本發(fā)明涉及一種電磁探頭，具體涉及一種采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法，屬于碳纖維復(fù)合材料無損檢測。

背景技術(shù)：

1、碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，特別是具有比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計性強(qiáng)、耐腐蝕及良好的抗疲勞損傷等特點，使之成為在汽車制造業(yè)與航空航天中越來越流行的材料之一。碳纖維復(fù)合材料由多層碳纖維/環(huán)氧樹脂薄片按一定的方向疊合在一起制成，每一層中纖維排列方向相同。實際應(yīng)用中，為改善各向異性、提高復(fù)合材料整體的機(jī)械強(qiáng)度，相鄰層纖維方向則按照要求進(jìn)行鋪設(shè)。為保證碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量和正常使用，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中碳纖維排列的方向即鋪層方向的研究是十分必要的，而且碳纖維復(fù)合材料在制造階段和使用階段會產(chǎn)生各種類型的缺陷，其中纖維斷裂缺陷是一種制造和使用過程中較易出現(xiàn)的缺陷，纖維斷裂缺陷會顯著降低材料的抗壓強(qiáng)度和剛度。為保證碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的完整性和可靠性，有必要在碳纖維復(fù)合材料制造和使用過程中對其進(jìn)行無損檢測。

2、與金屬制件不同，碳纖維復(fù)合材料的細(xì)觀構(gòu)造是一個復(fù)雜的多相體系，且是不均勻和多相異性的，材料中電介質(zhì)環(huán)氧樹脂的存在使得單層板在電學(xué)性能上表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性。由于碳纖維的導(dǎo)電性，使得板中渦流在纖維方向被拉長，而在其余方向被壓縮。因此，可采用渦流法測量復(fù)合材料中鋪層方向信息和缺陷信息，進(jìn)而評價結(jié)構(gòu)中纖維排列的方向性。

3、渦流檢測方法是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的一種無損檢測方法，具有非接觸，無需耦合介質(zhì)，檢測速度高，易于實現(xiàn)自動化檢測，對表面及近表面缺陷的檢測靈敏度高等優(yōu)點。

4、目前，檢測纖維排列方向性的方法主要為手動旋轉(zhuǎn)式渦流探頭法，該方法通過手動旋轉(zhuǎn)探頭方式達(dá)到檢測目的，然而，此方法存在著一定的缺陷和局限性：一方面，在使用過程中需要多次旋轉(zhuǎn)和定位探頭，在實際檢測中，探頭與待測試件之間的距離會不可避免的發(fā)生變化，進(jìn)而引入測量誤差，對檢測靈敏度產(chǎn)生很大的影響；另一方面，對于那些需要快速準(zhǔn)確檢測碳纖維排列方向的裝置而言，增加了大量檢測時間和結(jié)果的誤差率。

5、而檢測碳纖維層合板缺陷的方法主要為高頻渦流檢探頭法，該方法是借助高頻激勵信號來感生次級磁場，進(jìn)而實現(xiàn)對缺陷的檢測。中國專利cn106546657b公開了一種用于檢測碳纖維復(fù)合材料鋪層方向的環(huán)形陣列渦流探頭，其在結(jié)構(gòu)中均勻地按環(huán)形方式布置渦流探頭，采用一發(fā)射多接收方式，根據(jù)極坐標(biāo)圖對層合板鋪層方向進(jìn)行判斷。又如，中國專利cn111796021a公開了一種新型渦流探頭，該新型渦流探頭包括一個扁平激勵線圈和一個“8”字形接收線圈，能實現(xiàn)對cfrp纖維方向和面內(nèi)波紋缺陷的檢測。

6、然而，上述高頻渦流檢探頭法存在著不容忽視的缺陷和局限性：一方面，在高頻環(huán)境下，會引入大量的噪聲，這些噪聲嚴(yán)重干擾了檢測信號，給檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來了極大的負(fù)面影響；另一方面，提離效應(yīng)也會對該檢測方法產(chǎn)生作用，它會使檢測誤差顯著增大，極大地降低了檢測結(jié)果的可靠性；此外，在趨膚效應(yīng)的影響下，頻率越高，檢測深度越小，這限制了該方法對碳纖維層合板內(nèi)部深層缺陷的檢測能力。

7、因此，為解決上述問題，確有必要提供一種創(chuàng)新的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的所述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法，能夠準(zhǔn)確有效地實現(xiàn)碳纖維層合板鋪層的判斷和缺陷的檢測，成像速度快，成像結(jié)果清晰、可靠，直觀易懂。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法，所述電磁探頭包括驅(qū)動電機(jī)、編碼器、一對勵磁模塊、一對差分感應(yīng)線圈以及電磁檢測電路；

3、其包括如下工藝步驟：

4、1），將電磁探頭初始化：電磁探頭自動偏置調(diào)節(jié)后，將其下表面平行于待測碳纖維層合板，并置于層合板中心位置；

5、2），電磁檢測電路同時向其中一個勵磁模塊、編碼器、驅(qū)動電機(jī)通入直流電，同時接收編碼器的角度信息和差分感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓信號；其中，直流電通入勵磁模塊用于產(chǎn)生電磁場，直流電通入編碼器用于記錄角度信號，直流電通入驅(qū)動電機(jī)用于以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸；

6、3），提取差分感應(yīng)線圈信號特征信息并計算信號幅值：通過步驟1）和步驟2）得到差分感應(yīng)線圈在碳纖維層合板中不同角度處的信號，并記錄各角度的差分實部和虛部，得到差分感應(yīng)電壓值；

7、4），繪制極坐標(biāo)圖，局部極大值的角度位置指示鋪層方向；

8、5），根據(jù)鋪層方向信息確定掃描路徑，開始掃描；

9、6），電磁檢測電路變?yōu)橥瑫r向兩個勵磁模塊通入直流電；

10、7），記錄掃描路徑上各位置的信號，得到電磁探頭在碳纖維層合板不同位置處的信號，并記錄各位置處信號的差分實部和虛部，計算各處差分感應(yīng)電壓值v=；

11、8），基于掃描路徑對各位置差分感應(yīng)電壓值進(jìn)行整合，以構(gòu)建平面圖像，完成缺陷檢測。

12、本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法進(jìn)一步為：所述勵磁模塊和差分感應(yīng)線圈分別固定于一旋轉(zhuǎn)座上；所述驅(qū)動電機(jī)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)座的上部，并通過驅(qū)動軸與旋轉(zhuǎn)座連接，使驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動；所述差分感應(yīng)線圈位于勵磁模塊中央；所述電磁檢測電路分別與所述驅(qū)動電機(jī)、編碼器、勵磁模塊和差分感應(yīng)線圈電性連接。

13、本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法進(jìn)一步為：所述勵磁模塊由激勵線圈與鐵芯組合而成；所述鐵芯相對于驅(qū)動軸中心對稱，所述激勵線圈為螺旋線圈繞制在鐵芯上，螺旋線圈在鐵芯上繞制方向相同。

14、本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法進(jìn)一步為：所述差分感應(yīng)線圈使用空心圓環(huán)線圈，線圈法向與驅(qū)動軸徑向平行；所述差分感應(yīng)線圈所在的平面與勵磁模塊所處的平面為同一平面；兩個差分感應(yīng)線圈的繞制方向相反。

15、本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法進(jìn)一步為：所述步驟1）中，電磁探頭下表面距離待測碳纖維層合板0.5mm的高度；所述電磁探頭自動偏置調(diào)節(jié)通過鎖相放大器的自動偏置來實現(xiàn)，使差分感應(yīng)線圈的實部和虛部電壓均置為0。

16、本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法進(jìn)一步為：所述步驟5）中，單向碳纖維復(fù)合板掃描路徑為蛇形，正交碳纖維復(fù)合板掃描路徑為螺旋形，0°/45°/90°碳纖維復(fù)合板掃描方式為復(fù)合三角形。

17、本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法進(jìn)一步為：所述步驟7）中，若碳纖維層合板無缺陷時，兩個差分感應(yīng)線圈產(chǎn)生相同的電壓信號，由于差分的緣故，理論上信號為0；當(dāng)碳纖維層合板存在缺陷時，感應(yīng)電流會被缺陷擾動而發(fā)生變化，進(jìn)而其感生的二次磁場也會發(fā)生變化，使處差分感應(yīng)電壓值v發(fā)生變化。

18、本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法進(jìn)一步為：所述步驟8）中，整合過程具體為：

19、8-1），沿著確定的掃描路徑移動探頭，依次記錄每個位置的v值以及對應(yīng)的位置坐標(biāo)信息；

20、8-2），將這些信息按照位置關(guān)系有序地排列在一個二維數(shù)組或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，這個二維數(shù)組看作是平面圖像的一種數(shù)據(jù)表示形式；

21、8-3），通過圖像處理軟件，將這個二維數(shù)組中的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的規(guī)則確定灰度值，形成能夠反映碳纖維層合板內(nèi)部情況的平面圖像，通過觀察這個圖像就能判斷是否存在缺陷以及缺陷的分布情況。

22、本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法還為：所述灰度值通過以下方式確定：首先，找出v值中的最小值和最大值；其次，應(yīng)用歸一化公式計算灰度值：將數(shù)據(jù)歸一化得到一個介于0到1之間的比例值，然后再將這個比例值映射到灰度值的范圍，灰度值的范圍為0?-?255，從而得到對應(yīng)的灰度值。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

24、1.?本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法通過感應(yīng)電壓值信號的提取，以極坐標(biāo)形式呈現(xiàn)出碳纖維層合板鋪層方向及提示缺陷所在方向信息，能夠準(zhǔn)確有效地實現(xiàn)碳纖維層合板鋪層的判斷和缺陷的檢測，成像速度快，成像結(jié)果清晰、可靠，直觀易懂。

25、2.?本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法通過激勵線圈產(chǎn)生相對均勻的電磁場，不受趨膚效應(yīng)影響，具備較深檢測深度；而差分感應(yīng)線圈的設(shè)計不僅能有效降低提離噪聲影響，提升探頭的抗干擾能力，其法向與驅(qū)動軸徑向平行的布置方式，還增強(qiáng)了二次磁場對感應(yīng)線圈的穿過率，顯著強(qiáng)化了檢出信號及檢測靈敏度。

26、3.?本發(fā)明的采用電磁探頭的碳纖維層合板缺陷檢測方法中，兩個差分感應(yīng)線圈繞向相反，利于信號分析處理，且由于兩個差分感應(yīng)線圈的檢出信號所含噪聲相同，經(jīng)差分處理后可實現(xiàn)噪聲減弱，發(fā)揮共模抑制作用，從而進(jìn)一步提升了檢測信號的準(zhǔn)確性與可靠性。