CN109030621A - 监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法 - Google Patents

监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法，所述传感器具体为一设置于一载体上的线圈组件，所述线圈组件包括一激励线圈及二维分布的感应线圈阵列；所述激励线圈至少由四个小激励线圈组合形成，所有所述的小激励线圈仅由一条导线绕成，所述小激励线圈阵列分布；所述感应线圈阵列至少由四个感应线圈组合形成；所述激励线圈设置于测试件的外侧面，所述感应线圈阵列设置于所述测试件的外侧面；所述激励线圈与感应线圈阵列层叠设置；所述激励线圈与感应线圈阵列之间绝缘设置；应用本技术方案可实现在识别出裂纹深度方向的扩展、区分裂纹深度和径向长度的同时，还能够识别出裂纹具体的周向位置。

Description

监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法
技术领域
本发明涉及传感监测领域，具体是指一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法。
背景技术
连接结构是机械领域使用非常广泛的组件，也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，所以对连接结构孔边损伤的监测也是无损监测和结构健康监测的重要研究内容。在飞行器飞行过程中实时、定量化监测连接结构孔边裂纹，进而实时准确评估连接结构剩余寿命，是保障飞行器结构安全、实现精准维修、降低运营成本的重要途径。然而，现有的传感器和监测技术的裂纹定量化监测能力不足，仅能识别描述裂纹的存在或部分描述裂纹参数，尚无法准确描述裂纹，因此难以对连接结构剩余寿命进行准确定量的评估。
改进现有的传感器技术及提升现有技术的裂纹定量化监测水平是实现飞行器结构在线评估的有效途径之一。电涡流监测技术是五大常规无损监测技术之一，具有速度快、成本低、无须接触试件等优点。传统的涡流监测方法是将探头置于结构表面，对探头中的线圈施加交变电流，线圈周围和连接结构内产生交变磁场，进而在结构表面浅层处产生涡流场，涡流的存在引起空间磁场的变化；当结构表面或近表面出现损伤时，会对原有的空间磁场产生干扰，具体体现在感应线圈的感应电压或阻抗产生变化，进而通过该变化表征结构是否发生损伤。传统的涡流监测方法可以对大面积结构进行快速高效地监测，但无法用于在线实时的结构健康监测。在螺栓连接结构的健康监测方面，空军工程大学的何宇廷等人发展了一种花萼型表面粘贴式涡流传感器，用于孔边裂纹的监测，该传感器属于表面粘贴式的涡流传感器，然而由于涡流的趋肤效应，该传感器和传统的涡流无损监测方法只可以监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。为此，斯坦福大学的Rakow and Chang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，但是无法做到定量识别裂纹沿着厚度方向或螺栓径向的扩展。
为实现定量监测裂纹，厦门大学的孙虎等人设计了一种粘贴在螺杆上的柔性涡流阵列传感器，该传感器具有多个感应线圈组成阵列，并沿着深度方向依次覆盖整个连接结构厚度，当裂纹沿着深度方向扩展时，裂纹相应位置的感应线圈的感应电压值会发生变化，而其它感应线圈的感应电压值几乎不受影响，因此可以定量监测孔边裂纹沿着深度方向的扩展。但是在该设计中，由于走线方式问题，激励线圈产生的磁场会抑制感应线圈感应电压的变化，造成监测准确度、灵敏度不足；同样的裂纹扩展在孔边周向的位置不同时对感应线圈的影响相同，因此这种传感器也无法区分裂纹在孔边周向的具体位置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法，在识别出裂纹深度方向的扩展、区分裂纹深度和径向长度的同时，还能够识别出裂纹具体的周向位置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，所述传感器具体为一设置于一载体上的线圈组件，所述线圈组件包括一激励线圈及二维分布的感应线圈阵列；所述激励线圈至少由四个小激励线圈组合形成，所有所述的小激励线圈仅由一条导线绕成，所述小激励线圈阵列分布；所述感应线圈阵列至少由四个感应线圈组合形成，组成所述激励线圈的小激励线圈的数量与组成所述感应线圈阵列的感应线圈数量相同；所述激励线圈设置于测试件的外侧面，所述感应线圈阵列设置于所述测试件的外侧面；所述激励线圈与感应线圈阵列层叠设置；所述激励线圈与感应线圈阵列之间绝缘设置；所述测试件插入一测试孔内，监测所述测试孔的内壁裂纹；
所述激励线圈连接高频交变信号源，所述感应线圈阵列连接一数据采集装置，用于采集并输出所述感应线圈阵列接收的感应电压，以定量分析所述测试件裂纹的轴向深度和周向位置。
在一较佳的实施例中：组成所述感应线圈阵列的感应线圈个数为n×m；其中，n为感应线圈阵列沿着裂纹深度方向分布的层数，m为感应线圈阵列沿着裂纹深度方向分布的每一层中沿着周向分布的感应线圈个数；所述感应线圈个数根据裂纹深度精度需求而定，其取值范围为2≤n≤nmax/2，m≥2，nmax为小激励线圈沿所述测试件轴向的导线数目；组成所述激励线圈的小激励线圈与组成所述感应线圈阵列的感应线圈一一对应分布。
在一较佳的实施例中：所述小激励线圈具体由构成所述小激励线圈的导线在所述载体的一侧面按照矩形形状顺时针或是逆时针由外向内走线，直至该矩形的中心所在位置后，所述导线从该矩形的中心穿过至所述载体的另一侧面，再以顺时针或是逆时针方向由内向外走线直至该矩形的边源构成；绕成所述小激励线圈的导线制作成一个小激励线圈后继续以相同走线方式制作另一个小激励线圈，各个小激励线圈的走线方向都相同，即全为顺时针方向或全为逆时针方向；各个小激励线圈以阵列形式分布；构成所述激励线圈的导线的两端分别连接所述高频交变信号源。
在一较佳的实施例中：组成所述感应线圈阵列的感应线圈走线方式与所述小激励线圈相同；每个感应线圈以阵列形式排列；构成所述感应线圈的导线的两端分别集中设置于所述载体的某一位置并与所述数据采集装置电连接。
在一较佳的实施例中：所述激励线圈与感应线圈阵列之间设置有绝缘薄膜。
在一较佳的实施例中：所述高频交变信号源提供的交变电流的频率设置为100KHz至15MHz。
在一较佳的实施例中：所述测试件与所述测试孔连接的部位具有导电性。
本发明还提供了一种用于监测螺孔裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，采用了上述的二维涡流阵列传感器：所述测试件具体为一连接螺杆与测试件连接的部位，所述测试孔具体为螺孔，所述传感器具体监测所述连接螺杆所连接的螺孔的内壁裂纹；所述载体具体为一柔性薄膜；所述传感器的线圈组件的较长矩形边方向平行于连接螺杆的周向，且所述传感器卷绕并粘贴于所述连接螺杆与螺栓连接的部位上。
本发明还提供了一种监测螺孔内壁裂纹的方法，采用了所述的用于监测螺孔裂纹的柔性二维涡流阵列传感器：所述数据采集装置具体为示波器；所述感应线圈阵列与所述示波器之前还连接有一开关转换器，所述开关转换器分别与组成所述感应线圈阵列的感应线圈连接；所述高频交变电流源发送交变信号至所述激励线圈，切换所述开关转换器，使各个组成所述感应线圈阵列的感应线圈感应到的感应电压依次输入至所述示波器，测量同一激励线圈的信号输入时，各个感应线圈的感应电压。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供了一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法，将激励线圈与感应线圈叠加设置，通过对激励线圈施加交变信号使得感应线圈产生感应电压，然后分析感应线圈阵列中各个感应线圈的感应电压变化从而对孔边裂纹轴向深度的扩展和周向位置实现定量化监测，即在识别出螺杆的孔边裂纹深度方向的扩展、区分裂纹深度和径向长度的同时，还能够识别出裂纹在孔边的周向位置。
附图说明
图1为本发明优选实施例中监测裂纹的阵列传感器的小激励线圈正面及背面电路走线示意图；
图2为本发明优选实施例中监测裂纹的阵列传感器的激励线圈正面及背面电路走线示意图；
图3为本发明优选实施例中监测裂纹的阵列传感器的感应线圈阵列正面及背面电路走线示意图；
图4为本发明优选实施例中监测裂纹的阵列传感器整体结构爆炸侧视图；
图5为本发明优选实施例中监测裂纹的阵列传感器的使用状态示意图(一)；
图6为本发明优选实施例中监测裂纹的阵列传感器的使用状态示意图(二)。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种用于监测螺孔裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，采用了一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，所述传感器具体为一设置于一载体上的线圈组件1，所述线圈组件1包括激励线圈11及二维分布的感应线圈阵列12；所述激励线圈11至少由四个小激励线圈111组合形成，所有所述的小激励线圈仅由一条导线绕成，所述小激励线圈阵列分布；所述感应线圈阵列12至少由四个感应线圈组合形成，组成所述激励线圈的小激励线圈111的数量与组成所述感应线圈阵列12的感应线圈数量相同；所述激励线圈11设置于测试件的外侧面，所述感应线圈阵列12设置于所述测试件的外侧面；这里的测试件为连接螺杆3与螺栓4连接的部位，那么所述激励线圈11与所述感应线圈阵列12即设置于所述连接螺杆3与螺栓4连接的部位，所述测试件与所述测试孔连接的部位具有导电性，所述测试孔具体表示所述螺栓4的螺孔；所述激励线圈11与感应线圈阵列12叠加设置；所述激励线圈11与感应线圈阵列12之间绝缘设置，具体是由所述激励线圈11与感应线圈阵列12之间设置的柔性薄膜2实现所述激励线圈11与感应线圈阵列12之间的绝缘；所述测试件插入一测试孔内，检测所述测试孔的内壁裂纹；在本实施例中，测试孔具体为螺栓4的螺孔，所述传感器具体检测所述连接螺杆3所连接的螺栓4的螺孔的内壁裂纹；所述激励线圈11连接高频交变电流源5，所述感应线圈阵列12连接一数据采集装置6，用于采集及显示所述感应线圈阵列12接收的感应电压，以定量分析所述测试件裂纹的轴向深度和周向位置。
具体来说，参考图2至3，组成所述感应线圈阵列12的感应线圈个数为n×m；其中，n为感应线圈阵列12沿着裂纹深度方向分布的层数，m为感应线圈阵列12沿着裂纹深度方向分布的每一层中沿着周向分布的感应线圈个数；所述感应线圈个数根据裂纹深度精度需求而定，其取值范围为2≤n≤nmax/2，m≥2，nmax为小激励线圈111沿所述测试件轴向的导线数目；组成所述激励线圈11的小激励线圈111与组成所述感应线圈阵列12的感应线圈一一对应分布。在本实施例中，所述感应线圈阵列12是由3×3即9个感应线圈组合形成，所述激励线圈11是由3×3即9个小激励线圈111组合形成。
具体来说，所述载体为柔性薄膜2，参考图1，所述小激励线圈111具体由构成所述小激励线圈111的导线在所述载体的一侧面按照矩形形状顺时针或是逆时针由外向内走线，直至该矩形的中心所在位置后，所述导线从该矩形的中心穿过至所述载体的另一侧面，再以顺时针或是逆时针方向由内向外走线直至该矩形的边源构成；绕成所述小激励线圈的导线制作成一个小激励线圈后继续以相同走线方式制作另一个小激励线圈；为了使各个小激励线圈的电流方向相同，各个小激励线圈的走线方向都相同，即全为顺时针方向或全为逆时针方向；各个小激励线圈111以阵列形式排列；构成所述激励线圈11的导线的两端分别连接所述高频交变电流源5。组成所述感应线圈阵列12的感应线圈走线方式与所述小激励线圈111相同；每个感应线圈以阵列形式排列；为了方便连接所述数据采集装置6，构成所述感应线圈的导线的两端分别集中设置于所述载体的某一位置并与所述数据采集装置6电连接。如图4所示，本实施例的传感器由五层柔性薄膜与四层电路组成，设置于最外的第一层柔性薄膜与第五层柔性薄膜在图中未显示。激励线圈11具体为第二层柔性薄膜21的上表面及下表面分布的电路；在第二层柔性薄膜21的上表面及下表面通过柔性电路印刷技术形成所述小激励线圈111的线路从而形成所述激励线圈11。同样地，在第四层柔性薄膜22的上表面及下表面通过柔性电路印刷技术形成所述感应线圈的线路形成所述感应线圈阵列12。参考图5，所述传感器即所述线圈组件1的较长矩形边方向平行于连接螺杆3的周向，且所述传感器卷绕并粘贴于所述连接螺杆3与螺栓4连接的部位上。具体来说，所述高频交变电流源5提供的交变电流的频率设置为100KHz至15MHz。
以下介绍监测具体使用方法：参考图6，所述数据采集装置6具体为示波器；所述感应线圈阵列12与所述示波器之前还连接有一开关转换器7，所述开关转换器7分别与组成所述感应线圈阵列12的感应线圈连接；所述高频交变电流源5发送交变信号至所述激励线圈11，切换所述开关转换器7，使各个组成所述感应线圈阵列12的感应线圈感应到的感应电压依次通过连接于所述开关转换器7与示波器之间的信号处理器8，经过所述信号处理器8处理过后依次输入至所述示波器，测量同一激励线圈11的信号输入时，各个感应线圈的感应电压。通过设置小激励线圈111与感应线圈的一一对应，使得感应线圈感应感应电压更加精准，从而使得测量结果更加精确。
本发明提供了一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法，将小激励线圈111与感应线圈叠加设置，通过对小激励线圈111施加交变信号使得感应线圈产生感应电压，然后分析感应线圈阵列12中各个感应线圈的感应电压变化从而对孔边裂纹轴向深度的扩展和周向位置实现定量化监测，即在识别出螺杆的孔边裂纹深度方向的扩展、区分裂纹深度和径向长度的同时，还能够识别出裂纹在孔边的周向位置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，其特征在于：
所述传感器具体为一设置于一载体上的线圈组件，所述线圈组件包括一激励线圈及二维分布的感应线圈阵列；所述激励线圈至少由四个小激励线圈组合形成，所有所述的小激励线圈仅由一条导线绕成，所述小激励线圈阵列分布；所述感应线圈阵列至少由四个感应线圈组合形成，组成所述激励线圈的小激励线圈的数量与组成所述感应线圈阵列的感应线圈数量相同；所述激励线圈设置于测试件的外侧面，所述感应线圈阵列设置于所述测试件的外侧面；所述激励线圈与感应线圈阵列层叠设置；所述激励线圈与感应线圈阵列之间绝缘设置；所述测试件插入一测试孔内，监测所述测试孔的内壁裂纹；
所述激励线圈连接高频交变信号源，所述感应线圈阵列连接一数据采集装置，用于采集并输出所述感应线圈阵列接收的感应电压，以定量分析所述测试件裂纹的轴向深度和周向位置。
2.根据权利要求1所述的监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，其特征在于：组成所述感应线圈阵列的感应线圈个数为n×m；其中，n为感应线圈阵列沿着裂纹深度方向分布的层数，m为感应线圈阵列沿着裂纹深度方向分布的每一层中沿着周向分布的感应线圈个数；所述感应线圈个数根据裂纹深度精度需求而定，其取值范围为2≤n≤nmax/2，m≥2，nmax为小激励线圈沿所述测试件轴向的导线数目；组成所述激励线圈的小激励线圈与组成所述感应线圈阵列的感应线圈一一对应分布。
3.根据权利要求2所述的监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，其特征在于：所述小激励线圈具体由构成所述小激励线圈的导线在所述载体的一侧面按照矩形形状顺时针或是逆时针由外向内走线，直至该矩形的中心所在位置后，所述导线从该矩形的中心穿过至所述载体的另一侧面，再以顺时针或是逆时针方向由内向外走线直至该矩形的边源构成；绕成所述小激励线圈的导线制作成一个小激励线圈后继续以相同走线方式制作另一个小激励线圈，各个小激励线圈的走线方向都相同，即全为顺时针方向或全为逆时针方向；各个小激励线圈以阵列形式分布；构成所述激励线圈的导线的两端分别连接所述高频交变信号源。
4.根据权利要求3所述的监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，其特征在于：组成所述感应线圈阵列的感应线圈走线方式与所述小激励线圈相同；每个感应线圈以阵列形式排列；构成所述感应线圈的导线的两端分别集中设置于所述载体的某一位置并与所述数据采集装置电连接。
5.根据权利要求3所述的监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，其特征在于：所述激励线圈与感应线圈阵列之间设置有绝缘薄膜。
6.根据权利要求1所述的监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，其特征在于：所述高频交变信号源提供的交变电流的频率设置为100KHz至15MHz。
7.根据权利要求3所述的监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，其特征在于：所述测试件与所述测试孔连接的部位具有导电性。
8.一种用于监测螺孔裂纹的柔性二维涡流阵列传感器，其特征在于采用了上述权利要求1至7中任意一项所述的二维涡流阵列传感器：所述测试件具体为一连接螺杆与测试件连接的部位，所述测试孔具体为螺孔，所述传感器具体监测所述连接螺杆所连接的螺孔的内壁裂纹；所述载体具体为一柔性薄膜；所述传感器的线圈组件的较长矩形边方向平行于连接螺杆的周向，且所述传感器卷绕并粘贴于所述连接螺杆与螺栓连接的部位上。
9.一种监测螺孔内壁裂纹的方法，其特征在于采用了权利要求8所述的用于监测螺孔裂纹的柔性二维涡流阵列传感器：所述数据采集装置具体为示波器；所述感应线圈阵列与所述示波器之前还连接有一开关转换器，所述开关转换器分别与组成所述感应线圈阵列的感应线圈连接；所述高频交变电流源发送交变信号至所述激励线圈，切换所述开关转换器，使各个组成所述感应线圈阵列的感应线圈感应到的感应电压依次输入至所述示波器，测量同一激励线圈的信号输入时，各个感应线圈的感应电压。
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