专利名称：基于电磁层析成像的碳纤维复合材料缺陷检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及碳纤维复合材料的无损检测技术，具体涉及一种基于电磁层析 成像的单线圈激励多线圈感应模式下的碳纤维复合材料缺陷无损检测装置及方 法。
背景技术：
碳纤维复合材料突出的力学特性，尤其是超高的强度重量比，使之成为一 种在航天和汽车工业中越来越流行的材料之一。由于它具有优秀的抗疲劳抗冲 击和剩余强度特性，在机身、机翼和航空舱的制造上已有大量应用。在汽车工 业中，由碳纤维复合材料制造的高压容器可以用来在燃料电池车中储存压縮的 气态氢。
许多实际应用，尤其是在航天工业中，碳纤维复合材料无损检测技术的发 展是关键性的挑战。各种各样的方法，如基于声发射、光导纤维、微波技术等， 己经被广泛研究。最近，利用直流或交流电导率作为检测原则的方法在碳纤维 复合材料缺陷检测中被证明颇有成效。但是，这些基于电导率测量的方法都要 求安装电极并于碳纤维复合材料密切接触。在很多情况下， 一层薄铜需要电镀 在碳纤维复合材料表面裸露的部分，而且待沉积的表面一定要打磨光滑来消除 表面绝缘层。这些复杂精细的步骤使得这些技术非常不适合对碳纤维复合材料 的快速现场检测。
电磁层析成像技术是一种基于电磁感应原理的新型过程层析成像技术。其 实现思路是通过对被研究的空间施加特定的激励电磁场，检测被测空间的电磁 场由于被测物质的分布而发生的畸变，依据电磁场的畸变信息分析出具有电磁特性的物质在空间的分布。从原理上讲，它可以同时获得物场空间电导率和磁 导率的分布信息，同时具有测量时"非接触和非介入"的特点，因而具有广泛 的应用前景。
发明内容
为了实现对碳纤维复合材料的快速现场检测，本发明提供了 一种基于电磁 层析成像的单线圈激励多线圈感应模式下的碳纤维复合材料缺陷无损检测装置 及方法。
本发明所采取的技术方案是基于电磁层析成像的碳纤维复合材料缺陷检 测装置包括激励信号产生和成形模块，电流放大和驱动激励线圈模块，激励 线圈和检测线圈模块，感应信号回采调理放大模块，信号采集板卡，PC机。其 中，所述激励信号产生和成形模块、电流放大和驱动激励线圈模块同激励线圈 依次连接，所述检测线圈、感应信号回采调理放大模块、信号采集板卡、PC机 依次连接。
根据本发明的一种优选技术方案所述激励线圈和检测线圈模块包括2N个 线圈和磁芯，线圈均匀地绕在所述磁芯上，并且2N个线圈和磁芯均匀地分布 在同一圆周上。
本发明提供了一种基于电磁层析成像的碳纤维复合材料缺陷检测方法，其 步骤为
① 激励信号产生和成形模块产生正弦波激励信号，经由电流放大和驱动激 励线圈模块进行功率放大，之后加载到2N个线圈中的任意一个；
② 感应信号回采调理放大模块依次选通除激励线圈外的(2N-1)个线圈，采 用精密放大器来放大感应信号；
③ 放大后的模拟信号经过A/D转换进行采集，再经过数字信号处理单元，最后将采集的数据借由PC机进行幅度、相位解调；
④ 重复上述步骤①②③，直到2N个线圈都被用到过激励为止，于是，得到 一组个数为2N * (2N-1) * 2的数据；
⑤ 通过图像重建算法重建出碳纤维复合材料上导电和导磁物质的分布图 像，提取特征参数，从而分析出碳纤维复合材料上缺陷的大小和位置。
根据本发明的一种优选技术方案，所述步骤①具体为激励信号产生和成 形模块采用直接数字频率合成器，DDS芯片选用AD9954,输出正弦波激励信 号，之后通过集成功率放大器进行功率放大，再由多路开关选通2N个线圈中的 任意一个，作为一组激励。步骤②中的精密放大器采用AD620来实现回采弱信 号的放大。步骤③中的A/D转换采用AD9461模数转换器。
本发明的有益效果在于 一、检测装置结构简单，成本低，响应速度快， 检测方法快速；二、检测装置携带、使用方便，具备良好的实时信息处理功能； 三、该技术传感器具有非介入、非接触、无危害的检测优点；四、对碳纤维复 合材料进行图像重建，可直观地分辨出表面缺陷和内部缺陷，及缺陷的大小和 位置。
图1是基于电磁层析成像的碳纤维复合材料缺陷检测装置组成框图。 图2是激励线圈和检测线圈模块示意图。 图3是基于本发明的技术方法流程图。 具体实施方案
以下结合附图对本发明的实施作如下详述
如图1所示，所述的装置包括激励信号产生和成形模块101，电流放大和 驱动激励线圈模块102，激励线圈和检测线圈模块103，感应信号回采调理放大模块104，信号采集板卡105， PC机106。其中，所述激励信号产生和成形模块 101、电流放大和驱动激励线圈模块102同激励线圈和检测线圈模块103中的激 励线圈依次连接，所述激励线圈和检测线圈模块103中的检测线圈、感应信号 回采调理放大模块104、信号采集板卡105、 PC机106依次连接。
如图2所示，所述的激励线圈和检测线圈模块包括磁芯202和线圈203，线 圈203均匀地绕在磁芯202上，磁芯和线圈个数均为2N个，且均匀地分布在同 一圆周上。图2中所示的201是待检测的碳纤维复合材料板。
如图3所示，所述基于电磁层析成像的碳纤维复合材料缺陷检测方法包括 步骤第一步、激励信号产生和成形模块产生正弦波激励信号，经由电流放大 和驱动激励线圈模块进行功率放大，之后加载到2N个线圈中的任意一个；第二 步、感应信号回采调理放大模块依次选通除激励线圈外的(2N-1)个线圈，采 用精密放大器来放大感应信号；第三步、放大后的模拟信号经过A/D转换进行 采集，再经过数字信号处理单元，最后将采集的数据借由PC机进行幅度、相位 解调；第四步、重复上述步骤一二三，直到2N个线圈都被用到过激励为止，于 是，得到一组个数为21^*(21^1)*2的数据；第五步、通过图像重建算法重建 出碳纤维复合材料上导电和导磁物质的分布图像，提取特征参数，从而分析出 碳纤维复合材料上缺陷的大小和位置。
本发明的实施可优选在单线圈激励多线圈感应模式下进行。
在本实施例中，所述第一步具体为激励信号产生和成形模块采用直接数字 频率合成器，DDS芯片选用AD9954，输出正弦波激励信号，之后通过集成功 率放大器进行功率放大，再由多路开关选通2N个线圈中的任意一个，作为一组 激励。
所述第二步具体为感应信号回采调理放大模块依次选通除激励线圈外的(2N-1)个线圈，采用AD620精密放大器来放大感应信号。
所述第三步具体为放大后的模拟信号经过AD9461模数转换器进行采集， 之后经过数字信号处理单元处理，最后在PC机中进行幅度、相位的解调。
所述第五步具体为PC机中解调好的数据，用图像重建算法，重建出碳纤维 板材料的缺陷信息。
利用上述技术方案提出的对碳纤维复合材料缺陷检测的装置结构简单，成 本低，响应速度快，检测方法快速；且检测装置携带、使用方便，具备良好的 实时信息处理功能；上述检测方法具有非介入、非接触、无危害的检测优点， 对碳纤维复合材料进行图像重建，可直观地分辨出表面缺陷和内部缺陷，及缺 陷的大小和位置。
以上内容是结合具体的选优技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替 换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.基于电磁层析成像的碳纤维复合材料缺陷检测装置，其特征在于该装置包括激励信号产生和成形模块、电流放大和驱动激励线圈模块、激励线圈和检测线圈模块、感应信号回采调理放大模块、信号采集板卡、PC机；其中，所述激励信号产生和成形模块、电流放大和驱动激励线圈模块同激励线圈依次连接，检测线圈同感应信号回采调理放大模块、信号采集板卡、PC机依次连接。
2. 根据权利要求1所述的碳纤维复合材料缺陷检测装置，其特征在于所述 激励线圈和检测线圈模块包括2N个线圈和磁芯。
3. 根据权利要求2所述的碳纤维复合材料缺陷检测装置，其特征在于所述激励线圈和检测线圈模块中的线圈均匀地绕在所述磁芯上。
4. 根据权利要求2所述的碳纤维复合材料缺陷检测装置，其特征在于所述激励线圈和检测线圈模块中的2N个线圈和磁芯均匀地分布在同一圆周上。
5. 基于电磁层析成像的碳纤维复合材料缺陷检测方法，其特征在于包括步① 激励信号产生和成形模块产生正弦波激励信号，经由电流放大和驱动激励 线圈模块进行功率放大，之后加载到2N个线圈中的任意一个；② 感应信号回采调理放大模块依次选通除激励线圈外的(2N-1)个线圈，采 用精密放大器来放大感应信号；③ 放大后的模拟信号经过A/D转换进行采集，再经过数字信号处理单元，最 后将釆集的数据借由PC机进行幅度、相位解调；④ 重复上述步骤①②③，直到2N个线圈都被用到过激励为止，于是，得到 一组个数为2N * (2N-1) * 2的数据；⑤ 通过图像重建算法重建出碳纤维复合材料上导电和导磁物质的分布图像， 提取特征参数，从而分析出碳纤维复合材料上缺陷的大小和位置。
6. 根据权利要求5所述的碳纤维复合材料缺陷检测方法，其特征在于所述 步骤①具体为激励信号产生和成形模块采用直接数字频率合成器，DDS芯片 选用AD9954，输出正弦波激励信号，之后通过集成功率放大器进行功率放大， 再由多路开关选通2N个线圈中的任意一个，作为一组激励。
7. 根据权利要求5所述的碳纤维复合材料缺陷检测方法，其特征在于所述 步骤②中的精密放大器采用AD620实现回采弱信号的放大。
8. 根据权利要求5所述的碳纤维复合材料缺陷检测方法，其特征在于所述 步骤③中的A/D转换采用AD9461模数转换器实现。
全文摘要
本发明是检测碳纤维复合材料中缺陷的一种单线圈激励多线圈感应模式下的基于电磁层析成像技术的装置及方法。所述检测装置包括激励信号产生和成形模块，电流放大和驱动激励线圈模块，激励线圈和检测线圈模块，感应信号回采调理放大模块，信号采集板卡，PC机。所述检测方法在激励线圈中通入交变的激励电流，进而感应出交变的激励磁场，碳纤维复合材料板上缺陷的存在将会改变激励磁场的分布，根据电磁感应原理在检测线圈中将会得到信号的幅值和相位，再利用由投影重建图像的算法，重建出碳纤维复合材料板中反映缺陷大小和位置的图像，从而实现对碳纤维复合材料的非接触、非介入、快速的无损检测。
文档编号G01N27/82GK101655478SQ20091009324
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者泽 刘, 张晓飞, 羽 许 申请人:北京交通大学