CN106404843A - 基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头，该检测探头的三个相同的固定电极在壳体内的圆周方向均匀分布，用作测量电极；活动电极位于壳体的中心，用作激励电极，所述四个电极之间通过填充材料绝缘隔离，四个电极通过导线与外部显示仪器连接。有益效果是该检测探头能够满足平面、凹面、凸面零件的不同测量需求。探头的中心激励电极为活动式结构，可根据被测材料表面形状，自动调节探头高度，实现探头与被测材料的良好贴合，提高探头使用灵活性。根据所测电极间阻抗和被测材料的电学特性。适用于弱导电性材料构件的无损探伤，测量电导率为100000S/m以下的材料，且探头整体结构简单，操作方便，实用性强。

Description

基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头

技术领域

本发明属于弱导电材料无损检测技术领域，尤其涉及具有一定导电性能且具有较小弧度的复合材料板的一种基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头。

背景技术

新型碳纤维复合材料广泛应用于飞机、轮船等大型设备。由于材料在制造及其使用过程中可能出现不同类型损伤及缺陷，及时有效地对材料实现早期诊断，对其损伤容限进行合理评估，是保证使用安全的重要途径。目前，广泛采用的无损检测方法有热成像法、超声检测、电涡流检测、扫描声学显微镜、X射线检测等。

电学检测与上述检测方法相比，具有无毒、无辐射、结构简单、便携、适应性强、检测范围广等优点。当碳纤维复合材料存在裂纹、脱胶、分层、内部挤压变形、液体渗入等缺陷时，其导电率或等效的相对介电常数也将发生变化。不同于金属材料，复合材料的电导率很小，难以采用常规的电涡流检测方法。

电学检测方法利用探针(或电极)测量被测复合材料区域因结构损伤引起的电导率和/或介电常数的变化。测量用的探针(或电极)一般有双电极、四电极和阵列电极等形式，这些方法均有其不足之处。

某些导电材料电学测试仪采用双探针结构，仅适用于固定形状材料检测，测量精度较低，且大多用于实验室测量。

较精密的电导率测试仪常采用四电极结构。将电极位置精确定位，并通过导电银浆与被测材料连接在一起，保证良好贴合，测量结果准确可靠。该方法多用于实验室测量，不能很好地适用于实际生产环境。

阵列式多电极传感器也已问世，可是其电极数目过多，一般多大于九个电极。在测量非平面材料时，部分电极不能与被测材料良好贴合，会有空隙形成。该空隙可以等效为电容，这将导致传感器与被测材料之间接触阻抗的增加(例如，若圆形电极半径为2.5mm，传感器与材料之间若有1mm的间隙则可等效为一个0.017pF的电容)。若所有电极均设计为活动电极，则构造复杂且增大了探头的体积。

为了使电极与被测材料良好贴合，可将阵列多电极传感器中的所有电极都用导电银浆固定。虽然可以避免两者之间的空隙形成，使得测量的数据更加精确，但是由于电极与被测材料固定在一起，会影响被测材料的后续使用。所以一般用于实验研究用，难以用于实际的生产环节。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头，既可满足方便灵活的使用要求，又能保证在被测材料表面为平面、微凹面或微凸面时，所有电极和被测材料表面能够良好贴合。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头，其中：该检测探头包括有三个相同的固定电极、一个活动电极、壳体、导线、填充材料，三个相同的固定电极在壳体内的圆周方向均匀分布，用作测量电极；活动电极位于壳体的中心，用作激励电极，所述四个电极之间通过填充材料绝缘隔离，四个电极通过导线与外部显示仪器连接。

本发明的效果是该检测探头：

(1)能够满足平面、凹面、凸面零件的不同测量需求。探头的中心激励电极为活动式结构，可根据被测材料表面形状，自动调节探头高度，实现探头与被测材料的良好贴合，提高探头使用灵活性。可保证电极与被测材料表面良好接触，适用于平面、微凹面、微凸面材料，结构简单。无需将电极与被测材料表面粘贴，手持测量更为快捷、灵活。

(2)本探头可以测量弱导电性材料，也可测量较强导电性材料；可以测量电导率为100000S/m以下的材料。

(3)本探头与外部电阻匹配后形成六桥臂电桥，六个桥臂可两两组合，形成3个典型的4臂电桥。由于良好的接触，消除了电极与被测表面的间隙，尽可能地减小了附加的接触阻抗，与固定的多电极阵列传感器相比，极大地提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明检测探头的结构示意图；

图2是图1的A向视图；

图3是本发明探头在图2中所示的B-B方向的剖面图；

图4是本发明六电桥阻抗测量示意图；

图5是本发明实施例一示意图；

图6是本发明实施例一的探头示意图；

图7是本发明实施例二的探头示意图；

图8是本发明实施例测量时的阻抗等效图。

图中：

1、固定电极 4、活动电极 5、壳体 6、导线

7、填充材料 8、飞机雷达罩

具体实施方式

结合附图对本发明的基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头结构作进一步说明：

本发明的基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头，该检测探头包括有三个相同的固定电极1、一个活动电极4、壳体5、导线6、填充材料7，三个相同的固定电极1在壳体5内的圆周方向均匀分布，用作测量电极；活动电极4位于壳体5的中心，用作激励电极，所述四个电极之间通过填充材料7绝缘隔离，四个电极通过导线6与外部显示仪器连接。所述的活动电极4内部置有弹簧，使活动电极5的长短伸缩可调。

本发明的基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头功能是这样实现的：

如图1所示，本发明的基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头的三个固定电极1在圆周方向均匀分布，一个活动电极4位于圆心。活动电极4内有弹簧结构，弹簧结构使活动电极4具有调整上下位置的功能。四个电极内嵌在壳体5里，只有顶端一小部分露出，四个电极形成微凸的结构，如图3所示。三个固定电极1可以与被测材料表面良好接触，活动电极4可以根据材料表面的凹凸情况自行调整伸出长度，从而与被测表面良好接触。

如图4所示，活动电极4与任一固定电极间的电学模型可等效为一个电阻和电容的并联结构，阻抗为针对弱导电性的材料，激励源使用高频交流激励，四个电极均采用大面积结构，相邻电极间距小，此时电容占主导地位，如图2所示。而针对较强导电性的材料，激励源使用低频交流激励，四个电极均采用小面积结构，相邻电极间距大，此时电阻占主导地位。从四个电极另一端各引出一根导线6，四根导线在壳体5内部绞合成一根表面覆盖有屏蔽层的多芯电缆，最后从壳体5内引出，连接至显示仪器。

所述检测探头可等效为三个阻抗，与外部电阻匹配后，可构成六桥臂电桥。六个桥臂可两两组合，形成3个典型的4臂电桥。测量时，探头扫过被测区域，激励电流从中心活动电极4流出，然后流过被测材料，再经三个相同固定电极1组成闭合回路。利用差动放大电路测量三个相同固定电极1与活动电极4之间的阻抗值，并在显示器中显示出各自对应的电压数值，U₁,U₂,U₃。将测出的三个电压值与标准件记录的电压值进行比较，如果对应电压数值之间没有明显差距，说明被测材料是完好无损的；但如果发现对应电压数值之间差距较大，则可以推断被测材料出现了损伤或者缺陷。用于碳纤维复合材料的电阻抗式无损检测探头，选用飞机雷达罩(8)作为实施例一的被测对象，且其导电性较弱。采用高频激励源，大面积电极探头，如图5所示。因为飞机雷达罩是微凸面材料，测试时，探头中心的活动电极4会收缩，此时三个固定电极1及一个活动电极4会与雷达罩紧密贴合。如图6所示。此时四个电极之间被测材料的阻抗可以等效成三个电阻抗，如图8所示。与外部电阻匹配后，可构成六桥臂电桥。测量时，探头扫过被测区域，激励电流从中心活动电极4流出，然后流过被测材料，再经三个固定电极1组成闭合回路。飞机雷达罩8等效成的三个电阻抗与外部电阻匹配后，可构成六桥臂电桥。六个桥臂可两两组合，形成3个典型的4臂电桥。利用差动放大电路测量三个方向阻抗值，并在显示器中显示出各自对应的电压数值U₁,U₂,U₃。将测出的三个电压值与标准件记录的电压值进行比较，如果对应电压数值之间没有明显差距，说明被测材料是完好无损的；但如果发现对应电压数值之间差距较大，则可以推断被测材料出现了损伤或者缺陷。

选用导电性稍强的材料为实施例二的被测对象。此时使用低频激励源，小面积电极探头，如图7所示。测量方法与实施例一类似。

Claims (2)

1.一种基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头，其特征是：该检测探头包括有三个相同的固定电极(1)、一个活动电极(4)、壳体(5)、导线(6)、填充材料(7)，三个相同的固定电极(1)在壳体(5)内的圆周方向均匀分布，用作测量电极；活动电极(4)位于壳体(5)的中心，用作激励电极，所述四个电极之间通过填充材料(7)绝缘隔离，四个电极通过导线(6)与外部显示仪器连接。

2.根据权利要求1，所述的基于电学测量的四点式自适应调节无损检测探头，其特征是：所述的活动电极(4)内部置有弹簧，使活动电极(4)的长短伸缩可调。