CN107422030A - 柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法 - Google Patents

柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，所述柔性涡流阵列传感器包括至少3个线圈组件，所述线圈组件包括一个覆盖整个连接结构厚度的激励线圈和两个及以上沿着连接结构厚度方向分布的感应线圈组成的感应线圈阵列。线圈通过柔性电路印刷技术制作成柔性涡流传感器缠绕粘接在连接结构的螺杆上，线圈导线主体方向平行于螺杆周向。当连接结构出现孔边裂纹时，裂纹会改变结构中的涡流分布进而改变相应深度位置处感应线圈的感应电压，通过分析感应线圈阵列中各线圈的感应电压变化可对孔边裂纹深度的扩展实现定量化监测。

Description

柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法
技术领域
本发明涉及一种结构健康监测领域的涡流传感器及裂纹监测方法，尤其涉及一种柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法。
背景技术
连接结构是飞行器的重要承力结构，其中螺栓连接是飞行器连接结构的典型形式。连接结构由于载荷形式复杂、承载较大、孔边应力集中等原因易产生裂纹、分层、压溃等孔边损伤，严重影响结构承载和飞行器安全，对连接结构孔边损伤的监测也是无损检测和结构健康监测的重要研究内容。
涡流检测是常用的无损检测方法之一。传统的涡流检测方法将探头置于结构表面，对探头中的线圈施加交变电流，在结构表面浅层处产生涡流场；当结构表面或近表面出现损伤时，会对原有的涡流场产生干扰，具体体现在感应线圈的感应电压或感应电流产生变化，进而通过该变化表征结构是否发生损伤。传统的涡流检测方法可以对大面积结构进行详细地检测，但无法用于在线实时的结构健康监测。结构健康监测方面，参见文献“ChengD H S.The reflected impedance of a circular coil in the proximity of a semi-infinite medium[J].IEEE Transaction on Instrument and Measurement，1965，14(3)：107-116.”，空客公司在A320上采用ETFS(eddy current foil sensor)传感器对飞机结构进行损伤监测；参见文献“Zilberstein V,Walrath K,Grundy D,et al.MWM eddy-currentarrays for crack initiation and growth monitoring[J].International Journal ofFatigue,2003,25(9):1147-1155.”和“Zilberstein V,Grundy D,Weiss V,et al.Earlydetection and monitoring of fatigue in high strength steels with MWM-arrays[J].International Journal of Fatigue,2005,27(10):1644-1652.”，JENTEK公司研究了表面粘贴式MWM(Meandering winding magnetometer)线性阵列传感器和花萼型(Rosettes)传感器分别用于腐蚀和疲劳裂纹等损伤的监测；参见文献“He Y,Chen T,Du J,et al.Temperature-compensated rosette eddy current array sensor(TC-RECA)usinga novel temperature compensation method for quantitative monitoring crack inaluminum alloys[J].Smart Materials and Structures,2017,26(6):065019.”和“JiaoS,Cheng L,Li X,et al.Monitoring fatigue cracks of a metal structure using aneddy current sensor[J].EURASIP Journal on Wireless Communications andNetworking,2016,2016(1):188.”，在MWM传感器基础上，空军工程大学的何宇廷等发展了一种花萼型表面粘贴涡流传感器用于孔边裂纹的监测。以上几种传感器均属于表面粘贴式的涡流传感器。然而由于涡流的趋肤效应，表面粘贴式的涡流传感器和传统的涡流无损检测方法只可以检测薄板结构或厚板结构的近表面处的损伤，对厚板深处的损伤显得能力不足。
连接结构通常具有大厚度的特点，表面粘贴式传感器难以监测连接结构孔边较深处的损伤。为此，参见文献“Rakow A,Chang F K.A structural health monitoringfastener for tracking fatigue crack growth in bolted metallic joints[J].Structural Health Monitoring,2012,11(3):253-267.”，斯坦福大学的Rakow andChang提出了一种粘贴在螺栓螺杆周围的涡流传感器，可用于监测孔边裂纹的扩展，但裂纹沿连接结构厚度方向(以下称裂纹深度)和螺栓孔径向(以下称裂纹径向长度)的扩展均使得感应电压的差异增大，因此这种传感器无法区分和定量识别裂纹深度和径向长度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提出一种柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，本发明可单独识别出螺栓连接结构孔边裂纹深度方向的扩展，进而使得区分裂纹深度和径向长度成为可能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种柔性涡流阵列传感器，所述传感器通过柔性印刷电路板技术将导线打印在柔性薄膜上形成至少三个线圈组件；所述线圈组件包括一个覆盖整个连接结构厚度的激励线圈和两个及以上沿着连接结构厚度方向分布的感应线圈组成的感应线圈阵列。
优选的，所述激励线圈的导线在柔性薄膜上的走线方式为先按照矩形形状顺时针或是逆时针由外向内走线，印刷在柔性电路板一侧，至最中间处，穿过柔性电路板至另一侧，再向反方向由内向外走线直至最外端。
优选的，所述感应线圈的导线在柔性薄膜上的走线方式为先按照矩形形状顺时针或是逆时针由外向内走线，印刷在柔性电路板一侧，至最中间处，穿过柔性电路板至另一侧，再向反方向由内向外走线直至最外端。
优选的，感应线圈1至n的外部接线位置由内至外分布，不交叉，不留有空余空间；其中，n表示感应线圈阵列中感应线圈的个数。
优选的，所述感应线圈阵列根据需要分区域覆盖连接结构的厚度方向。
优选的，所述激励线圈与感应线圈层叠设置，并均相互绝缘。
一种柔性涡流阵列传感器监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，基于所述的柔性涡流阵列传感器，包括：
将所述柔性涡流阵列传感器卷绕并粘贴于螺杆上，且所述激励线圈和感应线圈走线的主体方向沿着螺栓的周向；
所述柔性涡流阵列传感器通过激励线圈输入高频交变电流，通过感应线圈阵列接收的感应电压定量分析孔边裂纹深度。
优选的，所述激励线圈和感应线圈制作成一个整体，其中，感应线圈个数n根据裂纹深度精度需求而定，其取值范围为2≤n≤nmax/2；其中，nmax表示激励线圈沿沿螺杆轴向的导线数目。
优选的，所述交变电流的频率与监测裂纹的精度和灵敏度有关，通常设置为100KHz至15MHz。
优选的，所述连接结构具有导电性，包含但不限于金属结构和碳纤维复合材料结构。
本发明的一种柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，通过柔性印刷电路板技术将导线打印在柔性薄膜上形成至少3个线圈组件，其中一个激励线圈覆盖整个连接结构厚度，至少两个感应线圈组成阵列沿着连接结构厚度方向分布；在使用式将柔性涡流阵列传感器卷绕并粘贴于螺杆上，且线圈走线的主体方向沿着螺栓的周向，通过激励线圈输入高频交变电流，通过感应线圈阵列接收的感应电压定量分析孔边裂纹深度。因此，本发明可单独识别出螺栓连接结构孔边裂纹深度方向的扩展，进而使得区分裂纹深度和径向长度成为可能。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明的激励线圈的正面和背面电路走线示意图；
图2为本发明的感应线圈的正面和背面电路走线示意图；
图3为本发明的柔性涡流阵列传感器空间结构及使用方法示意图；
图4为本发明的柔性涡流阵列传感器监测系统示意图；
图5为本发明的柔性涡流阵列传感器仿真模型简化示意图；
图6为本发明的柔性涡流阵列传感器仿真分析结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明一种柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法。
本实施例中，参见图3所示，柔性涡流阵列传感器由4层电路和5层柔性薄膜组成，其中第一层和第二层电路为激励线圈走线，第三层和第四层电路为感应线圈阵列走线，图3中，最上层和最下层薄膜未在图中标出。
如图1所示为激励线圈的导线绕行方式，在第2层薄膜的上下表面打印组成激励线圈的线路，其中薄膜上表面的导线由外向内逆时针呈近似矩形状排布，到中间时，将薄膜打孔，上下导线连通，薄膜下表面由打孔处由内而外与上表面排布方式类似。在薄膜上表面由外向内的导线起始处和下表面由内向外的导线终止处设置焊盘与外接电路相连。
如图2所示为以3个感应线圈为例的感应线圈阵列的导线排布示意图。感应线圈沿厚度方向均匀分布，每个感应线圈绕行方式与激励线圈类似，仅由于需要把外接电路焊盘安排在一个地方，在薄膜上表面由外向内的导线起始处和下表面由内向外的导线终止处安排了的导线排布有所区别。
如图3所示为柔性涡流阵列传感器空间结构及使用方法示意图，其中左图为柔性涡流阵列传感器的空间结构，所述激励线圈分布在第2层薄膜的两侧，所述感应线圈阵列分布在第4层薄膜两侧，第1层、第3层和第5层薄膜起绝缘作用；通过柔性电路印刷技术制作成为如图3中中间图所示的柔性涡流阵列传感器；将该传感器通过粘接剂固定在螺杆上，如图3右图所示，即可用于螺栓连接结构的孔边裂纹定量监测。
如图4为柔性涡流阵列传感器监测系统示意图，胶结涡流阵列传感器的螺栓用于固定连接结构。通过信号发生器向激励线圈施加交变电压，感应线圈阵列通过开关转换器接入示波器，使用开关转换器切换分别测量在同一激励线圈输入时各感应线圈的感应电压。
为了更好的理解柔性涡流阵列传感器可以监测裂纹深度，运用Ansoft Maxwell有限元软件仿真裂纹在不同深度时各感应线圈电压的变化。如图5所示为柔性涡流阵列传感器仿真模型简化示意图，方便起见，将有曲率的连接孔视作曲率趋近于0的平面，建立图5所示的模型。其中内侧为激励线圈，外侧为4个线圈(wind1、wind2、wind3和wind4)组成的感应线圈阵列，每个感应线圈高度2mm。被测材料为铝合金，裂纹由用沿着连接结构厚度方向的8块绝缘面表示，每块绝缘面高度1mm，每次增加一块绝缘面，两块绝缘面恰好覆盖一个感应线圈的高度。
如图6所示为仿真柔性涡流阵列传感器各感应线圈的感应电压的结果，从图6可以清晰发现，每个阵列线圈对其覆盖区域内的裂纹损伤敏感，当裂纹变化远离该覆盖区域，该阵列线圈的感应电压信号几乎无变化。该结果表明，本发明的柔性涡流阵列传感器可以区分出裂纹深度对涡流传感器感应电压的影响，进而能对裂纹深度和径向长度进行定量监测。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种柔性涡流阵列传感器及监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性涡流阵列传感器，其特点在于，所述传感器通过柔性印刷电路板技术将导线打印在柔性薄膜上形成至少三个线圈组件；所述线圈组件包括一个覆盖整个连接结构厚度的激励线圈和两个及以上沿着连接结构厚度方向分布的感应线圈组成的感应线圈阵列。
2.根据权利要求1所述的柔性涡流阵列传感器，其特征在于，所述激励线圈的导线在柔性薄膜上的走线方式为先按照矩形形状顺时针或是逆时针由外向内走线，印刷在柔性电路板一侧，至最中间处，穿过柔性电路板至另一侧，再向反方向由内向外走线直至最外端。
3.根据权利要求1所述的柔性涡流阵列传感器，其特征在于，所述感应线圈的导线在柔性薄膜上的走线方式为先按照矩形形状顺时针或是逆时针由外向内走线，印刷在柔性电路板一侧，至最中间处，穿过柔性电路板至另一侧，再向反方向由内向外走线直至最外端。
4.根据权利要求3所述的柔性涡流阵列传感器，其特征在于，感应线圈1至n的外部接线位置由内至外分布，不交叉，不留有空余空间；其中，n表示感应线圈阵列中感应线圈的个数。
5.根据权利要求1所述的柔性涡流阵列传感器，其特征在于，所述感应线圈阵列根据需要分区域覆盖连接结构的厚度方向。
6.根据权利要求1所述的柔性涡流阵列传感器，其特征在于，所述激励线圈与感应线圈层叠设置，并均相互绝缘。
7.一种柔性涡流阵列传感器监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，基于权利要求1至6中任一项权利要求所述的柔性涡流阵列传感器，其特点在于，包括：
将所述柔性涡流阵列传感器卷绕并粘贴于螺杆上，且所述激励线圈和感应线圈走线的主体方向沿着螺栓的周向；
所述柔性涡流阵列传感器通过激励线圈输入交变电流，通过感应线圈阵列接收的感应电压定量分析孔边裂纹深度。
8.根据权利要求7所述的柔性涡流阵列传感器监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，其特征在于，所述激励线圈和感应线圈制作成一个整体，其中，感应线圈个数n根据裂纹深度精度需求而定，其取值范围为2≤n≤nmax/2；其中，nmax表示激励线圈沿沿螺杆轴向的导线数目。
9.根据权利要求7所述的柔性涡流阵列传感器监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，其特征在于，所述交变电流的频率与监测裂纹的精度和灵敏度有关，通常设置为100KHz至15MHz。
10.根据权利要求7所述的柔性涡流阵列传感器监测螺栓连接结构孔边裂纹的方法，其特征在于，所述连接结构具有导电性，包括金属结构和碳纤维复合材料结构。
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