摘 要

当前，复合碳纤维材料在很多地方的运用都变得越来越广泛。而复合碳纤维零部件快速检测的方法有机器视觉与图像识别，超声等。这些方法都各有利弊，比如成本较高、效率低、易受干扰等，这些传统检测方法目前已经无法满足现代工业技术的发展需要，因此需要一种全新的无损检测技术来检测复合碳纤维零部件的缺陷。本研究结合碳纤维复合材料的异向性，光声效应的检测方法有其独特的优点，如非接触式、快速，还可以检测内部缺陷等，因此本文主要探究激光超声检测技术和基于光声效应的复合碳纤维零部件缺陷快速检测。本论文主要探究的内容如下：

（1）了解超声在激光超声中的传播特性，分析激光超声检测的难点，明确系统设计的目标和要求，归纳总结激光超检测技术，包括它的工作机理，运用范围，和传统的超声检测技术作比较，它的优越性在哪等。

（2）利用激光超声检测仪检测复合碳纤维零部件的缺陷；

（3）通过实验获取超声信号的实验数据，并对数据进行保存分析。

关键词：激光超声检测技术；光声效应；缺陷检测；复合材料

Abstract

At present, the use of carbon fiber materials has become increasingly widespread in many fields. The rapid detection methods of composite carbon fiber components include machine vision, image recognition, ultrasound, and so on.These methods have their own advantages and disadvantages, such as high cost, low efficiency, susceptible to interference. Now, these traditional detection methods areunable to meet the development needs of modern industrial technology, so we need for a new non-destructive testing technology to detect composite carbon fiber parts Defects. In this study, combined with the anisotropy of carbon fiber composites, the detection method of photoacoustic effect has its unique advantages, such as non-contact, fast, and can detect internal defects. Therefore, this paper mainly explores the effects of laser ultrasonic of the rapid detection of composite carbon fiber parts defects. The main contents of this thesis are as follows:

     (1) To understand the propagation characteristics of ultrasound in laser ultrasound, analyze the difficulty of laser ultrasonic detection, clarify the goals and requirements of the system design, summarize the laser super-detection technology, including its working mechanism, the scope of application, and the traditional ultrasonic detection technology For comparison, where is its superiority.

(2)The use of laser ultrasonic detector detection of composite carbon fiber parts defects;

     (3) Through the experiment to obtain the experimental data of ultrasonic signals, and save the data analysis.

Key Words： laser ultrasonic detection technology; photoacoustic effect; defect detection; composite material

目录

目录 1

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.4研究内容与方法 2

1.4.1 研究内容 2

1.4.2研究方法 3

第2章 激光超声场检测原理 4

2.1 超声波激发部分 4

2.2激发的超声波种类和在被测物体中的转播规律 5

2.3超声波的接收 6

第3章 基于激光超声场的碳纤维零部件检测系统 7

3.1仪器介绍 7

3.1.1仪器概述 7

3.1.2仪器的软硬件组成 7

3.2实验过程 8

第4章 碳纤维零部件箱型梁缺陷检测实验与结果分析 10

4.1 实验结果 10

4.1.1时域上实验结果 10

4.1.2振幅上实验结果 12

4.1.3MATLAB处理后时域上实验结果 13

4.1.4MATLAB处理后频域上实验结果 15

4.2 实验结果总结和分析 16

4.2.1从频域总结和分析 16

4.2.2 从时域总结和分析 16

4.3 基于实验结果的复合碳纤维零部件缺陷快速判断 16

4.3.1基于时域信号的快速判断 17

4.3.2基于频域设计方案 17

第5章 研究成果和展望 20

5.1研究主要成果 20

5.2存在的问题及展望 20

参考文献 22

附录 23

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景

现在，随着复合碳纤维材料在工业等领域运用的增多，伴随而来的零部件缺陷的迅速检测也变得越来越重要。

无损检测方法就是在不损坏被检测物体自身性质、状态等的条件下，利用现有的技术条件，对被测物体进行检测，得到相关的检测信息，并判断试件中是否有裂痕、夹杂、分层等影响试件的使用性能的缺陷，并且给出缺陷所在的位置、形状、性质等信息，以及对试件的基础状态进行评估的所有技术方法的总称。在当今工业领域中，无损检测技术在核、化工、航天航空等领域运用特别的广泛。一般的无损探伤技术，包括红外、超声波、射线、涡流、电磁学及渗透等检测技术，虽然技术已经比较成熟，原理和方法比较简单，但成本较高、效率低、易受干扰等，而且在一些特定的场合已经无法达到检测的要求，比如微观检测、高精度、高分辨率的检测等。所以，探究复合碳纤维零部件缺陷检测的新的办法很有必要。

1.2 研究目的及意义

目前复合碳纤维零部件缺陷快速检测的方法有机器视觉与图像识别和超声检测等，这些方法有各自的优缺点，如成本较高、效率低、易受干扰等。而本研究结合碳纤维复合材料的异向性，声光效应的检测方法有其独特的优点，如，非接触式，快速，还可以探测内部的缺陷等，研究光声效应引起的超声在碳纤维复合材料的声波传导特性，检测零部件缺陷问题。本选题要求查阅大量与无损检测相关的文献，分析目前传统检测方法的发展现状和存在的问题，研究碳纤维复合材料零部件缺陷检测的新方法。

激光超声检测的工作原理是由激光在被测物体激发出超声波，再通过压电式超声波传感器接收超声波，最后通过系统软件分析采集数据，得到超声场可视化图像。由于激光激发超声波是利用热弹性效应，且在被检物体内同时激发出如纵波、横波和瑞利波等多种超声波模式，激发出的超声波具有频带宽（可达100MHz以上）、分辨率极高等特点，因此可以对被检对象进行高灵敏度、全方位无损检测，这与传统超声波的单一超声波模式和频带窄（通常20MHz）、单一频率有着截然不同检测结果。激光超声技术对于微观缺陷的无损检测是常规方法检测无法替代的。同时，又是常规检测的重要补充。特别对于激光超声检测机理研究、研制高性能材料时对微观缺陷检测以及航空航天关键构件对发现微小缺陷的客观要求，有着其他手段不可代替的特殊的无损检测手段。

1.3国内外研究现状

目前，国内外一个重要方向是，当代激光超声场检测方法主要依赖电子、回波频谱分析、机电一体化等技术，朝着图像化智能化、自动化以及数字化的方向进步。激光超声检测在时空领域都有较高分辨率，有着频带宽及检测可达性好、操作方便等优点，尤其适用于快速激光超声实验探究，此外，激光超声检测技术比较环保、适应度强、灵敏度高、安全度高、操作方便，尤其是自动化的程度比较高、成本比较低、损伤定位较快等特点。