飛機(jī)高鎖螺栓孔邊缺陷陣列遠(yuǎn)場渦流傳感器仿真與試驗(yàn)

宋凱，歐陽永杰，方志泓，霍俊宏，崔西明

南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063

高鎖螺栓因其高強(qiáng)度、抗疲勞、優(yōu)異的自鎖防松性能和便于裝配等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架B747飛機(jī)采用了約4萬 個高鎖螺栓。飛機(jī)機(jī)體受力結(jié)構(gòu)在飛行過程中處于交變應(yīng)力的作用下，高鎖螺栓部位損傷逐步累積導(dǎo)致?lián)p傷性質(zhì)變化，從而形成裂紋并發(fā)展到破壞，統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明85%的機(jī)體破壞是在連接部位發(fā)生的。為保證飛機(jī)安全、預(yù)防飛機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的斷裂故障、避免重大惡性事故的發(fā)生，需及時對飛機(jī)高鎖螺栓進(jìn)行無損檢測。

目前，學(xué)者們對高鎖螺栓緊固件無損檢測進(jìn)行了各方面的研究。李政針對傳統(tǒng)的螺栓部件超聲測試信號參數(shù)估計(jì)方法精確性和實(shí)時性難以同時兼顧的問題，提出了一種基于改進(jìn)微粒群優(yōu)化和匹配追蹤的超聲信號參數(shù)估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了螺栓裂紋準(zhǔn)確位置的快速計(jì)算，但目前超聲信號參數(shù)估計(jì)初值的自動獲取能力有待提高。馮劍飛等利用諧振式傳感器，采用空間濾波技術(shù)通過基于統(tǒng)計(jì)平均的特征參數(shù)趨勢分析和基于幅度的相關(guān)參數(shù)趨勢分析，從高背景噪聲環(huán)境下獲取了有用聲發(fā)射信號，實(shí)時監(jiān)測到螺栓孔周圍裂紋的萌生和擴(kuò)展過程，但此技術(shù)主要用于全尺寸飛機(jī)試驗(yàn)。田云飛和曹宗杰將紅外檢測技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)蒙皮搭接結(jié)構(gòu)的檢測中，利用溫度場的異常識別搭接構(gòu)件內(nèi)部缺陷，但需較強(qiáng)的激勵熱源。后雪冰和付躍文利用陣列脈沖渦流對鉚釘孔周缺陷進(jìn)行檢測，但脈沖渦流接收使用的隧道磁阻(TMR)傳感器易受地磁場和外界磁場的干擾。盡管學(xué)者們已經(jīng)開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究，但在役飛機(jī)高鎖螺栓緊固件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以對高鎖螺栓孔邊隱藏缺陷進(jìn)行檢測。

陣列遠(yuǎn)場渦流技術(shù)同時擁有遠(yuǎn)場渦流能檢測深層隱藏缺陷和陣列渦流檢測方法檢測效率高、檢測面積大等優(yōu)點(diǎn)。Sun等通過有限元仿真發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)場渦流的峰值突變和相位峽谷效應(yīng)，并通過試驗(yàn)對其仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，但并未涉及傳感器具體參數(shù)及優(yōu)化。She等在激勵線圈與檢測線圈上加裝了屏蔽板，并在鐵磁性管道外部引入鐵磁環(huán)，使遠(yuǎn)場區(qū)距離縮短至原來的1/2，為遠(yuǎn)場渦流傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向；而連接高鎖螺栓的平板一般都為鋁合金，針對鐵磁性材料優(yōu)化的傳感器不適用于高鎖螺栓孔周缺陷的檢測。徐志遠(yuǎn)等針對壓力管道易腐蝕彎頭部位提出了一種外放式遠(yuǎn)場渦流探頭，建立了探頭與缺陷檢測仿真模型，利用相位特征量實(shí)現(xiàn)了僅有外壁或內(nèi)壁缺陷時的缺陷深度定量，但管道遠(yuǎn)場渦流檢測探頭只適用于管道缺陷檢測，不適用于高鎖螺栓孔周缺陷檢測。宋凱等建立了鉚接構(gòu)件隱藏缺陷遠(yuǎn)場渦流檢測三維仿真模型，通過仿真優(yōu)化屏蔽阻尼和激勵-鉚釘-檢測探頭線圈夾角，采用單通道旋轉(zhuǎn)掃查的方式對鉚接構(gòu)件鉚釘孔邊隱藏缺陷進(jìn)行檢測，但其為單通道因此需旋轉(zhuǎn)360°檢測，探頭旋轉(zhuǎn)時易偏離鉚釘中心,影響缺陷檢測。Janovec等使用陣列渦流對Zlin 142飛機(jī)機(jī)身鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Chen等提出了一種蓮座狀陣列渦流傳感器，通過加權(quán)算法可確定螺栓孔周表面裂紋的走向，然而常規(guī)陣列渦流滲透深度有限，無法檢測深層的隱藏缺陷。2000年，加拿大Russell NDE Systems公司研發(fā)了商用8通道遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)Ferroscope 308，該系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于鐵磁性管道檢測。2019年，張雅麗提出了遠(yuǎn)場渦流陣列檢測儀器，使用16路陣列遠(yuǎn)場渦流探頭實(shí)現(xiàn)了對金屬套管壁厚和微小缺陷的快速測量。文獻(xiàn)[22-23]皆用于管道檢測。使用單通道遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)檢測高鎖螺栓時需旋轉(zhuǎn)360°。對于手動旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時易偏心導(dǎo)致產(chǎn)生干擾信號；對于自動旋轉(zhuǎn)，掃查裝置過大，飛機(jī)表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于操作，并且效率低下。而放置式陣列遠(yuǎn)場渦流傳感器無需旋轉(zhuǎn)即可一次性將螺栓孔周全覆蓋檢測，因此將放置式陣列遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)高鎖螺栓孔周缺陷檢測具有重大意義。

綜上所述，本文以飛機(jī)高鎖螺栓緊固件為研究對象，建立飛機(jī)高鎖螺栓緊固件孔邊隱藏缺陷檢測三維模型，采用陣列放置式的檢測方法優(yōu)化檢測線圈與高鎖螺栓中心放置距離，設(shè)計(jì)了非對稱式陣列傳感器。同時研究陣列線圈無法覆蓋的磁場薄弱區(qū)檢測信號的衰減情況，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為飛機(jī)高鎖螺栓緊固件遠(yuǎn)場渦流檢測的實(shí)踐提供技術(shù)支持。

1 陣列遠(yuǎn)場渦流檢測原理

陣列遠(yuǎn)場渦流傳感器由激勵線圈組、檢測線圈組和屏蔽結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示，激勵線圈組和檢測線圈組同軸環(huán)繞緊固件放置，其中同一通道的激勵模塊和檢測模塊橫跨緊固件。陣列技術(shù)通過電路的方法將激勵線圈和檢測線圈多路復(fù)用以防止各個線圈之間的互感。多路復(fù)用是將多個模擬信號組合到一個路的過程，各個渦流線圈會在不同時間激勵，從而在極短的時間內(nèi)能激發(fā)所有的線圈，而無需同時激勵任何兩個相鄰的線圈。陣列遠(yuǎn)場渦流傳感器采用放置式靜態(tài)檢測的方法，無需旋轉(zhuǎn)即可對試件進(jìn)行全覆蓋檢測。而靜態(tài)檢測相對于旋轉(zhuǎn)檢測有較多優(yōu)點(diǎn)：首先旋轉(zhuǎn)檢測的缺陷檢測幅值受檢測時旋轉(zhuǎn)速度的影響，靜態(tài)檢測則不受此約束；其次高鎖螺栓緊固件本身對孔邊缺陷的檢測有較大影響，旋轉(zhuǎn)時若無輔助裝置則易產(chǎn)生偏心效應(yīng)，而此偏心效應(yīng)對缺陷的判斷有較大影響，但飛機(jī)上結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以增添輔助裝置。

圖1 陣列遠(yuǎn)場渦流檢測原理Fig.1 Principle of array remote field eddy current testing

陣列遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)采用具有分時復(fù)用功能的電路，對于同一時刻只有一路被激發(fā)和接收，因此同一時間表現(xiàn)為單通道平面遠(yuǎn)場渦流現(xiàn)象，如圖2所示，檢測線圈拾取其二次穿透高鎖螺栓緊固件的磁場信號。激勵線圈加載低頻正弦信號，產(chǎn)生交變電磁場，電磁場經(jīng)兩個通道傳播：一是直接耦合通道，磁場表現(xiàn)出常規(guī)渦流現(xiàn)象，受集膚效應(yīng)影響只能檢測表層缺陷；二是間接耦合通道，由于磁場二次穿透構(gòu)件，攜帶了隱藏缺陷信息，因此能同時檢測高鎖螺栓表層缺陷和隱藏缺陷。檢測線圈位于遠(yuǎn)場區(qū)，直接耦合通道磁場受磁屏蔽材料阻礙，間接耦合通道磁場在此區(qū)域成為主導(dǎo)，檢測線圈拾取間接耦合通道磁場從而完成對高鎖螺栓遠(yuǎn)場渦流的檢測。

圖2 平面遠(yuǎn)場渦流檢測原理Fig.2 Principle of plate remote field eddy current testing

遠(yuǎn)場渦流激勵頻率較低且主要關(guān)注穩(wěn)態(tài)特性，所以忽略位移電流。因此激勵線圈周圍的電磁場滿足麥克斯韋方程組：

(1)

式中：為磁場強(qiáng)度；為線圈傳導(dǎo)電流場；為平面導(dǎo)體渦流場；為電場強(qiáng)度；為磁通密度；為時間;為電位移。

引入矢量磁位：

(2)

把式(2)代入式(1)中第2個方程，同時忽略恒定場得

(3)

又因

(4)

式中:為電導(dǎo)率。

將式(3)代入式(1)中的第1個方程得出遠(yuǎn)場現(xiàn)象的擴(kuò)散方程：

(5)

式中：為磁導(dǎo)率。

(6)

式中：j為虛數(shù)單位；為角頻率。

圓柱坐標(biāo)下，和均只有方向分量，并且只是圓柱坐標(biāo)系基向量、的函數(shù)。為此式(6) 可簡化為

(7)

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知線圈感應(yīng)電壓為

(8)

式中：為通過線圈的磁通量；為時間；為線圈匝數(shù)；為線圈截面積。由式(8)可以看出線圈的感應(yīng)電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，因此可通過檢測線圈感應(yīng)電壓的變化識別缺陷。

2 陣列遠(yuǎn)場渦流傳感器仿真優(yōu)化

2.1 建立遠(yuǎn)場渦流仿真模型

由于陣列遠(yuǎn)場渦流傳感器在時序上是分時復(fù)用的，在同一時刻只使用一個通道，為方便建模，采用單個通道簡化仿真優(yōu)化。根據(jù)單通道遠(yuǎn)場渦流傳感器檢測原理建立了如圖3所示三維ANSYS有限元模型。模型中高鎖螺栓連接的平板牌號為7075-T651，高鎖螺栓牌號為Ti-6Al-4V，單層板厚度為4 mm，高鎖螺栓總厚度為12 mm，釘頭直徑為12 mm，釘體直徑為6 mm，激勵線圈內(nèi)徑為4 mm，外徑為6 mm，高度為3.5 mm，匝數(shù)為1 000匝，激勵源為獨(dú)立電壓源，由于圓形線圈便于遠(yuǎn)場陣列探頭排布，因此采用圓形檢測線圈，檢測線圈內(nèi)徑為4 mm，外徑為6 mm，高度為3.5 mm，匝數(shù)為800匝，感應(yīng)電壓為檢測線圈電壓，提離0.5 mm，模型材料屬性參數(shù)見表1。

圖3 模型剖面圖Fig.3 Sectional view of model

表1 材料物理性能參數(shù)Table 1 Physical property parameters of material

2.2 線圈位置偏移仿真優(yōu)化

激勵線圈上加載交變電流時試件感生出渦流場，渦流場又感應(yīng)出磁場，檢測線圈拾取此磁場產(chǎn)生檢測信號，同時高鎖螺栓為鈦合金，而高鎖螺栓連接的平板為鋁合金，兩種材質(zhì)電導(dǎo)率相差較大，因此高鎖螺栓對于橫跨式遠(yuǎn)場渦流信號有較大影響。為獲得最佳檢測靈敏度，優(yōu)化激勵線圈和檢測線圈偏移高鎖螺栓中心的距離，如圖4所示。模型中缺陷尺寸為5 mm×0.2 mm×2 mm，保持激勵線圈與檢測線圈的距離為33 mm不變，改變檢測線圈中心與高鎖螺栓中心的距離。設(shè)置檢測線圈中心與高鎖螺栓中心距為7～16 mm,以1 mm 步距進(jìn)行偏移。

圖4 檢測線圈位置優(yōu)化Fig.4 Optimization of detection coil position

激勵線圈上加載10 V、0.5 kHz的正弦波激勵，為縮短仿真時間，檢測線圈和激勵線圈每次同步偏移1 mm后，激勵線圈和檢測線圈同步環(huán)繞高鎖螺栓中心，在70°～110°內(nèi)以5°為步進(jìn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃查，不同偏移距離檢測信號變化如圖5所示。

由圖5可看出線圈不同偏移距離曲線變化趨勢相似，檢測線圈在旋轉(zhuǎn)70°～90°時檢測信號幅值呈上升趨勢，旋轉(zhuǎn)90°～110°時檢測信號幅值呈下降趨勢，檢測線圈在旋轉(zhuǎn)至90°時檢測信號幅值出現(xiàn)極值，進(jìn)一步提取旋轉(zhuǎn)90°時檢測線圈感應(yīng)的幅值，結(jié)果如圖6所示。

圖5 檢測線圈位置優(yōu)化檢測曲線Fig.5 Detection curves of optimization of detection coil position

由圖6可看出檢測線圈檢測信號幅值隨偏移距離的增加呈先增大后減小趨勢，檢測線圈偏移高鎖螺栓中心11 mm時達(dá)最大值，為1.4×10V，這是因?yàn)楦哝i螺栓孔半徑為3 mm，缺陷長度為5 mm，缺陷從高鎖螺栓孔起始向外延伸，此刻缺陷末端離高鎖螺栓中心8 mm，而檢測線圈外徑為3 mm，檢測線圈偏移11 mm時靈敏度最佳，線圈外側(cè)邊緣離高鎖螺栓中心剛好為8 mm，而當(dāng)缺陷埋深為4 mm時，渦流場有一定擴(kuò)散，因此缺陷剛好在此時截?cái)嗔藴u流場一側(cè)，渦流場的較大變化引起了檢測線圈電壓的變化。而檢測線圈偏移高鎖螺栓中心7 mm時檢測信號幅值為1.0×10V，靈敏度相比提高至1.4倍。為獲得最佳靈敏度，采用檢測線圈偏移高鎖螺栓中心11 mm 的情況進(jìn)行后續(xù)研究。

圖6 檢測線圈位置優(yōu)化峰值曲線Fig.6 Peak curve of optimization of detection coil position

先以激勵線圈中心為零點(diǎn)，沿激勵線圈徑向方向提取無缺陷高鎖螺栓試件的磁場強(qiáng)度，結(jié)果如圖7(a)所示，進(jìn)一步提取含有缺陷的高鎖螺栓試件磁場強(qiáng)度，其中缺陷埋深4 mm、長×寬×深為5 mm×0.2 mm×2 mm，最后將其與無缺高鎖螺栓磁場做差，結(jié)果如圖7(b)所示。

由圖7(a)可得磁場沿著激勵線圈徑向方向衰減，且隨埋深增加磁場強(qiáng)度也依次減小，而磁場強(qiáng)度的減小同時也反映了渦流密度的減小，磁場強(qiáng)度在0～20 mm時衰減較劇烈，在20 mm后趨于平緩。由圖7(b)可得在離試件表面4 mm處磁場發(fā)生了突變效應(yīng)，這是因?yàn)槿毕莸穆裆顬? mm，磁場分布受缺陷影響產(chǎn)生突變。

圖7 高鎖螺栓緊固件磁場分布Fig.7 Magnetic field distribution of high locking bolt fastener

2.3 陣列遠(yuǎn)場渦流缺陷檢測仿真

建立不同長度的缺陷，使用優(yōu)化后的單通道遠(yuǎn)場渦流探頭進(jìn)行檢測，檢測線圈中心偏移高鎖螺栓中心11 mm時，由于探頭尺寸的限制陣列遠(yuǎn)場渦流探頭采用6個通道。設(shè)計(jì)缺陷長度為5、8、10 mm，埋深為4 mm，寬×深為0.2 mm×2 mm。檢測線圈和激勵線圈均以3°為步距環(huán)繞高鎖螺栓旋轉(zhuǎn)掃查，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8表明在保證缺陷寬、深不變的前提下，不同長度缺陷信號幅值變化趨于一致，缺陷位于檢測線圈正下方時檢測信號幅值達(dá)到最大，缺陷長度為10 mm時檢測幅值為2.46×10V，分別是長度為5 mm和8 mm時的1.63倍和1.10倍，表明缺陷越長檢測信號幅值越大。

圖8 不同長度缺陷的檢測信號Fig.8 Detected signals of defects with different length

由于陣列傳感器相鄰?fù)ǖ赖臋z測線圈間有一定距離，檢測線圈組不能完全覆蓋整個檢測區(qū)域，而陣列傳感器為放置式傳感器，當(dāng)傳感器上檢測線圈無法覆蓋的區(qū)域放置于缺陷正上方時，缺陷檢測信號會有一定減弱。相鄰?fù)ǖ篱g檢測線圈間距為60°，磁場薄弱區(qū)離檢測線圈軸心30°，如圖9所示。

圖9 磁場薄弱區(qū)掃查方式Fig.9 Scanning mode of weak magnetic field area

由圖8可看出長度為5、8、10 mm的缺陷旋轉(zhuǎn)至80°、100°時信號分別衰減至最大值的94.4%、93.7%和93.5%，旋轉(zhuǎn)至70°、110°時信號衰減至最大值的79.5%、76.8%和78.0%，旋轉(zhuǎn)至60°、120°時為陣列磁場最薄弱區(qū)域，檢測信號幅值分別衰減至57.6%、57.1%和57.0%，表明當(dāng)陣列遠(yuǎn)場渦流探頭磁場薄弱區(qū)放置于缺陷正上方時,無需旋轉(zhuǎn)探頭仍能檢測以上缺陷。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證陣列遠(yuǎn)場渦流傳感器仿真結(jié)果，搭建如圖10所示的陣列遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)主要由任意波形發(fā)生器、多路復(fù)用器、功率放大器、濾波器、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)和陣列遠(yuǎn)場渦流探頭組成。任意波形發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，經(jīng)功率放大器放大后，由多路復(fù)用器加載到陣列激勵線圈上，陣列檢測線圈的感應(yīng)電壓經(jīng)多路復(fù)用器后，先由濾波器濾波處理，再經(jīng)鎖相放大器提取信號的幅值和相位，最后用計(jì)算機(jī)讀取信號。傳感器中激勵線圈外徑為6 mm，內(nèi)徑為4 mm，高度為3.5 mm，匝數(shù)為1 000匝，檢測線圈內(nèi)徑為4 mm，外徑為6 mm，高度為3.5 mm，匝數(shù)為800匝，使用自動繞線機(jī)進(jìn)行繞制。

圖10 遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)Fig.10 Remote field eddy current testing system

傳感器6個通道的檢測信號和激勵信號并行傳入多路復(fù)用器，由多路復(fù)用器將6個通道的信號在不同時刻送入一條總線中，同時多路復(fù)用器將通道選通信號送入計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)獲得選通各個通道的時間，從而分辨鎖相放大器傳入信號所屬通道號，圖11為選通信號時序圖。

由圖11可得，選通信號A、A和A呈倍頻關(guān)系，其中1表示高電平，0表示低電平，AAA為000～101時依次選通1～6通道，檢測信號經(jīng)鎖相放大器后變成直流信號，計(jì)算機(jī)對該信號每秒采集100個點(diǎn)，而這100個數(shù)據(jù)根據(jù)AAA信號分配至對應(yīng)通道。

圖11 選通信號時序圖Fig.11 Strobe signal sequence diagram

圖12為高鎖螺栓試塊實(shí)物圖，通過高鎖螺栓連接2層厚度為4 mm的平板，人工刻槽缺陷加工于第2塊孔周，缺陷尺寸見表2。

表2 人工刻槽參數(shù)Table 2 Parameters of manual notching

圖12 高鎖螺栓試塊Fig.12 Test block of high lock bolt

使用該系統(tǒng)對缺陷進(jìn)行檢測，激勵頻率為500 Hz，激勵電流為100 mA。先使用單通道探頭對偏移優(yōu)化進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)置檢測線圈中心與高鎖螺栓中心距為7～16 mm,檢測線圈和激勵線圈同步以1 mm步距進(jìn)行偏移。對埋深為4 mm、長×寬×深為5 mm×0.2 mm×2 mm的缺陷進(jìn)行檢測，單通道探頭檢測時將探頭放置于圓形亞克力板中固定，且能旋轉(zhuǎn)檢測，探頭偏移對飛機(jī)高鎖螺栓隱藏缺陷的檢測結(jié)果如圖13所示。

由圖13可得，檢測線圈偏移7～16 mm時檢測信號幅值均隨旋轉(zhuǎn)角度增大先上升后下降，均在缺陷位于激勵線圈與檢測線圈軸線上時達(dá)峰值，進(jìn)一步提取每次偏移的峰值，如圖14所示。

圖13 檢測線圈位置優(yōu)化檢測信號Fig.13 Detected signals of optimization of detection coil position

由圖14可得，檢測線圈檢測信號幅值隨偏移距離的增加呈先增大后減小趨勢，檢測線圈中心偏移高鎖螺栓中心11 mm時檢測信號幅值達(dá)最大值，為1 041 mV，是7 mm處的2.71倍，仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明當(dāng)測線圈中心偏移高鎖螺栓中心11 mm時檢測效果達(dá)到最佳。而對于仿真，檢測線圈與高鎖螺栓中心偏移距離11 mm時的檢測幅值為1.4×10V，這是由于遠(yuǎn)場信號極其微弱，試驗(yàn)時將遠(yuǎn)場信號進(jìn)行了濾波和放大，而仿真中直接使用線圈電壓信號表征缺陷。為驗(yàn)證仿真與試驗(yàn)結(jié)果的一致性，提取仿真與試驗(yàn)結(jié)果中檢測線圈與高鎖螺栓中心不同偏移距離的檢測信號幅值，保證試驗(yàn)結(jié)果中檢測信號幅值不變，以偏移11 mm時的缺陷檢測幅值為基準(zhǔn)，將仿真結(jié)果中的信號幅值映射至試驗(yàn)結(jié)果中，不同偏移距離仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖15所示。

圖14 檢測線圈位置優(yōu)化峰值信號Fig.14 Peak signals of optimization of detection coil position

由圖15可得檢測信號幅值均隨偏移距離的增大先增大后減小，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明檢測線圈偏移至11 mm時檢測效果最佳。

圖15 檢測線圈位置優(yōu)化試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比Fig.15 Comparison of test and simulation results of optimization of detection coil position

驗(yàn)證對陣列相鄰?fù)ǖ篱g線圈無法覆蓋的磁場薄弱區(qū)衰減情況，使用優(yōu)化后的陣列探頭對埋深為4 mm，寬×深為0.2 mm×2 mm，長度分別為5、8、10 mm的缺陷進(jìn)行檢測，檢測時將陣列中一個通道軸心對齊缺陷放置，再將探頭左右分別放置至30°，使缺陷位于相鄰?fù)ǖ篱g中心處磁場最薄弱區(qū)，檢測結(jié)果如圖16所示。

由圖16可得1#、2#和3#缺陷位于通道正中心時檢測信號幅值分別為1 062、1 384、1 540 mV，而當(dāng)缺陷位于通道中心左右各偏30°，即磁場最薄弱區(qū)時的檢測信號分別為683、828、878 mV，信號賦幅值分別衰減至64.3%、59.8%和57.0%，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)陣列遠(yuǎn)場渦流探頭磁場薄弱區(qū)放置于缺陷正上方時無需旋轉(zhuǎn)探頭仍能檢測以上缺陷。為驗(yàn)證仿真與試驗(yàn)結(jié)果的一致性，提取仿真與試驗(yàn)結(jié)果中不同長度缺陷檢測信號幅值，保證試驗(yàn)結(jié)果中檢測信號幅值不變，以3#缺陷檢測幅值為基準(zhǔn)，將仿真結(jié)果中信號幅值映射至試驗(yàn)結(jié)果中，得不同長度缺陷仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖17所示。

圖16 磁場薄弱區(qū)檢測信號Fig.16 Detected signals of weak magnetic field

由圖17可得檢測信號幅值均隨長度增加而增大，1#缺陷相對于2#和3#缺陷，仿真結(jié)果檢測幅值減小至89.8%和68.9%，試驗(yàn)結(jié)果檢測幅值減小至90.9%和61.5%。

圖17 不同長度缺陷仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.17 Comparison between simulation and test results of defects with different lengths

陣列檢測探頭通道間的一致性對檢測結(jié)果有較大影響，因此驗(yàn)證陣列探頭通道間的一致性。使用優(yōu)化后的陣列檢測探頭，6個通道分別以5°為步進(jìn)旋轉(zhuǎn)檢測5 mm×0.2 mm×2 mm缺陷，提取其最大值如圖18所示。

由圖18可看出6個檢測通道檢測信號峰值分別為1 026.0、1 047.4、1 035.0、1 028.0、1 034.6、1 057.0 mV，檢測信號最大值與最小值相差31.0 mV，為最大值的2.9%，因此陣列檢測探頭有較好的一致性。

圖18 陣列一致性測試結(jié)果Fig.18 Array conformance test results

進(jìn)一步驗(yàn)證陣列探頭對不同長度缺陷的檢測能力，將陣列探頭中心對準(zhǔn)高鎖螺栓中心放置，同時探頭第2通道軸心與缺陷重合，檢測埋深為4 mm，寬×深為0.2 mm×2 mm，長度為5、8、10 mm 的缺陷，檢測結(jié)果如圖19所示。

由圖19可看出通道1、3、4和6的檢測信號幅值較小，均為80 mV左右，通道2檢測信號幅值較大，1#、2#和3#缺陷檢測信號為1 070.00、1 371.94、1 524.64 mV，檢測信噪比較高，這是由于缺陷位于通道2正下方。而通道5也有一定強(qiáng)度的檢測信號，檢測1#、2#和3#缺陷的幅值分為380.08、488.49、543.09 mV，這是因?yàn)楫?dāng)缺陷位于通道2正下方時，通道5的激勵線圈正好在缺陷正上方。而渦流系統(tǒng)的檢測靈敏度為其所能檢測最小缺陷的能力，針對本文情況能檢測最小缺陷為5 mm×0.2 mm×2 mm，因此采用此缺陷的檢測幅值標(biāo)識靈敏度。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后多通遠(yuǎn)場渦流探頭可實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)高鎖螺栓緊固件隱藏缺陷的檢測。

圖19 不同長度缺陷的陣列檢測信號Fig.19 Array detection signals of detects with different length

進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器檢測鋁合金板埋深缺陷的靈敏度，平板試塊長×寬×厚為300 mm×100 mm×11 mm，缺陷加工在平板一側(cè)，其長×寬×深為10 mm×0.2 mm×2 mm，檢測時傳感器放置于缺陷的另一側(cè)，因此缺陷埋深為9 mm。傳感器6個通道一致性較高，故使用其通道1進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將傳感器線圈軸心平行于缺陷掃查，如圖20所示，檢測結(jié)果如圖21所示。

圖20 鋁合金平板試塊掃查示意圖Fig.20 Scanning diagram of aluminum alloy plate test block

如圖21所示，該缺陷的遠(yuǎn)場渦流信號幅值達(dá)400 mV，信噪比較高，表明優(yōu)化傳感器能有效檢測鋁合金板埋深為9 mm的長×寬×深為10 mm×0.2 mm×2 mm缺陷。

圖21 鋁合金平板試塊缺陷檢測結(jié)果Fig.21 Defect detection result of aluminum alloy flat plate test block

4 結(jié) 論

1) 橫跨式遠(yuǎn)場渦流探頭檢測線圈中心與高鎖螺栓中心距離對檢測信號幅值有較大影響，保持激勵線圈中心與檢測線圈中心距為33 mm不變，當(dāng)檢測線圈中心距高鎖螺栓中心11 mm時，檢測效果達(dá)到最佳。

2) 陣列遠(yuǎn)場渦流檢測探頭相鄰?fù)ǖ篱g線圈無法完全覆蓋，遠(yuǎn)場信號傳播到此處時會發(fā)生衰減，探頭相鄰?fù)ǖ篱g相差60°，因此磁場最薄弱區(qū)距離信號最大處30°，將缺陷置于此處時檢測信號相比缺陷放置于線圈中心時存在一定程度上的衰減，證明陣列探頭在磁場最薄弱區(qū)依然能檢測缺陷，所以陣列遠(yuǎn)場渦流探頭能夠全覆蓋檢測。

3) 陣列遠(yuǎn)場渦流探頭通道一致性較好，最大值與最小值之間相差31.0 mV，為最大值的2.9%。優(yōu)化后的陣列遠(yuǎn)場渦流檢測探頭能檢測埋深為4 mm、缺陷尺寸(長×寬×深)為5 mm×0.2 mm×2 mm的高鎖螺栓孔周隱藏缺陷，且隨缺陷長度增加檢測信號幅值呈上升趨勢。

4) 高鎖螺栓對檢測信號影響較大，使遠(yuǎn)場信號有一定衰減，但對鋁合金平板優(yōu)化后的傳感器檢測靈敏度仍較高，能有效檢測埋深為9 mm、長×寬×深為10 mm×0.2 mm×2 mm的缺陷。