張玉華，呂登龍，孫慧賢

（軍械工程學院電氣工程系，河北石家莊 050003）

0 引言

由于飛機起落架長期工作在高強度、高負荷和高溫的工作環(huán)境下，其主機輪轂R處、轂部轉接R處及固定輪緣根部R處屬于應力高度集中的部位，其表面極易產生疲勞裂紋，從而對飛機的安全飛行構成嚴重威脅。因此，如何實現對飛機輪轂裂紋的無損探傷就變得至關重要。

渦流檢測技術作為五大常規(guī)無損檢測技術之一，因其檢測的無接觸性、不需要耦合劑、檢測速度快及靈敏度高等優(yōu)點被廣泛地用于飛機的日常維護和可靠性評估［1，2］。在渦流檢測的實際應用中，探頭的形式和結構多種多樣［3～7］，但輪轂上被測部位一般存在一定的曲度，使用通用探頭會因為被測面和探頭底部吻合不好導致探頭搖晃，造成靈敏度和信噪比降低。因此，必須根據輪轂檢測的實際需求進行設計。

本文根據輪轂的幾何特征和損傷模式設計了一種放置式線圈探頭，該探頭由1個檢測線圈和1個參考檢測組成，并采用電橋電路對2個線圈的感應電壓進行差分輸出，這種結構和檢測方式非常有利于提高檢測靈敏度，且對任何走向的裂紋的靈敏度均相同。本文采用數值計算的方法分析了線圈尺寸、激勵頻率等因素對靈敏度的影響，并以此為指導，利用研制的渦流探頭進行了實驗檢測，驗證了探頭設計的合理性和檢測的可行性。

1 渦流檢測原理與傳感器

渦流檢測是電磁感應原理的一項重要應用，其檢測原理為:當載有交變電流的監(jiān)測線圈靠近導電試件時，由于激勵線圈磁場的作用，試件中會產生渦流，而渦流的大小、相位及流動形式受到試件導電性能的影響，同時產生的渦流也會形成一個磁場，這個磁場反過來又會使檢測線圈的感應電壓或阻抗發(fā)生變化，因此，通過測定檢測線圈感應電壓或阻抗變化，就可以判斷出被測試件的屬性和有無缺陷等情況［8］。

渦流檢測的原理和探頭的兩種基本形式如圖1所示，其中，圖1（a）所示為單線圈探頭，該線圈既做激勵又做檢測，因此，稱為自感式探頭。當試件表面或近表面存在缺陷時，將影響渦流的強度和分布，渦流的變化又會引起線圈的阻抗變化，因此，通過測定檢測線圈阻抗的變化，即可獲得被測試件有無缺陷的信息。圖1（b）所示為互感式探頭，由激勵線圈和檢測線圈組成，激勵線圈在試件中產生渦流，當試件存在缺陷時，渦流強度和分布的改變反映在檢測線圈的感應電壓上。

圖1 渦流檢測原理與探頭基本形式Fig 1 Eddy-current detection principle and basic type of probes

自感式探頭只有1個線圈，具有繞制方便、對多種影響被檢測對象電磁性能因素的綜合效應響應靈敏的特點，同時，由于激勵線圈和檢測線圈二者合為一體，對某些影響因素的單獨作用難以區(qū)分。互感式探頭的激勵線圈和檢測線圈相互獨立，對不同影響因素響應信號的提取和處理比較方便。除此之外，激勵線圈與檢測線圈之間有靜電屏蔽作用，因此，靜電感應的噪聲較小、工作期間性能較為穩(wěn)定。

2 輪轂裂紋檢測探頭設計

由于輪轂上被測部位存在一定的曲度，為了盡量貼近被測面，以減小檢測過程中探頭提離、搖晃等因素造成的干擾，要求探頭的尺寸不能太大。從這個角度考慮，輪轂裂紋檢測宜選用自感探頭。

單獨采用自感式探頭，其上的檢測信號分兩部分:一部分是因為渦流效應，輪轂體產生的背景信號;另一部分則為裂紋存在時引起的信號變化量。微弱的裂紋信號混雜在大的背景信號中，兩者的數量級一般相差百倍，因此很難發(fā)現。為了改善檢測結果，這里采用1個自感式的檢測線圈加1個自感式的參考線圈組成的渦流探頭，下面進行具體介紹。

2．1 檢測方式的選擇

由前述分析可知，單個自感式探頭的檢測信號為絕對量，不易察覺大背景信號中隱含的裂紋引起的微弱的信號變化。為了突出檢測所關心的裂紋信號，必須從檢測源頭上去掉背景信號，因此，這里采用2個線圈構成的差分檢測方式，檢出電路采用電橋電路或差動電路形式，如圖2所示。

圖2為一典型4臂電橋電路，通常Z1，Z2為電阻，其中一個可調，構成電橋中的2個橋臂，檢測線圈和參考線圈構成另外2個橋臂Z3和Z4，檢測線圈放在被測試件上，參考線圈則放在參考試件上。激勵電壓信號V加在電橋A，B兩點之間，C，D兩點之間的電壓VOUT為電橋輸出。被測試件和參考試件材質相同，所以，2個線圈上的背景信號也相等。如果被測試件上沒有裂紋，橋路的輸出電壓為0，一旦被測試件上出現裂紋，橋路的輸出電壓則僅為裂紋引起的信號變化，且電橋對輸出信號有放大作用。

圖2 渦流檢測中常用的電橋電路Fig 2 Common electric bridge circuit in eddy-current detection

在實際檢測中，為使電橋盡量工作在平衡狀態(tài)下，需要設置平衡電路，而且隨激勵信號頻率的變化，電橋的平衡性會發(fā)生變化，對自動平衡電路的要求提高。電橋電路的平衡性和靈敏度對檢測的影響很大。

2．2 線圈參數的優(yōu)化設計

渦流探頭位于檢測系統(tǒng)的最前端，它與被測試件發(fā)生電磁耦合作用，它的參數選擇直接影響檢測的靈敏度。這里，采用有限元分析軟件ANSYS建立輪轂裂紋渦流檢測的仿真模型，分析線圈的內外徑、高度變化與靈敏度之間的關系，為探頭的實際制作提供參考。

模型參數為:待測試件的電導率σ=3．82×107S/m，相對磁導率μr=1，厚度d=5．0mm，包含長lc=10mm，寬wc=0．5mm，深dc=1．0mm的表面缺陷，其電導率σ=0，相對磁導率μr=1。參考試件尺寸和材料屬性與待測試件相同，但不包含缺陷。

1）線圈半徑

保持線圈的匝密度ns不變，高3．0 mm，內半徑r1從1．25 mm增加到 9．25 mm，外半徑r2從 2．75 mm 增加到10．75 mm，平均半徑r=（r1+r2）/2，提離l1=0．5 mm，檢測頻率f=1 kHz。將由缺陷引起的檢測線圈阻抗的相對變化S1定義為線圈的檢測靈敏度，則S1與半徑r的關系曲線如圖3所示。

由圖可以看出:a．隨線圈平均半徑r增大，檢測靈敏度S1的幅值出現極大值，然后減小;相位單調變化。b．當平均半徑r約等于缺陷長lc時，線圈有最好的檢測靈敏度。因此，根據上述分析，線圈直徑不能太大，否則，對小缺陷的檢測靈敏度會很低。

圖3 線圈半徑r與檢測靈敏度S1的關系曲線Fig 3 Relation curve of radius of coil and detecting sensitivity

2）線圈高度

保持線圈的匝密度ns不變，內半徑r1=2．25 mm，外半徑r2=3．75 mm，高h從 2．0 mm 增加到 12．0 mm，提離l1=0．5 mm，檢測頻率f=1 kHz。線圈靈敏度S1與高h的關系曲線如圖4所示。

圖4 線圈高度h與檢測靈敏度S1的關系曲線Fig 4 Relation curve of height of coil and detecting sensitivity

可以看出:隨著線圈高度h增大，檢測靈敏度S1的幅值和相位均單調減小。出現這種結果是因為在線圈內、外徑不變的情況下，隨著高度的減小，線圈磁場的聚集性越好，在靠近線圈附近磁場更強，從而使導體內渦流密度增大，因此，減小線圈高度有利于提高檢測靈敏度。

2．3 激勵頻率的影響分析

設檢測線圈和參考線圈的尺寸相同，其內半徑r1=2．25 mm，外半徑r2=3．75 mm，高h=3．0 mm，提離l1=0．5 mm，但激勵頻率f的變化范圍從1 kHz～1 MHz，計算得到頻率對檢測靈敏度的影響如圖5所示?？梢钥闯?隨著頻率f的增大，線圈靈敏度S1的幅值出現一個最大值，它所對應的相位為0。這說明存在一個最優(yōu)頻率，使檢測靈敏度最高。

3 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)框圖如圖6所示，系統(tǒng)由信號產生電路、功率放大電路、信號調理電路、數據采集卡、探頭試件等組成。由PC機通過PCI總線控制激勵信號的產生和數據采集。

圖5 線圈檢測靈敏度S1與檢測頻率f的關系曲線Fig．5 Relation curve of coin detecting sensitivity and frequency

激勵信號產生電路主要功能是產生正弦激勵信號和相位相差90°的余弦參考信號。激勵信號產生電路采用PCI插卡模塊，PCI接口芯片采用PLX9052PCI芯片，PCI接口功能完全由硬件實現，DDS芯片的接口電路由PLX9052的局部總線實現，DDS采用AD9854，每一片可以產生兩路正交的正余弦信號。其工作過程如下:上位機軟件通過PCI接口給AD9854發(fā)送頻率和相位控制字，DDS芯片自動產生所需要的頻率和相位的正交信號，無需人工參與。當需要改變某個參數，只要送幾個簡單的控制字即可。

圖6 實驗系統(tǒng)框圖Fig 6 Block diagram of experimental system

功率放大電路的主要功能是將激勵信號進行功率放大。考慮到激勵信號帶寬要求，采用Linear公司的寬帶大電流功率放大芯片LT1206。經過功率放大后的激勵信號加在探頭的激勵線圈上，在試件上產生渦流進行檢測。

信號調理電路的主要功能是將2個檢測線圈產生的差動信號進行正交鎖相放大，提取出檢測信號的幅度和相位信息。鎖相放大電路由于其很強的抗干擾性能，是微弱信號檢測的常用方法［9］。其基本原理就是利用相關檢測技術，基于互相關原理，使輸入被測的微弱周期信號與頻率相同的參考信號在相關器中實現互相關，從而將深埋在大量的非相關噪聲中的微弱有用信號檢測出來，同時，達到抑制干擾的作用。圖7所示為信號調理電路框圖，2個檢測線圈的信號通過儀表放大器AD620，差分、放大后送到第二級放大器OP37，經過兩級放大后的信號分別送到2個相關器AD630，兩路參考信號同時也送到相關器中，參考信號A與激勵信號同頻同相，參考信號B與激勵信號同頻，但相位相差90°。經過相關器A和B解調后的信號經過50 Hz的低通濾波器MAX291后得到兩路輸出信號VA，VB，VA和VB為兩路直流信號，包含了差動探頭檢測信號的幅度和相位信息。

采用PCI接口的數據采集卡對兩路調理后的信號進行

圖7 信號調理電路框圖Fig 7 Block diagram of signal conditioning circuit

采集，因為鎖定放大技術將信號的幅值和相位分別檢測出來，以直流的形式輸出，可以大大減小對A/D采樣器的采樣頻率要求。采用采集速度為100kHz的PCI2001采集卡完成數據采集，采樣精度為12位。

4 實驗結果

采用上述系統(tǒng)對模擬輪轂的試件進行實驗，實際設計繞制的線圈參數如表1所示。在試件表面加工了4條長寬相等、而深度不同的裂紋:10 mm ×0．5 mm ×0．5 mm，10 mm ×0．5 mm × 1．0 mm，10 mm × 0．5 mm × 2．0 mm 和10 mm×0．5 mm×3．0 mm。在下面的分析中，將經過差分運放之后的橋路輸出電壓記為ΔU，ΔU經過正交鎖相放大之后成為兩路正交的直流信號ΔUx和ΔUy。實際檢測的結果如圖8所示。

表1 實驗用檢測和參考線圈參數Tab 1 Parameters of detection and reference coil

圖8 實驗測得缺陷信號Fig 8 Crack signals tested by experiments

從實驗結果可以看出:利用所設計的探頭可以實現對輪轂根部具有一定曲度的表面上出現的裂紋的檢測，且隨著裂紋深度不同，檢測信號增大。而且在實驗中還發(fā)現，當激勵頻率較小時，裂紋存在引起的信號不明顯，且易被探頭提離干擾，隨著頻率增大，裂紋信號增大，當激勵頻率在600 kHz附近時，探頭對裂紋敏感，輸出信號值最大，隨后在增大頻率，對結果無明顯改善，這與前面仿真分析的結論一致。此外從實驗中還發(fā)現，當激勵信號頻率較高時，有利于分離提離和裂紋信號，提高信噪比。

5 結論

本文設計的輪轂裂紋渦流檢測探頭采用檢測線圈加參考線圈的結構，并利用電橋電路實現對微弱裂紋信號的差動放大檢出，具有高靈敏度。實驗系統(tǒng)中采用正交鎖相放大技術對探頭輸出的微弱信號進行檢測，對微弱信號有很好的放大作用，同時對噪聲有良好的抑制作用，并將檢測信號分成兩路包含其幅值和相位信息的信號，以直流的形式輸出，因此，可以大大減小對A/D采樣器的采樣頻率要求。實驗結果表明:所設計的探頭能實現輪轂根部表面小裂紋的檢測需求，對飛機起落架的使用、壽命評估及正常飛行具有重要的意義。

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