陳棣湘，潘孟春，田武剛，周衛(wèi)紅，謝瑞芳

（國防科技大學智能科學學院，湖南 長沙 410073）

0 引 言

發(fā)動機葉片是飛機的關鍵部件，具有不規(guī)則的曲面結(jié)構(gòu)，由于長期工作在高溫、高壓、高速的條件下，疲勞裂紋造成突然斷裂而失效的現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重威脅飛機的飛行安全[1]。目前，無損檢測技術(shù)（如常規(guī)渦流、磁粉、滲透和射線等）因其技術(shù)上的局限性，難以實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)中缺陷的定量檢測[2-6]。田貴云等[2-3]將脈沖渦流檢測技術(shù)應用于工件中隱藏缺陷的檢測，通過對脈沖渦流信號的頻譜分析和脈沖渦流成像，取得了良好效果，但在微缺陷的檢測分辨力方面仍有待進一步提高。近年來，很多學者嘗試將平面陣列式渦流傳感器應用于復雜形狀部件的無損檢測，在平面陣列式渦流傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)設計、柔性化制造和參數(shù)標定等方面開展了廣泛研究[4-6]，極大推動了該技術(shù)的發(fā)展與應用。但針對平面陣列式渦流傳感器的信號處理問題，卻鮮有報道。事實上，由于微缺陷導致的渦流場擾動很小，而平面渦流傳感器激勵線圈和檢測線圈的匝數(shù)由于受結(jié)構(gòu)的限制而非常有限，因此能夠獲取的感應電壓信號及其變化量通常都很微弱，很容易被提離（傳感器與檢測對象之間的間隙）等干擾淹沒。因此，平面渦流傳感器的高精度信號檢測非常關鍵，直接影響檢測效果。本文針對飛機發(fā)動機葉片缺陷定量檢測難度大、效果差、效率低的問題，建立了一種基于柔性電磁傳感器的缺陷定量檢測方法。

1 柔性電磁傳感器

電磁無損檢測技術(shù)具有傳感器響應速度快、靈敏度高等優(yōu)點，是對裝備關鍵部件微損傷進行檢測的有效方法之一。但是，傳統(tǒng)的電磁無損檢測系統(tǒng)普遍存在傳感器一致性差、與被測對象貼合不好、檢測信號易受提離（傳感器與被測對象的間隙）等問題，使其應用受到了限制。采用平面陣列式柔性電磁傳感器可望解決這一問題。

平面陣列式電磁傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種傳感器具有空間周期性結(jié)構(gòu)，傳感器的初級繞組在激勵電流的作用下將產(chǎn)生空間周期性的電磁場，在被測材料中產(chǎn)生空間周期性的渦流場，并在其兩側(cè)的兩個次級繞組的端部感應出極性相反的電壓；當被測材料中存在缺陷時，次級繞組中的感應電壓就會發(fā)生變化，據(jù)此可以檢測出缺陷。圖中ID為流過初級繞組的激勵電流，VS1、VS2為次級繞組輸出的感應電壓，H為磁場強度，λ為傳感器的空間波長，MUT為被測材料。該傳感器的繞組模式有利于提高激勵磁場的均勻性和傳感器的檢測靈敏度，并允許對多層介質(zhì)與初級繞組產(chǎn)生的周期性電磁場的相互作用進行準確建模，從而大大降低校準要求[7-8]。

平面陣列式電磁傳感器由于采用單層線圈結(jié)構(gòu)，可以方便地制作在柔性基底上，自動適應被測對象形狀的變化，極大增強使用的靈活性。這非常有利于檢測發(fā)動機葉片這種不規(guī)則曲面結(jié)構(gòu)。

圖1 平面電磁傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖

2 轉(zhuǎn)移阻抗及其測量方法

2.1 轉(zhuǎn)移阻抗的概念

平面電磁傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗Z定義為次級繞組輸出的感應電壓VS與初級繞組的激勵電流ID之比，即：

當激勵電流保持恒定時，若被測材料中存在缺陷，次級繞組輸出的感應電壓將會發(fā)生變化，導致傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗也會發(fā)生相應的變化。因此，通過轉(zhuǎn)移阻抗的測量，就可以實現(xiàn)缺陷的檢測。

2.2 轉(zhuǎn)移阻抗的測量方法

由于平面陣列式電磁傳感器的輸出信號很微弱，為提高測量精度，采用了數(shù)字鎖定檢測算法對其進行測量。

假設激勵電流的幅度為1，初相位為0，頻率為fr，傳感器輸出的感應電壓可用下式表示：

式中：A——幅度；

φ——初相位。

當采樣頻率為信號頻率的N倍時（N＞2），若連續(xù)采樣M點，可得到采樣序列：

數(shù)字鎖定放大器中所需的正弦和余弦參考序列rs（k）和rc（k）可分別表示為

式（3）～式（5）中，k=0，1，2，…，M-1。

將正弦和余弦參考序列分別與采樣序列x（k）進行數(shù)字相關運算，可得：

因此，感應電壓的幅度和初相位可分別根據(jù)下面兩式計算得到：

由于激勵電流的幅度為1，初相位為0，因此計算得到的A和φ也即傳感器轉(zhuǎn)移阻抗的幅度與相位[9]。

3 檢測系統(tǒng)與實驗

3.1 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。可以看出，檢測系統(tǒng)由傳感器、多路阻抗精密測量電路、微損傷定量檢測方法和信息處理平臺4大部分構(gòu)成。激勵信號由FPGA芯片控制DDS電路產(chǎn)生，經(jīng)功率放大后，在柔性陣列式電磁傳感器的初級繞組中產(chǎn)生激勵電流，從而在被測導電材料中產(chǎn)生渦流場。缺陷的存在會對渦流場的分布產(chǎn)生擾動，并導致傳感器次級繞組輸出的感應電壓發(fā)生變化。陣列傳感器輸出的多路感應電壓經(jīng)信號調(diào)理、通道控制和數(shù)據(jù)采集后，進入數(shù)字鎖定放大器進行處理 （數(shù)字鎖定檢測算法中所需的正弦和余弦參考序列由FPGA芯片產(chǎn)生），獲得檢測信號的幅度和相位信息，再根據(jù)確定幅度和相位的激勵電流就可以計算出傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗，經(jīng)標定后采用多變量非線性搜索和插值算法從測量網(wǎng)格（根據(jù)檢測模型事先建立的數(shù)據(jù)庫，反映了轉(zhuǎn)移阻抗與材料屬性的對應關系）中準確獲取材料的電導率、磁導率等物理屬性[10]，在此基礎上完成缺陷定量檢測、殘余應力檢測和缺陷實時成像。信息處理平臺以ARM為核心，主要用于算法實現(xiàn)并完成檢測參數(shù)設置、檢測結(jié)果輸出等人機界面功能。

3.2 檢測實驗

在激勵信號頻率為2 MHz的情況下，首先測量傳感器不與試塊接觸（位于空氣中）時8通道的轉(zhuǎn)移阻抗值。在5min內(nèi)通過連續(xù)測量得到了600組數(shù)據(jù)，計算得到轉(zhuǎn)移阻抗幅度與相位的均值和標準差如表1所示。

保持傳感器工作頻率不變，固定傳感器使之緊貼鋁合金試塊，其中檢測通道1所對應的檢測線圈處于長1mm、寬0.1mm、深1mm槽形裂紋的正上方，其他檢測線圈下方無缺陷；測量傳感器各檢測通道的轉(zhuǎn)移阻抗值，并計算其均值與標準差，結(jié)果如表2所示。

從表1和表2的實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，傳感器不與試塊接觸時轉(zhuǎn)移阻抗幅度測量的重復精度（標準差與均值之比）約為0.04%，相位測量的重復精度約為0.02%；傳感器緊貼試塊時，由于電導率增大、提離減小，轉(zhuǎn)移阻抗幅度下降、相位減小。

圖2 檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

表1 傳感器不與試塊接觸時轉(zhuǎn)移阻抗的均值與標準差

表2 傳感器緊貼試塊時轉(zhuǎn)移阻抗的均值與標準差

表3 傳感器不與試塊接觸和傳感器緊貼試塊時阻抗比較表

將傳感器不與試塊接觸和緊貼試塊兩種情況下各通道的轉(zhuǎn)移阻抗幅度相除、相位相減，得到的幅度比例和相位差如表3所示。

從表3可以看出，當傳感器緊貼試塊時，由于缺陷處較無缺陷處電導率小、提離大，因此檢測通道1（對應的檢測線圈位于缺陷上方）的轉(zhuǎn)移阻抗幅度和相位的變化量（表3第1列）都比其他通道要小，差別大于20%，據(jù)此就可以檢測出缺陷，并實現(xiàn)裂紋長度的定量[11-12]。

4 結(jié)束語

平面陣列式柔性電磁傳感器具有一致性好、與被測對象緊密貼合等優(yōu)點，可有效提高檢測精度，并抑制提離對檢測結(jié)果的影響。采用數(shù)字鎖定檢測算法，使傳感器轉(zhuǎn)移阻抗幅度測量的重復精度達到0.04%，相位測量的重復精度達到0.02%；搭建了精密阻抗測量系統(tǒng)，通過對傳感器不同工作條件下轉(zhuǎn)移阻抗幅度變化比例和相位差的分析，可有效檢測出0.1mm寬度的微缺陷。

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