基于柔性渦流傳感器疲勞裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究*

李培源，何宇廷，杜金強(qiáng)，張 飛，焦勝博

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安710038)

0 引 言

傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)是依據(jù)設(shè)計(jì)制造階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定的技術(shù)手冊(cè)，分階段定期檢查維修。隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜、使用強(qiáng)度不斷增加、服役使用壽命不斷延長(zhǎng)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)維修已經(jīng)難以保證飛機(jī)飛行安全?；诮Y(jié)構(gòu)健康/損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)(SHM)的視情維修方式被提出來(lái)并逐漸應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的精確維修中，其能夠準(zhǔn)確在結(jié)構(gòu)安全隱患發(fā)生的初期發(fā)現(xiàn)并能夠定位和確定隱患的程度，進(jìn)而提供結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估，規(guī)劃管理結(jié)構(gòu)剩余壽命，對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)控［1，2］。

電磁渦流監(jiān)測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的五大常規(guī)檢測(cè)方法之一(射線、超聲、磁粉、滲透和渦流)［3］，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的重要分支，它幾乎可以應(yīng)用到所有的導(dǎo)電材料損傷監(jiān)測(cè)，易于同結(jié)構(gòu)集成，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，能穿透被測(cè)件的覆蓋層等優(yōu)點(diǎn)［4～6］，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防工業(yè)、冶金，核能等部門(mén)。

渦流檢測(cè)技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)裂紋檢測(cè)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較少。早期美國(guó)磁通公司在Michaelvgo 的領(lǐng)導(dǎo)下設(shè)計(jì)制造了多種渦流檢測(cè)儀器，Bos，Sahlen 等人研制了多頻渦流自動(dòng)掃描設(shè)備，主要用于飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)的檢測(cè)［7］。Dogaru T 使用巨磁電阻(giant magneto－resistance，GMR)制作掃描渦流探頭傳感器，可檢測(cè)雙層結(jié)構(gòu)緊固件附近裂紋［8］。近年來(lái)，渦流檢測(cè)開(kāi)始和其他渦流檢測(cè)技術(shù)融合發(fā)展［9］。

渦流陣列(eddy current array)檢測(cè)技術(shù)是對(duì)電磁渦流檢測(cè)探頭線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行陣列化設(shè)計(jì)，即將很多獨(dú)立的子探頭線圈按特定的組合形式排列在平面或者曲面上構(gòu)成陣列，各子單元獲取包含缺陷信息的渦流信號(hào)，并匯入信號(hào)處理系統(tǒng)，完成對(duì)材料或構(gòu)件快速，高效的檢測(cè)。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于金屬件焊縫、腐蝕和疲勞裂紋檢測(cè)，渦輪機(jī)、蒸汽發(fā)生器、熱交換器以及壓力容器管道等的檢測(cè)中［10～13］。

本文設(shè)計(jì)了一種基于柔性電路板柔性渦流陣列傳感器，并搭建了裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，分別對(duì)304 奧氏體不銹鋼、2A12—T4 鋁合金和TC4 鈦合金三種材料進(jìn)行了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了渦流傳感器具有定量監(jiān)測(cè)裂紋的能力。

1 渦流監(jiān)測(cè)原理

金屬導(dǎo)體附近放置線圈，當(dāng)線圈中通過(guò)交變電流時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，被測(cè)導(dǎo)體中也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，電渦流和線圈綜合影響磁場(chǎng)的分布，該磁場(chǎng)分布包含金屬導(dǎo)體的狀態(tài)信息，通過(guò)分析線圈的阻抗可以推出其損傷信息［14，15］，原理示意圖如圖1 所示。

圖1 電渦流監(jiān)測(cè)基本原理Fig 1 Basic principle of eddy current monitoring

2 渦流傳感器

飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的渦流傳感器需要具有重量小，易于同結(jié)構(gòu)集成而不改變結(jié)構(gòu)承力情況，同時(shí)需要具備足夠的可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。柔性電路板渦流傳感器可以自適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)表面、體積小、厚度薄、耐腐蝕，能夠較好滿(mǎn)足飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的要求。

渦流傳感器具有激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈組成規(guī)則形狀，呈周期性排列。本文設(shè)計(jì)的柔性傳感器如圖2 所示。由圖可見(jiàn)，激勵(lì)線圈沿之字走線，激勵(lì)線圈中分布著環(huán)狀的感應(yīng)線圈，為了最大程度減小竄擾，在激勵(lì)和感應(yīng)線圈中間插入地線隔離線。感應(yīng)通道保持相對(duì)獨(dú)立，即各通道感應(yīng)線圈只對(duì)其下方的結(jié)構(gòu)損傷敏感。當(dāng)裂紋通過(guò)對(duì)應(yīng)感應(yīng)線圈下位置時(shí)，感應(yīng)線圈輸出信號(hào)信息會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)記錄傳感器各個(gè)感應(yīng)通道輸出信號(hào)的變化就實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的監(jiān)測(cè)。柔性渦流傳感器通過(guò)類(lèi)似分段監(jiān)測(cè)的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋損傷的定量監(jiān)測(cè)，感應(yīng)線圈的間隔就是該傳感器的監(jiān)測(cè)分辨率。

3 預(yù)置疲勞裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

圖2 柔性渦流傳感器示意圖Fig 2 Schematic diagram of flexible eddy current sensor

將渦流傳感器固定到電控位移試驗(yàn)臺(tái)的探頭上，通過(guò)電控位移試驗(yàn)臺(tái)探頭的精準(zhǔn)位移模擬裂紋的擴(kuò)展。電控位移試驗(yàn)臺(tái)和固定渦流傳感器探頭細(xì)節(jié)如圖3 所示，預(yù)置裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖3 電控位移試驗(yàn)臺(tái)與探頭細(xì)節(jié)圖Fig 3 Electric control displacement test platform and detail of probe

圖4 預(yù)置裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Structure diagram set crack monitoring system

試驗(yàn)件:試驗(yàn)件表面拋光處理，中心打直徑6 mm 的圓孔便于線切割，選用直徑0.1 mm 的鉬絲預(yù)置裂紋，如圖5所示。

1)2A12—T4 鋁合金，尺寸為150 mm×50 mm×4 mm，預(yù)置裂紋為40 mm×0.5 mm 穿透裂紋。

2)304 奧氏體不銹鋼，尺寸為200 mm×50 mm×2 mm，預(yù)置裂紋為45 mm×0.2 mm，45 mm×0.4 mm，45 mm×0.6 mm穿透裂紋。

3)TC4 鈦合金，尺寸為200 mm×40 mm×2 mm，預(yù)置裂紋為20 mm×0.2 mm，20 mm×0.3 mm，20 mm×0.4 mm，20 mm×0.5 mm 穿透裂紋。

試驗(yàn)方法:將傳感器固定于電控試驗(yàn)臺(tái)探頭上，試驗(yàn)件固定在試驗(yàn)臺(tái)的擋板上，使傳感器受力均勻，抑制提離距離干擾。激勵(lì)為幅值為1 V，初始相位為0°的交變電壓。首先在不含裂紋區(qū)域采集基準(zhǔn)信號(hào)，之后沿預(yù)置裂紋方向平穩(wěn)步進(jìn)移動(dòng)固定傳感器的探頭，步長(zhǎng)為0.2 mm，記錄激勵(lì)和感應(yīng)線圈電壓幅值和相位。

圖5 2A12—T4 鋁合金預(yù)置裂紋試驗(yàn)件Fig 5 Set crack specimen of 2A12—T4 aluminum alloy

系統(tǒng)輸出特征信號(hào)定義為跨阻抗相較于基準(zhǔn)值的變化率，即

通過(guò)分析線圈的幅值和相位及跨阻抗變化率可以定量監(jiān)測(cè)裂紋，跨阻抗變化率代表了監(jiān)測(cè)靈敏度的大小。

3.1 柔性渦流傳感器監(jiān)測(cè)304 奧氏體不銹鋼

首先獲取在不同激勵(lì)頻率下有無(wú)預(yù)置裂紋對(duì)輸出跨阻抗的變化影響，第一通道數(shù)據(jù)變化和傳感器輸出變化規(guī)律分別如表1 和圖6 所示?？梢钥闯?隨著激勵(lì)頻率的增大，4 個(gè)感應(yīng)通道跨阻抗變化率都增大，增速減緩，相位變化很小，相應(yīng)的幅值比主導(dǎo)跨阻抗變化率。

表1 第一通道跨阻抗參數(shù)Tab 1 Transimpedance parameters of channel 1

圖6 跨阻抗變化率隨激勵(lì)頻率變化曲線(預(yù)置寬0.4 mm 裂紋)Fig 6 Curve of transimpedance change rate vs excitation frequency(preset crack with 0.4 mm width)

以激勵(lì)頻率為0.8，以一、二通道為例子，得到系統(tǒng)各通道輸出跨阻抗變化如圖7 所示?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)各通道跨阻抗變化，可以精確實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)裂紋過(guò)程中，第一通道跨阻抗出現(xiàn)陡增現(xiàn)象說(shuō)明裂紋擴(kuò)展至第一通道下方監(jiān)測(cè)區(qū)域，當(dāng)?shù)诙ǖ揽缱杩钩霈F(xiàn)陡增現(xiàn)象說(shuō)明裂紋擴(kuò)展至第二通道下方監(jiān)測(cè)區(qū)域，一、二通道的間距即為裂紋當(dāng)前擴(kuò)展的長(zhǎng)度。同理，三、四通道乃至擴(kuò)展更多通道跨阻抗發(fā)生陡增變化，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展至對(duì)應(yīng)通道下方監(jiān)測(cè)區(qū)域，通道的間距即為監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展分辨率。

圖7 一二通道跨阻抗變化率曲線(預(yù)置寬0.4 mm 裂紋)Fig 7 Transimpedance change rate curve of channel 1 and 2(preset crack with 0.4 mm width)

傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)置不同寬度裂紋試驗(yàn)件研究裂紋寬度對(duì)系統(tǒng)跨阻抗變化影響，由于4 個(gè)感應(yīng)通道變化規(guī)律相同，此處以第一通道為例說(shuō)明，不同寬度預(yù)置裂紋下跨阻抗變化如圖8 所示。由圖可見(jiàn)，隨著裂紋寬度增大，跨阻抗變化率稍有增大，這是由于試件預(yù)置裂紋寬度增加，試件中形成的感應(yīng)磁場(chǎng)減弱，對(duì)激勵(lì)磁場(chǎng)的削弱作用減小，使得感應(yīng)線圈輸出跨阻抗幅值比增大，而跨阻抗幅值比主導(dǎo)跨阻抗變化率。

圖8 不同寬度預(yù)置裂紋下一通道跨阻抗變化率曲線Fig 8 Transimpedance change rate curve of channel 1 under different prefset width crack

3.2 柔性渦流傳感器監(jiān)測(cè)2A12—T4 鋁合金

監(jiān)測(cè)2A12—T4 鋁合金試件，記錄對(duì)應(yīng)條件下跨阻抗幅值和相位，裂紋改變跨阻抗變化率如圖9 所示。各通道隨激勵(lì)頻率的變化并不大，第二感應(yīng)通道變化率最大，第四感應(yīng)通道變化率次之，一、三感應(yīng)通道變化率最小，較為接近。綜合各通道監(jiān)測(cè)靈敏度隨激勵(lì)頻率變化曲線，選擇最優(yōu)激勵(lì)頻率為3 MHz。

傳感器隨著位移臺(tái)移動(dòng)，系統(tǒng)輸出跨阻抗變化率如圖10所示?？梢钥闯?，傳感器在進(jìn)入預(yù)置裂紋區(qū)域前和全部進(jìn)入預(yù)置裂紋后，輸出跨阻抗基本不變化，在通過(guò)預(yù)置裂紋的過(guò)程中，從感應(yīng)一通道至感應(yīng)四通道跨阻抗依次出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，陡增點(diǎn)位移間隔都為1 mm，且各通道陡增區(qū)間同樣為1 mm。

圖9 跨阻抗變化率隨激勵(lì)頻率變化曲線(預(yù)置寬0.5 mm)Fig 9 Curve of transimpedance change rate with excitation frequency(preset crack with 0.5 mm width)

圖10 跨阻抗變化率隨位移變化曲線Fig 10 Curve of transimpedance change rate with displacement

相較于監(jiān)測(cè)304 奧氏體不銹鋼試件跨阻抗變化率(范圍大概在2%之內(nèi))，監(jiān)測(cè)2A12—T4 鋁合金試件跨阻抗變化率在2%～5%，這是由于2A12—T4 鋁合金電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于304奧氏體不銹鋼。

3.3 柔性渦流傳感器監(jiān)測(cè)TC4 鈦合金

不同激勵(lì)頻率下預(yù)置裂紋對(duì)跨阻抗影響如圖11 所示。隨著激勵(lì)頻率增大，4 個(gè)感應(yīng)通道跨阻抗變化率都增大。

圖11 跨阻抗變化率隨激勵(lì)頻率變化曲線(預(yù)置寬0.5 mm 裂紋TC4 鈦合金)Fig 11 Curve of transimpedance change rate with excitation frequency(preset crack with 0.5 mm width)

以激勵(lì)頻率為0.8，得到系統(tǒng)輸出跨阻抗變化如圖12所示。監(jiān)測(cè)TC4 鈦合金跨阻抗變化規(guī)律同監(jiān)測(cè)304 奧氏體不銹鋼和2A12—T4 鋁合金規(guī)律相同，各通道跨阻抗變化率出現(xiàn)陡增現(xiàn)象時(shí)，裂紋“擴(kuò)展”至對(duì)應(yīng)通道下方區(qū)域，矩形傳感器能夠有效獲取TC4 鈦合金裂紋信息，定量監(jiān)測(cè)裂紋長(zhǎng)度。

4 結(jié) 論

1)本文設(shè)計(jì)的柔性渦流傳感器針對(duì)不同監(jiān)測(cè)材料具有不同最優(yōu)頻率，針對(duì)電導(dǎo)率較大的2A12—T4 鋁合金材料，最優(yōu)監(jiān)測(cè)頻率為0.3，而對(duì)于電導(dǎo)率小一些的304 奧氏體不銹鋼和TC4 鈦合金最優(yōu)監(jiān)測(cè)頻率增大。

圖12 跨阻抗變化率曲線(預(yù)置寬0.5 mm 裂紋)Fig 12 Transimpedance change curve(preset crack with 0.5 mm width)

2)裂紋對(duì)柔性渦流傳感器跨阻抗輸出幅值和相位影響不同，針對(duì)304 奧氏體不銹鋼材料，當(dāng)監(jiān)測(cè)材料含有裂紋時(shí)，跨阻抗幅值增大，相位減小，相位變化率遠(yuǎn)小于幅值變化率。

3)試件預(yù)置裂紋寬度增大，傳感器輸出跨阻抗變化率增大，裂紋寬度影響電渦流大小和分布，對(duì)跨阻抗輸出有影響，通過(guò)分析輸出跨阻抗變化率可以定性分析預(yù)置裂紋寬度。

4)當(dāng)輸出跨阻抗變化率出現(xiàn)陡增現(xiàn)象時(shí)，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展至對(duì)應(yīng)感應(yīng)通道下方，渦流傳感器感應(yīng)線圈分段監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂紋的識(shí)別和定量監(jiān)測(cè)，分辨率達(dá)到1 mm。

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