小尺度淺層瞬變電磁檢測復合材料的實驗研究*

陳兵芽 于潤橋

（南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，江西南昌 330063）

碳纖維復合材料是由纖維、基體、界面組成，其細觀構造是一個復雜的多相體系，而且是不均勻和多向異性的。復合材料在成型過程中易形成孔隙、分層等缺陷，對成型缺陷的有效檢測，是復合材料構件質量保證的必要手段。目前，超聲、射線照相、聲發(fā)射、全息照相等是復合材料所用的主要無損檢測方法［1］。瞬變電磁法（TEM）可獲取其寬頻帶內(nèi)的大量信息，能有效地對材料進行檢測，是一種新的無損檢測手段。地質勘探中的瞬變電磁儀，線圈半徑大，發(fā)射電流大，探測深度大。但是，在對復合材料這樣的低電導率介質進行探測時，渦流信號衰減得很快，加上被測目標距離表面很淺，顯然地質探測中應用的大功率儀器不能用于復合材料。為了適應碳纖維復合材料復雜的結構特點，借鑒地質勘探中的瞬變電磁法，提出小尺度淺層瞬變電磁法對復合材料進行檢測。

由于理論和技術上的許多困難，淺層瞬變電磁方法探測問題多年來一直處于擱置狀態(tài)。20世紀90年代初，美國地質調(diào)查局、加里福尼亞大學伯克利分校、亞利桑那大學等多家研究單位合作，開始研制一種甚早期時間域電磁系統(tǒng)VETEM（Very Early Time Electromanetic System），主要用于解決探地雷達及常規(guī)TEM系統(tǒng)難以解決的淺層地質問題［2］。國內(nèi)有吉林大學的林君［3］、重慶大學的付志紅［4］等研究小組在從事這方面的工作。但應用瞬變電磁法對復合材料進行檢測研究，在國內(nèi)外文獻中未見報道。本文采用淺部瞬變電磁勘探系統(tǒng)，通過改進檢測線圈結構，可以實現(xiàn)碳纖維復合材料的瞬變電磁檢測。

1 瞬變電磁法測量原理

當發(fā)射線圈L1注入一定頻率的矩形脈沖電流，在斷電后，會感應出交變的磁場（一次磁場），若將被測材料放在發(fā)射線圈的下方，在被測材料中會感應出渦流L3，渦流的強弱分布依賴于被測材料電導率的分布，因此可以通過測量被測材料外部空間磁場（二次磁場）的大小，計算出材料內(nèi)部渦流的大小，從而推導出材料內(nèi)部的電導率分布，來達到尋求目標體的一種檢測方法，它是對檢測對象所產(chǎn)生異常的研究，如圖1所示。在圖中，線圈采用了發(fā)射線圈和接收線圈同軸的結構，發(fā)射線圈置于2個接收線圈L2a和L2b之間，2個接收線圈串聯(lián)且繞向相反，即差動式線圈。采取這種結構目的是為了消除一次磁場的影響。

2 實驗系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)分為電流發(fā)射部分和瞬變信號接收部分，電流發(fā)射部分通過驅動電路將電流信號由發(fā)射線圈產(chǎn)生一次磁場，激發(fā)的二次磁場由接收線圈獲得經(jīng)過信號調(diào)理后進行數(shù)據(jù)采集和顯示，該二次磁場是由復合材料受到一次磁場激勵后在其內(nèi)部形成的感應渦流產(chǎn)生。隨復合材料試塊導電性能及空間賦存位置的不同，感應渦流衰變的規(guī)律也有所不同，通過分析和研究二次磁場的時空變化特性，達到解決復合材料缺陷檢測的目的，如圖2所示。

雙道淺部瞬變電磁儀WTEM－1Q/GPS完成檢測系統(tǒng)的電流信號的產(chǎn)生、驅動和接收信號的調(diào)理等功能。由于瞬變電磁法存在一個淺部探測盲區(qū)，為了實現(xiàn)復合材料瞬變電磁表面檢測，在線圈中加入鐵氧體磁芯，以提高淺層瞬變電磁儀的檢測能力。另外，對于小尺度線圈，為增強接收信號，發(fā)射與接收線圈的匝數(shù)較多，儀器與線圈的匹配變得更為困難，特別是接收線圈的阻尼電阻較難配準［5］。合理選擇阻尼電阻，可以提高瞬變電磁系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的質量，使瞬變電磁法在超淺層探測中更能有效地發(fā)揮作用。

設計的碳纖維復合材料試塊如圖3所示，復合板上依次有直徑為12.7 mm、9.5 mm、6.5 mm的三個圓柱體缺陷，埋深為1.6 mm，長度為0.4 mm。缺陷采用人工加工形式，層之間鑲嵌塑料片模擬分析分層缺陷對檢測波形的影響因子。

3 實驗結果與分析

復合材料缺陷檢測采用的發(fā)射和接收線圈均為30匝，磁芯直徑為5 mm，發(fā)射電流為2.02 A、頻率為32 Hz，接收線圈的阻尼電阻為110 Ω。沿試塊缺陷中心AB線進行檢測，共采集24個點（1，2，…，24），其中測點6、7、8位于第一個缺陷處，測點13、14位于第二個缺陷處，測點19位于第三個缺陷處，實驗結果如圖4所示。

圖4中，第1個異常位于6～9點，第2個位于11點，第3個位于14～16點，第4個位于22～23點。第1個異常與已知缺陷位置基本相符合，第2個異常是偽缺陷，第3個異常與第2個缺陷位置基本上相符，第4個異常與第3個缺陷有點偏離。除了第2個異常是偽缺陷外，剖面曲線主要異常的個數(shù)與實際缺陷的個數(shù)相同，而且異常寬度與缺陷大小的變化規(guī)律也是一一對應的，但又呈現(xiàn)出獨特的特性。首先，與一般的瞬變電磁響應有滯后現(xiàn)象［6］不同，隨延遲時間增加，異常幅值減小。這是因為線圈中有磁芯，具有聚磁作用，改變了磁場擴散規(guī)律，不能再用煙圈理論來解釋。另外，異常的位置有偏移，寬度比缺陷大，主要是由缺陷的相互影響造成的，實驗數(shù)據(jù)需作進一步處理解釋。

4 結語

針對碳纖維復合材料復雜的結構特點，借鑒地質勘探中的瞬變電磁法，提出小尺度淺層瞬變電磁法對復合材料進行檢測。實驗結果表明:

（1）改進線圈的結構并合理選擇阻尼電阻，小尺度淺層瞬變電磁法能夠檢測復合材料的分層缺陷。

（2）剖面曲線主要異常的個數(shù)與實際缺陷的個數(shù)相同，而且異常寬度與缺陷大小的變化規(guī)律也是一一對應的。

（3）設計的檢測線圈和實驗方法是正確的，但是實驗數(shù)據(jù)需要作進一步的處理解釋，才能較好地反映復合材料的內(nèi)部結構。

［1］李志君.先進復合材料的無損檢測［J］.宇航材料工藝，2000（5）:28－31.

［2］Wright David L，Smith David V，Abraham Jare D.A VETEM survey of a former munitions foundry site at the Denver Federal Center:in Proceedings for SAGEEP’2000［C］.Denver，2000，459－468.

［3］稽艷鞠.淺層高分辨率全程瞬變電磁系統(tǒng)中全程二次場提取技術研究［D］.吉林:吉林大學，2004.

［4］馬靜.淺層瞬變電磁信號采集與處理技術研究［D］.重慶:重慶大學，2008.

［5］王華軍.阻尼系數(shù)對瞬變電磁觀測信號的影響特征［J］.地球物理學報，2010，53（2）:428－434.

［6］陳明生.二維地質體的瞬變電磁場響應特征［J］.地震地質，2001，23（2）:252－256.