渦流陣列檢測技術(shù)的研究進(jìn)展現(xiàn)狀分析

張衛(wèi)民，岳明明，龐煒涵，徐民東，陳國龍

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 北京 100081)

0 引言

渦流陣列傳感器檢測技術(shù)，亦屬于渦流傳感器技術(shù)新興發(fā)展方向之一。因?yàn)檫@種檢測技術(shù)既有渦流檢測技術(shù)非接觸、在實(shí)際檢測中便于應(yīng)用的優(yōu)勢，又有陣列傳感器檢測大型工件效率高的特點(diǎn)，在檢測零件表面損傷研究方面，具有獨(dú)特優(yōu)勢，是一種結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、智能信號(hào)處理技術(shù)的綜合技術(shù)，目前雖不夠成熟、穩(wěn)定、在檢測實(shí)踐中應(yīng)用也不多，但無礙于這種技術(shù)的發(fā)展。

1 渦流陣列檢測技術(shù)的研究進(jìn)展

國際上，最初的渦流陣列傳感器由繞制的線圈單元構(gòu)成。1988年，Krampfner和Johnson將印制電路板技術(shù)用于渦流陣列傳感器的設(shè)計(jì)，巧妙解決了人工繞制線圈一致性較差的問題[1]。2009年，加拿大Eddyfi公司開發(fā)出各種結(jié)構(gòu)柔性陣列渦流檢測傳感器(如圖1、圖2所示)，并由Matrix公司在國內(nèi)負(fù)責(zé)銷售，檢測效果較好，適應(yīng)于各種曲面零件的檢測，但價(jià)格較高，用戶不多。2004年，CODECI傳感器問世，該傳感器將陣列排布的線圈單元和CCD結(jié)合，能檢測各種導(dǎo)電材料的表面缺陷，是陣列傳感技術(shù)的重要進(jìn)展。

圖1 加拿大Eddyfi公司研制的柔性陣列式渦流探頭

圖2 加拿大Eddyfi公司的試樣和檢測結(jié)果

此外，還有各種新型原理的陣列傳感器方案，如基于SQUID效應(yīng)的陣列傳感器[2]、基于MWM的陣列傳感器[3]、霍爾元件陣列傳感器[4]、GMR陣列傳感器等[5]。但這些傳感器由于受到各種條件限制，都沒有線圈式陣列傳感器在實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。

國內(nèi)關(guān)于渦流陣列傳感器研究較早的是清華大學(xué)陳祥林、丁天懷等人，采用柔性印刷電路板工藝研制了一種新型接近式電渦流傳感器及測試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大面積曲面間微小間隙的實(shí)時(shí)監(jiān)測[6]，在陣列傳感器方面進(jìn)行過較深入研究的是長沙國防科技大的劉波、羅飛路等人[7]，劉波對(duì)渦流陣列檢測技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究。西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中理工大學(xué)、吉林大學(xué)、南昌航空大學(xué)、中國石油大學(xué)、中國民航大學(xué)、北京航空材料研究院、上海材料研究所、上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等多家單位，也先后開展了渦流陣列檢測技術(shù)研究，并各自推出了傳感器結(jié)構(gòu)方案，解決了一些實(shí)際問題[8-10]。

2 渦流陣列檢測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

渦流陣列傳感器的實(shí)際應(yīng)用之一是用于重要機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞損傷在位監(jiān)測。值得注意的是，用于損傷發(fā)展在位監(jiān)測的一種新型平面電渦流傳感器結(jié)構(gòu)，可用于螺栓孔附近疲勞裂紋發(fā)展監(jiān)測[11]。激勵(lì)線圈從中心圓處呈輻射狀向四周螺旋展開，在激勵(lì)線圈的螺旋線間隔內(nèi)分布著環(huán)狀感應(yīng)線圈，激勵(lì)線圈中通以激勵(lì)電流，在傳感器監(jiān)測空間內(nèi)產(chǎn)生激勵(lì)磁場，環(huán)狀感應(yīng)線圈用于感應(yīng)激勵(lì)磁場在監(jiān)測空間內(nèi)的反射場，而反射場跟傳感器監(jiān)測空間內(nèi)的電磁特性和空間邊界條件緊密相關(guān)，結(jié)構(gòu)損傷伴隨結(jié)構(gòu)電磁特性參數(shù)和邊界條件的改變，引起傳感器輸出特性變化。某研究組針對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究[12]，此后類似研究尚不多見。

本文作者在博士點(diǎn)基金、自然科學(xué)基金、國防預(yù)研基金資助下，針對(duì)實(shí)際裂紋走向呈隨機(jī)性分布、而普通差動(dòng)式渦流傳感器[13]、方向性渦流傳感器檢測時(shí)存在盲區(qū)的問題，提出了利用旋轉(zhuǎn)渦流場的十字交叉激勵(lì)新型結(jié)構(gòu)。所謂十字交叉激勵(lì)，即采用兩個(gè)十字交叉導(dǎo)線激勵(lì)和阿基米德螺線接收線圈接收方式，組成電渦流傳感器平面結(jié)構(gòu)。在十字交叉導(dǎo)線上分別通以相位相差90°的正余弦交流電，則會(huì)在試件上產(chǎn)生一強(qiáng)度均勻，方向旋轉(zhuǎn)的方向性電磁場。與傳統(tǒng)的常規(guī)圓柱型渦流探頭相比，由于這種結(jié)構(gòu)具有瞬時(shí)方向性，更有利于集中瞬時(shí)能量，用于檢測各向異性性質(zhì)的殘余應(yīng)力等物理量，由于方向是均勻旋轉(zhuǎn)的，則對(duì)方向隨機(jī)分布的裂紋，均有較好的檢測靈敏度。目前研究成果已投寄國際權(quán)威雜志，引起業(yè)內(nèi)專家的興趣與注意。幾乎就在提出十字交叉激勵(lì)等新結(jié)構(gòu)同時(shí)已申請(qǐng)專利。國際權(quán)威雜志NDT&E International，2015 年70卷29-37頁上發(fā)表了Lius S和Telmo G等人的論文“，“A new dual driver planar eddy current probe with dynamically controlled induction pattern”[14]，文中所提結(jié)構(gòu)和本課題新裝置或派生結(jié)構(gòu)十分相似，有異曲同工之妙，如圖3所示。這也從一個(gè)側(cè)面說明，本研究確有先進(jìn)性，且應(yīng)刻不容緩開展研究。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)對(duì)比

計(jì)劃在下一步開展基于陣列傳感器研究，屆時(shí)不僅可以監(jiān)測到疲勞裂紋產(chǎn)生程度，而且對(duì)位置也可以監(jiān)測到。圖4是作者設(shè)想的一種結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)測焊縫處疲勞裂紋，激勵(lì)線圈有兩條導(dǎo)線，交叉處形成旋轉(zhuǎn)磁場，監(jiān)測線圈是獨(dú)立的，不僅可以檢測到疲勞裂紋的出現(xiàn)，還可以檢測到疲勞裂紋的位置。

圖4 新型電磁在位監(jiān)測機(jī)構(gòu)

3 一種可用于小曲率曲面零件表面損傷的渦流陣列檢測技術(shù)的研制

該裝置由柔性陣列式檢測渦流探頭、氣囊式裝置、步進(jìn)電機(jī)、多通道信號(hào)采集裝置、計(jì)算機(jī)組成。柔性陣列渦流傳感器由30組剛性線圈等間距固定在柔性橡膠墊上制成，每個(gè)單元線圈結(jié)構(gòu)都是一致的。橡膠墊具有一定柔性，可以滿足小曲率曲面零件的檢測需求。檢測時(shí)氣囊式裝置充氣，將陣列式渦流探頭壓緊在零件表面上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)則可保證裝置在任何地方實(shí)現(xiàn)檢測。多通道信號(hào)采集裝置最多可采集48路信號(hào)，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行成像處理。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。檢測時(shí)，充氣氣囊將傳感器線圈緊壓在被測零件表面上，這種結(jié)構(gòu)對(duì)小曲率曲面零件也有一定適應(yīng)性，步進(jìn)電機(jī)將傳感器結(jié)構(gòu)送到需要檢測位置，從而實(shí)現(xiàn)檢測。

這種結(jié)構(gòu)對(duì)檢測微小損傷未必有什么明顯優(yōu)勢，其主要特點(diǎn)是檢測效率高，發(fā)揮了陣列探頭優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中選用一鋁合金小曲率曲面零件，在上面用機(jī)械方法加工出尺寸為(長×寬×深)10mm×2mm×3mm較大的裂紋狀缺陷，如圖6所示。

圖5 渦流陣列檢測實(shí)驗(yàn)裝置

圖6 裂紋狀缺陷

將陣列傳感器移動(dòng)至缺陷位置，在缺陷位置可觀測到信號(hào)幅值發(fā)生突變，將信號(hào)通過低通濾波器等進(jìn)一步處理，即可清晰提取出缺陷信號(hào)，如圖7所示，裂紋缺陷信號(hào)為圖中黑色部分。

圖7 缺陷信號(hào)

4 結(jié)語

分析了目前陣列渦流傳感器技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，指出陣列渦流傳感器技術(shù)是渦流檢測技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向?；仡櫫藝鴥?nèi)外研制現(xiàn)狀，提出了一種新型陣列渦流傳感器結(jié)構(gòu)方案。

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