CN113155953A - 一种用于cfrp分层缺陷检测的垂直涡流传感器 - Google Patents

一种用于cfrp分层缺陷检测的垂直涡流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于CFRP分层缺陷检测的垂直涡流传感器，采用两个参数一致的矩形截面线圈形成8字型涡流激励线圈，通过在两个矩形截面线圈内通入反向电流，使得8字型涡流激励线圈中部的两组垂直导线具有同向电流。在8字型涡流激励线圈下方的CFRP内，将生成垂直CFRP表面向深度方向延伸的涡流场。感应线圈的两垂直侧边导线同时感受空间磁场的变化，形成的电动势相互累加。当CFRP中有分层缺陷时，缺陷所在平面与垂直涡流场正交，此时缺陷对垂直涡流场分布的扰动程度最大，引起两垂直侧边导线周边的磁通密度随时间的变化率下降，此时累加的电动势幅值降低。本发明可以激励出与分层缺陷所在平面相垂直的涡流场，具有更优的分层缺陷检测能力。

Description

一种用于CFRP分层缺陷检测的垂直涡流传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体为一种可在导电材料中激励和检测垂直涡流场信息的传感器，可应用于碳纤维增强复合材料分层缺陷检测。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)在航空航天等领域得到广泛应用，服役过程中出现的分层缺陷是CFRP所在结构的安全隐患，需要对分层缺陷进行有效检测。因此对CFRP分层缺陷的检测尤为重要。因为CFRP具有导电性，所以可以利用涡流法对分层缺陷进行检测。目前常规的涡流传感器都是采用平面闭合电流形成与试件表面垂直的交变磁场，在CFRP中形成面内涡流与分层缺陷进行相互作用。由于分层缺陷和涡流同在一个平面，缺陷对涡流的扰动强度有限，导致传感器对分层缺陷的检测灵敏度不高。本发明专利提出了一种可在CFRP中形成垂直试件表面的涡流场的传感器，由此实现分层缺陷与涡流场的空间正交，增强缺陷对涡流场的扰动程度，提高涡流法对CFRP分层缺陷的检测能力。
发明内容
本发明利用涡流检测原理设计了一种用于碳纤维增强复合材料(CFRP)分层缺陷检测的垂直涡流传感器，利用线圈空间正交布置的方式产生沿材料深度方向衰减的涡流场，实现对分层缺陷深度信息的检测。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
传感器由传感器壳体(1)、两个反接的矩形激励线圈(7)、激励端外壳(6)、一个矩形感应线圈(8)、传感器封装头(3)、弹簧(2)组成，信号接收端由信号采集板卡HS3(4)，上位机(5)组成，HS3的激励端口与传感器的激励线圈相接，采集端口与传感器的接收端相接，同时HS3与上位机相连，上位机控制运动平台来控制传感器运动，并将信号采集板卡HS3采集的电压信号传输至系统上位机(5)软件对信号进行分析处理；
针对碳纤维增强复合材料分层缺陷的深度信息，具体检测步骤为：
步骤1：将两个矩形激励线圈(7)反接，装配在激励端外壳(6)内，之后将矩形感应线圈(8)装配于激励端外壳中心处，然后将装配体放入传感器壳体 (1)内，并将激励端、接收端与HS3相连接，最后用封装头对传感器完成封装。
步骤2：上位机发出激励电压信号后经HS3传输至传感器激励端，同时控制运动平台带动传感器在含分层缺陷的碳纤维复合材料层合板(9)表面进行线扫。传感器激励端产生形成方向垂直分层缺陷所在平面、沿深度方向衰减的涡流场，感应磁场磁力线穿过感应线圈矩形截面，由感应线圈测量空间磁场变化，当遇到缺陷时，缺陷所在平面与垂直涡流场正交，此时缺陷对垂直涡流场分布的扰动程度最大，感应线圈的两平行侧边感应到磁场变化输出电动势信号，信号传输到 HS3中进行处理，处理后的信号传输到上位机中，根据对电信号的判断即可完成对缺陷的识别。
步骤3：对已经标定好的不同深度的分层缺陷做A扫实验，获得电压幅值比随扫描距离的变化曲线，当电压幅值比出现明显下降时则代表CFRP内部的涡流场出现了扰动现象，即代表此处存在分层缺陷。
附图说明
图1：检测CFRP分层缺陷深度信息的实验原理图；
图2：完整CFRP与含分层缺陷的CFRP的感应涡流场对比示意图；
图3：传感器结构示意图；
图4：检测CFRP分层缺陷深度信息的涡流扫查系统示意图；
图5：传感器A扫实验结果；
附图标如下：1-涡流传感器外壳 2-弹簧 3-传感器封装头 4-信号采集板卡HS35-上位机 6-激励端外壳 7-激励线圈 8-接收线圈 9-含分层缺陷的碳纤维复合材料层合板。
具体实施方式
依据以上发明内容，一种可在导电材料中激励和检测垂直涡流场信息的传感器可提供以下实施方案。
下面结合附图和以上实施方式对于本发明做进一步的说明，且下面提供的具体实施实例只是描述性，不是限定性，不能以此来限定本发明的保护范围。
图1为检测CFRP分层缺陷深度信息的实验原理图。8字型涡流激励线圈由两个参数一致的矩形截面线圈组成，通过在两个矩形截面线圈内通入反向电流，使得8字型涡流激励线圈中部的两组垂直导线具有同向电流。在8字型涡流激励线圈下方的CFRP内，将生成垂直CFRP表面向深度方向延伸的涡流场。当CFRP 内出现缺陷时，缺陷对感应涡流场产生扰动，影响穿过感应线圈的磁场，使得感应线圈输出的电信号发生变化；
图2为完整CFRP与含分层缺陷的CFRP的感应涡流场对比示意图。当CFRP 中无缺陷时，垂直涡流场会在两垂直侧边导线中形成磁场，磁力线穿过感应线圈，转变为某一电动势信号V0；当CFRP中有分层缺陷时，缺陷所在平面与垂直涡流场正交，此时缺陷对垂直涡流场分布的扰动程度最大，引起感应磁场的变化，使得电信号也出现明显波动，此时产生的电动势信号为V1，两者相比，V0会明显大于V1；
图3为传感器结构示意图。该传感器由传感器壳体(1)、两个反接的矩形激励线圈(7)、激励端外壳(6)、一个矩形感应线圈(8)、传感器封装头(3)、弹簧(2)组成。激励端外壳起到固定两个激励线圈的作用，并在该壳体外中心处装配感应线圈。传感器壳体底部凸起处与顶部的弹簧均起到防传感器提离的作用；
图4为检测CFRP分层缺陷深度信息的涡流扫查系统示意图。该系统主要由涡流检测传感器、信号采集板卡HS3(4)，上位机(5)构成，HS3的激励端口与传感器的激励线圈相接，采集端口与传感器的接收端相接，同时HS3与上位机相连，上位机控制运动平台来控制传感器运动，当传感器在碳纤维复合材料表面进行移动扫查时，信号采集板卡HS3将采集的电压信号传输至系统上位机，上位机软件对信号进行分析处理并对碳纤维复合材料的分层缺陷(9)进行识别；
图5为传感器A扫实验结果。利用垂直涡流传感器对埋有不同深度的分层缺陷进行A扫实验，可得到接收电压幅值比随传感器运动的变化曲线，当该曲线出现波谷时，代表此处的感应电动势最低，涡流场出现被扰动的现象，即代表此处存在有分层缺陷，且分层缺陷深度越深所对应的电压幅值比越低。

Claims (3)

1.一种用于CFRP分层缺陷检测的垂直涡流传感器，其特征在于，利用线圈空间正交布置的方式，采用两个参数一致的矩形截面线圈形成8字型涡流激励线圈，激励线圈中部的两组垂直导线中穿过的电流方向一致，在碳纤维增强复合材料CFRP中激励形成方向垂直分层缺陷所在平面、沿深度方向衰减的涡流场；利用测量方向和涡流方向、激励线圈所在平面均空间正交的矩形截面感应线圈测量空间磁场变化，检测CFRP中的分层缺陷的过程如下：
a)激励线圈中部的两组垂直导线周边的磁力线呈近似矩形分布，感应线圈的两平行侧边不切割磁力线，不产生感应电动势，只有两垂直侧边导线同时感受空间磁场的变化输出电动势；
b)当CFRP中存在分层缺陷时，缺陷所在平面与垂直涡流场正交，缺陷扰动垂直涡流场分布，使得感应线圈的两垂直侧边导线周边的磁通密度随时间的变化率下降，导致感应线圈输出的电动势下降；
c)通过扫查实验，获得沿扫查路径的感应线圈输出电动势的变化曲线，通过曲线中的电动势幅值下降点对分层缺陷进行定位。
2.根据权利要求1所述的一种用于CFRP分层缺陷检测的垂直涡流传感器，其特征在于，由传感器壳体(1)、两个反接的矩形激励线圈(7)、激励端外壳(6)、一个矩形感应线圈(8)、传感器封装头(3)、弹簧(2)组成，信号接收端由信号采集板卡HS3(4)和上位机(5)组成；
将两个矩形激励线圈(7)反接，装配在激励端外壳(6)内，之后将矩形感应线圈(8)装配于激励端外壳中心处，然后将装配体放入传感器壳体(1)内，并将激励端、接收端与HS3相连接，最后用传感器封装头(3)、对传感器完成封装；传感器壳体底部凸起处与顶部的弹簧(2)起到防传感器提离；信号采集板卡HS3(4)的激励端口与传感器的激励线圈相接，采集端口与传感器的接收端相接，同时信号采集板卡HS3(4)与上位机(5)相连，上位机(5)控制运动平台来控制传感器运动，并将信号采集板卡HS3采集的电压信号传输至系统上位机(5)软件对信号进行分析处理。
3.根据权利要求2所述的一种用于CFRP分层缺陷检测的垂直涡流传感器，其特征在于，上位机发出激励电压信号后经HS3传输至传感器激励端，同时控制运动平台带动传感器在含分层缺陷的碳纤维复合材料层合板(9)表面进行线扫；传感器激励端产生形成方向垂直分层缺陷所在平面、沿深度方向衰减的涡流场，感应磁场磁力线穿过感应线圈矩形截面，由感应线圈测量空间磁场变化，当遇到缺陷时，缺陷所在平面与垂直涡流场正交，此时缺陷对垂直涡流场分布的扰动程度最大，感应线圈的两平行侧边感应到磁场变化输出电动势信号，信号传输到HS3中进行处理，处理后的信号传输到上位机中，根据对电信号的判断即可完成对缺陷的识别。
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