CN106596714B - 一种碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置及方法。该装置包括：激励构件，用于产生激励磁场，激励构件包括长方体磁芯和激励线圈，励磁线圈缠绕于长方体磁芯上；检测构件，用于检测受到扰动磁场影响的感应磁场，检测构件具有多个；检测构件均匀的排布于所述激励构件下方，检测构件的排布方向与长方体磁芯的长边相平行，且检测构件与激励构件相对布置，在进行检测时，检测线圈位于所激励线圈与待检碳纤维复合材料之间。本发明提供的检测装置及方法能够对局部进行快速、实时的检测，而且，检测范围不受检测装置的空间大小的影响。

Description

一种碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明涉及检测领域，特别是涉及一种碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置及方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有一般碳素材料的特性，如耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，同时还具有优秀的抗疲劳、抗冲击特性，尤其是具有超高的强度重量比和硬度重量比，广泛应用在航天和汽车工业领域中。碳纤维复合材料已经成为一种不可或缺的工业材料，因此，开发用于这类材料的无损检测系统变得尤为重要。

目前使用涡流检测技术对碳纤维复合材料脱粘缺陷进行检测时，多采用封闭式检测系统装置进行检测，这种检测装置由于检测空间固定，只能检测一定范围大小的碳纤维复合材料板，并且对位于检测区域中心部位缺脱粘陷检测灵敏度低，导致容易漏检等问题。下面对与本发明最接近的现有技术进行介绍。图1为现有技术中使用涡流检测技术对碳纤维复合材料脱粘缺陷进行检测的装置，如图1所示，封闭式检测系统由16个线圈102(或更多)等间隔的围绕被测物101一周，当其中某个线圈作激励源时，其余线圈作为测量线圈拾取检测信号，然后换至下一个线圈作为激励源，余下线圈作为检测线圈，采用线圈复用的方式，直至每个线圈都进行过一次激励，获取被测碳纤维复合材料板上相关信息，由于脱粘缺陷的存在，使得被测碳纤维复合材料缺陷处电导率发生改变，通过拾取电导率分布变化的检测信号，进行图像重建获取整个被测碳纤维复合材料的三维图像。

封闭式检测系统激励磁场穿越整个被测区域，激励和检测线圈围绕被测物一周，边界是“封闭”的。通过相关图像重建算法，实现对全部检测区域的图像重构，所以称之为全域成像。对于此种检测装置，由于受限于检测装置的检测空间范围影响，使得过大的被检平板构件无法进行检测；过小的被检平板构件由于进行全域成像，存在检测成本增加、检测效率降低、操作不便等问题。而且，在检测过程中，激励线圈产生的磁场由自身向外传播过程中，使得激励磁场强度逐渐衰减，很不均匀地穿过被检碳纤维复合材料，一方面，被检碳纤维复合材料各区域感受到的磁场强度是不均匀的，对检测结果的精度产生了一定的影响，另一方面，处于检测系统中心位置处的碳纤维复合材料获取的磁感应强度最弱，使得检测线圈不易拾取检测信号，即使获取到的检测信号也会十分微弱，导致检测灵敏度最低，容易造成漏检。

发明内容

本发明的目的是提供一种对碳纤维复合材料平板构件能够进行快速、局部、实时检测的碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置及方法，而且，检测范围不受检测装置的大小的限制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置，所述装置包括：

激励构件，所述激励构件用于产生激励磁场，所述激励构件包括长方体磁芯和激励线圈，所述励磁线圈缠绕于所述长方体磁芯上；

检测构件，所述检测构件用于检测受到扰动磁场影响的感应磁场，所述检测构件具有多个；

所述检测构件均匀的排布于所述激励构件下方，所述检测构件的排布方向与所述长方体磁芯的长边相平行，且所述检测构件与所述激励构件相对布置，在进行检测时，所述检测线圈位于所述激励线圈与待检碳纤维复合材料之间。

可选的，所述检测构件包括圆柱状检测磁芯和检测线圈，所述检测线圈缠绕于所述圆柱状检测磁芯上。

可选的，各所述检测磁芯的大小相同，各所述检测线圈在所述检测磁芯上缠绕的方式以及圈数均相同。

可选的，所述检测装置还包括：

外壳和盖板，所述盖板盖在所述外壳的顶部，装配好的所述外壳与所述盖板共同构成一中空的长方体结构，所述外壳的内部底壁上加工有多个环形布线槽，每个所述环形布线槽中放置一个所述检测构件。

可选的，所述外壳内部设置有支架，所述支架用于支撑所述激励构件。

可选的，所述支架包括第一支架与第二支架，所述第一支架的上端、第二支架的上端均通过螺钉与所述外壳顶部的盖板紧固连接，所述第一支架的下端设置有第一凹槽，所述第二支架的下端设置有第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽相对，所述长方体磁芯的两端分别卡装在所述第一凹槽与所述第二凹槽之中。

可选的，所述盖板上设置有插头，所述插头通过导线与所述激励线圈、所述检测线圈相连接。

可选的，所述外壳、所述盖板和所述支架均由绝缘材料制成。

可选的，所述环形布线槽内、所述第一凹槽内和所述第二凹槽内均灌封有环氧树脂。

本发明还提供了一种碳纤维复合材料脱粘缺陷的检测方法，所述方法应用于所述碳纤维复合材料脱粘缺陷检测检测装置中，所述方法包括：

利用有限元分析软件对待测碳纤维复合材料平板构件进行建模；

将建模得到的模型的网格划分为M层；

获取M层网格中各层网格的灵敏场，得到灵敏场矩阵；

移动所述检测装置，使所述检测装置的探头贴在所述待测碳纤维复合材料平板构件的待测区域，对所述待测区域进行扫查，所述探头由所述激励构件与所述检测构件构成；

将经功率放大电路放大的激励信号加载到激励线圈上，使激励线圈产生交变的激励磁场，激励磁场在所述待测碳纤维复合材料平板构件中感生出涡流；

通过分时切换电路对多个检测线圈通道依次进行导通；

利用导通的所述检测线圈检测获取磁场信号，所述磁场信号为包含励磁磁场产生的磁场信号和感生涡流产生的磁场信号，所述感生涡流产生的磁场信号包含受到缺陷影响的扰动磁场；

利用信号调理电路将各所述检测线圈获取的所述磁场信号进行放大、滤波；

利用A/D转换电路对所述放大、滤波后的所述磁场信号进行采集，所述磁场信号包括所述待测碳纤维复合材料构件被扫查区域的电导率；

对采集到的磁场信号进行幅度解调；

根据幅度解调后的磁场信号和所述灵敏场矩阵，利用图像处理和成像软件重建所述检测装置探头下方的待测区域的图像；

根据所述图像确定所述待测区域各层的脱粘缺陷的有无、位置和大小。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的检测装置采用长方体磁芯和励磁线圈构成的激励构件，以及位于长方体磁芯下方均匀排布的检测构件，在进行检测时，所述检测线圈位于所述激励线圈与待检碳纤维复合材料之间。一方面，由于激励构件为长方形，使得待检测材料的检测区域受到的激励磁场是均匀的，另一方面，本发明提供的装置是开放式的，待检测材料的检测范围不受检测装置的尺寸的影响，而且，可以对待检测材料局部进行脱粘缺陷检测，避免了现有技术中的漏检以及由于全域成像带来的效率低、成本高等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中使用涡流检测技术对碳纤维复合材料脱粘缺陷进行检测的装置；

图2为本发明实施例碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置的剖面图；

图3为本发明实施例碳纤维复合材料脱粘缺陷检测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种对碳纤维复合材料平板构件能够进行快速、局部、实时检测的碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置及方法，且检测范围受检测装置的空间范围的限制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图2为本发明实施例碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置的剖面图，如图2所示，该装置包括：

激励构件，所述激励构件用于产生激励磁场，所述激励构件包括长方体磁芯(激励磁芯)4和激励线圈6，所述激励线圈6缠绕于所述长方体磁芯4上；

检测构件，所述检测构件用于检测受到扰动磁场影响的感应磁场，所述检测构件具有多个；

所述检测构件均匀的排布于所述激励构件下方，所述检测构件的排布方向与所述长方体磁芯4的长边相平行，且所述检测构件与所述激励构件相对布置，在进行检测时，所述检测线圈位于所述激励线圈与待检碳纤维复合材料之间。

所述检测构件包括圆柱状检测磁芯和检测线圈，所述检测线圈缠绕于所述圆柱状检测磁芯上。圆柱状检测磁芯13、16、19、22、25、28、31、34分别与检测线圈14、17、20、23、26、29、32、35相结合形成多个检测构件。

各检测磁芯13、16、19、22、25、28、31、34的大小相同，各所述检测线圈14、17、20、23、26、29、32、35在所述检测磁芯上缠绕的方式以及圈数均相同。

所述检测装置还包括：

外壳11和盖板5，所述盖板5通过螺钉2、螺钉8紧固在所述外壳11的顶部，装配好的所述外壳11与所述盖板5共同构成一中空的长方体结构，所述外壳11的内部底壁上加工有多个环形布线槽12、15、18、21、24、27、30、33，每个所述环形布线槽中放置一个所述检测构件。

所述外壳11内部设置有支架，所述支架用于支撑所述激励构件。

所述支架包括第一支架9与第二支架10，所述第一支架9的上端、第二支架10的上端分别通过螺钉3、螺钉7与所述外壳11顶部的盖板5紧固连接，所述第一支架9的下端设置有第一凹槽36，所述第二支架10的下端设置有第二凹槽37，所述第一凹槽36与所述第二凹槽37相对，所述长方体磁芯4的两端分别卡装在所述第一凹槽36与所述第二凹槽37之中。

所述盖板5上设置有插头1，插头1为航空插头，所述插头通过导线与所述激励线圈、所述检测线圈相连接。

所述外壳11、所述盖板5和所述支架均由绝缘材料制成，该绝缘材料可以采用PEEK板。

所述环形布线槽内、所述第一凹槽36内和所述第二凹槽37内均灌封有环氧树脂。

本发明提供的检测装置还包括激励电路、功率放大电路、分时切换电路、信号调理电路、A/D转换电路、上位机、图像处理与成像软件；其中激励线圈6与检测线圈(14、17、20、23、26、29、32、35)组成的线圈传感器部分用于获取碳纤维复合材料平板构件磁场的变化信息；激励电路用于驱动激励线圈6产生激励信号；前置放大电路用于对激励信号进行放大调理；分时切换电路用于对多个检测线圈(14、17、20、23、26、29、32、35)进行依次选通；信号调理电路对检测线圈(14、17、20、23、26、29、32、35)获取的信号进行放大、滤波；A/D转换电路将信号调理电路输出的模拟信号转换成数字信号输入到上位机中进行处理；上位机和图像处理与成像软件对采集到的信号进行分析处理与图像重建，最后在上位机中呈现出检测区域下碳纤维复合材料各层的重建图像，依此可以对检测装置扫查区域脱粘缺陷的有无以及缺陷大小与位置进行判别。

本发明是对碳纤维复合材料平板构件脱粘缺陷进行检测的装置，其检测原理是基于磁感应断层成像(MIT)的基础，即将成像区域置于激励磁场中，通过电磁感应作用使目标导体内部将会产生涡流，该涡流会感生出扰动磁场ΔB并能改变原激励磁场B的强度和空间分布,在检测线圈上可检测到磁场为(B+ΔB)。由理论推导可知，(B+ΔB)与B相比相位延迟了φ度。ΔB的实部由位移电流产生，与导体的导电率有关；ΔB的虚部由涡流感应产生，该参数与导体的电导率分布及施加在激励线圈上的频率有关，且该参数与目标导体的电导率成线性关系。因此，当目标导体内部的电导率分布变化时，感应的涡流强度和涡流分布也会发生变化，进而使得检测线圈的电压也发生改变，通过检测线圈获取的感应电压可以间接地反映出导体的电导率分布，再结合相应的图像重建算法，得到成像区域内电导率的空间分布图像，进而可以分析脱粘缺陷有无、大小、位置。通过对碳纤维复合材料平板划分多个成像层，能够得出各成像层中脱粘缺陷的相关信息，从而实现对整个碳纤维复合材料脱粘缺陷信息的获取。

本发明提供的检测装置通过采用紧绕在长方体磁芯上的线圈(矩形线圈)作为激励线圈，使得产生的激励磁场均匀穿过检测构件下方的碳纤维复合材料，避免了检测区域磁场不均匀，有效的减小并抑制了由于磁场不均匀对检测线圈获取感应信号的精度带来的影响，利于后续图像重建。而且，由于检测装置是开放式的，对被检碳纤维复合材料形状大小没有限制，便于在碳纤维复合材料板上扫查。此外，由于本发明提供的装置仅对装置检测构件下方的区域进行局部扫查成像，成像速度更快。

为达到上述目的，本发明还提供了一种碳纤维复合材料脱粘缺陷检测方法，图3为本发明实施例碳纤维复合材料脱粘缺陷检测方法流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤301：利用有限元分析软件对待测碳纤维复合材料平板构件进行建模；

步骤302：将建模得到的模型的网格划分为M层；

步骤303：获取M层网格中各层网格的灵敏场，得到灵敏场矩阵；

步骤304：移动所述检测装置，使所述检测装置的探头贴在所述待测碳纤维复合材料平板构件的待测区域，对所述待测区域进行扫查，所述探头由所述励磁构件与所述检测构件构成，此时，上位机对激励电路发出指令，使激励电路发出激励信号。

步骤305：将经功率放大电路放大的激励信号加载到激励线圈上，使激励线圈产生交变的激励磁场，激励磁场在所述待测碳纤维复合材料平板构件中感生出涡流；

步骤306：通过分时切换电路对多个检测线圈通道依次进行导通；

步骤307：利用导通的所述检测线圈检测获取磁场信号，所述磁场信号为包含励磁磁场产生的磁场信号和感生涡流产生的磁场信号，所述感生涡流产生的磁场信号包含受到缺陷影响的扰动磁场；

步骤308：利用信号调理电路将各所述检测线圈获取的所述磁场信号进行放大、滤波；

步骤309：利用A/D转换电路对所述放大、滤波后的所述磁场信号进行采集，所述磁场信号包括所述检测装置探头下方的待测区域的电导率；

步骤310：对采集到的磁场信号进行幅度解调；

步骤311：根据幅度解调后的磁场信号和所述灵敏场矩阵，利用图像处理和成像软件重建所述检测装置探头下方的待测区域的图像，该图像具有M层，能够显示待测区域垂直于探头方向的M层的图像；

步骤312：根据所述图像确定所述待测区域各层的脱粘缺陷的有无、位置和大小。

本发明提供的检测方法通过采用紧绕在长方体磁芯上的线圈(矩形线圈)作为激励线圈，使得产生的激励磁场均匀穿过检测构件下方的碳纤维复合材料，避免了检测区域磁场不均匀，有效的减小并抑制了由于磁场不均匀对检测线圈获取感应信号的精度带来的影响，利于后续图像重建。而且，由于检测装置是开放式的，对被检碳纤维复合材料形状大小没有限制，便于在碳纤维复合材料板上扫查。此外，由于本发明提供的装置仅对装置检测构件下方的区域进行局部扫查成像，成像速度更快。。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种碳纤维复合材料脱粘缺陷检测装置，其特征在于，所述装置包括：

激励构件，所述激励构件用于产生激励磁场，所述激励构件包括长方体磁芯和激励线圈，所述激励线圈缠绕于所述长方体磁芯上；

检测构件，所述检测构件用于检测受到扰动磁场影响的感应磁场，所述检测构件具有多个，所述检测构件包括圆柱状检测磁芯和检测线圈，所述检测线圈缠绕于所述圆柱状检测磁芯上；

所述检测构件均匀的排布于所述激励构件下方，所述检测构件的排布方向与所述长方体磁芯的长边相平行，且所述检测构件与所述激励构件相对布置，在进行检测时，所述检测线圈位于所述激励线圈与待检碳纤维复合材料之间；

外壳和盖板，所述盖板盖在所述外壳的顶部，装配好的所述外壳与所述盖板共同构成一中空的长方体结构，所述外壳的内部底壁上加工有多个环形布线槽，每个所述环形布线槽中放置一个所述检测构件；所述外壳内部设置有支架，所述支架用于支撑所述激励构件；所述支架包括第一支架与第二支架，所述第一支架的上端、第二支架的上端均通过螺钉与所述外壳顶部的盖板紧固连接，所述第一支架的下端设置有第一凹槽，所述第二支架的下端设置有第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽相对，所述长方体磁芯的两端分别卡装在所述第一凹槽与所述第二凹槽之中。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，各所述检测磁芯的大小相同，各所述检测线圈在所述检测磁芯上缠绕的方式以及圈数均相同。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述盖板上设置有插头，所述插头通过导线与所述激励线圈、所述检测线圈相连接。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述外壳、所述盖板和所述支架均由绝缘材料制成。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述环形布线槽内、所述第一凹槽内和所述第二凹槽内均灌封有环氧树脂。

6.一种检测方法，所述方法应用于如权利要求1-5中任一项权利要求所述的检测装置，所述方法包括：

利用有限元分析软件对待测碳纤维复合材料平板构件进行建模；

将建模得到的模型的网格划分为M层；

获取M层网格中各层网格的灵敏场，得到灵敏场矩阵；

移动所述检测装置，使所述检测装置的探头贴在所述待测碳纤维复合材料平板构件的待测区域，对所述待测区域进行扫查，所述探头由所述激励构件与所述检测构件构成；

将经功率放大电路放大的激励信号加载到激励线圈上，使激励线圈产生交变的激励磁场，激励磁场在所述待测碳纤维复合材料平板构件中感生出涡流；

通过分时切换电路对多个检测线圈通道依次进行导通；

利用导通的所述检测线圈检测获取磁场信号，所述磁场信号为包含激励磁场产生的磁场信号和感生涡流产生的磁场信号，所述感生涡流产生的磁场信号包含受到缺陷影响的扰动磁场；

利用信号调理电路将各所述检测线圈获取的所述磁场信号进行放大、滤波；

利用A/D转换电路对所述放大、滤波后的所述磁场信号进行采集，所述磁场信号包括所述待测碳纤维复合材料构件被扫查区域的电导率；

对采集到的磁场信号进行幅度解调；

根据幅度解调后的磁场信号和所述灵敏场矩阵，利用图像处理和成像软件重建所述检测装置探头下方的待测区域的图像；

根据所述图像确定所述待测区域各层的脱粘缺陷的有无、位置和大小。