柔性矩形渦流陣列傳感器裂紋檢測性能研究*

施越紅，楊卓君，杜金強(qiáng)，何宇廷，李培源

(1.中國人民解放軍95831 部隊(duì)，上海310000;2.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安710038)

0 引 言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)是飛機(jī)裝備的載體，是飛機(jī)在使用期限內(nèi)滿足規(guī)定功能和任務(wù)需求的基礎(chǔ)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)疲勞損傷是難免的，若機(jī)體主承力結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的疲勞裂紋不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以修復(fù)，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故［1，2］。長期以來，無損檢測技術(shù)在保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性中發(fā)揮著極其重要的作用［3］。渦流檢測技術(shù)作為五種常規(guī)無損檢測方法之一，以其檢測速度快、可與試件不直接接觸、無需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷檢測［4］。近年來，為有效解決在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行手控檢測時(shí)工作量大、效率和可靠性低的問題，由多探頭、多通道檢測發(fā)展而來的陣列渦流檢測技術(shù)迅速得到世界各國的重視［5～7］。

針對(duì)飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)廣布疲勞損傷的檢測需求，本文對(duì)一種柔性矩形渦流陣列傳感器進(jìn)行了分析，研究了傳感器的裂紋檢測特性，優(yōu)化了裂紋檢測頻率。

1 柔性矩形渦流陣列傳感器

柔性矩形渦流陣列傳感器由一個(gè)激勵(lì)線圈和多個(gè)周期性分布于激勵(lì)線圈兩側(cè)的感應(yīng)線圈構(gòu)成，如圖1 所示［8，9］。檢測裂紋時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電流的作用下，激勵(lì)線圈周圍產(chǎn)生周期性分布的電磁場，感應(yīng)線圈接收激勵(lì)場在檢測空間內(nèi)的反射場。其中，對(duì)反射場影響最大的是感應(yīng)線圈覆蓋區(qū)域下材料的電磁特性參數(shù)和邊界條件。在其它條件不變的情況下，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷到達(dá)感應(yīng)線圈的檢測區(qū)域時(shí)，相應(yīng)感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化，通過檢測各感應(yīng)線圈的信號(hào)變化情況，就可以實(shí)現(xiàn)裂紋的定量檢測。采用柔性電路板工藝制作矩形渦流陣列傳感器，傳感器柔韌性較好，適用于各種曲面結(jié)構(gòu)的檢測。

圖1 矩形渦流陣列傳感器Fig 1 Rectangle eddy current array sensor

2 陣列傳感器裂紋檢測特性有限元分析

1)柔性矩形渦流陣列傳感器的物理模型

柔性矩形渦流陣列傳感器裂紋檢測的物理模型主要由渦流陣列傳感器和含裂紋的金屬平板組成，如圖2 所示。平板的的材料為2A12—T4 鋁合金，尺寸為30 mm×30 mm×4 mm(長×寬×厚)，在平板中央有一尺寸為1.2 mm×0.2 mm(長×寬)的穿透裂紋(規(guī)定裂紋長度是以激勵(lì)線圈右側(cè)1 mm 處為起點(diǎn)，如圖2 所示)。在含裂紋平板的上方，放置了一個(gè)經(jīng)過簡化的渦流陣列傳感器，線圈的材料為黃銅，線圈平面與平板之間的間距為0.1 mm。

圖2 柔性矩形渦流陣列傳感器的物理模型Fig 2 Physical model for flexible rectangle eddy current array sensor

2)陣列傳感器的有限元建模與分析

在文獻(xiàn)［10，11］中，本文運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS強(qiáng)大的電磁場分析功能，建立了渦流陣列傳感器裂紋檢測的三維有限元模型(如圖3 所示)，并分析了裂紋長度和激勵(lì)信號(hào)頻率對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。研究表明:在裂紋擴(kuò)展至感應(yīng)線圈的檢測范圍并不斷伸長的過程中，相應(yīng)感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)幅值逐漸增加;當(dāng)歸一化激勵(lì)頻率約為0.3 時(shí)，傳感器的裂紋檢測能力最優(yōu)(如圖4 所示)。

3 陣列傳感器裂紋檢測特性試驗(yàn)

1)裂紋檢測試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖3 柔性矩形渦流陣列傳感器裂紋檢測的有限元模型Fig 3 Finite element model for flexible rectangle eddy current array sensor for crack inspecting

圖4 傳感器的裂紋檢測特性Fig 4 Characteristics of crack inspecting of sensor

在金屬板材上制作一條長的裂紋，通過傳感器在試驗(yàn)件表面的平穩(wěn)滑動(dòng)來模擬不同長度裂紋的檢測過程，如圖5(a)所示。本文中所使用的金屬板材為2A12—T4 鋁合金，試樣尺寸為190 mm×50 mm×4 mm，試樣的長度方向垂直于軋制方向，通過線切割在試樣中間位置制作了一條長為50 mm、寬度為0.2 mm 的穿透裂紋。傳感器為采用柔性電路板工藝制作的2 通道矩形陣列傳感器(其中，λ=1 mm，L=10 mm(參數(shù)含義如圖1 所示))。

搭建了裂紋檢測試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器、多功能試驗(yàn)臺(tái)、信號(hào)采集系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)等五部分構(gòu)成，其中，多功能試驗(yàn)臺(tái)主要由高精度數(shù)控三軸平移臺(tái)組成，用于將傳感器壓緊于被檢材料表面并平穩(wěn)移動(dòng)。

將傳感器固定于多功能試驗(yàn)臺(tái)安裝座上(如圖5(b)所示)，通過平移臺(tái)將傳感器壓緊于試驗(yàn)件表面，并給傳感器施加歸一化頻率為0.3 的正弦激勵(lì)信號(hào);然后將傳感器沿著裂紋長度方向移動(dòng)，測量不同裂紋長度時(shí)傳感器各感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)。

2)陣列傳感器裂紋檢測試驗(yàn)沿裂紋方向移動(dòng)傳感器，測量傳感器的輸出信號(hào)幅值和相位差。裂紋每“擴(kuò)展”0.2 mm測量一次，得到傳感器在裂紋接近感應(yīng)線圈I 直至穿過整個(gè)傳感器后(裂紋從0 mm“擴(kuò)展”至4 mm 時(shí))的輸出信號(hào)。分析發(fā)現(xiàn)，在裂紋“擴(kuò)展”中，相位差信號(hào)的波動(dòng)幅度較小，僅為0.5°，而幅值信號(hào)變化較大，因此，著重分析了幅值信號(hào)隨裂紋長度的變化情況，如圖6 所示(幅值進(jìn)行了歸一化處理)。

圖5 模擬裂紋檢測試驗(yàn)Fig 5 Simulating crack inspecting experiment

圖6 傳感器在不同裂紋長度時(shí)輸出信號(hào)Fig 6 Output signal of sensor in different crack length

可見，當(dāng)裂紋進(jìn)入感應(yīng)線圈I 的檢測范圍(0～1 mm)時(shí)，感應(yīng)線圈I 的幅值比信號(hào)就開始急劇增加，當(dāng)裂紋長度超過1 mm 進(jìn)入感應(yīng)線圈II 的檢測范圍(1～2 mm)時(shí)，感應(yīng)線圈II 的幅值比信號(hào)開始急劇增加。顯然若以感應(yīng)線圈幅值信號(hào)開始快速增加的“拐點(diǎn)”(圖6(b)中的A 點(diǎn))作為裂紋進(jìn)入某一感應(yīng)線圈檢測范圍的特征量，結(jié)合感應(yīng)線圈的幾何位置，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋長度的定量檢測，而裂紋檢測的精度取決于感應(yīng)線圈的分布，就文中的傳感器而言，其檢測精度能達(dá)到1 mm。

3)激勵(lì)頻率對(duì)陣列傳感器裂紋檢測特性的影響

運(yùn)用柔性矩形渦流陣列傳感器和裂紋檢測試驗(yàn)系統(tǒng)，測量了歸一化激勵(lì)頻率分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 時(shí)，各感應(yīng)線圈在不同模擬裂紋長度時(shí)的幅值信號(hào)。由于感應(yīng)線圈I 和感應(yīng)線圈II 的幅值信號(hào)在不同頻率時(shí)的變化規(guī)律基本相同，因此，文中僅分析了感應(yīng)線圈II 的輸出信號(hào)特征。為便于對(duì)比，定義渦流陣列傳感器感應(yīng)線圈的幅值變化率為

式中 Rj為感應(yīng)線圈在裂紋長度為j mm 時(shí)的幅值變化率，rj為感應(yīng)線圈在裂紋長度為j mm 時(shí)的幅值，r0為感應(yīng)線圈在裂紋長度為0 mm 時(shí)的幅值。將采集到的感應(yīng)線圈II 的幅值信號(hào)用式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到了輸出信號(hào)幅值變化率隨裂紋長度的變化曲線，如圖7 所示。

圖7 感應(yīng)線圈II 在不同頻率下的響應(yīng)特性Fig 7 Response characteristics of sensing coil II in different frequencies

可見不同頻率下傳感器輸出信號(hào)隨裂紋長度變化的趨勢基本相同，當(dāng)裂紋“擴(kuò)展”進(jìn)入感應(yīng)線圈II 的檢測范圍時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)明顯的“拐點(diǎn)”。激勵(lì)頻率越高，裂紋擴(kuò)展過程中輸出信號(hào)的增加幅度逐漸增大。當(dāng)歸一化激勵(lì)頻率高于0.3 時(shí)，裂紋擴(kuò)展過程中輸出信號(hào)的增加幅度不再明顯變化。這可能是由于隨著激勵(lì)頻率的增加，激勵(lì)信號(hào)的透入深度逐漸減小，傳感器與裂紋之間的相互作用減弱所致。若以裂紋進(jìn)入、穿出感應(yīng)線圈II 檢測區(qū)域時(shí)的幅值變化率來衡量傳感器的裂紋檢測能力，則傳感器在歸一化激勵(lì)頻率為0.3 時(shí)，裂紋檢測能力達(dá)到最優(yōu)，這與上一節(jié)中有限元模型的分析結(jié)果是基本吻合的。

4 結(jié) 論

1)當(dāng)裂紋“擴(kuò)展”進(jìn)入感應(yīng)線圈的檢測范圍時(shí)，輸出信號(hào)的幅值開始快速增加，若以各感應(yīng)線圈幅值信號(hào)開始快速增加的“拐點(diǎn)”作為特征量，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋長度的定量檢測;

2)適當(dāng)增加激勵(lì)信號(hào)的頻率能夠提高傳感器的裂紋檢測能力，當(dāng)歸一化激勵(lì)頻率為0.3 時(shí)，傳感器的裂紋檢測能力達(dá)到最優(yōu)。

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