[发明专利]基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率表征方法

说明书

一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率表征方法，其属于无损检测技术领域。该方法采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统，采集超声背散射信号并对其进行相空间重构。计算相空间中任意两个时间向量之间的距离，设定参考阈值，获得二维递归矩阵，将其图像化得到递归图(Recurrence Plot，RP)。使用RQA量化指标递归度(Recurrence Rate，RR)对RP图进行定量计算，最终建立CFRP孔隙率P与RR二者之间的相关关系，即RR＝aP^‑1，实现孔隙率的表征。与超声衰减法相比，该方法克服底面回波不存在或较弱时无法表征孔隙率的限制，具有良好的推广前景。

技术领域

本发明涉及一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率表征方法，其属于无损检测技术领域。

背景技术

CFRP具有性能可设计、高比强度和比刚度、疲劳性能好、耐腐蚀、可整体成型等优点，在航空航天等领域的应用日益广泛。CFRP加工制备过程中不可避免的会有孔隙产生，完全不含孔隙的CFRP是不存在的。孔隙含量由孔隙率来表征。孔隙率对CFRP的力学性能有很大影响。研究指出，每增加1％的孔隙率，复合材料的层间剪切性能下降5％～15％不等，直到孔隙率达到4％，这种规律基本保持不变；随着孔隙率的增加，弯曲强度逐渐下降，在孔隙率小于1％时，弯曲性能相差不大，弯曲强度的保持率为90％左右，当孔隙率大于3％时，弯曲强度的下降趋势趋于平缓，弯曲强度保持率大约只有75％。当孔隙率超过一定的数值时，复合材料就会由于强度的急剧下降而失效。另外，复合材料的其它性能如纵/横向拉伸强度、弯曲强度、模量、抗压强度、疲劳极限等均受到孔隙率的影响。在实际应用中，孔隙率<2％时可满足大多数工程应用需求。因此，迫切需求可靠的CFRP孔隙率无损检测方法。

目前CFRP孔隙率无损检测方法主要包括超声检测法、射线检测法等。与射线检测法相比，超声检测法具有检测灵敏度高、速度快、使用范围广、显示直观、对孔隙比较敏感等优点，因此在复合材料孔隙检测方面得到了最为广泛的应用。超声检测主要包含超声声速法、超声声阻抗法、超声衰减法以及对比试块法等。超声声速法、超声声阻抗法等存在对检测系统的分辨率要求很高、声速和密度测量的准确性较低等缺点，导致其适用性很低。超声衰减法具有检测原理明确、测试方法简单、受纤维含量影响较小等优点，是目前最常用的孔隙率无损检测方法，但其受底面回波限制，CFRP复杂结构件中出现底面回波不存在或较弱的情况时无法使用。而对比试块法由于对比试块的制作难度较高，且制作工艺的差异会导致无法建立孔隙率与超声衰减系数的通用曲线，故其适用性低。

超声背散射信号是由CFRP内部孔隙对入射声波的散射形成的，故其中包含大量的孔隙形貌信息，因此，从超声背散射信号入手，对CFRP孔隙率的无损检测具有重要意义。本发明引入递归定量分析方法对超声背散射信号进行分析，建立CFRP孔隙率与递归度之间的相关关系，从而实现CFRP孔隙率的表征。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率表征方法，该方法采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统对超声背散射信号进行采集，对其进行相空间重构，通过计算相空间中任意两个时间向量之间的距离，并设定参考阈值，得到一个二维的递归矩阵并将其图像化得到RP图，使用RQA量化指标递归度(Recurrence Rate，RR)对RP图进行定量计算。最终建立CFRP孔隙率P与RR二者之间的相关关系，实现孔隙率的表征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率表征方法，采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统，使用RQA方法分析采集得到的超声背散射信号，经计算建立RQA量化指标递归度与孔隙率P二者之间的相关关系，即RR＝aP^-1，实现CFRP孔隙率的表征，具体的计算步骤如下：

(1)超声背散射信号的采集