近年來(lái),碳纖維復(fù)合材料由于具有優(yōu)良的綜合性能而被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、電子、紡織、航空航天等領(lǐng)域。但在制造的過(guò)程中由于理論不完善和工藝等原因,復(fù)合材料的內(nèi)部幾乎不可避免的會(huì)形成孔隙、夾雜、基體開(kāi)裂、分層等缺陷,其中孔隙是復(fù)合材料中最常見(jiàn)的缺陷,絕對(duì)沒(méi)有孔隙的復(fù)合材料構(gòu)件是不存在的。研究表明,如果復(fù)合材料的孔隙率增加到一定程度,材料就會(huì)由于強(qiáng)度的急劇下降而失效[1 4]。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料板的檢測(cè)一般采用抽樣然后做酸吸收實(shí)驗(yàn)或顯微照相的方法,但是這2種方法均屬于破壞性實(shí)驗(yàn),這樣就會(huì)浪費(fèi)大量的材料,同時(shí)也會(huì)由于抽樣的隨機(jī)性和同一批材料的巨大差異而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此,研制能夠用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料孔隙率的智能儀器就顯示出無(wú)比的重要性。文中針對(duì)航空領(lǐng)域?qū)Ｓ玫奶祭w維復(fù)合材料板材,基于超聲波的聲衰減模型,開(kāi)發(fā)出了一種能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)孔隙率的便攜式智能儀器。

2　檢測(cè)原理與硬件結(jié)構(gòu)

2.1　檢測(cè)基本原理

超聲波在傳播的過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減,其衰減用衰減系數(shù)α表示。如果初始聲壓為P0,傳播一段距離X后聲壓為P1,則有下式成立[5]:

如果X的單位為mm,則α的單位為dB/mm。若僅考慮孔隙缺陷,則碳纖維復(fù)合材料的體積孔隙率Pv與超聲波底面波和表面波的衰減系數(shù)αT之間有下面的近似關(guān)系式成立[6]:

式中:C0、C1、C2為依賴(lài)于頻率的常數(shù)。所以在探頭頻率已經(jīng)選定的情況下,對(duì)于相同的碳纖維復(fù)合材料,如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定出某些試塊的衰減系數(shù)和孔隙率,就可以標(biāo)定出C0、C1、C2的值,最后可以解出復(fù)合材料的體積孔隙率為:

因此當(dāng)超聲波探頭在復(fù)合材料板上進(jìn)行移動(dòng)掃描時(shí)(如圖1所示),可以根據(jù)采集到的表面波和底面波的幅值計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)位的衰減系數(shù),進(jìn)而得出復(fù)合材料的孔隙率。

2.2　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要包括筆記本計(jì)算機(jī)、擴(kuò)展箱、高速超聲波數(shù)據(jù)采集卡(PCI)、超聲波探頭、位置傳感器、手持架等。其中位置傳感器是由2個(gè)USB接口的鼠標(biāo)通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序的二次開(kāi)發(fā)改制而成,位置傳感器和超聲波探頭固定在手持架上。采用筆記本電腦是為了保證儀器的便攜性,使用擴(kuò)展箱是為超聲波數(shù)據(jù)采集卡提供PCI插槽接口,系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

檢測(cè)過(guò)程為:手拿著手持架在碳纖維復(fù)合材料板上移動(dòng)掃描,手持架上的超聲波探頭將向復(fù)合材料板發(fā)射一定頻率的超聲波聲壓信號(hào),聲壓信號(hào)分別由材料的上表面和下表面反射回來(lái)并被探頭接收并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行放大、整形、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理后通過(guò)擴(kuò)展箱送到筆記本電腦。與此同時(shí),手持架上的位置傳感器將探頭在復(fù)合材料板上的位置信息通過(guò)USB接口送入筆記本電腦,在筆記本電腦中用軟件對(duì)各個(gè)點(diǎn)位的信號(hào)進(jìn)行分析、處理并提取出表面波信號(hào)和底面波信號(hào),由表面波和底面波之間的采樣點(diǎn)數(shù)可得出復(fù)合材料板在相應(yīng)點(diǎn)的厚度,這樣就可計(jì)算出各點(diǎn)的衰減系數(shù),根據(jù)衰減系數(shù)即可得出材料各點(diǎn)的孔隙率,將各點(diǎn)的孔隙率取平均值即可得到整塊板或某掃描區(qū)域的平均孔隙率。

       3　軟件設(shè)計(jì)

由于儀器的設(shè)計(jì)要求為便攜式系統(tǒng),所以硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)講比較簡(jiǎn)單。但系統(tǒng)的功能需求又比較強(qiáng)大,所以軟件設(shè)計(jì)工作為儀器研制的主要工作。軟件開(kāi)發(fā)工具使用VC++,以菜單和工具欄的形式提供標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作界面。

3.1　軟件需求分析

系統(tǒng)軟件功能需求比較多,現(xiàn)選擇其主要功能進(jìn)行分析:

(1)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料孔隙率數(shù)值實(shí)時(shí)顯示和C掃描成像功能;系統(tǒng)采用不同的色度值表示圖像中各點(diǎn)孔隙率的大小,用調(diào)色板文件來(lái)調(diào)節(jié)C掃描圖像的顯示。

(2)實(shí)現(xiàn)孔隙率分布的圖表分析功能;這里用直方圖的方式顯示材料中不同的孔隙率所占的百分比。

(3)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)報(bào)告的生成和打印功能。采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理檢測(cè)工作信息,將有關(guān)的數(shù)據(jù)和圖像轉(zhuǎn)化為word格式的報(bào)表,可以很方便的保存或打印。

3.2　軟件體系設(shè)計(jì)

軟件體系采取模塊化設(shè)計(jì),根據(jù)功能需求分成4個(gè)模塊:用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與處理和新材料檢測(cè)模塊。用戶管理模塊保證了系統(tǒng)的保密和安全性,它負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)登陸密碼驗(yàn)證、添加用戶、刪除用戶、修改密碼等功能。系統(tǒng)設(shè)置模塊主要用于設(shè)定探頭頻率、觸發(fā)延遲、增益等檢測(cè)參數(shù),這樣可以適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。數(shù)據(jù)采集與處理模塊是軟件的核心模塊,它完成超聲波信號(hào)和位置信息的采集、分析、圖像顯示等功能。材料檢測(cè)模塊是為了使軟件能夠檢測(cè)沒(méi)有標(biāo)定過(guò)的新型碳纖維復(fù)合材料而增加的模塊,這需要先對(duì)新材料進(jìn)行預(yù)掃描,然后用預(yù)掃描采集到的數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定新材料并產(chǎn)生新的計(jì)算公式。這樣就可以對(duì)這種新材料進(jìn)行孔隙率檢測(cè)了。圖3是整個(gè)軟件系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)和功能圖。

4　檢測(cè)實(shí)例

現(xiàn)使用系統(tǒng)對(duì)一碳纖維復(fù)合材料板中尺寸為10cm×10cm的區(qū)域進(jìn)行孔隙率檢測(cè),圖4是材料的超聲波C掃描圖像,其中色度比較深的地方是孔隙率較大的區(qū)域,從圖中可以很清楚的看到材料右邊區(qū)域的孔隙率要大大高于左邊區(qū)域,并且可以得知孔隙的大致分布情況。

圖5所示為檢測(cè)所得孔隙率分布的直方圖,由圖可知材料孔隙率范圍在0.75%～1.0%和1.13%～1.38%之間所占的百分比較大。在形成的報(bào)表中,此材料板的平均孔隙率為1.2%。

5　結(jié)束語(yǔ)

課題通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),標(biāo)定了碳纖維復(fù)合材料孔隙率和超聲波信號(hào)衰減之間的關(guān)系式,采用先進(jìn)的超聲波檢測(cè)技術(shù),研制出了用于碳纖維復(fù)合材料孔隙率檢測(cè)的便攜式超聲系統(tǒng)。該系統(tǒng)集超聲波探傷、傳感技術(shù)、信號(hào)采集、處理、顯示于一體,能夠?qū)崟r(shí)顯示材料的孔隙率和相應(yīng)的位置,同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的超聲波C掃描顯示,能夠?qū)Σ牧系目紫堵实姆植歼M(jìn)行分析,最后形成報(bào)表。儀器輕便、快捷,非常適合現(xiàn)場(chǎng)使用。