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复合材料的相控阵超声C扫描成像检测

随着复合材料的广泛应用，复合材料的使用占据了很大的比例，开发便携式、应用于复合材料大面积快速扫查的检测技术很有必要。超声检测作为一项比较成熟的检测技术，其衍生的各种检测新技术开始应用于复合材料的检测，有效地解决了复合材料的一些检测难题。复合材料的超声C扫描检测通常采用多轴联动超声C扫描检测系统，多轴联动超声C扫描检测系统虽然可以对某些复合材料进行有效检测，但是受检测工件和检测场地的限制，不利于在役飞机的快速扫查检测，因此，广东汕头超声电子股份有限公司超声仪器分公司的付汝龙等开发了适用于复合材料的大面积快速C扫描检测以及特殊位置的双轴定位C扫描检测系统。

1 相控阵C扫描方式
采用相控阵电子扫描不需要移动探头可以实现工件一定宽度的断面扫查，因此，对比于单晶探头常规锯齿形的扫查方式，相控阵扫查只需单轴直线扫查便可获得工件的C扫描图像，效率明显提高，根据相控阵探头移动的距离，则可计算出工件单次扫查的面积。

2 相控阵C扫描检测系统
2.1 滚轮探头检测系统
根据相控阵检测原理，为实现复合材料的快速C扫描检测，研究开发了适合检测用途的滚轮探头。滚轮探头的结构为相控阵探头，放置在一个密闭的套筒里，套筒两端安装有可以旋转的滑轮，套筒里面充满水，相控阵探头发出的超声波经过水层后到达橡胶套，橡胶套采用与水声阻抗接近的材料以使超声波在传播时可以透射更多的能量，滚轮探头加装一个高精度的位置编码器进行定位和同步数据采集。研制的滚轮探头，采用相控阵探头频率为5MHz，阵元数为64，阵元间距为0.8mm，因此探头有效声场最大覆盖宽度为51.2mm。编码器扫查最高精度为0.1mm/step，探头线长度为5m，配合具备相控阵C扫描功能的仪器为CTS-2108PA相控阵超声检测仪（检测范围最小到1mm，重复频率可达10kHz），这些部件就构成了一套完整的相控阵C扫描快速成像检测系统。检测时一般采用水作为耦合剂，轻轻滚动探头，C扫图像即刻呈现，特别适合大面积复合材料的C扫描检测。滚轮探头的实物图如图1所示。

材料与测试:图1 滚轮探头

图1 滚轮探头

2.2 双轴拉线编码器检测系统
2.2.1定位原理
拉线编码器的位置信息是通过拉出线的长度确定，当采用两个拉线编码器进行定位时，假定P1位置为第1个编码器，P2位置为第2个编码器，P（X，Y）为探头位置。以两个编码器的位置连线作为定位坐标轴的X轴，然后在X轴上以某个参考点作为零点，画出Y轴，从而建立直角坐标系X0Y，得到的定位坐标如图2所示。

材料与测试:图2 双轴拉线编码器定位原理示意图

图2 双轴拉线编码器定位原理示意图

在图2中，X1，X2为通过编码器校准后为已知，设探头位置与编码器的距离为PP1=a，PP2=b，a与b的值由编码器读出，根据两点之间的距离计算公式联立方程可以求出X，Y值，因此探头的位置坐标（X，Y）即可确定。通常都是以工件中的某一点为参考点，因此求出的探头位置坐标需要进行坐标变换。

2.2.2探头夹具设计
应用笔者所在公司制造的64阵元探头，规格型号为5L64-0.8×10，设计一个中空的方形夹具，外侧长宽视加工的固定螺钉孔尺寸而定，内侧长宽以放入楔块的规格稍有余量即可，高度小于楔块厚度，检测时仅楔块接触工件。在方形夹具的左上角加工一个拉线固定螺孔，作为固定双轴编码器线的汇聚点。在方形夹具的四边中部各加工一个探头固定螺孔用于固定探头楔块。夹具示意图如图3所示。

材料与测试:图3 探头夹具示意图

图3 探头夹具示意图

2.2.3 检测系统

材料与测试:图4 双轴拉线编码器检测系统

图4 双轴拉线编码器检测系统

双轴拉线编码器检测系统如图4所示。拉线编码器的底座根据材料不同可选择真空、夹持或磁铁吸附的安装方式。检测时将编码器吸附在工件表面上，固定拆卸灵活方便，而且对工件表面无任何损伤，两个拉线编码器拉出的线汇聚于扫查探头并固定于扫查夹具上。拉线编码器的最高扫查精度为0.1mm/step，拉线最大长度为1.5m。该定位方式很方便，探头移动也比较灵活，在进行特定区域的C扫描检测具有较大的优势，可对缺陷进行完整地扫查、测量和评定。

3 试验结果
采用滚轮探头在多种复合材料上进行检测，对某复合材料进行表面冲击缺陷检测图像如图5所示，冲击位置的缺陷图像清晰可见；对某复合材料进行底层粘结结构检测，未粘结区域的图像颜色对比明显，且底波明显有分开痕迹，如图6所示；对某复合材料进行脱粘缺陷检测，脱粘区域缺陷图像特别明显，扫查图像可清楚的看到蜂窝的结构图像，如图7所示。采用双轴拉线编码器在试块上进行检测，试块上的缺陷全部都扫查出来，而且重复覆盖性很好，如图8所示。

材料与测试:图5 表面冲击复合材料检测

图5 表面冲击复合材料检测

材料与测试:图6 未粘结复合材料检测

图6 未粘结复合材料检测

材料与测试:图7 脱粘复合材料检测

图7 脱粘复合材料检测

材料与测试:图8 双轴拉线编码器C扫描图像

图8 双轴拉线编码器C扫描图像

4结论
（1）根据相控阵超声C扫描成像检测技术，研发滚轮探头用于复合材料快速C扫描检测，实验结果表明滚轮探头耦合效果好，推行阻力小，扫查图像清晰，可推广于复合材料的快速C扫描成像检测，目前该系统已成功推广应用，服务于航空航天领域。

（2）滚轮探头配合具有C扫描功能的便携式相控阵仪器CTS-2108PA组成C扫描检测系统，可随时随地对复合材料进行C扫描检测。

（3）由CTS-2108PA仪器和双轴拉线编码器组成的定位C扫描检测系统，编码器装卸容易，调试简单，操作简便，探头移动灵活，定位精度高，重复覆盖性好，可推广于复合材料特殊区域的定位C扫描检测，以对特定区域的缺陷进行评估。

（4）采用滚轮探头结合双轴拉线编码器定位对复合材料进行检测，不仅可以实现复合材料的快速C扫描检测，还可进行特定区域的C扫描检测评估，对提高复合材料的检测效率以及缺陷检测评估具有重要作用，是检测复合材料可行的系统解决方案。

复合材料相控阵超声C扫描检测方案（汕头电子）

1、平面工件检测方案

方案1：轮式相控阵探头与CTS-2108PA相控阵检测仪构成一套完整的相控阵C扫描快速成像检测系统，相控阵检测仪工作在A+L+C检测模块，检测时采用水作为耦合剂，轻轻滚动探头，C扫图像即刻呈现，特别适合大面积平面复合材料的C扫描检测。

方案2：双轴拉线编码器、高分辨率相控阵探头及CTS-2108PA相控阵检测仪（带2D-C扫描检测专用模块）组成C扫描检测系统，扫查时将拉线编码器固定在扫查工件上，可以采用磁吸或真空吸附满足不同检测工件的要求。工作的时候，将两个拉线编码器的线夹固定于扫查探头的固定位置上，探头在设定的检测范围内任意方向平移移动，扫查工作就像涂鸦或刷油漆一样便捷，除了平面工件之外，也适合曲率不大的曲面工件。

方案3：高分辨率相控阵探头、高精度防水防尘编码器组成简易扫查器，根据使用场合的不同设计不同的楔块，可满足各种应用场合，可对大面积复合材料全面积进行C成像检测，也可对一些狭窄空间的复合材料进行C扫成像检测，该扫查设备简易、小巧、使用灵活方便，通过定制各种类型的楔块，可满足不同的应用场合。

2、圆角工件检测方案

采用本公司的CTS-2108PA相控阵检测仪、配套公司曲面线阵探头及专用楔块，可完美解决圆角C扫描检测的难题。

北京维泰凯信新技术有限公司，螺栓焊？？

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【红外无损检测3项国家标准已于2015年内发布】由北京维泰凯信新技术有限公司主持制订的《无损检测闪光灯激励红外热像法第2部分：检测规范》、《无损检测闪光灯激励红外热像法第3部分：参考试块》、《无损检测闪光灯激励红外热像法第4部分：检测系统》等3项国家标准年内已由国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布。该系列标准的发布对促进国内红外无损检测新技术的应用和推广具有重要意义。

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【红外无损检测装备和服务获北京市新技术新产品（新服务）证书】由北京维泰凯信新技术有限公司申报的“便携式红外无损检测装备”、“红外无损检测装备定制服务”、“风电叶片红外无损检测服务”等新技术的产品和服务获得2015年北京市新技术新产品（新服务）证书。红外无损检测技术已经成功用于多项航天、航空型号项目，在风电叶片检测、建筑节能、文物保护及修复等领域也取得了重大进展。申报单位主持的多项国家标准、行业标准已经发布或正在制订中。

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快讯：挑战业界极限—基于阻抗平面的30MHz扫频涡流仪问世

2016年开春，爱德森（厦门）电子有限公司主持研发的扫频涡流仪技术获得重大突破，基于涡流阻抗平面的扫频检测最高频率已达到30MHz，大大提高仪器的检测能力，可有效解决航空、航天、核工等领域金属材料表面微缺陷及热障涂层厚度或低电导率材料等的高精度检测难题。