柔性渦流陣列傳感器孔邊裂紋監(jiān)測技術(shù)

樊祥洪，緱百勇，陳濤，何宇廷，崔榮洪，喻健

(空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038)

金屬結(jié)構(gòu)作為主要承力結(jié)構(gòu)，在飛機(jī)、高鐵等重型設(shè)備中發(fā)揮著中流砥柱的作用。然而金屬結(jié)構(gòu)在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下服役，極易引入損傷（如疲勞裂紋、腐蝕等）。關(guān)鍵部位若存在損傷未及時(shí)發(fā)現(xiàn)極易引發(fā)災(zāi)難性的后果。為確保結(jié)構(gòu)的安全，需要定期對結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測并對損傷部位進(jìn)行修理。提高維修的經(jīng)濟(jì)性，則需要采用視情維修策略。作為視情維修技術(shù)關(guān)鍵核心在于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)就是通過在結(jié)構(gòu)上布置先進(jìn)傳感器來監(jiān)測表征結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的參數(shù)（如溫度、應(yīng)變、腐蝕、裂紋和振動等），通過數(shù)據(jù)采集和處理分析結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，給出結(jié)構(gòu)的維修計(jì)劃[1-2]。由此，可以看出傳感器技術(shù)起著重要的作用。傳感器性能的優(yōu)劣決定著整個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)功能的好壞。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)采用的傳感器有智能涂層傳感器[3]、比較真空度傳感器[4]、光纖傳感器[5]、應(yīng)變傳感器[6]、超聲導(dǎo)波傳感器[7]和渦流傳感器[8]等。各傳感器有著自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。智能涂層傳感器可以監(jiān)測金屬和非金屬表面裂紋的萌生和擴(kuò)展，但是涂層工藝要求較高，如物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）薄膜傳感器，可以定量監(jiān)測裂紋，裂紋監(jiān)測精度可小于1 mm，但是該傳感器用于帶螺栓孔板具有較大的挑戰(zhàn)[9]。比較真空度傳感器可以定量監(jiān)測表面裂紋，裂紋監(jiān)測精度可達(dá)1 mm，但是對于工作在高壓應(yīng)力狀態(tài)下具有較大的挑戰(zhàn)性。光纖傳感器具有很好的形狀適應(yīng)性，可以監(jiān)測復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但是該傳感器受環(huán)境干擾較大，容易引入“虛警”和“誤警”。應(yīng)變傳感器可以根據(jù)應(yīng)變的變化來判斷裂紋的產(chǎn)生，該傳感器價(jià)格便宜、安裝方便，但是對于微小裂紋的萌生和擴(kuò)展不靈敏。超聲導(dǎo)波傳感器具有監(jiān)測范圍大、監(jiān)測效率高的優(yōu)良特點(diǎn)，在復(fù)合材料監(jiān)測上應(yīng)用廣泛，但是該傳感器對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尤其是多孔結(jié)構(gòu)具有較大的挑戰(zhàn)性。

渦流傳感器作為一種常規(guī)的無損檢測傳感器具有眾多優(yōu)良特點(diǎn)，既可以作為無損檢測傳感器使用，又可以用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。其中，柔性渦流陣列傳感器具有質(zhì)量輕、柔性可彎曲的優(yōu)良特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。不少研究者對其開展了深入的研究，如美國JENTEK Sensor公司的Goldfine 等[10]提出了一種蜿蜒狀繞組磁力計(jì)（meandering winding magnetometer, MWM）傳感器，開展了大量的研究，Schlicker[11]提出了含有多個MWM 陣列的新型傳感器，研究了基于該傳感器的結(jié)構(gòu)掃描成像技術(shù)。

螺栓連接結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)的重要承力結(jié)構(gòu)，孔邊作為應(yīng)力集中部位，極易產(chǎn)生疲勞裂紋。“斯坦福大學(xué)的”刪除。Rakow 和Chang[12]開發(fā)了一種SHM螺栓，其由一個渦流傳感器薄膜和螺栓集成而成，主要用于螺栓孔壁的裂紋監(jiān)測，雖然SHM 螺栓能承受較大的載荷，但是該型傳感器的靈敏度不高，容易受到環(huán)境因素的影響。何宇廷等[13-15]開展了大量柔性渦流陣列傳感器的研究，針對孔邊裂紋監(jiān)測問題，提出了一種花萼狀的柔性渦流陣列傳感器并建立傳感器解析模型和半解析模型，文獻(xiàn)[16]提出了一種用于孔邊裂紋監(jiān)測的同向激勵布局柔性渦流陣列傳感器，文獻(xiàn)[17]提出了提高裂紋監(jiān)測靈敏度的方法，但是未考慮對帶有螺栓的孔邊進(jìn)行監(jiān)測。

綜上，本文從提高柔性渦流陣列傳感器抗壓力性能的角度，提出了一種采用雙面補(bǔ)強(qiáng)并含參考通道的柔性渦流陣列傳感器。首先，通過COMSOL有限元軟件建立傳感器與被測結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析提離距離、墊片磁導(dǎo)率對傳感器輸出信號的影響規(guī)律及傳感器對裂紋識別的靈敏度。然后，根據(jù)傳感器仿真模型尺寸制備帶補(bǔ)強(qiáng)和不帶補(bǔ)強(qiáng)2 種傳感器，開展擠壓實(shí)驗(yàn)和在線疲勞裂紋監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該傳感器具有螺栓孔邊裂紋定量監(jiān)測能力。

1 裂紋監(jiān)測原理

1.1 帶雙面補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器

常規(guī)柔性渦流陣列傳感器由激勵線圈和感應(yīng)線圈陣列組成，采用柔性印刷技術(shù)將激勵線圈和感應(yīng)線圈印制在柔性基底上，如圖1 所示。

圖1 柔性渦流陣列傳感器示意圖Fig.1 Schematic diagram of flexible eddy current array sensor

本文在此基礎(chǔ)上，通過在前端監(jiān)測區(qū)域上下添加補(bǔ)強(qiáng)片，提高傳感器的抗壓能力，如圖2 所示。

圖2 帶雙面補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器Fig.2 Flexible eddy current array sensor with double-sided reinforcement

根據(jù)連接結(jié)構(gòu)孔邊的受力特性可知，與載荷方向垂直的左右兩側(cè)區(qū)域應(yīng)力較為集中，該部位是產(chǎn)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)部位。因此，在對疲勞裂紋監(jiān)測時(shí)，只需要監(jiān)測該部位。本文設(shè)計(jì)的雙面補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器共有7 個感應(yīng)通道，左右兩側(cè)各3 個感應(yīng)通道，上面有1 個感應(yīng)通道，該通道是參考通道，用于消除環(huán)境對傳感器輸出信號的影響，具體示意圖如圖3 所示。激勵線圈按從內(nèi)向外的順序分別定義為激勵線圈1、激勵線圈2、激勵線圈3 和激勵線圈4。

圖3 帶參考通道的柔性渦流陣列傳感器Fig.3 Flexible eddy current array sensor with reference channel

1.2 傳感器工作原理

柔性渦流陣列傳感器的工作原理基于電磁感應(yīng)定律。通過給激勵線圈施加交流電時(shí)，激勵線圈會在空間中產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)傳感器靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在導(dǎo)體上會產(chǎn)生與激勵電流方向相反的渦流。本文采用的激勵電流頻率較高，達(dá)到1 MHz?？梢越普J(rèn)為渦流分布在被測試驗(yàn)件表面，且渦流流動方向與激勵電流方向相反。

當(dāng)孔邊有裂紋產(chǎn)生時(shí)，由于介質(zhì)的不連續(xù)性，位于激勵線圈下方的渦流會沿著裂紋尖端流動，進(jìn)而形成一個擾動磁場，而感應(yīng)線圈感應(yīng)的是激勵磁場、渦流磁場和擾動磁場三者之間的矢量和，當(dāng)裂紋產(chǎn)生時(shí)，傳感器的感應(yīng)通道信號就會發(fā)生變化。因此，通過信號的變化來判斷裂紋的萌生及擴(kuò)展情況。根據(jù)圖4 可以看出，裂紋產(chǎn)生在左側(cè)區(qū)域，同時(shí)，裂紋擴(kuò)展穿過了左側(cè)感應(yīng)通道1，到達(dá)了左側(cè)感應(yīng)通道2。此時(shí)，左側(cè)感應(yīng)通道1 和左側(cè)感應(yīng)通道2 的信號會發(fā)生變化。

圖4 裂紋擴(kuò)展示意圖Fig.4 Schematic diagram of crack propagation

2 仿真分析

帶雙面補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器用于螺栓孔邊進(jìn)行裂紋監(jiān)測時(shí)，傳感器的提離距離和螺栓的電磁特性（電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率）都會影響傳感器的輸出信號。本節(jié)建立傳感器的有限元模型，分析提離距離、墊片磁導(dǎo)率和墊片電導(dǎo)率對傳感器輸出信號的影響。

2.1 二維有限元模型

本文采用COMSOL 軟件有限元，通過二維軸對稱建立傳感器與被測試驗(yàn)件之間的有限元模型，如圖5 所示。

圖5 傳感器仿真模型Fig.5 Sensor simulation model

該模型主要由激勵線圈、感應(yīng)線圈、被測金屬件、螺栓、螺母、墊片和空氣組成。螺栓、螺母及墊片采用的鐵磁性材料，相對磁導(dǎo)率設(shè)置為2 000，激勵線圈與被測金屬件之間的間距定義為提離距離lift-off，考慮到傳感器雙面PI 補(bǔ)強(qiáng)片的厚度一樣，因此，設(shè)感應(yīng)線圈與墊片表面之間的間距為liftoff。主要仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

2.2 仿真結(jié)果與分析

在COMSOL 有限元軟件的后處理模塊中作出傳感器附近區(qū)域渦流分布圖，如圖6 所示。

根據(jù)圖6 可以看出，由于激勵頻率較高，金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生的渦流密度受趨膚效應(yīng)的影響，渦流集中在激勵線圈下方。將傳感器的提離距離作為掃描參數(shù)，作出感應(yīng)通道輸出電壓隨提離距離變化的趨勢圖，如圖7 所示。

圖6 試驗(yàn)件剖面渦流分布圖Fig.6 Eddy-current profile of test piece

圖7 感應(yīng)電壓隨提離距離變化趨勢Fig.7 Trend of induced voltage with lift-off

根據(jù)圖7 可知，3 個感應(yīng)通道中，感應(yīng)通道3 的感應(yīng)電壓最大，其次是感應(yīng)通道2，最小的是感應(yīng)通道1。這主要是由于感應(yīng)通道3 位于傳感器最外通道，所圍成的面積最大，穿過的磁通量最大。因此，在相同頻率變化條件下，感應(yīng)通道3 的感應(yīng)電壓最大。3 個通道隨著提離距離的增加，感應(yīng)電壓逐漸增大。以螺栓、墊片和螺母的相對磁導(dǎo)率為掃描參數(shù)，作出傳感器感應(yīng)通道輸出電壓隨相對磁導(dǎo)率的變化趨勢圖，如圖8 所示。

圖8 感應(yīng)電壓隨相對磁導(dǎo)率的變化趨勢Fig.8 Trend of induced voltage with relative permeability

根據(jù)圖8 可知，隨著相對磁導(dǎo)率的增加，感應(yīng)電壓逐漸增加，當(dāng)相對磁導(dǎo)率增加到1 000 時(shí)，感應(yīng)電壓近似保持不變。

2.3 裂紋擴(kuò)展仿真分析

通過建立傳感器的二維仿真模型，分析感應(yīng)電壓和提離距離對傳感器感應(yīng)通道輸出電壓的影響。本節(jié)建立傳感器與裂紋擴(kuò)展的耦合模型，分析裂紋擴(kuò)展過程中對傳感器輸出信號的影響，具體仿真模型如圖9 所示。

圖9 傳感器三維仿真模型Fig.9 Sensor simulation model

考慮到傳感器的激勵頻率較高，渦流的趨膚深度較小。為提高有限元模型計(jì)算效率，將螺栓簡化為圓柱體，在激勵線圈和感應(yīng)單元上方加上墊片。因此，該仿真模型主要由激勵線圈、感應(yīng)線圈、被測試驗(yàn)件、簡化后的螺栓及墊片組成。通過在孔邊預(yù)制一條寬度為0.2 mm 的裂紋，傳感器的提離距離設(shè)置為0.1 mm。將裂紋的長度作為掃描參數(shù)，通過控制裂紋的長度來模擬裂紋的擴(kuò)展過程。

2.4 傳感器裂紋識別靈敏度

通過COMSOL 有限元軟件的后處理，計(jì)算穿過感應(yīng)通道磁通量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即感應(yīng)電壓為

本文定義傳感器的跨阻抗為感應(yīng)電壓與激勵電流之比：

當(dāng)裂紋向右擴(kuò)展依次傳感器3 個感應(yīng)通道時(shí)，3 個感應(yīng)通道對裂紋識別的靈敏度變化趨勢如圖10所示。

圖10 裂紋識別靈敏度變化趨勢圖Fig.10 Variation trend of crack identification sensitivity

根據(jù)圖10 可知，當(dāng)裂紋未擴(kuò)展至激勵通道1 時(shí)，傳感器3 個感應(yīng)通道對裂紋識別的靈敏度保持不變，當(dāng)裂紋擴(kuò)展穿過感應(yīng)通道1 時(shí)（裂紋長度為1 mm），其靈敏度開始呈現(xiàn)上升趨勢，此時(shí)，感應(yīng)通道2 和感應(yīng)通道3 對裂紋識別的靈敏度沒有開始發(fā)生變化。當(dāng)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展穿過激勵線圈2 時(shí)（裂紋長度為2 mm），感應(yīng)通道2 的靈敏度開始發(fā)生變化，此時(shí)感應(yīng)通道3 的靈敏度未發(fā)生變化，當(dāng)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展穿過激勵線圈3 時(shí)，感應(yīng)通道3 的靈敏度開始發(fā)生變化。同時(shí)，感應(yīng)通道1 對裂紋識別的靈敏度最大，靈敏度為5.6%；其次是感應(yīng)通道3，靈敏度為4.6%；最小的是感應(yīng)通道2，靈敏度為2.9%。且在裂紋擴(kuò)展過程中，傳感器各個感應(yīng)通道之間相互獨(dú)立，未出現(xiàn)一個感應(yīng)通道的變化引起另一個感應(yīng)通道裂紋識別靈敏度的變化。因此，可以根據(jù)各個感應(yīng)通道靈敏度開始變化的先后順序?qū)α鸭y的擴(kuò)展情況進(jìn)行定量監(jiān)測。同時(shí)，裂紋識別的精度等于傳感器激勵線圈之間的間距，即等于1 mm。

通過COMSOL 有限元軟件的后處理模塊作出裂紋擴(kuò)展過程中，被測金屬件表面渦流的流動狀態(tài)，如圖11 所示，裂紋長度用a 表示。

圖11 裂紋擴(kuò)展對渦流的擾動作用Fig.11 Effects of crack growth on eddy currents

根據(jù)圖11 可知，在激勵線圈下方的被測試驗(yàn)件會產(chǎn)生與激勵電流方向相反的渦流，激勵線圈1 和激勵線圈3 下方的渦流沿著逆時(shí)針方向流動，激勵線圈2 和激勵線圈4 下方的渦流沿著順時(shí)針方向流動。當(dāng)裂紋未產(chǎn)生時(shí)，渦流集中在激勵線圈下方區(qū)域流動，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至激勵線圈1 時(shí)，如圖11（b）所示，激勵線圈左側(cè)的渦流發(fā)生擾動，而激勵線圈1 和激勵線圈2 之間的區(qū)域沒有產(chǎn)生擾動渦流。隨著裂紋繼續(xù)擴(kuò)展將有裂紋產(chǎn)生，因此，感應(yīng)通道1 對裂紋識別的靈敏度會發(fā)生變化，而激勵線圈2 和激勵線圈3 之間、激勵線圈3 和激勵線圈4 之間沒有擾動渦流產(chǎn)生，因此，感應(yīng)通道2 和感應(yīng)通道3 的靈敏度不會發(fā)生變化。當(dāng)裂紋擴(kuò)展依次穿過了激勵線圈2 和激勵線圈3，感應(yīng)通道2 和感應(yīng)通道3 之間的靈敏度依次發(fā)生變化。根據(jù)圖11（i）可以看出，激勵線圈1 與激勵線圈2、激勵線圈3 和激勵線圈4 之間的擾動渦流明顯大于激勵線圈2 與激勵線圈3 之間的渦流。因此，感應(yīng)通道1 和感應(yīng)通道3 對裂紋識別的靈敏度大于感應(yīng)通道2 之間的靈敏度。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，將傳感器置于墊片下方可以定量監(jiān)測裂紋的擴(kuò)展，且裂紋監(jiān)測精度與激勵線圈之間的間距一致。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文傳感器具有孔邊裂紋監(jiān)測能力，依據(jù)仿真尺寸制備了帶雙面補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器，通過MTS 疲勞試驗(yàn)機(jī)加載，開展在線疲勞裂紋監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，加載應(yīng)力為180 MPa，頻率為20 Hz，螺栓的直徑為12 mm。根據(jù)《航空制造工程手冊》[18]，該直徑的螺栓施加的最大擰緊扭矩值為63 N·m。為了驗(yàn)證該傳感器在結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)下工作情況，先開展了預(yù)緊力大小對帶補(bǔ)強(qiáng)傳感器和不帶補(bǔ)強(qiáng)傳感器耐擠壓對比實(shí)驗(yàn)。施加范圍為20～63 N·m，步長為5 N·m，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖12 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

圖12 傳感器擠壓實(shí)驗(yàn)Fig.12 Sensor extrusion experiment

表2 擠壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of extrusion experiment

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著螺栓擰緊扭矩增大，不帶補(bǔ)強(qiáng)的傳感器各個感應(yīng)通道發(fā)生破壞（線圈斷裂），而采用補(bǔ)強(qiáng)的傳感器在63 N·m 的螺栓擰緊扭矩下依然可以正常工作。因此，在對螺栓孔孔邊裂紋進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，需要采用帶補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器。

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由帶雙面補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器、信號源、功放模塊、運(yùn)放模塊及信號采集與處理系統(tǒng)組成，具體連接方式如圖13 所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖14 所示。為考察傳感器在極限狀態(tài)下是否正常工作，螺栓的擰緊扭矩施加為63 N·m。

圖13 疲勞裂紋在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.13 On-line fatigue crack monitoring system

圖14 在線疲勞裂紋監(jiān)測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.14 Experiment site of online crack monitoring

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)裂紋依次穿過各感應(yīng)通道時(shí)，傳感器的感應(yīng)通道信號發(fā)生變化。作出傳感器各感應(yīng)通道隨裂紋擴(kuò)展的靈敏度變化趨勢圖，如圖15 所示。

根據(jù)圖15 可知，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至感應(yīng)通道1 時(shí)，感應(yīng)通道的信號開始發(fā)生明顯變化，感應(yīng)通道2 和感應(yīng)通道3 的信號未發(fā)生變化。隨著裂紋擴(kuò)展至感應(yīng)通道2 時(shí)，感應(yīng)通道2 的信號開始變化，此時(shí)感應(yīng)通道1 信號變化趨勢變緩，感應(yīng)通道3 信號未發(fā)生變化。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至感應(yīng)通道3 時(shí)，感應(yīng)通道3 的信號開始發(fā)生變化?？梢钥闯觯袘?yīng)通道1 的裂紋識別靈敏度最高，約為2.8%，其次感應(yīng)通道3 的裂紋識別靈敏度為1.2%，最小為感應(yīng)通道2，約為0.8%。同時(shí)，整個靈敏度變化曲線有下降的趨勢，這是由于在加載過程中，螺栓孔邊受摩擦的作用，溫度有所升高，造成被測結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率和墊片相對磁導(dǎo)率變化，因此傳感器的輸出信號會發(fā)生微弱變化，該傳感器最大裂紋識別靈敏度為2.8%，而溫度對其影響為0.4%，因此該部分的影響不容忽略。

圖15 裂紋監(jiān)測結(jié)果Fig.15 Crack monitoring results

本文針對這一問題設(shè)計(jì)了一個參考通道，該參考通道位于傳感器的正上方，如圖3 所示。由于該通道位于非應(yīng)力集中區(qū)域，該處一般不會產(chǎn)生疲勞裂紋，該參考通道可以感應(yīng)環(huán)境因素對其影響。因此，為消除環(huán)境因素對各感應(yīng)通道輸出信號的影響，可以采用各感應(yīng)通道靈敏度變化曲線與參考參考通道的靈敏度變化曲線相減求得。由此，可以得到經(jīng)參考通道修正后的裂紋識別靈敏度變化，如圖16 所示。

根據(jù)圖16 可知，通過修正后的裂紋監(jiān)測結(jié)果不影響傳感器對裂紋擴(kuò)展的監(jiān)測性能。感應(yīng)通道1、感應(yīng)通道2 和感應(yīng)通道3 裂紋識別靈敏度分別為3.4%、1.5%和1.8%。各感應(yīng)通道間的靈敏度大小關(guān)系相比于未修正的裂紋監(jiān)測結(jié)果偏大。

圖16 通過參考通道修正的裂紋監(jiān)測結(jié)果Fig.16 Crack monitoring results modified by reference channel

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過開展在線疲勞裂紋監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該傳感器可以通過安裝在墊片下方實(shí)現(xiàn)對孔邊裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，傳感器未發(fā)生損壞，驗(yàn)證了帶雙面補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器具有抗壓能力，且能夠監(jiān)測裂紋的萌生和擴(kuò)展。當(dāng)裂紋剛好擴(kuò)展到激勵線圈1 時(shí)，感應(yīng)通道1 的輸出信號開始發(fā)生變化，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至激勵線圈2 時(shí)，感應(yīng)通道2 的輸出信號發(fā)生變化，隨著裂紋繼續(xù)擴(kuò)展至激勵線圈3 時(shí)，感應(yīng)通道3 的輸出信號開始發(fā)生變化。因此，可以根據(jù)傳感器各感應(yīng)通道輸出信號開始變化的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對裂紋擴(kuò)展的定量監(jiān)測，且裂紋監(jiān)測精度與傳感器激勵線圈之間的間距一致，為1 mm。根據(jù)二維仿真模型可知，隨著提離距離的增加，傳感器感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓增加。在二維仿真模型后處理模塊中，計(jì)算激勵線圈下方區(qū)域渦流的大小隨提離距離變化趨勢，區(qū)域劃分如圖17 所示，計(jì)算結(jié)果如圖18 所示。

圖17 激勵線圈下方區(qū)域劃分Fig.17 Division of area below excitation coil

圖18 不同區(qū)域渦流大小隨提離距離變化趨勢Fig.18 Variation trend of eddy current size with lifting distance in different areas with lift-off

根據(jù)圖18 可以看出，隨著傳感器提離距離增加，激勵線圈下方4 個區(qū)域的渦流大小均呈現(xiàn)下降趨勢。由于提離距離較大，被測試驗(yàn)件表面形成的渦流較小，當(dāng)裂紋擴(kuò)展穿過激勵線圈下方區(qū)域時(shí)，所形成的擾動渦流較小。因此，由擾動渦流形成的擾動磁場較小。綜合傳感器感應(yīng)通道感應(yīng)電壓增大及擾動渦流減小兩者因素，傳感器對裂紋識別的靈敏度較小，但是也不影響傳感器對孔邊裂紋的定量監(jiān)測。

4 誤差分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對裂紋監(jiān)測之間的差異，本節(jié)開展誤差分析。一方面，考慮到傳感器在安裝過程中受到墊片的擠壓，傳感器會發(fā)生變形傳感器與金屬表面之間的間距。另一方面，考慮到傳感器還有保護(hù)層、PI 補(bǔ)強(qiáng)板的厚度在安裝過程中需要采用PI 膠進(jìn)行黏接，因此傳感器實(shí)際的提離距離會大于0.1 mm。根據(jù)圖7 和圖18 可知，隨著提離距離的增加，感應(yīng)通道的感應(yīng)電壓會增加，被測試驗(yàn)件表面的渦流大小會減小。隨著裂紋的擴(kuò)展，傳感器對裂紋識別的靈敏度會降低。因此，本文為了證明該結(jié)論，開展了仿真分析，分析提離距離在0.15 mm 和0.2 mm 下，傳感器對裂紋監(jiān)測的靈敏度變化趨勢，如圖19 所示。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，隨著提離距離的增加，傳感器各感應(yīng)通道對裂紋識別的靈敏度均呈現(xiàn)下降趨勢，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可以看出，在提離距離為0.15 mm時(shí)，傳感器對裂紋識別的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果較為相近。因此，可以看出仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異是由提離距離引入。但是，在實(shí)驗(yàn)過程中，帶補(bǔ)強(qiáng)片的傳感器在裂紋擴(kuò)展過程中，可以明顯引起傳感器感應(yīng)通道信號的變化。因此，可以判斷由補(bǔ)強(qiáng)片引起的提離距離的增加并不嚴(yán)重影響傳感器對裂紋的識別和定量監(jiān)測。

圖19 不同提離距離下裂紋識別靈敏度Fig.19 Sensitivity of crack monitoring at different lift-off

5 結(jié) 論

1）帶雙面補(bǔ)強(qiáng)的柔性渦流陣列傳感器具有較好的抗壓性能，傳感器在疲勞裂紋監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中不發(fā)生破壞。

2）傳感器的參考通道可以有效消除外界環(huán)境對傳感器輸出信號的影響。

3）傳感器對裂紋識別的精度與激勵線圈之間的間距相等。

4）傳感器隨提離距離的增加，裂紋監(jiān)測靈敏度降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間的差異由提離距離引入。