本發(fā)明涉及CFRP復(fù)合材料無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測系統(tǒng)及檢測方法。

背景技術(shù)：
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碳纖維復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代中期崛起的一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有其它復(fù)合材料無法比擬的優(yōu)越性能，在民用工業(yè)、軍事、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。為保證復(fù)合材料構(gòu)件能夠滿足各向使用要求，監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量受到越來越廣泛的關(guān)注。

目前，實現(xiàn)CFRP復(fù)合材料無損檢測的方法主要有：超聲波、聲阻、射線和紅外線方法檢測，但這些方法對于碳纖維復(fù)合材料的檢測各有不足，有的需要耦合劑，有的設(shè)備體積大，價格昂貴，只能用于離位車間檢測。

渦流檢測是一種高效無接觸的無損檢測技術(shù)，無需耦合劑，自動化程度高。由于渦流檢測是基于電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)的，且探頭不需要與被測件接觸，因而對結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生任何影響。常規(guī)渦流檢測技術(shù)采用單一頻率工作，獲取的信息量有限，無法滿足對缺陷深度的評估。多頻渦流檢測技術(shù)根據(jù)被檢測對象特點，同時施加多個頻率激勵渦流探頭，根據(jù)趨膚效應(yīng)獲得待檢參數(shù)在各頻率下的不同響應(yīng)，通過正交鎖相放大器、最小二乘法等提取特征參數(shù)，進(jìn)而可根據(jù)多頻渦流信號的幅值反演缺陷的深度信息，為復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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針對上述問題，本發(fā)明的目的是提出一種用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測系統(tǒng)及檢測方法，根據(jù)趨膚效應(yīng)，該方法通過施加達(dá)到，實現(xiàn)對CFRP復(fù)合材料性能和損傷的識別，操作方便，檢測結(jié)果直觀易懂，靈敏度高，適合在線、在役檢測。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測系統(tǒng)，其特征在于：包括復(fù)合材料待測試件、多頻正弦激勵信號發(fā)生模塊、渦流傳感單元、傳輸電纜、信號處理及分離模塊、信號采集模塊和深度反演模塊，所述渦流傳感單元由探頭控制機、渦流激勵線圈和渦流檢測線圈組成，信號處理及分離模塊包括前置放大器和多頻檢測信號分離模塊，所述多頻正弦激勵信號發(fā)生模塊的輸出由傳輸電纜分別送至渦流激勵線圈和多頻檢測信號分離模塊，探頭控制機構(gòu)與渦流激勵線圈和渦流檢測線圈相連，渦流檢測線圈的輸出信號經(jīng)前置放大器放大輸出后與多頻檢測信號分離模塊的一路輸入相連，信號采集模塊采集由多頻檢測信號分離模塊輸出的信號并送入深度反演模塊。

進(jìn)一步地，所述前置放大器將檢測線圈輸出的電信號經(jīng)放大、濾波后輸出，所述多頻檢測信號分離模塊一方面接收由前置放大器輸出的電信號，另一方面接收由多頻正弦激勵信號發(fā)生模塊輸出的信號源參考信號，若檢測信號與參考信號同頻率，則多頻檢測信號分離模塊輸出經(jīng)過低通濾波后得到低頻信號，反之，無輸出信號。

進(jìn)一步地，所述多頻檢測信號分離模塊由正交鎖相放大模塊實現(xiàn)，正交鎖相放大模塊包括相敏檢波器和低通濾波器，渦流檢測線圈輸出的信號經(jīng)放大后和參考信號一起送入相敏檢波器，采用低通濾波器濾除高頻項后，得到檢測信號的幅值和相位信息。

進(jìn)一步地，所述信號采集模塊將分離后輸出的模擬電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入深度反演模塊中進(jìn)行處理、分析，提取感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g。

進(jìn)一步地，所述深度反演模塊根據(jù)提取的感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g，通過反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立電壓變化量的最大值ΔV、峰值點對應(yīng)的頻率f_g和對應(yīng)缺陷深度D之間的關(guān)系：D＝F(ΔV，f_g)。

進(jìn)一步地，所述傳輸電纜采用同軸電纜，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、鋁箔屏蔽、編織屏蔽盒護(hù)套組成，其長度小于1m，寄生電容小于100pF/m。

進(jìn)一步地，所述渦流激勵線圈和渦流檢測線圈均采用空心圓環(huán)狀線圈，左右排列構(gòu)成發(fā)射-接收式渦流探頭，所述渦流激勵線圈和渦流檢測線圈相間隔開。

進(jìn)一步地，所述探頭控制機構(gòu)采用柔性彈簧機構(gòu)壓緊探頭，使渦流探頭始終與復(fù)合材料待測試件表面貼合，所述渦流激勵線圈將電信號轉(zhuǎn)換為磁信號并耦合到復(fù)合材料待測試件中，渦流檢測線圈接收變化的磁信號并轉(zhuǎn)換為電信號。

本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：一種用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測檢測方法，包括如下步驟：

步驟一：提取復(fù)合材料待測試件中的渦流信號特征參數(shù)，通過直線掃查方式獲取第一內(nèi)部缺陷，在不同頻率下感應(yīng)電壓變化曲線，提取幅值-距離曲線圖中的峰值電壓ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g；

步驟二：采用相同方法，提取由第二內(nèi)部缺陷引起的峰值電壓ΔV^*和峰值點對應(yīng)的頻率f_g^*；

步驟三：將提取的兩組信號繪制曲線，峰值電壓ΔV隨著缺陷深度的增加而增大，對應(yīng)峰值點的頻率也隨之增大；

步驟四：深度反演模塊根據(jù)提取的感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g，采用構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行，具體包括：

構(gòu)建輸入層，輸入層的變量包括輸出感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV，峰值點對應(yīng)的頻率f_g；

構(gòu)建隱含層，隱含層包括3個或3個以上的神經(jīng)元；

構(gòu)建輸出層，輸出層為缺陷深度D；構(gòu)建反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

將由復(fù)合材料待測試件缺陷引起的感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g代入輸入層；將缺陷深度D代入輸出層，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，獲得訓(xùn)練結(jié)果；

步驟五：根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果，建立電壓變化量的最大值ΔV、峰值點對應(yīng)的頻率f_g和對應(yīng)缺陷深度D之間的關(guān)系：D＝F(ΔV，f_g)；

步驟六：采用多頻渦流檢測系統(tǒng)獲取復(fù)合材料待測試件中由缺陷引起的信號變化，提取特征參數(shù)：感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g，代入經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層中，得到復(fù)合材料待測試件中缺陷的深度信息。

進(jìn)一步地，所述多頻正弦激勵信號發(fā)生模塊用作產(chǎn)生多頻信號激勵渦流探頭，其中產(chǎn)生雙頻激勵信號，具體步驟包括：

采用兩路DDS芯片AD9958，產(chǎn)生四路輸出信號；

每個AD9958的其中一路輸出分別送入后續(xù)的多頻檢測信號分離模塊的輸入，另外兩路輸出則通過加法運算經(jīng)混頻產(chǎn)生雙頻信號；

混頻后的雙頻信號經(jīng)驅(qū)動電路輸出后激勵渦流激勵線圈產(chǎn)生磁場。

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測方法包括：多頻渦流信號的產(chǎn)生、獲取復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的渦流信號、多頻檢測信號分離、去除噪聲和提離偏置、進(jìn)行特征信號提取、獲取不同深度下對應(yīng)的峰值頻率，評估待測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的缺陷深度。其中，多頻渦流信號采用同步方式產(chǎn)生，單頻正弦信號通過DDS產(chǎn)生，并采用加法器進(jìn)行信號的混頻；信號傳輸采用同軸電纜，降低噪聲干擾和傳輸損耗；探頭控制機構(gòu)采用柔性彈簧機構(gòu)壓緊探頭，使之與復(fù)合材料待測試件表面貼合，減少提離干擾；信號處理及分離模塊將檢測探頭輸出信號經(jīng)放大、濾波、頻率分離后輸出；信號采集和深度反演模塊用于獲取鎖相放大的輸出信號，并提取特征參數(shù)進(jìn)行缺陷反演。該多頻渦流法通過構(gòu)建由缺陷引起的感應(yīng)電壓變化量的最大值Δv、峰值點對應(yīng)的頻率f_g和缺陷深度D之間的關(guān)系，獲取復(fù)合材料待測試件中缺陷的深度信息，為復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷位置示意圖。

圖3是本發(fā)明中多頻渦流產(chǎn)生及信號處理示意圖。

圖4是本發(fā)明中第一內(nèi)部裂紋缺陷在不同頻率下的感應(yīng)電壓幅值變量的線掃描結(jié)果圖。

圖5是本發(fā)明中不同深度內(nèi)部缺陷的感應(yīng)電壓特征參數(shù)與掃描頻率之間的關(guān)系曲線圖。

圖6是本發(fā)明中反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

具體實施方式：

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實施，給出了具體的實施方案和操作過程，但本發(fā)明保護(hù)的范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，是本發(fā)明提供的用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。為使本發(fā)明的上述目的、特征能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方法對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測系統(tǒng)包括復(fù)合材料待測試件101、多頻正弦激勵信號發(fā)生模塊102、渦流傳感單元103、傳輸電纜104、信號處理及分離模塊108、信號采集模塊111和深度反演模塊112。其中渦流傳感單元103由傳輸電纜104、探頭控制機構(gòu)105、渦流激勵線圈106和渦流檢測線圈107組成，信號處理及分離模塊108包括前置放大器109和多頻檢測信號分離模塊110。

其中，多頻正弦激勵信號發(fā)生模塊102的輸出由傳輸電纜104分別送至渦流激勵線圈106和多頻檢測信號分離模塊110，探頭控制機構(gòu)105與渦流激勵線圈106和渦流檢測線圈107相連，用于調(diào)節(jié)渦流探頭位置及提離；渦流檢測線圈107的輸出信號經(jīng)前置放大器109放大輸出后與多頻檢測信號分離模塊110的一路輸入相連；信號采集模塊111采集由多頻檢測信號分離模塊110輸出的信號并送入深度反演模塊112。

所述前置放大器109將檢測線圈107輸出的電信號經(jīng)放大、濾波后輸出，所述多頻檢測信號分離模塊110一方面接收由前置放大器109輸出的電信號，另一方面接收由多頻正弦激勵信號發(fā)生模塊102輸出的信號源參考信號，若檢測信號與參考信號同頻率，則多頻檢測信號分離模塊110輸出經(jīng)過低通濾波后得到低頻信號(近似為直流信號)，反之，無輸出信號。

多頻檢測信號分離模塊110由正交鎖相放大模塊實現(xiàn)，正交鎖相放大模塊主要包含相敏檢波器和低通濾波器，渦流檢測線圈107輸出的信號經(jīng)放大后和參考信號一起送入相敏檢波器，采用低通濾波器濾除高頻項后，得到檢測信號的幅值和相位信息。

信號采集模塊111將分離后輸出的模擬電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入深度反演模塊112中進(jìn)行處理、分析，提取感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g。

深度反演模塊112根據(jù)提取的感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g，通過反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立電壓變化量的最大值ΔV、峰值點對應(yīng)的頻率f_g和對應(yīng)缺陷深度D之間的關(guān)系：D＝F(ΔV，f_g)；

根據(jù)不同峰值頻率下的電壓變化量和缺陷深度之間的關(guān)系，評估待測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的缺陷深度。

復(fù)合材料待測試件101以裂紋損傷形式為研究對象，試驗前對碳纖維板進(jìn)行裂紋缺陷制作。本實施例以兩條不同深度的內(nèi)部裂紋缺陷(分別為第一內(nèi)部裂紋缺陷和第二內(nèi)部裂紋缺陷)為例，如圖2所示。

多頻正弦激勵信號發(fā)生模塊102用作產(chǎn)生多頻信號激勵渦流探頭，作為一種可選的實施方式，本實施例以產(chǎn)生雙頻激勵信號為例，具體步驟包括：

采用兩路DDS芯片AD9958，產(chǎn)生四路輸出信號；

每個AD9958的其中一路輸出分別送入后續(xù)的多頻檢測信號分離模塊110的輸入，另外兩路輸出則通過加法運算經(jīng)混頻產(chǎn)生雙頻信號；

混頻后的雙頻信號經(jīng)驅(qū)動電路輸出后激勵渦流激勵線圈106產(chǎn)生磁場，如圖3所示。

傳輸電纜104采用同軸電纜，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、鋁箔屏蔽、編織屏蔽盒護(hù)套組成，其長度小于1m，寄生電容小于100pF/m，有效降低噪聲干擾，減小傳輸損耗。信號經(jīng)傳輸電纜104傳輸，探頭控制機構(gòu)105負(fù)責(zé)調(diào)整兩個探頭的檢測高度，采用柔性彈簧機構(gòu)壓緊探頭，通過三維調(diào)節(jié)，使渦流探頭始終與復(fù)合材料待測試件101表面貼合，減少提離效應(yīng)對檢測結(jié)果的影響。渦流激勵線圈106將電信號轉(zhuǎn)換為磁信號并耦合到復(fù)合材料待測試件101中，渦流檢測線圈107接收變化的磁信號并轉(zhuǎn)換為電信號。

渦流激勵線圈106和渦流檢測線圈107均采用空心圓環(huán)狀線圈，左右排列構(gòu)成發(fā)射-接收式渦流探頭；渦流激勵線圈106和渦流檢測線圈107之間存在一定間距，避免渦流檢測線圈107的磁場受到渦流激勵線圈106磁場的干擾，影響檢測精度。

本發(fā)明用于評估碳纖維板缺陷深度的多頻渦流檢測方法，包括如下步驟：

步驟一：提取復(fù)合材料待測試件101中的渦流信號特征參數(shù)，通過直線掃查方式獲取第一內(nèi)部缺陷1，如圖2所示，在不同頻率下的感應(yīng)電壓變化曲線，對應(yīng)的掃描結(jié)果如圖4所示，提取幅值-距離曲線圖中的峰值電壓ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g；

步驟二：采用相同方法，提取由第二內(nèi)部缺陷2引起的峰值電壓ΔV^*和峰值點對應(yīng)的頻率f_g^*；

步驟三：將提取的兩組信號繪制曲線，如圖5所示，峰值電壓ΔV隨著缺陷深度的增加而增大，對應(yīng)峰值點的頻率也隨之增大。

步驟四：深度反演模塊112根據(jù)提取的感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g，采用構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行，具體包括：

構(gòu)建輸入層，所述輸入層的變量包括輸出感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV，峰值點對應(yīng)的頻率f_g；

構(gòu)建隱含層，隱含層包括3個或3個以上的神經(jīng)元；

構(gòu)建輸出層，輸出層為缺陷深度D；構(gòu)建的反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖6所示；

將由待測復(fù)材板缺陷引起的感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g代入所述輸入層；將所述缺陷深度D代入所述輸出層，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，獲得訓(xùn)練結(jié)果；

步驟五：根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果，建立電壓變化量的最大值ΔV、峰值點對應(yīng)的頻率f_g和對應(yīng)缺陷深度D之間的關(guān)系：D＝(ΔV，f_g)；

步驟六：采用多頻渦流檢測系統(tǒng)獲取復(fù)合材料待測試件101中由缺陷引起的信號變化，提取特征參數(shù)：感應(yīng)電壓變化量的最大值ΔV和峰值點對應(yīng)的頻率f_g，代入經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層中，得到復(fù)合材料待測試件101中缺陷的深度信息。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。