CN111796020B - 一种碳纤维复合材料分层缺陷的涡流检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳纤维复合材料分层缺陷的涡流检测方法与系统，包括下列步骤：1）使两线圈相邻边的电流方向相同，形成一个串联式线圈；2）将该串联式线圈作为涡流探头的检测线圈；用激励源产生正弦波作为激励信号，该激励信号被施加于该涡流探头上；3）检测时，计算涡流探头的输出功率P；4）设定阈值P₀，若输出功率P≥P₀，则说明涡流探头的输出功率较大，碳纤维复合材料板在厚度方向上的导电性能稳定，该碳纤维复合材料板的检测点附近没有分层缺陷，若输出功率P<P₀，则说明涡流探头实际的输出功率变小，碳纤维复合材料板在厚度方向上的导电性能下降，该碳纤维复合材料板的检测点下方存在分层缺陷。能对弱导电材料进行无损检测。

Description

一种碳纤维复合材料分层缺陷的涡流检测方法与系统

技术领域

本发明涉及一种针对碳纤维复合材料的无损检测方法与系统，尤其涉及针对该材料分层缺陷的检测方法与检测系统，属于复合材料的电磁无损检测领域。

背景技术

碳纤维复合材料是一种新型结构材料，具有强度高、重量轻的优越性能，在民用、军事、航空航天等领域都得到了广泛的应用。由于碳纤维复合材料自身的结构特点，在加工和使用的过程中，极易造成分层缺陷的出现。因此，为保证碳纤维复合材料的品质，开展碳纤维复合材料无损检测，特别是针对分层缺陷的无损检测技术，越来越受到关注。

由于碳纤维复合材料的导电性能较差，常规的低频涡流检测技术在碳纤维复合材料内所产生的涡流非常微弱。涡流信号强度及其灵敏度都很低，难以被涡流探头有效地拾取。

为克服上述困难，一般采用10MHz以上高频涡流检测方法。但是，高频涡流检测系统实现起来较为困难，信号拾取和放大过程也易受到外界干扰。

中国专利CN104914158B公开了一种用于碳纤维复合材料损伤检测方法，是一种利用电磁感应原理进行检测的常规无损检测方法。该方法利用线圈在导体内激发出涡流，在涡流区域内若存在损伤，则会影响该区域内涡流场的分布，并在线圈上感应出相应的电压变化。涡流检测对导体的检测检测效果较好，因此非常适合金属材料。但是，碳纤维复合材料属于弱导电材料，其电阻率的高频电磁涡流检测系统，其特征在于，其包括上位机、位移平台、涡流探头、模拟信号处理单元和数字信号处理单元。该发明的高频电磁涡流检测系统可以对碳纤维复合材料的损伤进行实时检测，整个检测系统高频工作，可达10MHz，其检测灵敏度高，可对碳纤维复合材料中的微小损伤进行损伤定位，整个检测系统集成程度高，体积小。

中国专利CN 104897775 B公开了一种碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其包括信号发生模块、涡流传感单元、锁相放大模块和信号采集模块。该系统对碳纤维复合材料冲击、断裂等损伤进行检测与判断，操作简单、效率高、价格低廉。设计机构合理，有效减少提离效应的影响，同时，各模块的设计对于微小信号具有很高的灵敏度，检测能力强。但该专利不涉及对分层缺陷的检测。

通过相关资料，碳纤维复合材料的涡流检测存在信号微弱、灵敏度低的问题。目前有两种思路来克服：第一种是提高涡流检测频率，利用10MHz以上高频涡流检测系统来达到目标；第二种是提高处理电路灵敏度和放大增益，利用高精度放大器提高信号强度。而且目前针对碳纤维复合材料的无损检测主要还是集中在冲击、断裂等损伤型缺陷的探伤上。而对于碳纤维复合材料制造过程中出现的分层缺陷，尚缺乏专一的、有效的无损检测手段。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于针对碳纤维复合材料低电导率的特性，提供一种涡流检测方法与系统，并能实现对碳纤维复合材料内的分层缺陷的无损检测。

本发明的一个目的是提供一种针对碳纤维复合材料分层缺陷的涡流检测方法，该方法的特征在于其实施过程包括下列步骤：

步骤一：将两个大小相同的矩形线圈共面并排放置；再将两个线圈进行串联，使两线圈相邻边的电流方向相同，形成一个串联式线圈。在外观上看，该串联式线圈类似一个“8”字形。

步骤二：将该串联式线圈作为本发明的涡流探头的检测线圈，代替常规涡流检测的单一检测线圈式涡流探头。用激励源产生正弦波作为激励信号，该激励信号被施加于该涡流探头上。

步骤三：检测时，将涡流探头置于碳纤维复合材料检测点的上方，并保持两线圈的相邻边始终与被测碳纤维复合材料表面垂直。这样，就可以在碳纤维复合材料内部产生厚度方向上的涡流分量。

步骤四：在当前检测点，对涡流探头的端电压V及工作电流I进行采样，采样频率f大于激励信号频率的2倍。根据端电压的采样结果V(t)和工作电流的采样结果I(t)，对此时涡流探头的实际输出功率P进行估计。

对实际输出功率P进行量化估计的方法很多，本发明中选用（但不局限于）平均值估计法。根据功率的定义，涡流探头在时刻t的瞬时功率

为：

则在当前检测点，涡流探头的平均功率为：

其中，n为在当前检测点所采集数据的个数。

步骤五：若被测的碳纤维复合材料结构中存在分层缺陷，会导致分层位置处在厚度方向上的导电性能下降。材料内部在厚度方向上的涡流对应减少，涡流所造成的发热量也会减小，最终在涡流探头的输出功率P上表现出来。因此，可以根据对检测点处，涡流探头的平均功率P来对分层缺陷是否存在进行评估。可以设定阈值P₀。对于阈值P₀的设定方法很多，本发明中采用实验（但不局限于此）估计法。对待识别的最小分层缺陷进行检测，取分层缺陷处涡流探头的平均功率作为阈值P₀。

若检测点处涡流探头的输出功率P ≥ P₀，则说明碳纤维复合材料在厚度方向上的导电性能稳定，该检测点附件没有分层缺陷。

若检测点处涡流探头的输出功率P < P₀，则说明涡流探头实际的输出功率变小，碳纤维复合材料在厚度方向上的导电性能下降，该检测点下方存在分层缺陷。

步骤六，通过扫查机构，将涡流探头移动到下一个检测点。重复步骤四，直到对被测碳纤维复合材料表面所有检测点扫查完毕。

本发明中涡流探头进行分层缺陷的检测原理为：选择矩形线圈并使线圈垂直于碳纤维复合材料表面放置。这样，矩形线圈中的激励电流将产生平行于碳纤维复合材料表面的磁场，进而在碳纤维复合材料中产生厚度方向的涡流。而且，两线圈相邻边的电流方向相同，将有利于进一步强化厚度方向的涡流。如果被测碳纤维复合材料中存在分层缺陷，则碳纤维复合材料在厚度方向上的电阻率增加，涡流将改变方向，沿分层表面流动，同时涡流强度也会对应减小。涡流强度的减小，造成碳纤维复合材料发热量的减少，并最终在涡流探头的输出功率P上表现出来。因此，可以根据对检测点处，涡流探头的功率P变化情况可以作为分层的指示器。

采用本发明方法设计的涡流检测系统，对被测材料中电阻率变化所引起的热功率变化灵敏，且将电阻率变化直接映射为涡流探头的功率P变化。因此，本发明非常适合于碳纤维复合材料等高电阻率的弱导电材料的无损检测。

按照本发明的另一方面，提供一种碳纤维复合材料分层缺陷的涡流检测系统，其特征在于，包括：涡流探头、激励源、电压波形采集器、电流波形采集器、AD转换器、上位机、扫查平台，其中，

所述的涡流探头包括：外壳、串联式线圈和屏蔽线；所述串联式线圈由两个大小相同的矩形线圈并排放置并串联构成，并且两矩形线圈相邻边的电流方向相同。所述串联式线圈置于外壳内，并通过屏蔽线引出；在外观上，该串联式线圈类似一个“8”字。在实际使用时，应保持两矩形线圈相邻边始终与被测碳纤维复合材料表面垂直；

所述的激励源与涡流探头相连，并为涡流探头提供正弦波作为激励信号；

所述的电压波形采集器与涡流探头相连，用于采样作用于涡流探头上的端电压V；电压波形采集器采样得到的结果记为V(t)；在实现方法上，电压波形采集器可以选用（但不局限于）电压传感器来实现；

所述的电流波形采集器与涡流探头相连，用于采样实际流过涡流探头的工作电流I。电流波形采集器采样得到的结果记为I(t)；在实现方法上，电流波形采集器可以使用采样电阻，也可以使用电流传感器等；

所述的AD转换器为两路以上的数据采集系统或数据采集卡，用于将电压波形采集器和电流波形采集器的采样结果V(t)和I(t)转换为对应的数字量，并通过数据总线上传给上位机；

所述的涡流探头安装在扫查平台的滑块上；所述的扫查平台可选用二维或三维的移动平台，且由上位机进行运动控制。

所述的上位机与扫查平台相连，可以通过发送运动指令来控制扫查平台的运动轨迹，实现涡流探头对碳纤维复合材料表面检测点的扫查。上位机还与AD转换器相连，接收采集到的数据V(t)和I(t)，实时计算涡流探头的输出功率P，并对是否存在分层缺陷及分层分布情况进行评估，同时将检测的结果进行实时显示。

相对于常规的涡流检测探头，本发明中的涡流探头有三个明显的特点：第一，使用了串联式线圈。该串联式线圈是将两个大小相同的矩形线圈并排放置并串联，使两线圈相邻边的电流方向相同。在外观上，该串联式线圈类似一个“8”字形。第二，串联式线圈垂直于碳纤维复合材料的表面放置，以产生厚度方向的涡流分量。通过测量涡流探头的输出功率P，实现对碳纤维材料中分层缺陷的检测。第三，对被测材料中电阻率变化所引起的热功率变化比较灵敏，且将电阻率变化直接映射为涡流探头的功率P变化。

由上所述可知，本发明的有益效果为：能对于碳纤维复合材料制造过程中出现的分层缺陷进行无损检测；而且，本发明中的检测系统非常适合于碳纤维复合材料等高电阻率的弱导电材料的无损检测。

附图说明

图1为本发明实施例中串联式线圈的结构示意图；

图2为本发明实施例中分层缺陷检测过程中的串联式线圈的摆放示意图；

图3为本发明实施例中涡流检测系统结构的示意图；

图中各部件的标记说明：1、涡流探头；11、外壳；12、串联式线圈，13、屏蔽线；2、激励源；3、电压波形采集器；4、电流波形采集器；5、AD转换器；6、上位机；7、扫查平台；8、碳纤维复合材料板；9、分层缺陷。

具体实施方式

下面结合附图进一步对本发明提供的技术方案进行说明。

本实施例中的一种针对碳纤维复合材料分层缺陷的涡流检测方法，该方法在使用过程中包括下列步骤：

步骤一：参见图1，将长10mm，宽6mm，匝数为100匝的两个相同矩形线圈共面并排放置，其中以10mm长边作为相邻边。再将两个线圈进行串联，并使两线圈相邻边的电流方向相同，形成一个串联式线圈12。

步骤二：将该串联式线圈12作为本发明的涡流探头的检测线圈。用函数信号发生器DG1022U作为激励源2，产生500kHz的正弦波作为激励信号，该激励信号被施加于该涡流探头上。

步骤三：以4mm厚的四向的碳纤维复合材料板8作为被测对象。将涡流探头1移动到该碳纤维复合材料板8的检测点上方。参见图2，调整涡流探头1的姿态，使得串联式线圈12中两线圈的相邻边始终与被测的碳纤维复合材料板8的表面垂直。

步骤四：在当前检测点，对涡流探头的端电压V及工作电流I进行采样。AD转换器5选用数据采集卡USB3210，采样频率选用2MHz。采样时间设定为1ms，即在当前检测点共采集得2000组数据。记端电压的采样结果V(t)和工作电流的采样结果I(t)，其中t=1到2000。将数据通过USB总线上传到计算机中，计算机使用平均值估计法计算涡流探头的输出功率P：

根据功率的定义，涡流探头在时刻t的瞬时功率

为：

。

步骤五：若步骤四中计算得到的涡流探头输出功率P ≥ P₀，则说明在碳纤维复合材料板的检测点附近没有分层缺陷。若检测点处涡流探头的输出功率P < P₀，则说明检测点下方存在分层缺陷。

步骤六，利用计算机控制扫查机构运动，将涡流探头移动到下一个检测点。重复步骤四，直到该碳纤维复合材料板表面所有检测点扫查完毕。

上述步骤中的阈值P₀可采用实验估计法得到。即先将涡流探头移动到待识别的最小分层缺陷上方，取此时探头的输出功率P作为阈值P₀。

参见图3，一种碳纤维复合材料分层缺陷的涡流检测系统，包括：涡流探头1、激励源2、电压波形采集器3、电流波形采集器4、AD转换器5、上位机6、扫查平台7，其中，

涡流探头1包括：外壳11、串联式线圈12和屏蔽线13；外壳11采用金属外壳，主要是起信号屏蔽作用；串联式线圈12由两个长10mm，宽6mm，匝数为100匝的相同矩形线圈共面并排放置并串联构成，其中以10mm长边作为相邻边，并使两线圈相邻边的电流方向相同。

激励源2与涡流探头1相连，激励源2选用函数信号发生器DG1022U，产生500kHz的正弦波作为激励信号施加于该涡流探头上。

电压波形采集器3与涡流探头1相连，电压波形采集器3选ACPL-C87H-500E精密光隔离电压传感器，其输出记为V(t)。

电流波形采集器4与涡流探头1相连，电流波形采集器4由0.2欧姆的采样电阻和高频运放AD5539构成，其输出记为I(t)。

AD转换器5为数据采集卡USB3210，分别与电压波形采集器3和电流波形采集器4相连。AD转换器5采样频率选用2MHz，采样时间设定为1ms。AD转换器5的功能是将V(t)和I(t)转换为对应的数字量，并通过USB总线上传给上位机6。

涡流探头1安装在扫查平台7的滑块上，扫查平台7可选用二维移动平台。

上位机6与扫查平台7相连，通过运动控制卡ADT-MNC400D进行控制。上位机6与AD转换器5相连，接收USB总线传输的V(t)和I(t)数据，计算涡流探头1的输出功率P，并对是否存在分层缺陷及分层分布情况进行评估及实时显示结果。

Claims (1)

1.一种碳纤维复合材料分层缺陷的涡流检测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：将两个大小相同的矩形线圈并排放置；再将两个线圈进行串联，使两线圈相邻边的电流方向相同，形成一个串联式线圈；

步骤二：将该串联式线圈作为涡流探头的检测线圈；用激励源产生正弦波作为激励信号，该激励信号被施加于该涡流探头上；

步骤三：检测时，将涡流探头置于碳纤维复合材料板的检测点的上方，并保持两个线圈的相邻边始终与被测的碳纤维复合材料板表面垂直；在碳纤维复合材料板的内部产生厚度方向上的涡流分量；

步骤四：在当前检测点上，对涡流探头的端电压

及工作电流

进行采样，采样频率f大于激励信号频率的2倍，根据采样结果端电压

和工作电流

，采用平均值估计法估计当前检测点涡流探头的实际输出功率P，

；

步骤五：设定阈值P₀，若输出功率P ≥ P₀，则说明涡流探头的输出功率较大，碳纤维复合材料板在厚度方向上的导电性能稳定，该碳纤维复合材料板的检测点附近没有分层缺陷，若输出功率P < P₀，则说明涡流探头实际的输出功率变小，碳纤维复合材料板在厚度方向上的导电性能下降，该碳纤维复合材料板的检测点下方存在分层缺陷；

步骤六，通过扫查机构，将涡流探头移动到下一个检测点；重复步骤四，直到对被测的碳纤维复合材料板的表面所有检测点扫查完毕。

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