基于柔性電磁傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片微缺陷檢測(cè)

陳棣湘，潘孟春，田武剛，周衛(wèi)紅，謝瑞芳

（國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是飛機(jī)的關(guān)鍵部件，具有不規(guī)則的曲面結(jié)構(gòu)，由于長(zhǎng)期工作在高溫、高壓、高速的條件下，疲勞裂紋造成突然斷裂而失效的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅飛機(jī)的飛行安全[1]。目前，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（如常規(guī)渦流、磁粉、滲透和射線等）因其技術(shù)上的局限性，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中缺陷的定量檢測(cè)[2-6]。田貴云等[2-3]將脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于工件中隱藏缺陷的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)脈沖渦流信號(hào)的頻譜分析和脈沖渦流成像，取得了良好效果，但在微缺陷的檢測(cè)分辨力方面仍有待進(jìn)一步提高。近年來(lái)，很多學(xué)者嘗試將平面陣列式渦流傳感器應(yīng)用于復(fù)雜形狀部件的無(wú)損檢測(cè)，在平面陣列式渦流傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、柔性化制造和參數(shù)標(biāo)定等方面開(kāi)展了廣泛研究[4-6]，極大推動(dòng)了該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。但針對(duì)平面陣列式渦流傳感器的信號(hào)處理問(wèn)題，卻鮮有報(bào)道。事實(shí)上，由于微缺陷導(dǎo)致的渦流場(chǎng)擾動(dòng)很小，而平面渦流傳感器激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈的匝數(shù)由于受結(jié)構(gòu)的限制而非常有限，因此能夠獲取的感應(yīng)電壓信號(hào)及其變化量通常都很微弱，很容易被提離（傳感器與檢測(cè)對(duì)象之間的間隙）等干擾淹沒(méi)。因此，平面渦流傳感器的高精度信號(hào)檢測(cè)非常關(guān)鍵，直接影響檢測(cè)效果。本文針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片缺陷定量檢測(cè)難度大、效果差、效率低的問(wèn)題，建立了一種基于柔性電磁傳感器的缺陷定量檢測(cè)方法。

1 柔性電磁傳感器

電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有傳感器響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)裝備關(guān)鍵部件微損傷進(jìn)行檢測(cè)的有效方法之一。但是，傳統(tǒng)的電磁無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)普遍存在傳感器一致性差、與被測(cè)對(duì)象貼合不好、檢測(cè)信號(hào)易受提離（傳感器與被測(cè)對(duì)象的間隙）等問(wèn)題，使其應(yīng)用受到了限制。采用平面陣列式柔性電磁傳感器可望解決這一問(wèn)題。

平面陣列式電磁傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種傳感器具有空間周期性結(jié)構(gòu)，傳感器的初級(jí)繞組在激勵(lì)電流的作用下將產(chǎn)生空間周期性的電磁場(chǎng)，在被測(cè)材料中產(chǎn)生空間周期性的渦流場(chǎng)，并在其兩側(cè)的兩個(gè)次級(jí)繞組的端部感應(yīng)出極性相反的電壓；當(dāng)被測(cè)材料中存在缺陷時(shí)，次級(jí)繞組中的感應(yīng)電壓就會(huì)發(fā)生變化，據(jù)此可以檢測(cè)出缺陷。圖中ID為流過(guò)初級(jí)繞組的激勵(lì)電流，VS1、VS2為次級(jí)繞組輸出的感應(yīng)電壓，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，λ為傳感器的空間波長(zhǎng)，MUT為被測(cè)材料。該傳感器的繞組模式有利于提高激勵(lì)磁場(chǎng)的均勻性和傳感器的檢測(cè)靈敏度，并允許對(duì)多層介質(zhì)與初級(jí)繞組產(chǎn)生的周期性電磁場(chǎng)的相互作用進(jìn)行準(zhǔn)確建模，從而大大降低校準(zhǔn)要求[7-8]。

平面陣列式電磁傳感器由于采用單層線圈結(jié)構(gòu)，可以方便地制作在柔性基底上，自動(dòng)適應(yīng)被測(cè)對(duì)象形狀的變化，極大增強(qiáng)使用的靈活性。這非常有利于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片這種不規(guī)則曲面結(jié)構(gòu)。

圖1 平面電磁傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖

2 轉(zhuǎn)移阻抗及其測(cè)量方法

2.1 轉(zhuǎn)移阻抗的概念

平面電磁傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗Z定義為次級(jí)繞組輸出的感應(yīng)電壓VS與初級(jí)繞組的激勵(lì)電流ID之比，即：

當(dāng)激勵(lì)電流保持恒定時(shí)，若被測(cè)材料中存在缺陷，次級(jí)繞組輸出的感應(yīng)電壓將會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，通過(guò)轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)量，就可以實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。

2.2 轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)量方法

由于平面陣列式電磁傳感器的輸出信號(hào)很微弱，為提高測(cè)量精度，采用了數(shù)字鎖定檢測(cè)算法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

假設(shè)激勵(lì)電流的幅度為1，初相位為0，頻率為fr，傳感器輸出的感應(yīng)電壓可用下式表示：

式中：A——幅度；

φ——初相位。

當(dāng)采樣頻率為信號(hào)頻率的N倍時(shí)（N＞2），若連續(xù)采樣M點(diǎn)，可得到采樣序列：

數(shù)字鎖定放大器中所需的正弦和余弦參考序列rs（k）和rc（k）可分別表示為

式（3）～式（5）中，k=0，1，2，…，M-1。

將正弦和余弦參考序列分別與采樣序列x（k）進(jìn)行數(shù)字相關(guān)運(yùn)算，可得：

因此，感應(yīng)電壓的幅度和初相位可分別根據(jù)下面兩式計(jì)算得到：

由于激勵(lì)電流的幅度為1，初相位為0，因此計(jì)算得到的A和φ也即傳感器轉(zhuǎn)移阻抗的幅度與相位[9]。

3 檢測(cè)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯?，檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器、多路阻抗精密測(cè)量電路、微損傷定量檢測(cè)方法和信息處理平臺(tái)4大部分構(gòu)成。激勵(lì)信號(hào)由FPGA芯片控制DDS電路產(chǎn)生，經(jīng)功率放大后，在柔性陣列式電磁傳感器的初級(jí)繞組中產(chǎn)生激勵(lì)電流，從而在被測(cè)導(dǎo)電材料中產(chǎn)生渦流場(chǎng)。缺陷的存在會(huì)對(duì)渦流場(chǎng)的分布產(chǎn)生擾動(dòng)，并導(dǎo)致傳感器次級(jí)繞組輸出的感應(yīng)電壓發(fā)生變化。陣列傳感器輸出的多路感應(yīng)電壓經(jīng)信號(hào)調(diào)理、通道控制和數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入數(shù)字鎖定放大器進(jìn)行處理 （數(shù)字鎖定檢測(cè)算法中所需的正弦和余弦參考序列由FPGA芯片產(chǎn)生），獲得檢測(cè)信號(hào)的幅度和相位信息，再根據(jù)確定幅度和相位的激勵(lì)電流就可以計(jì)算出傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗，經(jīng)標(biāo)定后采用多變量非線性搜索和插值算法從測(cè)量網(wǎng)格（根據(jù)檢測(cè)模型事先建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，反映了轉(zhuǎn)移阻抗與材料屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系）中準(zhǔn)確獲取材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等物理屬性[10]，在此基礎(chǔ)上完成缺陷定量檢測(cè)、殘余應(yīng)力檢測(cè)和缺陷實(shí)時(shí)成像。信息處理平臺(tái)以ARM為核心，主要用于算法實(shí)現(xiàn)并完成檢測(cè)參數(shù)設(shè)置、檢測(cè)結(jié)果輸出等人機(jī)界面功能。

3.2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

在激勵(lì)信號(hào)頻率為2 MHz的情況下，首先測(cè)量傳感器不與試塊接觸（位于空氣中）時(shí)8通道的轉(zhuǎn)移阻抗值。在5min內(nèi)通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到了600組數(shù)據(jù)，計(jì)算得到轉(zhuǎn)移阻抗幅度與相位的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

保持傳感器工作頻率不變，固定傳感器使之緊貼鋁合金試塊，其中檢測(cè)通道1所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線圈處于長(zhǎng)1mm、寬0.1mm、深1mm槽形裂紋的正上方，其他檢測(cè)線圈下方無(wú)缺陷；測(cè)量傳感器各檢測(cè)通道的轉(zhuǎn)移阻抗值，并計(jì)算其均值與標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表2所示。

從表1和表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，傳感器不與試塊接觸時(shí)轉(zhuǎn)移阻抗幅度測(cè)量的重復(fù)精度（標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比）約為0.04%，相位測(cè)量的重復(fù)精度約為0.02%；傳感器緊貼試塊時(shí)，由于電導(dǎo)率增大、提離減小，轉(zhuǎn)移阻抗幅度下降、相位減小。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

表1 傳感器不與試塊接觸時(shí)轉(zhuǎn)移阻抗的均值與標(biāo)準(zhǔn)差

表2 傳感器緊貼試塊時(shí)轉(zhuǎn)移阻抗的均值與標(biāo)準(zhǔn)差

表3 傳感器不與試塊接觸和傳感器緊貼試塊時(shí)阻抗比較表

將傳感器不與試塊接觸和緊貼試塊兩種情況下各通道的轉(zhuǎn)移阻抗幅度相除、相位相減，得到的幅度比例和相位差如表3所示。

從表3可以看出，當(dāng)傳感器緊貼試塊時(shí)，由于缺陷處較無(wú)缺陷處電導(dǎo)率小、提離大，因此檢測(cè)通道1（對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線圈位于缺陷上方）的轉(zhuǎn)移阻抗幅度和相位的變化量（表3第1列）都比其他通道要小，差別大于20%，據(jù)此就可以檢測(cè)出缺陷，并實(shí)現(xiàn)裂紋長(zhǎng)度的定量[11-12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

平面陣列式柔性電磁傳感器具有一致性好、與被測(cè)對(duì)象緊密貼合等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高檢測(cè)精度，并抑制提離對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。采用數(shù)字鎖定檢測(cè)算法，使傳感器轉(zhuǎn)移阻抗幅度測(cè)量的重復(fù)精度達(dá)到0.04%，相位測(cè)量的重復(fù)精度達(dá)到0.02%；搭建了精密阻抗測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)傳感器不同工作條件下轉(zhuǎn)移阻抗幅度變化比例和相位差的分析，可有效檢測(cè)出0.1mm寬度的微缺陷。

[1]許占顯，林為干.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋的交變磁場(chǎng)非接觸原位探測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2005，27（12）：637-639.

[2]TIAN G Y，HE Y，ADEWALE I，et al.Research on spectralresponseofpulsed eddy currentand NDE applications[J].Sensors and Actuators A： Physical，2013（189）：313-320.

[3]HE Y，PAN M，LUO F，et al.Pulsed eddy current imaging and frequency spectrum analysisforhidden defect nondestructive testing and evaluation[J].NDT&E International，2011（44）：344-352.

[4]ROSADO L S，GONZALEZD J C，SANTOSD T G，et al.Geometric optimization ofa differentialplanareddy currents probe for non-destructive testing[J].Sensors and Actuators A:Physical，2013（197）：96-105.

[5]LEPAGE B.Development of a flexible cross-wound eddy current array probe[J].International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics，2014（45）：633-638.

[6]LIM Y Y，SOH C K.Electro-mechanical impedance（EMI） -based incipientcrack monitoringand critical crack identification of beam structures[J].Research in Nondestructive Evaluation，2014（25）：82-98.

[7]ZILBERSTEIN V，EVANS L，HUGUENINL C，et al.Quality assessment of refractory protective coatings using multi-frequency eddy current MWM-arrays[J].Review of Quantitative Nondestructive Evaluation，2006（25）：1067-1074.

[8]SHEIRETOV Y，GRUNDY D，ZILBERSTEIN V.MWMArray sensors for in situ monitoring of high-temperature components in power plants[J].IEEE Sensors Journal，2009，9（11）：1527-1536.

[9]沐阿華，張磊.基于DAQ和數(shù)字鎖定技術(shù)的微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2013，32（10）：16-20.

[10]賀紅娟，陳棣湘，趙建強(qiáng)，等.用于微損傷定量評(píng)估的多變量非線性插值算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25（12）：1696-1700.

[11]XIE R F，CHEN D X，et al.Fatigue crack length sizing using a novel flexible eddy current sensor array[J].Sensors，2015（15）：32138-32151.

[12]CHEN D X，XIE R F，ZHOU W H，et al.Multichannel transimpedance measurement of a planar electromagnetic sensor array[J].Measurement Science and Technology，2015（26）：025102.