，可以利用超聲反射法和超聲相控陣檢測(cè)復(fù)合材料的缺陷，并評(píng)定相應(yīng)的不確定度，從檢測(cè)儀器的角度入手分析不同類型的檢測(cè)參數(shù)對(duì)于缺陷檢出概率曲線和不確定程度所造成的影響，結(jié)合超聲檢測(cè)階段不確定度的主要來(lái)源以及其分量對(duì)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果所造成的干擾，針對(duì)復(fù)合型材料當(dāng)中的缺陷尺寸對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果不確定度進(jìn)行合理的評(píng)定。

二、實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備和方法的制定

首先，在材料的非檢測(cè)面預(yù)制平底孔時(shí)，需要以模擬分層缺陷為主將孔直徑設(shè)置為3mm、6mm、10mm以及14mm，從而獲取以對(duì)比試塊為主的超聲C掃描成像結(jié)果，需要對(duì)對(duì)比試塊的尺寸予以確定，選用特定的材料并利用熱壓罐成型工藝和準(zhǔn)各項(xiàng)層壓板結(jié)構(gòu)，將實(shí)際的尺寸保持在183mm×132mm左右，實(shí)際的厚度為3.26mm。其次，實(shí)驗(yàn)室的溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度則需要保持在（50%±5%）RH的范圍內(nèi)，還需要以鋼板尺為主，將其作為主要的計(jì)量器具進(jìn)行使用，其最小刻度為0.5mm。最后，需要對(duì)設(shè)備以及計(jì)量器具進(jìn)行檢測(cè)。將復(fù)合材料超聲檢測(cè)設(shè)備的型號(hào)設(shè)置為FCC-B，鏡片的直徑設(shè)置為30mm，焦距為50mm，聚焦換能器的型號(hào)為FJ-1中心，頻率調(diào)整為5MHz，焦柱的直徑則為0.5mm。

三、檢測(cè)方法的確定

利用超聲反射法檢測(cè)對(duì)比試塊中所模擬的分層缺陷，根據(jù)超聲6dB法對(duì)缺陷的邊界予以確定，以無(wú)缺陷處的底波幅值為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，將換能器從無(wú)缺陷區(qū)域向有缺陷區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)底波幅值降低為6dB時(shí)，所標(biāo)記的缺陷邊界點(diǎn)可以設(shè)置為P，將各個(gè)邊界點(diǎn)進(jìn)行相互串聯(lián)，從而得到缺陷區(qū)域的輪廓情況，進(jìn)一步得出清晰的圖紙內(nèi)容。將所需檢測(cè)的缺陷區(qū)域中距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)邊界點(diǎn)的距離進(jìn)行測(cè)定，在得出垂直于兩點(diǎn)之間長(zhǎng)度方向邊界點(diǎn)距離時(shí)，進(jìn)一步計(jì)算出缺陷的尺寸，再對(duì)缺陷尺寸超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，最后得出平均值。

四、評(píng)定輸出量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

首先，需要對(duì)缺陷邊界點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行評(píng)定。將缺陷邊界點(diǎn)標(biāo)定為P，在引入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上確定不確定度的主要來(lái)源。一方面是由超聲檢測(cè)儀器靈敏度引入標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)分量不確定度的評(píng)定，另一方面是在超聲6dB法的作用下，通過(guò)對(duì)缺陷區(qū)域邊界點(diǎn)的標(biāo)定，對(duì)引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度的分量進(jìn)行評(píng)定。其次，對(duì)于由超聲6dB法所引入的不確定度來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)計(jì)量科學(xué)研究院的測(cè)試，確定了超聲檢測(cè)儀器的型號(hào)以及垂直線性誤差，可以看出該系列的超聲檢測(cè)所允許的最大垂直線性誤差為5%，在均勻分布原則的指導(dǎo)基礎(chǔ)上得出了區(qū)間半寬度，進(jìn)一步獲得了引起標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量數(shù)據(jù)。最后，對(duì)于由超聲檢測(cè)儀器靈敏度引入的不確定度來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)計(jì)量科學(xué)研究院的不斷測(cè)試，得出了超聲檢測(cè)儀器的衰減誤差和準(zhǔn)確程度，并設(shè)置了清晰的等級(jí)。采用超聲6dB法標(biāo)定缺陷區(qū)域的實(shí)際邊界點(diǎn)時(shí)，不僅可以得出實(shí)際的衰減量，還能夠獲得最大允許程度下的衰減誤差，堅(jiān)持均勻分布的原則得出了區(qū)間的半寬度，并進(jìn)一步獲取了引起標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的數(shù)據(jù)。

五、測(cè)定缺陷長(zhǎng)度和寬度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

一方面，需要基于缺陷寬度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)得出不確定度。根據(jù)合理的檢測(cè)方法以及清晰的數(shù)據(jù)模型，列出各項(xiàng)不確定度分量的主要來(lái)源，明確掌握缺陷區(qū)域?qū)挾扰c缺陷區(qū)域長(zhǎng)度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，可以看出不確定度具有趨同性。對(duì)于缺陷尺寸檢測(cè)重復(fù)性所引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)說(shuō)，不僅得出了檢測(cè)值和缺陷尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)，再由超聲檢測(cè)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)引入相對(duì)不確定度的相關(guān)數(shù)據(jù)，還可以看出標(biāo)準(zhǔn)試塊當(dāng)中不同的模擬缺陷，由檢測(cè)重復(fù)性引起的缺陷尺寸相對(duì)不確定度有所不同。另一方面，還需要測(cè)定缺陷長(zhǎng)度不確定度。首先，需要測(cè)量邊界點(diǎn)的間距，并得出引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量情況。其次，需要在標(biāo)準(zhǔn)試塊模擬情況下，得出缺陷尺寸不確定度的分量。最后，需要基于鋼板尺分辨力引入，得出標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

六、明確超聲檢測(cè)法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不確定度評(píng)定階段的重要作用

首先，在評(píng)定不確定度的過(guò)程中，可以結(jié)合評(píng)價(jià)檢測(cè)的主要結(jié)果，在確保監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上，若不確定度的相關(guān)數(shù)據(jù)越小，所得出的檢測(cè)結(jié)果與被檢測(cè)的缺陷尺寸的真值更加接近，所使用的檢測(cè)方法和檢測(cè)技術(shù)水平會(huì)不斷提高，從而保障了檢測(cè)結(jié)果的可信度和可依賴程度。其次，在分析鈦-鋼復(fù)合板材料缺陷超聲檢測(cè)結(jié)果不確定度評(píng)定階段的過(guò)程中，可以將評(píng)定結(jié)果劃分成為A類不確定度評(píng)定和B類不確定度評(píng)定等兩種不同的部分。其中，對(duì)于B類不確定評(píng)定來(lái)說(shuō)，需要對(duì)儀器、方法和試塊等多種不同的因素予以綜合性的考慮，從而引入的不確定分量，而A類不確定度的評(píng)定主要來(lái)源為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分布，在重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響下，對(duì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行了表征處理。再次，由于影響鈦-鋼復(fù)合板型材料缺陷超聲檢測(cè)的干擾因素具有多樣化的特點(diǎn)，在評(píng)定不確定度的過(guò)程中，需要從材料結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方法、缺陷性質(zhì)、檢測(cè)靈敏度等不同的方面入手，明確掌握影響檢測(cè)結(jié)果的因素來(lái)源。最后，在評(píng)定不確定度的過(guò)程中，還有助于強(qiáng)化各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果之間的可比性。例如：在利用超聲檢測(cè)方法時(shí)，對(duì)鈦-鋼復(fù)合型材料實(shí)施超聲類檢測(cè)，不僅能夠得出檢測(cè)的靈敏程度，還可以獲取精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果、不確定度以及相對(duì)拓展不確定度。若兩次的檢測(cè)結(jié)果誤差相差在15%以內(nèi)時(shí)，則可以判定缺陷尺寸稍微出現(xiàn)明顯的變化。

結(jié)論：

利用超聲反射法檢測(cè)鈦-鋼復(fù)合型材料結(jié)構(gòu)不確定度的過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果對(duì)相關(guān)干擾因素所帶來(lái)的影響予以綜合性的考慮和深入的分析，從而得出缺陷尺寸不確定度的評(píng)定結(jié)果，有助于保障實(shí)際檢測(cè)結(jié)果的可靠性。在傳統(tǒng)的檢測(cè)工作中通常是以誤差表述為主，判定超聲檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，而誤差則表明了被檢測(cè)主體的估計(jì)值以及偏離參考量值的程度。對(duì)于復(fù)合材料超聲檢測(cè)作業(yè)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)對(duì)不確定度等數(shù)據(jù)信息的引入，保障系統(tǒng)誤差和重復(fù)性隨機(jī)誤差的定量表征效果，在可信的概率范圍之內(nèi)評(píng)定檢測(cè)結(jié)果的綜合影響程度，利用不確定度等相關(guān)數(shù)據(jù)表明測(cè)量值所呈現(xiàn)出的分散性特點(diǎn)，將不確定度等相關(guān)數(shù)據(jù)作為超聲檢測(cè)階段的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，保障最終檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量。

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