一种基于超声检测的聚氨酯粘接剂缺陷测量方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于超声检测的聚氨酯粘接剂缺陷测量方法及系统 (Polyurethane adhesive defect measuring method and system based on ultrasonic detection ) 是由 魏培欣 宗艳 梁雯雯 张国旺 王国平 杨晓云 丁柏妍 吴金洋 张煜超 郑云昊 王 于 2021-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于超声检测的聚氨酯粘接剂缺陷测量方法及系统,方法包括：S1：选取检测用纵波直探头,根据超声波参数计算近场区长度；S2：采集近场区外待测聚氨酯粘接剂多个不同位置处的超声信号,其中,待测聚氨酯粘结剂表面涂刷有超声波耦合剂；S3：判断超声回波信号是否存在缺陷；S4：获取有缺陷的超声回波信号对应的缺陷回波和缺陷底波的到达时间,以及无缺陷的超声回波信号对应的始波和底波的到达时间；S5：根据各位置处待测聚氨酯粘接剂的厚度,以及到达时间和到达时间,计算聚氨酯粘接剂的缺陷部位距离上表面的距离T。本发明能够实现超声无损检测,深入分析聚氨酯材料中的缺陷信号,从而准确地检测出聚氨酯材料中的缺陷位置。(The invention discloses a polyurethane adhesive defect measuring method and system based on ultrasonic detection, wherein the method comprises the following steps: s1: selecting a longitudinal wave straight probe for detection, and calculating the length of a near field region according to ultrasonic parameters; s2: collecting ultrasonic signals of a plurality of different positions of the polyurethane adhesive to be detected outside the near field region, wherein the surface of the polyurethane adhesive to be detected is coated with an ultrasonic coupling agent; s3: judging whether the ultrasonic echo signal has defects; s4: acquiring the arrival time of a defect echo and a defect bottom wave corresponding to the defective ultrasonic echo signal and the arrival time of a start wave and a bottom wave corresponding to the non-defective ultrasonic echo signal; s5: and calculating the distance T from the defect part of the polyurethane adhesive to the upper surface according to the thickness, the arrival time and the arrival time of the polyurethane adhesive to be detected at each position. The invention can realize ultrasonic nondestructive detection and deeply analyze the defect signal in the polyurethane material, thereby accurately detecting the defect position in the polyurethane material.)
技术领域
本发明涉及一种基于超声检测的聚氨酯粘接剂缺陷测量方法及系统，属于无损检测技术领域。
背景技术
胶粘连接具有结构简单、重量轻、尺寸小、工艺性好等优点，在工业生产生活中广泛应用。聚氨酯胶粘剂凭借强度高、耐磨性强、耐低温性、耐油、耐化学品腐蚀等特点成为最常用的粘结剂之一。
胶接结构在生产过程中会出现缺胶、粘接面污染、不完全固化和部分粘接等缺陷；在服役过程中会出现老化、裂纹、粘附破坏和内聚破坏等问题，由此破坏粘接结构的完整性。在胶接结构中，界面脱粘缺陷的隐患最大，胶接结构中存在的这些缺陷会使粘接强度严重降低，在外力作用下，界面中存在残余应力和使用环境的影响，粘接结构将出现力学性能劣化最终可能导致整体失效。如果不能及时发现这些缺陷和准确判断缺陷的危害性，将会带来巨大的损失。
目前常用于检测粘接结构的无损检测方法有：红外热成像、射线照相法以及渗透法。红外热成像法由于应用成本高，对温度等外界环境因素较敏感，在实际应用中受到严格的环境因素的限制。射线照相法检测成本较高，检测速度缓慢，且对人体有伤害，需要采取防护措施。渗透法只能用于检测开口暴露在工件表面的缺陷，并不能检测内部隐藏缺陷。相比较上述检测方法，超声检测法由于其设备轻便、检测成本低、速度快、穿透能力强、缺陷定位准确、灵敏度高、对人体及环境无害、被检对象范围广及现场使用较方便等优势，而得到了广泛的应用。
公开于该
背景技术
部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于超声检测的聚氨酯粘接剂缺陷测量方法及系统，通过超声无损检测，深入分析聚氨酯材料中的缺陷信号，从而准确地检测出聚氨酯材料中的缺陷位置。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一方面，本方明提供一种基于超声检测的聚氨酯粘接剂缺陷测量方法，包括如下步骤：
S1：选取检测用纵波直探头以及超声波参数，根据超声波参数计算近场区长度；
S2：用纵波直探头采集近场区外待测聚氨酯粘接剂多个不同位置处的超声信号，其中，待测聚氨酯粘结剂表面涂刷有超声波耦合剂；
S3：判断各位置处采集到的超声回波信号是否存在缺陷；
S4：获取有缺陷的超声回波信号对应的缺陷回波和缺陷底波的到达时间t1和t2，以及无缺陷的超声回波信号对应的始波和底波的到达时间t1'和t2'；
S5：获取各位置处待测聚氨酯粘接剂的厚度，根据所述厚度，以及到达时间t1、t2和到达时间t1'、t2'，计算聚氨酯粘接剂的缺陷部位距离上表面的距离T。
进一步的，步骤S1还包括，在检测开始前，对超声信号采集装置进行初始化参数设置，其中，所述初始化参数包括示波通道、检波方式、输出脉冲宽度、初始增益、声程及工作方式；以及选择标准回波试块进行调校，调节增益。使得检测过程能够更好的区分缺陷信号。
进一步的，上述工作方式选为单探头自发自收，采用一发一收式采集超声波信号。
进一步的，使用标准回波试块进行调校时，使得标准回波试块的始波信号和底波信号分别与超声检测仪屏幕横向刻度第0格和第8格相重合，调节增益使得回波信号幅度达到纵向度的60％。该设置可使信号出现的刻度尽可能多的出现在屏幕上，屏幕上同时间显示的波形也尽可能的完整。
对于圆盘波源辐射纵波声场，波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅尔区。
考虑到在近场区中测量时，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就有可能引起误判，甚至漏检，因此本发明对纵波直探头的楔块厚度进行设计，以在检测过程中应当避免在近场区中测量。
因此，本发明方法中，S1还包括，根据近场区长度确定纵波直探头的楔块厚度；S2采用相应楔块厚度的纵波直探头采集超声信号。
进一步的，所述超声波参数包括波源半径和超声波波长，近场区长度的计算公式为：
式中，N为近场区长度，Rs为波源半径，λ为超声波波长；
其中：
式中，C为预设置的波速，f为纵波直探头的频率。
进一步的，本发明在进行检测前，对于待检测的聚氨酯粘结剂，首先在其表面均匀涂刷CG-98型超声波耦合剂。。该耦合剂具有良好的耦合性能，能有效减少超声波声能损失，且易于清洗，对人体无害，对环境无污染。
进一步的，步骤S3中，步骤S3中，所述判断各位置处采集到的超声回波信号是否存在缺陷包括：
若采集到的超声回波信号中始波和底波回波清晰可见，无明显的缺陷回波信号，则超声回波信号无缺陷；若采集到的超声回波信号在始波和底波之间明显存在缺陷回波信号，且底波信号有衰减，则超声回波信号存在缺陷。
进一步的，在步骤S5中，根据超声回波信号采集处待测聚氨酯粘接剂的厚度，以及到达时间t1、t2和到达时间t1'、t2'，计算聚氨酯粘接剂的缺陷部位距离上表面距离T，包括：
计算超声波在待测聚氨酯粘接剂中的声速CL，公式为：
式中，D为超声回波信号采集处待测聚氨酯粘接剂的厚度；
计算聚氨酯粘接剂的缺陷部位距离上表面距离T，公式如下：
另一方面，本发明提供一种基于前述聚氨酯粘接剂缺陷测量方法的聚氨酯粘接剂缺陷测量系统，其包括数字超声波探伤仪、纵波直探头、待测聚氨酯粘结剂及PC端；所述纵波直探头连接有厚度与近场区长度相匹配的楔块，并通过通道线与数字超声波探伤仪连接；所述数字超声波探伤仪与设有显示单元的PC端相连。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、本发明研究了聚氨酯材料粘结剂的声速特性，通过分析聚氨酯粘接剂的超声信号，能够准确快速的检测出聚氨酯材料中的缺陷位置；
2、本发明所采用的超声检测法设备轻便，检测成本低，缺陷定位准确，灵敏度高，且被检对象范围广。
附图说明
图1是本发明测量方法的一种实施例流程示意图；
图2是模拟试样设计图；
图3是无缺陷超声信号的测量所得波形示意图；
图4是有缺陷超声信号的测量所得波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例介绍一种基于超声检测的聚氨酯粘接剂缺陷测量方法，参考图1，包括如下步骤：
S1：选取检测用纵波直探头以及超声波参数，根据超声波参数计算近场区长度；
S2：用纵波直探头采集近场区外待测聚氨酯粘接剂多个不同位置处的超声信号，其中，待测聚氨酯粘结剂表面涂刷有超声波耦合剂；
S3：判断各位置处采集到的超声回波信号是否存在缺陷；
S4：获取有缺陷的超声回波信号对应的缺陷回波和缺陷底波的到达时间t1和t2，以及无缺陷的超声回波信号对应的始波和底波的到达时间t1'和t2'；
S5：获取各位置处待测聚氨酯粘接剂的厚度，根据所述厚度，以及到达时间t1、t2和到达时间t1'、t2'，计算聚氨酯粘接剂的缺陷部位距离上表面的距离T。
利用，本实施例可快速准确的测得聚氨酯粘结剂的缺陷位置。
实施例2
本实施例具体介绍与实施例1基于相同发明构思的基于超声检测的聚氨酯粘接剂缺陷测量方法，具体涉及以下内容。
S1，检测前的准备
1.1对超声信号采集装置进行初始化参数设置，其中，所述初始化参数包括示波通道、检波方式、输出脉冲宽度、初始增益、声程及工作方式；以及选择标准回波试块进行调校，调节增益。使得检测过程能够更好的区分缺陷信号。工作方式可选为单探头自发自收，采用一发一收式采集超声波信号。
使用标准回波试块进行调校时，使得标准回波试块的始波信号和底波信号分别与超声检测仪屏幕横向刻度第0格和第8格相重合，调节增益使得回波信号幅度达到纵向度的60％。该设置可使信号出现的刻度尽可能多的出现在屏幕上，屏幕上同时间显示的波形也尽可能的完整。
1.2近场区确定
考虑到在近场区中测量时，处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这样就有可能引起误判，甚至漏检，因此本实施例对纵波直探头的楔块厚度进行设计，以在检测过程中应当避免在近场区中测量。
近场区的长度根据超声波的波源半径和超声波波长确定，计算公式为：
式中，N为近场区长度，Rs为波源半径，λ为超声波波长；
其中：
式中，C为预设置的波速，f为纵波直探头的频率。
纵波直探头楔块的厚度即可设置为近场区的长度N。
1.3待测聚氨酯表面处理
在进行检测前，对于待检测的聚氨酯粘结剂，首先在其表面均匀涂刷CG-98型超声波耦合剂。该耦合剂具有良好的耦合性能，能有效减少超声波声能损失，且易于清洗，对人体无害，对环境无污染。
S2，超声探伤及信号采集：用带有楔块的纵波直探头采集近场区外待测聚氨酯粘接剂多个不同位置处的超声信号。
S3，判断各位置处采集到的超声回波信号是否存在缺陷：若采集到的超声回波信号中始波和底波回波清晰可见，无明显的缺陷回波信号，则超声回波信号无缺陷，如,3所示；若采集到的超声回波信号在始波和底波之间明显存在缺陷回波信号，且底波信号有衰减，则超声回波信号存在缺陷，如图4所示。
S4，波形参数获取：获取有缺陷的超声回波信号对应的缺陷回波和缺陷底波的到达时间t1和t2，以及无缺陷的超声回波信号对应的始波和底波的到达时间t1'和t2'。波形参数可通过人为观察得到，也可通过将数字超声波探伤仪与PC连接后由PC自动获取。
S5，缺陷位置计算
获取各位置处待测聚氨酯粘接剂的厚度，根据所述厚度，以及到达时间t1、t2和到达时间t1'、t2'，计算聚氨酯粘接剂的缺陷部位距离上表面的距离T，具体包括：
计算超声波在待测聚氨酯粘接剂中的声速CL，公式为：
式中，D为超声回波信号采集处待测聚氨酯粘接剂的厚度；
计算聚氨酯粘接剂的缺陷部位距离上表面距离T，公式如下：
实施例3
本实施例介绍一种基于实施例1或2所述聚氨酯粘接剂缺陷测量方法的聚氨酯粘接剂缺陷测量系统，其包括数字超声波探伤仪、纵波直探头、待测聚氨酯粘结剂及PC端；所述纵波直探头连接有厚度与近场区长度相匹配的楔块，并通过通道线与数字超声波探伤仪连接；所述数字超声波探伤仪与设有显示单元的PC端相连。
数字超声波探伤仪连接PC端，将波形数据传输至PC端，显示于显示单元上，同时，PC端可自动获取波形参数数据，进行缺陷位置的计算并显示输出。
为了研究本发明测量方法的有效性，以下通过自制的聚氨酯试块进行说明。
图2所示为自制的聚氨酯材料模拟试块，聚氨酯试块尺寸设计为长×宽×高为90mm×6mm×25mm，检测区域为聚氨酯内部，同时在聚氨酯中设置矩形脱粘缺陷，分三次注胶，如图1从左到右所示，每次注胶放置矩形缺陷，缺陷放置深度h设置为21mm，10mm，4mm，设置不同尺寸缺陷进一步验证，缺陷尺寸设计为长×宽×高为1mm×1mm×2mm，2mm×2mm×2mm，3mm×3mm×2mm。
利用实施例3的超声检测系统，测试过程为：
步骤一：超声检测仪选择与设置
选用三丰公司多通道数字超声波探伤仪SF580脉冲反射超声检测仪，以期产生脉冲超声波和实时回波信号。
根据试块参数设置超声检测仪参数为：
通道选择：2 检波方式：全波检波
脉冲宽度：40ns初始增益：60dB
声程：30mm工作方式：单探头自发自收
步骤二：标准回波试块调校
设置完毕后，将探头置于试块无缺陷处，调节超声检测仪使得标准回波的始波信号和底波信号分别与超声检测仪屏幕横向刻度第0格和第8格相重合，并且调节增益使得回波信号幅度达到纵向度的60％时，此时增益为65dB。
步骤三：直探头选择
根据近场区长度计算公式，选用纵波直探头频率为5MHz，探头直径为10mm，将它与超声检测仪相连。
步骤四：耦合
在聚氨酯界面均匀涂刷CG-98型超声波耦合剂
步骤五：探伤检测与判别
采用常规方式，用纵波直探头在涂刷CG-98型超声波耦合剂的聚氨酯界面进行一发一收式采集超声波信号。在无缺陷模拟试块中采集到如图3所示超声波信号，可以清晰看到始波和底波回波信号。同时再将探头放置于已知预埋缺陷试块表面处，得到如图4所示缺陷超声信号。在始波信号和底波信号之间可以清楚看到缺陷回波信号，而且底波信号有衰减。
根据得到的无缺陷超声信号和有缺陷超声信号，结合公式：
可计算得聚氨酯胶结剂中超声纵波波速和分析聚氨酯中预埋缺陷情况，实际计算结果与缺陷注入位置基本相符。
综上，本发明方法结合了无损检测与超声检测方法，能较好地分析超声波在聚氨酯胶结剂中的传播情况和传播速度，为实际检测车窗胶粘部位脱粘缺陷奠定了基础。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。