一种用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测系统及检测方法与流程

本发明涉及CFRP复合材料无损检测技术领域，尤其涉及一种用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测系统及检测方法。

背景技术：
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碳纤维复合材料是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。为保证复合材料构件能够满足各向使用要求，监控复合材料结构的内部质量受到越来越广泛的关注。

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。

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原理实现的，且探头不需要与被测件接触，因而对结构不会产生任何影响。常规涡流检测技术采用单一频率工作，获取的信息量有限，无法满足对缺陷深度的评估。多频涡流检测技术根据被检测对象特点，同时施加多个频率激励涡流探头，根据趋肤效应获得待检参数在各频率下的不同响应，通过正交锁相放大器、最小二乘法等提取特征参数，进而可根据多频涡流信号的幅值反演缺陷的深度信息，为复合材料构件的质量控制提供依据。

技术实现要素：
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针对上述问题，本发明的目的是提出一种用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测系统及检测方法，根据趋肤效应，该方法通过施加达到，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。

本发明采用如下技术方案：一种用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测系统，其特征在于：包括复合材料待测试件、多频正弦激励信号发生模块、涡流传感单元、传输电缆、信号处理及分离模块、信号采集模块和深度反演模块，所述涡流传感单元由探头控制机、涡流激励线圈和涡流检测线圈组成，信号处理及分离模块包括前置放大器和多频检测信号分离模块，所述多频正弦激励信号发生模块的输出由传输电缆分别送至涡流激励线圈和多频检测信号分离模块，探头控制机构与涡流激励线圈和涡流检测线圈相连，涡流检测线圈的输出信号经前置放大器放大输出后与多频检测信号分离模块的一路输入相连，信号采集模块采集由多频检测信号分离模块输出的信号并送入深度反演模块。

进一步地，所述前置放大器将检测线圈输出的电信号经放大、滤波后输出，所述多频检测信号分离模块一方面接收由前置放大器输出的电信号，另一方面接收由多频正弦激励信号发生模块输出的信号源参考信号，若检测信号与参考信号同频率，则多频检测信号分离模块输出经过低通滤波后得到低频信号，反之，无输出信号。

进一步地，所述多频检测信号分离模块由正交锁相放大模块实现，正交锁相放大模块包括相敏检波器和低通滤波器，涡流检测线圈输出的信号经放大后和参考信号一起送入相敏检波器，采用低通滤波器滤除高频项后，得到检测信号的幅值和相位信息。

进一步地，所述信号采集模块将分离后输出的模拟电压信号经A/D转换送入深度反演模块中进行处理、分析，提取感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g。

进一步地，所述深度反演模块根据提取的感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g，通过反向传播神经网络，建立电压变化量的最大值ΔV、峰值点对应的频率f_g和对应缺陷深度D之间的关系：D＝F(ΔV，f_g)。

进一步地，所述传输电缆采用同轴电缆，由内导体、绝缘层、铝箔屏蔽、编织屏蔽盒护套组成，其长度小于1m，寄生电容小于100pF/m。

进一步地，所述涡流激励线圈和涡流检测线圈均采用空心圆环状线圈，左右排列构成发射-接收式涡流探头，所述涡流激励线圈和涡流检测线圈相间隔开。

进一步地，所述探头控制机构采用柔性弹簧机构压紧探头，使涡流探头始终与复合材料待测试件表面贴合，所述涡流激励线圈将电信号转换为磁信号并耦合到复合材料待测试件中，涡流检测线圈接收变化的磁信号并转换为电信号。

本发明还采用如下技术方案：一种用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测检测方法，包括如下步骤：

步骤一：提取复合材料待测试件中的涡流信号特征参数，通过直线扫查方式获取第一内部缺陷，在不同频率下感应电压变化曲线，提取幅值-距离曲线图中的峰值电压ΔV和峰值点对应的频率f_g；

步骤二：采用相同方法，提取由第二内部缺陷引起的峰值电压ΔV^*和峰值点对应的频率f_g^*；

步骤三：将提取的两组信号绘制曲线，峰值电压ΔV随着缺陷深度的增加而增大，对应峰值点的频率也随之增大；

步骤四：深度反演模块根据提取的感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g，采用构建神经网络的方式进行，具体包括：

构建输入层，输入层的变量包括输出感应电压变化量的最大值ΔV，峰值点对应的频率f_g；

构建隐含层，隐含层包括3个或3个以上的神经元；

构建输出层，输出层为缺陷深度D；构建反向神经网络；

将由复合材料待测试件缺陷引起的感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g代入输入层；将缺陷深度D代入输出层，进行神经网络训练，获得训练结果；

步骤五：根据训练结果，建立电压变化量的最大值ΔV、峰值点对应的频率f_g和对应缺陷深度D之间的关系：D＝F(ΔV，f_g)；

步骤六：采用多频涡流检测系统获取复合材料待测试件中由缺陷引起的信号变化，提取特征参数：感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g，代入经过训练的神经网络输入层中，得到复合材料待测试件中缺陷的深度信息。

进一步地，所述多频正弦激励信号发生模块用作产生多频信号激励涡流探头，其中产生双频激励信号，具体步骤包括：

采用两路DDS芯片AD9958，产生四路输出信号；

每个AD9958的其中一路输出分别送入后续的多频检测信号分离模块的输入，另外两路输出则通过加法运算经混频产生双频信号；

混频后的双频信号经驱动电路输出后激励涡流激励线圈产生磁场。

本发明具有如下有益效果：本发明用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测方法包括：多频涡流信号的产生、获取复合材料结构中的涡流信号、多频检测信号分离、去除噪声和提离偏置、进行特征信号提取、获取不同深度下对应的峰值频率，评估待测复合材料结构中的缺陷深度。其中，多频涡流信号采用同步方式产生，单频正弦信号通过DDS产生，并采用加法器进行信号的混频；信号传输采用同轴电缆，降低噪声干扰和传输损耗；探头控制机构采用柔性弹簧机构压紧探头，使之与复合材料待测试件表面贴合，减少提离干扰；信号处理及分离模块将检测探头输出信号经放大、滤波、频率分离后输出；信号采集和深度反演模块用于获取锁相放大的输出信号，并提取特征参数进行缺陷反演。该多频涡流法通过构建由缺陷引起的感应电压变化量的最大值Δv、峰值点对应的频率f_g和缺陷深度D之间的关系，获取复合材料待测试件中缺陷的深度信息，为复合材料构件的质量控制提供依据。

附图说明：

图1是本发明用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测系统结构框图。

图2是本发明中复合材料结构内部缺陷位置示意图。

图3是本发明中多频涡流产生及信号处理示意图。

图4是本发明中第一内部裂纹缺陷在不同频率下的感应电压幅值变量的线扫描结果图。

图5是本发明中不同深度内部缺陷的感应电压特征参数与扫描频率之间的关系曲线图。

图6是本发明中反向神经网络的示意图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明方案进行详细的描述。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。

如图1所示，是本发明提供的用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测系统结构框图。为使本发明的上述目的、特征能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步详细说明。

本发明用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测系统包括复合材料待测试件101、多频正弦激励信号发生模块102、涡流传感单元103、传输电缆104、信号处理及分离模块108、信号采集模块111和深度反演模块112。其中涡流传感单元103由传输电缆104、探头控制机构105、涡流激励线圈106和涡流检测线圈107组成，信号处理及分离模块108包括前置放大器109和多频检测信号分离模块110。

其中，多频正弦激励信号发生模块102的输出由传输电缆104分别送至涡流激励线圈106和多频检测信号分离模块110，探头控制机构105与涡流激励线圈106和涡流检测线圈107相连，用于调节涡流探头位置及提离；涡流检测线圈107的输出信号经前置放大器109放大输出后与多频检测信号分离模块110的一路输入相连；信号采集模块111采集由多频检测信号分离模块110输出的信号并送入深度反演模块112。

所述前置放大器109将检测线圈107输出的电信号经放大、滤波后输出，所述多频检测信号分离模块110一方面接收由前置放大器109输出的电信号，另一方面接收由多频正弦激励信号发生模块102输出的信号源参考信号，若检测信号与参考信号同频率，则多频检测信号分离模块110输出经过低通滤波后得到低频信号(近似为直流信号)，反之，无输出信号。

多频检测信号分离模块110由正交锁相放大模块实现，正交锁相放大模块主要包含相敏检波器和低通滤波器，涡流检测线圈107输出的信号经放大后和参考信号一起送入相敏检波器，采用低通滤波器滤除高频项后，得到检测信号的幅值和相位信息。

信号采集模块111将分离后输出的模拟电压信号经A/D转换送入深度反演模块112中进行处理、分析，提取感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g。

深度反演模块112根据提取的感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g，通过反向传播神经网络，建立电压变化量的最大值ΔV、峰值点对应的频率f_g和对应缺陷深度D之间的关系：D＝F(ΔV，f_g)；

根据不同峰值频率下的电压变化量和缺陷深度之间的关系，评估待测复合材料结构中的缺陷深度。

复合材料待测试件101以裂纹损伤形式为研究对象，试验前对碳纤维板进行裂纹缺陷制作。本实施例以两条不同深度的内部裂纹缺陷(分别为第一内部裂纹缺陷和第二内部裂纹缺陷)为例，如图2所示。

多频正弦激励信号发生模块102用作产生多频信号激励涡流探头，作为一种可选的实施方式，本实施例以产生双频激励信号为例，具体步骤包括：

采用两路DDS芯片AD9958，产生四路输出信号；

每个AD9958的其中一路输出分别送入后续的多频检测信号分离模块110的输入，另外两路输出则通过加法运算经混频产生双频信号；

混频后的双频信号经驱动电路输出后激励涡流激励线圈106产生磁场，如图3所示。

传输电缆104采用同轴电缆，由内导体、绝缘层、铝箔屏蔽、编织屏蔽盒护套组成，其长度小于1m，寄生电容小于100pF/m，有效降低噪声干扰，减小传输损耗。信号经传输电缆104传输，探头控制机构105负责调整两个探头的检测高度，采用柔性弹簧机构压紧探头，通过三维调节，使涡流探头始终与复合材料待测试件101表面贴合，减少提离效应对检测结果的影响。涡流激励线圈106将电信号转换为磁信号并耦合到复合材料待测试件101中，涡流检测线圈107接收变化的磁信号并转换为电信号。

涡流激励线圈106和涡流检测线圈107均采用空心圆环状线圈，左右排列构成发射-接收式涡流探头；涡流激励线圈106和涡流检测线圈107之间存在一定间距，避免涡流检测线圈107的磁场受到涡流激励线圈106磁场的干扰，影响检测精度。

本发明用于评估碳纤维板缺陷深度的多频涡流检测方法，包括如下步骤：

步骤一：提取复合材料待测试件101中的涡流信号特征参数，通过直线扫查方式获取第一内部缺陷1，如图2所示，在不同频率下的感应电压变化曲线，对应的扫描结果如图4所示，提取幅值-距离曲线图中的峰值电压ΔV和峰值点对应的频率f_g；

步骤二：采用相同方法，提取由第二内部缺陷2引起的峰值电压ΔV^*和峰值点对应的频率f_g^*；

步骤三：将提取的两组信号绘制曲线，如图5所示，峰值电压ΔV随着缺陷深度的增加而增大，对应峰值点的频率也随之增大。

步骤四：深度反演模块112根据提取的感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g，采用构建神经网络的方式进行，具体包括：

构建输入层，所述输入层的变量包括输出感应电压变化量的最大值ΔV，峰值点对应的频率f_g；

构建隐含层，隐含层包括3个或3个以上的神经元；

构建输出层，输出层为缺陷深度D；构建的反向神经网络如图6所示；

将由待测复材板缺陷引起的感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g代入所述输入层；将所述缺陷深度D代入所述输出层，进行神经网络训练，获得训练结果；

步骤五：根据训练结果，建立电压变化量的最大值ΔV、峰值点对应的频率f_g和对应缺陷深度D之间的关系：D＝(ΔV，f_g)；

步骤六：采用多频涡流检测系统获取复合材料待测试件101中由缺陷引起的信号变化，提取特征参数：感应电压变化量的最大值ΔV和峰值点对应的频率f_g，代入经过训练的神经网络输入层中，得到复合材料待测试件101中缺陷的深度信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。