CN109682859A - 电容耦合非接触方式的cfrp材料无损检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容耦合非接触方式的碳纤维增强复合树脂(CFRP)材料无损检测方法及装置。该装置由传感器和电阻抗测量模块组成。传感器由激励电极和检测电极组成，并且实现了检测过程的非接触。交流激励信号源提供正弦激励信号，利用相敏解调的方法获取CFRP试件的等效电阻值。通过建立碳纤维累积损伤中电阻与疲劳损伤状态之间的关系，实现CFRP试件的无损测量。本发明为CFRP材料的非接触无损测量提供了一种可行途径，能够通过非接触的方式进行检测，同时具有传感器结构简单、安装方便、非接触和避免对试件造成破坏等优点。

Description

电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测方法及装置

技术领域

本发明涉及CFRP材料的无损检测技术，尤其涉及一种电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测方法及装置。

背景技术

碳纤维复合材料是指用碳纤维高性能材料增强的复合材料，基体多为先进的树脂基，材料的重量轻，且机械性能可与金属材料相媲美。因此碳纤维复合材料在建筑、交通运输、宇航工业等方面得到广泛的应用。但由于碳纤维复合材料的各向异性和非均质性，使得其在冲击或疲劳等荷载的作用下极易发生损伤甚至破坏，对材料运行的可靠性和安全产生不利影响。因此，对碳纤维增强型复合材料进行损伤检测和实时监控显得尤为重要。

目前已经有多种方法可以用于碳纤维复合材料的检测，主要有超声检测、红外热波检测、微波测量法和电阻检测等方法，各种检测方法在其适用领域发挥着各自的优势，同时也存在各自的缺陷。

红外热波检测的基本原理是对检测材料进行主动加热，利用被测材料内部的热学性质差异和热传导的不连续性使物体表面温度产生差异。该检测方法利用红外热像仪获得被测试件的幅值分布并推断其内部缺陷。该检测方法虽然可以实现无损检测，但其检测过程较长，不能实现快速的扫描检测。

超声检测技术是一种广泛应的检测技术。其利用超声波的反射原理，通过对反射波进行分析获得试件的缺陷位置和大小。但是超声检测应用在碳纤维复合材料检测中是一种接触式检测，为了使超声信号减少衰减的进入被测材料内部，需要在探头处附着耦合剂，使得被测试件表面污染，无法进行快速扫描检测。

根据电阻变化检测的方法是通过类比的方式，以电阻变化作为复合材料的损伤参数，建立了累积损伤中电阻与疲劳损伤状态之间的关系。通过外接导线的方式测量被测试件电阻的变化，从而实现碳纤维复合材料的检测。但这种检测方式为了保证导线与碳纤维的可靠接触，需要在外接导线时将试件两端表面打磨，对试件表面造成了损坏，无法实现真正的无损检测。此外，由于这种检测方式的破坏性，这种方法不能实现对大型试件的扫描检测。且该方法在实际应用时需要在制造过程中预埋电极，要求较高。总之，根据电阻变化实现损伤检测的方法在工业检测领域已经得到认可，但该检测方法的主要技术瓶颈在于其电阻的检测方式，现有的应用于该检测方法的电阻检测方式均为有损检测，该检测方式对被测试件造成了破坏。因此，一种无损的电阻检测方法将大大提高该检测方式的应用效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种新型的电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测装置及方法。本发明针对当前基于电阻抗测量的CFRP材料检测技术会对试件造成破坏的问题，提出了一种电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测装置及方法。通过采用电容耦合技术，实现CFRP材料的无损测量。具体技术方案如下：

一种电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测装置及方法，包括电阻抗测量模块和测量传感器；测量传感器与电阻抗测量模块相连接。

所述的测量传感器的具体组成及连接方式如下：

测量传感器由激励电极和检测电极构成，激励电极、检测电极通过导线与电阻抗测量模块连接。激励电极与检测电极分布于CFRP试件外壁，电极的实际形状可随被测试件的实际形状、尺寸和测量需求改变。

所述的测量传感器与CFRP试件的接触方式如下：

测量传感器的激励电极、检测电极表面均涂有绝缘层，确保电极中的金属在测量时不与碳纤维直接接触，实现非接触无损测量。

本发明还提供一种使用如所述装置的CFRP材料无损检测方法，具体步骤如下：

1)电阻抗测量模块中的DSP芯片完成系统初始化，发送控制信号，FPGA芯片接受控制信号，其内部的DDS模块辅以DAC芯片产生正弦激励信号，通过激励电极施加于被测试件；激励电极与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C₁，激励电极与检测电极间的碳纤维形成等效成电阻R_x，检测电极与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C₂，使三者构成RC串联交流测量通路。

2)以两电极间的碳纤维形成的等效电阻R_x为待检测的值，耦合电容C₁和C₂为背景信号，检测电路的等效阻抗Z的计算公式为：其中，f为激励信号的频率，j为虚数单位。

3)检测电极的信号进入电阻抗测量模块后，模块内的电流-电压转换电路将信号转换成正弦电压信号，该信号经过ADC芯片数字化采样后，送入电阻抗测量模块的FPGA芯片中进行数字相敏解调计算，数字相敏解调完成后，DSP芯片接收FPGA芯片中的数字相敏解调计算结果，并对计算结果进行处理，得到两电极间碳纤维的等效电阻。

4)通过高频疲劳试验机，得到未损坏的CFRP材料的极限拉伸强度，随后在室温下对CFRP 材料在极限拉伸强度内进行不同强度的疲劳加载试验，记录疲劳程度与电阻变化。用电阻变化作为损伤参数建立疲劳损伤模型，建立累积损伤中CFRP材料电阻与疲劳损伤状态之间的关系。利用试验获得的CFRP试件的电阻值，通过与建立的模型相匹配，分析得到试件的损伤程度，从而实现电容耦合非接触方式的CFRP材料的无损检测。

进一步的，所述的步骤3)具体为：

检测电极流出的交流电流，经过电流-电压转换电路转化为交流电压，该电压经过ADC 芯片离散采样后，送入数字相敏解调模块后分解为同相分量V₁和正交分量V₂，根据和V₁和V₂，计算检测信号的幅值A_out和相位θ；

假设激励信号V_in(t)为：

V_in(t)＝A_insinωt

其中，ω为正弦交流激励信号的角频率。

经过电流-电压转换电路之后的交流电压信号V_out(t)为：

V_out(t)＝A_outsin(ωt+θ)

该信号通过ADC芯片可以转换为数字信号V_out(n)为

V_out(n)＝A_outsin(2πn/N+θ)

式中，N为正弦信号每个周期的采样点数，n＝0，1，2...，N-1。

同相参考信号为：

V_sin(n)＝Bsin(2πn/N)

正交参考信号为：

V_cos(n)＝Csin(2πn/N)

式中，B和C分别为两路参考信号的幅值，将参考信号V_sin(n)和V_cos(n)分别与V_out(n)进行乘法累加计算，得到

由上述两式得到

通过幅值A_out和相位θ可以推算出检测电路的等效阻抗，具体推算过程如下：

假设检测电路的等效阻抗其中R_x为等效电阻，C_x为等效电容，j为复数阻抗的虚数单位，则激励信号V_in(t)和经过电流-电压转换电路之后的交流电压信号V_out(t)可表示为：

其中，R_f为电流-电压转换电路的放大倍数；

由上式可得V_out(t)的振幅和相位为：

将之前得到的振幅、相位与上述两式联立可求得电阻R_x和电容C_x：

本发明与现有技术相比具有优异效果：

(1)可以实现无损检测，无需破坏试件表面的绝缘层，不会对被测试件造成破坏。

(2)本方法的传感器只需要按压在试件表面上即可，传感器移动方便，可以方便的对大型CFRP试件进行扫描。

(3)装置结构简单，可以对在役部件进行实时健康检测

(4)传感器安装方便，在制造过程中不需要在试件中预埋电极，不影响生产工艺，应用范围广。

附图说明

图1是电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测装置的结构示意图；

图2是阻抗测量部分的结构图；

图3是传感器等效电路模型示意图；

图4是一种应用该检测方法的应用实例图；

图5为激励电极、检测电极间距从5cm拉伸至75cm的折线图；

图6为对试件在25cm处进行了10组敲击的折线图；

图中：阻抗测量部分1，测量传感器部分2，激励电极3，检测电极4。

具体实施方式

如图1所示，一种电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测方法及装置，其特征在于包括电阻抗测量模块1和测量传感器2；测量传感器部分2与阻抗测量部分1相连接。

如图1所示测量传感器的具体组成及连接方式如下：

测量传感器2由激励电极3和检测电极4构成，激励电极3、检测电极4通过导线与电阻抗测量模块1连接。激励电极3与检测电极4分布于CFRP试件外壁，电极的实际形状可随被测试件的实际形状、尺寸和测量需求改变。

如图1所示的测量传感器与CFRP试件接触方式如下：

激励电极3、检测电极4表面均涂有绝缘层，确保电极在测量时不与碳纤维直接接触，实现非接触无损测量。

如图2所示的电阻抗测量部分具体组成及连接方式如下：

电阻抗测量模块1由DSP、FPGA、DAC、ADC、电流-电压转换电路和显示屏组成。DSP芯片是整个模块的控制核心，控制整个信号处理与通讯模块的工作过程、数据通讯和数据处理；FPGA芯片负责产生激励信号、发送和接受数据、进行数字相敏解调计算；DAC芯片负责辅助FPGA芯片产生正弦激励信号；ADC芯片负责对检测信号的数字化采样；电流-电压转换电路负责将交流电流信号转换成易于处理的交流电压信号；显示屏负责将最终的计算结果显示至屏幕上。

如图3所示的传感器等效电路模型如下：

当对CFRP试件施加交流激励信号时，激励电极3与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C₁，激励电极3与检测电极4间的碳纤维形成等效成电阻R_x，检测电极4与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C₂，使三者构成串联RC交流测量通路；

如图4所示的一种应用该检测方法的应用实例如下：

若被测试件为杆状，则其激励、检测电极可做成环形套于CFRP杆外部，不与其内部的碳纤维直接接触，实现非接触无损检测，且两电极间距离可随实际测量需求而改变。

电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测的具体步骤如下：

1)电阻抗测量模块中的DSP芯片完成系统初始化，发送控制信号，FPGA芯片接受控制信号，其内部的DDS模块辅以DAC芯片产生正弦激励信号，通过激励电极3施加于被测试件；激励电极3与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C₁，试件内两个电极间的碳纤维形成等效成电阻R_x，检测电极4与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C₂，使三者构成串联RC交流测量通路；

2)以两电极间的碳纤维形成的等效电阻R_x为待检测的值，耦合电容C₁和C₂为背景信号，检测电路的等效阻抗Z的计算公式为：其中，f为激励信号的频率，j为虚数单位。

3)检测电极4的信号进入电阻抗测量模块1后，模块内的电流-电压转换电路将信号转换成正弦电压信号，该信号经过ADC芯片数字化采样后，送入电阻抗测量模块的FPGA芯片中进行数字相敏解调计算，数字相敏解调完成后，DSP芯片接收FPGA芯片中的数字相敏解调计算结果，并对计算结果进行处理，得到两电极间碳纤维的等效电阻。

4)通过高频疲劳试验机，得到未损坏的CFRP材料的极限拉伸强度，随后在室温下对CFRP 材料在极限拉伸强度内进行不同强度的疲劳加载试验，记录疲劳程度与电阻变化。用电阻变化作为损伤参数建立疲劳损伤模型，建立累积损伤中CFRP材料电阻与疲劳损伤状态之间的关系。利用试验获得的CFRP试件的电阻值，通过与建立的模型相匹配，分析得到试件的损伤程度，从而实现电容耦合非接触方式的CFRP材料的无损检测。

现以杆状CFRP试件为例进行该方法及装置的可行性验证：

已知该杆状试件长：100cm直径：4mm壁厚：0.5mm

使用上述方法及装置对试件进行检测，激励电极、检测电极间距从5cm拉伸至75cm，每 5cm记录一次检测得到的等效电阻值，检测得到的数据如下表所示：

对上表数据绘图可得折线图5，从图表数据可以看出，随着两电极间距的变大，两电极间接入的碳纤维逐渐增多，检测得到的等效电阻值逐渐变大，并呈现良好的线性关系。该实验证明此检测方法及装置可以用于等效电阻的检测。

现对该杆状试件进行破坏性实验，利用高频疲劳试验机，通过设置一定的敲击强度，对该试件在25cm处进行了10组敲击，并将激励、检测电极间距固定在50cm，每敲击一组记录一次检测数值，检测得到的数据如下：

组数	等效电阻值(mΩ)
		1	9.6215
2	10.0581
		3	10.2732
4	10.4483
		5	10.7857
6	10.6134
		7	10.9667
8	11.1609
		9	11.2251
10	11.4908

对上表数据绘图可得折线图6，从图表数据可得，随着敲击组数的累积，在两电极间测得的等效电阻值不断增大，并呈现一定程度上的线性变化，这是因为随着敲击次数的增加，敲击点处的碳纤维不断断裂，使得检测得到的等效电阻值不断增大。因此，电阻值的变化可以反映被测试件的损伤程度。

从上述两组实验可得，该检测方法及装置可以较好的测得被测试件的等效电阻值，且当被测试试件受损时，其等效电阻值的变化可以较好的反应被测试件的受损程度，由此证明了该方法及装置的有效性。

Claims (4)

1.一种电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测装置，其特征在于包括电阻抗测量模块(1)和测量传感器(2)，其中，测量传感器(2)与电阻抗测量模块(1)相连接；

所述的测量传感器(2)由激励电极(3)和检测电极(4)构成，激励电极(3)、检测电极(4)通过导线与电阻抗测量模块(1)连接，激励电极(3)与检测电极(4)放置于CFRP试件外壁且相互不碰触；

所述的电阻抗测量模块(1)包括DSP芯片、FPGA芯片、DAC芯片、电流-电压转换电路、ADC芯片和显示屏；其中DAC芯片一端与激励电极(3)相连，DAC芯片的另一端与FPGA芯片相连；电流-电压转换电流一端与检测电极(4)相连，另一端与ADC芯片相连，ADC芯片的另一端与FPGA芯片相连；DSP芯片的一端与FPGA芯片相连，另一端与显示屏相连。

2.根据权利要求1所述的无损检测装置，其特征在于所述的激励电极(3)和检测电极(4)表面均涂有绝缘层，确保电极中的金属在测量时不与碳纤维直接接触，实现非接触无损测量。

3.一种使用权利要求1所述装置的CFRP材料无损检测方法，其特征在于具体步骤如下：

1)电阻抗测量模块中的DSP芯片完成系统初始化，发送控制信号，FPGA芯片接受控制信号，其内部的DDS模块辅以DAC芯片产生正弦激励信号，通过激励电极(3)施加于被测试件；激励电极(3)与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C₁，激励电极(3)与检测电极(4)间的碳纤维形成等效成电阻R_x，检测电极(4)与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C₂，使三者构成RC串联交流测量通路；

2)以两电极间的碳纤维形成的等效电阻R_x为待检测的值，耦合电容C₁和C₂为背景信号，检测电路的等效阻抗Z的计算公式为：其中，f为激励信号的频率，j为虚数单位；

3)检测电极(4)的信号进入电阻抗测量模块(1)后，模块内的电流-电压转换电路将信号转换成正弦电压信号，该信号经过ADC芯片数字化采样后，送入电阻抗测量模块的FPGA芯片中进行数字相敏解调计算，数字相敏解调完成后，DSP芯片接收FPGA芯片中的数字相敏解调计算结果，并对计算结果进行处理，得到两电极间碳纤维的等效电阻；

4)得到未损坏的CFRP材料的极限拉伸强度，在室温下对CFRP材料在极限拉伸强度内进行不同强度的疲劳加载试验，记录疲劳程度与等效电阻变化；用等效电阻变化作为损伤参数建立疲劳损伤模型，建立累积损伤中CFRP材料等效电阻与疲劳损伤状态之间的关系；利用试验获得的CFRP试件的等效电阻值，通过与建立的模型相匹配，得到试件的损伤程度，从而实现电容耦合非接触方式的CFRP材料的无损检测。

4.根据权利要求3所述的CFRP材料无损检测方法，其特征在于：所述的步骤3)具体为：

检测电极流出的交流电流，经过电流-电压转换电路转化为交流电压，该电压经过ADC芯片离散采样后，送入数字相敏解调模块后分解为同相分量V₁和正交分量V₂，根据和V₁和V₂，计算检测信号的幅值A_out和相位θ；

假设激励信号V_in(t)为：

V_in(t)＝A_insinωt

其中，ω为正弦交流激励信号的角频率；

经过电流-电压转换电路之后的交流电压信号V_out(t)为：

V_out(t)＝A_outsin(ωt+θ)

该信号通过ADC芯片可以转换为数字信号V_out(n)为

V_out(n)＝A_outsin(2πn/N+θ)

式中，N为正弦信号每个周期的采样点数，n＝0,1,2…,N-1；

同相参考信号为：

V_sin(n)＝Bsin(2πn/N)

正交参考信号为：

V_cos(n)＝Csin(2πn/N)

式中，B和C分别为两路参考信号的幅值，将参考信号V_sin(n)和V_cos(n)分别与V_out(n)进行乘法累加计算，得到

由上述两式得到

通过幅值A_out和相位θ可以推算出检测电路的等效阻抗，具体推算过程如下：

假设检测电路的等效阻抗其中R_x为等效电阻，C_x为等效电容，j为复数阻抗的虚数单位，则激励信号V_in(t)和经过电流-电压转换电路之后的交流电压信号V_out(t)可表示为：

其中，R_f为电流-电压转换电路的放大倍数；

由上式可得V_out(t)的振幅和相位为：

将之前得到的振幅、相位与上述两式联立可求得电阻R_x和电容C_x：