一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法与系统技术方案

本发明专利技术公开一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法与系统。该方法与系统中，将涡流检测线圈与谐振电容并联构成谐振式涡流探头，再通过自谐振电路产生谐振频率的正弦波。在该正弦波激励下，谐振式涡流探头可等效为纯电阻。通过测量谐振式涡流探头的等效电阻的变化，即可对碳纤维复合材料中损伤情况进行评估。本发明专利技术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；对导电性能良好的金属材料，检测效果反而不佳。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法与系统
本专利技术涉及一种碳纤维复合材料损伤的无损检测方法与系统，尤其涉及一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法与系统，属于复合材料的电磁无损检测领域。
技术介绍
碳纤维复合材料一种新型结构材料，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地应用。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，其结构损伤不可避免。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越来越受到关注。涡流检测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，其电阻率比金属材料的高3个数量级。常规的低频涡流检测技术在碳纤维复合材料内产生的涡流非常微弱，涡流信号及其灵敏度都很差，难以被探头拾取。为克服上述困难，一般采用10MHz以上高频涡流检测的方法。但是，高频涡流检测系统实现较难，信号处理和放大电路易受到外界干扰和线圈提离的影响。中国专利CN201510243769公开了一种用于碳纤维复合材料损伤检测的高频电磁涡流检测系统，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。整个检测系统工作在高频，可高达10MHz的激励频率，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CN104897775B公开了一种碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，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。该专利技术为克服传感信号微弱和灵敏度差的问题，采用提高后处理电路的灵敏度和放大增益的手段；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，达到了中频涡流检测的目的。中国专利CN103760234B公开了一种用谐振频率变化提高涡流检测极限灵敏度的设计方法。该方法得到的谐振涡流检测阻抗信号图与常规涡流检测阻抗信号图像比较，除了幅度、相位信息之外，还增加了一个频率的变化信息；通过这一信息，进一步提高对微小缺陷的检测灵敏度。沈跃，陈世廉等人[金属微裂纹的谐振式涡流检测,石油大学学报,1993,05:126-129.]用涡流谐振检测法对金属表面微裂纹的扩展进行测量。通过谐振电路品质因数升高，使微小的表面裂纹和缺陷即可获得较大的信号电压输出。通过相关报道，碳纤维复合材料的涡流检测存在的信号微弱、灵敏度差的问题。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。谐振方法也有应用于涡流检测领域，但主要是用于额外提供频率的变化信息，或通过谐振品质因数提高信号输出。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术的目的在于针对碳纤维复合材料高电阻率的特性，提供一种谐振式涡流检测方法与系统，可在中低频范围对碳纤维复合材料内的损伤进行探测。本专利技术的一个目的是提供一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法，该方法的特征在于：首先，将涡流检测线圈L与谐振电容C并联，谐振电容可以是固定电容，以此LC并联电路作为本专利技术的谐振式涡流探头，代替常规涡流检测的单一检测线圈；由于LC并联谐振电路中端电压V与总电流I具有相同相位的特性，因此所述谐振式涡流探头在并联谐振频率下表现为纯阻性。然后，将该谐振式涡流探头接入自谐振电路，产生激励频率f随检测线圈电感量L变化的正弦波；在该频率的正弦波激励下，谐振式涡流探头可始终保持为纯阻性。此时，涡流检测线圈L输出的涡流信号中，信号变化的虚部ΔVy会被谐振电容抵消，而信号变化的实部ΔVx会叠加到涡流探头的等效电阻R上。进一步，通过谐振式对涡流探头端电压V或总电流I的在线测量，利用欧姆定理，可获取待测材料结构中不同位置处的谐振式涡流探头对应的等效电阻R。最后，使用所述谐振式涡流探头对待测材料表面进行扫查检测。若材料结构中存在损伤，会导致该位置的材料导电性能下降、电阻率提高，涡流检测线圈的电流相位相对后移，涡流信号的实部Vx增大，谐振式涡流探头的等效电阻R对应增加。通过采样或观察谐振式涡流探头的等效电阻R的变化，即可判断材料中是否存在损伤并对损伤情况评估。采用本专利技术方法设计的谐振式涡流检测系统，对被测材料中涡流场的强度变化不敏感，而对被测材料中电阻率变化所引起的电流相位变化敏感；材料中电阻率变化被直接映射成谐振式涡流探头的等效电阻R的变化。因此，本专利技术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。按照本专利技术的另一方面，提供一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测系统，其特征在于，包括：涡流探头、谐振器、电压检测器、电流检测器、数据采集器、上位机、位移平台。所述的涡流探头为谐振式涡流探头，包括：外壳、涡流检测线圈、谐振电容和屏蔽线；所述涡流检测线圈与谐振电容并联组成LC并联电路，并置于外壳内，并通过屏蔽线将并联电路引出。所述的谐振器为LC并联自谐振电路或模块，通过屏蔽线与涡流探头相连。一方面由涡流探头提供LC并联谐振条件，产生激励频率f随检测线圈电感量L变化的正弦信号；另一方面又为涡流探头提供激励电流。所述的电压检测器用于检测涡流探头的端电压V；将作用于涡流探头上的交流电压取出，检测该端电压V的有效值或峰峰值，并将其转换为直流电平形式。若谐振器选用恒压的LC并联谐振电路，此时作用在涡流探头上的端电压V恒定且已知，则电压检测器可以取消。所述的电流检测器用于检测涡流探头的总电流I；通过采样电阻将作用于涡流探头上的交流电流取出，检测该总电流I的有效值或峰峰值，并将其转换为直流电平形式。所述的数据采集器为多路数据采集系统，用于将电压检测器和电流检测器的输出结果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位移平台的滑块上；所述的位移平台由上位机进行运动控制。所述的上位机的作用有两方面，一方面通过发送运动指令来控制位移平台的运动轨迹，实现涡流探头对待测工件的扫查；另一方面根据采集到的数据，实时计算涡流探头的等效电阻R，并对是否存在损伤并对损伤程度进行评估，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，本专利技术中的谐振式涡流探头有三个明显的特点：第一，在并联谐振频率下，谐振式涡流探头中端电压V与总电流I具有相同相位的特性，谐振式涡流探头表现为纯阻性。第二，由材料损伤所引发的涡流信号变化的虚部ΔVy会被谐振电容抵消，而涡流信号变化的实部ΔVx会叠加到谐振式涡流探头的等效电阻R上。因此，材料结构的损伤情况可以通过涡流探头等效电阻R的变化来反映。第三，谐振式涡流探头采用LC并联自谐振的方式工作，因此不需要额外的高频信号源及放大器来产生激励电流。由上所述可知，本专利技术的有益效果为：本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法，其特征在于：包括如下步骤：/n将涡流检测线圈L与谐振电容C并联，以此LC并联电路作为谐振式涡流探头；/n将谐振式涡流探头接入自谐振电路，产生激励频率f随检测线圈电感量L变化的正弦波；在该激励频率f下，谐振式涡流探头为纯阻性，其等效电阻为R；/n通过对谐振式涡流探头端电压V或总电流I的在线测量，能计算谐振式涡流探头对应的等效电阻R；/n当上述的谐振式涡流探头进行碳纤维复合材料试样表面扫查检测时，若碳纤维复合材料试样结构中存在损伤，会导致该位置处的谐振式涡流探头对应的等效电阻R增大；通过采样或观察该谐振式涡流探头的等效电阻R的变化，即可判断碳纤维复合材料试样中是否存在损伤并对损伤情况评估。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
将涡流检测线圈L与谐振电容C并联，以此LC并联电路作为谐振式涡流探头；
将谐振式涡流探头接入自谐振电路，产生激励频率f随检测线圈电感量L变化的正弦波；在该激励频率f下，谐振式涡流探头为纯阻性，其等效电阻为R；
通过对谐振式涡流探头端电压V或总电流I的在线测量，能计算谐振式涡流探头对应的等效电阻R；
当上述的谐振式涡流探头进行碳纤维复合材料试样表面扫查检测时，若碳纤维复合材料试样结构中存在损伤，会导致该位置处的谐振式涡流探头对应的等效电阻R增大；通过采样或观察该谐振式涡流探头的等效电阻R的变化，即可判断碳纤维复合材料试样中是否存在损伤并对损伤情况评估。


2.一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测系统，包括：涡流探头(1)、谐振器(2)、电压检测器(3)、电流检测器(4)、数据采集器(5)、上位机(6)、位移平台(7)，其特征在于，
所述的涡流探头(1)为谐振式涡流探头，包括：外壳(11)、涡流检测线圈(12)、谐振电容(13)和屏蔽线(14)；所述涡流检测线圈(12)与谐振电容(13)并联组成LC并联谐振电路，并置于外壳内，并通过屏蔽线(14)将并联谐振电路引出；

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓红，杨凡，程仿，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35