航空透明件端缘结构参数的超声检测法

• 航空透明件(以下简称透明件)是影响飞行安全的重要部件，它包括飞机上的风挡及坐舱盖等，其材料为甲基丙烯酸甲脂高聚化合物。在透明件的装配或检修时，经常需要了解其端缘位置、装配孔位置及孔与端缘的距离和孔距等参数。由于透明件端缘被尼龙纤维层和金属蒙皮所覆盖，且检测的通常是在役飞机，用肉眼及一般测量工具无法获取所需的结构信息。因此，我们进行了用超声波检测透明件端缘结构的研究。以下以对端缘位置的检测为例来说明检测原理及方法。
• 1传统检测方法及存在的问题
• 由透明件端缘的结构可以看到，边缘的垂直端与尼龙纤维层并无粘接，其间存在空气介质，而透明件声阻远大于空气声阻，根据超声波的性质知道，超声波将在边缘垂直端处的透明件一空气界面上几乎完全反射。因此，很容易想到用一常规斜探头向透明件边缘方向发射声波，通过接收边缘处的反射回波并计算分析声程，从而确定端缘的位置。
• 检测原理虽然简单，但在实际应用中还存在以下问题：
• (1)由于现有常规斜探头主要用于在金属材料中产生横波，其入射角不大，在透明件中的折射角约为50度，使得声波在透明件中要经过多次反射，像透明件这样衰减系数较大的探伤机材料和复杂的端缘结构，显然给检测带来不利。
• (2)透明件的纵波声速和横渡声速均较小，分别为2700m／s和1400m／s，由斯涅耳定律可知，以现有的标准斜探头在透明件中不可能产生单一的横波，而是横渡与纵波并存，这与在金属材料中主要以横渡传播的情况有很大不同，给分析带来了困难。
• (3)由于回波要经多次反射，探头处于不同位置时其反射次数不同，虽然理论上可通过声程和结构尺寸判断回波次数，但由于反射情况复杂及探头的扩散角等问题，计算结果误差较大。
• (4)计算得到的为探头发射点到端缘的距离，探头实际发射点的标定也往往有较大的误差。
• 2检测原理及方法
• 为了解决上述问题，我们用一直探头和一大角度(75)的有机玻璃楔块(声速与透明件相近)代替斜探头以获得大的入射角度，从而减少声波在透明件中的反射次数。普通横渡斜探头中的楔块是为了产生渡型转换，而该楔块的作用仅仅是提供一大的入射角，超声波在透明件中仍然主要以纵波方式传播。另外，为了避开复杂的计算，我们设计了带有标尺和指针的探头尧具，检测前用与实际透明件的结构和尺寸都相同的标准试件(不带尼龙纤维层和金属蒙皮)来标定指针的位置并记录此时的声程，在实际检测时通过与标准声程的比较和指针的位置来确定透明件边缘的位置，取得了良好的效果。具体方法介绍如下：
• (1)将探头夹具嚣于标准试件的适当位置，即保证在实际透明件上的相同位置不被尼龙和金属蒙皮所覆盖。调节探伤仪，找到边缘回波(可用手沾耦台剂接触边缘或移动探头，观察波形变化以判断是否为边缘回波)，然后通过夹具上的探头微调装置调节探头的位置和角度，使边缘回波为磁粉探伤机最大，继续调节探伤仪使得边缘回波高度适当。保持探头位置不变，移动指针位置，使指针正好对准标准试件的边缘，然后固定指针位置，此时的声程即反映了探头到指针(边缘)的距离。在实际应用系统中采用笔记本电脑和高速采样卡对此时的波形采样保存，并利用程序很方便地求出实际声程和此时的回波高度。采用F902v4采样卡，采样频率20MHz．采样长度为1024点，所用探伤仪为cTs23型，探头为5MHz。
• (2)将标定好的探头夹具组合置于实际待检测的透明件上，并枯与边缘垂直的方向慢慢移动。由计算机和高速采样卡实时地对反射回波进行采样。并将计算得到的声程与所标定的标准声程相比较．当回波声程与标准声程之差小于设定值且回波高度不小于标定回波高度的80时，指针所指位置即为透明件端缘。为便于操作，可先根据标准声程在一定声程差范围(如50个采样间隔内的声程)搜索，搜索到回波后，再继续缓慢移动夹具并凋节探头角度，直到声程差和回波高度满足要求。
• (3)在指针所指位置作上标记，沿边缘方向继续测得足够多的位置点并作七标记，连接这些标记就可以得到一条完整的边缘位置线。
• 可以看出，该检测方法与传统方法相比，避开了复杂的计算和探头的扩散角和拉射点的标定等问题，只要标准试件与实际构件的结构尺寸完全相同(这很容易做到)-并且保持检测与标定的其它条件(如探伤仪设置、探头型号及耦合方式)不变，就能比较精确地确定端缘位置，特别是高速采样卡的应用更能提高检测精度。实践表明，用该方法检测的端缘位置误差可以<0.5mm。
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