PVD薄膜傳感器裂紋檢測概率測定與分析

劉 凱，崔榮洪，侯 波，何宇廷，牛 歡

(1中國人民解放軍 95606部隊，四川 瀘州 646000；2空軍工程大學 航空工程學院，西安 710038；3陸軍航空兵研究所，北京 101121)

PVD(physical vapor deposition)薄膜傳感器是應用現代物理氣相沉積技術中的多弧離子鍍方法，將電位監測傳感器制備在結構危險部位表面，實現對結構疲勞裂紋的萌生與擴展進行全過程監測的一種結構健康監測手段[1]。該傳感器相對于傳統的渦流、磁粉、聲發射等無損檢測手段，具有以下明顯優勢：與金屬結構高度一體化集成，不會對金屬結構自身的力學性能產生影響[2]；具有優良的環境耐受性和可靠性，適用于在嚴酷環境下服役的飛機金屬結構裂紋在線監測[3]，也適用于裂紋的原位檢測；信號特征明顯，監測原理簡便易行，不需要復雜的配套設備，綜合費效比低。同各種裂紋監測手段一樣，PVD薄膜傳感器在監測或檢測裂紋時受到制備工藝、環境等多種復雜因素的影響，結果必定存在隨機性及分散性。但隨著損傷容限設計思想[4]的發展與普及，對裂紋的監測有了更明確的目的性：通過監測裂紋預估結構的剩余強度和壽命，并以此為依據對飛機結構進行檢查修復，確保其適航性與安全性。但這一目的的實現，必然要以裂紋監測結果可靠性的定量化表征為基礎。Packman等[5]最早于1969年率先提出需要對無損檢測手段進行檢測可靠性與靈敏性評估，隨后國內外的研究人員針對檢測概率進行了大量的研究工作，并發展出許多較為成熟的無損檢測裂紋檢出概率測定方法。Andrea等[6]通過數值模擬和實驗，建立了基于多參數的Lamb監測鋁合金板件損傷的檢測概率模型，并將其應用于傳感器陣列檢測能力和可靠性評估。Holly等[7]通過分析渦流監測系統對CC-130和CP-140機翼部分的檢測數據，對比了不同凹口信號響應下的裂紋檢出概率，并提出了通過進行信號校準提高渦流系統檢測概率的方案。可見，由于檢測方式，信號表征的巨大差別，各種無損檢測手段檢測概率的測定方式和數據統計處理方法存在較大差異，現有對檢測概率的研究多集中于渦流等傳統無損檢測手段，通過對檢測手段不同條件下裂紋檢測概率的分析有助于改進提高其檢測能力[8-9]。為了可靠地定量表征PVD薄膜傳感器檢測裂紋的能力，本研究采用3種不同形狀的PVD薄膜傳感器進行在線裂紋監測實驗。通過分析對比其輸出電位信號與實際裂紋萌生擴展情況的一致性，并根據實驗結果統計繪制出了總體樣本和3種不同形狀PVD薄膜傳感器的裂紋檢出概率曲線，為PVD薄膜傳感器的改進和應用提供了系列化數據。

1 PVD薄膜傳感器

1.1 傳感器剖面結構

PVD薄膜傳感器的剖面設計為如圖1所示的金屬表面絕緣隔離層、損傷傳感層和封裝保護層的一體化3層結構。各層的厚度均為微米級，傳感器與基體結構高度一體化，多布置在金屬連接結構的孔邊等危險部位。

絕緣層實現傳感器電位監測信息與金屬基體結構的有效隔離，同時保證傳感器與金屬基體結構結合緊密；當金屬基體結構表面出現疲勞裂紋時，具有隨附損傷特性的薄膜電阻層會出現相應的裂紋并與基體結構表面裂紋同步擴展，引起損傷區域內的電位場發生變化，從而可以通過分析薄膜電阻層電阻(電位)監測數據的變化獲得裂紋的相關信息[1]；封裝保護層用以消除各種外界因素對電位監測信息的干擾，同時避免傳感器受到腐蝕、磨損、撞擊等意外損傷，并支持薄膜電阻層耐久性的提高。

1.2 傳感器平面陣列

文獻[1]中將PVD薄膜傳感器設計為如圖2(a)所示的幣狀平面結構，該型PVD薄膜傳感器制備工藝較為簡單，對鍍膜精度要求較低。但從監測結果可以看出，該型傳感器監測電位與裂紋長度為復雜的非線性關系，若需要對裂紋長度進行定量測量，須針對布設構件進行裂紋長度與監測電位的標定實驗，尤其是在裂紋擴展初期，此時的裂紋長度較小，裂紋擴展引起的監測電位變化非常小。文獻[10]中提出了一種如圖2(b)所示的同心環狀薄膜傳感器陣列，該陣列包含數個同圓心的PVD薄膜傳感器通道，通過設定適當的通道線寬和通道間隔，根據各通道的監測電位值來判斷裂紋尖端所在區域并給出裂紋長度的估計值。由于各通道線寬相對于幣狀傳感器尺寸大大減小，在裂紋前緣初進入傳感器監測區域時，監測電位變化更為明顯。

圖2 PVD薄膜傳感器平面結構(a)幣狀；(b)同心環狀Fig.2 Planar structure of PVD film sensor(a)coin shape;(b)concentric ring shape

1.3 傳感器制備

飛機結構中的鋁合金構件普遍采用陽極氧化工藝制備Al2O3絕緣層，用來增強結構的抗腐蝕、耐磨損性能。因此選用陽極氧化工藝制備絕緣隔離層，便于PVD薄膜傳感器在鋁合金結構中推廣應用。本研究采用正交優化實驗法，得出適用于國產LY12-CZ鋁合金的硼酸-硫酸陽極氧化工藝[11]，具體參數如表1所示，具體工藝流程同文獻[2]。隨后經過反復實驗調整出如表2所示的適用于LY12-CZ材料陽極氧化層的離子鍍膜工藝參數，制備PVD薄膜傳感器的損傷傳感層。最后采用N-90-A絕緣樹脂對損傷傳感層進行封裝保護。

表1 陽極氧化工藝參數Table 1 Anodic oxidation parameter

表2 離子鍍膜工藝參數Table 2 Ion plating parameter

2 疲勞裂紋監測實驗

2.1 實驗件及傳感器布置

本研究采用尺寸如圖3所示的LY12-CZ中心孔板模擬現代飛機中螺栓孔等危險部位，用1.3節中的工藝參數，制備在中心孔邊處帶有幣狀、1mm寬同心雙環狀、0.5mm寬同心三環狀3種不同形狀的PVD薄膜傳感器的實驗件各15件。制備封裝完成的PVD薄膜傳感器如圖4所示。

圖3 LY12-CZ中心孔板實驗件尺寸示意圖Fig.3 Dimension diagram of LY12-CZ specimen with central hole

2.2 實驗過程

現有的檢測概率實驗方案[12]中，研究對象均為傳統無損檢測方法。一般按照相應的標準，制備一定數量的帶裂紋與不帶裂紋實驗件。然后用規定的無損檢測手段，在規定的條件下(包括工作環境、照明度、檢測人員技術水平等)下，對以上實驗件進行反復檢測，最終得到不同裂紋長度下的裂紋檢出數與漏檢數等數據。

但PVD薄膜傳感器與基體結構高度一體化集成，對裂紋的監測主要基于其與基體結構的損傷一致性，其對于結構裂紋的監測貫穿于其萌生與擴展全過程，是在線且連續的。因此，對于同一實驗件反復檢測的結果是不獨立的。對于以上制備的實驗件按如下條件分別展開疲勞裂紋監測實驗：

采用MTS810型液壓伺服疲勞試驗機，以15Hz的加載頻率，在峰值載荷σmax=150MPa、應力比R=0.05條件下對試樣加載常幅疲勞載荷。

實驗過程中采用課題組自主研制的組合式讀數攝像平臺(帶顯微鏡、數顯游標卡尺)實時觀測實驗件孔邊裂紋的萌生、擴展狀態；對傳感器各通道施加10mA的恒定直流電流，使用ARTUSB2828數據采集卡和VICTOR86B數字多用表對PVD薄膜傳感器各通道的輸出電位進行全程跟蹤記錄。

在實際實驗中，疲勞裂紋形狀不盡規則。故本研究中定義名義裂紋長度為：將裂紋投影到垂直于試樣縱向軸線的中心孔圓心所在平面內后，該平面中裂紋前緣投影點到中心孔邊緣點之間的距離。前期每1000次加載循環后停止加載循環載荷，施加峰值載荷大小的靜載荷，仔細檢查實驗件危險部位是否存在裂紋，當觀測到有裂紋萌生時，將加載頻率降為5Hz，以便于實時觀測裂紋擴展情況。在實驗全過程中對輸出電位進行監測，當輸出電位超過判定閾值時，記錄此時名義裂紋長度作為單次監測實驗的最小檢出裂紋長度。實驗過程中觀測到的裂紋形貌圖5所示。

圖5 疲勞裂紋形貌(a)幣狀；(b)1mm線寬同心雙環狀；(c)0.5mm線寬同心三環狀Fig.5 Fatigue crack morphology(a)coin shape;(b)1mm concentric dual ring shape；(c)0.5mm concentric tricyclic shape

2.3 監測信號及檢測判定

圖6分別是幣狀、1mm線寬同心雙環狀、0.5mm線寬同心三環狀3種形狀PVD薄膜傳感器的典型輸出電位差信號曲線。實驗時，薄膜傳感器的監測通道按照從孔邊由內至外的順序被依次接入數據采集卡的channel 1，channel 2，channel 3。結合電位法監測裂紋原理及實驗中通過顯微鏡的對比觀測可知，每一通道的電位差信號曲線在一個完整的裂紋監測曲線中可以被分為三個典型的特征部分：第一部分為電位差在低值以極小幅度震蕩，對應裂紋尚未萌生或擴展進入傳感器通道相應區域；第二部分為電位差突然上升并大幅度震蕩，對應裂紋擴展進入傳感器相應通道內，此時裂紋長度較短，在峰值載荷作用下裂紋被拉開，而在小載荷作用下裂紋部分閉合，循環加載過程中使傳感器斷面不斷接觸分開導致電流周期性導通與斷開；第三部分為電位差停止增長并穩定在高電位，對應裂紋已經擴展通過該通道監測區域。由圖6(a)可知：幣狀傳感器的電位差曲線在第一部分中十分平緩，第二部分中電位差上升較慢、震蕩幅度較小。由圖6(b)，(c)可知：幣狀傳感器的導電橫截面積顯著大于同心環狀傳感器，因此在第一部分使電位差較為穩定的保持在低值。同心環狀傳感器因為通道寬度尺寸更為接近裂紋的特征尺寸，當裂紋擴展入該通道時，極易造成該通道斷路，因此電位差曲線在進入第二部分時急劇上升。而內外環之間電位差曲線第二部分的持續時間的區別，在趨勢上與裂紋由內至外的擴展速率的變化相吻合。

由以上分析可知，PVD薄膜傳感器的輸出電位曲線中，電位差的突然上升對應于裂紋的萌生和擴展，且在無裂紋時傳感器輸出電位信號中有噪聲存在。因此，需要設定一個電位差閾值作為損傷判定的邊界，當電位差大于此閾值時認為存在裂紋。通常判定閾值的選擇需要考慮兩方面：盡可能降低誤報率；盡可能減小最小可檢出裂紋尺寸與增大檢出概率[13]。但本研究的主要目的為PVD薄膜傳感器的裂紋檢出概率的測定與分析，且PVD薄膜傳感器的噪聲分布未知，故根據以往的實驗結果和噪聲統計，對于每一種類型的傳感器選擇最大噪聲值的1.1倍作為判定閾值，這樣可確保傳感器具有盡可能低的誤報率且避免了不同傳感器噪聲水平的差異導致的判定閾值不適用。

圖6 PVD薄膜傳感器輸出電位信號(a)幣狀；(b)1mm線寬同心雙環狀；(c)0.5mm線寬同心三環狀Fig.6 Output electrical signal of PVD film sensor(a)coin shape;(b)1mm concentric dual ring shape；(c)0.5mm concentric tricyclic shape

3 裂紋監測概率分析

3.1 實驗結果統計

對裂紋檢測結果的統計處理方法主要有等裂紋尺寸間隔法、等子樣容量法、重疊間隔法、最佳概率法等[14]。由于PVD薄膜傳感器對金屬結構裂紋的監測貫穿于其萌生、擴展的全過程，無法人為預制指定長度的裂紋并進行獨立重復的檢測實驗。為了充分利用有效實驗數據，采取如下數據處理方式：

將實驗結果統計整理，單通道幣狀、1mm線寬雙通道同心環狀、0.5mm線寬三通道同心環狀薄膜傳感器的最小檢出裂紋長度分布如圖7所示，可見同種傳感器的最小可檢裂紋長度具有一定分散性。3種形狀傳感器的平均最小可檢裂紋長度分別為0.679,0.194,

圖7 最小可檢裂紋尺寸分布Fig.7 Distribution of minimum detectable crack length

0.057mm。對于相同形狀的薄膜傳感器，由于鍍膜工藝、裂紋測量誤差等影響，最小可檢裂紋長度存在較大分散性。

將上述所有最小可檢裂紋長度都依次作為裂紋尺寸間隔的分段端點，所有最小可檢裂紋長度小于該長度的數據，在該間隔范圍內的數據均為成功檢出，反之則記為未成功檢出，統計出各裂紋尺寸間隔內的裂紋檢出次數Sn(每一尺寸間隔內獨立裂紋檢測次數n均按照實驗件總件數45件計)，取裂紋區間上左端點值代表裂紋區間的裂紋長度，即得到裂紋監測概率分析的原始數據。

3.2 PVD薄膜傳感器檢測概率曲線

將PVD薄膜傳感器在指定長度裂紋下的裂紋檢測作為一次隨機實驗，則在n件實驗件的獨立檢測實驗中，檢出裂紋的次數S為一隨機變量，該隨機變量服從二項分布，即

(1)

(2)

(3)

式中：f1=2(n-Sn+1)為F分布的上自由度；f2=2Sn為F分布的上側百分位點；X為F分布的上95%分位點。根據以上公式即可求出對應裂紋長度下的檢測概率置信下限值，擬合散點即得到檢測概率曲線如圖8所示。

圖8 PVD薄膜傳感器檢測概率Fig.8 Probability of detection of PVD film sensor

由圖8可知，PVD薄膜傳感器對于小于1mm尺寸的裂紋檢出概率較高，共45件實驗件均成功檢測出裂紋，平均最小可檢裂紋長度達到0.31mm，其中最大的最小可檢裂紋長度僅為0.99mm。在95%置信水平下，對長度大于0.99mm的裂紋檢出概率可達93.56%。

3.3 不同形狀傳感器POD曲線比較

采用同樣的數據處理和統計方法，分別做出幣狀、1mm線寬同心雙環狀、0.5mm線寬同心三環狀3種不同形狀的PVD薄膜傳感器的裂紋檢測概率曲線，如圖9所示。其中實心圖標代表檢測概率的點估計值，空心圖標代表檢測概率在置信水平為95%時的置信下限，三角形、圓形、方形圖標分別代表幣狀、1mm線寬同心雙環狀、0.5mm線寬同心三環狀薄膜傳感器。

圖9 不同形狀PVD薄膜傳感器檢測概率Fig.9 Probability of detection of PVD film sensor in different shape

從圖9可看出，當裂紋尺寸逐漸增大，并超過一定程度時，檢出概率趨于一定值。相比于幣狀薄膜傳感器，同心環狀薄膜傳感器對于小尺寸裂紋(0.5mm以下)更加敏感，且傳感器通道寬度越小，對于小尺寸裂紋的檢出概率越大。這是因為隨著金屬基體中裂紋的萌生與擴展，PVD薄膜發生相應的破壞，這種破壞永久改變了PVD薄膜損傷傳感層的導通橫截面積。對于相同尺寸的裂紋而言，PVD薄膜傳感器寬度越小，損傷傳感層導通橫截面積改變的百分比越大，進而造成薄膜傳感器輸出電位信號的變化越大，能更加靈敏地監測到損傷。

受限于實驗件數的限制，實驗結果顯示在同樣滿足95%置信水平時：幣狀傳感器對0.99mm及以上長度的裂紋檢測概率能達到最大值81.2%，1mm線寬同心雙環狀傳感器對0.28mm及以上長度的裂紋檢測概率能達到最大值81.2%，0.5mm線寬同心三環狀對0.28mm及以上長度的裂紋檢測概率能達到最大值81.2%。

4 結論

(1)在實驗室條件下，測定了PVD薄膜傳感器的裂紋檢出概率曲線，其對金屬結構裂紋尤其是小尺寸裂紋的檢出概率較高，在實驗中全部成功檢出裂紋。對于0.79mm的名義裂紋的檢測概率能在95%置信水平下達到90%，具有一定的應用潛力。

(2)采用幣狀、1mm寬同心環狀、0.5mm寬同心環狀3種形狀的薄膜傳感器進行了裂紋監測實驗并進行了信號分析與檢出概率曲線測定，同心環狀薄膜傳感器的最小可檢裂紋長度遠小于幣狀薄膜傳感器，在實驗中均能在名義裂紋尺寸小于0.4mm時將其成功檢出。0.5mm寬同心三環狀薄膜傳感器的最小可檢裂紋長度略小于1mm線寬同心雙環狀薄膜傳感器，最小可達到0.02mm。

(3)根據PVD薄膜傳感器對裂紋實時在線監測的特點，對無損檢測手段的裂紋檢出概率測定方法進行了改進，數據可靠，結果準確。對于實驗中較為復雜的影響因素，如判定閾值的選取標準、實驗件本身缺陷等沒有進行詳細討論，僅從工程應用角度進行了簡化處理，實驗數據子樣偏小，可能會引起一定誤差。