一种用于碳纤维复合材料损伤检测的高频电磁涡流检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于检测碳纤维复合材料损伤的检测系统，尤其涉及一种基于高频电磁涡流对碳纤维复合材料损伤进行检测的系统，属于复合材料的无损检测领域。
【背景技术】
[0002]碳纤维复合材料作为一种高性能纤维，具有比强度高、比模量大、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、耐高温、抗蠕变、导电、传热以及热膨胀系数小等一系列优异的性能，因此被广泛的应用于军事及民用工业的各个领域，尤其在航空航天领域。然而在很多领域对结构的安全性有很高的要求，尤其在航空航天对结构安全性要求很严重，因此对碳纤维复合材料的损伤检测就显得特别重要。
[0003]在碳纤维复合材料的损伤检测领域，应用最广泛的无损检测方法有电涡流检测、超声检测、扫描声学显微镜、X射线检测和热成像法等。电涡流检测作为一种常见的无损检测方法，因为其检测时的非接触性，对结构不会产生任何影响而得到广泛使用，其主要基于电磁感应原理进行检测，当导体中有损伤时会影响涡流场的分布，根据这个原理就可以检测出导体中的损伤，电涡流检测技术对于导体的检测检测效果很好，但是电涡流检测方法也可以用来对复合材料进行检测。利用电涡流检测技术可以实现碳纤维复合材料中如纤维断裂，纤维方向等的检测，即使在碳纤维复合材料的加工成型过程中同样可以利用电涡流对其进行检测。利用电涡流检测技术还可以检测出小冲击能量(0.5J)带来的结构损伤，并且其检测效果要比其他的一些检测方法如超声、红外热成像法等的效果好。
[0004]国外对碳纤维复合材料的电涡流检测技术已经进行了大量的研宄，并且成功利用电涡流检测技术对碳纤维复合材料常见的损伤如纤维断裂、分层等进行了检测，并且研宄发现，在高频时检测效果更好，可以对碳纤维复合材料的内部观察的更加细微。不仅如此，国外相关单位还开发出了高频电磁涡流检测系统，其检测频率可到几十MHz甚至上百MHz，成功应用到了碳纤维复合材料的损伤检测上，在国内，对于碳纤维复合材料的高频电磁涡流检测研宄较少，检测系统工作频率一般都比较低，因此，进行碳纤维复合材料的高频电磁涡流检测的研制很有必要。
[0005]
【发明内容】
[0006]技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种用于碳纤维复合材料损伤检测的高频电磁涡流检测系统，用于对碳纤维复合材料的损伤进行检测，其检测频率高，可以对碳纤维复合材料中微小的损伤进行检测。
[0007]技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的用于碳纤维复合材料损伤检测的高频电磁涡流检测系统包括上位机、位移平台、涡流探头、模拟信号处理单元和数字信号处理单元，其中，模拟信号处理单元包括高频正弦信号发生器、功率放大器、信号调理电路、自动平衡电路和正交锁相放大器，数字信号处理单元包括ARM微控制器、模数转换器、SD卡存储和USB传输接口，其中，
所述的上位机与位移平台通过串口连接，上位机向位移平台发送指令控制位移平台的运动。
[0008]所述的涡流探头由激励线圈和接收线圈组成。
[0009]所述的高频正弦信号发生器中，ARM微控制器控制直接数字合成芯片(DDS芯片)向其写入相应的频率控制字和相位控制字产生指定频率和相位的正弦信号；DDS芯片最高可产生200MHz的正弦信号，本发明利用DDS芯片产生两路正弦正交信号，一路经过功率放大后用来给激励线圈提供激励信号，另外一路则作为参考信号提供给锁相放大器进行微弱信号的检出。
[0010]所述的功率放大器对高频正弦信号发生器产生的高频正弦信号进行功率放大，放大后的高频正弦信号输入激励线圈；激励线圈在高频正弦信号发生器产生的高频正弦信号的激励下在待测试样中产生电涡流，接收线圈感应电压或者阻抗的变化来反映被测试样中损伤的位置；DDS芯片产生的信号电流只有10mA，无法驱动激励线圈在被测试样中产生电涡流，需要经过功率放大器进行功率放大。
[0011]所述的信号调理电路对接收线圈的输出信号进行滤波和前置放大，然后输入正交锁相放大器处理；接收线圈输出的信号经过程控放大后和信号发生电路产生的两路正交正弦信号共同送入相敏检波器，再通过低通滤波器滤除高频信号后得到幅值和相位信息；接收线圈的信号含有一些低频噪声信号并且信号幅值很小，需要经过滤除和放大后才能给锁相放大器处理。
[0012]所述的正交锁相放大器用于对接收线圈的输出信号进行相敏检波，从接收线圈的输出信号中提取出微弱损伤信号的幅值和相位信息，并将提取的信号经模数转换单元处理后输入ARM微控制器。
[0013]所述的自动平衡电路用于对系统进行自动调零；在系统进行正常检测之前，接收线圈输出不为0，为一固定信号，且远大于损伤信号，若不加以抑制，会影响损伤信号的判断；这样通过自动平衡电路将检测系统输出进行调零，可避免不平衡信号对检测结果的影响，自动平衡电路通过双通道DA转换芯片和正弦信号产生电路产生的两路正交信号进行相乘相加后合成幅值相等而相位相反的信号来抵消不平衡信号。
[0014]所述的ARM微控制器与上位机进行通讯以及数据传输，并控制直接数字合成芯片产生高频正弦信号、控制数模转换以及SD卡的数据存储。
[0015]所述的模数转换器在ARM微控制器的作用下对锁相放大器的输出信号进行数据采集，ARM微控制器再将采集到的信号进行存储和传输。
[0016]所述的SD卡和ARM微控制器相连，在ARM微控制器的控制下将模数转换单元的处理结果数据进行存储，方便后续数据处理。
[0017]所述的ARM微控制器通过USB传输接口与上位机，传输指令以及采集到的数据。
[0018]所述的位移平台和上位机通过串口 RS232连接，上位机向位移平台发送指令控制位移平台的运动。
[0019]本发明的技术方案中，整个系统由上位机和下位机组成，上位机采用图形化编程语言LabVIEW进行程序的编写，一方面控制位移平台的运动，另一方面和下位机进行通信以及数据的传输，同时将检测的结果进行实时的显示；下位机使用ARM微控制器作为核心控制单元，在接收上位机的指令后进行检测频率的调整以及数据的采集和存储以及传输。
[0020]有益效果
本发明的高频电磁涡流检测系统可以对碳纤维复合材料的损伤进行实时检测，整个检测系统工作在高频，可高达10MHz，其检测灵敏度高，可对碳纤维复合材料中的微小损伤进行损伤定位，整个检测系统集成程度高，体积小。
[0021]
【附图说明】
[0022]图1是本发明一个实施例的高频电磁涡流检测系统原理图；
图2是本发明一个实施例的高频正弦信号发生器电气连接图；
图3是本发明一个实施例的自动平衡电路的电气连接图；
图4是本发明一个实施例的程控放大器的电气连接图；
图5是本发明一个实施例的锁相放大器的电气连接图。
[0023]
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。
[0025]如图1所示，本实例的用于碳纤维复合材料损伤检测的高频电磁涡流检测系统包括上位机101、ARM微控制器102、高频正弦信号发生器103、信号放大电路104、功率放大器105、位移平台106、待测试样107、自动平衡电路108、激励线圈和接收线圈109、滤波及程控放大器110、双通道DAC模块111、锁相放大器112和模数转换ADC模块113。
[0026]所述的上位机101采用图形化编程语言LabVIEW进行编写，一方面和位移平台106通过串口通信，从而控制位移平台运动，另一方面向ARM微控制器102发送指令控制检测前系统的自动平衡、采集开始和结束、激励频