基于磁通圖像的平板三維編織復合材料試件內部缺陷檢測

萬振凱， 賈敏瑞

(天津工業大學 信息化中心， 天津 300387)

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基于磁通圖像的平板三維編織復合材料試件內部缺陷檢測

萬振凱， 賈敏瑞

(天津工業大學 信息化中心， 天津 300387)

基于量子擾動超導探測傳感器超高的磁場靈敏度，將量子擾動超導探測無損檢測技術應用于三維編織復合材料平板試件內部缺陷的無損檢測。構建了適用于量子擾動超導探測檢測需要的薄板中圓形缺陷渦流分布的理論模型。提出了量子擾動超導探測檢測平板三維編織復合材料試件內部缺陷的磁通變化成像算法,利用OPENCV軟件對磁通圖像進行處理,準確判定三維編織復合材料平板試件內部缺陷情況。試驗結果表明：該方法準確描述了被檢測試件缺陷的位置和尺寸；量子擾動超導探測磁通成像具備良好的檢測和定位的能力；相對于超聲波等傳統檢測技術，量子擾動超導探測技術是一種更為先進的三維編織復合材料無損檢測技術。

三維編織復合材料； 超導量子干涉儀； 缺陷； 無損檢測； 磁通成像

三維編織復合材料因其設計性強、易于實現結構功能一體化設計和制備，將成為實現新型航天器結構和功能設計的首選材料，也是新型材料與結構制備技術突破的重點[1]。對于航空材料應用來講，復合材料的用量及其性能水平已成為衡量其先進性的重要標志之一[2-3]。

從20世紀60年代，英國皇家航空研究院等機構就一直致力于復合材料的無損檢測研究[4]。Kalms等利用激光超聲檢測方法對碳纖維復合材料進行了無損檢測研究，該研究對于材料的內部結構復雜性以及在線檢測方面形成了自己的方法[5]。Lopez和Guido等開發了一種利用氣體吸附指示劑來標識復合材料內部缺陷的新方法[6]，Tomasz等針對亞毫米波技術的復合材料的缺陷檢測建立了有限元模型[7]。在國內，劉松平等[8]在膠接結構聲振檢測技術和高分辨率RF超聲檢測技術方面進行了研究，在復合材料的自動超聲掃描成像檢測、超聲T掃描成像方面取得了顯著成果；蘇永振等[9]研究了基于聲發射和神經網絡的復合材料沖擊定位的準確方法；天津工業大學復合材料研究所在聲發射技術方面也進行了研究[10-11]。上述研究在復合材料檢測領域取得顯著成果，但是與發達國家相比，我國復合材料無損檢測技術的研究深度仍有很大差距。

量子擾動超導探測器(SQUID)是敏感的磁通檢測設備，Carr和Hatta等利用SQUID技術對碳纖維復合材料檢測研究[12-13]；KASAI等研究證明SQUID技術檢測碳纖維復合材料的深度可達15 mm[14]；Ruosi等利用SQUID技術跟蹤復合材料缺陷演變技術[15]。HATSUKADE等采用HTS-SQUID技術測試由碳纖維覆蓋的鋁襯，準確實現了材料裂縫的無損檢測[16]。在國內，北京大學在2000年研制成功的高溫超導射頻SQUID磁強計系統，其靈敏度達5×10-15T水平，總體上與國際先進水平相當[17]。

目前，國內外已經利用SQUID技術分析復合材料缺陷，研究對象大都是層合復合材料，但用SQUID對三維編織復合材料進行無損檢測研究很少。本文分析了SQUID的工作原理和HTS-SQUID無損檢測試驗方法，利用HTM-8傳感器、液氮杜瓦、定位探頭、掃描平臺、激勵與鎖相器件以及系統控制軟件等構建測試系統。系統從渦流檢測的數學推導出發，對系統的渦電流分布進行了理論分析；利用SQUID系統對平板三維編織復合材料制件進行檢測得到磁通圖像，利用OPENCV圖像處理軟件進行圖像處理,分析材料內部的缺陷情況。

1 HTS-SQUID檢測系統

系統采用美國Tristan公司的SMM-7型三通道高溫SQUID無損檢測系統，如圖1所示。

圖1 SQUID試驗系統Fig.1 Schematic diagram of SQUID system

系統的組成如圖2所示。系統工作站通過接口轉換器NI-GPIB-USB(187965H-D1L)控制SQUID控制器(iMC-303)；iMC-303控制器通過iFL-301-H磁通鎖相環分別采集3個通道的SQUID輸出信號，該信號又被控制器發送到BNC-2090接線盒的ACH0、ACH1和ACH2接口；BNC-2090通過1個NI PCIE-6259 多功能數字I/O卡將采集到的數據傳輸到工作站中，供系統軟件進一步處理和分析。過濾器輸出連接到BNC-2090接線盒的ACH3接口。X-Y運動平臺由MID-7602步進電動機驅動器控制，驅動器通過NI PCI-7342 步進控制器連接到PC。

圖2 SQUID無損檢測系統的組成Fig.2 Composition of SQUID NDT system

試驗系統配置的SQUID傳感器型號為HTM-8，傳感器的拾取線圈大小為8 mm×8 mm，傳感器通過一段約15 cm長的柔性線纜連接到接口控制電路。系統用液態氮為傳感器正常工作維持低溫環境，該裝置被稱為液氮杜瓦。定位探頭中的傳感器分別布置在上X,Y,Z3個軸向上，如圖1所示。利用該裝置可調節杜瓦高度以適應不同厚度的試件。杜瓦的正下方是1個30 cm×30 cm的試件托盤。該托盤通過1個玻璃纖維長臂連接到步進電動機。步進電動機按照運動控制系統的指令，通過長臂帶動試件托盤在底座上沿X軸或Y軸方向滑動。

測試時，試件擺放在試件托盤上，使其隨托盤在X-Y平面內作相對于杜瓦的線性或者平面移動。所有以上部件均由玻璃纖維、特種合金等非磁性材料制成，并被固定在一塊非磁性的背板之上，以保持整個系統的穩固性。

2 SQUID檢測的缺陷模型

復合材料板中的感應渦流可定義為圍繞磁場z分量HZ(x,y,t)的曲線[12]：

(1)

式中：J為總電流；HZ為磁通量； ▽HZ為磁通變化量。

根據磁場分量的關系，可整理為：

(2)

式(2)表明感應電流J只有2個板內分量，Jx=?HZ/?y和Jy=-?HZ/?x。

根據HZ(x,y,z)調整擴散方程▽2H=μσ?H/?t得到：

(3)

式中：μ為材料的磁導；σ為電導率。

考慮一個大到足以忽略邊界效應的導體薄板，帶有半徑為a的圓形缺陷。圓形感應線圈位于薄板上方，其中心投影坐標為(c1,c2)，如圖3所示。

圖3 帶有圓形缺陷的薄板模型Fig.3 Model of circular flaw of plate

(4)

(5)

(6)

分界條件要求缺陷邊界上的電流僅具有1個切向分量。與此條件等效的是，缺陷邊界上的HZ為常量。更一般地，HZ(x,y)等于由磁力線密度決定的常量。

式(6)滿足分界條件的解如下：

(7)

根據式(7)，通過描繪磁場z向分量，缺陷板中的磁場分布情況如圖4所示。板上缺陷的半徑為a，坐標為(1，0)；激勵線圈的中心坐標為(0，0)。圖右側圓圈代表缺陷的位置，曲線代表板上缺陷周圍的磁場分布。從圖中可明顯觀察到，電流密度從線圈中心向外圍線性增加，這與半徑為R的線圈產生的均勻磁場有關。

圖4 缺陷周圍的磁場分布示意圖Fig.4 Representation of magnetic field distribution around defect

由式(7)給出的板上磁場的空間變化HZ(x,y)，可以推導出磁場HZ(x,y,t)=HZ(x,y)ejωt的表達式。由于電流密度與磁力線分布一致，可得出渦流密度為：

3 SQUID檢測及結果分析

3.1 試件的制備

系統所采用的試件使用碳纖維(3K)T300B編織，基體為環氧樹脂TDE-86，固化劑采用70酸酐。預制件為四向1×1四步法三維編織結構，采用樹脂傳遞模塑成型工藝(RTM)工藝復合固化成型,所制成的試件如圖5所示。

圖5 三維編織復合材料試件Fig.5 Sample of braided composites

系統中，沖擊試驗利用MTS ZBC7000擺錘沖擊試驗機完成。該試驗機主機架和底座一體化設計鑄造加工，立柱前后對稱，擺軸采用簡支梁方式支承擺錘沖擊時沒有顫抖，適合于高能量沖擊。試驗機技術參數主要有： 擺錘能量，簡支梁(1、2、4、7.5、15、25、50 J)， 懸臂梁( 4、5.5、11、22 J)；擺錘預揚角為150°；沖擊速度，簡支梁分別為2.9 m/s(小于等于5 J)、 3.8 m/s(大于5 J)，懸臂梁為3.5 m/s。

3.2 采用磁通成像法的材料缺陷測試

SQUID測量試件產生的磁場變化，主要依賴拾取線圈內部的磁通變化，因此，磁場和SQUID拾取線圈中的磁通變化之間存在著一定的對應關系，如式(10)[18-20]所示。

(10)

考慮行掃描的恒定速度為v，?t可表示為

(11)

得到磁通和磁場變化之間的關系：

(12)

式中A為拾取線圈面積。

以12 J沖擊5 mm試件得到的磁場圖像如圖6所示。為分析測量的缺陷精度，應用圖像處理的理論對圖6進行分析。系統應用OPENCV(open source computer vision library)進行開發，試驗選擇OPENCV函數庫和32位C/C++編譯系統(VS2008)作為軟件開發平臺，采用數學形態學分割方法中的分水嶺算法。

圖6 在12 J沖擊時5 mm試件的磁場成像Fig.6 Image of magnetic field variation for sample impacted at 12 J

對圖6中的磁通圖像，經邊緣檢測得到的二維圖像如圖7所示，其中的橢圓形點表示了缺陷的位置和大小。圖7顯示了對應試件的實際缺陷情況。

圖7 12 J沖擊的試件及其磁通變化成像Fig.7 Imaging of magnetic flux variation(a) and sample impacted at 12 J (b)

圖8 以12 J沖擊5 mm試件的超聲檢測結果Fig.8 Ultrasound inspection of specimens impacted at 12 J

試驗表明，利用SQUID進行CFRPs缺陷的無損檢測定位，缺陷顯示為一個黑色斑點，其形狀、尺寸與試件背面的缺陷吻合。為驗證其合理性,使用美國Imperium公司生產的 i600 AcoustoCam 超聲成像系統，配置3 MHz傳感器，對12 J沖擊下的試件進行超聲檢測，所得到的結果如圖8所示。

通過圖7(a)可看出，該試件在12 J沖擊下，缺陷尺寸是16.5 mm×5.2 mm。 圖8中，中央黑色孔洞為材料沖擊缺陷，尺寸為15.2、7.8 mm，通過試件試驗直接測量損傷大小，約為10、4.2 mm。從以上試驗結果可發現，即使對于隱藏在試件內部不可見的試件損傷缺陷，通過SQUID磁通成像也能測量出來。同時這也說明，三維編織復合材料纖維變形對磁通量具有很大影響，在12 J沖擊情況下試件邊緣部分僅導致了結構損傷，沒有纖維斷裂的情況，從試件表面觀察不到明顯的缺陷，所以超聲波技術不能測量出缺陷邊緣的準確位置，這證明SQUID方法比超聲波技術能呈現出更多試件缺陷信息，其結果比超聲波測量結果準確。

圖9 中部和兩側編織工藝不同的無缺陷試件Fig.9 Photograph of 3-D braided composite with different braided method in middle and edge of no defect

3.3 無缺陷試件的內部紋理檢測試驗

為進一步驗證SQUID無損檢測系統的能力，針對無缺陷試件進行試驗。該試件中部和兩側的編織方法是不同的，試件中間部分編織角比兩側的要大，編織工藝的不同導致了試件外觀紋樣的不同，內部結構也必然存在著不同，如圖9所示。

試件尺寸為400 mm×150 mm×5 mm的平板三維編織碳纖維復合材料。

圖10為該試件超聲成像圖。可看出該試件編織角雖然存在差異，但超聲波未能檢測出明顯的差異，這說明超聲成像技術不能用于試件內部沒有較大突變的缺陷檢測，試件紋理的變化對超聲成像影響不大。

圖10 無缺陷試件的超聲檢測圖Fig.10 Ultrasound inspection of specimen with no flaws

利用SQUID系統行掃描該試件，激勵頻率為75 Hz，激勵電壓為4 V，掃描的結果如圖11(a)所示。

圖11 無缺陷試件的SQUID檢測結果圖Fig.11 Result map of SQUID for no-defects specimen.(a) Picture of flux image; (b) Figure of edge detection

圖11(b)示出系統圖11(a)的邊緣處理圖像。從圖11(b)可清楚地觀察到與編織物結構變化相對應的磁場變化。兩側的編織結構較緊密，相應的其內部碳纖維體積含量較高，根據前述分析，這部分的電阻值較小，內部的激勵電流較大，相應的感應磁場的強度就較大，同樣，中間部分的編織結構較松散，其內部碳纖維體積含量較低，電阻值較大，內部的激勵電流較小，感應磁場的強度就較小。

試驗結果表明，SQUID無損檢測系統對微弱磁場的超高靈敏感程度，使這些結構沒有任何的缺陷存在, 系統可分辨三維編織復合材料內部不同編制方法所造成的內部結構變化。

4 結 論

1)應用SQUID檢測磁通變化成像準確顯示了被檢測缺陷的位置和尺寸。使用OPENCV軟件能精確分析三維編織復合材料的內部缺陷。

2)應用SQUID技術能分析復合材料內部編織結構，這說明SQUID技術對于三維編織復合材料的檢測具有較高的精度，可利用圖像處理技術分析材料的紋理結構。

3)由于SQUID設備的限制，本文只研究了平板三維編織復合材料試件，對于錐形、圓形等制件內部缺陷測量未做分析，這將是今后研究的方向。

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Flux image-based internal defect detection for flat test pieces of three-dimensional braided composites

WAN Zhenkai， JIA Minrui

(InformationCenter,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

Based on ultrahigh sensitivity of the SQUID sensor, the SQUID nondestructive testing is used in nondestructive detection of the internal defect of flat pieces for 3-D braided composites. The system constructs the theory model of circular eddy current distribution in the thin sheet, which is suitable for the SQUID testing requirements. This paper presents flux imaging algorithm for the SQUID detection of the internal defect in flat pieces of 3-D braided composites. The OPENCV was used for processing the flux image and detecting the internal defect condition of the flat pieces of 3-D braided composites. Experimental results show that the method is accurate to describe the location and size of defects of the detected test piece. The SQUID magnetic flux imaging has good function for detection and location. Compared with the conventional detection technologies such as ultrasonic detection, the SQUID technology is a more advanced nondestructive testing technique suitable for 3-D braided composites.

three-dimensional braided composite material; superconducting quantum interference device; defect; non-destructive testing; flux image

10.13475/j.fzxb.20140601807

2014-06-16

2015-03-19

教育部博士點基金項目(200800580004)

萬振凱(1964—)，男，教授，博士。主要研究方向為三維編織復合材料檢測方法。E-mail:wanzhenkai@tjpu.edu.cn。

TS 101.2

A