碳纤维复合材料数字化超声检测系统关键技术研究
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摘要
碳纤维复合材料在航空航天和军事工业方面的广泛应用使得对其可靠性和安全性的要求越来越高。超声检测在产品质量控制中具有举足轻重的地位，是碳纤维复合材料检测常用技术。对于碳纤维复合材料工件，如何提高检测的精度和自动化程度是超声检测中需要深入研究的问题。本文结合碳纤维复合材料超声无损检测系统项目的实际需求和开发过程，对超声检测中的检测方法、信号处理、缺陷分析、孔隙率测试和软件设计等关键技术进行了深入的研究。
第一章阐述了论文研究工作的意义，对碳纤维复合材料的超声无损检测、孔隙率测试、超声扫描成像方法、超声信号处理、超声C扫描图像处理等相关技术及国内外发展现状进行了综述和分析；
第二章研究了曲面工件自动化超声检测方法。首先介绍了超声波检测技术的理论，然后针对碳纤维复合材料曲面构件，构建了基于超声测量、曲面建模、路径规划、超声扫描成像的一体化检测系统。以机器人理论为基础，建立了曲面工件多自由度超声检测机器人的运动学模型，给出了五自由度超声检测系统的运动学方程及求解结果。
第三章对曲面变厚度工件超声信号中缺陷波定位技术进行了研究。阐述了小波变换的基本理论，包括连续小波变换的概念和算法实现，离散小波变换的物理意义，多分辨率分析及Mallet快速算法。提出了基于复小波变换的缺陷波定位技术，先通过小波变换提取超声射频信号特征波形包络，然后用连续点阈值算法找出采样信号中各超声回波信号的位置，根据表面波和底波来确定缺陷波的位置和幅值。结果表明，小波处理方法可以准确的判定射频信号中缺陷波信号的峰值和峰位。
第四章对超声C扫描图像的缺陷分析方法进行了研究。提出在C扫描图像中采用阈值分割和区域标记算法将缺陷区域分离出来，通过边缘跟踪算法提取缺陷的边缘，用构建的几何参数体系对缺陷进行统计和识别。研究了超声C扫描图像的成像方法和表示方法，根据误判概率最小化原则给出了确定图像分割的阈值确定方法。然后给出了缺陷区域标记的概念和标记算法，分别使用边缘检测算子和边缘跟踪算法对超声C扫描图像进行边缘提取，最后计算各缺陷区域的几何参数。结果表明，构建的参数能够比较好的表现缺陷区域的特征，可进行进一步的缺陷识别工作。
第五章开发了碳纤维复合材料孔隙率检测便携式超声系统。研究了碳纤维复合材料孔隙率检测的数学模型，建立了孔隙率和超声衰减系数之间的关系式。以超声反射法为基础，研究了超声衰减系数与材料表面和底面回波幅值之间的数学关系，构建了碳纤维复合材料孔隙率检测便携式超声系统。针对系统中的探头定位问题，提出了改写光电式鼠标的过滤驱动程序将其在计算机中映射为虚拟位置传感器的方法，编写下层过滤驱动程序拦截光学鼠标的报告描述符和输入输出中断请求，然后制作安装程序将过滤驱动程序安装到计算机的操作系统中；最后通过用户态的应用程序访问此用户设备并读取其报告描述符以获取检测系统所需要的位置信息。检测实例结果表明，研制的仪器结果准确，可以比较全面地评价碳纤维复合材料的孔隙状况。
第六章研究了碳纤维复合材料构件超声扫描成像系统软件设计。介绍了软件能力成熟度模型(CMM)的分级标准和内部结构，对CMM在碳纤维复合材料超声检测系统软件开发过程中的实施方法和关键过程进行了研究。然后阐明了分层设计方法在软件系统整体设计中的实现，对系统中数据的类型、特点及组织形式进行了探讨。阐述了碳纤维复合材料软件系统的整体功能结构，对于系统中组合成像和输出报表两项关键技术，给出了实现方法。
最后对全文的工作进行了总结，对进一步的工作提出了一些初步的设想。
Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) was widely used in the aeronautic、astronautic and arms industry and so its reliability and security become more and more important. Ultrasonic inspection which takes a crucial position in products quality control is the regular technology for CFRP test. For the CFRP parts, how to improve precision and degree of automation is a problem that need deeper research. Combined with the actual requirement and developing process of CFRP Ultrasonic non-destructive inspection project, some key techniques such as inspection method, signal processing, flaw analysis, void content test and software design are deeply studied in this thesis.
In chapter 1, the signification of research work of this thesis was discussed. The developing status of relative technique such as CFRP Ultrasonic non-destructive inspection、void content test, ultrasonic scan and imaging means, ultrasonic signal process, ultrasonic C-scan image process were analyzed.
In chapter 2, the automatic ultrasonic inspecting method for curved surface part was studied. Firstly, the basic theory of ultrasonic inspection technique was introduced, then based on ultrasonic measure, curved surface modeling, scanning path planning and ultrasonic scan imaging, the all-in-one system of inspection was constructed. On the basis of robot theory, the kinematic model of multi-freedom ultrasonic inspecting robot for curved surface parts was set up. Finally, the kinematic equation and result of five-freedom ultrasonic inspecting system were presented.
In chapter 3, the flaw wave position-finding technique of curved surface and depth-changeable parts was researched. Depict the basic theory of wavelet transform, including concept and algorithm realization of continuous wavelet transform, physical meaning of discrete wavelet transform, multi-resolution analysis and Mallet algorithm. A flaw wave position-finding technique based on complex wavelet transform was proposed. Wavelet transform was used to draw contour feature wave of ultrasonic radio signal, then found the position of all echo wave by continuous-point threshold algorithm, finally decided the peak and position via surface wave and bottom wave. It is shown that method of wavelet process can find the peak and position of flaw wave accurately.
In chapter 4, the flaw analysis method of ultrasonic C-can image was studied. Proposed a method that segregated flaw area from image by means of threshold segment and area label algorithm, then edge-track algorithm was used to draw the edge of flaw area, geometrical parameter system was built to depict and recognize flaw. The imaging method of ultrasonic C-scan was studied, the threshold-deciding method of image segment was offered by the principle of error probability minimum. Then the concept and algorithm of flaw area labeling was presented, edge operator and edge-track algorithm were employed to draw the flaw edge from C-scan image. The geometrical parameter of flaw area was calculated. It is shown that the parameter system can describe the feature of flaw area well and so redound to works of flaw recognition further.
In chapter 5, A portable ultrasonic inspecting system for void content of CFRP was developed. The mathematic model to test void content of CFRP was studied and the formula between void content and ultrasonic attenuation coefficient was established. Based on ultrasonic echo method, the relation between ultrasonic attenuation coefficient and the amplitude of surface as well as bottom echo wave was studied, and portable ultrasonic inspecting system for void content of CFRP was constructed. In order to acquire the position data of probe in the testing system, an method of mapping an optical mouse into a virtual position sensor was proposed. The lower filter driver for optical mouse was programmed, which can intercept the report descriptor and I/O interrupt requires of the mouse. An installation program was made to set up filter driver into operating system of computer. User application accessed this device and read its report descriptor to obtain the position information needed for testing system. It is shown that the result of developed device is accurate so it can all-sided evaluate void content status of CFRP.
In chapter 6, Software design of ultrasonic imaging system for CFRP was researched. Classification standard and internal structure of software capability maturity model(CMM) were introduced and the realizing method and key process of CMM in CFRP ultrasonic test system software were studied. The practice of layered design method in software system general design was depicted and discussed the rype、trait and form of data in the software system. General function structure of CFRP software system was described. The realizing method of two key technique like combined imaging and report output in the system was offered.
Finally, main result of the thesis was summarized, the prospects and further research work were presented.
第一章阐述了论文研究工作的意义，对碳纤维复合材料的超声无损检测、孔隙率测试、超声扫描成像方法、超声信号处理、超声C扫描图像处理等相关技术及国内外发展现状进行了综述和分析；
第二章研究了曲面工件自动化超声检测方法。首先介绍了超声波检测技术的理论，然后针对碳纤维复合材料曲面构件，构建了基于超声测量、曲面建模、路径规划、超声扫描成像的一体化检测系统。以机器人理论为基础，建立了曲面工件多自由度超声检测机器人的运动学模型，给出了五自由度超声检测系统的运动学方程及求解结果。
第三章对曲面变厚度工件超声信号中缺陷波定位技术进行了研究。阐述了小波变换的基本理论，包括连续小波变换的概念和算法实现，离散小波变换的物理意义，多分辨率分析及Mallet快速算法。提出了基于复小波变换的缺陷波定位技术，先通过小波变换提取超声射频信号特征波形包络，然后用连续点阈值算法找出采样信号中各超声回波信号的位置，根据表面波和底波来确定缺陷波的位置和幅值。结果表明，小波处理方法可以准确的判定射频信号中缺陷波信号的峰值和峰位。
第四章对超声C扫描图像的缺陷分析方法进行了研究。提出在C扫描图像中采用阈值分割和区域标记算法将缺陷区域分离出来，通过边缘跟踪算法提取缺陷的边缘，用构建的几何参数体系对缺陷进行统计和识别。研究了超声C扫描图像的成像方法和表示方法，根据误判概率最小化原则给出了确定图像分割的阈值确定方法。然后给出了缺陷区域标记的概念和标记算法，分别使用边缘检测算子和边缘跟踪算法对超声C扫描图像进行边缘提取，最后计算各缺陷区域的几何参数。结果表明，构建的参数能够比较好的表现缺陷区域的特征，可进行进一步的缺陷识别工作。
第五章开发了碳纤维复合材料孔隙率检测便携式超声系统。研究了碳纤维复合材料孔隙率检测的数学模型，建立了孔隙率和超声衰减系数之间的关系式。以超声反射法为基础，研究了超声衰减系数与材料表面和底面回波幅值之间的数学关系，构建了碳纤维复合材料孔隙率检测便携式超声系统。针对系统中的探头定位问题，提出了改写光电式鼠标的过滤驱动程序将其在计算机中映射为虚拟位置传感器的方法，编写下层过滤驱动程序拦截光学鼠标的报告描述符和输入输出中断请求，然后制作安装程序将过滤驱动程序安装到计算机的操作系统中；最后通过用户态的应用程序访问此用户设备并读取其报告描述符以获取检测系统所需要的位置信息。检测实例结果表明，研制的仪器结果准确，可以比较全面地评价碳纤维复合材料的孔隙状况。
第六章研究了碳纤维复合材料构件超声扫描成像系统软件设计。介绍了软件能力成熟度模型(CMM)的分级标准和内部结构，对CMM在碳纤维复合材料超声检测系统软件开发过程中的实施方法和关键过程进行了研究。然后阐明了分层设计方法在软件系统整体设计中的实现，对系统中数据的类型、特点及组织形式进行了探讨。阐述了碳纤维复合材料软件系统的整体功能结构，对于系统中组合成像和输出报表两项关键技术，给出了实现方法。
最后对全文的工作进行了总结，对进一步的工作提出了一些初步的设想。
Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) was widely used in the aeronautic、astronautic and arms industry and so its reliability and security become more and more important. Ultrasonic inspection which takes a crucial position in products quality control is the regular technology for CFRP test. For the CFRP parts, how to improve precision and degree of automation is a problem that need deeper research. Combined with the actual requirement and developing process of CFRP Ultrasonic non-destructive inspection project, some key techniques such as inspection method, signal processing, flaw analysis, void content test and software design are deeply studied in this thesis.
In chapter 1, the signification of research work of this thesis was discussed. The developing status of relative technique such as CFRP Ultrasonic non-destructive inspection、void content test, ultrasonic scan and imaging means, ultrasonic signal process, ultrasonic C-scan image process were analyzed.
In chapter 2, the automatic ultrasonic inspecting method for curved surface part was studied. Firstly, the basic theory of ultrasonic inspection technique was introduced, then based on ultrasonic measure, curved surface modeling, scanning path planning and ultrasonic scan imaging, the all-in-one system of inspection was constructed. On the basis of robot theory, the kinematic model of multi-freedom ultrasonic inspecting robot for curved surface parts was set up. Finally, the kinematic equation and result of five-freedom ultrasonic inspecting system were presented.
In chapter 3, the flaw wave position-finding technique of curved surface and depth-changeable parts was researched. Depict the basic theory of wavelet transform, including concept and algorithm realization of continuous wavelet transform, physical meaning of discrete wavelet transform, multi-resolution analysis and Mallet algorithm. A flaw wave position-finding technique based on complex wavelet transform was proposed. Wavelet transform was used to draw contour feature wave of ultrasonic radio signal, then found the position of all echo wave by continuous-point threshold algorithm, finally decided the peak and position via surface wave and bottom wave. It is shown that method of wavelet process can find the peak and position of flaw wave accurately.
In chapter 4, the flaw analysis method of ultrasonic C-can image was studied. Proposed a method that segregated flaw area from image by means of threshold segment and area label algorithm, then edge-track algorithm was used to draw the edge of flaw area, geometrical parameter system was built to depict and recognize flaw. The imaging method of ultrasonic C-scan was studied, the threshold-deciding method of image segment was offered by the principle of error probability minimum. Then the concept and algorithm of flaw area labeling was presented, edge operator and edge-track algorithm were employed to draw the flaw edge from C-scan image. The geometrical parameter of flaw area was calculated. It is shown that the parameter system can describe the feature of flaw area well and so redound to works of flaw recognition further.
In chapter 5, A portable ultrasonic inspecting system for void content of CFRP was developed. The mathematic model to test void content of CFRP was studied and the formula between void content and ultrasonic attenuation coefficient was established. Based on ultrasonic echo method, the relation between ultrasonic attenuation coefficient and the amplitude of surface as well as bottom echo wave was studied, and portable ultrasonic inspecting system for void content of CFRP was constructed. In order to acquire the position data of probe in the testing system, an method of mapping an optical mouse into a virtual position sensor was proposed. The lower filter driver for optical mouse was programmed, which can intercept the report descriptor and I/O interrupt requires of the mouse. An installation program was made to set up filter driver into operating system of computer. User application accessed this device and read its report descriptor to obtain the position information needed for testing system. It is shown that the result of developed device is accurate so it can all-sided evaluate void content status of CFRP.
In chapter 6, Software design of ultrasonic imaging system for CFRP was researched. Classification standard and internal structure of software capability maturity model(CMM) were introduced and the realizing method and key process of CMM in CFRP ultrasonic test system software were studied. The practice of layered design method in software system general design was depicted and discussed the rype、trait and form of data in the software system. General function structure of CFRP software system was described. The realizing method of two key technique like combined imaging and report output in the system was offered.
Finally, main result of the thesis was summarized, the prospects and further research work were presented.
引文
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