[發明專利]碳纖維復合材料表面臨界折射縱波激發檢測系統及方法

在審

• 申請號: 202110142417.1
• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號: CN112946077A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 潘勤學;張云淼;黃曉欣;李雙陽;徐曉宇;常梅樂;李颯;李偉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/28
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 李娜;王順榮

本發明提供了一種碳纖維復合材料表面臨界折射縱波激發檢測系統及方法，能夠通過使用變角度楔塊調整超聲入射角度，在接收楔塊中觀察到接收波形的最大幅值，從而對碳纖維復合材料第一臨界角進行標定后，進而確定在材料近表面處激發出了臨界折射縱波。本發明可以測量出激發臨界折射縱波的最佳入射角，從而確保材料中激勵出標準的臨界折射縱波，擁有更準確的傳播方向，更小的衰減和散射，提高無損檢測測量區域的準確度。得到最佳的接收信號，幅值較大，特征清晰，便于分析利用。

技術領域

本發明涉及超聲無損檢測及結構健康監測領域，具體涉及一種基于接收波幅值的碳纖維復合材料表面臨界折射縱波激發檢測系統及方法。

背景技術

使用超聲臨界折射縱波(Critically Refracted Longitudinal wave,LCR wave)對材料表面進行檢測是超聲無損檢測中常用的手段。臨界折射縱波是基于斯涅爾定律，利用第一臨界入射角形成的沿材料表面傳播的縱波。使用超聲臨界折射縱波對材料表面進行檢測是超聲無損檢測中常用的手段。臨界折射縱波是基于斯涅爾定律，利用第一臨界入射角形成的沿材料表面傳播的縱波。近年來應用LCR波對材料進行應用檢測的研究領域主要為管道焊接應力、復雜曲面的殘余應力、軌道表面殘余應力等。總結來講，目前使用LCR波進行超聲檢測的研究和應用領域主要為金屬等各向同性材料。

LCR波方法在碳纖維復合材料的無損檢測中擁有很高的應用潛力。該方法對于超聲入射角度和傳感器的接收角度有著嚴格的要求，而碳纖維復合材料作為各向異性材料，其內部結構會對超聲的傳播造成很大的影響。與各向同性材料不同，為了在碳纖維復合材料上激發出LCR波并獲得良好的收波效果，需要對相應碳纖維復合材料中LCR波的最佳激發角度進行標定。

發明內容

本發明提供了一種基于接收波幅值的碳纖維復合材料表面臨界折射縱波激發檢測系統及方法，能夠通過使用變角度楔塊調整超聲入射角度，在接收楔塊中觀察到接收波形的最大幅值，從而對碳纖維復合材料第一臨界角進行標定后，進而確定在材料近表面處激發出了臨界折射縱波。

本發明的具體技術方案如下：

(1)本發明提供的檢測系統，其組成部分由圖1所示。整個系統由工控機系統、脈沖激勵卡、變角度超聲楔塊、超聲換能器、數據采集卡構成。

工控機系統是直接與人交互的計算機系統，與脈沖激勵卡及數據采集卡直接連接，通過自行研發的超聲無損檢測軟件向脈沖激勵卡發送命令并解析和展示由數據采集卡記錄的超聲數據，將采集到的超聲波形顯示在屏幕上，軟件流程圖如圖2所示。

脈沖激勵卡一端與工控機系統連接，另一端和超聲換能器連接，當接收工控機系統的命令后，向超聲換能器發送脈沖波；

數據采集卡通過與負責接收信息的超聲換能器連接，采集超聲換能器的相關電信號信息，并發送給工控機系統。

其中，超聲換能器可將輸入的電功率轉換成機械功率(即超聲波)再傳遞出去，也可將收到的機械功率轉換能電功率。本系統中應用2個超聲換能器和2個變角度超聲楔塊，其中1組超聲換能器和變角度楔塊接收來自脈沖激勵卡的脈沖波，向材料中發射超聲波，另1組超聲換能器和變角度楔塊接收由材料中傳出的波形。

變角度超聲楔塊為超聲換能器與待測材料之間的輔助模塊，用于固定超聲換能器，使其與被測材料表面形成穩定的位置關系，其結構示意圖如圖3所示。為減小表面之間的空氣對超聲波傳播的影響，變角度超聲楔塊同時與超聲換能器和材料表面使用耦合劑進行耦合。使用時，超聲波從超聲換能器發出后通過變角度超聲楔塊內部抵達材料表面，經折射后在材料內部傳播，由另一組變角度超聲楔塊和超聲換能器接收。