本发明涉及用于评估铁磁性导电纤维在导电材料中的分布和取向的方法和检测设备，并且其适用性尤其是在土建内，在土建中其可用以检查地板、承载梁或其它结构部件。
背景技术：
目前，用于土建中的结构元件的非均相材料的诊断经由破坏性和非破坏性方法执行。前者技术可论证地能够监测复合材料的复合部件的状态和分布，但它们对材料造成破坏性影响；后者方法评估材料的复合部件的分布的均匀性，而其缺点在于精确确定监测的结构元件的部分的状态、组成和特性的仅相对或有限的能力。
相关知识和特征包含在若干论文内，例如《非破坏性识别金属纤维复合物的工程特性(nondestructiveidentificationofengineeringpropertiesofmetalfibrecomposites)》，j.vala和m.horák，或m.faifer、r.ottoboni、s.toscani和l.ferrara的《使用磁方法无损探伤钢纤维增强混凝土(nondestructivetestingofsteel-fibre-reinforcedconcreteusingamagneticapproach)》。这两个调研报告的作者检查并提出用于诊断钢纤维增强结构元件的非破坏性技术，主要是阻抗光谱法。在上述的方法内，基于限定各向异性磁环境评估磁导率参数。在频域中，这些参数高至10khz，并且铁磁性芯用于设定适合于评估整个磁路的阻抗的磁条件。根据阻抗和其呈复分量形式的分量，我们借助于复合材料(如钢纤维增强混凝土)的填料和粘结剂的集中参数、部件的含量的比率、针状形状确定。此技术的缺点在于其不限定，按比例或凭经验，由均匀地分布和配置在复合材料中的纤维制成的金属增强件的密度。该方法不规定纤维的分布均匀性或位置；其仅经由比较计限定配置在复合材料中的铁磁性纤维的密度的较高或较低比率。
专利申请案wo2007136264a1《复合结构的非破坏性测试(non-destructivetestingofcompositestructures)》描述用于纤维增强聚合物材料的非破坏性测试程序，其中红外传感器(如红外相机)用于创建测试物体的图像。此物体一般为聚合物、纤维增强材料。根据在所述专利申请案中描述的本发明，在测试物体期间或之前加热一组电阻丝，并且热量通过适当地并入材料的增强纤维结构的一组电阻丝内部地起作用。通过红外传感器的方式捕获改善的加热区域。因此，在聚合物材料中，在测试期间增强纤维的疵点可变得容易识别。主要应用领域在于生产和适当的校验所述材料，例如在制造航空部件内。该方法基于反射波的红外检测，并且因此其保持在以上说明的本发明的目的范围之外。
到目前为止描述和公布的技术或装置未充分解决导电铁磁性纤维相对于其它非磁性物质(包括复合材料(如钢纤维增强混凝土)的部件或部分的评估。
本文中呈现的本发明的目的为提出用于评估铁磁性导电纤维在复合材料中的分布和取向的方法和装置。该技术在于铁磁性导电纤维在测量位置处密度的可重复评估，并且此类评估在测量数据的保证散布范围内并且在保证的准确率下执行。
技术实现要素：
本发明的目的通过设计评估铁磁性导电层在复合材料中的分布和取向的方法实现，评估程序特征在于，在初始步骤内，以使得频率f对应于具有的品质因数的共振的方式，将被配置在c、u或e形铁磁性芯的臂上的电线圈设定成频率f并以fsq3激励；随后，在由距监测的复合材料样品的表面距离d限定的位置处，以分量和指数形式两者记录复阻抗然后，在第二步骤内，经由使其沿所述芯的臂中的一个的轴线旋转旋转角改变铁磁性芯的位置，并且测量并以分量和指数形式两者记录复阻抗第三步骤包含根据第二步骤改变和记录复阻抗并且在此阶段我们再次应用所述旋转角以改变铁磁性芯的位置直到臂旋转360°。随后，在第四步骤内，我们使用来自第一步骤到第三步骤的结果以评估-根据阻抗和耗散功率p的式-复合材料样品的铁磁性或铁磁性和导电层的质量密度；评估在测量位置处执行。在第五步骤中，以使得共振对应于测量初始点和距离d的因数的方式将检测和测量装置的频率f设定成f0.5，并且测量根据第二步骤和第三步骤执行。然后，使用由此获得的数据，我们评估复合材料样品的铁磁性或铁磁性和导电层在测量初始点处的分布均匀性和取向。第六步骤在于将电线圈(2)设定成频率f0.5并激励使得频率f对应于共振并且使铁磁性芯偏移距测量初始点距离dx和距离dy，所述距离dx和dy相对于监测的复合材料样品的表面取向，并且维持距监测的复合材料样品的表面限定的距离d；随后，以分量和指数形式两者记录复阻抗然后执行相对于测量初始点偏移距离-dx、dy，并且以分量和指数形式两者记录复阻抗此后，跟随着相对于测量初始点偏移距离dx、-dy，并且以分量和指数形式两者记录复阻抗最后，执行相对于测量初始点偏移距离-dx、-dy，并且以分量和指数形式两者记录复阻抗然后，使用由此执行的测量，我们进行在测试的复合材料样品中的监测部件的密度和体积的更准确评估；建立的复阻抗的记录随后用于计算监测部件的密度和体积的平均值。第七步骤然后包含铁磁性芯的新位置的设定，即设定到新测量点；此类设定应当在坐标x的方向上差至少大于底座1.1的长度c加臂1.2的宽度a的两倍(等于c+2a)的距离；在执行此步骤中，我们根据铁磁性芯的尺寸继续。在设定铁磁性芯的新位置之后，根据第一步骤到第六步骤测量和评估所述量，并且我们由此获得测试复合材料样品的监测部件沿其整个表面的分布、密度和取向的数值和图形评估，所述材料为铁磁性或铁磁性和导电层。
本文所提出的技术消除以上指出的缺点，带来对于有条理评估铁磁性导电和不导电纤维在测量区域中的不仅分布的均匀性而且空间聚簇取向和质量密度的解决方案。
有利的是，论述的方法使我们能够在相同测量系统设置下改变装置灵敏度并设定针对各种复合材料类型的条件；此外，所述技术不仅限于钢纤维增强混凝土，还可用于其它应用中，如潜在地可用于航空工程中的一些碳复合物。
执行根据本发明的方法(即评估复合材料填料的铁磁性导电部分的电磁特性)的装置，可使用具有电气绕组的铁磁性芯的结构制造，如c、u或e形的一种结构，其制为电线圈的部分分布或完全均匀绕组。绕组有利地在铁磁性芯的臂之间分开以确保与包含填料和结合料的测试的电磁材料的强电磁耦合。
将执行方法的检测装置连接到经设计使得其在自由空间中的共振频率在100khz和2ghz之间的磁路。频率f的选择取决于测试复合材料的参数(铁磁性或铁磁性和导电部件的密度、体积和分布)并且取决于所需的距复合材料样品的表面的测量深度。检测和测量装置由阻抗仪组成并且连接到激励磁通量φ的电线圈，如图1a中所示。将具有激励电线圈的电气绕组的铁磁性芯附接到复合材料样品。包括于外部电路中的阻抗仪以分量和指数形式两者评估阻抗和其变化。将检测和测量装置的激励电路的频率f设定成位于共振曲线的底部处，图2。连接的电线圈被配置在铁磁性芯上，其位于距测试的复合材料的表面预设距离“d”处。在芯在距复合材料的表面预设距离“d”处的运动期间，出现测量的阻抗的变化；此阻抗通过检测和测量装置评估，并且其变化进一步经由外部电路的一部分记录。使用变化的结果，然后根据铁磁性芯的给定位置解释铁磁性部件的具体密度和复合材料的体积v。铁磁性芯的尺寸a可采用在1mm和100mm之间的尺寸，并且所述芯可由以下材料制造：铁氧体、铁氧体晶粒、取向折叠板金属、固体铁磁性金属(如纯fe)、纳米材料晶粒、ni、非晶材料、组合的材料(如铁氧体)或具有纳米层ni的纯铁。以使得对于2ghz的极限频率，如上文所定义构造的任何芯呈现高于1的磁相对磁导率值的方式始终如一地执行制造。一般来说，有利型式呈现高于100的值。
附图说明
本发明示意性地以相关附图表示，其中：图1a示出电线圈和铁磁性芯相对于测试的复合材料样品的相互配置；图1b指示，根据描述的本发明，在对于以下复阻抗的测量位置的实际测量期间，铁磁性芯偏移的选择；图1c呈现在测量期间铁磁性芯的dx和dy的偏移的设定；图2示出经由品质因数的共振曲线行为，规定在频率fr处曲线的最大值qr，并且指示在共振曲线底部处的量qd、fd和在所述曲线的底部和峰顶之间的区间中的量qh、fh；图3呈现卷绕在铁磁性芯上的电线圈的等效电模型的示意图，并且所述示意图借助于集中参数表示，并且我们具有处于近共振模式的量电流和电压的频率f；对于该示意图具有区间0,1fr≥f≥10fr；图4借助于电气图和集中参数显示在根据本发明非破坏性评估材料特性的描述的方法内检查的复合材料样品的模型；以及图5经由电气图示出具有集中参数的模型，表示在接近卷绕在铁磁性芯上的电线圈和受复合材料样品的一部分的区域束缚的电磁场两者的整个配置的共振的区域中的情形。
具体实施方式
本发明的示例性实施例
本发明涉及并提出用于评估复合材料的铁磁性导电部分的电磁特性的方法和检测装置，所述装置的目的为执行所述方法。检测装置包含由底座1.1组成的铁磁性芯1，其连接具有电气绕组的两个臂1.2；铁磁性芯1为c、u或e形，并且电线圈的绕组为分布的或均匀的，如图1a中所示。具有尺寸a、b、c和轴线20的铁磁性芯1有利地由铁氧体材料制成；对于所述尺寸，我们使c≥3b且其中a表示臂1.2的宽度，b表示臂1.2的深度，且c为底座1.1的长度。铁磁性芯1配备有卷绕在臂1.2上并且串联连接的两个电线圈2，线圈引线被封端在绕组的端3处。为确保在测量初始点21处铁磁性芯1与复合材料样品4的检查体积v之间具有强磁耦合，电线圈2的绕组有利地被配置在铁磁性芯1的两个臂1.2上，并且电线圈2的绕组的引线在绕组的端3处连接到外部电路17，外部电路包含具有可调节的频率f的电压生成器16以及检测和测量装置18，所述装置有利地为阻抗仪。铁磁性芯1的臂1.2的端部以距检查的复合材料样品4的表面距离d放置。因此，形成磁通量φ，其有利地经由包含铁磁性芯1和复合材料样品4的检查体积v的磁路6闭合。电线圈2的绕组以使得电压生成器16的频率在200mhz与2ghz之间的区间内产生共振的方式设计，如图2中示出；频率f的选择取决于复合材料样品4的检查体积v的参数并且取决于需要距复合材料样品4的检查体积v的表面的测试深度。外部电路17含有检测和测量装置18，其评估连接的电线圈2的复阻抗如图1a中所示。检测和测量装置18然后以分量和指数形式两者评估复阻抗和其变化。将包括于外部电路17中的电压生成器16的频率f设定成位于共振曲线19的底部处(图2)，并且所述频率进一步由具有品质因数qd的下限8的下频率fd和具有品质因数qh的上限7的上频率fh限定。如果根据等效模型方案(图5，其中通过感应l、电容量c、电阻r和互感应m描述集中参数)设定参数，那么将出现共振效应。借助以这种方式设定的参数，电压生成器16和外部电路17的共振频率f在100khz与2ghz之间的区间内，并且同时在由具有品质因数qd的下限8的下频率fd和具有品质因数qh的上限7的上频率fh限定的区间内。此外，复合材料样品4中的检查体积v的均匀性特性可经由具有集中参数的等效模型的方案描述，所述集中参数包括电容量c0、电阻r0和电感l0，如图4中所指示。此模型的参数通过复合材料样品4的检查体积v的品质给出；铁磁性芯1和气隙5的特性可经由具有集中参数的等效模型的方案描述，所述集中参数包括电容量cs、电阻rs和电感ls，如图3中所示。携载磁通量φ并且包含铁磁性芯1、电线圈2的绕组和气隙5的磁路6的特性由以下给出：铁磁性芯1的臂1.2的端部和检查的复合材料样品4的表面之间的距离d。其中存在复合材料样品4的监测层的研究体积v的部分可经由根据图5的具有集中参数的等效模型表征，并且这些部分通过电磁耦合10结合到铁磁性芯1。其中存在监测层的研究体积v的所述部分可借助于电容量cs、电阻rs、电感ls和表征铁磁性芯1、电磁线圈2的绕组、气隙5(其占据在铁磁性芯1的端部与检查的复合材料样品4的表面之间的空间)的电磁特性、电感l0、电容量c0、电阻r0(图4)和互电感m(图5)描述；所述要素然后表征通过经由在电线圈2绕组的端3上的引线供应的在铁磁性芯1上的电线圈2的绕组实现的参数。馈送进一步经由包含具有可定位的频率f的电压生成器16的外部电路17促进，所述电路在电线圈2的绕组的端3上产生穿过电线圈2的绕组的端3的电压u(t)的瞬时值12和电流i(t)的瞬时值12。然后，检测和测量装置18评估复阻抗和其变化，如在本发明内说明。
检测和测量装置18的激励信号的频率f以使得共振品质因数qh可采用或的值的方式来设定；所述因数将不采用低于因数qd的量值的值(图2)。在实验设定中，所述值被证明是有益于具有复合材料部件的不均匀分布的位置的最终评估。电和磁场的分量的谐波行为的复阻抗可写成
其中为电场强度的复向量，并且为磁场强度的复向量。电功率比密度的复向量可写成如下形式
其中符号×表示向量乘积。然后-对于根据图1a的连接电路-呈指数形式、含有给定配置的磁路6和复合材料样品4的电和磁场的分量的复阻抗写成
其中表示呈指数形式的复数角度，为电场强度的向量模块，表示磁场强度的向量模块，并且由获自检测和测量装置18的分量组成的复阻抗写成
其中为电压的瞬时值的模块，表示电流的瞬时值的模块，并且表示在电线圈2的端3上的电压的复形式，其中经由集中参数等效表达(图3)；所述线圈被配置在铁磁性芯1上，如图1a中所指示。那么为流动通过在铁磁性芯1上的电线圈2的电流的复形式，其中经由集中参数等效表达(参见图3中的等效图)，如图1a中所示。对于整个设置的预设共振频率fr，其由检测和测量装置18和在距复合材料样品4限定的距离d处卷绕在铁磁性芯1的臂1.2上的电线圈2组成，我们具有-对于呈指数形式的复阻抗
对于分量形式，复阻抗写成
其中z0,re,z0,im为复阻抗的实部和虚部分量，并且我们还具有比例
其中p为在具有体积v的区域中在复合材料的测量部分中的耗散电功率，并且i为封闭在复合材料样品4的测量区域中的电流的模块。
如果整个共振系统不是设定在共振的区域内，如图2和5中所指示，那么复共振改变，并且我们具有
对于检测和测量装置18的预设频率fr和对于卷绕在铁磁性芯1的臂1.2上的连接电线圈2的共振的变化以使得-相对于具有监测的复合材料样品4的部件的限定的体积v和分布以及给定的在铁磁性芯1和复合材料样品4的表面之间的相同距离d的预设参考物状态-在样品的监测区域中复合材料样品4的一部分的体积或感测的分布或体积和感测的分布改变的方式发生。材料在于铁磁性层，如具有针形形状用作钢纤维增强混凝土中的填料的一种铁磁性层。根据下式，将耗散电功率p结合到来自表达(2)的有功功率的表面密度：
其中ds为复合材料样品4的测量部分的表面积的要素的向量。
使用在式(1)到(7)中表示的关系，有可能，如本发明中所阐述，校准和评估复合材料样品4的所需特性的单独参数，例如填料层的密度、取向和分布均一性。
将检测和测量装置18的频率f设定成使得发生共振如图2中所示，其实现检测技术的非常敏感设定；此程序适合于评估相对于其均匀度的复合材料的层的分布。
将检测和测量装置18的频率f设定成使得发生共振其导致较不敏感感测复合材料的层的分布的不均匀性但也适合于评估监测的层在复合材料样品4中的密度，所述层为铁磁性或铁磁性并且导电的。
可替代地，将检测和测量装置18的频率f设定成使得发生共振其适合于准确评估监测部件在复合材料样品4中的密度，所述材料为铁磁性或铁磁性和导电层。
测量初始点21表示由轴线20的位置和由可通过沿轴线20以0°至360°的角度旋转臂1.2实现的空间限定的空间。当轴线20的位置改变了距离dx和dy时，我们设定新测量点22并限定新空间。
用于评估铁磁性导电纤维在复合材料中的分布和取向的程序如下：
在第一步骤中，以使得频率对应于共振的方式，将卷绕在铁磁性芯1的臂1.2上并连接到检测和测量装置18的电线圈2设定成频率f并激励。在具有距监测的复合材料样品4的表面限定的距离d的此位置中，以分量和指数形式两者记录复阻抗
然后，在第二步骤内，铁磁性芯1的位置经由使其沿所述芯1的臂1.2中的一个的轴线20旋转转动角24(如10°)改变，并且测量并以分量和指数形式两者记录复阻抗
第三步骤包含根据第二步骤的改变和记录复阻抗并且执行这些操作使得渐进地重复铁磁性芯1的位置改变转动角24直到臂已旋转360°。
随后，在第四步骤内，我们使用来自第一步骤到第三步骤的结果以评估，从用于阻抗和耗散功率p的式，复合材料样品4铁磁性或铁磁性和导电层在测量初始点21的测量位置处的质量密度。
在第五步骤中，以使得对于测量初始点21的相同测量位置和在距离d处的气隙5发生共振的方式将检测和测量装置18中的频率f设定成f0.5，并且根据第二步骤和第三步骤执行测量。然后，使用由此获得的数据，我们评估复合材料部件在监测位置(即测量初始点21)处的分布的均匀性，并且我们也评估监测的复合材料部件的取向，所述材料为铁磁性或铁磁性和导电层。所获取的复阻抗的结果使用极坐标以图形方式表示，并且所述阻抗可以指数和分量形式两者表示。
第六步骤在于将卷绕在铁磁性芯1的臂1.2上并且连接到检测和测量装置18的电线圈2设定成频率f0.5并激励使得频率f对应于共振使铁磁性芯1的臂1.2的位置偏移到测量点22，其相对于根据第一步骤的设定为新的。通过在应用的坐标系统23中的距离dx和dy执行所述偏移，其中将dx和dy设定成dx＝a和dy＝b，图1c。距离dx和dy相对于监测的复合材料样品4的表面的表面取向，并且气隙5维持在距监测的复合材料样品4的表面限定的距离d处。以分量和指数形式两者记录复阻抗此后，跟随着相对于测量初始点l21偏移距离-dx,dy，并且以分量和指数形式两者记录复阻抗然后执行相对于测量初始点21偏移距离dx,-dy，并且以分量和指数形式两者记录复阻抗随后，进行相对于测量初始点21偏移距离-dx,-dy，并且以分量和指数形式两者记录复阻抗然后，使用由此执行的测量，我们更准确地评估测试复合材料样品4中的监测部件的密度和体积v，所述材料为铁磁性或铁磁性和导电层；此后，建立的复阻抗的记录用于其平均值。
第七步骤然后包含将铁磁性芯1的轴线20定位到铁磁性芯1的新测量点22；根据铁磁性芯1尺寸(图1b)，此位置为，在坐标x的方向上的差至少大于底座1.1的长度c加双倍臂1.2的宽度a(等于c+2a)的距离。在设定铁磁性芯1的轴线20的新位置之后，我们根据第一步骤到第六步骤测量并评估量。因此，我们获得测试复合材料样品4的监测部件的分布、密度和取向的数值和图形评估，所述材料为沿样品的整个表面的铁磁性或铁磁性和导电层。
工业适用性
本文所述的方法适合于土建、航空和材料工程，其中其可用作检查具有铁磁性填料和导电非铁磁性或铁磁性填料两者的复合材料的非破坏性诊断技术。
应用的参考标记概述
1铁磁性芯
1.1底座
1.2臂
2电线圈
3绕组端
4复合材料样品
5气隙
6磁路/通量φ
7品质因数的上限
8品质因数的下限
9品质因数行为的共振曲线
10电磁耦合
11电压的瞬时值
12电流的瞬时值
15互电感m
16电压生成器
17外部电路
18检测和测量装置，
19共振曲线的底部
20铁磁性芯轴线
21测量初始点
22新测量点
23坐标系统
24转动角
容量cs
电阻rs
电感ls
电感l0
容量c0
电阻r0
dx-距离
dy-距离
f-测量装置频率