CN109541018A - 一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜及其监测裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜及其监测裂纹的方法，用于监测螺栓连接结构孔边裂纹，包括至少一个激励线圈和至少三个感应线圈组成的交叉传感阵列，所述激励线圈和感应线圈组成的交叉传感阵列通过柔性印刷电路板技术将导线打印在柔性薄膜上制作成一个整体；所述激励线圈覆盖整个连接结构的孔壁，所述感应线圈组成沿着螺栓周向分布并具有交叉传感区域的感应线圈交叉传感阵列；所述感应线圈交叉传感阵列的感应线圈分布在两层薄膜的上下侧，所述两层薄膜叠在一起时感应线圈沿着一个方向依次交错分布构成交叉阵列。本发明的交叉阵列可以实现在任一周向位置具有相同的裂纹识别能力，不存在裂纹识别盲区。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构健康监测领域的涡流传感薄膜，尤其涉及一种定量监测螺栓连接结构孔边裂纹的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜(Circumference-crossing EddyCurrent Array Sensing Film,CECAS)，以及通过所述柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜监测螺栓连接结构裂纹的方法。
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。螺栓连接结构具有承载力强、可靠性高、拆卸维修方便等优点，通常设计为承受大而复杂的载荷，存在应力集中现象，因此易产生裂纹、分层、压溃等孔边损伤，严重影响结构承载和飞行器安全。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。目前针对连接结构裂纹的监测技术仅能实现对裂纹部分参数的识别，无法定量化监测，因此难以对连接结构寿命进行准确的评估。
改进现有的在线监测技术、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。电涡流无损检测技术是五大常规无损检测技术之一，具有速度快、成本低、非接触等优点。传统的涡流无损检测方法是将检测探头置于待测结构表面，探头中通入交变激励信号，在探头周围激发出交变磁场，待测结构在交变磁场的作用下在内部产生涡流，涡流产生方向与原磁场反向的磁场，在空间中形成合磁场；当结构表面或近表面出现损伤时，涡流将会扰动，进而导致合磁场的变化，检测线圈在合磁场的作用下其参数产生变化，通过其参数的变化来表征结构是否发生损伤。传统的涡流无损监测方法可以对大面积结构进行快速高效的检测，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，参见文献“He Y,Chen T,Du J,et al.Temperature-compensatedrosette eddy current array sensor(TC-RECA)using a novel temperaturecompensation method for quantitative monitoring crack in aluminumalloys.Smart Materials and Structures,2017,26(6):065019.”和“Jiao S,Cheng L,LiX,et al.Monitoring fatigue cracks of a metal structure using an eddy currentsensor[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2016,2016(1):188.”，空军工程大学的何宇廷等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，仅能检测薄板结构或者厚板结构的近表面处的损伤，缺乏对于深层损伤的检测能力。参见文献“A new rosette-like eddycurrent array sensor with high sensitivity for fatigue defect around bolthole in SHM[J].NDT and E International 94(2018)70–78.”，北京理工大学的陈国龙等人在此基础上对线圈的构型进行了优化设计，并改进了激励方式，提高了传感器的灵敏度，但没有从本质上提高对深层裂纹的检测能力。参见文献“Rakow A,Chang F K.Astructural health monitoring fastener for tracking fatigue crack growth inbolted metallic joints.Structural Health Monitoring,2012,11(3):253-267.”，斯坦福大学的Rakow and Chang提出了一种粘贴在螺栓螺杆外表面的涡流传感器，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。
参见文献“Sun H,Shao J,Wang Y,Qing X.Quantitative monitoring of hole-edge damage growth using eddy current array sensor-based intelligentbolt.Proc.SPIE 10600,Health Monitoring of Structural and Biological SystemsXII,1060005(27March 2018),doi:10.1117/12.2299272.”，以及申请号CN201710866543.5，名称“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”的中国发明专利，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，可以定量监测孔边裂纹沿着深度方向的扩展，但是无法识别线圈相邻处的裂纹。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜及其监测裂纹的方法，在识别出螺栓连接结构孔边裂纹深度扩展与周向位置的同时，通过设计的交叉阵列可以实现在任一周向位置具有相同的裂纹识别能力，不存在裂纹识别盲区。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一方面，本发明一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，用于监测螺栓连接结构孔边裂纹，包括至少一个激励线圈和至少三个感应线圈组成的交叉传感阵列，所述激励线圈和感应线圈组成的交叉传感阵列通过柔性印刷电路板技术将导线打印在柔性薄膜上制作成一个整体；其中，所述激励线圈覆盖整个连接结构的孔壁，所述感应线圈组成沿着螺栓周向分布并具有交叉传感区域的感应线圈交叉传感阵列；所述感应线圈交叉传感阵列的感应线圈分布在两层薄膜的上下侧，所述两层薄膜叠在一起时感应线圈沿着一个方向依次交错分布构成交叉阵列。各个线圈通过柔性电路印刷技术以一定的排布方式制作成柔性涡流传感薄膜，将传感薄膜与螺栓周长等长的一边平行于螺栓周向卷绕并粘接固定在螺杆上。在激励线圈上通入交变信号，使螺栓连接结构中产生涡流，当结构中出现裂纹时，裂纹将引起涡流绕行路径的改变以及感应线圈交叉传感阵列对应的各个区域中合磁场的变化，感应线圈交叉阵列各线圈以感应电压的形式反应线圈对应区域磁场的变化，通过分析感应线圈交叉阵列各线圈感应电压实现对裂纹周向位置以及裂纹轴向深度的定量化监测
根据权利要求1所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，其特征在于，所述激励线圈由m个线圈构成；所述感应线圈交叉传感阵列由m×n个打印在a层薄膜上下侧的线圈与m×(n-1)个b层薄膜上下两侧的线圈沿着螺栓周向分布共同构成；其中，m为沿着螺栓轴向分布的层数，n为感应线圈沿着周向分布的线圈个数，取值范围为m≥1以及n≥2。
优选的，构成激励线圈的m个线圈沿着螺栓轴向阵列分布，所述m个线圈中的每一个空间结构为双矩形结构，导线在柔性薄膜上一侧按照矩形形状以顺时针方向或逆时针方向由外向内走线，不交叉，不留有空余空间，满足预设的线宽与线间距要求，在矩形中心处从薄膜穿孔走线至另一侧，再反方向由内向外走线直至两侧矩形尺寸相同，最终印刷在薄膜两侧。
优选的，m×n个线圈中的每个线圈的空间结构为双矩形结构，导线在柔性薄膜上一侧按照矩形形状以顺时针方向或逆时针方向由外向内走线，不交叉，不留有空余空间，满足预设的线宽与线间距要求，在矩形中心处从薄膜穿孔走线至另一侧，再反方向由内向外走线直至两侧矩形尺寸相同，最终印刷在a层薄膜两侧；m排中每一排线圈沿周向分布，n个感应线圈之间不留有空余空间，所覆盖区域与激励线圈覆盖区域大小一致；
m×(n-1)个线圈中的每个线圈的空间结构为双矩形结构，导线在柔性薄膜上一侧按照矩形形状以顺时针方向或逆时针方向由外向内走线，不交叉，不留有空余空间，满足预设的线宽与线间距要求，在矩形中心处从薄膜穿孔走线至另一侧，再反方向由内向外走线直至两侧矩形尺寸相同，最终印刷在b层薄膜两侧；m排中每一排线圈沿周向分布，n-1个感应线圈之间不留有空余空间，第一个线圈的导线起始位置在a层薄膜上第一个矩形线圈的中心线上，并与其导线起始位置同高。
优选的，所述激励线圈与感应线圈的交叉阵列层叠设置，并相互绝缘；所述感应线圈的交叉阵列a层薄膜与b层薄膜之间相互绝缘。
优选的，所述连接结构具有一定大小的电导率；包括金属结构和碳纤维复合材料结构。
优选的，所述传感薄膜一边与螺栓周长等长。
另一方面，本发明一种监测连接结构孔边裂纹的方法，基于所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，包括：
将所述柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜沿着与螺栓周长等长边平行于螺栓周向卷绕并粘贴在螺杆上；
所述激励线圈连接交变信号，所述感应线圈的交叉阵列连接一数据采集装置，用于采集并输出所述感应线圈的交叉阵列接收的感应电压，以定量分析所述连接结构裂纹的轴向深度和周向位置。
优选的，所述数据采集装置具体为示波器；所述感应线圈的交叉阵列与所述示波器之间还连接有一开关转换器，与感应线圈交叉阵列中的感应线圈连接；所述交变信号源为函数发生器；所述函数发生器产生的交变信号接入所述激励线圈；切换所述开关转换器，使感应线圈交叉阵列中的感应线圈电压值依次传输至示波器，通过分析同一激励下各个感应线圈的感应电压对裂纹定量分析。
优选的，所述交变信号频率范围为100KHz至15MHz。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，用于监测螺栓连接结构孔边裂纹，包括至少一个激励线圈和至少三个感应线圈组成的交叉传感阵列，所述激励线圈和感应线圈组成的交叉传感阵列通过柔性印刷电路板技术将导线打印在柔性薄膜上制作成一个整体；其中，所述激励线圈覆盖整个连接结构的孔壁，所述感应线圈组成沿着螺栓周向分布并具有交叉传感区域的感应线圈交叉传感阵列；所述感应线圈交叉传感阵列的感应线圈分布在两层薄膜的上下侧，所述两层薄膜叠在一起时感应线圈沿着一个方向依次交错分布构成交叉阵列；基于感应线圈的交叉阵列，能够识别处裂纹沿着深度方向的扩展，特别是在识别裂纹周向位置上表现优异，能够对不同周向位置的尺寸相同的裂纹具有相同的识别能力，不存在周向位置识别盲区；
(2)本发明一种监测裂纹的方法，在激励线圈上通入交变信号后，螺栓连接结构中产生涡流，当结构中出现裂纹时，裂纹将引起涡流绕行路径的改变以及感应线圈交叉传感阵列对应的各个区域中合磁场的变化，感应线圈交叉阵列各线圈以感应电压的形式反应线圈对应区域磁场的变化，通过分析感应线圈交叉阵列各线圈感应电压实现对裂纹周向位置以及裂纹轴向深度的定量化监测。
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周向交叉阵列涡流传感薄膜及其监测裂纹的方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜的空间结构；
图2为本发明的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜的激励线圈分布示意图；
图3为本发明的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜的分布示意图；
图4为本发明的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜的装配示意图；
图5为本发明的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜监测螺栓连接结构孔边裂纹的示意图；
图6为本发明的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜仿真监测结果图。
具体实施方式
以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述和讨论。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜包括6层电路和7层柔性薄膜，其中，第一、第二、第三和第四层电路为感应线圈交叉阵列，第五层电路和第六层电路为激励线圈走线，具体参见图1所示，附图中，只标出了五层柔性薄膜，最上层薄膜与最下层薄膜未标出。
参见图2所示给出了m＝3的激励线圈分布示意图。所述激励线圈沿着螺栓轴向均匀分布，每个激励线圈在柔性薄膜上一侧按照矩形形状以顺时针方向或逆时针方向由外向内走线，不交叉，不留有空余空间，满足预设的线宽与线间距要求，在矩形中心处从薄膜穿孔走线至另一侧，再反方向由内向外走线直至两侧矩形尺寸相同，最终印刷在薄膜两侧。为了方便连接外部电路，需要将每一个线圈的末端集中在一个区域，如图所示。
参见图3所示给出了m＝3,n＝3的感应线圈交叉阵列分布示意图。感应线圈交叉阵列沿着螺栓轴向分布3排，每一排感应线圈分布方式相同，其中3个感应线圈打印在a层薄膜的两侧，并沿着周向分布，每个感应线圈的空间结构为双矩形结构，其走线方式与激励线圈走线方式相同，所覆盖区域与激励线圈覆盖区域大小一致；其中2个感应线圈打印在b层薄膜的两侧，第一个感应线圈的导线起始位置在a层薄膜上第一个矩形线圈的中心线上，并与其导线起始位置同高，分布方式与a层薄膜感应线圈分布方式相同。
参见图4所示为柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜的装配示意图，所述柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜与螺栓周长等长的一边平行于螺栓周向卷绕并粘接固定在螺杆上，将粘贴有所述传感薄膜的螺杆放入连接结构中来监测连接结构的损伤。
参见图5所示为柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜的监测示意图，所述柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜在装配好后，将激励线圈与感应线圈交叉阵列分别引出至外部电路，所述外部电路主要为一开关转换器，激励线圈与信号发生器连接，感应线圈交叉阵列经过开关转换器与示波器连接。所述传感薄膜具体使用方法为：信号发生器向激励线圈中通入交变信号，切换开关转换器，使感应线圈交叉阵列中的各个感应线圈的感应电压分别输送至示波器，测量并分析各个感应线圈的感应电压值，进而判断连接结构的损伤情况。
本设计中采用特殊的感应线圈交叉阵列，确保在任意两个左右相邻线圈交界处都存在一个与其交错的感应线圈，进而确保相邻处存在与裂纹方向呈90°的导线，同时激励线圈选用每排只有一个线圈的设计，确保了连接结构中处处存在与裂纹方向呈90°的涡流。
图6中通过仿真结果说明了本发明CECAS对于不同周向位置裂纹的监测能力。通过Ansoft Maxwell仿真软件，设置不同周向位置的裂纹，对其进行仿真。参见图6(a)所示为仿真中裂纹的位置变化，仿真模型中设置有线圈A与线圈B，裂纹设置在线圈A与线圈B所对应的连接结构区域上，随着裂纹从起始位置逐渐移动至终点位置，本发明中选取交叉重叠的线圈A与线圈B的感应电压值共同表征结构裂纹，并取其平均值作为结果输出。参见图6(b)所示，当裂纹位置变化时，可以看出其表征值几乎没有变化，说明了该传感薄膜对于不同周向位置的裂纹具有相同的监测能力。
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，用于监测螺栓连接结构孔边裂纹，其特征在于，包括至少一个激励线圈和至少三个感应线圈组成的交叉传感阵列，所述激励线圈和感应线圈组成的交叉传感阵列通过柔性印刷电路板技术将导线打印在柔性薄膜上制作成一个整体；其中，所述激励线圈覆盖整个连接结构的孔壁，所述感应线圈组成沿着螺栓周向分布并具有交叉传感区域的感应线圈交叉传感阵列；所述感应线圈交叉传感阵列的感应线圈分布在两层薄膜的上下侧，所述两层薄膜叠在一起时感应线圈沿着一个方向依次交错分布构成交叉阵列。
2.根据权利要求1所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，其特征在于，所述激励线圈由m个线圈构成；所述感应线圈交叉传感阵列由m×n个打印在a层薄膜上下侧的线圈与m×(n-1)个b层薄膜上下两侧的线圈沿着螺栓周向分布共同构成；其中，m为沿着螺栓轴向分布的层数，n为感应线圈沿着周向分布的线圈个数，取值范围为m≥1以及n≥2。
3.根据权利要求2所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，其特征在于，构成激励线圈的m个线圈沿着螺栓轴向阵列分布，所述m个线圈中的每一个空间结构为双矩形结构，导线在柔性薄膜上一侧按照矩形形状以顺时针方向或逆时针方向由外向内走线，不交叉，不留有空余空间，满足预设的线宽与线间距要求，在矩形中心处从薄膜穿孔走线至另一侧，再反方向由内向外走线直至两侧矩形尺寸相同，最终印刷在薄膜两侧。
4.根据权利要求3所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，其特征在于，m×n个线圈中的每个线圈的空间结构为双矩形结构，导线在柔性薄膜上一侧按照矩形形状以顺时针方向或逆时针方向由外向内走线，不交叉，不留有空余空间，满足预设的线宽与线间距要求，在矩形中心处从薄膜穿孔走线至另一侧，再反方向由内向外走线直至两侧矩形尺寸相同，最终印刷在a层薄膜两侧；m排中每一排线圈沿周向分布，n个感应线圈之间不留有空余空间，所覆盖区域与激励线圈覆盖区域大小一致；
m×(n-1)个线圈中的每个线圈的空间结构为双矩形结构，导线在柔性薄膜上一侧按照矩形形状以顺时针方向或逆时针方向由外向内走线，不交叉，不留有空余空间，满足预设的线宽与线间距要求，在矩形中心处从薄膜穿孔走线至另一侧，再反方向由内向外走线直至两侧矩形尺寸相同，最终印刷在b层薄膜两侧；m排中每一排线圈沿周向分布，n-1个感应线圈之间不留有空余空间，第一个线圈的导线起始位置在a层薄膜上第一个矩形线圈的中心线上，并与其导线起始位置同高。
5.根据权利要求4所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，其特征在于，所述激励线圈与感应线圈的交叉阵列层叠设置，并相互绝缘；所述感应线圈的交叉阵列a层薄膜与b层薄膜之间相互绝缘。
6.根据权利要求1所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，其特征在于，所述连接结构具有一定大小的电导率；包括金属结构和碳纤维复合材料结构。
7.根据权利要求1所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，其特征在于，所述传感薄膜一边与螺栓周长等长。
8.一种监测连接结构孔边裂纹的方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项权利要求所述的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜，包括：
将所述柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜沿着与螺栓周长等长边平行于螺栓周向卷绕并粘贴在螺杆上；
所述激励线圈连接交变信号，所述感应线圈的交叉阵列连接一数据采集装置，用于采集并输出所述感应线圈的交叉阵列接收的感应电压，以定量分析所述连接结构裂纹的轴向深度和周向位置。
9.根据权利要求8所述的监测连接结构孔边裂纹的方法，其特征在于，所述数据采集装置具体为示波器；所述感应线圈的交叉阵列与所述示波器之间还连接有一开关转换器，与感应线圈交叉阵列中的感应线圈连接；所述交变信号源为函数发生器；所述函数发生器产生的交变信号接入所述激励线圈；切换所述开关转换器，使感应线圈交叉阵列中的感应线圈电压值依次传输至示波器，通过分析同一激励下各个感应线圈的感应电压对裂纹定量分析。
10.根据权利要求8所述的监测连接结构孔边裂纹的方法，其特征在于，所述交变信号频率范围为100KHz至15MHz。
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