CN103983688A - 用于叶片类曲面裂纹检测的嵌入式平面线圈阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于非规则小曲率曲面零件裂纹等缺陷检测的方法与装置，如用于飞机发动机涡轮叶片的缺陷检测。属于金属损伤和疲劳过程的电磁无损检测技术领域。为了适应曲面裂纹等缺陷的检测要求，传统的刚性平面阵列传感器已不再适用，必须使传感器阵列具有一定柔性，才能和被测试件表面贴合，保证检测间隙要求，使检测结果不致失效。已知的电磁柔性探头，采用柔性电路板制作方法，成本昂贵，难以适应优化传感器结构研究和基础性设计研究需要。本专利提出了一种柔性基板和刚性平面电磁线圈相结合的嵌入式阵列结构，大幅降低了制作成本，具有一定的弯曲变型能力，可以满足叶片类小曲率曲面试件的检测需要，具有检测效率高、简单方便、成本较低等优点。

Description

用于叶片类曲面裂纹检测的嵌入式平面线圈阵列传感器

技术领域

本发明属于电磁无损检测技术领域，涉及一种为检测小曲率曲面而设计制作的柔性阵列探头技术，可用于航空发动机涡轮叶片等非规则小曲率曲面的损伤检测。

背景技术

小曲率曲面是金属零件的一种重要结构形式，典型结构如各种发动机叶片、汽轮机叶片、风力发电机叶片等。这类零件考虑空气动力学因素，往往设计成无大曲率转角，平滑过渡的小曲率曲面结构形式。小曲率曲面的缺陷损伤检测技术一直是未能很好解决的问题。传统检测方法如磁粉、渗透等，虽然检测结果可靠，但是效率很低，无法满足自动化生产要求；超声检测由于曲面上声波传播规律复杂，难以有效实施；普通涡流检测由于受提离效应制约，因曲面无法保证固定检测间隙，故也无法有效开展。柔性阵列电磁传感器是近年来发展起来的一项先进电磁无损检测技术，有望较好解决曲面损伤检测问题。但柔性阵列传感器制作成本很高，给一般的实验研究和工程应用带来很多制约。

本发明提出了一种适用于叶片类小曲率曲面零件缺陷检测的嵌入式平面线圈阵列传感器，采用PCB板制作平面线圈单元，等间隔安装在柔性橡胶基板上；由于平面线圈单元采用PCB板制作普通电路，因而可大幅降低制作成本；由于平面线圈单元之间存在一定间隙，且安装在柔性橡胶板上，故整个阵列传感器又具有一定柔性。实验测试表明，这种嵌入式平面线圈阵列传感器，可以满足小曲率曲面零件的缺陷检测要求，既可以为柔性阵列传感器设计提供先期实验研究参考，也可以作为一种正式结构应用于曲面检测中，突出优点是价格低廉、制作容易，可以广泛推广应用。

本发明的目的在于为研究曲面金属材料零件缺陷如裂纹等产生和扩展而提供一种新型的便捷实用的在位检测方法。

发明内容

本方法的实施由下列装置完成：嵌入式平面线圈柔性阵列传感器、磁激励信号产生装置、阵列涡流信号采集装置、阵列涡流信号采集和处理系统。

柔性阵列传感器由橡胶材料的柔性基板、采用PCB电路板的平面线圈单元、电路引出线和接线插座、后续信号处理电路等组成。柔性基板为4～5mm厚的橡胶材料，平面线圈单元为二层PCB板结构，上层为激励线圈，下层为检测线圈，二者均采用椭圆形阿基米德螺线绕制，根据许用电流不同，二者线径粗细各异。工作时上层激励线圈通以4～5MHz的高频正弦激励电流，在被测试件中会产生时谐感应电磁场。试件中裂纹等信息会调制到该感应磁场中，被检测线圈接收并提取出来。采用PCB板的平面线圈单元是刚性的，难以产生变形，但平面线圈单元之间存在间隙，由于基板是柔性的，在曲率不大的曲面试件测试时，该柔性阵列传感器可以实现较好的曲面贴合。阵列传感器信号由排线引出，接至接线插座。激励信号电路和测试信号电路均为12路。激励信号包括精密函数发生芯片、电压跟随器、有源移相器、功率放大器几个主要部分。选用ICL8038芯片作为函数发生芯片，该芯片可产生高稳定度、高精度、可变频的正弦信号。信号通过由uA741芯片构成的一阶有源移相器后产生相位可调的信号，最后通过由TDA2030芯片组成的功率放大电路，得到幅值无偏移的频率为2～4MHz幅值为3～5V的正弦信号。信号处理电路包括信号放大、信号滤波、相敏检波几部分。本发明采用AD620芯片作为信号放大电路的主芯片，幅值只有几mV的测试信号经过放大电路可放大至1～2V。通过由uA741芯片构成的二阶低通滤波电路，实现对信号中高频噪声的剔除。相敏检波电路的主芯片是AD633芯片，正弦信号经过该芯片将含有直流信号，通过低通滤波器交流信号滤掉，保留直流信号。

阵列磁信号采集和处理系统由多路信号采集器和计算机数据采集软件组成，此部分为标准配置，在此不作赘述。

本发明有效解决了小曲率曲面裂纹等缺陷电磁无损检测一般性科研和应用中，采用柔性电路价格昂贵，难以大规模推广应用的问题。提出了一种制作简单，容易实现，价格低廉的嵌入式柔性阵列传感器制作方法。利用本专利方法制作的阵列传感器，既可以在实际工程中作为实际检测装置，也可以作为柔性电路正式设计前的前期实验探索，为实验工作节约成本。

本检测方法的具体实施步骤如下：

步骤1，将嵌入式柔性阵列传感器沿被测曲面表面轻轻弯曲贴合，以轻轻接触为宜，注意不要用力按压；

步骤2，接通传感器供电励磁电路，使阵列传感器轻轻沿曲面试件表面移动，同时注意观察输出信号变化情况，当发现输出信号幅值有跳动时，就说明被测试件表面可能存在缺陷，此时应仔细检查试件表面状态；

步骤3，根据被测试件材料和状态，调节励磁装置供电电源的电压幅值，或者励磁信号频率，以获得最佳的检测结果；注意调节滤波环节参数，保证噪声和干扰信号被有效滤除；

步骤4，在扫查过程中，对被测试件进行阵列涡流信号采集，采集的信号数据经由阵列式传感器的后续处理电路处理，并经数据多路采集器被上位计算机接收。

步骤5，在计算机上利用信号处理软件对采集到的涡流阵列信号进行处理，可以按照涡流信号数据的幅值高低进行彩色成像图显示，也可以将采集到的涡流信号数据进行单通道显示。

在成像图中，若检测区域无缺陷，则采集数据成像结果为一个颜色均匀的平面；若存在缺陷，则缺陷处会存在由于涡流信号突变而出现的波峰或波谷，在彩色图上会产生颜色的鲜明变化，从而显现缺陷的存在。

有益效果：

本发明设计了一种用于叶片类小曲率曲面裂纹等缺陷检测的嵌入式平面线圈阵列传感器，将PCB板制成的平面线圈检测单元和柔性橡胶板组合，制作方便，价格低廉，有效解决了柔性电路制作价格昂贵，难以推广的问题；利用该发明，既可以制成实际检测装置，应用于实际工程检测中，也适于在复杂柔性阵列传感器制作定型的前期研究中应用，以有效降低科研成本。本专利为小曲率曲面零件的金属裂纹扩展在位检测，为金属缺陷损伤的实验研究提供了一种新型检测工具。

附图说明

图1为嵌入式平面线圈柔性阵列传感器：

图中：1-橡胶材料的柔性基板、2-平面线圈单元、3-接线插座。

图2为嵌入式平面线圈柔性阵列传感器背面接线图；

图3为采用PCB电路板的平面线圈单元；

图中：1-平面线圈单元的检测线圈、2-平面线圈单元的激励线圈；

图4为阵列传感器电路原理图；

图5磁激励信号的产生装置；

图6为阵列涡流信号采集装置；

图7为铁基航空涡轮发动机叶片试件；

图8为叶片上预制裂纹缺陷的方位（因缺陷尺寸较小，照片效果欠佳，以示意图代替）；

图9为阵列传感器某探头检测结果；

图10为检测结果成像图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例中选用铁基航空涡轮发动机叶片为被测试件，该试件属于典型小曲率曲面零件，在叶片上通过电火花刻伤方式预制了一组不同参数裂纹缺陷，其尺寸为（长×宽×深）：10mm×0.1mm×0.3mm、10mm×0.1mm×0.15mm、5mm×0.1mm×0.3mm、5mm×0.1mm×0.15mm、10mm×0.1mm×0.2mm。

按照上文中具体检测步骤进行实施，所得具体检测结果如图9所示（因检测结果数据较多，仅以10mm长裂纹为例），可以看到存在裂纹地方会产生信号幅值突变；成像效果如图10所示。

本实施例仅为一种材料的试件进行了检测。本发明可以对多种铁磁性材料结果进行检测，且探头的个数、间距可以根据需要灵活布置。

Claims (2)

1.一种适用于叶片类小曲率曲面零件裂纹检测研究的新型柔性阵列电磁无损检测方法和装置，由橡胶材料的柔性基板、采用PCB电路板的平面线圈单元、电路引出线和接线插座、后续信号处理电路等组成。其特征在于：

（1）采用了4～5mm厚的柔性橡胶板作为阵列传感器基底，其上布置安装孔，将由PCB板制作的平面线圈单元，根据试件形状和实际检测需要，确定彼此之间的间隔大小和数量，固定于柔性基底上。虽然平面线圈单元是刚性的，但橡胶板是柔性的，且平面线圈单元之间有一定间隙，对于小曲率非规则曲面试件来说，可以保证装置和被测表面之间很好贴合，满足检测需要。

（2）平面线圈单元由PCB板制成，分为上下两层：上层为激励线圈，下层为检测线圈。工作时激励线圈通以4～5MHz的高频正弦激励电流，在被测试件中会产生时谐感应电磁场。试件中裂纹等信息会调制到该感应磁场中，被检测线圈接收并提取出来。线圈采用椭圆形阿基米德螺线方式绕制，激励线圈绕制成4～5圈，检测线圈根据检测灵敏度要求，设计成15～26圈。为了产生较强的激励磁场，激励线圈线宽为0.75～0.8mm，检测线圈线宽为0.1～0.15mm。

（3）该柔性电磁阵列只适用于小曲率曲面试件，相邻线圈单元之间距离和被测曲面曲率半径有关，为了保证较好的曲面贴合效果，以实现有效检测，试件曲面曲率半径应大于等于50cm。

2.根据权利要求1所述的柔性阵列电磁无损检测装置，由12路PCB板平面线圈单元、12路激励信号发生电路、12路检测信号通道等组成。为了将平面线圈单元更好在柔性基板上固定，可以利用柔性胶进行粘接，平面线圈阵列引线由柔性板后面通过排线引出，并接至柔性基板的接线插座上；将检测时将柔性阵列传感器和小曲率被测曲面轻轻贴合，并进行扫查检测；激励信号装置产生正弦激励电流，从而在被测试件表面产生激励和感生磁场，平面线圈单元检测到感应磁场，从而获得曲面上缺陷信息。