便宜又快捷的纤维增强塑料无损检测技术

　　本文翻译自PLASTICS INSIGHTS杂志

　　作者：Dipl. Ing. Kai-Uwe Kohn，Yannick Bernhardt, M.Sc.，Julian Ehrler, M.Sc.

　　无损检测对纤维增强塑料（FRP）结构部件起着重要作用。部件制造和使用过程中出现的损伤或缺陷可能会导致技术故障甚至重大事故。

　　因此，必须得有可靠的系统来完成典型缺陷模式的检测。但是，由于常规检测时部件无法使用，因此需要不断优化无损检测方法来尽可能缩短检测造成的停机时间。

　　用超声波探头手动扫描检测对象表面区域的过程通常可以用机械系统来代替。该系统可以沿着指定的路径更快、更精确地移动探头。增加探头数量还可以进一步节省时间。在现代阵列系统中，多个超声波发射器被安装在一个探头外壳中，因此检查速度更快并且因为并行化而更加准确。通过特殊的算法，声音可以在各个元件之间来回传输，从而能从不同方向对缺陷进行分析。

　　德国斯图加特大学塑料技术研究所（IKT）与CAESoftware und Systems GmbH 公司共同启动了AiF-ZIM 公共资助项目。他们在项目期间开发了一种接收阵列通过周围空气检测超声波来精确定位声源的方法。该方法所用的算法与接触式超声阵列技术的算法类似。利用内置的72个麦克风可以精确检测声源，在本例中则可以检测以局部缺陷共振频率振动的缺陷。

　　潜藏在72 个麦克风和1 个相机背后的工作原理

　　当受到振动激励时，振动平面部件显现了清晰的节点和腹点。它们根据激励频率进行局部移位。在部件内部产生共振所需的频率取决于其材料特性（密度、杨氏模量和泊松比）及其结构。

　　与整体振动无关，具有清晰共振频率的区域可能出现在刚度产生局部偏差的位置。在使用FRP 的情况下，可能会引起刚度的局部偏差。这是因为材料遭到了层间剥离等损伤，冰雹或石屑造成的损伤也被称为冲击损伤。它们在受到激励时会以特定的局部缺陷共振频率振动。

　　通过发现和利用这些频率，隐藏的缺陷能够被检测到。但是，主要问题就在于如何选择正确的激励频率和部件振动的局部分辨率。激光多普勒测振仪（LDV）可用于对部件振动进行局部测量。先使用特定的扫描模式将干涉仪的激光束引导到部件表面，然后测量该表面的频变速度。这些速度可以用颜色编码并叠加在部件表面上来确定具有特定的局部缺陷共振频率的区域。图1 所示为通过LDV 对受激励而振动的带平底孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板进行测量的装置及其结果。这些“人工缺陷”特别适合展示局部缺陷共振（LDR）方法的局限性。由于价格高达六位数，LDV 主要用于研发。因此，工业化的重点在于替代的声学检测方法。用于检测强烈的局部振动的直接成像方案之一是声学相机。使用这些相机可以精确定位声源。

　　振动表面（例如：由局部共振引起的表面）会产生局部声源。它们可以用声学相机直接定位。

　　为了以正确的频率“激发”振动，有多种可能方案可供选择。一种方案是生成频率在一定范围内连续变化的信号，即所谓的频率扫描。在评估过程中，所有产生的共振频率都必须经过分析，并且还必须特别注意局部定界的振荡。该方案需要消耗较多的时间来找到合适的频率。因此，我们对另一种同时激发多个频率的方法进行了评估。该方案是发送极短的宽带脉冲。但是，研究表明，更好的方法是使用宽带白噪声信号。这样，一个频带内的所有频率都以相同的功率密度被激励，从而使自然共振各不相同的缺陷均匀地受到激励。

　　标准的测试装置

　　下文介绍了一个标准的测试装置，其组件可使用所开发的非接触式缺陷共振方法。图2 所示为一块用冲击试验台损坏的黑色玻璃纤维增强塑料板（试样）。将真空振动器（PS-X-03，德国isi-sys GmbH 公司制造）放置在板上，然后通过真空将振动压电元件施加到板上。通过使用高压放大器和频率发生器，振动器运行时发出白噪声，试样则用声学相机（制造商：CAE Software und SystemsGmbH，德国）进行测量。图3 所示为光学图像与声学信号以准确定位的方式叠加产生的标准测试结果。两个声源可见：右下区域由压电振动器引起，中下区域由嵌入缺陷的振动引起。

　　结果表明，声源可以被清晰地分配给缺陷和声源。厚度为18mm 的PMMA 试样的首次测量表明，不同壁厚（1-8mm）和直径（10-15mm）的平底孔能够被可靠地检测到。即使是不会导致部件完全失效的缺陷也可以通过这种方式检测出来。特别是在所用材料为FRP 时，该方法还能够检测出肉眼看不见的缺陷。但是，这些区域大小不会准确显示。它们通常看起来比实际要大。图4所示为通过真空振动器和声学相机检测获得的带平底孔PMMA板的测试结果。

　　结论：便宜又便捷的触摸敏感部件替代方案

　　局部缺陷共振方法特别适合无法通过传统方法（例如：接触式超声波）进行测试的接触敏感元件。通过声学相机间接确定振动的方法具有极大的优势——只需几秒钟即可完成测量，而其他方法需（例如：LDV）逐点扫描部件，可能需要长达一个小时的时间来检查一块30cm × 30cm的板材。此外，该方法还有显著的价格优势。LDV 系统的售价高达六位数，而声学相机的售价已低于10,000 欧元。其功能已在连续纤维增强的薄壁纤维复合材料结构（一种常用于轻量化应用的材料）中得到了证实。但是，塑料复合材料的材料组合几乎是无限的。现在只需有更多的项目来证明不同材料组合的适用性。