[发明专利]基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率表征方法

摘要

一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率表征方法，其属于无损检测技术领域。该方法采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统，采集超声背散射信号并对其进行相空间重构。计算相空间中任意两个时间向量之间的距离，设定参考阈值，获得二维递归矩阵，将其图像化得到递归图(Recurrence Plot，RP)。使用RQA量化指标递归度(Recurrence Rate，RR)对RP图进行定量计算，最终建立CFRP孔隙率P与RR二者之间的相关关系，即RR＝aP^‑1，实现孔隙率的表征。与超声衰减法相比，该方法克服底面回波不存在或较弱时无法表征孔隙率的限制，具有良好的推广前景。

主权项

1.一种基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP孔隙率表征方法，其特征是：采用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统，使用RQA方法分析采集得到的超声背散射信号，经计算建立RQA量化指标递归度与孔隙率P二者之间的相关关系，即RR＝aP^‑1，实现CFRP孔隙率的表征，具体的计算步骤如下：(1)超声背散射信号的采集借助超声C扫描系统，采用超声反射法对CFRP层板进行扫查，根据所得扫描图像选取颜色较为均匀的区域为待研究区域，然后，使用一套包括超声波探伤仪、延迟块探头及数字示波器构成的超声信号采集系统对超声背散射信号进行采集，该超声背散射信号作为待研究的时间序列；(2)相空间重构相空间重构是通过分析系统某一分量的时间序列数据来提取和恢复系统原来的规律；对于一个包含N点的超声背散射信号{x_i}(i＝1，2，...，N)，应用Takens延迟嵌入定理重构后得到的相空间如式(1)所示：式中，X_i为第i个相点，表示m维相空间中的一个状态；m是嵌入维数，τ是延迟时间，重构后的相空间矢量数M＝N‑(m‑1)；最佳m的选取采用虚假近邻法、预测误差最小法以及改进的饱和关联维数法(G‑P算法)，最佳τ的选取采用线性自相关函数法、平均互信息法以及平均位移法；(3)递归图的建立通过上述相空间重构得到向量X_i，每一个X_i是m维相空间中的一个点，代表系统在时刻i的状态；计算上述相空间中任意两点之间的距离，并设定参考阈值，得到递归矩阵R_ij(i，j＝1，2，...，M)，如式(2)所示：R_ij＝Θ(ε‑||X_i‑X_j||)   (2)式中，ε为预设的参考阈值，一般取时间序列标准偏差的12‑18％；|| ||表示范数；Θ(x)为Heavside函数，即将递归矩阵R_ij图像化得到RP图，图像化的规则为：当R_ij＝1时，表示对应RP图(i,j)位置上的一个黑点；当R_ij＝0时，表示对应RP图(i,j)位置上的一个白点，RP图就是通过黑点和白点描绘图形以此反映待研究的时间序列特性；(4)递归定量分析递归定量分析方法中使用特征量对由黑点和白点构成的RP图包含的黑点进行定量分析；该方法使用的量化指标包括递归度RR、确定性(Determinism，DET)、熵(Entropy，ENTR)，其中递归度RR指递归点(即黑点)占总点数的比值，数学表达式如式(4)所示：(5)CFRP孔隙率获取从CFRP层板上将待研究区域切割下来，将切割好的待研究区域进行镶嵌，镶嵌时保证其上表面垂直于纤维束铺设面，然后将待研究区域逐层磨削并拍摄每层的金相照片，获得其连续切片照片；使用图像处理软件IPP统计每层金相照片的孔隙率，取所有孔隙率的平均值作为待研究区域的孔隙率；(6)CFRP孔隙率与递归度之间相关关系的建立建立上述步骤(4)中计算得到的递归度RR与步骤(5)中统计的孔隙率P二者之间的相关关系，即RR＝aP^‑1，基于此，实现CFRP孔隙率的表征。