水浸超声C扫描系统的构建与试验验证

马蒙源，曹弘毅，姜明顺，张法业，张 雷，隋青美

(山东大学 控制科学与工程学院，山东 济南 250061)

随着轨道交通技术的发展与进步，车体轻量化要求越来越高，复合材料由于具备轻质量、高强度、抗疲劳、耐腐蚀等优点，在轨道车辆中有着广阔的应用前景[1-3]。不同于传统材料，复合材料的微观构造是一个复杂的多相体系，因其组份的多样性和各向异性，以及制造过程中工艺的不稳定性，决定了不论是在材料的工艺研究阶段，还是在构件设计制造、服役使用阶段，都极易产生缺陷或损伤[4]。在复合材料制作和固化过程中，人为因素和工艺质量的不稳定性使得复合材料构件的质量具有一定的随机性，会产生一些缺陷，严重影响其结构设计性能。因此，对复合材料制造缺陷进行及时准确的无损检测是评估其健康状态、保障其安全运行的必要措施和手段。

针对复合材料常用的无损检测方法主要有目视法、超声波法、X射线法、光学法和声发射法等。目视法主要用于检测撞击、脱粘等肉眼能够观测到的表面缺陷，而对于复合材料内部的缺陷无法识别，受人为因素影响很大且检测分辨力有限；X射线法[5-7]具有成像速度快、检测效率高、检测结果便于保存等特点，但对检测环境要求很高，且射线对人体有害和对复合材料内的分层缺陷不敏感；光学法[8]可以检测出在试样加载条件下引起温度变化或表面变形的缺陷，但对深处缺陷不敏感，且要面对光学激励加载不均匀、检测环境要求较高等问题；声发射法[9-10]主要应用于复合材料承力结构构件的无损检测，对裂纹检测灵敏度较高，但是定位精度有限，并且其对正在扩展的缺陷灵敏度较高，这意味着检测结果与缺陷尺寸无关，对于稳定的缺陷检测能力较弱；超声波法检测的特点是灵敏度高，对人体无害，且易于实现自动化，因此在复合材料无损检测当中应用最为普遍[11-13]。

超声C扫描检测[14-16]是无损检测领域中广泛应用的一种检测方法，具有操作方便、结果显示直观、检测精度高等优点。自主研制的超声水浸C扫描自动检测系统可以根据工件的大小自动设计扫查路径，实现自动化扫查和实时C扫描成像，准确、直观地呈现复合材料内部的缺陷情况，实现对复合材料的无损检测与评估，满足对复合材料制造缺陷的检测需求。

1 超声水浸C扫描自动检测系统的构建

1.1 系统构成

超声水浸C扫描自动检测系统分为超声、运动控制、机械3个子系统。其中超声子系统主要包括超声探头、脉冲信号源、放大器、超声采集卡以及一些简单的超声信号硬件处理电路；运动控制子系统主要包括三维导轨、步进电机、运动控制器、开关电源；机械子系统主要包括平台支架、水槽、超声探头夹具等。图1为超声水浸C扫描自动检测系统的示意图。系统进行检测时，会根据工件尺寸进行检测路径规划，上位PC机中的检测软件通过多线程同步控制超声A扫描数据采集成像、扫查路径控制、位置反馈、闸门跟踪、超声信号处理、C扫描成像、缺陷深度计算，确保检测结果准确实时呈现。同时，系统可以存储原始A扫描数据信号，并随时读取已存储数据进行离线分析。

1.2 系统的硬件结构

超声水浸C扫描自动检测系统的硬件结构及连接方式如图2所示，主要包括超声采集卡、上位PC机、三维导轨、步进电机、运动控制器、平台支架、超声探头及夹具等。

1.2.1 超声探头

超声探头采用日本Olympus生产的V310-SU-F0.50IN-PTF超声水浸探头，探头频率为5 MHz，聚焦深度为12.7 mm。

1.2.2 超声采集卡

系统选择US Ultratek生产的USB-UT350超声采集卡。USB-UT350超声采集卡集超声脉冲发生和超声信号数字采集为一体，可通过USB2.0直接与PC进行数据传输，并提供C/C++、Visual BASIC和LabVIEW软件开发工具包。其性能参数如表1所示。

1.2.3 三维导轨

三维导轨与步进电机、运动控制器构成图1中的三维位移平台。为保证运行的平稳性，减小运动误差，三维导轨采用龙门式设计。三维导轨采用东莞市奥铭机电设备有限公司的AMB45轨道模组，根据需求，设计X、Y、Z三轴行程分别为800 mm、500 mm、300 mm。

1.2.4 步进电机

步进电机采用深圳市研控自动化科技有限公司的ESS57-P21脉冲型集成式电机，是电机与驱动一体的集成式设计，采用新一代32位DSP技术，转速可达3 000 r/min，可以智能调节电流，减少振动、噪声和发热，且安装方便，占用空间小。

1.2.5 运动控制器

运动控制器采用深圳市研控自动化科技有限公司的MCN420以太网运动控制卡，可以实现高速的点位和轨迹运动控制，并提供C语言等函数库和Windows动态链接库，实现复杂的控制功能，并将这些控制函数与超声信号获取、数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，以满足系统设计的要求。

1.2.6 平台支架及水槽

系统中水槽采用较玻璃更加安全的透明亚克力材料定制而成，平台支架由40铝型材搭建而成。为满足800 mm×500 mm的扫查范围要求，水槽大小设计为870 mm×690 mm×200 mm，平台支架内部大小为930 mm×750 mm×350 mm。

1.3 系统软件及功能实现

为达到复合材料制造缺陷无损检测平台的设计要求，系统软件程序需要集控制、超声信号存储、缺陷实时成像于一体。基于C++语言在Win7操作系统、Qt5.12.2环境下开发上位机程序，实现超声采集与运动控制同步进行、超声信号实时存储、缺陷实时成像、缺陷深度计算、离线数据分析等功能。系统软件界面如图3所示。

图3 系统软件界面

检测软件主要包括检测向导模块、扫查路径规划模块、数据采集存储模块、C扫描成像模块和数据分析模块，如图4所示。

1.3.1 检测软件的多线程设计

为提高检测软件运行效率，将检测过程中对每个点位的操作分为数据采集、数据存储和数据处理三部分并行处理。检测软件设计有5个线程，其每个线程的功能如下：

(1) 线程一。在获得数据采集信号后，将当前位置的超声A扫描数据采集到内存中。

(2) 线程二。获取到A扫描信号采集完成的信号后，将内存中的超声A扫描数据存储在硬盘中。

(3) 线程三。获取到A扫描信号采集完成的信号后，对内存中的超声A扫描数据进行预处理，并进行C扫描计算和结果存储。

(4) 线程四。依照预先规划好的扫查路径，监测当前运动步骤是否达到目的地，若达到的话开启下一步运动。

(5) 线程五。时钟线程，每隔一定的时间刷新C扫描图像和主界面的显示。

其中，线程一分别与线程二、线程三采用互斥量同步，使得线程二和线程三在使用完内存中的A扫描数据前，线程一无法在内存中写入下一组A扫描数据，从而保证数据操作不会出现错位。

1.3.2 扫查路径规划

为提高检测速度，系统采用预扫查加重点部位精细扫查的方式。在扫查开始前，可以预先设置预扫查分辨率和精细扫查分辨率，并根据需要添加重点扫查区域坐标。系统会先进行预扫查，并根据预扫查的结果确定缺陷嫌疑区域，然后对缺陷嫌疑区域和预先设置的重点检测区域进行精细扫查。这种预扫查加重点部位精细扫查的方式可以兼顾检测速度的同时获得准确的缺陷信息。扫查流程如图5所示。

图5 扫查流程图

在扫查过程中，由于超声采集卡组大脉冲重复频率的限制，扫查速度有一个最大限值，否则扫查速度过快会产生部分点位数据丢失的情况。设置最大扫查速度为vm，计算公式为：

vm=Fp·n

(1)

式中：Fp——脉冲重复频率；

n——扫查分辨率。

1.3.3 超声信号处理与成像算法

第1步：从非缺陷区域获取标准A扫描信号。为了减少随机误差的影响，信号的个数应大于10。

第2步：根据上述标准A扫描信号计算自相关函数，并生成自相关的参考信号。

第3步：对物体的所有区域进行超声扫描，获得A扫描信号。在此期间，超声换能器与被测物体之间的距离、超声激励脉冲电压、超声回波信号采样率和信号增益等参数的设置应与第1步的设置一致。

第4步：计算所有A扫描信号的自相关函数，并计算其与第2步得到的自相关的参考信号的欧式距离，设定一个合适的阈值，从而区分含缺陷信号和无缺陷信号。

第5步：根据欧氏距离生成缺陷图像。为了提高可视性，采用伪彩色编码将灰度图像转换成彩色图像。

第6步：对于含缺陷信号，计算其自相关函数中前2个波峰的相对位置差，并将其作为缺陷位置的渡越时间(Time of Flight, TOF)，从而计算分类缺陷区域A扫描信号的缺陷深度。

2 系统的检测试验

2.1 准备工作

根据上述系统硬件结构和检测软件的设计方案，搭建了超声水浸C扫描自动检测系统(图6)。检测系统的扫查区域为800 mm×500 mm，扫查速度为40 mm/s，最大扫查分辨率为0.03 mm。

1.步进电机；2.三维导轨；3.水槽；4.上位PC机；5.探头夹具；6.超声探头；7.24 V电源；8.运动控制器；9.超声采集卡。

为了验证超声水浸C扫描自动检测系统对复合材料制造缺陷的检测能力，设计了一种人工埋入缺陷的检测试样。试样为碳纤维复合材料层压板，其采用热压罐成型工艺制备，制备压力0.6 MPa，最高温度130 ℃，材料为东丽T300编织预浸料，采用层叠铺层方式，层数为14层，厚2 mm。用插入3个直径为12.7 mm的聚四氟乙烯薄膜模拟不同深度的人工分层缺陷。3个聚四氟乙烯薄膜分别插入第3层和第4层、第6层和第7层以及第9层和第10层碳纤维之间(图7)。

图7 碳纤维复合材料层压板试样

在热压罐成型过程中，人工缺陷的形状、大小和深度不可避免地发生微小的变化，实际缺陷尺寸和位置不再与预期相同。因此，将相控阵超声检测设备的检测结果作为对照，来验证超声水浸C扫描自动检测系统的准确性。相控阵超声检测设备主机型号为Olympus OmniScan MX2，选择具有64个芯片、芯片中心间距为1 mm、中心频率为5 MHz的5L64-NW1(Olympus)相控阵探头。为了克服探针表面附近的盲区，选择了高22 mm的SNW1-0L(Olympus)有机玻璃楔块。编码器型号为ENC1-2.5-DE(Olympus)。

2.2 检测试验

超声水浸C扫描自动检测系统检测区域设为120 mm×62 mm，扫查速度设为30 mm/s，预扫查分辨率设为0.750 mm，精细扫查分辨率设为0.125 mm，无预设重点检测区域。本系统预扫查耗时7 min12 s，精细扫查耗时8 min56 s，共耗时16 min8 s。若全程以0.125 mm的扫查分辨率进行检测，则耗时超过40 min。对比试验结果显示，有预扫查的检测时间比同精度下全程扫查的缩短了60 %左右。

图8为超声水浸C扫描自动检测系统和作为对照的相控阵超声检测设备对碳纤维复合材料层压板人工缺陷试样进行检测得到的C扫描图像。可以看出，相控阵超声检测设备和本文搭建的超声水浸C扫描自动检测系统都能很好地呈现出缺陷形状。

表2为2种检测方式计算出的缺陷大小、深度结果，以及本文所搭建的超声水浸C扫描自动检测系统的检测结果与相控阵超声检测设备检测结果的误差。

表2 缺陷大小、深度计算结果

从表2中可以看出，本文所构建的超声水浸C扫描自动检测系统能准确计算出碳纤维复合材料制造缺陷的大小、深度，计算误差均在3%以内，能够满足应用与轨道交通碳纤维复合材料的无损检测需求。

3 结论与展望

(1) 采用预扫描与精细扫描相结合的方式能够大幅提高超声水浸C扫描检测的速度，再结合多线程设计的检测软件，能大幅提高检测效率。

(2) 基于相关技术设计的超声信号处理、C扫描成像和缺陷定量计算算法能够很好地适应复合材料的无损检测，检测结果与相控阵超声设备的检测结果误差在3%以内。

(3) 本文所构建的系统主要适用于平板复合材料的检测，而轨道交通领域存在许多大型非平板的复杂构件，系统难以满足这类工件的无损检测需求。进一步提高检测速度以满足大型工件的检测需求、改进检测系统以满足复杂曲面工件的检测需求是后续开展工作的2个方向。