矩形柔性渦流陣列傳感器裂紋檢測研究*

杜金強, 何宇廷, 李培源

(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難免會出現疲勞損傷，若機體主承力結構上出現的疲勞裂紋不能被及時發(fā)現并加以修復，將會導致災難性事故[1]。長期以來，無損檢測技術在飛機使用維護中發(fā)揮著極其重要的作用，但隨著飛機結構形式日趨復雜、使用強度不斷增加、服役使用壽命不斷延長，僅依靠傳統(tǒng)的無損檢測技術難以保證飛機使用安全[2]。結構疲勞損傷監(jiān)測技術可顯著提高飛機結構安全性，開展飛機結構疲勞損傷監(jiān)測技術研究，對保證飛行安全具有重要意義[3]。

電渦流檢測技術適用于大多數導電材料的損傷檢測，具有使用范圍廣、易于與結構集成、能夠進行結構應力和疲勞裂紋檢測等優(yōu)點[4～6]。而目前大部分飛機的主承力結構是金屬結構，顯然電渦流檢測技術在飛機結構疲勞損傷檢測領域具有巨大的研究價值和應用潛力。

一種矩形渦流陣列傳感器可用于金屬結構裂紋的定量檢測，精度約為1 mm。但是在裂紋檢測過程中，提離效應往往會對裂紋檢測產生影響。本文通過建立矩形渦流陣列傳感器的有限元模型，分析了傳感器對提離距離的響應特性，并搭建模擬裂紋檢測試驗平臺，研究了提離距離對傳感器裂紋檢測能力的影響。

1 用于裂紋檢測的矩形渦流陣列傳感器

矩形渦流陣列傳感器由一個激勵線圈和多個均勻分布于激勵線圈兩側的感應線圈構成，如圖1所示[7]。檢測裂紋時，在驅動電流的作用下，激勵線圈周圍產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和邊界條件。在其它條件不變的情況下，當結構損傷擴展到感應線圈I的檢測區(qū)域時，其輸出信號會發(fā)生變化，當結構損傷擴展到感應線圈II的檢測區(qū)域時，其輸出信號也會相應地發(fā)生變化，通過檢測各感應線圈的信號變化情況，結合感應線圈的空間位置，就可以實現對裂紋的定量檢測。

圖1 矩形渦流陣列傳感器

當裂紋損傷進入某感應線圈的檢測區(qū)域時[8]，其輸出信號幅值開始快速增加(圖2中A點)，隨著裂紋的擴展，幅值持續(xù)增加；當裂紋穿過該感應線圈時，其輸出信號將趨于穩(wěn)定(圖2中B點)。顯然通過算法撲捉A，B這2個特征點就可以實現裂紋的定量檢測。但在某些因素影響下，當A,B點所對應的輸出信號幅值差ΔU較小時，特征點的撲捉將變得相對困難，從而制約裂紋的檢測。因此，傳感器的裂紋檢測性能可以通過ΔU的大小來進行衡量。

圖2 矩形陣列傳感器輸出信號的特征

2 提離響應特性的有限元分析

1)傳感器的物理模型

渦流陣列傳感器的物理模型主要由渦流陣列傳感器和金屬平板組成，如圖1所示。被測金屬平板的材料為2A12—T4鋁合金，大小為30 mm×30 mm×4 mm(長×寬×厚)，在平板的上方放置了經過簡化的渦流陣列傳感器，由一個激勵線圈和2個感應線圈構成，其中,線圈的材料為黃銅，線圈平面與被測金屬平板之間的間距為0.1 mm。

2)傳感器的有限元建模

有限元分析軟件ANSYS的Emag和Multiphysics模塊具有強大的電磁場分析功能，可以進行二維、三維穩(wěn)態(tài)、諧波和瞬態(tài)磁場分析，能夠對工程電磁場問題進行數值模擬和分析[9]。本文運用該軟件來建立模型，為了詳細反映空間的電磁場分布，建立了三維有限元模型。在建模過程中，采用SOLID97單元來表征鋁合金平板、線圈陣列和空氣域，采用CIRCU124單元施加外電路激勵(如圖3(a),(b)所示)。給平板、線圈和空氣域分別賦予不同的材料特性，然后劃分網格。為了保證計算精度，同時節(jié)省計算時間，采用六面體和四面體混合的網格劃分方法，最終建立的有限元模型如圖3(c)所示。

圖3 渦流陣列傳感器裂紋檢測的有限元模型

為了滿足ANSYS有限元仿真中區(qū)域必須為封閉區(qū)域的條件，給有限元模型中空氣域的外邊界加載了平行邊界條件。同時，通過外電路為激勵線圈加載了幅值為1A、歸一化頻率為0.3、初相位為0°的正弦激勵信號,然后進行諧波分析(采用Sparse求解器進行求解);最后通過后處理模塊得到了磁矢位A在傳感器平面內和橫截面內的分布情況(如圖4所示)，可見磁矢位的分布關于激勵線圈導線中心對稱，在激勵線圈導線中間達到最大值，這與文獻[10]中的分析結果是一致的。

圖4 磁矢量位A的分布情況

3)傳感器對提離距離的響應特性分析

對矩形陣列傳感器施加正弦激勵信號，激勵電流的幅值為1A，歸一化激勵頻率為0.3，初相位為0°。運用建立的有限元模型，分析了提離距離分別為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7 mm時傳感器的輸出信號，由于各感應線圈輸出信號相同，本節(jié)僅對感應線圈I輸出信號的幅值和相位進行了分析，如圖5所示。

可見隨著提離距離的增加，傳感器輸出信號的幅值和相位信號均顯著增加。當提離距離從0增加至0.7 mm時，幅值信號增加了約25 mV，增加幅度約為73.5 %；相位增加了約10°，增加幅度約為12.6 %，顯然矩形陣列傳感器對提離距離十分敏感。相比之下，矩形渦流陣列傳感器在裂紋檢測中，出現裂紋前后感應電壓幅值的增加幅度也僅僅為5 %左右，顯然裂紋檢測過程中，提離效應會對檢測結果產生嚴重影響。

圖5 矩形陣列傳感器在不同提離距離時的響應特性

3 提離距離對傳感器裂紋檢測影響

1)模擬裂紋檢測試驗方案設計

在金屬板材上制作一條長的模擬裂紋，通過傳感器在試驗件表面的平穩(wěn)相對滑動來模擬裂紋的擴展過程，如圖6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。

圖6 裂紋擴展的模擬過程

為實現對2A12—T4鋁合金裂紋的檢測，搭建了檢測系統(tǒng)，完成信號發(fā)生、傳輸、采集、特征提取的全過程。裂紋檢測實驗系統(tǒng)主要由激勵信號源、功率放大器、矩形渦流陣列傳感器、多功能試驗臺、信號采集系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)六大部分構成。其中多功能試驗臺主要由高精度數控三軸平移臺組成，用來驅動傳感器在被檢材料表面平穩(wěn)移動。將傳感器固定于多功能試驗臺安裝座上，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，模擬裂紋的擴展過程，測量不同裂紋長度時傳感器各感應線圈的輸出信號(在裂紋檢測中，特征信號為幅值信號[8])。

2)試驗結果與分析

在傳感器和試驗件之間放置不同厚度的標準膜片，模擬不同提離距離的情形。本文分別對傳感器和試驗件之間無提離、歸一化提離距離為0.5、歸一化提離距離為1的3種情況，進行了模擬裂紋的檢測試驗，裂紋每“擴展”0.2 mm采集一次感應線圈的幅值信號。鑒于傳感器各感應線圈的輸出特性基本一致，僅對感應線圈I的輸出特性進行了分析，該感應線圈可以對0～1 mm長的裂紋進行檢測。為便于進行不同提離距離時傳感器裂紋檢測性能的對比，定義渦流陣列傳感器感應線圈I的幅值變化率為

(1)

式中rj為感應線圈在裂紋長度為jmm時的輸出信號幅值，r0為感應線圈在裂紋長度為0 mm時的輸出信號幅值。

圖7為不同提離距離時傳感器的裂紋檢測特性，其中圖7(a)為幅值變化率隨裂紋長度的變化情況，可見隨著裂紋的擴展，感應線圈的輸出信號幅值逐漸增加，當裂紋穿過感應線圈的監(jiān)測區(qū)域后，幅值信號的增加幅度逐漸放緩，并在裂紋長度約為1.5 mm左右時達到最大值，當裂紋進一步擴展時，傳感器的信號不再明顯變化。在裂紋擴展并穿過感應線圈檢測區(qū)域的過程中，隨著提離距離的增加，幅值信號的增加幅度急劇減小。圖7(b)為在裂紋從0 mm擴展至1 mm過程中，幅值變化幅度隨提離距離的變化情況，可見隨著提離距離的增加，幅值變化幅度急劇減小，相應地裂紋檢測能力變弱，當歸一化提離距離增加至1時，裂紋檢測能力降低了約68.1 %。因此,在裂紋檢測過程中，必須盡量減小提離距離。

圖7 不同提離距離時傳感器的裂紋檢測特性

4 結 論

1)矩形渦流陣列傳感器對提離距離十分敏感，當提離距離從0增加至0.7 mm時，幅值信號增加幅度約為73.5 %，

相位增加幅度約為12.6 %，因此,在裂紋檢測過程中要盡量抑制提離距離的波動。

2)提離距離的增加會急劇地降低傳感器的裂紋檢測能力，當歸一化提離距離從0增加至1時，裂紋的檢測能力降低了約68.1 %，因此,必須盡量減小提離距離。

參考文獻:

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