[发明专利]碳纤维增强复合材料波纹缺陷的全向型涡流自适应扫查系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强复合材料波纹缺陷的全向型涡流自适应扫查系统，用于碳纤维增强复合材料加工成型过程中内部波纹缺陷的无损检测。

背景技术

碳纤维增强复合材料由纤维、基体和界面组成的，其微观构造是一个复杂的多相体系，而且具有不均匀性和多向异性。通过改变铺层方式，可获得不同力学性能的结构。与普通材料相比，碳纤维增强复合材料具有高强度、高弹性模量、出色的耐热性和比重小等特点，被广泛应用于航空航天、军工以及其他民用工业等领域。

碳纤维增强复合材料加工成型过程中，易出现内部纤维局部紊乱而形成波纹缺陷。采用传统的矩形线圈式涡流传感器无法对不同方向铺层内波纹缺陷进行有效检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维增强复合材料波纹缺陷的全向型涡流自适应扫查系统，解决传统涡流检测方法难以检出不同方向铺层内波纹缺陷的难题。

为实现上述目的，提供如下技术方案：

一种碳纤维增强复合材料波纹缺陷的全向型涡流自适应扫查系统包括上位机、主控箱、全向型涡流检测传感器、以及搭载全向型涡流检测传感器的弹性夹持装置和关节式多自由度机械臂；上位机主控箱通过运动控制卡控制关节式多自由度机械臂的扫查轨迹，以使关节式多自由度机械臂末端的弹性夹持装置携带的各向涡流检测传感器，以固定提离距离沿碳纤维增强复合材料构件表面进行扫查；其中，

全向型涡流检测传感器采用两个空间正交布置的矩形励磁线圈、以及三个检测方向空间正交的感应线圈，在两个矩形励磁线圈中通入幅值调制信号，且两路调制信号的相位差始终保持为90度，以控制两个矩形励磁线圈提供各向历遍的励磁场，方向旋转速率由调制信号的频率决定，由此在检测平面内形成各向遍历的涡流场；同步地，利用三个感应线圈检测波纹缺陷处的各磁场分量并以电压信号输出，得到的电压信号随励磁方向的变化曲线，可以反映任意方向铺层内的波纹缺陷状态。

作为优选，所述三个检测方向空间正交的感应线圈的其中一个感应线圈检测碳纤维增强复合材料离面方向的磁场分量，剩余两个感应线圈检测碳纤维增强复合材料铺层平面内的两个正交方向的磁场分量，当检测平面内形成各向遍历的涡流场时，三个感应线圈的输出电压信号分别经过幅值解调后，有两种分析模式：

a.检测离面方向磁场分量的感应线圈的输出信号幅值随励磁方向的变化曲线，可以确定波纹缺陷的有无；

b.将检测铺层平面内两个正交方向磁场分量的感应线圈的输出信号幅值进行矢量合成，依据合成矢量随励磁方向的变化曲线，可以确定波纹缺陷的方向。

本发明采用全向型涡流检测技术，利用三轴感应线圈检测电压信号随励磁方向的变化曲线反映任意方向铺层内的波纹缺陷状态。同时为实现波纹缺陷的自动化检测，设计了配套的多关节机械手自动化检测装置，可携带涡流传感器沿曲面构件以固定提离距离进行扫查，为碳纤维增强复合材料加工成型质量控制提供技术手段。

本发明的碳纤维增强复合材料波纹缺陷的全向型涡流自适应扫查系统，基于磁场矢量合成技术，在碳纤维增强复合材料中形成全向型涡流，实现对曲面构件中任意方向铺层内波纹缺陷的自适应检测。扫查系统包括：上位机主控箱、全向型涡流检测传感器、以及搭载全向型涡流检测传感器的弹性夹持装置和关节式多自由度机械臂。全向型涡流检测传感器采用两个空间正交布置的矩形励磁线圈、以及三个检测方向空间正交的感应线圈，通过两个正交布置的矩形励磁线圈，以固定提离距离贴近碳纤维增强复合材料或结构表面，分别在两个矩形励磁线圈内通入匹配的调制信号，在被测试件内形成沿空间各向历遍的励磁场，以在未知方向的波纹缺陷处形成全向型涡流场，通过三轴感应线圈检测波纹缺陷处全向型涡流场的空间磁场分量，实现对未知方向波纹缺陷的高灵敏度、自适应检测。

附图说明

图1：碳纤维增强复合材料波纹缺陷的全向型涡流自适应扫查系统示意图；

图2：传感器弹性夹持装置示意图；

图3：全向型涡流传感器结构示意图；

图4：通入两个矩形励磁线圈的幅值调制信号；

图5：不同方向铺层内波纹缺陷的扫查示意图；

图6：检测离面方向磁场分量的感应线圈的检测信号示意图；

图7a：检测铺层平面内两个正交方向磁场分量的感应线圈的无波纹缺陷检测信号和90°铺层中波纹缺陷检测信号示意图；

图7b：检测铺层平面内两个正交方向磁场分量的感应线圈的45°铺层中波纹缺陷检测信号示意图；