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原文传递电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测方法及装置

专利名称：	电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测方法及装置
摘要：	本发明公开了一种基于电容耦合非接触方式的碳纤维增强复合树脂(CFRP)材料无损检测方法及装置。该装置由传感器和电阻抗测量模块组成。传感器由激励电极和检测电极组成，并且实现了检测过程的非接触。交流激励信号源提供正弦激励信号，利用相敏解调的方法获取CFRP试件的等效电阻值。通过建立碳纤维累积损伤中电阻与疲劳损伤状态之间的关系，实现CFRP试件的无损测量。本发明为CFRP材料的非接触无损测量提供了一种可行途径，能够通过非接触的方式进行检测，同时具有传感器结构简单、安装方便、非接触和避免对试件造成破坏等优点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江大学
发明人：	王保良;王玉莹;冀海峰;黄志尧;李海青
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-04-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910033560.X
公开号：	CN109682859A
代理机构：	杭州求是专利事务所有限公司
代理人：	郑海峰
分类号：	G01N27/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
主权项：	1.一种电容耦合非接触方式的CFRP材料无损检测装置，其特征在于包括电阻抗测量模块(1)和测量传感器(2)，其中，测量传感器(2)与电阻抗测量模块(1)相连接；所述的测量传感器(2)由激励电极(3)和检测电极(4)构成，激励电极(3)、检测电极(4)通过导线与电阻抗测量模块(1)连接，激励电极(3)与检测电极(4)放置于CFRP试件外壁且相互不碰触；所述的电阻抗测量模块(1)包括DSP芯片、FPGA芯片、DAC芯片、电流-电压转换电路、ADC芯片和显示屏；其中DAC芯片一端与激励电极(3)相连，DAC芯片的另一端与FPGA芯片相连；电流-电压转换电流一端与检测电极(4)相连，另一端与ADC芯片相连，ADC芯片的另一端与FPGA芯片相连；DSP芯片的一端与FPGA芯片相连，另一端与显示屏相连。 2.根据权利要求1所述的无损检测装置，其特征在于所述的激励电极(3)和检测电极(4)表面均涂有绝缘层，确保电极中的金属在测量时不与碳纤维直接接触，实现非接触无损测量。 3.一种使用权利要求1所述装置的CFRP材料无损检测方法，其特征在于具体步骤如下： 1)电阻抗测量模块中的DSP芯片完成系统初始化，发送控制信号，FPGA芯片接受控制信号，其内部的DDS模块辅以DAC芯片产生正弦激励信号，通过激励电极(3)施加于被测试件；激励电极(3)与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C1，激励电极(3)与检测电极(4)间的碳纤维形成等效成电阻Rx，检测电极(4)与试件内的碳纤维通过试件表面绝缘的树脂及电极表面的绝缘层形成耦合电容C2，使三者构成RC串联交流测量通路； 2)以两电极间的碳纤维形成的等效电阻Rx为待检测的值，耦合电容C1和C2为背景信号，检测电路的等效阻抗Z的计算公式为：其中，f为激励信号的频率，j为虚数单位； 3)检测电极(4)的信号进入电阻抗测量模块(1)后，模块内的电流-电压转换电路将信号转换成正弦电压信号，该信号经过ADC芯片数字化采样后，送入电阻抗测量模块的FPGA芯片中进行数字相敏解调计算，数字相敏解调完成后，DSP芯片接收FPGA芯片中的数字相敏解调计算结果，并对计算结果进行处理，得到两电极间碳纤维的等效电阻； 4)得到未损坏的CFRP材料的极限拉伸强度，在室温下对CFRP材料在极限拉伸强度内进行不同强度的疲劳加载试验，记录疲劳程度与等效电阻变化；用等效电阻变化作为损伤参数建立疲劳损伤模型，建立累积损伤中CFRP材料等效电阻与疲劳损伤状态之间的关系；利用试验获得的CFRP试件的等效电阻值，通过与建立的模型相匹配，得到试件的损伤程度，从而实现电容耦合非接触方式的CFRP材料的无损检测。 4.根据权利要求3所述的CFRP材料无损检测方法，其特征在于：所述的步骤3)具体为：检测电极流出的交流电流，经过电流-电压转换电路转化为交流电压，该电压经过ADC芯片离散采样后，送入数字相敏解调模块后分解为同相分量V1和正交分量V2，根据和V1和V2，计算检测信号的幅值Aout和相位θ；假设激励信号Vin(t)为： Vin(t)＝Ainsinωt 其中，ω为正弦交流激励信号的角频率；经过电流-电压转换电路之后的交流电压信号Vout(t)为： Vout(t)＝Aoutsin(ωt+θ) 该信号通过ADC芯片可以转换为数字信号Vout(n)为 Vout(n)＝Aoutsin(2πn/N+θ) 式中，N为正弦信号每个周期的采样点数，n＝0,1,2…,N-1；同相参考信号为： Vsin(n)＝Bsin(2πn/N) 正交参考信号为： Vcos(n)＝Csin(2πn/N) 式中，B和C分别为两路参考信号的幅值，将参考信号Vsin(n)和Vcos(n)分别与Vout(n)进行乘法累加计算，得到由上述两式得到通过幅值Aout和相位θ可以推算出检测电路的等效阻抗，具体推算过程如下：假设检测电路的等效阻抗其中Rx为等效电阻，Cx为等效电容，j为复数阻抗的虚数单位，则激励信号Vin(t)和经过电流-电压转换电路之后的交流电压信号Vout(t)可表示为：其中，Rf为电流-电压转换电路的放大倍数；由上式可得Vout(t)的振幅和相位为：将之前得到的振幅、相位与上述两式联立可求得电阻Rx和电容Cx：
所属类别：	发明专利