随着复合材料技术的发展，飞机的构建也发生了变化，越来越多的复合材料被用于商用飞机中，例如：CFRP，因其具有轻巧而坚固的优点而被用于商用飞机。通常这些结构具有复杂且多变的几何形状，这就是对 CFRP 组件进行无损检测（ NDT） 检测所要面临的挑战。在这里，我们将展示Eddyfi超越当前的解决方案。

复合材料检测的首选无损检测技术是相控阵超声检测(PAUT)技术。专用探头配置、高性能的PAUT系统和先进的软件(包括特定的工具和算法)的组合是快速可靠的检测的必要条件。标准相控阵UT检测要求探头和样品之间的精确对准。在复杂几何形状的案例中，这通常会涉及到全面的，而且昂贵的系统，需要对样本的几何尺寸有精确的了解。最近，时反法技术(一种实时自适应聚焦技术)被用于对这些复杂几何形状进行快速、可靠的相控阵UT检测。

技术难点

复合材料结构在飞机上的应用越来越广泛。 这包括机身和机翼的不同部分、外壳、桁条和桁梁。 所有这些组件都有不同的形状，其中大多数是复杂的几何形状。 因此，检测方法必须要适应各种挑战性的情况。

复合材料的制造过程会产生不同类型的缺陷。 制造后的检测必须能够发现CFRP结构中的孔隙、异物和分层(图2)。航空部件检测的另一个具有挑战性的方面是检测速度。 大批量生产要求检验速度要快，以降低成本。

复合材料桁条的分层检测

复合材料桁梁的分层检测

图 2 组件和潜在缺陷图例

我们提出的超前解决方案

为了克服上述挑战，Eddyfi 为复合材料检测提供了一套高效的解决方案。该解决方案基于专用的线阵PAUT探头，先进的PAUT硬件，以及完整的检测软件包，其中包括一些创新的功能。Zetec的解决方案也可以集成到客户的执行机构机械手中。

超声相控阵探头

为了优化检测能力，探头必须要根据样件的几何尺寸进行谨慎地选择。大多数检测基本上是在组件表面正入射的情况下进行的。对于一些典型的复合材料外形，通常需要使用两种不同类型探头的组合。对于平面形状采用线性相控阵探头检测，如图3所示。这些探头通常是32、64或128个晶片。

图 3 使用线阵探头检测平直截面

对于曲面部分，使用弧面探头，通常有32或64个晶片(图4)。

图 4 使用弧面探头检测凸凹截面

UV软件

UltraVision—经典款软件提供检测技术的开发，UT数据采集，显示实时数据图像，并提供先进的数据分析报告工具。它可以处理各种不同行业的相控阵UT应用。在UltraVision提供的工具包中就包含了迭代时反法技术。

时反法的概念

时反法是一种实时自适应UT检测技术，旨在消除探头和工件之间未校准带来的影响。这是通过使用“表面轮廓”实现的; 这一过程利用从探头单个晶片的飞行时间来表征被检测工件的表面。一旦“表面轮廓”完成，将补偿延迟应用于探头的各个晶片，基本上实现了光束对表面的法向入射。

图 5  表面轮廓的测定

这两步过程从“表面轮廓”开始，即通过同时激发所有元素产生平面波。当波遇到工件时，它被反射回接收它的探头。反射波不再是平面波，它受被测部件形状的影响。波形的变化转化为对每个单独晶片i响应的不同飞行时间(见图5)。

利用在初始发射中测量的不同飞行时间，软件计算每个独立晶片i的延迟，将补偿由表面轮廓引入的差异。公式(1)和(2)显示了相应的发射和接收延迟是如何计算的，其中ti是晶片i接收到的波的飞行时间。这个过程可以重复无数次，直到从表面反射回探头的波是平面波(见图6)。

图 6 应用延迟拟合表面轮廓

时反法技术的第二步是使用分析阶段获得的延迟记录数据。数据采集采用有限激活孔径(例如，8个晶片)的电子线性扫描。图7显示了理论(左)和真实的检测数据(右)的比较。在每个扫描位置，这两个步骤都是实时执行的，以保持有效的检查和准确的数据，即使针对不同的表面几何形状。

整个过程是实时执行的，当使用同样聚焦法则群和等效UT设置时，扫描速度与标准相控阵UT相似。

PAUT系统

Eddyfi提供多种相控阵UT系统支持迭代时反法技术;  ZIRCON®, QuartZ® 和 TOPAZ32®.。所有系统都可以电池驱动操作和32/128配置。多达32个晶片的激活孔径和多达128个探头晶片的连接，使系统能够满足各种检查要求。此外，可以将多个单元连接到同一台计算机上，从而从一个工作站控制整套探头(图8)。

图8 针对桁条检测的完整时反法检测方案案例

案例研究

工业复合材料供应商制造了一个CFRP样品(参见图9)，来验证时反法技术。它具有典型的复合材料衰减特性，并含有多个人工黄铜镶件来模拟典型缺陷。插入物是3 × 10毫米(0.11 × 0.39英寸)和30 × 10毫米(1.18 × 0.39英寸)，位于整个样本的不同位置和深度。

        图 9 CFRP 样品

图示几何图形使用三次直线扫查可以完成，需要两个不同的探头。平面部分用线性探头，曲面部分用圆弧探头。 所有检测都是完全浸入水中进行的。 

平面部分

对于平板部分，使用一个LM 5MHz探头，64晶片，间距0.6毫米(0.02英寸)，宽度10毫米(0.39英寸)， 孔径8个晶片。 手动扫描，保证探头对齐，调整好方向。 理论上，时反法数据与标准相控阵UT数据之间应该没有太大的区别。 然而，图10的幅值c扫显示了不同的结果。 即使操作人员努力保持最佳条件，标准PAUT数据上的底波幅值也非常敏感; 事实上，水柱的轻微错位或变化会导致底波幅值的损失。 恒定的底波幅值对孔隙度检测很重要。 另一方面，时反法数据可以在工件的整个范围显示一个恒定的底波幅值。

图 10 平板部分的C扫幅值对比: 时反法(左);标准PAUT (右)

曲面部分

弧型探头，3.5 MHz, 64晶片来检测工件的曲面部分，探头间距为0.65毫米(0.02英寸)，宽度为8毫米(0.31英寸)，孔径为8个晶片。 首先，探头安装在一个两轴机械系统上，以确保最佳的方向和定位。 然后，探头被故意移动约3毫米(0.11英寸)，以展示时反法技术补偿错位的能力(图11)。

图11 探头错位

图12显示了时反法数据在整个扫描线上显示了出色的检测能力，所有9个缺陷在C-Scan上都清晰地显示出来。 标准的PAUT数据就不能充分检测样品中的所有缺陷。

图 12 弧形探头错位（距离）后的C扫幅值图和侧视图

时反法(左);标准PAUT数据(右)

第二次实验，将探头和试件准确对齐，通过旋转探头支架来修改探头的入射角。

图13 探头旋转

随着探头方向的改变，标准PAUT数据变得完全无用:图14(右)的UT数据显示探头没有接收到有效的信号。同样的配置，同样的检测顺序，时反法技术在方向上进行了补偿，生成了如图14(左)所示的数据，实现对复合材料缺陷令人满意的检测。

图 14弧形探头错位（方向）后的C扫幅值图和侧视图

时反法(左);标准PAUT数据(右)

结论

复合材料结构检测的时反法技术为航空航天工业提供了实实在在的好处。 它在不显著降低扫描速度的情况下，实时补偿了探头的不对中和定向错误。 时反法技术通过稳定底波幅值来提高探伤能力和改善孔隙度评估。 通过减少对精确对准和定向的需求，提出的时反法解决方案降低了所需机械扫描系统的成本，从而为终端客户带来额外的成本效益。

时反法技术是Eddyfi 标准PAUT解决方案的一个选项;多个硬件单元可以从一台PC连接和驱动，允许多个探头并行发射，从而提供了大幅提高扫描速度的潜力。