，

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室, 南昌 330063)

在航空領域中，大多數飛機的機體都是多層的金屬結構，通常使用螺栓和鉚釘連接，該結構在飛機服役期間容易產生層間裂紋、腐蝕以及周邊裂紋等缺陷，因此對其進行檢測，以及時發(fā)現缺陷且進行缺陷評估，對于飛行安全具有非常重要的意義[1-2]。

陣列脈沖渦流檢測，既具有傳統渦流檢測方法非接觸檢測的優(yōu)點，又具有陣列檢測方法的優(yōu)勢，即易于實現大面積、快速的檢測。DIB和YANG等[3]提出了一種旋轉電流正交平面線圈激勵的EC-GMR陣列探頭對飛機多層結構鉚釘所有方向裂紋進行了檢測，并且采用仿真模型利用正交線圈探頭和GMR傳感器進行了試驗，驗證了對飛機多層結構鉚釘所有徑向方向上的裂紋都有很好的檢測效果。BABBAR和UNDERHILL設計了一種8通道對稱式陣列探頭，通過試驗與仿真相結合的方法對檢測信號進行頻域分析，采用了PCA分析法來識別裂紋缺陷信號，試驗結果證明該方法能夠有效地識別鉚釘周圍的裂紋[4-6]。SERGEEVA等研究了陣列脈沖渦流技術，研制了基于GMR和TMR(隧道磁電阻)磁阻陣列傳感器的兩種渦流探頭，試驗表明雙線圈對埋藏缺陷有較好的檢測效果，單線圈對表面缺陷有較好的檢測效果[7]。楊賓峰等[8]設計了一種圓柱形探頭,采用旋轉式掃描的方法對鉚接結構中的缺陷進行檢測，試驗表明,檢測信號的相位極小值與缺陷深度之間存在著線性關系，提取該特征量可以對裂紋深度進行定量檢測。鄒國輝等[9]設計了一種雙激勵結構脈沖渦流檢測探頭并進行了優(yōu)化，在單探頭的基礎上設計了8通道前后交錯排列的陣列探頭，試驗結果表明對于表層小裂紋，能夠有效地檢測出掃描方向的裂紋。

筆者根據陣列脈沖渦流的檢測原理，采用旋轉式掃描方式，利用線性陣列矩形探頭對多層結構鉚釘孔周裂紋進行了檢測。

1 脈沖渦流陣列檢測原理

脈沖渦流陣列檢測方法是利用載有一定占空比的方波激勵檢測線圈，激勵線圈中會存在周期性的脈沖電流，脈沖電流感生出一個快速衰減的脈沖磁場，變化的脈沖磁場在導體試件中感應出瞬時渦流，并且產生快速衰減的二次磁場。隨著渦流磁場的衰減，TMR磁傳感器上就會輸出隨時間變化的電壓，當被檢試件出現缺陷時，TMR傳感器上的感應電壓會發(fā)生些許變化，使用多通道采集技術來采集瞬態(tài)輸出電壓信號的變化，通過對這些電壓波形進行分析，可得到被測試件的相關參數。試驗采用四個TMR呈一字形排列組成線性陣列矩形探頭來拾取變化的電壓信號，通過磁傳感器感應出的電壓與無缺陷處磁傳感器感應出的電壓作比較來判斷缺陷是否存在。

2 檢測系統

2.1 陣列脈沖渦流檢測平臺

陣列脈沖渦流檢測平臺主要包括脈沖信號發(fā)生器、線性陣列矩形探頭、被測試塊、八通道同步數據采集處理模塊以及利用LABVIEW虛擬儀器開發(fā)的數據采集模塊五部分組成。脈沖發(fā)生器用于產生激勵脈沖信號施加于探頭激勵線圈上，使得被測試塊中產生渦流，TMR芯片置于激勵線圈下方接收信號，采集到的信號經數據采集卡傳輸至計算機，并用LABVIEW軟件搭建的平臺來顯示和保存試驗數據。其中激勵電流為0.7 A，采樣頻率為500 kHz，采樣點數為20 000個點，占空比為50%，上升沿觸發(fā)。

2.2 試塊的制作

試驗采用多層鉚接試塊，其制作材料均為2024航空鋁合金板。多層鉚接試塊每層板厚為1.5 mm，共6層，用鉚釘鉚接組成。試塊上分別加工了長為1,2,3,4,5,6,8 mm，深為1.5 mm，寬為1 mm的裂紋?？扇藶椴鹦躲T釘改變缺陷鋁板的位置，模擬不同深度和不同長度的鉚釘周邊裂紋缺陷。其結構示意如圖1所示。

圖1 多層鉚接試塊結構示意

2.3 陣列探頭的制作

試驗采用線性陣列矩形探頭，探頭主要包括激勵線圈和陣列傳感器。在長為30 mm、寬為27 mm、厚度為5 mm的矩形磁芯上繞制0.57 mm的漆包線150匝，作為激勵線圈。陣列傳感器采用4片TMR傳感器，呈一字形排列，焊接在PCB板上，芯片兩兩之間距離為0.2 mm，4片TMR傳感器嵌入打穿的透明亞克力板中，并置于線圈底部中心，TMR芯片接收磁場的敏感方向與磁場方向一致。圖2為探頭的結構示意。

圖2 探頭結構示意

2.4 鉚釘缺陷檢測方法

采用旋轉式掃描方法對鉚釘孔周裂紋進行檢測，在探頭底面挖個圓孔，將探頭套在鉚釘的正上方，以其為軸進行360°旋轉，TMR呈一字排列與圓孔的中心線在一條直線上。在鉚釘周圍某處選取參考信號(在與鉚釘裂紋呈180°方向的位置處采集參考信號)，在旋轉掃描的過程中探頭經過裂紋時渦流會產生變化，TMR接收到變化的信號，通過LABVIEW程序處理得到差分信號，從而識別鉚釘周邊裂紋。掃描示意如圖3(a)和3(b)所示。

圖3 旋轉式掃描示意

3 試驗過程與結果分析

3.1 消除地磁場干擾

地球本身具有磁性，地球及近地空間存在著磁場，叫做地磁場，其強度與方向也隨地點而異，在每一個方向地磁場都有切線分量，試驗所使用的單軸敏感方向接收傳感器TMR 具有很高的靈敏度，能夠檢測到地磁場的存在。所以，探頭在進行旋轉檢測時，由于旋轉方向的改變，在旋轉過程中磁傳感器會接收到不同的地磁場分量，檢測結果受到影響，需要對地磁場干擾進行數據處理分析[10-11]。

圖4 8 mm裂紋的原始檢測差分信號與消除地磁場 干擾后的信號

設缺陷與陣列軸線重合時為0°，圖4(a)是矩形探頭旋轉 -90°，0°，90°時，檢測8 mm多層鉚釘孔周裂紋原始差分信號圖。地磁場分量為大小不一的恒定磁場，接收傳感器TMR接收的缺陷信號相當于在縱坐標方向整體上下移動了一定范圍，矩形探頭旋轉采集的缺陷信號受到影響，不能直接提取峰值作為對缺陷存在的判斷，需要對采集的數據進行信號處理，去掉地磁場的干擾，故利用MATLAB軟件在提取信號峰值前將信號平移到原點處去掉地磁場的影響，可獲得無地磁場影響的缺陷信號，如圖4(b)所示。

3.2 矩形探頭旋轉式掃描缺陷檢測點的試驗

圖5 不同裂紋在不同旋轉角度下的檢測信號對比

周德強等[12]研究出矩形探頭的脈沖渦流工作模式中，缺陷和探頭軸線呈10°時檢測效果最佳。試驗選取旋轉掃描的1 /2區(qū)域進行檢測分析，即對陣列軸線與鉚釘孔周裂紋夾角為-90°～90°的范圍進行分析，將缺陷板放在多層鉚接結構的第二層，分別對長度為2,5,8 mm裂紋進行檢測，并觀察8 mm裂紋四個通道的相應結果。如圖3(b)所示，設缺陷與陣列軸線重合時為0°，每隔22.5°采集一次響應結果，從-90°開始順時針旋轉到90°。為了更有效地對比不同檢測角度下的結果，將每個旋轉角度下響應的結果與相對缺陷對稱180°處的無缺陷部位的響應進行差分,提取不同檢測角度下脈沖響應差分信號的峰值作為特征值進行分析。然后，對響應信號峰值為負數的結果取絕對值，圖5(a)為2，5，8 mm裂紋在不同旋轉角度下提取的第一個通道差分信號峰值對比，圖5(b)為8 mm裂紋在不同旋轉角度下提取的4個通道差分信號峰值對比，可以看出：隨著缺陷與陣列軸線間夾角的增大，響應信號峰值呈現先增大后減小再增大又減小的變化趨勢，對于8 mm裂紋4個通道的相應結果，第一通道、二通道、三通道也呈此趨勢，四通道差分信號基本無變化，說明四通道未檢測到缺陷；當夾角為45°時，響應信號峰值最大，可以得出矩形探頭在旋轉掃描過程中，矩形探頭應布置在缺陷與陣列軸線夾角為45°左右的位置。

3.3 鉚釘孔周缺陷旋轉掃描檢測

綜合以上的試驗結果，選取45°為最佳檢測點，對不同鉚接層的鉚釘孔周邊1,2,3,4,5,6,8 mm裂紋進行旋轉掃描檢測，將采集的信號與裂紋的鉚釘一端采集的信號進行差分處理， 提取差分信號峰值觀察不同層每個裂紋4個通道的差分信號峰值。掃查方向為順時針方向，先在缺陷對面180°無缺陷處取參考信號。每層的掃查結果如圖6所示。

圖6 不同鉚接層各通道的檢測結果對比

從圖6(a)可以看出，第二層中的一通道可以檢測到所有裂紋，第二通道除了1 mm裂紋，其余裂紋都能檢測到，第三通道能檢測到8 mm裂紋，第四通道差分信號基本無變化；從圖6(b)中可看出第三層中的一通道可以檢測到所有裂紋，第二通道能檢測到4,5,6,8 mm裂紋，剩余通道都檢測不到；從圖6(c)中可看出第四層一通道除了1,2 mm裂紋，其余裂紋都能檢測到。經測試該探頭能夠檢測出第五層8 mm長裂紋缺陷。因此陣列探頭不僅可以提高檢測效率和檢測速度，而且旋轉式掃描對多層結構鉚釘孔周缺陷具有很好的檢測效果。

4 結論

(1) 在矩形陣列探頭旋轉式掃描的過程中，缺陷和陣列軸線呈45°附近位置時為最佳檢測點。

(2) 旋轉式陣列檢測多層鉚釘孔周裂紋提高了檢測效率和掃描面積，一通道能夠檢測到第三層所有缺陷，第四層除了1,2 mm裂紋，其余都能檢測到，第五層能夠檢測到8 mm裂紋；二通道能夠檢測到除了第二層1 mm裂紋，其余裂紋都能檢測到，第三層能夠檢測到4,5,6,8 mm裂紋；三通道能夠檢測到第二層8 mm裂紋；四通道檢測不到任何缺陷。旋轉式掃描方法對鉚釘孔周裂紋的檢測，具有很好的檢測效果，具有良好的應用情景。