鄭闊海，楊生勝，苗育君，李存惠，王鹢，文軒

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

月球著陸器無(wú)損檢測(cè)方法研究

鄭闊海，楊生勝，苗育君，李存惠，王鹢，文軒

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

分析了著陸器受著陸沖擊可能的損傷模式，提出了采用脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)的方法對(duì)著陸器著陸前后的狀態(tài)變化進(jìn)行在線檢測(cè)，研制了無(wú)損檢測(cè)探頭，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了方法的可行性；針對(duì)空間應(yīng)用時(shí)較大的溫度變化導(dǎo)致?lián)p傷信號(hào)因溫漂難以識(shí)別問(wèn)題，提出了溫度傳感器配合無(wú)損檢測(cè)探頭同時(shí)工作，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，利用補(bǔ)償后的檢測(cè)數(shù)據(jù)隨溫度線性變化的關(guān)系，檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曲線等截距的特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)曲線的截距描述溫度變化時(shí)的損傷狀態(tài)，使得該測(cè)試方法具備了工程應(yīng)用價(jià)值。

無(wú)損檢測(cè)；脈沖渦流；TMR；著陸器

0　引言

伴隨著我國(guó)“嫦娥”計(jì)劃三步走戰(zhàn)略的實(shí)施，探月二期嫦娥三號(hào)已實(shí)現(xiàn)月表軟著陸，但對(duì)于探月三期的著陸返回，軟著陸緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依然面臨著挑戰(zhàn)。為適應(yīng)“嫦娥”工程技術(shù)需求，對(duì)著陸器用鋁蜂窩等緩沖材料進(jìn)行了高低溫沖擊實(shí)驗(yàn)研究[1]；以動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)，通過(guò)建模，分析了影響著陸性能的因素[2]。上述研究工作著眼于著陸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如果能夠設(shè)計(jì)一種傳感器，布置在著陸腿與著陸器連接的易受沖擊的部位，對(duì)著陸器著陸過(guò)程中所受沖擊引起的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化進(jìn)行在線檢測(cè)，所檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)于著陸緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將具有重要的參考價(jià)值。采用脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)的方法，對(duì)著陸過(guò)程中可能引起的鋁蜂窩板的形變量以及鋁蜂窩板內(nèi)金屬埋件的位移量的可檢測(cè)性進(jìn)行了研究，并對(duì)使用過(guò)程中，因空間溫度大幅度變化情況下的數(shù)據(jù)判讀方法進(jìn)行了探討。

1　無(wú)損檢測(cè)傳感器構(gòu)成

得益于磁性傳感器TMR（Tunneling magneto-re?sistance）的發(fā)展，使得電渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)甚低頻條件下的高分辨率檢測(cè)[3-6]。圖1為基于TMR磁傳感器的脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)原理框圖，以高磁導(dǎo)率的坡莫合金為磁芯，提高線圈的勵(lì)磁能力，采用矩形線圈進(jìn)行勵(lì)磁，可獲得較大范圍的均勻磁場(chǎng)，方便TMR磁傳感器的陣列化布局。針對(duì)著陸器測(cè)試應(yīng)用，以著陸器被檢測(cè)部位著陸前狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，通過(guò)將著陸后獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，利用差分?jǐn)?shù)據(jù)的峰值描述著陸器受著陸沖擊的損傷程度。

圖1　TMR磁傳感器脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)框圖

2　檢測(cè)方法

2.1損傷模式

著陸腿與著陸器連接部位的鋁蜂窩被用來(lái)作為月表著陸的緩沖材料，依靠其結(jié)構(gòu)變形來(lái)吸收著陸沖擊能量，從而達(dá)到軟著陸目的[7-8]；同時(shí)還是著陸器的重要支撐結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部埋有不同用途的金屬埋件。在著陸過(guò)程中，著陸沖擊會(huì)造成鋁蜂窩板蒙皮的形變，大的沖擊還可能造成內(nèi)部金屬埋件的相對(duì)位移，如圖2所示，為內(nèi)部有埋件的鋁蜂窩板示意圖。將鋁蜂窩板受著陸沖擊可能的損傷模式定義為：（1）鋁蜂窩板的形變，指鋁蒙皮受著陸沖擊產(chǎn)生的形變，在A點(diǎn)測(cè)試，A點(diǎn)無(wú)內(nèi)埋件；（2）鋁蜂窩板內(nèi)部埋件的位移，指內(nèi)部金屬埋件受著陸沖擊導(dǎo)致的相對(duì)位置變化，在B點(diǎn)測(cè)試，B點(diǎn)位于內(nèi)埋件正上方。

圖2　帶有埋件的鋁蜂窩板試樣圖

2.2傳感器布局

由2.1可知，著陸器結(jié)構(gòu)受著陸沖擊可能的損傷模式有蜂窩板的形變和內(nèi)嵌金屬件的相對(duì)位移。為了實(shí)現(xiàn)兩種損傷模式的同時(shí)檢測(cè)，采用3× 3TMR布局模式。如圖2所示，假定鋁蜂窩板內(nèi)嵌金屬件為長(zhǎng)條形，截面為邊長(zhǎng)10 mm的正方形，長(zhǎng)度是TMR探頭尺度的5倍，三排TMR相對(duì)內(nèi)埋件的位置如圖3所示。

圖3　TMR布局

第一排TMR定義為TMR1～3，遠(yuǎn)離金屬內(nèi)埋件，也即位于A點(diǎn)，用來(lái)檢測(cè)鋁蜂窩板的形變損傷；第二排和第三排分別定義為TMR4～6和TMR7～9，分別位于內(nèi)嵌金屬件的兩個(gè)邊緣，即B點(diǎn)，用來(lái)檢測(cè)金屬件受著陸沖擊引起的相對(duì)位移。通過(guò)綜合分析9路TMR的檢測(cè)結(jié)果，區(qū)分損傷模式。

3　試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)儀器和設(shè)備

該傳感器采用日本NF公司生產(chǎn)的BP4610脈沖電源為線圈供電，電流700 mA，頻率50 Hz，占空比1∶1；陣列化TMR采用3×3設(shè)計(jì)，采用Agilent E3631A直流電源供電，考慮到空間應(yīng)用的可行性，減少線纜數(shù)量，利用多路復(fù)用器進(jìn)行通道控制；通過(guò)NI PXIe-6368數(shù)據(jù)采集卡和Labview進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和顯示，采樣率200 kS/s；樣品臺(tái)采用非導(dǎo)電材料制作，以避免感生出雜散渦流對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，樣品臺(tái)可控制TMR探頭在三個(gè)方向進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)精度50 μm。

3.2試驗(yàn)方法

考慮到加工鋁蜂窩板形變樣本工藝的復(fù)雜性，為了操作方便，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的有效性，進(jìn)行形變量測(cè)試時(shí)方法：（1）利用樣品臺(tái)控制TMR探頭至A點(diǎn)，保持相對(duì)位置不變，獲取參考數(shù)據(jù)；（2）利用樣品臺(tái)控制TMR探頭沿Z向（垂直蜂窩板方向）運(yùn)動(dòng)一定距離，如0.15 mm，獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)；（3）將檢測(cè)數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)求差分，獲得該條件下的差分?jǐn)?shù)據(jù)，以差分?jǐn)?shù)據(jù)的峰值作為該條件下的檢測(cè)值；（4）如此反復(fù)，獲得不同檢測(cè)值隨距離的關(guān)系曲線。

將獲得的曲線作為TMR探頭檢測(cè)能力的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行未知形變量測(cè)試時(shí)，將各路TMR檢測(cè)值與曲線進(jìn)行對(duì)標(biāo)，這樣通過(guò)陣列化的TMR數(shù)據(jù)就可了解蜂窩板的形變情況。

在進(jìn)行內(nèi)埋件位移量測(cè)試時(shí)，利用樣品臺(tái)控制TMR探頭至B點(diǎn)，并控制TMR探頭沿垂直內(nèi)埋件長(zhǎng)度方向移動(dòng)，獲得不同位移量下的檢測(cè)值隨位移量的曲線（沿內(nèi)埋件長(zhǎng)度方向移動(dòng)時(shí)渦流變化不明顯，在這里不做討論）。通過(guò)各路TMR檢測(cè)幅值的變化，可獲得內(nèi)埋件受著陸沖擊前后狀態(tài)的變化情況。

在對(duì)著陸器進(jìn)行在軌測(cè)試時(shí)，著陸前需要開(kāi)機(jī)工作一次，獲得參考數(shù)據(jù)，著陸后擇機(jī)開(kāi)機(jī)一次，獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)，兩次數(shù)據(jù)的差分值的峰值用于描述著陸器受著陸沖擊影響引起的狀態(tài)變化。通過(guò)將各路TMR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，獲得著陸器狀態(tài)變化的定性描述。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

圖4和圖5分別是形變測(cè)試和位移測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，對(duì)于形變測(cè)試，9路TMR檢測(cè)值均為負(fù)；對(duì)于位移測(cè)試，9路TMR檢測(cè)值均為正，所以利用檢測(cè)值的符號(hào)可有效區(qū)分損傷模式。同時(shí)無(wú)論是形變測(cè)試，還是位移測(cè)試，各排TMR檢測(cè)結(jié)果近似一致，三排TMR檢測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致，且近似呈線性變化，各路TMR的檢測(cè)分辨率優(yōu)于0.2mm。所以，該檢測(cè)方法用于嫦娥著陸器受著陸沖擊損傷檢測(cè)是可行的。三排TMR檢測(cè)結(jié)果曲線呈輻射狀分布，這與探頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)：探頭采用矩形線圈，TMR1～3和TMR7～9分別位于線圈兩端，TMR4～6位于線圈中間，且垂直磁場(chǎng)方向分布；根據(jù)螺線管的磁場(chǎng)分布，中間區(qū)域磁力線較為集中，感生渦流能力較強(qiáng)，兩端磁力線分布相對(duì)發(fā)散，感生渦流能力相對(duì)較弱，從而導(dǎo)致三排TMR檢測(cè)結(jié)果呈輻射狀分布。在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用“?”形狀的磁芯繞制線圈，且通過(guò)對(duì)磁芯兩端“彎曲”的設(shè)計(jì)優(yōu)化，可起到磁透鏡的作用，將磁力線約束在待檢測(cè)區(qū)域，有利于提高探頭的檢測(cè)能力。

圖4　形變測(cè)試曲線圖

從圖6可以看出，盡管TMR1～3和TMR7～9呈對(duì)稱分布，但檢測(cè)結(jié)果卻存在較大差異，這是因?yàn)槟壳袄@制線圈尺寸較小，磁均勻區(qū)域有限，尤其線圈兩端磁場(chǎng)分布存在差異的結(jié)果。將TMR數(shù)據(jù)歸一化，則利用9路TMR的陣列化檢測(cè)數(shù)據(jù)可較直觀的獲得損傷的分布情況；如果能夠增大線圈的磁均勻區(qū)域，同時(shí)增大TMR的分布密度，則可實(shí)現(xiàn)磁成像無(wú)損檢測(cè)。下一步的工作，將著力提高線圈的磁均勻區(qū)域面積，同時(shí)保證探頭的輕便化進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)可用于磁成像無(wú)損檢測(cè)的探頭。

圖5　位移測(cè)試曲線圖

圖6　陣列化TMR與線圈位置關(guān)系圖

3.4空間應(yīng)用研究

嫦娥著陸器在軌應(yīng)用相對(duì)于地面最大的區(qū)別是：溫度變化范圍寬，可達(dá)數(shù)10℃。根據(jù)3.2節(jié)試驗(yàn)方法，著陸前工作一次，獲得參考數(shù)據(jù)，著陸后工作一次，獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)，著陸前后TMR探頭開(kāi)機(jī)工作溫度變化較大，兩次測(cè)試數(shù)據(jù)直接差分會(huì)引入因溫度變化的影響，溫度變化主要引起線圈磁芯材料磁導(dǎo)率的劇烈變化，從而導(dǎo)致線圈磁場(chǎng)隨溫度的較大變化，屬于磁性材料研究范疇；如何選取磁導(dǎo)率相對(duì)恒定的低頻磁性材料，將是下一步的工作，其影響可能導(dǎo)致有效的損傷信號(hào)無(wú)法識(shí)別。為保證TMR探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，針對(duì)著陸器艙內(nèi)工作溫度范圍（-20～50℃），對(duì)TMR探頭進(jìn)行了溫度試驗(yàn)，并獲得了新的數(shù)據(jù)判讀方法。

試驗(yàn)用SETH-Z-020型恒溫箱，變溫速率3℃/ min，溫度范圍-20～55℃，試驗(yàn)中以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣。試驗(yàn)方法為：（1）將TMR探頭、鋁蜂窩樣本和樣品臺(tái)同時(shí)置入恒溫箱內(nèi)；（2）以TMR探頭位于內(nèi)埋件正上方作為初始位置并進(jìn)行固定，通過(guò)樣品臺(tái)控制TMR探頭相對(duì)鋁蜂窩樣本位移1 mm；（3）關(guān)閉艙門升溫，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)保溫30 min后測(cè)試并保存數(shù)據(jù)；（4）重復(fù)1～3獲得不同位移量隨溫度變化的數(shù)據(jù)。

為了消除溫度的影響，引入了新的數(shù)據(jù)處理方法：沿線圈磁場(chǎng)方向（圖7）將TMR分為三排，取中間TMR作為參考TMR，兩側(cè)TMR作為測(cè)量TMR。數(shù)據(jù)差分運(yùn)算方法為：各測(cè)量TMR分別與相應(yīng)的參考TMR求差分，取其幅值，再對(duì)獲得的6個(gè)幅值求平均，所得結(jié)果作為該溫度、該位移下的測(cè)試值。圖7為TMR探頭溫度試驗(yàn)結(jié)果。

圖7檢測(cè)結(jié)果隨溫度變化曲線圖

圖7引入新的數(shù)據(jù)處理方法后，TMR探頭與內(nèi)埋件發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，檢測(cè)幅值隨溫度呈線性變化，且各曲線斜率一致；同一溫度下，不同位移量檢測(cè)幅值呈等差變化。根據(jù)這一特性，設(shè)曲線斜率為k，截距為D，檢測(cè)幅值為V，溫度為T，則有：

式（2）-（1）可得：

式中：ΔT為著陸前后的溫度變化量；VΔT為著陸前后TMR探頭檢測(cè)幅值的差值；k為常數(shù)（由地面標(biāo)定試驗(yàn)獲得），所以ΔD是可測(cè)量的。根據(jù)截距的等差特點(diǎn)，由ΔD即可獲得受著陸沖擊影響鋁蜂窩板內(nèi)金屬埋件的相對(duì)位移量。

分析可知，在進(jìn)行著陸器受著陸沖擊無(wú)損檢測(cè)時(shí)，TMR探頭需配合溫度傳感器一起使用，根據(jù)當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)著陸前后溫度變化＜5℃（實(shí)驗(yàn)室溫度變化范圍）時(shí)，可直接對(duì)著陸前后數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，獲得著陸沖擊的影響數(shù)據(jù)；當(dāng)著陸前后溫度變化＞5℃時(shí)，通過(guò)引入上述新的數(shù)據(jù)判讀方法，亦可獲得著陸沖擊的影響數(shù)據(jù)。

所以利用TMR探頭對(duì)著陸器鋁蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋件受著陸沖擊發(fā)生的狀態(tài)變化進(jìn)行在軌測(cè)試，用于描述著陸沖擊的影響的檢測(cè)方法是可行的。

4　結(jié)論

首先分析了嫦娥著陸器鋁蜂窩板受著陸沖擊可能產(chǎn)生的損傷模式，研制了TMR脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)探頭，完成了對(duì)鋁蜂窩板形變及內(nèi)部埋件的測(cè)試，探頭測(cè)試精度優(yōu)于0.2 mm。針對(duì)到空間應(yīng)用時(shí)較寬的溫度變化范圍，通過(guò)對(duì)TMR探頭進(jìn)行溫度試驗(yàn)，獲得了新的數(shù)據(jù)判讀方法；可以預(yù)計(jì)，TMR探頭結(jié)合溫度傳感器一起使用，對(duì)著陸器進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，將獲得最佳效果。

在TMR探頭的測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了許多有待解決的問(wèn)題，如未充分考慮到激勵(lì)線圈磁芯磁導(dǎo)率隨溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；如何優(yōu)化線圈的繞制工藝，提高線圈磁均勻區(qū)域，方便陣列化TMR的布局，同時(shí)保持探頭的輕量化和便攜性；基于TMR的磁成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)信號(hào)處理方法等。這將是接下來(lái)的工作重點(diǎn)，以滿足我國(guó)航天發(fā)展的需求。

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INVESTIGATION ON THE METHOD OF NONDESTRUCTIVE TESTING FOR LUNAR LANDER

ZHENG Kuo-hai，YANG Sheng-sheng，MIAO Yu-jun，LI Cun-hui，WANG Yi，WEN Xuan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The paper analyzed the defect patterns of the lunar lander impacted by landing，and advised that developing on-line nondestructive testing to diagnose the lander before and after landing by using pulsed eddy current method，the method was conformed feasibly through experiments.For the damages mis-recognition caused by temperature drifting in the space wide temperature scope，it is suggested that the data could be compensated by the cooperation of the probe and the temperature transducer，and the compensated data vary linearly，the intersect varied regularly.The state changes could be recognized by the variation of the intersection curve Vs temperature，thus the method exhibited potential engineer values.

nondestructive test；pulsed eddy current；TMR；lunar lander

V19

A

1006-7086（2016）05-0208-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.007

2016-04-05

鄭闊海，（1979-），男，河南保定人，博士，高級(jí)工程師，從事空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究。E-mail：zkh_79@163.com。