近年來,碳纖維復合材料由于具有優良的綜合性能而被廣泛的應用于機械、電子、紡織、航空航天等領域。但在制造的過程中由于理論不完善和工藝等原因,復合材料的內部幾乎不可避免的會形成孔隙、夾雜、基體開裂、分層等缺陷,其中孔隙是復合材料中最常見的缺陷,絕對沒有孔隙的復合材料構件是不存在的。研究表明,如果復合材料的孔隙率增加到一定程度,材料就會由于強度的急劇下降而失效[1 4]。當前,國內對于碳纖維復合材料板的檢測一般采用抽樣然后做酸吸收實驗或顯微照相的方法,但是這2種方法均屬于破壞性實驗,這樣就會浪費大量的材料,同時也會由于抽樣的隨機性和同一批材料的巨大差異而導致實驗結果不準確。因此,研制能夠用于現場快速檢測碳纖維復合材料孔隙率的智能儀器就顯示出無比的重要性。文中針對航空領域專用的碳纖維復合材料板材,基于超聲波的聲衰減模型,開發出了一種能夠快速、準確地檢測孔隙率的便攜式智能儀器。

2　檢測原理與硬件結構

2.1　檢測基本原理

超聲波在傳播的過程中會發生衰減,其衰減用衰減系數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αT之間有下面的近似關系式成立[6]:

式中:C0、C1、C2為依賴于頻率的常數。所以在探頭頻率已經選定的情況下,對于相同的碳纖維復合材料,如果通過實驗測定出某些試塊的衰減系數和孔隙率,就可以標定出C0、C1、C2的值,最后可以解出復合材料的體積孔隙率為:

因此當超聲波探頭在復合材料板上進行移動掃描時(如圖1所示),可以根據采集到的表面波和底面波的幅值計算出各個點位的衰減系數,進而得出復合材料的孔隙率。

2.2　硬件系統結構

系統硬件主要包括筆記本計算機、擴展箱、高速超聲波數據采集卡(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USB接口的鼠標通過驅動程序的二次開發改制而成,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,使用擴展箱是為超聲波數據采集卡提供PCI插槽接口,系統體系結構如圖2所示。

檢測過程為:手拿著手持架在碳纖維復合材料板上移動掃描,手持架上的超聲波探頭將向復合材料板發射一定頻率的超聲波聲壓信號,聲壓信號分別由材料的上表面和下表面反射回來并被探頭接收并轉化為電壓信號,電壓信號經數據采集卡進行放大、整形、濾波、A/D轉換等處理后通過擴展箱送到筆記本電腦。與此同時,手持架上的位置傳感器將探頭在復合材料板上的位置信息通過USB接口送入筆記本電腦,在筆記本電腦中用軟件對各個點位的信號進行分析、處理并提取出表面波信號和底面波信號,由表面波和底面波之間的采樣點數可得出復合材料板在相應點的厚度,這樣就可計算出各點的衰減系數,根據衰減系數即可得出材料各點的孔隙率,將各點的孔隙率取平均值即可得到整塊板或某掃描區域的平均孔隙率。

       3　軟件設計

由于儀器的設計要求為便攜式系統,所以硬件結構相對來講比較簡單。但系統的功能需求又比較強大,所以軟件設計工作為儀器研制的主要工作。軟件開發工具使用VC++,以菜單和工具欄的形式提供標準的Windows操作界面。

3.1　軟件需求分析

系統軟件功能需求比較多,現選擇其主要功能進行分析:

(1)實現復合材料孔隙率數值實時顯示和C掃描成像功能;系統采用不同的色度值表示圖像中各點孔隙率的大小,用調色板文件來調節C掃描圖像的顯示。

(2)實現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)實現檢測報告的生成和打印功能。采用數據庫管理檢測工作信息,將有關的數據和圖像轉化為word格式的報表,可以很方便的保存或打印。

3.2　軟件體系設計

軟件體系采取模塊化設計,根據功能需求分成4個模塊:用戶管理、系統設置、數據采集與處理和新材料檢測模塊。用戶管理模塊保證了系統的保密和安全性,它負責完成系統登陸密碼驗證、添加用戶、刪除用戶、修改密碼等功能。系統設置模塊主要用于設定探頭頻率、觸發延遲、增益等檢測參數,這樣可以適應不同的現場檢測要求。數據采集與處理模塊是軟件的核心模塊,它完成超聲波信號和位置信息的采集、分析、圖像顯示等功能。材料檢測模塊是為了使軟件能夠檢測沒有標定過的新型碳纖維復合材料而增加的模塊,這需要先對新材料進行預掃描,然后用預掃描采集到的數據來標定新材料并產生新的計算公式。這樣就可以對這種新材料進行孔隙率檢測了。圖3是整個軟件系統的模塊結構和功能圖。

4　檢測實例

現使用系統對一碳纖維復合材料板中尺寸為10cm×10cm的區域進行孔隙率檢測,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域,從圖中可以很清楚的看到材料右邊區域的孔隙率要大大高于左邊區域,并且可以得知孔隙的大致分布情況。

圖5所示為檢測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。在形成的報表中,此材料板的平均孔隙率為1.2%。

5　結束語

課題通過大量的實驗,標定了碳纖維復合材料孔隙率和超聲波信號衰減之間的關系式,采用先進的超聲波檢測技術,研制出了用于碳纖維復合材料孔隙率檢測的便攜式超聲系統。該系統集超聲波探傷、傳感技術、信號采集、處理、顯示于一體,能夠實時顯示材料的孔隙率和相應的位置,同時實現材料的超聲波C掃描顯示,能夠對材料的孔隙率的分布進行分析,最后形成報表。儀器輕便、快捷,非常適合現場使用。