阅读说明：本技术 一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法与系统 (Resonant eddy current detection method and system for damage of carbon fiber composite material ) 是由 王晓红 杨凡 程仿 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses a resonant eddy current detection method and a resonant eddy current detection system for damage of a carbon fiber composite material. In the method and the system, an eddy current detection coil and a resonant capacitor are connected in parallel to form a resonant eddy current probe, and then a sine wave of resonant frequency is generated through a self-resonant circuit. Under the sine wave excitation, the resonant eddy current probe can be equivalent to a pure resistor. The damage condition in the carbon fiber composite material can be evaluated by measuring the change of the equivalent resistance of the resonant eddy current probe. The invention is very suitable for the nondestructive testing of the high-resistivity weak conductive material such as the carbon fiber composite material; the detection effect is rather poor for metal materials with good conductivity.)

一种碳纤维复合材料损伤的谐振式涡流检测方法与系统

技术领域

本发明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。

背景技术

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，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。该发明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。

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。

本发明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并联电路作为本发明的谐振式涡流探头，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。

采用本发明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，本发明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，本发明的有益效果为：本发明的检测方法及系统中，利用LC并联谐振将涡流检测线圈转换为纯阻性的谐振式涡流探头。该谐振式涡流探头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；对导电性能良好的金属材料，检测效果反而不佳。

附图说明

图1为本发明实施例的检测系统的结构框图；

图2 为本发明实施例中涡流探头的检测原理示意图；

图3为本发明实施例中涡流探头、谐振器、电压检测器、电流检测器之间连接的电路原理图；

图中各部件的标记说明：1、涡流探头；2、谐振器；3、电压检测器；4、电流检测器；5、数据采集器；6、上位机；7、位移平台；8、碳纤维复合材料。

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。

参见图1，一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。

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；涡流检测线圈12与谐振电容13并联组成LC并联电路，并置于外壳11内，并通过屏蔽线14将并联电路引出。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，因此该涡流探头在并联谐振频率下表现为纯阻性。

谐振器2为LC并联自谐振电路，通过屏蔽线14与涡流探头1相连。一方面由涡流探头1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1提供激励电流；在该频率激励电流的作用下，涡流探头1可始终保持为纯阻性。

电压检测器3用于采用谐振器2的输出电压，即涡流探头1的端电压V；将谐振器2输出的交流电压取出，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。

电流检测器4用于检测涡流探头1的总电流I；将作用于涡流探头1上的总电流I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。

数据采集器5为双路数据采集系统，将电压检测器3和电流检测器4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6。

涡流探头1安装在位移平台7的滑块上，该位移平台7的运动轨迹由上位机6发送运动指令来控制。

上位机6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7的运动轨迹，实现涡流探头1对待测工件的扫查检测；另一方面根据采集到的数据，根据欧姆定律，实时计算得到待测碳纤维复合材料8结构中不同位置处的涡流探头对应的等效电阻R。

若碳纤维复合材料结构中存在损伤，碳纤维断裂，会直接导致该位置的碳纤维复合材料导电性能下降、电阻率提高；在涡流检测线圈上表现为电流相位相对后移，涡流信号的实部Vx增大，该涡流探头的等效电阻R对应增加。因此上位机6对该涡流探头1等效电阻R变化进行实时监测，即可判断碳纤维复合材料材料中是否存在损伤并对损伤情况评估。

参见图2，本发明实施例中谐振式涡流探头的检测原理为：当涡流检测线圈12被施加以角频率的激励电流时，涡流检测线圈12的自阻抗为，其中为涡流检测线圈12的静态内阻，。由于涡流检测线圈12置于待测试件上方，因此会在试件内部感应出涡流。根据镜像原理，在试件内部相当于存在另一个感应线圈，涡流存在于该感应线圈内。可设该感应线圈的自阻抗为，其与涡流检测线圈12之间的互感为M。则由空间两线圈的互感关系，涡流检测线圈12受涡流影响后的阻抗为。

当待测试件为金属材料时，材料导电性能良好，此时有；则涡流检测线圈12受涡流影响后的阻抗近似为。而本发明的谐振式涡流探头中，线圈12阻抗的虚部会被谐振电容C抵消，则谐振式涡流探头的等效电阻，因此本发明对导电性能良好的金属材料，检测效果不佳。

当待测试件为弱导电性能的碳纤维复合材料时，材料为电阻率高，此时有；则涡流检测线圈12受涡流影响后的阻抗近似为。则在本发明的谐振式涡流探头中，等效电阻。材料结构损伤所造成内部电阻的变化，被直接映射成谐振式涡流探头的等效电阻R的变化。因此，本发明非常适合于碳纤维复合材料的无损检测。

参见图3，本实施例中，涡流检测线圈12采用线径0.1mm铜质漆包线绕制125匝而成，涡流检测线圈12的外形尺寸为：高1mm、外径3.5mm、内径1mm，并在线圈中心孔中装配有直径Ф1mm*8mm的磁芯。在涡流检测线圈12的25匝处留出中间抽头。谐振电容13为440pF的瓷片电容，与涡流检测线圈12并联。该LC谐振电路的固有频率在1MHz。涡流检测线圈12与谐振电容13一起封装于一个塑料外壳11内，并通过屏蔽线14将并联电路引出。外壳11的外形尺寸为：直径Ф8mm*30mm。

谐振器2优选电感三点式LC振荡电路。电路中三极管选用9018小功率高频管。将谐振式探头接入三极管9018驱动的LC振荡电路中。在该电路中，三极管9018是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件，因此可以产生激励频率f约为1MHz左右的正弦波。

电压检测器3优选有效值电平检测电路AD8362。图3中，先从谐振器2中提取谐振式探头的端电压V，再通过运放OPA695输入到AD8362-1的输入端口INH1中。该电路检测端电压V的有效值并转换为直流电平，再通过VOUT端口输出。

电流检测器4优选另一片AD8362。图3中，由于谐振式探头的总电流I流经三极管9018的发射极，因此可以取三极管9018的发射极电压作为总电流I的取样，此时三极管9018的发射极电阻1.3kΩ为采样电阻。同样，将该电压通过运放OPA695输入到AD8362-2的输入端口INH1中。并通过AD8362-2的VOUT端口将电流检测结果输出。

数据采集器5优选USB3210数据采集卡，其中，第一通道与AD8362-1的VOUT端口（即电压检测输出）相连；第二通道与AD8362-2的VOUT端口（即电流检测输出）相连。将电压检测器3和电流检测器4的输出结果转换为对应的16位数字量，并通过USB总线上传给上位机6。

上位机6优选带有USB总线的工控机。位移平台7优选桌上型龙门式2轴移动平台，通过USB总线与上位机6相连。上位机6通过发送运动指令，控制谐振式涡流探头1在碳纤维复合材料试样上进行扫查。