本发明涉及一种涡流检测装置及方法,特别是涉及一种用于检测碳纤维复合材料的新型涡流检测探头及检测方法,属于复合材料的无损检测领域。
背景技术:
碳纤维复合材料(carbonfiberreinforcedplastic,简称“cfrp”)作为一种新型结构材料,因其独特、卓越的性能,在航空航天和汽车制造等领域得到广泛地应用。但是由于cfrp自身的结构特点,在制造和使用的过程中,其结构损伤不可避免。如果没能及时发现这些隐藏的损伤和缺陷,可能会导致成本和风险的增加。因此,利用无损检测技术对cfrp进行检测具有重要意义。目前,常用的无损检测方法有涡流检测、超声波检测、x射线、声发射、红外热成像等。
涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测方法,与其他无损检测方法相比,涡流检测技术的独特优势在于能够非接触的情况下,实现cfrp纤维分布和方向的可视化。此外,它还具有无需辅助介质、操作简便、成本低廉等诸多优点。因此,涡流检测技术已逐渐成为cfrp无损检测的主要方法之一。在涡流检测系统中,涡流检测探头是其关键组成部分,对检测系统的性能具有决定性的影响作用。
通常,涡流检测探头有绝对式探头、差动式探头和发射-接收式探头。与绝对式探头和差动式探头相比,发射-接收式探头(transmit–receiveprobe,简称“t-r探头”)具有灵敏度高和信噪比高的优点。因此,t-r探头被广泛用于cfrp的无损检测中。
中国专利cn104897775b公开了一种碳纤维复合材料中频涡流检测系统,主要包括信号发生模块、涡流探头、锁相放大模块和信号采集模块。其中涡流探头由两个空心圆饼线圈左右排列组成发射-接收线圈,即t-r探头。该发明达到了在中频实时检测cfrp损伤的目的。
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涡流检测系统,采用t-r探头,在高达10mhz的检测频率下,实现对cfrp常见损伤的识别,包括冲击缺陷及分层缺陷等。
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,该系统主要涉及多频正弦信号发生模块用作产生多频信号激励t-r探头,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。
t-r探头由发射线圈和接收线圈组成,发射线圈通过交流电激励产生一次电磁场,从而在被测样品表面产生涡流,接收线圈接收由涡流产生的二次电磁场。但是,当接收线圈接收到二次电磁场时,同时也会将一次电磁场耦合为背景噪声。因此,传统的t-r探头对提离和不规则的样品表面十分敏感,这会严重降低信噪比,降低检测灵敏度,导致漏检和误报的发生。在上述专利中,为了一定程度减少提离效应,t-r探头均使用线圈控制机构进行控制。然而,cfrp样品表面的粗糙度和检测过程中的机械振动依旧会引起探头提离波动。因此,这并不能从根本上解决提离效应的问题。
技术实现要素:
针对以上问题,本发明的目的在于提出一种新型涡流检测探头及应用该探头对cfrp进行涡流检测的方法。所提出的新型涡流探头对提离不敏感,能够有效克服检测过程中机械振动和被测样品表面粗糙度的干扰,提高信噪比和检测可靠性。根据所提出的方法,可以实现对cfrp纤维方向的检测,以及面内波纹缺陷和其他常见缺陷的有效检测。
为实现上述目的,本发明通过下述技术方案来实现:
一种新型涡流检测探头,包括一个激励线圈和一个接收线圈;其特征在于:所述激励线圈为实心扁平线圈或者空心扁平线圈;所述接收线圈为“8”字形线圈,所述的“8”字形线圈包括同向环和逆向环两个部分,其中与激励线圈绕线方向相同的部分称为同向环,反之称为逆向环;同向环和逆向环的大小、匝数均相同,但绕线方向相反。
所述激励线圈与接收线圈均平行置于被测样品表面上方,并且激励线圈与接收线圈的同向环和逆向环均等距;其中,激励线圈和接收线圈为左右排列处于同一平面或者处于上下平行的不同平面。
本发明所述的一种新型涡流检测方法,能实现对碳纤维复合材料(cfrp)中纤维方向的检测,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:将上述中所述的新型涡流检测探头安装在旋转机构上,并以提离值h平行置于cfrp样品上方;所述旋转机构能够使所述的新型涡流检测探头在水平面内自由转动;所述的提离值h取0.1mm到10mm;
步骤二:将信号源产生的交变激励信号施加到激励线圈上,观察接收线圈是否有涡流信号输出;若没有涡流信号输出,则此时探头等距线方向就是纤维方向,检测结束;若有涡流信号输出,则进行步骤三;所述的新型涡流检测探头等距线指激励线圈与接收线圈的中心连线;
步骤三:进一步观察激励信号与接收线圈输出的涡流信号的相位差
本发明所述的一种新型涡流检测方法,能实现对碳纤维复合材料(cfrp)面内波纹缺陷和纤维断裂缺陷等常见缺陷的检测;其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:根据cfrp样品待检测区域确定预设扫查路径,并使上面所述的新型涡流检测涡流探头检测方向与cfrp样品纤维方向一致;所述的新型涡流探头检测方向指新型涡流探头等距线方向,即激励线圈与接收线圈的中心连线方向;
步骤二:使用上述中所述新型涡流检测探头按预设扫查路径,相对于cfrp样品表面平行移动,进行扫查;同步采集由接收线圈输出的涡流信号的幅度
步骤三:读取步骤二所采集的当前位置处的涡流信号的幅度
步骤四:对步骤三所获取的幅度
步骤五:对步骤三获得的相位差
步骤六:若相位差为
具体地说,本发明所述的一种新型涡流检测探头,其特征在于:包括一个激励线圈和一个接收线圈。与传统的t-r探头不同的是,所述接收线圈为“8”字形线圈,所述激励线圈为扁平线圈。所述“8”字形线圈包括同向环和逆向环两个部分,其中与激励线圈绕线方向相同的部分称为同向环,反之称为逆向环。同向环和逆向环的大小、匝数均相同,但绕线方向相反。
进一步的,所述激励线圈可为实心扁平线圈或者空心扁平线圈,且绕线方向与同向环相同。
进一步的,所述激励线圈与接收线圈均平行置于被测样品表面上方,并且激励线圈与同向环和逆向环等距,为了便于描述,我们将等距线(即激励线圈与接收线圈的中心连线)的方向定义为探头检测方向。相对于等距线方向,我们将同向环所在的一侧定义为同向环侧,逆向环所在的一侧定义为逆向环侧。
进一步的,在激励线圈与同向环和逆向环等距的情况下,激励线圈和接收线圈可以左右排列处于同一平面或者处于上下平行的不同平面。
相比于传统的t-r探头,本发明提出的新型涡流检测探头具有对提离不敏感的优点。“8”字形线圈作为接收线圈,其同向环和逆向环大小、匝数均相同且均与激励线圈等距,但绕线方向相反。这样,当激励线圈通过交流电激励产生一次电磁场时,接收线圈的同向环和逆向环接收到的一次电磁场强度相等,方向相反,相互抵消。因此,“8”字形线圈的输出信号仅与涡流感应的二次电磁场有关,而与激励线圈所激励的一次电磁场无关,这是所述新型涡流检测探头的重要特征。本发明的新型涡流检测探头可用于导电性能的各向同性的材料,如金属材料;也可用于导电性能的各向异性的材料,如cfrp。
一种新型涡流检测方法,采用上述新型涡流检测探头,可以实现对cfrp纤维方向的检测,以及面内波纹缺陷和其他常见缺陷的检测。
进一步的,实现对cfrp纤维方向的检测。在检测过程中,将新型涡流检测探头平行置于cfrp样品无缺陷区域上方。由于cfrp导电性能的各向异性,激励线圈在cfrp样品上产生的涡流会沿纤维方向分布。当探头等距线方向与纤维方向一致时,由于接收线圈的同向环和逆向环关于等距线对称且绕线方向相反,其同向环和逆向环接收到的由涡流产生的二次电磁场强度相等,方向相反,相互抵消,因此接收线圈无涡流信号输出。若纤维方向相对于等距线方向偏向同向环侧,涡流分布也随着纤维方向偏向同向环侧,接收线圈的同向环接收到的二次电磁场强度强于逆向环,因此此时接收线圈有对应的涡流信号输出。又由于同向环的绕线方向和激励线圈相同,故该涡流信号与施加在激励线圈的激励信号同相。相反,若纤维方向相对于等距线方向偏向逆向环侧,接收线圈会输出与激励信号异相的涡流信号。其检测过程具体包括如下步骤:
步骤一:将所述新型涡流检测探头安装在旋转机构上,并以提离值h平行置于cfrp样品上方。所述旋转机构能够使探头在水平面内自由转动。提离值h一般取0.1mm到10mm。
步骤二:将信号源产生的交变激励信号施加到激励线圈上,使用观测设备来观察接收线圈是否有涡流信号输出。若没有涡流信号输出,则此时探头等距线方向就是纤维方向,检测结束。若有涡流信号输出,则进行步骤三。这里的信号源通常可使用函数信号发生器。这里的观测设备是指可以观测交变信号强度的设备。
步骤三:使用检测设备进一步观察激励信号与接收线圈输出的涡流信号的相位差
因此,使用所述的新型涡流检测探头可以检测cfrp纤维方向。根据接收线圈输出的涡流信号的相位,可确定纤维方向是往同向环侧还是往逆向环侧偏离,并进行相应的角度调整。
进一步的,实现对cfrp面内波纹缺陷的检测。采用上述新型涡流检测探头,对带有面内波纹缺陷的cfrp样品进行检测,由于纤维在面内波纹缺陷处发生弯曲,检测过程中,涡流分布路径会沿着波纹弯曲,弯曲的涡流路径在探头等距线的两侧产生不平衡的磁通量,此时接收线圈会输出对应的涡流信号。假设探头下方出现了一个偏同向环侧的面内波纹缺陷(即纤维先往同向环侧弯,再往逆向环侧弯)。则接收线圈会先感应出与激励信号同相的涡流信号,然后再感应出与激励信号异相的涡流信号。反之,若接收线圈下方出现了一个偏逆向环侧的面内波纹(即纤维先往逆向环侧弯,再往同向环侧弯),接收线圈先会感应出与激励信号异相的涡流信号,然后再感应出与激励信号同相的涡流信号。
进一步的,实现对cfrp其他常见缺陷的检测,如裂纹、纤维断裂。检测过程中,裂纹或纤维断裂等缺陷会对涡流的分布造成很大的扰动。若接收线圈的同向环下方存在裂纹或纤维断裂缺陷,由于受到缺陷的阻断,同向环下方的涡流将受到干扰,导致同向环和逆向环的涡流分布变得不再平衡。此时,逆向环接收到的二次电磁场强度更强,因此接收线圈会输出与激励信号异相的涡流信号。但是与面内波纹缺陷输出的涡流信号相比,裂纹或纤维断裂缺陷输出的涡流信号相位不会发生变化。反之,若接收线圈的逆向环下方存在缺陷,由于受到缺陷的干扰,同向环接收到的二次电磁场强度比逆向环的强,因此接收线圈会输出与激励信号同相的涡流信号。
基于以上特征,采用上述新型涡流检测探头,可以实现面内波纹缺陷和其他常见缺陷的检测,如裂纹、纤维断裂。其检测过程具体包括如下步骤:
步骤一:根据cfrp样品待检测区域确定涡流探头的预设扫查路径,并使涡流探头检测方向(即等距线方向)与cfrp样品纤维方向一致。
步骤二:使用所述新型涡流检测探头按预设扫查路径,相对于cfrp样品表面平行移动,进行扫查;同步采集由接收线圈输出的涡流信号的幅度
步骤三:读取步骤二所采集的当前位置处的涡流信号的幅度
步骤四:对步骤三所获取的幅度
步骤五:对步骤三获得的相位差
步骤六:若相位差为
由上述所知,本发明有如下有益效果:本发明的新型涡流检测探头在检测过程中,“8”字形线圈作为接收线圈,其输出信号仅与涡流感应的二次电磁场有关,而与激励线圈所激励的一次电磁场无关,因此本发明的新型涡流检测探头具有对提离不敏感的优点,能够有效克服检测过程中机械振动和被测样品表面粗糙度带来的干扰,提高信噪比和检测可靠性。采用本发明的新型涡流探头来对cfrp进行涡流检测,根据所提出的方法,可以实现对cfrp纤维方向的检测,以及实现面内波纹缺陷和其他常见缺陷的有效检测。
附图说明
图1为本发明提供的新型涡流检测探头结构示意图;
图2为本发明提供的“8”字形线圈的绕线方式示意图;
图3为本发明提供的新型涡流检测探头置于无缺陷cfrp样品上方示意图;
图4为本发明提供的新型涡流检测探头检测cfrp纤维方向(往同向环侧偏)示意图;
图5为本发明提供的新型涡流检测探头检测cfrp纤维方向(往逆向环侧偏)示意图;
图6为本发明提供的新型涡流检测探头检测面内波纹(偏同向环侧)示意图;
图7为本发明提供的新型涡流检测探头检测缺陷示意图;
图8为本发明提供的实施例三中新型涡流检测探头预设扫查路径示意图。
上述各图中:1、激励线圈;2、接收线圈;21、同向环;22、逆向环;3、等距线;31、等距线方向;4、涡流;5、碳纤维复合材料样品;6、纤维方向往同向环侧偏;7、纤维方向往逆向环侧偏;8、裂纹或纤维断裂缺陷;9、预设扫查路径。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更佳清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本发明进一步的说明。
实施例一
参见图1,本发明的一种新型涡流检测探头,包括激励线圈1和“8”字形接收线圈2。本实施例中使用的激励线圈1优选外径为3.8mm、内径为3.2mm、厚度为0.7mm的空心扁平线圈,由直径为0.2mm的漆包线紧密绕制12匝而成;
参见图2,本实施例中使用的“8”字形线圈由直径为0.2mm的漆包线紧密绕制而成,匝数为12匝。其中,“8”字形线圈的同向环21和逆向环22尺寸大小相同但绕线方式相反,其外径均优选为3.8mm,内径均优选为3.2mm,厚度优选为0.7mm。本实施例中,接收线圈2与激励线圈1左右并排处于同一平面,并且接收线圈2与激励线圈1的中心距离优选为4.5mm。
激励线圈1由信号源产生激励信号来激励。本实施例中,信号源优选函数发生器(tektronixafg3101),激励信号优选频率为15m、10v的正弦波。激励线圈1通过正弦激励信号激励会产生一次电磁场,而此时接收线圈2的同向环21和逆向环22接收到的一次电磁场强度相等,方向相反,相互抵消。这样,接收线圈2的输出信号仅与涡流感应的二次电磁场有关,而与激励线圈1所激励的一次电磁场无关,因此本发明的新型涡流检测探头对提离不敏感,能够有效克服提离效应带来的干扰,增加信噪比和检测可靠性。
实施例二
一种新型涡流检测方法,采用本发明的新型涡流检测探头,可以实现对cfrp复合材料纤维方向的检测。本实施例中使用的新型涡流检测探头的结构参数与实施例一相同。参见图3,将新型涡流检测探头平行置于cfrp样品5无缺陷区域上方,由于cfrp导电性能的各向异性,激励线圈1在cfrp样品5上产生的涡流4会沿纤维方向分布。当探头等距线方向31与纤维方向一致时,由于接收线圈2的同向环21和逆向环22关于等距线3对称且绕线方向相反,其同向环21和逆向环22接收到的由涡流4产生的二次电磁场强度相等,方向相反,相互抵消,因此接收线圈2无涡流信号输出。参见图4,若纤维方向相对于等距线方向31偏向同向环侧,涡流分布也随着纤维方向偏向同向环侧,接收线圈2的同向环21接收到的二次电磁场强度强于逆向环22,因此此时接收线圈2有对应的涡流信号输出。又由于同向环21的绕线方向和激励线圈1相同,故该涡流信号与施加在激励线圈1的激励信号同相。相反,参见图5,若纤维方向相对于等距线方向31偏向逆向环侧,接收线圈2会输出与激励信号异相的涡流信号。其检测过程具体包括如下步骤:
步骤一:将所述新型涡流检测探头安装在旋转机构上,并以提离值3mm平行置于被测cfrp样品上方。所述旋转机构能够使探头在水平面内自由转动。
步骤二:使用与实施例一相同的函数发生器(tektronixafg3101)产生15m、10v的正弦波激励信号施加到激励线圈1上,使用示波器(keysightdso-x-2024a)来观察接收线圈2是否有涡流信号输出。若没有涡流信号输出,则此时探头等距线方向31就是纤维方向,检测结束。若有涡流信号输出,则进行步骤三。
步骤三:使用示波器(keysightdso-x-2024a)进一步观察激励信号与接收线圈2输出的涡流信号的相位差
实施例三
一种新型涡流检测方法,采用本发明的新型涡流检测探头,可以实现cfrp面内波纹缺陷和其他常见缺陷的检测,如裂纹或纤维断裂缺陷等。
对于cfrp面内波纹缺陷,纤维会在该缺陷处发生弯曲。检测过程中,涡流分布路径也会沿着波纹弯曲,弯曲的涡流路径在探头等距线的两侧产生不平衡的磁通量,此时接收线圈2会输出对应的涡流信号。参见图6,假设探头下方出现了一个偏同向环侧的面内波纹缺陷(即纤维先往同向环侧弯,再往逆向环侧弯)。则接收线圈2会先感应出与激励信号同相的涡流信号,然后再感应出与激励信号异相的涡流信号。反之,若接收线圈2下方出现了一个偏逆向环侧的面内波纹(即纤维先往逆向环侧弯,再往同向环侧弯),接收线圈2先会感应出与激励信号异相的涡流信号,然后再感应出与激励信号同相的涡流信号。
对于cfrp其他常见缺陷,如裂纹、纤维断裂等。检测过程中,裂纹或纤维断裂等缺陷会对涡流的分布造成很大的扰动。参见图7,若接收线圈2的同向环21下方存在裂纹或纤维断裂缺陷8,由于受到缺陷8的阻断,同向环21下方的涡流将受到干扰,导致同向环21和逆向环22的涡流分布变得不再平衡。此时,逆向环22接收到的二次电磁场强度更强,因此接收线圈2会输出与激励信号异相的涡流信号。但是与面内波纹缺陷输出的涡流信号相比,裂纹或纤维断裂缺陷输出的涡流信号相位不会发生变化。反之,若接收线圈2的逆向环22下方存在缺陷,由于受到缺陷的干扰,同向环21接收到的二次电磁场强度比逆向环22的强,因此接收线圈2会输出与激励信号同相的涡流信号。
采用与实施例一相同参数的新型涡流检测探头,实现面内波纹缺陷和其他常见缺陷的检测,其检测过程具体包括如下步骤:
步骤一:根据cfrp样品待检测区域确定涡流探头的预设扫查路径,本实施例中的扫查路径如图8所示的预设扫查路径9。检测过程中,涡流探头的检测方向(即等距线方向31)始终与cfrp样品纤维方向保持一致。
步骤二:将需要检测的cfrp最小缺陷置于新型涡流检测探头下方,并且纤维方向与探头检测方向保持一致,记录此时涡流信号的幅度
步骤三:使用新型涡流检测探头按如图8所示的预设扫查路径9,相对于cfrp样品待检测区域表面平行移动,进行扫查;同时,使用采集设备同步采集由接收线圈2输出的涡流信号的幅度
步骤四:使用计算机读取usb3210所采集的当前位置处的涡流信号的幅度
步骤五:对步骤四所获取的幅度
步骤六:对步骤四获得的相位差
步骤七:若相位差为