一种用于检测复合材料中的碳纤维弯曲缺陷的方法和装置与流程

本发明涉及材料缺陷检测领域，尤其涉及一种用于检测复合材料中的碳纤维弯曲缺陷的方法和装置。

背景技术：

1、碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer，简称cfrp)是一种广泛应用的新型复合材料。近年来，凭借着比强度高、比模量高、抗疲劳、耐腐蚀和易大面积整体成型等一系列优越性能，cfrp得到越来越多的关注，被广泛应用于航空航天、土木建筑、交通运输和化学化工等领域。目前在航空领域，cfrp被广泛应用于梁、肋、隔板、析条、蒙皮、壳体、框架等各类承力结构和非承力结构，成为航空领域不可或缺的结构材料。

2、常用的cfrp层合板是由多层单向铺层逐层叠加并经固化所得。理想情况下，单向铺层内的碳纤维是相互平行且保持平直的，但由于加工、拉拽等外界因素使得纤维局部发生弯曲，当纤维弯曲超出一定程度会使cfrp单向铺层的力学性能下降，继而影响整个cfrp层合板的力学性能，对结构安全造成影响。因此需要及时检测出超出容许范围的纤维弯曲。

3、现有常用的检测方法包括超声检测、射线检测、涡流检测等。超声检测一般需要对构件表面进行清洁，并在构件表面涂敷耦合剂作为媒介，检测完成后还需对耦合剂进行清洁，检测流程繁琐，且耗时费力，效率不高；射线检测存在辐射危险，适用场景受限，也不适合生产线检测及装备原位快速检测。当前的涡流检测装置更多地应用于金属表面缺陷检测，在应用于复合材料缺陷检测时存在检测装置复杂、灵敏度不高、效率低等缺点。如cn101655478b《基于电磁层析成像的碳纤维复合材料缺陷检测装置及方法》中的激励线圈和检测线圈模块由一组分离式激励线圈和检测线圈组成，激励线圈和检测线圈由磁芯202和线圈203组成，线圈203均匀地绕在磁芯202上；检测时，在被检测复合材料板201上环列式均匀布置2n个线圈，激励其中一个线圈，分别采集剩余(2n-1)个线圈的反馈信号，然后依次激励下一个线圈并采集相应的反馈信号，最终形成一组2n×(2n-1)的数据，对数据进行后处理，得到检查区域的特征参数，从而分析出碳纤维复合材料板201上缺陷的大小和位置。由此可见，所述方法需要同时布置多个环列式激励线圈和检测线圈模块、多次重复激励、多次采集信号，效率不高，且难以检测到碳纤维的弯曲缺陷。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题：

2、需要解决碳纤维复合材料弯曲缺陷检测中存在的装置复杂、效率不高、难以原位检测等问题。

3、本发明的目的：

4、为了解决碳纤维复合材料弯曲缺陷检测中存在的装置复杂、效率不高、难以原位检测等问题，本发明提供了一种基于复合矩形探头的用于检测复合材料中的碳纤维弯曲缺陷的装置和方法。

5、本发明的技术方案：

6、一方面，本发明所提供的技术方案是基于复合矩形探头的用于复合材料中的碳纤维弯曲缺陷检测装置，包括：融合了激励线圈和接收线圈的复合矩形探头，包含激励模块和接收模块的锁相放大器，用于驱动探头移动以对复合材料进行扫描的电控位移平台，对接收信号进行处理的处理器。处理器、锁相放大器、复合矩形探头依次相连；处理器、电控位移平台、复合矩形探头依次相连。

7、另一方面，本发明提供了一种用于检测复合材料中的碳纤维弯曲缺陷的方法，其步骤为：

8、s1,通过控制电控位移平台将复合矩形探头置于被检测复合材料表面；所述复合矩形探头的激励线圈的线圈面与所述复合材料的表面垂直，所述激励线圈的线圈面与所述复合材料中的碳纤维的预设延伸方向相同，所述接收线圈的线圈面与所述碳纤维的预设延伸方向垂直；

9、s2,处理器向锁相放大器的激励模块发出指令，驱动激励模块激励复合矩形探头的激励线圈产生电磁信号，复合矩形探头的接收线圈接收反馈回来的电磁信号；

10、s3,锁相放大器的接受模块获取所述接收线圈输出的电压相位，并返回给处理器进行处理；

11、s4,处理器控制电控位移平台带动复合矩形探头沿碳纤维的预设延伸方向在复合材料表面移动、扫描，实现对复合材料中的碳纤维的连续检测；

12、s5,处理器根据连续反馈回的电压相位信号，重构所述碳纤维的分布图像，从而分析出是否存在碳纤维的弯曲缺陷以及缺陷位置和大小。

13、在上述方法中，还包括：以无弯曲碳纤维的复合材料作为参考试样，利用所述探头检测所述参考试样获得的电压相位作为背景信号；将检测复合材料获得的所述电压相位减去所述背景信号，获得去噪电压相位。

14、本发明的技术效果：

15、通过采用本发明的方法来检测复合材料中的碳纤维弯曲缺陷，所需的检测装置简单，操作简单，灵敏度高，检测灵敏度以碳纤维和线圈夹角表征可以达到±0.5°。此外，信号的处理也较为简单。另外，本申请的方法适用于航空高精度要求的cfrp全寿命期内的碳纤维弯曲检测，能够实现原位检测。

技术特征：

1.一种用于检测复合材料中的碳纤维弯曲缺陷的装置，其特征在于，包括：锁相放大器(1)，复合矩形探头(2)，电控位移平台(3)，处理器(4)，其中：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中：

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中：

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中：

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中：

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其特征在于，其中：

7.一种用于检测复合材料中的碳纤维弯曲缺陷的方法，利用权利要求1-6中任意一项所述的装置进行检测，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤s1中：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求7-9中任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明涉及材料缺陷检测领域，提出了一种用于检测复合材料中的碳纤维弯曲缺陷的装置和方法。该装置包括：锁相放大器，复合矩形探头，电控位移平台，处理器。其中，激励模块用于对激励线圈激励；接收模块用于接收接收线圈输出的信号；激励线圈和接收线圈为矩形；激励线圈的线圈面与接收线圈的线圈面垂直；处理器用于向锁相放大器发出激励指令，并接收锁相放大器的接收模块返回的相位信号并进行处理，还用于控制电控位移平台以实现矩形复合探头对复合材料的连续检测。本发明检测装置简单，操作简单，灵敏度高，检测灵敏度以碳纤维和线圈夹角表征可以达到±0.5°。

技术研发人员：孙勇,万宇,邓章春,聂明飞,蒲鸽,成洁
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12