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。20世紀90年代初，美國地質調查局、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VETEM（Very Early Time Electromanetic System），主要用于解決探地雷達及常規TEM系統難以解決的淺層地質問題［2］。國內有吉林大學的林君［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，在國內外文獻中未見報道。本文采用淺部瞬變電磁勘探系統，通過改進檢測線圈結構，可以實現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，計算出材料內部渦流的大小，從而推導出材料內部的電導率分布，來達到尋求目標體的一種檢測方法，它是對檢測對象所產生異常的研究，如圖1所示。在圖中，線圈采用了發射線圈和接收線圈同軸的結構，發射線圈置于2個接收線圈L2a和L2b之間，2個接收線圈串聯且繞向相反，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

檢測系統分為電流發射部分和瞬變信號接收部分，電流發射部分通過驅動電路將電流信號由發射線圈產生一次磁場，激發的二次磁場由接收線圈獲得經過信號調理后進行數據采集和顯示，該二次磁場是由復合材料受到一次磁場激勵后在其內部形成的感應渦流產生。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完成檢測系統的電流信號的產生、驅動和接收信號的調理等功能。由于瞬變電磁法存在一個淺部探測盲區，為了實現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，發射與接收線圈的匝數較多，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檢測數據的質量，使瞬變電磁法在超淺層探測中更能有效地發揮作用。

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射和接收線圈均為30匝，磁芯直徑為5 mm，發射電流為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與實際缺陷的個數相同，而且異常寬度與缺陷大小的變化規律也是一一對應的，但又呈現出獨特的特性。首先，與一般的瞬變電磁響應有滯后現象［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，實驗數據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與實際缺陷的個數相同，而且異常寬度與缺陷大小的變化規律也是一一對應的。

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

［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.