胶接是一种能提高航天飞行器结构效率和结构破损安全性能的先进连接技术,环氧树脂由于其内聚强度大、粘接强度高等特点,被广泛用于飞机零部件的粘接结构中。近年来,胶接技术在航天领域的应用范围呈持续增长趋势,随着航空制造水平的不断提升,工艺分离面大幅度减少,许多部位的机械连接被共固化、共胶接和二次胶接所替代。然而胶层的固化容易受到环境因素的影响,准确判断胶层的凝胶点、玻璃化转变点及固化度对胶接质量的好坏有非常重要的影响,因此需要发展一种可靠的在线监测技术,以提高粘接工艺的可靠性。本课题的主要目的是研究一种基于激光超声技术的胶层固化监测方法,同时搭建一套灵活性强、适用性广的激光超声检测系统,并利用该系统完成相关的理论及实验研究。论文取得的主要成果包括以下几点:(1)基于双波混合干涉原理搭建了一套适用于非接触移动检测的激光超声检测系统,通过移动探头可以方便快捷地对目标进行检测。在超声波的探测系统中,利用硅酸铋晶体的光折变效应进行超声振动检测,并对干涉仪的相关参数进行了优化。采用高速信号采集卡搭建了用于超声信号实时采集的高速信号采集平台。采用NI-Scope的Lab VIEW程序,以队列数据存储形式,实现了超声信号的快速采集。(2)根据双波混合干涉仪中的光纤结构,分别对单模光纤及多模光纤的耦合效率进行了分析。首先对光纤的结构进行了介绍,说明了全反射条件及光纤内光传播的原理。其次,使用电磁场理论分析了单模光纤的耦合效率,采用几何光学分析考虑了多模光纤的耦合效率。分别考虑了单模光纤与多模光纤在轴向偏移、径向偏移和端面角度倾斜情况下的耦合效率。并计算了由多模光纤引入的模式色散对检测系统的影响。(3)环氧树脂的固化会影响超声波的特征参数,包括声速、振幅以及声阻抗等。根据声速曲线可以分辨出环氧树脂凝胶点及饱和固化阶段。根据复合材料中的波传播路径,利用远场超声建立了下层铝板中振幅与反射系数的关系。同时通过小波变换在时频域对透射波进行了分析,以复Morlet小波为基函数对信号进行分解,并提取了信号的振幅及相位信息,计算了衰减系数及相速度。超声波的吸收衰减与环氧树脂的弛豫特性有关,通过理论分析获得了吸收衰减与频率之间的近似线性关系,同时计算了相速度以评估超声波在环氧树脂中的频散。(4)利用Kramers-Kronig关系推导了超声衰减系数与相速度的关系,并基于衰减系数验证了 Kramers-Kronig关系在环氧树脂固化过程中的适用性,计算了在固化过程中频散度随时间的变化曲线。分别利用超声时域方法、流变仪、差式扫描量热分析(DSC)对环氧树脂的固化过程进行分析,计算了相关参数并探讨了不同方法对固化过程表征的适用性。根据超声时域衰减曲线可以判断出在衰减系数最大值处开始发生玻璃化转变,根据流变仪分析结果可以判断出实验所用环氧树脂体系发生的主要为物理交联。环氧树脂的弛豫特性对频散度有直接影响,本文利用超声在环氧树脂固化过程中频散度的变化曲线建立了固化度的计算模型,并与基于DSC方法的固化度计算模型进行了比较。结果表明,从工业生产角度来看,超声检测在灵敏度方面高于DSC方法,激光超声由于其非接触及灵敏度高的特点,有望发展成为一种工业生产固化在线监测的手段,通过对凝胶点、玻璃化转变点、饱和固化阶段及固化度的判断为实际粘接工艺提供参考。