基于格柵式薄膜傳感器的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測

周懿明, 崔榮洪, 宋雨鍵, 陳濤, 樊祥洪, 馬斌麟, 張?zhí)煊?/p>

(1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院, 陜西 西安 710038; 2.中國人民解放軍95949部隊, 河北 滄州 061022)

飛機結(jié)構(gòu)安全是保證飛機安全可靠飛行的前提和基礎(chǔ)[1-2]。疲勞裂紋產(chǎn)生后若沒有被及時發(fā)現(xiàn)及修理，將最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重威脅飛行安全[3]。為了應(yīng)對安全可靠性的新挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)逐漸發(fā)展并應(yīng)用到飛機等高可靠性設(shè)備的使用維護中，其在保證結(jié)構(gòu)安全的同時，降低了維護成本，提高了經(jīng)濟性。疲勞裂紋定量監(jiān)測傳感器是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，研發(fā)易于同結(jié)構(gòu)集成、靈敏度高，能夠在苛刻環(huán)境可靠服役工作的傳感器是基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)損傷容限設(shè)計研究的重點。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)技術(shù)是通過在結(jié)構(gòu)上布置各種類型的傳感器來實時感知結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，例如溫度、應(yīng)力、缺陷等，然后通過對傳感器數(shù)據(jù)的處理、識別和判斷來診斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)[4]。目前，國內(nèi)外應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測的主要手段有：壓電薄膜傳感器[5]、聲發(fā)射技術(shù)[6]、相對真空傳感器[7]、光纖傳感器[8]、渦流傳感器[9]等。其中，基于電位法的監(jiān)測技術(shù)由于系統(tǒng)簡單、信號處理容易、適用范圍廣等顯著優(yōu)點，在飛機結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究的重要分支。Zhang等[10]提出了一種通過測量結(jié)構(gòu)表面任意兩點之間的電勢差或電阻值來檢測裂紋長度和位置的方法，并通過試驗驗證在結(jié)構(gòu)表面利用該技術(shù)和鎳磷涂層傳感器檢測結(jié)構(gòu)表面裂紋損傷是可行的。Ashrafi等[11]研究了環(huán)氧納米復(fù)合薄膜傳感器在金屬結(jié)構(gòu)裂紋演化連續(xù)監(jiān)測中的應(yīng)用，通過試驗驗證了該傳感器既提供了連續(xù)的裂紋擴展監(jiān)測，又提供了應(yīng)變傳感的可能性。Takiuti等[12-13]針對ITO納米復(fù)合薄膜傳感器進行了深入研究，在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基體中插入ITO/PMMA納米復(fù)合傳感器(ITO-indium-tin-oxide)納米帶，通過比較損傷前后兩點間的電阻值，可以檢測到一定的損傷。HOU等[14]提出了一種基于電勢法的Ti/TiN導(dǎo)電薄膜傳感器對金屬結(jié)構(gòu)裂紋進行實時監(jiān)測，實驗結(jié)果表明，通過分析傳感器輸出電位值隨時間的斜率變化，可以獲得結(jié)構(gòu)裂紋產(chǎn)生和擴展的信息。Cui等[15]將電位法和現(xiàn)代表面技術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于電位法的裂紋監(jiān)測涂層傳感器，裂紋監(jiān)測過程中涂層傳感器電位值有2次突然升高，對應(yīng)于裂紋萌生和擴展的不同階段。然而，當(dāng)前基于電位法的傳感器存在2個顯著問題亟需解決：①繪制一條參考曲線將傳感器的裂紋電位變化與裂紋長度準(zhǔn)確聯(lián)系起來；②多數(shù)傳感器與被監(jiān)測結(jié)構(gòu)結(jié)合性能較差，難以實現(xiàn)長時間監(jiān)測。

為解決上述問題，本文提出了一種用于飛機金屬結(jié)構(gòu)孔邊裂紋定量監(jiān)測的格柵式薄膜傳感器。該傳感器是一個功能電路，便于滿足實際使用需要，不需要校準(zhǔn)模型，相較于其他傳感器，格柵式薄膜傳感器原理簡單、適用于惡劣的工作環(huán)境，可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)裂紋的定量監(jiān)測，且與基體具有良好的損傷一致性。本文首先介紹了傳感器裂紋監(jiān)測的工作原理和制作過程，然后通過有限元仿真研究了傳感器的輸出特性和靈敏度。最后，對格柵式薄膜傳感器定量監(jiān)測裂紋的能力進行了試驗驗證。本文的研究結(jié)果為飛機金屬結(jié)構(gòu)孔邊裂紋定量監(jiān)測提供了一種很有吸引力的解決方法。

1 格柵式薄膜傳感器

1.1 試驗件

如圖1所示，試驗件為中心孔板試驗件，按照國標(biāo)GB/T 228-2002進行制備，試驗件厚度為2.5 mm。試驗件材料選擇飛機金屬結(jié)構(gòu)中廣泛使用的2A12-T4鋁合金，其具體成分如下ω(Si)≤0.50%,ω(Fe)≤0.50%,3.80%≤ω(Cu)≤4.90%,0.3%≤ω(Mn)≤0.9%,1.20%≤ω(Mg)≤1.80%,ω(Ni)≤0.10%,ω(Zn)≤0.30%，雜質(zhì)≤0.10%，余量為Al。

圖1 試驗件尺寸

1.2 傳感器的組成及工作原理

如圖2所示，格柵式薄膜傳感器由感知裂紋損傷的感應(yīng)通道和提供導(dǎo)電路徑的連接通道組成。如圖3所示，為避免金屬基體對格柵式薄膜傳感器輸出信號的影響，需要在金屬基體與傳感器之間制備絕緣層。而在實際工程應(yīng)用中，為保護格柵式薄膜傳感器免受惡劣環(huán)境影響，應(yīng)在傳感器上方制備保護層。

圖2 格柵式薄膜傳感器的組成

圖3 格柵式薄膜傳感器組成示意圖

圖4 格柵式薄膜傳感器工作原理

傳感器上的裂紋隨基體裂紋不斷擴展，引起傳感器電阻的變化，表現(xiàn)為傳感器輸出電壓的變化。因此，通過監(jiān)測分析傳感器輸出電壓的變化就能反映出基體結(jié)構(gòu)的裂紋損傷情況。從傳感機理上看，格柵式薄膜傳感器在裂紋監(jiān)測前應(yīng)能在恒定電流下保持電位差的穩(wěn)定輸出。為此，測量了格柵式薄膜傳感器的電位差,如圖5所示，測量結(jié)果表明，在進行裂紋監(jiān)測前，格柵式薄膜傳感器在恒定直流電流下的電位差輸出很穩(wěn)定，波動幅度在3%以內(nèi)。

圖5 格柵式薄膜傳感器的輸出電壓

1.3 傳感器的制備

為了避免金屬基體對格柵式薄膜傳感器輸出信號的影響，本文使用在飛機鋁合金結(jié)構(gòu)中廣泛使用的陽極氧化表面處理技術(shù)[16]，在2A12-T4鋁合金基體上制備了Al2O3薄膜。然后，采用直流疊加脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)制備格柵式薄膜傳感器。圖6顯示了傳感器的制造步驟。

圖6 格柵式薄膜傳感器制備步驟

簡要描述如下：

1) 試樣經(jīng)砂紙研磨、無水乙醇清洗后，在陽極氧化液中用直流電進行陽極氧化。陽極氧化液(溫度(26.7±2.2)℃)中H2SO4含量為30～52 g/L，H3BO3含量為5.2～10.7 g/L，Al3+含量低于2.6 g/L,NaCl含量低于0.1g/L。陽極氧化液工藝參數(shù)為：溫度25～30℃，直流電壓10～20 V，電流密度0.4～2.5 A/dm，時間30～60 min，H2SO4含量40～50 g/L，H3BO3含量5～10 g/L,Al3+含量低于15 g/L。本文制備的Al2O3薄膜厚度約為15 μm。制備完成后，使用VICTOR86B萬能表對Al2O3薄膜的絕緣性能進行測試。

2) 采用直流疊加脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)，制備格柵式薄膜傳感器。機械拋光后，在無水乙醇中超聲清洗樣品10 min。然后，將樣品和掩膜板重合好后放置在鍍膜室內(nèi)夾裝固定，在5 Pa的真空中以400 V的偏壓進行氬轟擊清洗8 min，從而清潔表面污漬，提高薄膜傳感器與基體的結(jié)合力[17]。最后，利用直流疊加脈沖偏壓電弧離子鍍設(shè)備沉積薄膜傳感器，靶材選擇銅，沉積參數(shù)見表1。由于傳感器感應(yīng)層為鏤空結(jié)構(gòu)，需要通過兩次鍍膜完成感應(yīng)層的制備，2次鍍膜過程分別使用如圖7所示的感應(yīng)通道和連接通道掩膜板制備傳感器的感應(yīng)通道和連接通道。同時，在鍍膜的過程中，需要在不制備傳感器的一側(cè)安裝遮蔽底板，以防因離子繞射破壞試樣另一側(cè)的絕緣性。如圖8所示,最終在試件表面制備得到格柵式薄膜傳感器(厚度約為2 μm)，傳感器感應(yīng)層局部如圖9所示，傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 沉積工藝參數(shù)

圖7 感應(yīng)通道和連接通道掩膜板

圖8 格柵式薄膜圖9 格柵式薄膜傳感傳感器器局部示意圖

表2 格柵式薄膜傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 有限元仿真

2.1 模型建立

如圖10所示，使用COMSOL軟件中的AC/DC模塊，按照表3所示結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立格柵式薄膜傳感器的幾何模型。傳感器材料選擇銅，在傳感器一條連接通道的末端A邊施加1 A的電流源，另一條連接通道的末端B邊接地。給傳感器設(shè)置一條寬度為0.1 mm的矩形裂紋，裂紋位于感應(yīng)通道一側(cè)的中點。對裂紋長度進行參數(shù)化掃描，裂紋長度從0開始，以0.1 mm的步長遞增至5 mm。裂紋擴展時傳感器的電壓分布如圖11所示。

圖10 傳感器幾何模型

圖11 傳感器的電壓分布(裂紋長度=3 mm)

2.2 傳感器的輸出特性

使用COMSOL全局求解器的得到傳感器輸出電壓 ，對裂紋長度變化時傳感器的輸出電壓進行分析。傳感器的輸出電壓UAB隨裂紋擴展的變化如圖12所示。

Sino-US space cooperation faces four major obstacles:security distrust,domestic politicalconflicts,legal issues,and economic competition factors.

圖12 傳感器的輸出電壓隨裂紋擴展的變化

從圖中可以看出，UAB隨著裂紋長度的增加而呈階梯狀上升。因此，通過分析格柵式薄膜傳感器的輸出電壓可以判斷裂紋的長度。為了更加直觀地體現(xiàn)傳感器輸出電壓隨裂紋擴展的變化情況，本文將格柵式薄膜傳感器的輸出信號定義為

(1)

式中:V是傳感器的實時輸出電壓值;V0為傳感器的初始輸出電壓值。

靈敏度是用來描述傳感器的輸出量對輸入量敏感程度的特性參數(shù)[18]，對于格柵式薄膜傳感器而言，輸入量即是裂紋擴展穿過感應(yīng)通道，導(dǎo)致感應(yīng)通道斷裂，輸出量即是傳感器的輸出電壓。因此，本文將各感應(yīng)通道斷裂前、后的傳感器輸出電壓變化率定義為對應(yīng)感應(yīng)通道的靈敏度

(2)

式中:Vi為第i條感應(yīng)通道斷裂后傳感器的輸出電壓;Vi-1為第i-1條感應(yīng)通道斷裂后傳感器的輸出電壓。傳感器所有感應(yīng)通道靈敏度中的最小值定義為該傳感器的靈敏度，即

SV=min(S1,S2,S3,…,Sn)

(3)

由圖11可知，第1感應(yīng)通道(CH1)的斷裂對傳感器輸出電壓的影響最小，因此將CH1的靈敏度定義為整個傳感器的靈敏度。

2.3 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感器靈敏度的影響

格柵式薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定了傳感器的靈敏度，是傳感器進行優(yōu)化設(shè)計從而提高監(jiān)測能力的重要依據(jù)。本節(jié)分別對傳感器感應(yīng)通道數(shù)目、傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和薄膜厚度對傳感器靈敏度的影響進行了分析。

圖13 感應(yīng)通道數(shù)量對靈敏度的影響

如圖13所示，感應(yīng)通道數(shù)量對靈敏度影響很大，傳感器的靈敏度隨著感應(yīng)通道數(shù)量的增加而迅速減小。如圖14所示，銅薄膜感應(yīng)層厚度的增加，雖然會使傳感器的的輸出電壓減小，卻不會對傳感器的靈敏度造成影響。

圖14 薄膜傳感器厚度對靈敏度的影響

為了分析格柵式薄膜傳感器感應(yīng)通道和連接通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感器靈敏度的影響，建立含有5個感應(yīng)通道的傳感器模型進行仿真分析，當(dāng)其中一個參數(shù)改變時，其他參數(shù)保持不變且與表3相同，仿真結(jié)果如圖15所示。顯然，從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)增大連接通道的寬度、增大感應(yīng)通道的間距、減小連接通道的長度或減小感應(yīng)通道的寬度都會增強，即增大感應(yīng)通道的電阻，減小連接通道的電阻，都有利于提高傳感器的靈敏度。

圖15 格柵式薄膜傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對靈敏度的影響

3 疲勞裂紋監(jiān)測試驗驗證

3.1 試驗系統(tǒng)

采用格柵式薄膜傳感器進行了裂紋監(jiān)測實驗，對格柵式薄膜傳感器疲勞裂紋定量監(jiān)測的能力進行了驗證。如圖16所示，裂紋監(jiān)測試驗系統(tǒng)主要由集成了格柵式薄膜傳感器的試件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(PCM-6661數(shù)據(jù)采集卡)、島津萬能試驗機和光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)(分辨率：0.1 mm)組成。

圖16 裂紋在線監(jiān)測試驗系統(tǒng)框架圖

3.2 試驗過程

MTS810電液伺服試驗系統(tǒng)在空氣和室溫下加載了裂紋監(jiān)測試驗，見圖17。對集成了格柵式薄膜傳感器的試件進行等幅譜(最大應(yīng)力Smax=150 MPa，應(yīng)力比R=0.07)下的裂紋監(jiān)測試驗，加載頻率為15 Hz。為了簡化和忽略裂紋張開和閉合引起的監(jiān)測電位變化的問題[19-20]，將采樣頻率設(shè)置為5 Hz(加載頻率的三分之一)。使用如圖16所示的移動顯微鏡(分辨率：0.1 mm)觀察裂紋監(jiān)測期間格柵式薄膜傳感器表面疲勞裂紋情況，并與傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。

圖17 監(jiān)測格柵式薄膜傳感器裂紋擴展情況

3.3 試驗結(jié)果與分析

疲勞裂紋監(jiān)測實驗后格柵式薄膜傳感器的形貌如圖18所示。從圖18中可以觀察到，斷裂的格柵式薄膜傳感器上沒有不連續(xù)或剝落的現(xiàn)象。這表明，在整個實驗過程中，格柵式薄膜傳感器與2A12-T4基體結(jié)合牢固，格柵式薄膜傳感器與基體具有良好的損傷一致性，這是使用該方法監(jiān)測結(jié)構(gòu)孔邊裂紋的前提和基礎(chǔ)。

圖18 格柵式薄膜傳感器斷裂后的形貌

格柵式薄膜傳感器的輸出信號隨載荷循環(huán)數(shù)的變化如圖19所示?？梢钥闯觯駯攀奖∧鞲衅鞯妮敵鲂盘朧C隨著疲勞裂紋損傷的擴展呈階梯狀上升。由于20 000次循環(huán)之前樣本未發(fā)生損傷，感應(yīng)信號沒有顯著差異，在此不進行展示。在擴展裂紋尖端到達第一條感應(yīng)通道CH1之前，傳感器輸出信號波動較小。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到25 634時，傳感器輸出信號發(fā)生跳躍式增長，輸出信號VC達到12.16%，這說明裂紋已通過CH1，裂紋長度達到0.5 mm，這與顯微鏡觀測結(jié)果一致。同理，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到31 345,34 996,37 962時，輸出信號分別達到33.82%,80.65%,219.93%，說明裂紋前緣分別通過CH2,CH3,CH4，對應(yīng)裂紋長度分別達到1.5,2.5,3.5 mm。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到39 971，輸出信號趨近一個極大值，這說明裂紋前緣已通過CH5，感應(yīng)通道已全部斷裂，裂紋長度達到4.5 mm。可以發(fā)現(xiàn)，在裂紋通過感應(yīng)通道的過程中，輸出信號變化并不明顯，當(dāng)裂紋完全通過感應(yīng)通道的瞬間，輸出信號出現(xiàn)階躍式上升而后趨于穩(wěn)定，當(dāng)裂紋尖端通過下一個感應(yīng)通道時，輸出信號繼續(xù)發(fā)生跳躍式增長。傳感器輸出信號的變化有一個特點，即裂紋通過的感應(yīng)通道數(shù)量越多，輸出信號增長幅度越大。相鄰感應(yīng)通道之間的距離加感應(yīng)通道的寬度即為格柵式薄膜傳感器的裂紋監(jiān)測精度，當(dāng)然感應(yīng)通道CH1由于緊貼裂紋孔邊，其監(jiān)測精度即為第一條感應(yīng)通道的寬度。

圖19 傳感器的輸出信號隨載荷循環(huán)數(shù)的變化

表3 傳感器監(jiān)測結(jié)果與顯微鏡觀測結(jié)果對比

如表3所示，將格柵式薄膜傳感器在線監(jiān)測結(jié)果與顯微鏡觀測結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，兩者在裂紋長度達到同一數(shù)值時對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)吻合較好。因此，利用基于電位法的格柵式薄膜傳感器定量監(jiān)測飛機金屬結(jié)構(gòu)孔邊裂紋是可行的。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于電位法原理的用于飛機金屬結(jié)構(gòu)孔邊疲勞裂紋定量監(jiān)測的格柵式薄膜傳感器。通過有限元仿真和疲勞裂紋在線監(jiān)測試驗對傳感器監(jiān)測疲勞裂紋的能力進行了研究，研究結(jié)論如下：

1) 對2A12-T4鋁合金試件進行陽極氧化處理制備隔絕層，以消除金屬基體對格柵式薄膜傳感器輸出信號的影響，并采用直流疊加脈沖偏壓多弧離子鍍技術(shù)在試件的孔邊制備了格柵式薄膜傳感器，傳感器與金屬基體實現(xiàn)一體化集成。

2) 建立了格柵式薄膜傳感器的有限元模型，通過有限元仿真驗證了格柵式薄膜傳感器監(jiān)測裂紋的可行性，并進一步研究了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其靈敏度的影響規(guī)律，為傳感器的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。仿真結(jié)果表明，減小感應(yīng)通道數(shù)量、增大感應(yīng)通道的電阻和減小連接通道的電阻都可以提高傳感器的靈敏度，而傳感器的厚度與靈敏度無關(guān)。

3) 疲勞裂紋在線監(jiān)測試驗結(jié)果表明，當(dāng)疲勞裂紋萌生并擴展時，傳感器輸出信號會隨著裂紋擴展呈現(xiàn)出明顯的階梯式增長。將格柵式薄膜傳感器監(jiān)測結(jié)果與光學(xué)顯微鏡觀測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際裂紋擴展情況十分吻合。

綜上，格柵式薄膜傳感器可用于飛機金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的定量監(jiān)測。