一种自调零平切型电涡流探头及其在碳纤维复合材料细观成像中的应用

针对碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)弱导电性和异质多相结构特点,通过设计开发高分辨率涡流线圈探头结合空频域信号处理方法,实现对碳纤维复合材料板中10-6～10-3m细观尺寸范围内的纤维分布以及纤维缺失、褶皱和空隙过大等缺陷的涡流成像.主要从线圈探头耦合特性建模仿真和图像特征参数提取两个方面对碳纤维复合材料的电涡流细观尺度成像技术进行研究,建立分离式线圈探头耦合阻抗信号模型和点扩散函数数学模型,综合考虑这两方面影响因素设计一种自调零涡流探头并确定了其结构参数.对多方向CFRP层合板进行了检测并研究了图像的特征参数提取方法,基于复平面相位旋转的方法确定每个扫描点的像素值,得到了清晰的纤维纹路分布和缺陷图像,进一步提高检测的分辨率.     

正交铺层碳纤维复合材料板电涡流分布三维有限元仿真

采用ANSYS软件对正交铺层CFRP板电涡流分布进行了有限元仿真。建立了包括线圈、复合材料板和空气区域的三维仿真模型,采用谐响应分析方法对模型电涡流进行了计算,重点给出了CFRP板电涡流分布规律。开展了电涡流分布的影响因素分析,分别研究了探头线圈激励频率、激励电压以及探头与CFRP板之间距离对电涡流分布的影响规律,给出了各因素对电涡流强度和分布形状的影响结果。     

线圈弯曲角度对柔性涡流传感器缺陷检测能力的影响

采用有限元仿真和实验方法分析了圆形线圈处于不同弯曲角度时,柔性涡流传感器对模拟裂纹缺陷方向角及深度的检测能力变化规律。结果表明:圆形线圈弯曲导致各向均匀涡流场朝单向涡流场转变,无论是工作于自感还是互感检测模式下,柔性涡流传感器对不同方向裂纹缺陷的检测灵敏度均降低。对于90°裂纹,当线圈弯曲角度为30°时,自感和互感模式的检测灵敏度分别下降约7%和45%。线圈弯曲导致传感器对裂纹方向、深度的识别能力随线圈弯曲角度增大而单调下降。相比自感模式,互感模式下柔性涡流传感器对裂纹方向及深度的识别能力更佳。线圈与曲面贴合造成的弯曲对传感器性能的影响不可忽略,在设计柔性涡流传感器时应合理选择弯曲角度范围。     

碳纤维复合材料平板分层缺陷的MIT检测

针对碳纤维复合材料(CFRP)平板构件中分层缺陷的检测问题,研制一种激励线圈与检测线圈放置方向相垂直的磁感应断层成像(MIT)涡流探头。基于MIT原理,建立三维有限元模型,进行MIT涡流探头的检测性能测试,从而确定最佳检测频率,进而开展灵敏度矩阵的数值计算;组建CFRP平板构建的MIT检测系统开展试验,应用Tikhonov正则化算法进行分层缺陷的图像重建与评价。结果表明,MIT检测方法能够实现CFRP平板构件中埋深1 mm的10 mm×10 mm×0.5 mm分层缺陷的有效检测和直观辨识。     

基于平面线圈电容电感效应的双模式检测技术

在电磁无损检测领域,涡流检测技术被用于导电材料的检测,电容成像技术被用于绝缘材料的检测.而针对玻纤复合材料修复结构这类"绝缘-导电"混合结构,单一涡流或电容技术无法实现混合结构各层材料中多类型缺陷的全面检测.通过采用平面线圈探头及较高频率激励,线圈电容效应得以增强,结合线圈本身的电感效应,可同时实现电容、涡流两种模式的检测,弥补单一技术的固有局限性.从双模式检测系统电容效应、检测系统等效电路分析及被测对象参数对阻抗测量影响三个角度对双模式检测技术的工作原理进行了分析,构建了采用平面线圈探头的电容-涡流双模式检测系统,并对玻璃钢和"玻璃钢-金属"混合结构两类典型试块中的表面与隐藏缺陷进行了检测.结果 表明,基于平面线圈电容电感效应的双模式检测技术可同时实现对绝缘材料与导电材料中缺陷的检测,并可根据不同激励频率下的探头响应实现缺陷的区辨,有望满足复合材料修复结构等"绝缘-导电"混合结构的全面检测需求.     

基于新特征量的脉冲涡流裂纹缺陷定量检测仿真分析与试验研究

应用脉冲涡流对裂纹缺陷进行定量检测是无损检测领域的研究热点。为进一步优化脉冲涡流无损检测技术的设计,深入理解其原理和找出其对裂缝缺陷检测的特点就变得尤为重要。在此采用脉冲涡流技术对金属平板中的裂纹缺陷进行检测,在分析脉冲涡流工作原理的基础上,应用ANSYS仿真软件建立检测线圈放置方向不同的三组仿真模型,分别研究裂纹缺陷对脉冲涡流空间三维磁场分布的影响规律,提出对裂纹缺陷长度和深度进行定量的新特征量,得出用垂直于平板表面方向磁场分量定深和用沿缺陷方向磁场分量定长的结论。采用试验的方法对仿真结果进行验证,试验结果与仿真结论相一致,证明所提取出的缺陷定量特征量的正确性。     

涡流热成像裂纹检测中的形状大小影响分析

涡流热成像无损检测技术可以对金属表面裂纹进行快速、准确的检测,但是不同的线圈、试件以及裂纹大小对检测效果影响很大。通过建立感应加热二维模型,选取裂纹处与非缺陷处温差作为特征量,对不同组成部分形状大小对涡流热成像检测的影响规律进行了数值模拟;对比分析了不同裂纹深度下温差随体积深度比的变化规律,采用数据拟合方法研究了相似裂纹检测规律,并提取出试件形状以及线圈形状对检测效果的影响曲线;最后进行了涡流热成像试验验证。结果表明:当裂纹深度较大时,体积深度比影响规律可分为上升阶段、平稳阶段和下降阶段;相似裂纹间温差变化符合二次变化规律;涡流热成像技术可有效检测超大或超厚试件表面裂纹;减小线圈提离、曲率和线径的大小有助于增强检测效果。实际检测过程中,可据此针对不同被检试件采用不同线圈,提高检测能力。     

基于空频去混叠的CFRP材料纤维纹路涡流成像

空间分辨率是图像质量评价的一项关键性指标,在涡流成像技术的应用中非常重要。针对碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)电涡流成像中欠采样频谱混叠引起的纤维纹路粗大和模糊难以辨别等问题,研究基于空频域去混叠的涡流图像增强方法,显著提高图像的空间分辨率和对纤维排布以及缺陷的检测精度。建立CFRP层合板的细观电磁仿真模型,揭示涡流纹路成像机理和周期性结构信号的混叠规律;接下来对涡流探头的点扩散函数进行研究和估计,结合信号波形特征提取,评价不同结构尺寸发射-接收(Transmitter-Receiver,T-R)型探头图像的空间分辨率;提出基于点扩散函数和傅里叶变换的逆卷积纹路细化聚焦方法,以实现对CFRP层合板中纤维方向和铺层缺陷的高精度成像,并达到图像反映复合材料缺陷真实形状的目的。     

铝钛双层结构螺栓孔涡流C扫描3D成像检测工艺研究

飞机双层螺栓孔结构是飞机常见的航空结构。某型飞机中外翼对接部位的铝钛2种材质叠加状态的双层结构螺栓孔经常发生疲劳裂纹。通过模拟疲劳裂纹,设计典型缺陷规格的对比试块,开展孔壁阻抗型涡流旋转检测和涡流C扫描3D成像检测实验研究,实验发现,阻抗型旋转涡流检测技术能有效检出铝层缺陷,无法有效检出钛层缺陷,不适用于铝钛双层结构螺栓孔的现场应用;涡流C扫描3D成像检测技术能有效检出0.2 mm和0.76 mm模拟裂纹,效果明显。涡流C扫描3D成像检测技术能同时清晰直观地显现铝层和钛层裂纹空间分布位置、状态和缺陷大小,能快速高效地呈现孔壁健康状态,为飞机延寿评估提供有力的数据支撑。     

碳纤维复合材料涂层厚度涡流法测量的研究

基于涡流法对碳纤维复合材料涂层厚度的测量进行研究,结合材料属性及组织特点,利用ANSYS软件对非磁性超低电导率基体材料上涂层厚度的涡流法测量作二维仿真,然后采用电导率混合分块赋值的方法来模拟材料电导率不均匀性并进行有限元分析和实验验证,仿真计算与实验结果吻合较好.分析结果表明通过选择合适的检测频率可以使探头线圈阻抗与涂层厚度有很好的线性相关性和检测分辨率.该方法很好地反映了材料属性的特点,提高了碳纤维复合材料涂层涡流测厚仿真的准确性,为碳纤维复合材料涂层厚度的涡流法高精度测量提供了可靠的理论依据和技术支持.