施越紅，楊卓君，杜金強(qiáng)，何宇廷，李培源

(1.中國(guó)人民解放軍95831 部隊(duì)，上海310000;2.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安710038)

0 引 言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)是飛機(jī)裝備的載體，是飛機(jī)在使用期限內(nèi)滿足規(guī)定功能和任務(wù)需求的基礎(chǔ)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中出現(xiàn)疲勞損傷是難免的，若機(jī)體主承力結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的疲勞裂紋不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以修復(fù)，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故［1，2］。長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性中發(fā)揮著極其重要的作用［3］。渦流檢測(cè)技術(shù)作為五種常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法之一，以其檢測(cè)速度快、可與試件不直接接觸、無(wú)需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)［4］。近年來(lái)，為有效解決在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行手控檢測(cè)時(shí)工作量大、效率和可靠性低的問(wèn)題，由多探頭、多通道檢測(cè)發(fā)展而來(lái)的陣列渦流檢測(cè)技術(shù)迅速得到世界各國(guó)的重視［5～7］。

針對(duì)飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)廣布疲勞損傷的檢測(cè)需求，本文對(duì)一種柔性矩形渦流陣列傳感器進(jìn)行了分析，研究了傳感器的裂紋檢測(cè)特性，優(yōu)化了裂紋檢測(cè)頻率。

1 柔性矩形渦流陣列傳感器

柔性矩形渦流陣列傳感器由一個(gè)激勵(lì)線圈和多個(gè)周期性分布于激勵(lì)線圈兩側(cè)的感應(yīng)線圈構(gòu)成，如圖1 所示［8，9］。檢測(cè)裂紋時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電流的作用下，激勵(lì)線圈周?chē)a(chǎn)生周期性分布的電磁場(chǎng)，感應(yīng)線圈接收激勵(lì)場(chǎng)在檢測(cè)空間內(nèi)的反射場(chǎng)。其中，對(duì)反射場(chǎng)影響最大的是感應(yīng)線圈覆蓋區(qū)域下材料的電磁特性參數(shù)和邊界條件。在其它條件不變的情況下，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷到達(dá)感應(yīng)線圈的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，相應(yīng)感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)各感應(yīng)線圈的信號(hào)變化情況，就可以實(shí)現(xiàn)裂紋的定量檢測(cè)。采用柔性電路板工藝制作矩形渦流陣列傳感器，傳感器柔韌性較好，適用于各種曲面結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。

圖1 矩形渦流陣列傳感器Fig 1 Rectangle eddy current array sensor

2 陣列傳感器裂紋檢測(cè)特性有限元分析

1)柔性矩形渦流陣列傳感器的物理模型

柔性矩形渦流陣列傳感器裂紋檢測(cè)的物理模型主要由渦流陣列傳感器和含裂紋的金屬平板組成，如圖2 所示。平板的的材料為2A12—T4 鋁合金，尺寸為30 mm×30 mm×4 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，在平板中央有一尺寸為1.2 mm×0.2 mm(長(zhǎng)×寬)的穿透裂紋(規(guī)定裂紋長(zhǎng)度是以激勵(lì)線圈右側(cè)1 mm 處為起點(diǎn)，如圖2 所示)。在含裂紋平板的上方，放置了一個(gè)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的渦流陣列傳感器，線圈的材料為黃銅，線圈平面與平板之間的間距為0.1 mm。

圖2 柔性矩形渦流陣列傳感器的物理模型Fig 2 Physical model for flexible rectangle eddy current array sensor

2)陣列傳感器的有限元建模與分析

在文獻(xiàn)［10，11］中，本文運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS強(qiáng)大的電磁場(chǎng)分析功能，建立了渦流陣列傳感器裂紋檢測(cè)的三維有限元模型(如圖3 所示)，并分析了裂紋長(zhǎng)度和激勵(lì)信號(hào)頻率對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。研究表明:在裂紋擴(kuò)展至感應(yīng)線圈的檢測(cè)范圍并不斷伸長(zhǎng)的過(guò)程中，相應(yīng)感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)幅值逐漸增加;當(dāng)歸一化激勵(lì)頻率約為0.3 時(shí)，傳感器的裂紋檢測(cè)能力最優(yōu)(如圖4 所示)。

3 陣列傳感器裂紋檢測(cè)特性試驗(yàn)

1)裂紋檢測(cè)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖3 柔性矩形渦流陣列傳感器裂紋檢測(cè)的有限元模型Fig 3 Finite element model for flexible rectangle eddy current array sensor for crack inspecting

圖4 傳感器的裂紋檢測(cè)特性Fig 4 Characteristics of crack inspecting of sensor

在金屬板材上制作一條長(zhǎng)的裂紋，通過(guò)傳感器在試驗(yàn)件表面的平穩(wěn)滑動(dòng)來(lái)模擬不同長(zhǎng)度裂紋的檢測(cè)過(guò)程，如圖5(a)所示。本文中所使用的金屬板材為2A12—T4 鋁合金，試樣尺寸為190 mm×50 mm×4 mm，試樣的長(zhǎng)度方向垂直于軋制方向，通過(guò)線切割在試樣中間位置制作了一條長(zhǎng)為50 mm、寬度為0.2 mm 的穿透裂紋。傳感器為采用柔性電路板工藝制作的2 通道矩形陣列傳感器(其中，λ=1 mm，L=10 mm(參數(shù)含義如圖1 所示))。

搭建了裂紋檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器、多功能試驗(yàn)臺(tái)、信號(hào)采集系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)等五部分構(gòu)成，其中，多功能試驗(yàn)臺(tái)主要由高精度數(shù)控三軸平移臺(tái)組成，用于將傳感器壓緊于被檢材料表面并平穩(wěn)移動(dòng)。

將傳感器固定于多功能試驗(yàn)臺(tái)安裝座上(如圖5(b)所示)，通過(guò)平移臺(tái)將傳感器壓緊于試驗(yàn)件表面，并給傳感器施加歸一化頻率為0.3 的正弦激勵(lì)信號(hào);然后將傳感器沿著裂紋長(zhǎng)度方向移動(dòng)，測(cè)量不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)傳感器各感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)。

2)陣列傳感器裂紋檢測(cè)試驗(yàn)沿裂紋方向移動(dòng)傳感器，測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)幅值和相位差。裂紋每“擴(kuò)展”0.2 mm測(cè)量一次，得到傳感器在裂紋接近感應(yīng)線圈I 直至穿過(guò)整個(gè)傳感器后(裂紋從0 mm“擴(kuò)展”至4 mm 時(shí))的輸出信號(hào)。分析發(fā)現(xiàn)，在裂紋“擴(kuò)展”中，相位差信號(hào)的波動(dòng)幅度較小，僅為0.5°，而幅值信號(hào)變化較大，因此，著重分析了幅值信號(hào)隨裂紋長(zhǎng)度的變化情況，如圖6 所示(幅值進(jìn)行了歸一化處理)。

圖5 模擬裂紋檢測(cè)試驗(yàn)Fig 5 Simulating crack inspecting experiment

圖6 傳感器在不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)輸出信號(hào)Fig 6 Output signal of sensor in different crack length

可見(jiàn)，當(dāng)裂紋進(jìn)入感應(yīng)線圈I 的檢測(cè)范圍(0～1 mm)時(shí)，感應(yīng)線圈I 的幅值比信號(hào)就開(kāi)始急劇增加，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度超過(guò)1 mm 進(jìn)入感應(yīng)線圈II 的檢測(cè)范圍(1～2 mm)時(shí)，感應(yīng)線圈II 的幅值比信號(hào)開(kāi)始急劇增加。顯然若以感應(yīng)線圈幅值信號(hào)開(kāi)始快速增加的“拐點(diǎn)”(圖6(b)中的A 點(diǎn))作為裂紋進(jìn)入某一感應(yīng)線圈檢測(cè)范圍的特征量，結(jié)合感應(yīng)線圈的幾何位置，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋長(zhǎng)度的定量檢測(cè)，而裂紋檢測(cè)的精度取決于感應(yīng)線圈的分布，就文中的傳感器而言，其檢測(cè)精度能達(dá)到1 mm。

3)激勵(lì)頻率對(duì)陣列傳感器裂紋檢測(cè)特性的影響

運(yùn)用柔性矩形渦流陣列傳感器和裂紋檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量了歸一化激勵(lì)頻率分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 時(shí)，各感應(yīng)線圈在不同模擬裂紋長(zhǎng)度時(shí)的幅值信號(hào)。由于感應(yīng)線圈I 和感應(yīng)線圈II 的幅值信號(hào)在不同頻率時(shí)的變化規(guī)律基本相同，因此，文中僅分析了感應(yīng)線圈II 的輸出信號(hào)特征。為便于對(duì)比，定義渦流陣列傳感器感應(yīng)線圈的幅值變化率為

式中 Rj為感應(yīng)線圈在裂紋長(zhǎng)度為j mm 時(shí)的幅值變化率，rj為感應(yīng)線圈在裂紋長(zhǎng)度為j mm 時(shí)的幅值，r0為感應(yīng)線圈在裂紋長(zhǎng)度為0 mm 時(shí)的幅值。將采集到的感應(yīng)線圈II 的幅值信號(hào)用式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到了輸出信號(hào)幅值變化率隨裂紋長(zhǎng)度的變化曲線，如圖7 所示。

圖7 感應(yīng)線圈II 在不同頻率下的響應(yīng)特性Fig 7 Response characteristics of sensing coil II in different frequencies

可見(jiàn)不同頻率下傳感器輸出信號(hào)隨裂紋長(zhǎng)度變化的趨勢(shì)基本相同，當(dāng)裂紋“擴(kuò)展”進(jìn)入感應(yīng)線圈II 的檢測(cè)范圍時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)明顯的“拐點(diǎn)”。激勵(lì)頻率越高，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中輸出信號(hào)的增加幅度逐漸增大。當(dāng)歸一化激勵(lì)頻率高于0.3 時(shí)，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中輸出信號(hào)的增加幅度不再明顯變化。這可能是由于隨著激勵(lì)頻率的增加，激勵(lì)信號(hào)的透入深度逐漸減小，傳感器與裂紋之間的相互作用減弱所致。若以裂紋進(jìn)入、穿出感應(yīng)線圈II 檢測(cè)區(qū)域時(shí)的幅值變化率來(lái)衡量傳感器的裂紋檢測(cè)能力，則傳感器在歸一化激勵(lì)頻率為0.3 時(shí)，裂紋檢測(cè)能力達(dá)到最優(yōu)，這與上一節(jié)中有限元模型的分析結(jié)果是基本吻合的。

4 結(jié) 論

1)當(dāng)裂紋“擴(kuò)展”進(jìn)入感應(yīng)線圈的檢測(cè)范圍時(shí)，輸出信號(hào)的幅值開(kāi)始快速增加，若以各感應(yīng)線圈幅值信號(hào)開(kāi)始快速增加的“拐點(diǎn)”作為特征量，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋長(zhǎng)度的定量檢測(cè);

2)適當(dāng)增加激勵(lì)信號(hào)的頻率能夠提高傳感器的裂紋檢測(cè)能力，當(dāng)歸一化激勵(lì)頻率為0.3 時(shí)，傳感器的裂紋檢測(cè)能力達(dá)到最優(yōu)。

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