阅读说明：本技术 一种碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的涡流检测系统 (A kind of eddy detection system of carbon fibre reinforced composite wrinkle defect ) 是由 王晓红 杨凡 程仿 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的涡流检测系统,其包括：涡流探头、激励线圈、接收线圈、旋转机构、数控位移平台、计算机、高频函数信号发生器、信号放大器、幅度相位检测器、幅度采集器、相位采集器。本发明中,接收线圈所在平面与激励线圈的中轴线共面,使得涡流探头的输出只受涡流场分布的影响,而不受激励电磁场的影响。本发明不但可以通过涡流信号的幅度增益来检测缺陷的有无,还可以通过相位差的变化来判断褶皱缺陷的类型。尤其是,所设计的涡流探头对碳纤维增强复合材料中的褶皱缺陷特别敏感,而对冲击、断裂等损伤型缺陷不敏感。(The present invention discloses a kind of eddy detection system of carbon fibre reinforced composite wrinkle defect comprising: eddy current probe, excitation coil, receiving coil, rotating mechanism, numerical control displacement platform, computer, high frequency function signal generator, signal amplifier, amplitude-phase detector, amplitude collector, phase acquisition device.In the present invention, plane where receiving coil is coplanar with the central axes of excitation coil, so that the output of eddy current probe is only influenced by vortex field distribution, without the influence of excited target electromagnetic field.The present invention not only can detect the presence or absence of defect by the amplitude gain of eddy current signal, and the type of wrinkle defect can also be judged by the variation of phase difference.Especially, designed eddy current probe is especially sensitive to the wrinkle defect in carbon fibre reinforced composite, and insensitive to impact, fracture equivalent damage type defect.)

一种碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的涡流检测系统

技术领域

本发明涉及一种用于检测碳纤维增强复合材料缺陷的检测系统，尤其涉及一种针对碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的涡流检测系统，属于复合材料的电磁无损检测领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料具有高强度，高耐疲劳性和极低重量等综合优势，已成为航空航天，船舶和汽车结构等领域的重要候选材料。由于碳纤维增强复合材料是层合结构，所以在制造过程中容易出现分层、褶皱等质量问题而导致材料性能失效。目前，根据该类材料的不同特性，已有多种无损检测技术得到应用。由于碳纤维增强复合材料是以碳纤维作为增强体的复合材料，具有导电性, 所以可以通过涡流检测技术进行无损检测。。

中国专利CN104914158B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。该发明在高频10MHz，可以对碳纤维复合材料的损伤进行实时检测。

中国专利CN 104897775 B公开的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。该发明实现了碳纤维树脂基复合材料特性和损伤的检测与判断。

中国专利CN106645391A公开了一种用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测系统及检测方法。该发明通过测量不同深度缺陷的峰值感应电压及峰值频率来获取缺陷尺寸的信息，从而实现复材板中缺陷深度的评估。

中国专利CN106546657A公开了一种用于检测碳纤维复合材料铺层方向的涡流探头环形阵列法。该发明结合了探头阵列法与近共振频率工作方式进行探头信号感应电压的提取，以极坐标形式呈现出碳纤维层合板铺层方向的信息，能够准确有效地实现碳纤维复合材料层合板铺层的判断。

通过相关报道，目前针对碳纤维增强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。而对于制造过程中出现的褶皱缺陷，尚缺乏专一的、有效的无损检测手段。

发明内容

本发明的目的在于针对碳纤维增强复合材料中褶皱缺陷，提供一种简单方便、精确高效的涡流检测系统及其检测方法。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的涡流检测系统，包括：涡流探头、旋转机构、数控位移平台、计算机、高频函数信号发生器、信号放大器、幅度相位检测器、幅度采集器、相位采集器，其中，

所述的涡流探头安装旋转机构上，可实现涡流探头在水平面内360º转动；所述的涡流探头由激励线圈和接收线圈组成；

所述激励线圈平行于待测的碳纤维增强复合材料表面，用于在待测材料内激发出相应分布的涡流场；所述接收线圈所在平面与激励线圈的中轴线共面，且与待测的碳纤维增强复合材料表面垂直。

所述的旋转机构安装在数控位移平台的滑块上，使涡流探头与待测的碳纤维增强复合材料表面之间产生相对的位置移动。

所述的数控位移平台通过控制总线与计算机连接，可通过向数控位移平台发送运动信号来控制涡流探头与碳纤维增强复合材料表面产生相对的运动轨迹。

所述的高频函数信号发生器产生的激励信号有两路输出，一路输出接涡流探头，使涡流探头在待测的碳纤维增强复合材料内形成涡流；另一路输出接幅度相位转换器，为幅度相位的提取提供基准信号。

所述的信号放大器的输入端与接收线圈连接，用于对涡流探头拾取的微弱涡流信号进行放大；放大后的涡流信号接入幅度相位转换器的输入端。

所述的幅度相位转换器将放大后的涡流信号与基准信号（激励信号）进行对比，转换得到上述两信号的幅度增益G和相位差θ。

所述的幅度采集器输入端与幅度相位转换器相连，将幅度增益G转换为数字信号并通过总线上传给计算机。

所述的相位采集器输入端与幅度相位转换器相连，将相位差θ转换为数字信号并通过总线上传给计算机。幅度采集器或相位采集器可以是独立的采集器，也可以是多路采集器中的某个独立通道。

相对于传统的涡流探头，本发明中设计的涡流探头有两个明显的优点：第一，接收线圈所在平面与激励线圈的中轴线共面，使得激励线圈产生的激励电磁场不会穿过接收线圈，两线圈之间的互感始终为零。因此本发明中涡流探头输出信号稳定，只受涡流场分布的影响，而不受激励线圈激励电磁场的影响。第二，接收线圈与待测的碳纤维增强复合材料表面垂直，只有当接收线圈正下方存在涡流场时，才会在接收线圈中感应出涡流信号。

在检测过程中，首先应保持探头方向与碳纤维铺设方向一致。所述的探头方向就是激励线圈到接收线圈的中心连线方向。由于碳纤维材料导电性能的各向异性，会对涡流场沿碳纤维铺设方向进行拉伸。此时，接收线圈恰好处于被拉伸涡流场的中间，因此接收线圈无涡流信号输出。若碳纤维在铺设过程中存在褶皱，就意味着在褶皱处的碳纤维方向发生改变。如图3所示，假设被检测的碳纤维忽然向左弯曲，在接收线圈正下方相应地出现一个从右向左的涡流分布，则接收线圈亦将感应出对应地涡流信号。而冲击或断裂缺陷，却不会造成接收线圈正下方涡流场分布的变化。因此，本发明中设计的涡流探头，对碳纤维增强复合材料中的褶皱缺陷特别敏感，而对冲击、断裂等损伤型缺陷不敏感。

一种碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的涡流检测系统的检测方法，其特征在于，使用过程中包括下列步骤：

步骤一：根据待检测碳纤维增强复合材料的区域确定涡流探头的预定扫查路径。

步骤二：将涡流探头移至待检测碳纤维增强复合材料上方，转动旋转机构使碳纤维铺设方向相对于探头方向偏左。此时，通过调换接收线圈的输出端，使其输出的涡流信号与激励信号同相，即相位差θ=0º。

步骤三：再次转动旋转机构使涡流探头的探头方向与碳纤维铺设方向一致。

步骤四：通过计算机控制数控位移平台，使涡流探头按预定扫描路径，在碳纤维增强复合材料表面相对移动，进行扫查。

步骤五：同时，计算机通过总线对幅度采集器和相位采集器进行读取，获取不同位置处涡流信号的幅度增益G和相位差θ。

步骤六：对步骤五所得的幅度增益G进行在线分析。

若G < G0，则说明该位置处无缺陷，返回步骤五读取下一组数据；所述G0为需要系统分辨的最小褶皱缺陷所对应的幅度增益；

否则，即G >= G0，则说明该位置处存在缺陷，进行步骤七。

步骤七：对步骤五中所得的相位差θ进行在线分析，以判断褶皱缺陷的类型。在某区域，若相位差θ先为0º，再变化为180º，则可判断涡流探头下方出现了一个偏左的褶皱缺陷（先向左弯，再向右弯）；反之，若相位差θ先为180º，再变化为0º，则可判断涡流探头下方出现了一个偏右的褶皱缺陷（先向右弯，再向左弯）。

由上所述可知，本发明的有益效果为：实现了碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的检测与判断。在该系统中，不但可以通过涡流信号的幅度增益G来检测缺陷的有无，还可以通过相位差θ的变化来判断褶皱缺陷的类型。尤其是，所设计的涡流探头对碳纤维增强复合材料中的褶皱缺陷特别敏感，而对冲击、断裂等损伤型缺陷不敏感。

附图说明

图1为本发明系统结构的示意图；

图2 为本发明实施例中涡流探头的结构示意图；

图3为本发明实施例中对褶皱缺陷检测的原理示意图；

图4为本发明实施例中对损伤型缺陷不敏感的示意图。

图中各部件的标记说明：1、涡流探头；11、激励线圈；12、接收线圈；2、旋转机构；3、数控位移平台；4、计算机；5、高频函数信号发生器；6、信号放大器；7、幅度相位检测器；8、幅度采集器；9、相位采集器；10、碳纤维增强复合材料。

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1，一种碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的涡流检测系统，包括：涡流探头1、旋转机构2、数控位移平台3、计算机4、高频函数信号发生器5、信号放大器6、幅度相位检测器7、幅度采集器8、相位采集器9。其中，

涡流探头1安装在旋转机构2上，可实现涡流探头1在水平面内360º转动；

旋转机构2优选用RS40旋转工作台，工作台基座安装在数控位移平台3的滑块上，使涡流探头1与待测的碳纤维增强复合材料表面之间产生相对的位置移动。

数控位移平台3优选用300mm×400mm面积的二轴导轨滑台；由计算机4通过步进电机驱动器控制导轨滑台上的步进电机转角，实现涡流探头1在碳纤维增强复合材料表面上的扫查运动。

计算机4优选带有NOVA MCX314A四轴运动控制卡的工控机。

高频函数信号发生器5优选用DG1022U，优选15MH、1.0V的正弦波作为激励信号；激励信号分两路用屏蔽线端子接入电路中：第一路直接驱动激励线圈11，另一路作为基准信号输出至幅度相位转换器7。

信号放大器6优选用TLC2652放大器，设置为同相放大器，放大增益40dB。利用该放大器对接收线圈12所拾取的微弱涡流信号进行放大，放大后接入幅度相位转换器7的输入端。

幅度相位转换器5优选AD8302模块。该模块将放大后的涡流信号与基准信号进行对比，并输出以模拟电压形式表达的幅度增益G和相位差θ。

幅度采集器8优选USB3210数据采集卡的第一通道，将第一通道输入端与幅度相位转换器7相连，对幅度增益G进行16位数字转换，并将转换结果通过USB总线上传给计算机4。

相位采集器9优选USB3210数据采集卡的第二通道，将第二通道输入端与幅度相位转换器7相连，对相位差θ进行16位数字转换并通过USB总线上传给计算机4。

参见图2，涡流探头1由激励线圈11和接收线圈12组成；激励线圈11优选厚3mm、直径8mm的圆形线圈，用0.1mm的漆包线均匀绕制60匝而成；接收线圈12优选厚3mm、8mm×8mm方形线圈，用0.1mm的漆包线均匀绕制30匝而成。激励线圈11以1.0mm的提离值，平行置于待测的碳纤维增强复合材料表面上方。接收线圈12以1.0mm的提离值竖直放置，且其所在平面与激励线圈11的中轴线共面。从图2中可以看出，激励线圈11产生的激励电磁场不会穿过接收线圈12，因此接收线圈12只受涡流场分布的影响。

在图2中，由于碳纤维增强复合材料导电性能的各向异性，激励线圈11所产生涡流场会沿碳纤维增强复合材料铺设方向进行拉伸。如果激励线圈11和接收线圈12摆放的位置与碳纤维增强复合材料铺设方向一致，则接收线圈12恰好处于被拉伸的涡流场的中间。很明显，接收线圈12左右两侧的涡流场分布是对称平衡的，因此接收线圈12中无涡流信号输出。

参见图3，涡流探头1沿碳纤维增强复合材料铺设方向从左向右扫查。在接收线圈12正下方存在褶皱缺陷，相对涡流探头1运动方向，碳纤维产生一个向左的弯曲。此时，接收线圈12左右两侧对称平衡的涡流场被打破，相应地出现一个从右向左的涡流分布。接收线圈12亦将感应出对应地涡流检测信号，从而达到对碳纤维增强复合材料褶皱缺陷检测的目的。

参见图4，若在涡流探头1的扫查途径上存在冲击、断裂等损伤型缺陷。该类型缺陷只会在缺陷处改变涡流的大小，而接收线圈12左右两侧对称平衡的状态依然保留。因此，本发明的涡流探头对损伤型缺陷不敏感。

本实施例中的一种碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的涡流检测系统的检测方法，在使用过程中包括下列步骤：

步骤一：将待测碳纤维增强复合材料置于二轴导轨滑台上，并确定涡流探头1扫描路径为沿碳纤维铺设方向为：从左向右，从上向下。

步骤二：将涡流探头1移至待检测碳纤维增强复合材料上方，转动RS40旋转工作台使碳纤维铺设方向相对于探头方向偏左。若此时涡流信号与激励信号反相，即相位差θ=180º，则调换接收线圈12的极性，使其输出的涡流信号与激励信号同相，即相位差θ=0º。

步骤三：再次转动RS40旋转工作台使涡流探头1的探头方向与碳纤维铺设方向一致，此时接收线圈12无涡流信号输出。将需要系统分辨的最小褶皱缺陷移动到涡流探头1正下方，记录此时涡流信号的幅度增益为G0。

步骤四：通过工控机控制二轴导轨滑台，使涡流探头1按预定扫描路径运动，进行扫查。

步骤五：同时，工控机通过USB总线对USB3210数据采集卡的第一通道和第二通道进行读取，获取不同位置处涡流信号的幅度增益G和相位差θ。

步骤六：对步骤五所得的幅度增益G进行在线分析。

若G < G0，则说明该位置处无缺陷，返回步骤五读取下一组数据；

否则，即G >= G0，则说明该位置处存在缺陷，进行步骤七；

步骤七：对步骤五中所得的相位差θ进行在线分析，以判断褶皱缺陷的类型。在某区域，若相位差θ先为0º，再变化为180º，则可判断涡流探头1下方出现了一个偏左的褶皱缺陷（即先向左弯，再向右弯）；反之，若相位差θ先为180º，再变化为0º，则可判断涡流探头1下方出现了一个偏右的褶皱缺陷（即先向右弯，再向左弯）。