施越紅，楊卓君，杜金強，何宇廷，李培源

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

0 引 言

飛機結構是飛機裝備的載體，是飛機在使用期限內(nèi)滿足規(guī)定功能和任務需求的基礎。飛機結構在使用過程中出現(xiàn)疲勞損傷是難免的，若機體主承力結構上出現(xiàn)的疲勞裂紋不能被及時發(fā)現(xiàn)并加以修復，將會導致災難性事故［1，2］。長期以來，無損檢測技術在保證飛機結構安全性和可靠性中發(fā)揮著極其重要的作用［3］。渦流檢測技術作為五種常規(guī)無損檢測方法之一，以其檢測速度快、可與試件不直接接觸、無需耦合劑等優(yōu)點，被廣泛應用于飛機金屬結構的損傷檢測［4］。近年來，為有效解決在結構表面進行手控檢測時工作量大、效率和可靠性低的問題，由多探頭、多通道檢測發(fā)展而來的陣列渦流檢測技術迅速得到世界各國的重視［5～7］。

針對飛機金屬結構廣布疲勞損傷的檢測需求，本文對一種柔性矩形渦流陣列傳感器進行了分析，研究了傳感器的裂紋檢測特性，優(yōu)化了裂紋檢測頻率。

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激勵線圈和多個周期性分布于激勵線圈兩側的感應線圈構成，如圖1 所示［8，9］。檢測裂紋時，在驅動電流的作用下，激勵線圈周圍產(chǎn)生周期性分布的電磁場，感應線圈接收激勵場在檢測空間內(nèi)的反射場。其中，對反射場影響最大的是感應線圈覆蓋區(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，當結構損傷到達感應線圈的檢測區(qū)域時，相應感應線圈的輸出信號就會發(fā)生變化，通過檢測各感應線圈的信號變化情況，就可以實現(xiàn)裂紋的定量檢測。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，適用于各種曲面結構的檢測。

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×寬×厚)，在平板中央有一尺寸為1.2 mm×0.2 mm(長×寬)的穿透裂紋(規(guī)定裂紋長度是以激勵線圈右側1 mm 處為起點，如圖2 所示)。在含裂紋平板的上方，放置了一個經(jīng)過簡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［10，11］中，本文運用有限元分析軟件ANSYS強大的電磁場分析功能，建立了渦流陣列傳感器裂紋檢測的三維有限元模型(如圖3 所示)，并分析了裂紋長度和激勵信號頻率對傳感器輸出信號的影響。研究表明:在裂紋擴展至感應線圈的檢測范圍并不斷伸長的過程中，相應感應線圈的輸出信號幅值逐漸增加;當歸一化激勵頻率約為0.3 時，傳感器的裂紋檢測能力最優(yōu)(如圖4 所示)。

3 陣列傳感器裂紋檢測特性試驗

1)裂紋檢測試驗方案設計

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

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

在金屬板材上制作一條長的裂紋，通過傳感器在試驗件表面的平穩(wěn)滑動來模擬不同長度裂紋的檢測過程，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，試樣的長度方向垂直于軋制方向，通過線切割在試樣中間位置制作了一條長為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))。

搭建了裂紋檢測試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激勵信號源、功率放大器、多功能試驗臺、信號采集系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)等五部分構成，其中，多功能試驗臺主要由高精度數(shù)控三軸平移臺組成，用于將傳感器壓緊于被檢材料表面并平穩(wěn)移動。

將傳感器固定于多功能試驗臺安裝座上(如圖5(b)所示)，通過平移臺將傳感器壓緊于試驗件表面，并給傳感器施加歸一化頻率為0.3 的正弦激勵信號;然后將傳感器沿著裂紋長度方向移動，測量不同裂紋長度時傳感器各感應線圈的輸出信號。

2)陣列傳感器裂紋檢測試驗沿裂紋方向移動傳感器，測量傳感器的輸出信號幅值和相位差。裂紋每“擴展”0.2 mm測量一次，得到傳感器在裂紋接近感應線圈I 直至穿過整個傳感器后(裂紋從0 mm“擴展”至4 mm 時)的輸出信號。分析發(fā)現(xiàn)，在裂紋“擴展”中，相位差信號的波動幅度較小，僅為0.5°，而幅值信號變化較大，因此，著重分析了幅值信號隨裂紋長度的變化情況，如圖6 所示(幅值進行了歸一化處理)。

圖5 模擬裂紋檢測試驗Fig 5 Simulating crack inspecting experiment

圖6 傳感器在不同裂紋長度時輸出信號Fig 6 Output signal of sensor in different crack length

可見，當裂紋進入感應線圈I 的檢測范圍(0～1 mm)時，感應線圈I 的幅值比信號就開始急劇增加，當裂紋長度超過1 mm 進入感應線圈II 的檢測范圍(1～2 mm)時，感應線圈II 的幅值比信號開始急劇增加。顯然若以感應線圈幅值信號開始快速增加的“拐點”(圖6(b)中的A 點)作為裂紋進入某一感應線圈檢測范圍的特征量，結合感應線圈的幾何位置，就可實現(xiàn)對裂紋長度的定量檢測，而裂紋檢測的精度取決于感應線圈的分布，就文中的傳感器而言，其檢測精度能達到1 mm。

3)激勵頻率對陣列傳感器裂紋檢測特性的影響

運用柔性矩形渦流陣列傳感器和裂紋檢測試驗系統(tǒng)，測量了歸一化激勵頻率分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 時，各感應線圈在不同模擬裂紋長度時的幅值信號。由于感應線圈I 和感應線圈II 的幅值信號在不同頻率時的變化規(guī)律基本相同，因此，文中僅分析了感應線圈II 的輸出信號特征。為便于對比，定義渦流陣列傳感器感應線圈的幅值變化率為

式中 Rj為感應線圈在裂紋長度為j mm 時的幅值變化率，rj為感應線圈在裂紋長度為j mm 時的幅值，r0為感應線圈在裂紋長度為0 mm 時的幅值。將采集到的感應線圈II 的幅值信號用式(1)進行計算，得到了輸出信號幅值變化率隨裂紋長度的變化曲線，如圖7 所示。

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

可見不同頻率下傳感器輸出信號隨裂紋長度變化的趨勢基本相同，當裂紋“擴展”進入感應線圈II 的檢測范圍時，均會出現(xiàn)明顯的“拐點”。激勵頻率越高，裂紋擴展過程中輸出信號的增加幅度逐漸增大。當歸一化激勵頻率高于0.3 時，裂紋擴展過程中輸出信號的增加幅度不再明顯變化。這可能是由于隨著激勵頻率的增加，激勵信號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。若以裂紋進入、穿出感應線圈II 檢測區(qū)域時的幅值變化率來衡量傳感器的裂紋檢測能力，則傳感器在歸一化激勵頻率為0.3 時，裂紋檢測能力達到最優(yōu)，這與上一節(jié)中有限元模型的分析結果是基本吻合的。

4 結 論

1)當裂紋“擴展”進入感應線圈的檢測范圍時，輸出信號的幅值開始快速增加，若以各感應線圈幅值信號開始快速增加的“拐點”作為特征量，就可實現(xiàn)對裂紋長度的定量檢測;

2)適當增加激勵信號的頻率能夠提高傳感器的裂紋檢測能力，當歸一化激勵頻率為0.3 時，傳感器的裂紋檢測能力達到最優(yōu)。

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