一种碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统的制作方法
一种碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]
[0002]本发明涉及一种碳纤维树脂基复合材料的无损检测系统，尤其涉及一种碳纤维树脂基复合材料的中频涡流检测系统。
【背景技术】
[0003]
[0004]以碳纤维为增强体的先进碳纤维树脂基复合材料(简称“CFRP”)，是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料，具有其它复合材料无法比拟的优越性能，在民用工业、军事、航空航天等领域得到了广泛地应用。然而，CFRP复合材料的多相性和自身结构特点，使CFRP复合材料构件的内部缺陷和加工、使用时的结构损伤均无法避免。因此，为保证CFRP复合材料构件能够满足各领域的使用要求，监控复合材料结构的内部质量受到越来越广泛的关注。
[0005]目前，实现CFRP复合材料无损检测的方法主要有:超声波、声阻、射线和红外线方法检测，但这些方法对于碳纤维复合材料的检测各有不足，有的需要耦合剂，有的设备体积大，价格昂贵，只能用于离位车间检测。普遍的问题灵敏度低，易受外界因素干扰，检测结果可靠性不高。
[0006]对于碳纤维复合材料的检测来说，一个重要的任务是在材料成型和预浸料生产中监测材料中出现的损伤和异常，包括纤维的排列错位、抽出、外来物夹杂、面内碳纤维分布浓度不一致、预浸料中的树脂积聚等。能够对CFRP成型过程中的缺陷进行检测是涡流法的一大优点。传统方法包括超声、射线和热成像法等都要求待测复合材料为固态物质，即复合材料必须要经过固化成型之后才能检测，而且材料中的机械强度和热渗透率等应是均匀的，这样超声波、应力波和热波才能在材料中传播进行缺陷检测。由于对材料形态的限制，传统的几种无损检测方法都无法对干纤维预成型体和预浸料等进行检测。
[0007]涡流检测是一种高效无接触的无损检测技术，无需耦合剂，自动化程度高。由于涡流检测是基于电磁感应的原理实现的，而且线圈探头不需要与被测件接触，电涡流在传播时也不受材料形态的影响，因此至少从目前来看涡流是对碳纤维成型缺陷检测的唯一方法。
[0008]CFRP涡流检测虽已有相关实验结果的报道，但主要还是集中于高频涡流检测方法的研宄。高频涡流检测系统实现较难，由于频率很高(通常达到或超过10MHz)，高频涡流线圈和信号处理和放大电路很难设计，且信号更易受到外界干扰和线圈提离的影响。与高频ECT方法相比，中频涡流检测方法实现起来则简单得多，但是仍存在传感信号微弱和灵敏度差的问题，需要尽可能提高后处理电路的灵敏度和放大增益，以达到提取微弱有用信号的目的。此外采用中频ECT技术还应保证线圈阻抗小，响应电压大及激励源信号稳定，这样就进一步提尚对CFRP检测的可罪性。
【发明内容】
[0009]
[0010]技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种针对CFRP复合材料的中频涡流检测系统，采用发射-接收式线圈探头，实现对CFRP复合材料性能和损伤的识别，操作方便，检测结果直观易懂，灵敏度高，适合在线、在役检测。
[0011]技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的碳纤维树脂基复合材料的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，其中，所述的锁相放大模块包括前置放大单元和相敏检波单元，所述的涡流传感单元包括传输电缆、涡流激励线圈、涡流检测线圈和线圈控制机构；信号发生模块产生的频率、幅值可调的电信号一路经传输电缆传输给涡流传感单元中的涡流激励线圈，另一路传输给锁相放大模块中的相敏检波单元作为锁相放大模块的输入电信号，相敏检波由乘法器构成，若输入信号与参考信号同频率则乘法器得到一个有直流偏置的正弦信号，经低通滤波、放大后输出同频率的信号幅值，反之，则没有输出信号，能大幅度抑制无用噪声，检测灵敏度高；涡流激励线圈将信号发生模块输入的电信号转换为磁信号并耦合到碳纤维树脂基复合材料待测试件，涡流检测线圈接收测试件变化的磁信号并转换为电信号输入锁相放大模块中的前置放大单元，经前置放大单元放大滤波后输入相敏检波单元；信号采集模块将锁相放大模块输出的模拟电压信号经A/D转换成数字信号，并输入上位机中进行分析处理。
[0012]更进一步地，所述的线圈控制机构用于控制涡流线圈距离测试件表面的检测高度。线圈控制机构使用柔性弹簧机构压紧涡流线圈，使之始终贴合被测件表面，以减少提离效应的影响。
[0013]更进一步地，所述的信号发生模块产生的信号在100kHz ~ IMHz间连续可调，频率精确度为±25ppm，电压范围为lm~10Vp-p。
[0014]更进一步地，涡流激励线圈和涡流检测线圈均采用空心圆饼线圈，左右排列组成发射-接收式线圈。所述激励线圈和检测线圈在中频段(100kHz ~ IMHz)的电阻值约为11~ 18 Ω，电感值约为32 ~ 37μΗ，噪声低、谐波失真小，便于信号采集和损伤特征提取。
[0015]本发明的传输电缆用于连接信号发生器和涡流线圈，采用屏蔽同轴电缆，长度小于lm，寄生电容值小于100pF/m，这样可以有效地降低噪声信号的干扰，减小传输损耗。
[0016]所述的锁相放大模块电压输入的满刻度灵敏度为2nV ~ IV，最大输出电压为±10V，频率范围为ImHz ~ 250kHz，共模抑制比大于100dB，最大动态储备大于100dB，最大增益达90dB，对微小信号具有很高的灵敏度，检测能力强。
[0017]有益效果
本发明的CFRP复合材料的中频涡流检测系统实现了 CFRP复合材料特性和损伤的检测与判断，设计合理、操作简单、效率高、价格低廉。设计的线圈控制机构采用柔性弹簧机构压紧线圈，使之始终贴合被测件表面，减少提离效应的影响，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。
【附图说明】
[0018]
[0019]图1是CFRP复合材料结构示意图；
图2是同轴电缆内部结构示意图；
图3是涡流线圈结构示意图；
图4是本发明的涡流线圈检测信号示意图；
图5是本发明的系统结构框图；
图6是本发明的线圈控制机构装配示意图。
【具体实施方式】
[0020]
[0021]以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。
[0022]以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了具体的实施方案和操作过程，但本发明保护的范围不限于下述的实施例。
[0023]如图1所示，是本实施例的待测试件一CFRP复合材料板，该复合材料由不同角度方向的纤维层堆叠组成，每层0.125mm，共8层，图1所示为其中一种铺层方式。
[0024]如图2所示，为本实施例中采用的传输电缆4，由内导体、绝缘层、铝箔屏蔽、编织屏蔽和护套构成，其长度小于lm，寄生电容值小于100pF/m，可有效地降低噪声信号的干扰，减小传输损耗。
[0025]如图3所示，本实施例的涡流传感单元3包括涡流激励线圈5和涡流检测线圈6，涡流激励线圈5和涡流检测线圈6均采用空心圆饼线圈，左右排列组成如图3所示的发射-接收式，线圈的内径为1.2mm，外径为3.2mm，高度0.8mm，激励线圈和检测线圈的中心间距为5mmο
[002 6]如图4所示，是本实施例的涡流线圈检测信号图，信号对应的激励频率为150kHz，尽管波形中存在噪声信号，但有用信号幅值较噪声信号幅值大，波形呈现单一正弦状，表明中频段信噪比较好，可以从中提取出有用信号，中频ECT检测方法具有可行性。
[0027]如图5所示，本实施例的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2、涡流传感单元3、锁相放大模块8和信号采集模块11，其中，所述的锁相放大模块8包括前置放大单元9和相敏检波单元10，所述的涡流传感单元3包括传输电缆4、涡流激励线圈5、涡流检测线圈6和线圈控制机构7 ;信号发生模块2产生的频率、幅值可调的电信号一路经传输电缆4传输给涡流传感单元3中的涡流激励线圈5，另一路传输给锁相放大模块8中的相敏检波单元10作为锁相放大模块8的输入电信号；涡流激励线圈5将信号发生模块2输入的电信号转换为磁信号并耦合到碳纤维树脂基复合材料待测试件1，涡流检测线圈6接收测试件I变化的磁信号并转换为电信号输入锁相放大模块8中的前置放大单元9，经前置放大单元9放大滤波后输入相敏检波单元10 ;信号采集模块11将锁相放大模块8输出的模拟电压信号经A/D转换成数字信号，并输入上位机中进行分析处理。
[0028]所述的信号发生模块2产生的信号在100kHz ~ IMHz间连续可调，频率精确度为±25ppm，电压范围为Im ~ 10Vp-p，优于_40dBc的总谐波失真和±0.2dB的幅值平坦度。信号发生模块为信号产生单元，因此要求产生的信号幅值和频率稳定性好，避免由信号源端引入的噪声，提高后续电路的灵敏度和增益。
[0029]所述的传输电缆4为信号传输路径，采用屏蔽同轴电缆，长度小于lm，寄生电容值小于100pF/m，可有效地降低噪声信号的干扰，减小传输损耗。
[0030]所述的激励线圈5和检测线圈6均采用空心圆饼线圈，左右排列组成发射-接收式线圈，涡流激励线圈5和涡流检测线圈6间存在一定间距，避免涡流检测线圈6的磁场受到涡流激励线圈5磁场的干扰，影响检测精度。同时要求涡流激励线圈5和涡流检测线圈6尺寸小，便于检测纤维排布等微小尺度对象，对CFRP材料表层和内部的纤维分布有较高的灵敏度。涡流激励线圈5和涡流检测线圈6中频段(100kHz ~ IMHz)的电阻值约为11 ~18 Ω，电感值约为32 ~ 37μΗ，噪声低、谐波失真小，便于信号采集和损伤特征提取。
[0031]所述线圈控制机构7负责调整流激励线圈5和涡流检测线圈6的检测高度，使用柔性弹簧机构压紧线圈，使之始终贴合被测件表面，减少提离效应的影响。
[0032]所述锁相放大模块8中，其电压输入的满刻度灵敏度为2nV ~ IV，最大输出为±10V，频率范围为ImHz ~ 250kHz，共模抑制比大于100dB，最大动态储备大于100dB，最大增益达90dB，对微小信号具有很高的灵敏度，检测能力强。
[0033]所述相敏检波单元10由乘法器构成，若前置放大单元9输出的信号与信号发生模块2输出的参考信号同频率，则乘法器得到一个有直流偏置的正弦信号，经低通滤波、放大后输出同频率的信号幅值，反之，则没有输出信号，能大幅度抑制无用噪声，检测灵敏度高。
[0034]所述信号采集模块11前端信号调理电路和模数转换单元，将输入的模拟电压转换成数字信号，并送入上位机进行分析、处理。最高采用速率为1.25MS/s，16位的分辨率。
[0035]如图6所示，为本实施例的线圈控制机构7的装配图，包括塑料螺母12、圆环套13、圆环套筒14，实心缺口塑料圆棒15，塑料弹簧16、涡流线圈探头17和升降台夹具18，其中:
塑料螺母12与圆环套13通过螺纹连接，圆棒15和圆环套13过盈配合。圆环套13和套筒14将塑料弹簧16固定在空隙中，弹簧压紧塑料圆棒15保证圆棒在整个检测过程中无晃动，且能随待测件I表面不平上下微调，使线圈探头17始终紧贴在被测件表面。线圈探头17放置在圆棒15端部的缺口处，使用双面胶和电工胶带19将线圈粘贴在缺口平面上，如图中所示。
[0036]弹簧16为柔性机构，要求尽量选择塑料弹簧，材质要软，能够自由伸缩，且弹簧自然长度为24_。整个柔性弹簧机构通过升降台夹具18固定在升降台上，调节线圈位置时，由升降台夹具18带动弹簧机构使线圈下降直至紧贴在待测件表面。
【主权项】
1.一种碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，其包括信号发生模块(2)、涡流传感单元(3)、锁相放大模块(8)和信号采集模块(11)，其中，所述的锁相放大模块(8)包括前置放大单元(9)和相敏检波单元(10)，所述的涡流传感单元(3)包括传输电缆(4)、涡流激励线圈(5)、涡流检测线圈(6)和线圈控制机构(7);信号发生模块(2)产生的频率、幅值可调的电信号一路经传输电缆(4)传输给涡流传感单元(3)中的涡流激励线圈(5 )，另一路传输给锁相放大模块(8 )中的相敏检波单元(10 )作为锁相放大模块(8 )的输入电信号；涡流激励线圈(5)将信号发生模块(2)输入的电信号转换为磁信号并耦合到碳纤维树脂基复合材料待测试件(I )，涡流检测线圈(6)接收测试件(I)变化的磁信号并转换为电信号输入锁相放大模块(8 )中的前置放大单元(9 )，经前置放大单元(9 )放大滤波后输入相敏检波单元(10);信号采集模块(11)将锁相放大模块(8)输出的模拟电压信号经A/D转换成数字信号，并输入上位机中进行分析处理。2.如权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，所述的线圈控制机构(7)控制涡流检测线圈(6)距离测试件(I)表面的检测高度。3.如权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，所述的信号发生模块(2)产生的信号在100kHz ~ IMHz间连续可调，频率精确度为±25ppm，电压范围为lm~10Vp-p。4.如权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，涡流激励线圈(5)和涡流检测线圈(6)均采用空心圆饼线圈，左右排列组成发射-接收式线圈。5.如权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，所述的信号采集模块(11)包括前端信号调理电路和模数转换单元，锁相放大模块(8)的相敏检波单元(10)输出的模拟电压信号经A/D转换成数字信号，并输入上位机中进行分析处理。
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其包括信号发生模块、涡流传感单元、锁相放大模块和信号采集模块，所述的涡流传感单元包括传输电缆、涡流激励线圈、涡流检测线圈和线圈控制机构。本发明的CFRP复合材料的中频涡流检测系统实现了CFRP复合材料特性和损伤的检测与判断，设计合理、操作简单、效率高、价格低廉。设计的线圈控制机构采用柔性弹簧机构压紧线圈，使之始终贴合被测件表面，减少提离效应的影响，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。
【IPC分类】G01N27/90
【公开号】CN104897775
【申请号】CN201510244192
【发明人】裘进浩, 程军, 季宏丽, 徐笑娟, 郭太平, 吴义鹏
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月13日
【技术领域】
[0001]
[0002]本发明涉及一种碳纤维树脂基复合材料的无损检测系统，尤其涉及一种碳纤维树脂基复合材料的中频涡流检测系统。
【背景技术】
[0003]
[0004]以碳纤维为增强体的先进碳纤维树脂基复合材料(简称“CFRP”)，是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料，具有其它复合材料无法比拟的优越性能，在民用工业、军事、航空航天等领域得到了广泛地应用。然而，CFRP复合材料的多相性和自身结构特点，使CFRP复合材料构件的内部缺陷和加工、使用时的结构损伤均无法避免。因此，为保证CFRP复合材料构件能够满足各领域的使用要求，监控复合材料结构的内部质量受到越来越广泛的关注。
[0005]目前，实现CFRP复合材料无损检测的方法主要有:超声波、声阻、射线和红外线方法检测，但这些方法对于碳纤维复合材料的检测各有不足，有的需要耦合剂，有的设备体积大，价格昂贵，只能用于离位车间检测。普遍的问题灵敏度低，易受外界因素干扰，检测结果可靠性不高。
[0006]对于碳纤维复合材料的检测来说，一个重要的任务是在材料成型和预浸料生产中监测材料中出现的损伤和异常，包括纤维的排列错位、抽出、外来物夹杂、面内碳纤维分布浓度不一致、预浸料中的树脂积聚等。能够对CFRP成型过程中的缺陷进行检测是涡流法的一大优点。传统方法包括超声、射线和热成像法等都要求待测复合材料为固态物质，即复合材料必须要经过固化成型之后才能检测，而且材料中的机械强度和热渗透率等应是均匀的，这样超声波、应力波和热波才能在材料中传播进行缺陷检测。由于对材料形态的限制，传统的几种无损检测方法都无法对干纤维预成型体和预浸料等进行检测。
[0007]涡流检测是一种高效无接触的无损检测技术，无需耦合剂，自动化程度高。由于涡流检测是基于电磁感应的原理实现的，而且线圈探头不需要与被测件接触，电涡流在传播时也不受材料形态的影响，因此至少从目前来看涡流是对碳纤维成型缺陷检测的唯一方法。
[0008]CFRP涡流检测虽已有相关实验结果的报道，但主要还是集中于高频涡流检测方法的研宄。高频涡流检测系统实现较难，由于频率很高(通常达到或超过10MHz)，高频涡流线圈和信号处理和放大电路很难设计，且信号更易受到外界干扰和线圈提离的影响。与高频ECT方法相比，中频涡流检测方法实现起来则简单得多，但是仍存在传感信号微弱和灵敏度差的问题，需要尽可能提高后处理电路的灵敏度和放大增益，以达到提取微弱有用信号的目的。此外采用中频ECT技术还应保证线圈阻抗小，响应电压大及激励源信号稳定，这样就进一步提尚对CFRP检测的可罪性。
【发明内容】
[0009]
[0010]技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种针对CFRP复合材料的中频涡流检测系统，采用发射-接收式线圈探头，实现对CFRP复合材料性能和损伤的识别，操作方便，检测结果直观易懂，灵敏度高，适合在线、在役检测。
[0011]技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的碳纤维树脂基复合材料的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，其中，所述的锁相放大模块包括前置放大单元和相敏检波单元，所述的涡流传感单元包括传输电缆、涡流激励线圈、涡流检测线圈和线圈控制机构；信号发生模块产生的频率、幅值可调的电信号一路经传输电缆传输给涡流传感单元中的涡流激励线圈，另一路传输给锁相放大模块中的相敏检波单元作为锁相放大模块的输入电信号，相敏检波由乘法器构成，若输入信号与参考信号同频率则乘法器得到一个有直流偏置的正弦信号，经低通滤波、放大后输出同频率的信号幅值，反之，则没有输出信号，能大幅度抑制无用噪声，检测灵敏度高；涡流激励线圈将信号发生模块输入的电信号转换为磁信号并耦合到碳纤维树脂基复合材料待测试件，涡流检测线圈接收测试件变化的磁信号并转换为电信号输入锁相放大模块中的前置放大单元，经前置放大单元放大滤波后输入相敏检波单元；信号采集模块将锁相放大模块输出的模拟电压信号经A/D转换成数字信号，并输入上位机中进行分析处理。
[0012]更进一步地，所述的线圈控制机构用于控制涡流线圈距离测试件表面的检测高度。线圈控制机构使用柔性弹簧机构压紧涡流线圈，使之始终贴合被测件表面，以减少提离效应的影响。
[0013]更进一步地，所述的信号发生模块产生的信号在100kHz ~ IMHz间连续可调，频率精确度为±25ppm，电压范围为lm~10Vp-p。
[0014]更进一步地，涡流激励线圈和涡流检测线圈均采用空心圆饼线圈，左右排列组成发射-接收式线圈。所述激励线圈和检测线圈在中频段(100kHz ~ IMHz)的电阻值约为11~ 18 Ω，电感值约为32 ~ 37μΗ，噪声低、谐波失真小，便于信号采集和损伤特征提取。
[0015]本发明的传输电缆用于连接信号发生器和涡流线圈，采用屏蔽同轴电缆，长度小于lm，寄生电容值小于100pF/m，这样可以有效地降低噪声信号的干扰，减小传输损耗。
[0016]所述的锁相放大模块电压输入的满刻度灵敏度为2nV ~ IV，最大输出电压为±10V，频率范围为ImHz ~ 250kHz，共模抑制比大于100dB，最大动态储备大于100dB，最大增益达90dB，对微小信号具有很高的灵敏度，检测能力强。
[0017]有益效果
本发明的CFRP复合材料的中频涡流检测系统实现了 CFRP复合材料特性和损伤的检测与判断，设计合理、操作简单、效率高、价格低廉。设计的线圈控制机构采用柔性弹簧机构压紧线圈，使之始终贴合被测件表面，减少提离效应的影响，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。
【附图说明】
[0018]
[0019]图1是CFRP复合材料结构示意图；
图2是同轴电缆内部结构示意图；
图3是涡流线圈结构示意图；
图4是本发明的涡流线圈检测信号示意图；
图5是本发明的系统结构框图；
图6是本发明的线圈控制机构装配示意图。
【具体实施方式】
[0020]
[0021]以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。
[0022]以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了具体的实施方案和操作过程，但本发明保护的范围不限于下述的实施例。
[0023]如图1所示，是本实施例的待测试件一CFRP复合材料板，该复合材料由不同角度方向的纤维层堆叠组成，每层0.125mm，共8层，图1所示为其中一种铺层方式。
[0024]如图2所示，为本实施例中采用的传输电缆4，由内导体、绝缘层、铝箔屏蔽、编织屏蔽和护套构成，其长度小于lm，寄生电容值小于100pF/m，可有效地降低噪声信号的干扰，减小传输损耗。
[0025]如图3所示，本实施例的涡流传感单元3包括涡流激励线圈5和涡流检测线圈6，涡流激励线圈5和涡流检测线圈6均采用空心圆饼线圈，左右排列组成如图3所示的发射-接收式，线圈的内径为1.2mm，外径为3.2mm，高度0.8mm，激励线圈和检测线圈的中心间距为5mmο
[002 6]如图4所示，是本实施例的涡流线圈检测信号图，信号对应的激励频率为150kHz，尽管波形中存在噪声信号，但有用信号幅值较噪声信号幅值大，波形呈现单一正弦状，表明中频段信噪比较好，可以从中提取出有用信号，中频ECT检测方法具有可行性。
[0027]如图5所示，本实施例的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2、涡流传感单元3、锁相放大模块8和信号采集模块11，其中，所述的锁相放大模块8包括前置放大单元9和相敏检波单元10，所述的涡流传感单元3包括传输电缆4、涡流激励线圈5、涡流检测线圈6和线圈控制机构7 ;信号发生模块2产生的频率、幅值可调的电信号一路经传输电缆4传输给涡流传感单元3中的涡流激励线圈5，另一路传输给锁相放大模块8中的相敏检波单元10作为锁相放大模块8的输入电信号；涡流激励线圈5将信号发生模块2输入的电信号转换为磁信号并耦合到碳纤维树脂基复合材料待测试件1，涡流检测线圈6接收测试件I变化的磁信号并转换为电信号输入锁相放大模块8中的前置放大单元9，经前置放大单元9放大滤波后输入相敏检波单元10 ;信号采集模块11将锁相放大模块8输出的模拟电压信号经A/D转换成数字信号，并输入上位机中进行分析处理。
[0028]所述的信号发生模块2产生的信号在100kHz ~ IMHz间连续可调，频率精确度为±25ppm，电压范围为Im ~ 10Vp-p，优于_40dBc的总谐波失真和±0.2dB的幅值平坦度。信号发生模块为信号产生单元，因此要求产生的信号幅值和频率稳定性好，避免由信号源端引入的噪声，提高后续电路的灵敏度和增益。
[0029]所述的传输电缆4为信号传输路径，采用屏蔽同轴电缆，长度小于lm，寄生电容值小于100pF/m，可有效地降低噪声信号的干扰，减小传输损耗。
[0030]所述的激励线圈5和检测线圈6均采用空心圆饼线圈，左右排列组成发射-接收式线圈，涡流激励线圈5和涡流检测线圈6间存在一定间距，避免涡流检测线圈6的磁场受到涡流激励线圈5磁场的干扰，影响检测精度。同时要求涡流激励线圈5和涡流检测线圈6尺寸小，便于检测纤维排布等微小尺度对象，对CFRP材料表层和内部的纤维分布有较高的灵敏度。涡流激励线圈5和涡流检测线圈6中频段(100kHz ~ IMHz)的电阻值约为11 ~18 Ω，电感值约为32 ~ 37μΗ，噪声低、谐波失真小，便于信号采集和损伤特征提取。
[0031]所述线圈控制机构7负责调整流激励线圈5和涡流检测线圈6的检测高度，使用柔性弹簧机构压紧线圈，使之始终贴合被测件表面，减少提离效应的影响。
[0032]所述锁相放大模块8中，其电压输入的满刻度灵敏度为2nV ~ IV，最大输出为±10V，频率范围为ImHz ~ 250kHz，共模抑制比大于100dB，最大动态储备大于100dB，最大增益达90dB，对微小信号具有很高的灵敏度，检测能力强。
[0033]所述相敏检波单元10由乘法器构成，若前置放大单元9输出的信号与信号发生模块2输出的参考信号同频率，则乘法器得到一个有直流偏置的正弦信号，经低通滤波、放大后输出同频率的信号幅值，反之，则没有输出信号，能大幅度抑制无用噪声，检测灵敏度高。
[0034]所述信号采集模块11前端信号调理电路和模数转换单元，将输入的模拟电压转换成数字信号，并送入上位机进行分析、处理。最高采用速率为1.25MS/s，16位的分辨率。
[0035]如图6所示，为本实施例的线圈控制机构7的装配图，包括塑料螺母12、圆环套13、圆环套筒14，实心缺口塑料圆棒15，塑料弹簧16、涡流线圈探头17和升降台夹具18，其中:
塑料螺母12与圆环套13通过螺纹连接，圆棒15和圆环套13过盈配合。圆环套13和套筒14将塑料弹簧16固定在空隙中，弹簧压紧塑料圆棒15保证圆棒在整个检测过程中无晃动，且能随待测件I表面不平上下微调，使线圈探头17始终紧贴在被测件表面。线圈探头17放置在圆棒15端部的缺口处，使用双面胶和电工胶带19将线圈粘贴在缺口平面上，如图中所示。
[0036]弹簧16为柔性机构，要求尽量选择塑料弹簧，材质要软，能够自由伸缩，且弹簧自然长度为24_。整个柔性弹簧机构通过升降台夹具18固定在升降台上，调节线圈位置时，由升降台夹具18带动弹簧机构使线圈下降直至紧贴在待测件表面。
【主权项】
1.一种碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，其包括信号发生模块(2)、涡流传感单元(3)、锁相放大模块(8)和信号采集模块(11)，其中，所述的锁相放大模块(8)包括前置放大单元(9)和相敏检波单元(10)，所述的涡流传感单元(3)包括传输电缆(4)、涡流激励线圈(5)、涡流检测线圈(6)和线圈控制机构(7);信号发生模块(2)产生的频率、幅值可调的电信号一路经传输电缆(4)传输给涡流传感单元(3)中的涡流激励线圈(5 )，另一路传输给锁相放大模块(8 )中的相敏检波单元(10 )作为锁相放大模块(8 )的输入电信号；涡流激励线圈(5)将信号发生模块(2)输入的电信号转换为磁信号并耦合到碳纤维树脂基复合材料待测试件(I )，涡流检测线圈(6)接收测试件(I)变化的磁信号并转换为电信号输入锁相放大模块(8 )中的前置放大单元(9 )，经前置放大单元(9 )放大滤波后输入相敏检波单元(10);信号采集模块(11)将锁相放大模块(8)输出的模拟电压信号经A/D转换成数字信号，并输入上位机中进行分析处理。2.如权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，所述的线圈控制机构(7)控制涡流检测线圈(6)距离测试件(I)表面的检测高度。3.如权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，所述的信号发生模块(2)产生的信号在100kHz ~ IMHz间连续可调，频率精确度为±25ppm，电压范围为lm~10Vp-p。4.如权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，涡流激励线圈(5)和涡流检测线圈(6)均采用空心圆饼线圈，左右排列组成发射-接收式线圈。5.如权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其特征在于，所述的信号采集模块(11)包括前端信号调理电路和模数转换单元，锁相放大模块(8)的相敏检波单元(10)输出的模拟电压信号经A/D转换成数字信号，并输入上位机中进行分析处理。
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维树脂基复合材料中频涡流检测系统，其包括信号发生模块、涡流传感单元、锁相放大模块和信号采集模块，所述的涡流传感单元包括传输电缆、涡流激励线圈、涡流检测线圈和线圈控制机构。本发明的CFRP复合材料的中频涡流检测系统实现了CFRP复合材料特性和损伤的检测与判断，设计合理、操作简单、效率高、价格低廉。设计的线圈控制机构采用柔性弹簧机构压紧线圈，使之始终贴合被测件表面，减少提离效应的影响，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。
【IPC分类】G01N27/90
【公开号】CN104897775
【申请号】CN201510244192
【发明人】裘进浩, 程军, 季宏丽, 徐笑娟, 郭太平, 吴义鹏
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月13日
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