基于柔性渦流傳感器疲勞裂紋監測試驗研究*

李培源，何宇廷，杜金強，張 飛，焦勝博

(空軍工程大學 航空航天工程學院，陜西 西安710038)

0 引 言

傳統飛機結構檢測是依據設計制造階段試驗數據制定的技術手冊，分階段定期檢查維修。隨著飛機結構形式日趨復雜、使用強度不斷增加、服役使用壽命不斷延長，傳統的結構檢測維修已經難以保證飛機飛行安全。基于結構健康/損傷監測技術(SHM)的視情維修方式被提出來并逐漸應用到飛機結構的精確維修中，其能夠準確在結構安全隱患發生的初期發現并能夠定位和確定隱患的程度，進而提供結構的安全性評估，規劃管理結構剩余壽命，對結構安全狀態進行主動控［1，2］。

電磁渦流監測是無損檢測領域的五大常規檢測方法之一(射線、超聲、磁粉、滲透和渦流)［3］，是飛機結構健康監控的重要分支，它幾乎可以應用到所有的導電材料損傷監測，易于同結構集成，信號處理簡單，可以實現非接觸檢測，能穿透被測件的覆蓋層等優點［4～6］，廣泛應用于航空航天、國防工業、冶金，核能等部門。

渦流檢測技術在金屬結構裂紋檢測方面具有顯著優勢，但在金屬結構裂紋監測中應用較少。早期美國磁通公司在Michaelvgo 的領導下設計制造了多種渦流檢測儀器，Bos，Sahlen 等人研制了多頻渦流自動掃描設備，主要用于飛機多層結構的檢測［7］。Dogaru T 使用巨磁電阻(giant magneto－resistance，GMR)制作掃描渦流探頭傳感器，可檢測雙層結構緊固件附近裂紋［8］。近年來，渦流檢測開始和其他渦流檢測技術融合發展［9］。

渦流陣列(eddy current array)檢測技術是對電磁渦流檢測探頭線圈結構進行陣列化設計，即將很多獨立的子探頭線圈按特定的組合形式排列在平面或者曲面上構成陣列，各子單元獲取包含缺陷信息的渦流信號，并匯入信號處理系統，完成對材料或構件快速，高效的檢測。該技術已被廣泛應用于金屬件焊縫、腐蝕和疲勞裂紋檢測，渦輪機、蒸汽發生器、熱交換器以及壓力容器管道等的檢測中［10～13］。

本文設計了一種基于柔性電路板柔性渦流陣列傳感器，并搭建了裂紋監測試驗系統，分別對304 奧氏體不銹鋼、2A12—T4 鋁合金和TC4 鈦合金三種材料進行了監測試驗，通過試驗驗證了渦流傳感器具有定量監測裂紋的能力。

1 渦流監測原理

金屬導體附近放置線圈，當線圈中通過交變電流時，根據法拉第電磁感應定律，線圈周圍會產生交變磁場，被測導體中也會產生感應電渦流，電渦流和線圈綜合影響磁場的分布，該磁場分布包含金屬導體的狀態信息，通過分析線圈的阻抗可以推出其損傷信息［14，15］，原理示意圖如圖1 所示。

圖1 電渦流監測基本原理Fig 1 Basic principle of eddy current monitoring

2 渦流傳感器

飛機金屬結構健康監控的渦流傳感器需要具有重量小，易于同結構集成而不改變結構承力情況，同時需要具備足夠的可靠性、耐久性和經濟性。柔性電路板渦流傳感器可以自適應復雜的結構表面、體積小、厚度薄、耐腐蝕，能夠較好滿足飛機金屬結構健康監控的要求。

渦流傳感器具有激勵線圈和感應線圈組成規則形狀，呈周期性排列。本文設計的柔性傳感器如圖2 所示。由圖可見，激勵線圈沿之字走線，激勵線圈中分布著環狀的感應線圈，為了最大程度減小竄擾，在激勵和感應線圈中間插入地線隔離線。感應通道保持相對獨立，即各通道感應線圈只對其下方的結構損傷敏感。當裂紋通過對應感應線圈下位置時，感應線圈輸出信號信息會發生相應變化，通過記錄傳感器各個感應通道輸出信號的變化就實現了對裂紋擴展過程的監測。柔性渦流傳感器通過類似分段監測的機制來實現對結構裂紋損傷的定量監測，感應線圈的間隔就是該傳感器的監測分辨率。

3 預置疲勞裂紋監測試驗

圖2 柔性渦流傳感器示意圖Fig 2 Schematic diagram of flexible eddy current sensor

將渦流傳感器固定到電控位移試驗臺的探頭上，通過電控位移試驗臺探頭的精準位移模擬裂紋的擴展。電控位移試驗臺和固定渦流傳感器探頭細節如圖3 所示，預置裂紋監測試驗系統結構圖如圖4 所示。

圖3 電控位移試驗臺與探頭細節圖Fig 3 Electric control displacement test platform and detail of probe

圖4 預置裂紋監測試驗系統結構圖Fig 4 Structure diagram set crack monitoring system

試驗件:試驗件表面拋光處理，中心打直徑6 mm 的圓孔便于線切割，選用直徑0.1 mm 的鉬絲預置裂紋，如圖5所示。

1)2A12—T4 鋁合金，尺寸為150 mm×50 mm×4 mm，預置裂紋為40 mm×0.5 mm 穿透裂紋。

2)304 奧氏體不銹鋼，尺寸為200 mm×50 mm×2 mm，預置裂紋為45 mm×0.2 mm，45 mm×0.4 mm，45 mm×0.6 mm穿透裂紋。

3)TC4 鈦合金，尺寸為200 mm×40 mm×2 mm，預置裂紋為20 mm×0.2 mm，20 mm×0.3 mm，20 mm×0.4 mm，20 mm×0.5 mm 穿透裂紋。

試驗方法:將傳感器固定于電控試驗臺探頭上，試驗件固定在試驗臺的擋板上，使傳感器受力均勻，抑制提離距離干擾。激勵為幅值為1 V，初始相位為0°的交變電壓。首先在不含裂紋區域采集基準信號，之后沿預置裂紋方向平穩步進移動固定傳感器的探頭，步長為0.2 mm，記錄激勵和感應線圈電壓幅值和相位。

圖5 2A12—T4 鋁合金預置裂紋試驗件Fig 5 Set crack specimen of 2A12—T4 aluminum alloy

系統輸出特征信號定義為跨阻抗相較于基準值的變化率，即

通過分析線圈的幅值和相位及跨阻抗變化率可以定量監測裂紋，跨阻抗變化率代表了監測靈敏度的大小。

3.1 柔性渦流傳感器監測304 奧氏體不銹鋼

首先獲取在不同激勵頻率下有無預置裂紋對輸出跨阻抗的變化影響，第一通道數據變化和傳感器輸出變化規律分別如表1 和圖6 所示。可以看出:隨著激勵頻率的增大，4 個感應通道跨阻抗變化率都增大，增速減緩，相位變化很小，相應的幅值比主導跨阻抗變化率。

表1 第一通道跨阻抗參數Tab 1 Transimpedance parameters of channel 1

圖6 跨阻抗變化率隨激勵頻率變化曲線(預置寬0.4 mm 裂紋)Fig 6 Curve of transimpedance change rate vs excitation frequency(preset crack with 0.4 mm width)

以激勵頻率為0.8，以一、二通道為例子，得到系統各通道輸出跨阻抗變化如圖7 所示。可以看出，通過各通道跨阻抗變化，可以精確實現對裂紋長度的監測。在實際監測裂紋過程中，第一通道跨阻抗出現陡增現象說明裂紋擴展至第一通道下方監測區域，當第二通道跨阻抗出現陡增現象說明裂紋擴展至第二通道下方監測區域，一、二通道的間距即為裂紋當前擴展的長度。同理，三、四通道乃至擴展更多通道跨阻抗發生陡增變化，說明裂紋擴展至對應通道下方監測區域，通道的間距即為監測裂紋擴展分辨率。

圖7 一二通道跨阻抗變化率曲線(預置寬0.4 mm 裂紋)Fig 7 Transimpedance change rate curve of channel 1 and 2(preset crack with 0.4 mm width)

傳感器通過監測預置不同寬度裂紋試驗件研究裂紋寬度對系統跨阻抗變化影響，由于4 個感應通道變化規律相同，此處以第一通道為例說明，不同寬度預置裂紋下跨阻抗變化如圖8 所示。由圖可見，隨著裂紋寬度增大，跨阻抗變化率稍有增大，這是由于試件預置裂紋寬度增加，試件中形成的感應磁場減弱，對激勵磁場的削弱作用減小，使得感應線圈輸出跨阻抗幅值比增大，而跨阻抗幅值比主導跨阻抗變化率。

圖8 不同寬度預置裂紋下一通道跨阻抗變化率曲線Fig 8 Transimpedance change rate curve of channel 1 under different prefset width crack

3.2 柔性渦流傳感器監測2A12—T4 鋁合金

監測2A12—T4 鋁合金試件，記錄對應條件下跨阻抗幅值和相位，裂紋改變跨阻抗變化率如圖9 所示。各通道隨激勵頻率的變化并不大，第二感應通道變化率最大，第四感應通道變化率次之，一、三感應通道變化率最小，較為接近。綜合各通道監測靈敏度隨激勵頻率變化曲線，選擇最優激勵頻率為3 MHz。

傳感器隨著位移臺移動，系統輸出跨阻抗變化率如圖10所示。可以看出，傳感器在進入預置裂紋區域前和全部進入預置裂紋后，輸出跨阻抗基本不變化，在通過預置裂紋的過程中，從感應一通道至感應四通道跨阻抗依次出現陡增現象，陡增點位移間隔都為1 mm，且各通道陡增區間同樣為1 mm。

圖9 跨阻抗變化率隨激勵頻率變化曲線(預置寬0.5 mm)Fig 9 Curve of transimpedance change rate with excitation frequency(preset crack with 0.5 mm width)

圖10 跨阻抗變化率隨位移變化曲線Fig 10 Curve of transimpedance change rate with displacement

相較于監測304 奧氏體不銹鋼試件跨阻抗變化率(范圍大概在2%之內)，監測2A12—T4 鋁合金試件跨阻抗變化率在2%～5%，這是由于2A12—T4 鋁合金電導率遠大于304奧氏體不銹鋼。

3.3 柔性渦流傳感器監測TC4 鈦合金

不同激勵頻率下預置裂紋對跨阻抗影響如圖11 所示。隨著激勵頻率增大，4 個感應通道跨阻抗變化率都增大。

圖11 跨阻抗變化率隨激勵頻率變化曲線(預置寬0.5 mm 裂紋TC4 鈦合金)Fig 11 Curve of transimpedance change rate with excitation frequency(preset crack with 0.5 mm width)

以激勵頻率為0.8，得到系統輸出跨阻抗變化如圖12所示。監測TC4 鈦合金跨阻抗變化規律同監測304 奧氏體不銹鋼和2A12—T4 鋁合金規律相同，各通道跨阻抗變化率出現陡增現象時，裂紋“擴展”至對應通道下方區域，矩形傳感器能夠有效獲取TC4 鈦合金裂紋信息，定量監測裂紋長度。

4 結 論

1)本文設計的柔性渦流傳感器針對不同監測材料具有不同最優頻率，針對電導率較大的2A12—T4 鋁合金材料，最優監測頻率為0.3，而對于電導率小一些的304 奧氏體不銹鋼和TC4 鈦合金最優監測頻率增大。

圖12 跨阻抗變化率曲線(預置寬0.5 mm 裂紋)Fig 12 Transimpedance change curve(preset crack with 0.5 mm width)

2)裂紋對柔性渦流傳感器跨阻抗輸出幅值和相位影響不同，針對304 奧氏體不銹鋼材料，當監測材料含有裂紋時，跨阻抗幅值增大，相位減小，相位變化率遠小于幅值變化率。

3)試件預置裂紋寬度增大，傳感器輸出跨阻抗變化率增大，裂紋寬度影響電渦流大小和分布，對跨阻抗輸出有影響，通過分析輸出跨阻抗變化率可以定性分析預置裂紋寬度。

4)當輸出跨阻抗變化率出現陡增現象時，說明裂紋擴展至對應感應通道下方，渦流傳感器感應線圈分段監測實現了對裂紋的識別和定量監測，分辨率達到1 mm。

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