矩形?圓形渦流探頭設(shè)計(jì)與碳纖維預(yù)浸料的無損檢測(cè)

陳云瑞，季宏麗，裘進(jìn)浩

（南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

預(yù)浸料是制備碳纖維復(fù)合材料的中間材料，它的質(zhì)量將直接決定復(fù)合材料的性能。存在于預(yù)浸料中的隱藏缺陷會(huì)對(duì)復(fù)合材料成品產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，產(chǎn)品會(huì)有很高的報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)，甚至在投入使用后沒多久就被丟棄等，這很大程度上影響了工作效率。因此，如果能在產(chǎn)品生產(chǎn)步驟的早期檢測(cè)到隱藏缺陷，就能對(duì)生產(chǎn)機(jī)器進(jìn)行及時(shí)有效地調(diào)整，這既減少了生產(chǎn)成本，又提高了工作效率。

針對(duì)復(fù)合材料成品缺陷的檢測(cè)方式有很多，包括超聲無損檢測(cè)[1]、射線檢測(cè)[2]、聲發(fā)射檢測(cè)[3]、紅外熱成像[4]以及渦流檢測(cè)[5]等。渦流無損檢測(cè)是一種高效非接觸、自動(dòng)化程度較高、無須耦合劑的檢測(cè)方式，但近些年來隨著其他無損檢測(cè)方式的快速發(fā)展，渦流無損檢測(cè)的高效非接觸等優(yōu)勢(shì)已不再突出，而無須耦合劑這一特點(diǎn)則讓人聯(lián)想到一些無法接觸耦合劑的導(dǎo)電材料的損傷檢測(cè)。預(yù)浸料作為碳纖維復(fù)合材料的原材料，它的導(dǎo)電性能與成品碳纖維復(fù)合材料（Carbon fiber rei?forced plastic,CFRP）基本一致，且無法接觸水等耦合劑，因此渦流無損檢測(cè)在預(yù)浸料損傷檢測(cè)上有很大的可行性。

目前國內(nèi)外對(duì)于渦流無損檢測(cè)的研究多是應(yīng)用于CFRP 成品，許多學(xué)者為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的對(duì)檢測(cè)探頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。纖維彎曲是碳纖維材料易出現(xiàn)的材料之一，它的出現(xiàn)會(huì)使得復(fù)合材料主要彈性模量和抗壓強(qiáng)度嚴(yán)重降低[6]。東京工業(yè)大學(xué)的Mizukami 等設(shè)計(jì)了一種T?R?T 型三矩形線圈的探頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)單向板中的面內(nèi)和面外彎曲的檢測(cè)，并對(duì)接收線圈位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)正交鋪設(shè)CFRP 層合板內(nèi)人為制作的面內(nèi)彎曲的表征，最后還提出一種新的復(fù)平面分析方法，通過磁場(chǎng)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)渦流路徑的可視化[7?9]。阿爾及利亞的Bouloudenine 等設(shè)計(jì)了一種圓形陣列渦流傳感器，用于檢測(cè)單向CFRP 中的纖維彎曲及其方向[10]。Wu 等開發(fā)了特殊結(jié)構(gòu)的發(fā)射?接收（Transmit?re?ceive,T?R）探頭：接收線圈為8 型線圈、接收線圈為圓形線圈，成功檢測(cè)出CFRP 中的彎曲并對(duì)裂紋進(jìn)行了定量檢測(cè)[11]。但他們的檢測(cè)對(duì)象依然為CFRP 成品，并未實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)浸料原材料的損傷檢測(cè)。而預(yù)浸料等原材料的損傷檢測(cè)又具有重要意義，國內(nèi)外針對(duì)原材料檢測(cè)的研究并不多。德國弗勞恩霍夫無損研究所的Heuer 等基于高頻渦流技術(shù)結(jié)合各向異性單傳感器，檢測(cè)出碳纖維材料的結(jié)構(gòu)缺陷和隱藏缺陷，比如纖維缺失、隱藏層的角度偏差等[12]。但他們的探頭安裝套件較大，所需激勵(lì)頻率也達(dá)到了10 MHz。

實(shí)驗(yàn)室已有的T?R 探頭為雙圓形線圈，水平放置于試件上方。但預(yù)浸料作為未熱壓前的材料，很難使其表面像CFRP 成品一樣平整，因此探頭極易受提離效應(yīng)的影響，故在檢測(cè)過程中這些提離帶來的信號(hào)會(huì)很大程度上影響損傷信息。此外，該探頭在檢測(cè)纖維彎曲時(shí)未能看出彎曲方向?qū)π盘?hào)的影響，使得彎曲不能很好地表征出。針對(duì)這兩個(gè)弊端，本文設(shè)計(jì)了垂直放置于試件上方的矩形線圈作為激勵(lì)線圈。

1 R?C 型探頭的檢測(cè)原理

矩形?圓形（Rectangle?circular,R?C）型探頭的檢測(cè)原理如圖1 所示。當(dāng)試件中無缺陷或缺陷關(guān)于線圈對(duì)稱時(shí)，試件的感應(yīng)渦流同樣對(duì)稱，因此接收線圈處所在磁場(chǎng)相互抵消，線圈內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。只有當(dāng)缺陷關(guān)于線圈不對(duì)稱時(shí)，接收線圈才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。基于此原理，此探頭應(yīng)不會(huì)受提離效應(yīng)的影響。

圖1 探頭在不同情況的渦流分布Fig.1 Eddy current distribution of the probe in different sit?uations

除了提離效應(yīng)的優(yōu)化，R?C 型探頭相比于原探頭在缺陷的檢測(cè)上有其獨(dú)特的表征方式，更是能對(duì)纖維彎曲方向進(jìn)行有效的判別。從圖2 的仿真中得知，當(dāng)激勵(lì)線圈為圓形線圈，試件上的渦流會(huì)呈現(xiàn)上下方向相反的情況，但接收線圈在兩股電流中間接收到的磁場(chǎng)方向卻是一致的。因此，纖維彎曲的方向不會(huì)對(duì)接收線圈的感應(yīng)電流方向產(chǎn)生影響；當(dāng)激勵(lì)線圈為矩形線圈時(shí)，試件中的渦流方向一致，由接收線圈上下端的電流帶來的磁場(chǎng)會(huì)相互抵消，而由于纖維彎曲的彎曲方向的電流較大，故接收線圈所產(chǎn)生的電流方向也會(huì)隨著彎曲方向的改變而改變。

圖2 含纖維彎曲試件中的渦流路徑Fig.2 Eddy current path in the specimen containing wavi?ness

2 矩形線圈的設(shè)計(jì)

2.1 尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過ANSYS 仿真對(duì)矩形線圈的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。線圈初始內(nèi)圈尺寸4 mm×4 mm，厚度1 mm，高度0.5 mm，本文對(duì)線圈內(nèi)圈長度、寬度以及高度做了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)。試件為40 mm×40 mm×1.25 mm 的單向碳纖維復(fù)材板，線圈垂直放置于試件上方，匝數(shù)為140，提離為0.5 mm，外部激勵(lì)頻率為250 kHz，電流大小為1 A。材料表面損傷為纖維彎曲，彎曲范圍為16 mm×40 mm×1.25 mm，彎曲角度為11.31°。如圖3 所示，圖中紅色區(qū)域?yàn)槔w維彎曲區(qū)域。

圖3 仿真示意圖Fig.3 Simulation diagram

線圈內(nèi)圈長度方向取4 mm 為步長，在內(nèi)圈寬度、高度保持不變的情況下比較線圈在有無損傷的板上方時(shí)的電壓變化。線圈內(nèi)圈寬度和高度的設(shè)計(jì)同樣采取此控制變量法，設(shè)計(jì)步長分別為2 mm和0.5 mm。

由圖4 可知，線圈電壓實(shí)部變化不明顯，而虛部變化明顯且占據(jù)主導(dǎo)地位。有無損傷下線圈電壓差隨著內(nèi)圈長度的增大呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢(shì)，在約12 mm 處取得極值；隨內(nèi)圈寬度的增大不斷減小，且變化幅度也不斷減小，因此取4 mm 為最適宜；而電壓差值在線圈高度較小時(shí)較大，1 mm后開始急劇下降，在2.5 mm 后已趨于0，因此高度選擇范圍為0.5 mm 至1 mm。根據(jù)仿真結(jié)果，矩形線圈最終尺寸定為內(nèi)圈尺寸12 mm×4 mm,厚度1 mm，高度1 mm。

圖4 有無損傷下電壓差隨尺寸的變化情況Fig.4 Change of voltage difference with size with or with?out damage

2.2 可行性驗(yàn)證

為了和圓形線圈進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)比較，分別對(duì)激勵(lì)線圈為矩形線圈和圓形線圈進(jìn)行仿真分析，接收線圈為圓形線圈且相對(duì)位置一致。圓形線圈內(nèi)徑和外徑分別為1.2 mm 和3.2 mm，高度0.8 mm，匝數(shù)為140。仿真示意圖如圖5 所示。

圖5 不同激勵(lì)線圈情況下仿真示意圖Fig.5 Simulation diagram under different excitation coils

與優(yōu)化設(shè)計(jì)矩形線圈尺寸時(shí)采用同樣的試件、激勵(lì)電流和損傷，比較有無損傷情況下接收線圈的電壓隨頻率的變化，激勵(lì)線圈提離為0.5 mm，接收線圈提離為1.5 mm。激勵(lì)頻率為250 kHz 至1.5 MHz，以250 kHz 為步長。

如圖6 所示，在頻率較低時(shí)，圓形線圈為激勵(lì)線圈時(shí)的電壓幅值變化較大；隨著頻率的增大，兩種情況下的電壓幅值差的差距不斷減小，在頻率為1 MHz 時(shí)兩者趨于相等；頻率大于1 MHz 后，激勵(lì)線圈為矩形線圈時(shí)電壓幅值變化較大且隨頻率增大差值也逐漸增大。比較電壓的相對(duì)變化量，可以看到圓形線圈的電壓相對(duì)變化隨頻率幾乎保持不變，而矩形線圈的電壓相對(duì)變化量與頻率成正相關(guān)。

圖6 電壓幅值隨頻率變化Fig.6 Voltage amplitude varying with frequency

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

圖7 基于電磁感應(yīng)的渦流無損檢測(cè)系統(tǒng)Fig.7 Eddy current nondestructive detection system based on electromagnetic induction

實(shí)驗(yàn)室所采用的渦流檢測(cè)系統(tǒng)如圖7 所示。它由信號(hào)發(fā)生器、渦流檢測(cè)探頭、X?Y 軸位移平臺(tái)、位移控制器、高頻鎖相放大器、采集卡以及上位機(jī)組成。

系統(tǒng)的大致檢測(cè)流程是：信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦諧波信號(hào)，傳輸至激勵(lì)線圈，基于電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)電試件會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而接收線圈可以獲取試件的損傷情況并將信號(hào)輸入鎖相放大器中。鎖相放大器一個(gè)接口連接信號(hào)發(fā)生器，將此信號(hào)作為參考信號(hào)；另一個(gè)接口連接接收線圈，將此信號(hào)作為輸入信號(hào)。通過鎖相放大器內(nèi)部的相敏檢波器和濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、降噪等得到筆者所需的電壓信號(hào)（包括實(shí)部和虛部），輸出至SCB?68 板卡，通過AI 口傳至采集卡NI PCI?6251。而探頭的運(yùn)動(dòng)則是由上位機(jī)通過串口對(duì)位移控制器發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)。

3.2 提離效應(yīng)的對(duì)比

為了證明R?C 型探頭提離效應(yīng)減小，在提離5 mm 情況下將電壓置0，以0.5 mm 為步長逐漸減少提離直至線圈貼近試件。如圖8 所示，在相同激勵(lì)下，原探頭的提離效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R?C 型探頭；而隨著激勵(lì)電壓的增大，提離帶來的影響也逐漸增大。原理上R?C 型探頭是不受提離效應(yīng)的影響的，而實(shí)際上線圈加工的不精確以及安裝線圈造成的不對(duì)稱會(huì)使得線圈以及試件上的電流呈現(xiàn)不對(duì)稱性，激勵(lì)電壓的增大會(huì)擴(kuò)大這種不對(duì)稱性。

圖8 500 kHz 下不同激勵(lì)線圈的提離效應(yīng)影響Fig.8 Lift-off effect of different excitation coils at 500 kHz

3.3 裂紋檢測(cè)

為了比較兩種探頭各自的優(yōu)劣勢(shì)，檢測(cè)對(duì)象首先為正交板中的裂紋，如圖9 所示，裂紋尺寸為20 mm×1 mm×1 mm。 原 探 頭 激 勵(lì) 頻 率 為250 kHz，信號(hào)峰峰值1 V；R?C 型探頭的激勵(lì)頻率為1 MHz，信號(hào)峰峰值5 V。

圖10(a～b)中可以明顯看到裂紋的位置和形狀，而圖10(c～d)圖中裂紋未能很好地呈現(xiàn)它的形貌，但是在裂紋端點(diǎn)處信號(hào)值較明顯，越靠近裂紋中心其信號(hào)值逐漸減弱，且其虛部云圖可以明顯看出在裂紋兩個(gè)端點(diǎn)處電流方向相反。這些都符合R?C 型探頭的檢測(cè)原理。

圖9 含裂紋的正交板實(shí)物圖Fig.9 Physical image of cracked orthogonal plate

圖10 不同探頭下的裂紋檢測(cè)云圖Fig.10 Crack detection cloud images under different probes

3.4 纖維彎曲檢測(cè)

之后檢測(cè)對(duì)象為3 層預(yù)浸料（未熱壓）中的纖維彎曲，如圖11 所示，彎曲的范圍約為18 mm×10 mm，彎曲幅度為1.8 mm。激勵(lì)頻率為1 MHz，信號(hào)峰峰值為10 V。

圖11 含纖維彎曲的預(yù)浸料實(shí)物圖Fig.11 Physical image of prepreg with fiber waviness

由圖12 可知，原探頭和R?C 型探頭都能檢測(cè)到彎曲所在的位置，且由于圓形線圈尺寸較小電流較集中，且上下電流磁場(chǎng)方向相同，因此相同激勵(lì)下原探頭電壓幅值大于R?C 型探頭。彎曲方向不同時(shí)纖維彎曲所在處虛部電壓變化情況如圖13 所示。可見，在纖維彎曲區(qū)域，圓形線圈做激勵(lì)時(shí)彎曲方向不能對(duì)電流方向產(chǎn)生影響，而矩形線圈做激勵(lì)時(shí)彎曲方向的不同會(huì)導(dǎo)致接收線圈內(nèi)電流方向的不同。纖維向上時(shí)電壓虛部變化值為負(fù)，向上的彎曲引起的變化值為正。本文以此電壓變化情況作為基準(zhǔn)，對(duì)未知的彎曲做出正確的方向上的判別。同時(shí)根據(jù)無損傷區(qū)域電壓的波動(dòng)程度可以看出，在相同激勵(lì)下，R?C 型探頭所受干擾要小一些。

圖12 不同探頭下的纖維彎曲檢測(cè)云圖Fig.12 Fiber waviness detection cloud images of different probes

圖13 不同激勵(lì)線圈的纖維彎曲處電壓虛部變化Fig.13 Changes in the imaginary part of voltage at the fiber bend of different excitation coils

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種R?C 型探頭，先通過ANSYS仿真簡單對(duì)矩形線圈的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過它與圓形線圈的仿真比較得到矩形線圈做激勵(lì)時(shí)電壓隨頻率變化率更大的結(jié)論，所以可以采用1 MHz及以上的激勵(lì)頻率。簡要闡述了矩形線圈做激勵(lì)時(shí)的檢測(cè)原理，并將之運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室已有的系統(tǒng)中，與原先圓形線圈的檢測(cè)效果做了比較，得到以下結(jié)論：

(1) 圓形線圈做激勵(lì)時(shí)接收線圈上下端試件中電流方向相反，這兩股電流對(duì)接收線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向一致，因此會(huì)放大缺陷的信號(hào)；而矩形線圈做激勵(lì)時(shí)上下端電流方向一致，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)相互抵消，會(huì)減小缺陷信號(hào)。

(2) 矩形線圈做激勵(lì)時(shí)只有在損傷關(guān)于線圈不對(duì)稱時(shí)才能檢測(cè)出，因此矩形線圈做激勵(lì)受提離效應(yīng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓形線圈做激勵(lì)的情況。

(3) 原探頭由于上下端電流對(duì)接收線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)方向一致，電壓幅值會(huì)大于矩形線圈做激勵(lì)的情況，但它對(duì)帶有方向性的缺陷卻不能很好地表示出缺陷的方向；相反，雖然電壓幅值較小，但R?C 型探頭對(duì)缺陷的方向性檢測(cè)很敏感，任何會(huì)導(dǎo)致接收線圈磁場(chǎng)方向變化的情況，比如裂紋上下端、纖維彎曲方向等都會(huì)導(dǎo)致接收線圈內(nèi)電流方向的變化。

(4) 原探頭能很好地適用于不帶有方向性的缺陷，比如裂紋、纖維缺失等；而R?C 型探頭能很好地表示出帶有方向性的缺陷，比如纖維彎曲等。

針對(duì)R?C 型探頭檢測(cè)靈敏度小于原T?R 探頭的問題，提出以下解決方案：

(1) 矩形線圈在實(shí)際使用中是裸露在外的，受外界電磁干擾影響較大，可以考慮加工其塑料護(hù)套，既可保護(hù)線圈免受外界干擾，又可保證安裝精度。

(2) R?C 型探頭對(duì)頻率變化更加敏感，增大檢測(cè)頻率可以適當(dāng)縮小靈敏度差距。