小尺度淺層瞬變電磁檢測復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)研究*

陳兵芽 于潤橋

（南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330063）

碳纖維復(fù)合材料是由纖維、基體、界面組成，其細(xì)觀構(gòu)造是一個(gè)復(fù)雜的多相體系，而且是不均勻和多向異性的。復(fù)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(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)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(fù)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(jìn)行檢測，是一種新的無損檢測手段。地質(zhì)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(fù)合材料這樣的低電導(dǎo)率介質(zhì)進(jìn)行探測時(shí)，渦流信號衰減得很快，加上被測目標(biāo)距離表面很淺，顯然地質(zhì)探測中應(yīng)用的大功率儀器不能用于復(fù)合材料。為了適應(yīng)碳纖維復(fù)合材料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借鑒地質(zhì)勘探中的瞬變電磁法，提出小尺度淺層瞬變電磁法對復(fù)合材料進(jìn)行檢測。

由于理論和技術(shù)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(jì)90年代初，美國地質(zhì)調(diào)查局、加里福尼亞大學(xué)伯克利分校、亞利桑那大學(xué)等多家研究單位合作，開始研制一種甚早期時(shí)間域電磁系統(tǒng)VETEM（Very Early Time Electromanetic System），主要用于解決探地雷達(dá)及常規(guī)TEM系統(tǒng)難以解決的淺層地質(zhì)問題［2］。國內(nèi)有吉林大學(xué)的林君［3］、重慶大學(xué)的付志紅［4］等研究小組在從事這方面的工作。但應(yīng)用瞬變電磁法對復(fù)合材料進(jìn)行檢測研究，在國內(nèi)外文獻(xiàn)中未見報(bào)道。本文采用淺部瞬變電磁勘探系統(tǒng)，通過改進(jìn)檢測線圈結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的瞬變電磁檢測。

1 瞬變電磁法測量原理

當(dāng)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(yīng)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(yīng)出渦流L3，渦流的強(qiáng)弱分布依賴于被測材料電導(dǎo)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(jì)算出材料內(nèi)部渦流的大小，從而推導(dǎo)出材料內(nèi)部的電導(dǎo)率分布，來達(dá)到尋求目標(biāo)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(jié)構(gòu)，發(fā)射線圈置于2個(gè)接收線圈L2a和L2b之間，2個(gè)接收線圈串聯(lián)且繞向相反，即差動式線圈。采取這種結(jié)構(gòu)目的是為了消除一次磁場的影響。

2 實(shí)驗(yàn)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(qū)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示，該二次磁場是由復(fù)合材料受到一次磁場激勵后在其內(nèi)部形成的感應(yīng)渦流產(chǎn)生。隨復(fù)合材料試塊導(dǎo)電性能及空間賦存位置的不同，感應(yīng)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(shí)空變化特性，達(dá)到解決復(fù)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(qū)動和接收信號的調(diào)理等功能。由于瞬變電磁法存在一個(gè)淺部探測盲區(qū)，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)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(qiáng)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(zhǔn)［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(zhì)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(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料試塊如圖3所示，復(fù)合板上依次有直徑為12.7 mm、9.5 mm、6.5 mm的三個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

復(fù)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(jìn)行檢測，共采集24個(gè)點(diǎn)（1，2，…，24），其中測點(diǎn)6、7、8位于第一個(gè)缺陷處，測點(diǎn)13、14位于第二個(gè)缺陷處，測點(diǎn)19位于第三個(gè)缺陷處，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4中，第1個(gè)異常位于6～9點(diǎn)，第2個(gè)位于11點(diǎn)，第3個(gè)位于14～16點(diǎn)，第4個(gè)位于22～23點(diǎn)。第1個(gè)異常與已知缺陷位置基本相符合，第2個(gè)異常是偽缺陷，第3個(gè)異常與第2個(gè)缺陷位置基本上相符，第4個(gè)異常與第3個(gè)缺陷有點(diǎn)偏離。除了第2個(gè)異常是偽缺陷外，剖面曲線主要異常的個(gè)數(shù)與實(shí)際缺陷的個(gè)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(yīng)的，但又呈現(xiàn)出獨(dú)特的特性。首先，與一般的瞬變電磁響應(yīng)有滯后現(xiàn)象［6］不同，隨延遲時(shí)間增加，異常幅值減小。這是因?yàn)榫€圈中有磁芯，具有聚磁作用，改變了磁場擴(kuò)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需作進(jìn)一步處理解釋。

4 結(jié)語

針對碳纖維復(fù)合材料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借鑒地質(zhì)勘探中的瞬變電磁法，提出小尺度淺層瞬變電磁法對復(fù)合材料進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

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

（2）剖面曲線主要異常的個(gè)數(shù)與實(shí)際缺陷的個(gè)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(yīng)的。

（3）設(shè)計(jì)的檢測線圈和實(shí)驗(yàn)方法是正確的，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要作進(jìn)一步的處理解釋，才能較好地反映復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

［1］李志君.先進(jìn)復(fù)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(shù)研究［D］.吉林:吉林大學(xué)，2004.

［4］馬靜.淺層瞬變電磁信號采集與處理技術(shù)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，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(xué)報(bào)，2010，53（2）:428－434.

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