一种基于电磁传感测量碳纤维增强塑料的装置及方法

摘要

本发明属于碳纤维增强塑料(CFRP)无损测试技术领域，涉及一种基于电磁传感测量碳纤维增强塑料装置，包括激励线圈、接收线圈、信号调理和采集单元、功率放大器和上位计算机，激励线圈和接收线圈均由在扁平的磁芯上绕线构成；激励线圈和接收线圈放置在碳纤维增强塑料板上，按照角度递增的方式旋转，在每一个角度，对激励线圈施加激励信号，采集接收线圈上的感应信号；上位计算机根据采集到的信号，对信号进行处理，即可找到碳纤维增强塑料的碳纤维延伸方向。本发明同时提供一种上述装置所采用的测量方法。本发明在非接触式的情况下能够快速、非接触式地对碳纤维增强塑料CFRP进行测试，在航空航天材料测试领域有很大的意义。

说明书

技术领域

本发明涉属于碳纤维增强塑料无损测试技术领域，涉及一种基于电磁传感测量碳纤维增强塑料系统。

背景技术

碳纤维增强塑料(CFRP)是一种新型复合材料。尤其在军用飞机制造上越来越多的使用这种比铝材既轻便结实又抗疲劳和腐蚀的新型材料，这样会使得飞机更轻便和灵活，同时节省燃油。在新型的民用飞机上也逐步的越来越多地使用这种材料。因此在航空工业中，能开发一种对碳纤维增强塑料进行无损评估的技术是紧迫和急需的。C.Boller(C.Boller，R Dilger，In flight aircraft structure health monitoring basedon smart structures technology，AGARD Conf.Proc.CP 531Smart Structures for Aircraftand Spacecraft.pp.17，1993.)、R M Measures(R M Measures，Fibre optic sensing forcomposite smart structures AGARD Conf.Proc.CP531，Smart Structures for Aircraftand Spacecraft(AGARD).1993)和V.Stephen(V.Stephen，S.Kharkovsky，J.Nadakuduti，R.Zoughi，Microwave field measurement of delaminations in CFRP concrete members ina bridge，Source unknown.)分别给出基于超声技术(acoustic emission)、光纤技术(optical fiber)和微波技术microwave techniques的方法在CFRP的测试中的应用，基于接触法测量材料的交流和直流的导电特性而对CFRP进行评估的方法也逐渐开始出现(0Ceysson，M Salvia，L Vincent，Damage mechanisms characterization of carbonfiber/epoxy laminates by both electrical measurements and acoustic emission analysis.Scripta Materialia，Vol.34pp1273-80，1996.)。在已报道的研究中，采用电镀法对碳纤维露出部分镀一薄层铜膜从而对CFRP工件进行导电率的测量。但这些方法大部分需要接触式测量，使用起来比较繁琐，不适合于航空业急需的快速、现场测试。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种非接触、无损对碳纤维增强塑料(CFRP)的测量装置与方法，以解决以上提到的问题，本发明利用一种特殊设计的方向性极强的电磁传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于电磁传感测量碳纤维增强塑料的装置，包括传感器、信号调理和采集单元、功率放大器和上位计算机，所述的传感器包括由在扁平的磁芯上绕线构成的激励线圈和接收线圈，以磁芯为中轴，绕线与中轴相平行；上位计算机通过功率放大器与激励线圈相连，并通过信号调理和采集单元接收由接收线圈感应的信号；激励线圈和接收线圈按照绕线方向相互平行，中轴连成直线的位置关系被置于待检测的碳纤维增强塑料板上；两个线圈的相互距离一定，且由中轴连成的直线与待检测的碳纤维增强塑料板之间为能够旋转的空间位置关系。

作为优选实施方式，绕线为绝缘导线，其直径为0.1mm-10mm，绕线的匝数为1-10匝；磁芯的长度为5-10mm，宽度为1-2mm，高度为5-10mm，材料为高导磁物质。

本发明同时提供一种采用所述的测量装置实现的碳纤维增强塑料测量方法，包括下列步骤：

1)将激励线圈和接收线圈按照绕线方向相互平行且中轴连成直线的位置关系放置在碳纤维增强塑料板上，将中轴连成的直线固定一个角度，对激励线圈施加激励信号，采集接收线圈感应的信号；

2)在保持两个线圈相互距离一定的情况下使两线圈中轴连成的直线按照角度递增的方式旋转，或者使碳纤维增强塑料板按照角度递增的方式旋转，每递增一个新的角度，对激励线圈施加激励信号，采集接收线圈上的感应信号；

3)重复步骤2，直至完成360°旋转；

4)采集到的感应信号经过信号调理和采集单元处理后送入上位计算机，计算机根据采集到的信号，找到感应信号最大值的角度，该角度方向直线即为碳纤维增强塑料的碳纤维延伸方向。

本发明的装置和方法，能够得到碳纤维的延伸方向，进而判断其是否扭曲、断裂。在航空业，目前，对于纤维增强塑料的碳纤维延伸方向及其是否是否扭曲、断裂没有有效的非接触测量手段。由于纤维增强塑料的较为导电，所以微波在表面即被反射，微波无法进入其内部。而超声技术需要和纤维增强塑料紧密接触，也不利于现场测试。而采用电磁传感测量碳纤维增强塑料，在非接触式的情况下能够得到纤维增强塑料的碳纤维延伸方向及其是否扭曲、断裂状态，对飞行器及其部件的可靠性、完整性的评估具有很大的现实意义。

附图说明

图1本发明的基于电磁传感测量碳纤维增强塑料的测量装置原理图；

图2磁芯线圈传感器示意图；

图3单个线圈示意图。

具体实施方法

下面结合附图和实施对本发明做进一步详述。

参见图1和图2，本发明的测量装置，包括激励线圈5和接收线圈6的两磁芯线圈传感器、信号调理和采集单元、功率放大器和上位计算机。

分别作为激励和接收的两磁芯线圈传感器放置在碳纤维增强塑料板7上或者置于靠近CFRP板的上方，固定一个角度，在保持两个磁芯线圈之间距离不变的情况下，按照5°递增的方式旋转两线圈；或者固定两个磁芯线圈，使碳纤维增强塑料板按照5°递增的方式旋转，在每一个角度由上位计算机控制对激励线圈5施加激励信号，采集接收线圈6上的感应信号。

接收线圈接收的感应信号经过信号调理和采集单元后被送入上位计算机，由上位计算机根据采集到的信号，对信号进行处理，即可找到碳纤维增强塑料的碳纤维延伸方向。

信号发生单元采用直接数字合成(DDS)芯片AD7008，该芯片可以产生不同幅度和相位的正弦激励信号。激励信号的幅度和相位可由计算机设置，通过功率放大器放大后加到激励线圈上。

图3为单个线圈结构示意图。激励线圈和接收线圈在扁平的磁芯上绕线而成。以磁芯为中轴，绕线与中轴平行。使用时，使两个线圈的中轴成一条直线，放置在待检测的碳纤维增强塑料板7。绕线为绝缘导线，其直径为0.1mm-10mm，绕线的匝数为1-10匝；磁芯的长度为5-10mm，宽度为1-2mm，高度为5-10mm，材料为高导磁物质，例如铁氧体。以磁芯为中轴，绕线与中轴相互平行。传感器的这种结构使其具有极强的方向性。图中，1为扁平的磁芯，2为线圈绕线，3、4为线圈引出接头。

应用该装置对碳纤维增强塑料进行测量具体包括以下步骤：

1)将激励线圈和接收线圈放置在碳纤维增强塑料板上，固定一个角度。对激励线圈施加激励信号，采集接收线圈上的感应信号；

2)按照5°递增的方式旋转碳纤维增强塑料板(也可以固定碳纤维塑料板，旋转两个线圈)，在新的角度，对激励线圈施加激励信号，采集接收线圈上的感应信号；

3)重复步骤2，直至完成360°旋转；

上位计算机根据采集到的信号，找到产生最大值的角度，这个角度即为碳纤维增强塑料的碳纤维延伸方向。