玻璃钢缺陷的空耦激光超声检测.pdfVIP

玻璃钢具有轻质高强、吸声隔热、介电常数低、易加工的特点，被广泛地运

用于直升机的桨叶大梁、飞机的雷达罩和蒙皮、卫星天线以及消音板和高温管道

等部件的制造中。纤维增强复合材料具有层铺结构、各向异性以及非均质性等的

特点，在多变、恶劣的服役环境中易受到持续性的冲击，容易产生分层、夹杂、

减薄、孔洞与基体材料脱黏等各种类型的缺陷。

材料内部的初始微小缺陷通过外观很难进行判断，因此，为了保证结构服役

时的安全稳定，通常采用多种先进的无损检测手段用来识别或评估玻璃钢的损伤，

如超声C扫描、红外热成像、空耦超声等。其中，超声C扫描是复合材料检测应

用面最广且最有效的检测手段，但是其需要使用接触式的探头和耦合剂，耦合剂

的使用会对材料造成二次污染；红外热成像作为非接触检测技术，虽然能够进行

大范围的检测，但由于玻璃钢的低密度以及隔热性，在检测微小缺陷时存在较大

局限性；空耦超声作为一种低成本的非接触检测手段在玻璃钢检测中存在一定优

势，但空气中高频信号的快速衰减使得通常只能使用低频探头，这会导致灵敏度、

空间分辨率和信噪比的急剧下降。

近年来，基于全光学的激光超声检测技术具有检测距离远、分辨率高、检测

速度快等特点，在新型复合材料的检测中得到了广泛运用。现有的混合激光超声

检测系统主要是采用兰姆波来对缺陷进行检测，但兰姆波在面对具有各向异性的

层铺结构的玻璃钢时，存在信噪比低、频散、多模态等问题，会影响到缺陷识别

的灵敏度，并且兰姆波通常用于检测厚度与其波长接近的试样。

针对以上问题，广东工业大学和广州多浦乐电子科技股份有限公司的研究人

员采用450kHz的低频空耦超声探头接收激光超声产生的纵波信号，实现了玻璃

钢内部微小缺陷的低成本、高精度、非接触检测。通过分析激光的光斑大小以及

探头的接收距离对玻璃钢中激发出的激光超声信号的影响，确定了系统的最佳接

收距离和光斑大小，并开展了微小缺陷的非接触混合激光超声系统和接触式相控

阵超声检测系统对比试验，验证了混合系统的准确性与可靠性。

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空耦激光超声检测系统

采用调Q脉冲激光（型号为PD-1064-1-KD）来激发超声波，激光波长为1064

nm，脉冲宽度为15ns，脉冲能量为0~0.76mJ（可调），脉冲激光光斑直径为

0.2mm，重复频率为0~100kHz（可调）。

脉冲激光通过耦合器进入单模光纤，经透镜组聚焦在玻璃钢上产生激光超声

场，并采用自主研制的中心频率为450kHz的1-3型空耦超声探头放在试样的背

侧，采用透射式接收激光超声。采用基于LABVIEW的控制采集程序进行运动的

控制以及超声信号的采集。

保持试样不动的情况下，通过控制电动扫查平台（型号为GCD-202100M）

控制光斑和空耦超声探头以0.1mm的步距进行栅格扫描。空耦超声探头采集到

的超声信号依次通过54dB低噪声放大器、230kHz高通滤波器、1.9MHz低通滤

波器，最后经高精度数字示波器进行采集。采用的基于空耦超声探头的混合激光

超声检测系统结构框图如图1所示。

图1基于空耦超声探头的混合激光超声检测系统结构框图

空耦超声探头信号测试

采用基于1-3型压电复合材料自主研制的450kHz空耦超声探头，进行玻璃

钢的混合激光超声检测，空耦超声探头信号测试结果如图2所示。空耦超声探头

的孔径为24mm，-20dB回波脉冲宽度为18880ns，相对回波灵敏度为-59.28dB，

脉冲回波响应如图2a所示，实测空耦超声探头的中心频率为470kHz，-6dB相对

带宽为35.8%。为研究探头对于激光超声信号的响应，采用透射式的方式接收激

光在玻璃钢表面激发出的超声信号，空耦超声探头接收到的激光超声信号及其频

谱如图2b所示，可以看出中心频率为470kHz，-6dB相对带宽为28.5%。

图2空耦超声探头信号测试结果

玻璃钢对激光超声信号的响应

为提高检测信噪比和精度，研究了玻璃钢对于激光超声信号的响应，用于调

节系统参数。当试验所采用的激光功率密度低于10W/mm时，主要为热弹效应

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激发的超声波，此时材料产生的初始声压和激光功率密度呈正相关。由于脉冲激

光聚焦点的离焦量会影响到超声纵波信号的幅值，为了达到最佳的透射波信号信

噪比