CN112683999A - 基于磁阻元件的涡流阵列传感器及其裂纹定量监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁阻元件的涡流阵列传感器及其裂纹定量监测方法，包括激励线圈、基底、磁阻元件；基底底面印刷激励线圈，基底顶面上方设置成阵列方式排布的磁阻元件，基底顶面与磁阻元件的导线连接；将基于磁阻元件的涡流阵列传感器贴在具有裂纹的结构件表面上，激励线圈内通电产生激励电流，裂纹处产生扰动涡流，影响磁阻元件的输出电压信号，根据输出电压信号判断是否有裂纹产生以及裂纹的长度。本发明基于磁阻元件的涡流阵列传感器裂纹定量监测方法在用于原位监测时，既可以适用于结构表面的裂纹监测，也可以适用于结构内部的裂纹监测，同时还可以扩大监测范围，提高裂纹的定量监测效果，进一步提高结构健康监控的技术水平。

Description

基于磁阻元件的涡流阵列传感器及其裂纹定量监测方法

技术领域

本发明属于结构健康监控和无损监测技术领域，涉及基于磁阻元件的涡流阵列传感器及其裂纹定量监测方法。

背景技术

飞机作为重要的运输载体，在运输行业和军事领域发挥着极其重要的作用。然而飞机在使用过程中难免会受到极端载荷和环境的影响，极易造成飞机结构的损伤，如腐蚀、疲劳裂纹和冲击损伤等，这些都会对飞机的安全服役造成影响。飞机结构复杂，且有的部位进行监测难度较大，若对飞机进行全面监测，一方面会花费较大的人力和物力，另一方面再拆卸和安全过程中容易引入新的损伤。结构健康监控(SHM)技术通过在结构上布置各种类型的传感器来实时感知结构的状态(如：温度、应力、缺陷等)，然后对传感器数据进行处理、识别和判断，来诊断结构的健康状态。

整个结构健康监控(SHM)系统最基础也是最重要的就是传感器，传感器是否能够正确感知结构的健康状态关系到整个健康监测系统的精度。现阶段常用传感器有应变传感器、光纤传感器、比较真空传感器、lamb波传感器、柔性涡流阵列传感器和智能涂层传感器等。但是，应变传感器对结构进行监测时，对于微小裂纹不容易确定；光纤传感器和比较真空传感器安装不方便，尤其对于复杂结构，且只能监测结构表面裂纹；lamb波传感器在使用过程中需要安装压电传感器，适用于大的平板结构，不适用于复杂的小型结构；智能涂层传感器制备工艺较为复杂，在外场进行镀膜难度较大。

涡流传感器，尤其是柔性涡流阵列传感器，作为一种传统的无损监测传感器，具有灵敏度高、安装方便、成本低等优势，在结构健康监控技术领域具有广泛的应用前景，获得了众多研究者的青睐。常规的涡流传感器用于深层裂纹的监测时，激励频率较低，为了提高信噪比，感应线圈和激励线圈的匝数较多，因此造成涡流传感器的体积较大，同时，常规的涡流传感器用于原位监测时，虽然可以通过移动测量来监测裂纹的长度，但是由于一般只有一个感应通道或感应单元，感应通道单一，不能实现对裂纹的定量监测。而柔性涡流阵列传感器虽然具有多个感应通道，可以对裂纹进行定量监测，但是由于激励线圈和感应线圈的匝数较少，为了提高传感器的信噪比，一般采用的激励频率较高，只适用于结构表面的裂纹监测，且通道数较多，不利于对大范围区域进行监测，同时无法对结构内部的裂纹进行监测。

综合上述，针对现有的涡流传感器特别是柔性涡流阵列传感器用于原位监测时，只适用于结构表面的裂纹监测，无法对结构内部的裂纹进行监测的问题，同时不利于对大范围区域进行监测，以及不利于裂纹的定量监测效果，需要提供一种新型涡流阵列传感器，在用于原位监测时，既可以适用于结构表面的裂纹监测，也可以适用于结构内部的裂纹监测，同时还可以扩大监测范围，提高裂纹的定量监测效果，进一步提高结构健康监控的技术水平。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供基于磁阻元件的涡流阵列传感器裂纹定量监测方法，在用于原位监测时，既可以适用于结构表面的裂纹监测，也可以适用于结构内部的裂纹监测，同时还可以扩大监测范围，提高裂纹的定量监测效果，进一步提高结构健康监控的技术水平，解决了现有技术中存在的现有涡流传感器特别是柔性涡流阵列传感器用于原位监测时，只适用于结构表面的裂纹监测，无法对结构内部的裂纹进行监测的问题，同时不利于对大范围区域进行监测，以及不利于裂纹的定量监测效果问题。

本发明所采用的技术方案是，基于磁阻元件的涡流阵列传感器，包括激励线圈、基底、磁阻元件；基底底面印刷激励线圈，基底顶面上方设置成阵列方式排布的磁阻元件，基底顶面与磁阻元件的导线连接；其中，基底包括柔性基底或电木板；磁阻元件包括霍尔传感器、GMR传感器、TMR传感器中的任一种。

进一步地，阵列方式包括矩形矩阵或环形矩阵。

更进一步地，基底为柔性基底，磁阻元件为TMR传感器。

更进一步地，阵列方式为矩形矩阵时，柔性基底底面印刷激励线圈，柔性基底顶面上方设置成矩形阵列方式排布的TMR传感器，柔性基底顶面与TMR传感器的导线连接；激励线圈为一圈直角蜿蜒折线，沿y轴方向分为6个激励线圈线段，即激励线圈1～激励线圈6；位于激励线圈4的正上方沿y轴方向均匀排布三个呈一列的TMR传感器阵列。

本发明的另一发明目的，在于提供一种采用上述基于磁阻元件的涡流阵列传感器的裂纹定量测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、将基于磁阻元件的涡流阵列传感器贴在具有裂纹的结构件表面上，将激励线圈的y轴与裂纹扩展方向垂直；

步骤S2、激励线圈内通电产生激励电流，试验件表面或内部产生与激励电流流动方向相反的涡流，分别用EC_i表示，其中i＝1,2…6，裂纹处产生扰动涡流，扰动涡流产生扰动磁场，进而影响磁阻元件所在位置的磁感应强度，进而影响磁阻元件的输出电压信号，根据输出电压信号计算跨阻抗幅值变化率曲线和相位变化量曲线，判断是否有裂纹产生以及裂纹的长度。

进一步地，步骤S2中，裂纹的长度的判断方法为：根据跨阻抗幅值变化率曲线和相位变化量曲线中的特征点个数，以下式判断裂纹的长度：

裂纹长度＝激励线圈间距×(特征点个数-1)。

进一步地，步骤S2中，扰动磁场的计算方法，具体为：

以扰动涡流的流动方向为+x轴方向，涡流的流动方向为+y轴方向，x轴和y轴交点为o，垂直于xoy平面的方向为z轴方向，空间中沿着x轴正方向流动的一扰动涡流在x轴上的起始点为x₁，终点为x₂，在y轴的分量为w，在空间中测试点P产生的磁感应强度

根据毕奥-萨伐尔定律得到，如下式所示：

式中，μ₀表示真空中的磁导率，为4π×10^-7H/m；I表示激励电流，单位是安培；x′表示x轴线单元的坐标，单位是米；R表示x轴线单元到测试点P之间的距离，单位是米；z表示测试点P的z轴坐标，单位是米；y表示测试点P的y轴坐标，单位是米；w表示长度为L的扰动涡流到x轴的距离，单位是米；

表示y轴方向的单位向量；

表示z轴方向的单位向量；R′表示沿x轴负方向流动的扰动涡流的线单元与测试点P之间的间距，单位是米；

表示在y＝w处沿x轴正方向流动的扰动涡流在测试点P处产生的磁感应强度；

表示在y＝-w处沿x轴负方向流动的扰动涡流在测试点P处产生的磁感应强度。

进一步地，步骤S2中，激励线圈的激励频率影响磁阻元件的涡流阵列传感器的磁场穿透深度δ，根据下式计算得到磁场穿透深度δ：

式中，Re表示实部，k＝2π/λ，λ表示磁阻元件空间波长，λ等于激励线圈间距的2倍；j表示虚数，ω表示激励电流角频率，σ表示被测试验件的电导率，μ表示被测试验件的磁导率，f表示激励频率。

更进一步地，激励频率为1Hz～5Hz。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于磁阻元件的涡流阵列传感器优选采用柔性印刷技术，使传感器具有柔性可弯曲的特点，适用于对复杂结构表面进行裂纹监测；本发明通过采用磁阻元件代替原有传感器的感应线圈，减少了感应通道的数量，扩大了传感器裂纹监测范围，通过测量扰动涡流形成的扰动磁场的y轴分量来实现裂纹的定量监测；由于磁阻元件的输出信号幅值不受激励频率的影响，因此本发明通过降低激励频率和增大传感器的空间波长提高了裂纹的监测深度，改善了裂纹定量监测效果。

(2)本发明提出了两种激励布局的基于磁阻元件的涡流阵列传感器，包括矩形激励布局和环形激励布局，矩形激励布局传感器主要应用于一般曲面或平面结构的裂纹(包括内部和表面裂纹)的定量监测，而环形激励布局的传感器主要用于螺栓结构的孔边的裂纹(包括螺栓孔外表面和内表面)的定量监测。

(3)本发明监测裂纹的方法在用于结构健康监控(SHM)时，可以对飞机结构产生的裂纹进行原位快速无损监测，视裂纹发展情况决定是否需要维修、何时需要维修，降低维修成本的同时提高飞机维修效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有柔性涡流阵列传感器和本发明基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器的结构示意图；图1中的a是现有柔性涡流阵列传感器的结构示意图；图1中的b是本发明基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器的结构示意图。

图2是本发明当裂纹穿过激励线圈下方时，产生的扰动涡流示意图。

图3是本发明线电流在二维空间中产生的磁场。

图4是本发明线电流在三维空间中的磁场。

图5是本发明实验系统连接方式。

图6是本发明传感器输出随外加磁场强度变化(外加磁场±30Oe、±200Oe，激励电源1V)的典型曲线。

图7是本发明激励频率为1KHz时各个感应通道对表面裂纹的定量监测；图7中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图7中的b表示感应通道1的相位变化量；图7中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图7中的d表示感应通道2的相位变化量；图7中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图7中的f表示感应通道3的相位变化量。

图8是本发明激励频率为2KHz时各个感应通道对表面裂纹的定量监测；图8中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图8中的b表示感应通道1的相位变化量；图8中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图8中的d表示感应通道2的相位变化量；图8中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图8中的f表示感应通道3的相位变化量。

图9是本发明激励频率为3KHz时各个感应通道对表面裂纹的定量监测；图9中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图9中的b表示感应通道1的相位变化量；图9中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图9中的d表示感应通道2的相位变化量；图9中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图9中的f表示感应通道3的相位变化量。

图10是本发明励频率为4KHz时各个感应通道对表面裂纹的定量监测；图10中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图10中的b表示感应通道1的相位变化量；图10中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图10中的d表示感应通道2的相位变化量；图10中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图10中的f表示感应通道3的相位变化量。

图11是本发明激励频率为5KHz时各个感应通道对表面裂纹的定量监测；图11中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图11中的b表示感应通道1的相位变化量；图11中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图11中的d表示感应通道2的相位变化量；图11中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图11中的f表示感应通道3的相位变化量。

图12是本发明激励频率为1KHz时各个感应通道对2mm深裂纹的定量监测；图12中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图12中的b表示感应通道1的相位变化量；图12中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图12中的d表示感应通道2的相位变化量；图12中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图12中的f表示感应通道3的相位变化量。

图13是本发明激励频率为2KHz时各个感应通道对2mm深裂纹的定量监测；图13中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图13中的b表示感应通道1的相位变化量；图13中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图13中的d表示感应通道2的相位变化量；图13中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图13中的f表示感应通道3的相位变化量。

图14是本发明激励频率为3KHz时各个感应通道对2mm深裂纹的定量监测；图14中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图14中的b表示感应通道1的相位变化量；图14中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图14中的d表示感应通道2的相位变化量；图14中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图14中的f表示感应通道3的相位变化量。

图15是本发明激励频率为4KHz时各个感应通道对2mm深裂纹的定量监测；图15中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图15中的b表示感应通道1的相位变化量；图15中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图15中的d表示感应通道2的相位变化量；图15中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图15中的f表示感应通道3的相位变化量。

图16是本发明激励频率为5KHz时各个感应通道对2mm深裂纹的定量监测；图16中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率；图16中的b表示感应通道1的相位变化量；图16中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率；图16中的d表示感应通道2的相位变化量；图16中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率；图16中的f表示感应通道3的相位变化量。

图17是本发明基于TMR传感器的环形柔性涡流阵列传感器示意图。

图18是本发明趋肤深度随激励频率和空间波长变化趋势图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明发明方案的描述中，需要理解的是，术语“下方”、“向左”、“上方”、“向里”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明从简化传感器感应单元数量以及提高裂纹定量无损监测水平的角度出发，提出了一种基于磁阻元件的涡流阵列传感器及其裂纹定量监测方法，包括激励线圈、基底、磁阻元件；基底底面印刷激励线圈，基底顶面上方设置成阵列方式排布的磁阻元件，基底顶面与磁阻元件的导线连接；其中，基底包括柔性基底或电木板；磁阻元件包括霍尔传感器、GMR传感器、TMR传感器中的任一种；阵列方式包括矩形矩阵或环形矩阵，根据不同的应用场景选择构建。其中，特别是基于TMR传感器的柔性涡流阵列传感器在金属等导电材料表层和内部裂纹的定量无损监测方面具有良好效果。

本发明的激励线圈优选采用柔性印刷技术印在柔性基材上，这种方式成本较高，若结构表面比较平滑，从提高经济性的角度出发，也可以将激励线圈印制在比较薄的电木板上。

本发明基于磁阻元件的矩形涡流阵列传感器适用于原位监测多层平板结构的表面和内部裂纹，可获得比常用圆柱形传感器更大的监测范围。基于磁阻元件的环形涡流阵列传感器采用环形激励布局，不仅可以监测表面裂纹，也可以用于监测螺栓孔边内测裂纹。

结构健康监控(SHM)技术中，通过安装在飞机结构上的传感器采集关于飞机状态的数据，如振动、温度、应力、是否有缺陷等相关数据，通过信号处理和损伤识别算法来判断飞机结构健康状态，然后建立结构的有限元模型，分析在施加载荷的作用下，结构应力最大的部位，结合该部位材料的疲劳强度来判断该部位是否为危险部位即容易产生裂纹的部位，若该部位材料的疲劳强度大于最大应力，则不是危险部位；若该部位的疲劳强度小于最大应力，则该部位是危险部位，裂纹扩展方向与最大应力方向垂直，确定飞机结构产生的裂纹的扩展方向，然后应用本发明基于磁阻元件的涡流阵列传感器用于原位裂纹监测，在安装传感器时候，将激励线圈的y轴与裂纹扩展方向垂直，裂纹的扩展必然产生一个y轴的扰动磁场；本发明基于基于磁阻元件的涡流阵列传感器对很微弱的磁场都有感应，如果信号不强，可以通过增大激励电流的方法来实现。

与传统的柔性涡流阵列传感器有所不同，本发明基于磁阻元件的涡流阵列传感器通过采用磁阻元件替代了原有的感应线圈，通过金属等导电材料表层和内部的裂纹造成的扰动涡流的y轴分量可以原位监测裂纹是否产生，以及测量裂纹扩展的长度，既可以定量监测表面裂纹的长度也可以监测内部裂纹的长度，这种原位监测裂纹的方法在用于结构健康监控(SHM)时，可以对飞机结构产生的裂纹进行原位快速无损监测，视裂纹发展情况决定是否需要维修、何时需要维修，降低维修成本的同时提高飞机维修效率。

基于磁阻元件的涡流阵列传感器通过磁阻元件直接感应磁场的变化，把磁场的变化转化为输出电压的变化，通过输出的电压计算得到跨阻抗幅值Z_T和相位θ，进而计算出跨阻抗幅值的变化率A_R和相位的变化量Δθ。每一个磁阻元件有各自的输出电压信号。磁阻元件中，尤其是TMR传感器具有较宽的工作频率，从DC～1MHz，因此，相对于传统的柔性涡流传感器，将感应线圈替换成磁阻元件不会影响传感器的输出特性。

上段中，跨阻抗幅值Z_T的计算公式为：

式(1)中，V_i为传感器输出电压幅值，I_e为激励电流幅值。

跨阻抗幅值的变化率A_R的计算公式为：

式(2)中，Z_T2为不同时刻的跨阻抗幅值，Z_T1为初始时刻的跨阻抗幅值。

相位的变化量Δθ的计算公式为：Δθ＝θ₂-θ₁ (3)；

式(3)中，θ₂为任意时刻下激励电流和传感器输出电压的相位差，θ₁为初始时刻下激励电流和传感器输出电压的相位差。

本发明基于磁阻元件的涡流阵列传感器的裂纹定量测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、将基于磁阻元件的涡流阵列传感器贴在具有裂纹的结构件表面上，将激励线圈的y轴与裂纹扩展方向垂直；

步骤S2、激励线圈内通电产生激励电流，试验件表面或内部产生与激励电流流动方向相反的涡流，分别用EC_i表示，其中i＝1,2…6，裂纹处产生扰动涡流，扰动涡流产生扰动磁场，进而影响磁阻元件所在位置的磁感应强度，进而影响磁阻元件的输出电压信号，根据输出电压信号计算跨阻抗幅值变化率曲线和相位变化量曲线，判断是否有裂纹产生以及裂纹的长度；其中，裂纹的长度的判断方法为：根据跨阻抗幅值变化率曲线和相位变化量曲线中的特征点个数，以下述公式判断裂纹的长度：裂纹长度＝激励线圈间距×(特征点个数-1)。

实施例1

一种基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器：

1.1、基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器的构建：

如图1所示，基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器包括激励线圈、柔性基底、TMR传感器；柔性基底底面印刷激励线圈，柔性基底顶面上方设置TMR传感器，柔性基底顶面与TMR传感器的导线连接；激励线圈为一圈直角蜿蜒折线，沿y轴方向分为6个激励线圈线段，即激励线圈1～激励线圈6；激励线圈的厚度为0.08mm；位于激励线圈的正上方沿y轴方向均匀排布TMR传感器阵列，本方案具体在激励线圈4的正上方沿y轴方向均匀排布三个呈一列的TMR传感器，为了提高裂纹监测范围，可以根据情况增加TMR传感器的列数以及每列TMR传感器的数量；三个呈一列的TMR传感器中，中间的TMR传感器位于激励线圈4沿y轴方向的中心位置正上方，其余两个TMR传感器分别位于中间的TMR传感器两侧距离15mm的位置；TMR传感器的敏感轴是y轴。

三个TMR传感器呈一列排布的原因是：当基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器原位监测具有预制裂纹的试验件表面时，预制裂纹穿过激励线圈，每一个TMR传感器的输出信号均绘制出一条曲线，根据曲线的变化情况来判断预制裂纹的纵向区间，例如：当预制裂纹在第一个TMR传感器和第二个TMR传感器之间的区域产生，第一个TMR传感器和第二个TMR传感器的信号输出曲线比第三个TMR传感器的信号输出曲线变化大。三个呈一列的TMR传感器之间的距离根据纵向监测进度确定，如果要求预制裂纹锁定位置更加准确，三个矩形的TMR传感器之间的距离就较小，本发明采用的距离优选为15mm。

1.2、上述基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器用于裂纹监测的原理是：

如图2所示，使用时，基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器贴在试验件平面上，将激励线圈的y轴与预制裂纹扩展方向垂直，当激励线圈内通入激励电流时，由于电磁感应的作用，激励线圈下方的试验件内将产生与激励电流流动方向相反的涡流，每条y轴方向的激励线圈下方的涡流分别用EC_i(i＝1,2...6)表示，由于相邻激励线圈的激励电流在同一时刻的流动方向相反，所以形成的相邻涡流的流动方向也相反，涡流之间的间距近似相等，约等于激励线圈之间的间距，激励频率越高，涡流之间的间距与激励线圈之间的间距越相近。

当预制裂纹穿过激励线圈下方时，由于介质的不连续，涡流会沿着预制裂纹表面流动形成扰动涡流，进而产生扰动磁场，涡流EC₁位于预制裂纹下方的大部分涡流将沿着预制裂纹表面向左流动，融入EC₂，作为扰动涡流I_d12，根据电荷守恒，涡流EC₂处于预制裂纹上方的部分将有与扰动涡流I_d12同等大小、方向相反的扰动涡流回流入涡流EC₁中；当预制裂纹穿过激励线圈2时，EC₂中未参与形成回流的部分I_d23将沿着预制裂纹表面流入EC₃，且I_d23<I_d12，存在扰动涡流不对称分布，EC₁和EC₂之间形成的扰动涡流I_d12与EC₂和EC₃之间形成的扰动涡流I_d23流动方向相反，因此，扰动涡流I_d12和扰动涡流I_d23在空间中产生的扰动磁场方向相反。

当有裂纹通过激励线圈时，会产生扰动涡流，进而产生扰动磁场，进而TMR传感器所在位置的磁感应强度会发生相应变化，进而TMR传感器的输出电压会发生变化，TMR传感器的灵敏度取向和相位变化量曲线会发生变化，进而可以通过TMR传感器测量空间中磁感应强度的变化来判断是否有裂纹产生以及裂纹的长度，具体是：根据TMR传感器的跨阻抗幅值变化率曲线和相位变化量曲线的变化趋势图判断，其裂纹扩展过程中，两条曲线会有特征点(峰谷点和拐点)，裂纹长度＝激励线圈间距×(特征点个数-1)。

如图3所示，将通电的激励线圈激励下，试验件表面或内部的预制裂纹产生的扰动涡流简化为两条沿着相反方向流动的线单元电流，设其流动方向为+x轴和-x轴方向，涡流方向为+y轴方向，空间中沿着x轴正方向流动的某一扰动涡流(扰动涡流的线段长度为L)，在空间中测试点P产生的磁感应强度

(方向：垂直纸面向里，即为+z轴方向)由毕奥-萨伐尔定律可知，

式(4)中，μ₀表示真空中的磁导率，为4π×10^-7H/m；I表示激励电流，单位是安培(A)；

表示x轴方向的单位向量；

表示R轴方向的单位向量；R表示x轴线单元到测试点P之间的距离，单位是米(m)；θ表示测试点P到x轴线单元与x轴正方向的内角角度，单位是°。

其中，

z′＝z-rcotθ，

式(5)中，r表示测试点P到x轴的距离，单位是米(m)；z′表示z轴线单元，单位是米(m)；z表示z轴正方向上的长度，单位是米(m)。

将式(5)带入式(4)得，

对这段电流进行积分，可得

式(7)中，θ₁表示测试点P到x轴反方向流动的某一扰动涡流的线段(扰动涡流的线段长度为L)与x轴正方向的内角角度，单位是°；θ2表示测试点P到x轴正方向流动的某一扰动涡流的线段(扰动涡流的线段长度为L)与x轴正方向的外角角度，单位是°；

表示z轴方向的单位向量。

由式(7)可知，扰动电流产生的扰动磁场在对于过原点的x-o-y平面内某一点处的磁场始终只有z轴方向的磁感应强度，而TMR2901传感器只能测量y轴方向的磁场分量，这样一来，无法对扰动涡流的磁场进行测量。

然而实际上，扰动涡流的分布和TMR传感器的安装位置不在一个平面上，一方面，沿着裂纹表面各个深度都有扰动涡流的分布，另一方面传感器的安装位置高于试验件表面，所以扰动磁场在TMR传感器测试点的位置有一个y轴的分量，需要建立线单元电流的三维空间坐标系，以扰动涡流流动方向为+x轴方向，涡流方向为+y轴方向，垂直于xoy平面的方向为z轴方向，空间中沿着x轴正方向流动的某一扰动涡流在x轴上的起始点为x₁，终点为x₂，在y轴的分量为w，如图4所示，在空间中测试点P产生的磁感应强度

根据毕奥-萨伐尔定律可得，

式(8)中，

式(8)中，

表示测试点P到x轴线单元的向量，x′表示x轴线单元的坐标，y表示测试点P的y轴坐标，w表示长度为L的扰动涡流到x轴的距离，z表示测试点P的z轴坐标；R表示测试点P到x轴线单元的距离；单位都是米(m)。

所以式(8)可以写为，

式(9)中，

表示x轴方向的单位向量，

表示y轴方向的单位向量，

表示z轴方向的单位向量。式(9)中

与式(4)中

二者指代相同含义，仅表达方式不同。

所以扰动涡流在测试点P处产生的磁感应强度为：

同理，若在y轴的负轴方向y＝-w处有一个沿x轴负方向流动的扰动涡流，则在测试点P处产生的磁感应强度为：

式(11)中，R′表示沿x轴负方向流动的扰动涡流的线单元与测试点P之间的间距，单位是米(m)。

式中，

因此，结合对称于x轴的两条线段扰动涡流，在测试点P处产生的磁感应强度的矢量和为

由于测试点P的z轴坐标不等于0，所以磁感应强度在y轴上的分量不为0，因此，TMR传感器可以通过感应y轴上的磁场分量来对裂纹的扩展进行原位监测。

1.3、基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器的实验系统是：

如图5所示，本发明基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器的实验系统主要包括基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器、信号源、功率放大器、信号放大模块、三轴位移平台、信号采集与处理系统。

由信号源产生一定频率的交流信号，经过功率放大器放大后施加在基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器的激励线圈上，产生交变磁场，进而在带预制裂纹的试验件表面产生涡流，进而在预制裂纹处产生扰动涡流，进而由扰动涡流产生扰动磁场，通过TMR传感器感应由激励磁场和扰动磁场的叠加磁场，三个一列的TMR传感器作用时方便测量裂纹扩展的纵向位置，预制裂纹离TMR传感器的纵向位置越近，相位变化量和跨阻抗幅值变化率变化就会越明显，将TMR传感器感应到的磁场信号转化为电压信号，通过信号放大模块将输出电压信号进行放大，最后通过信号采集与处理系统采集TMR传感器输出信号，经过锁相放大算法，提取出跨阻抗幅值和相位。

由于锁相放大算法是一项很常用的算法，本发明在此不必在此赘述。由于TMR传感器在零点处存在磁滞效应，如图6所示。给基于TMR传感器的矩形柔性涡流阵列传感器施加一个直流偏置的原因是通过直流电产生一个偏置磁场，使得TMR传感应的工作区位于线性范围内。

1.4、实验结果

通过改变激励频率和裂纹深度，开展了1KHz、2KHz、3KHz、4KHz、5KHz五种不同激励频率下对表面裂纹和裂纹深度为2mm时的裂纹定量监测实验。

1.4.1、表面裂纹定量监测(感应通道对应的是TMR传感器)，对于表面裂纹，在五种不同激励频率下，传感器的三个感应通道对表面裂纹的识别如图7～图11所示。

(1)激励频率f＝1KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图7所示。

图7中的a表示感应通道1的跨阻抗幅值变化率，图7中的b表示感应通道1的相位变化量，二者都有明显的特征点(峰谷值，拐点)，监测效果很好；图7中的c表示感应通道2的跨阻抗幅值变化率，图7中的d表示感应通道2的相位变化量，二者都有明显的特征点(峰谷值，拐点)，监测效果很好；图7中的e表示感应通道3的跨阻抗幅值变化率，图7中的f表示感应通道3的相位变化量，二者都没有明显的特征点(峰谷值，拐点)，监测效果不好；这是由于裂纹产生在第一个TMR传感器和第二个TMR传感器之间，距离两个传感器的间距近，因此监测效果好，第三个传感器距离远，监测效果不好。

(2)激励频率f＝2KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图8所示。

(3)激励频率f＝3KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图9所示。

(4)激励频率f＝4KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图10所示。

(5)激励频率f＝5KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图11所示。

1.4.2、2mm深裂纹定量监测，在五种不同激励频率下，传感器的三个感应通道对裂纹的定量监测如图12～图16所示。

(1)激励频率f＝1KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图12所示。

(2)激励频率f＝2KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图13所示。

(3)激励频率f＝3KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图14所示。

(4)激励频率f＝4KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图15所示。

(5)激励频率f＝5KHz时，传感器的三个感应通道对裂纹定量监测的跨阻抗幅值变化率和相位变化量如图16所示。

1.4.3、实验结论：

本实验研究了5种不同激励频率下，对表面裂纹和深度为2mm的内部裂纹两种不同情况下的裂纹定量监测能力。根据实验结果可知，对于表面裂纹，如图7～图11所示，在5种不同激励频率下，采用相位的变化对表面裂纹进行定量监测较为明显(具有明显的特征点，如峰谷值，拐点)，在激励频率为1KHz和2KHz条件下，采用跨阻抗幅值的变化对裂纹进行定量监测效果不明显，随着激励频率的增加，定量监测效果比较明显，裂纹监测精度约为5mm，与激励线圈之间的间距一致。对2mm深的裂纹进行定量监测时，如图12～图16所示，在激励频率为1KHz时，采用相位变化量和跨阻抗幅值变化率对2mm深的裂纹进行定量监测效果都不理想，当激励频率大于2KHz时，采用相位变化量对裂纹进行定量监测较为明显，采用跨阻抗幅值的变化量稍逊，且TMR传感器2的效果明显优于TMR传感器1和TMR传感器3。这主要是由于TMR传感器2距离裂纹的纵向距离为5mm，而TMR传感器1距离裂纹的纵向距离为10mm。但是，随着激励频率的增加，涡流深度过浅，内部裂纹对涡流的扰动作用减小，造成相位的变化量逐渐较小，且裂纹对跨阻抗幅值的扰动作用太小，通过跨阻抗幅值的变化率无法对裂纹进行定量监测。

对于表面裂纹的定量监测，随着激励频率的增加，跨阻抗幅值变化率和相位变化量曲线的峰谷值更加明显，更有利于定量监测。对于2mm深内部裂纹的定量监测，随着激励频率的增加，跨阻抗幅值的变化率和相位变化量逐渐减小。若采用跨阻抗幅值变化率来进行定量监测时，在激励频率为2KHz时效果最佳，如采用相位变化量来进行定量监测时，激励频率为3KHz、4KHz和5KHz时效果最佳，且裂纹监测精度约为5mm，与激励线圈之间的间距一致。

本发明能根据跨阻抗变化率和相位变化量判断是否有裂纹产生，通过变化量的大小来判断裂纹位于哪两个TMR传感器之间，裂纹长度＝激励线圈间距×(特征点个数-1)，得到裂纹沿着x轴方向的长度和纵向的区间。

实施例2

基于TMR传感器的环形柔性涡流阵列传感器：

基于TMR传感器的环形柔性涡流阵列传感器采用环形激励布局，主要适用于搭接结构螺栓孔边进行原位裂纹监测，传统的柔性涡流阵列传感器由于激励频率较高，只能监测表面裂纹，而采用基于TMR传感器的环形柔性涡流阵列传感器不仅可以监测表面裂纹，也可以监测搭接结构螺栓孔边内侧裂纹。

基于TMR传感器的环形柔性涡流阵列传感器主要由环形激励线圈和TMR传感器组成，如图17所示，相邻激励线圈上的激励电流方向相反，黑色小矩形为TMR传感器，TMR传感器的安装都安装在环形激励线圈的径向方向，图17所示的基于TMR传感器的环形柔性涡流阵列传感器中四个TMR传感器沿环形激励线圈的径向方向均匀分布，且TMR传感器的灵敏轴y轴与激励线圈径向方向垂直，TMR传感器的安装数量，根据需求进行选择。

本发明提高裂纹监测深度的方法：

通过降低激励频率可以提高试验件涡流的趋肤深度，进而提高裂纹的原位监测深度。但是，当激励频率较低到一定程度时，需要考虑激励线圈之间的间距，也就是TMR传感器的空间波长，在不同激励频率和传感器空间波长下，TMR传感器的磁场穿透深度δ采用公式(13)来表示：

式(13)中，Re表示实部，k＝2π/λ，λ表示TMR传感器空间波长，λ等于2倍激励线圈之间的间距；j表示虚数，ω表示激励电流角频率，σ表示被测试验件的电导率，μ表示被测试验件的磁导率，f表示激励频率。

通过公式(13)描绘不同空间波长和激励频率下的磁场穿透深度曲线，如图18所示，可知，TMR传感器空间波长λ一定时，随着激励频率f的降低，磁场穿透深度δ逐渐增加，但是当增加到一定程度时，激励频率f继续降低，磁场的穿透深度δ不再增加。因此在对传感器进行设计时，对于深层裂纹的监测，为了提高裂纹定量监测效果，在降低激励频率f的同时，也需要考虑传感器空间波长λ。但是，在增加传感器空间波长λ的时候必然带来裂纹定量监测精度的降低。

需要说明的是，在本申请中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.基于磁阻元件的涡流阵列传感器，其特征在于，包括激励线圈、基底、磁阻元件；基底底面印刷激励线圈，基底顶面上方设置成阵列方式排布的磁阻元件，基底顶面与磁阻元件的导线连接；其中，所述基底包括柔性基底或电木板；所述磁阻元件包括霍尔传感器、GMR传感器、TMR传感器中的任一种。

2.根据权利要求1所述的基于磁阻元件的涡流阵列传感器，其特征在于，所述阵列方式包括矩形矩阵或环形矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于磁阻元件的涡流阵列传感器，其特征在于，所述基底为柔性基底，所述磁阻元件为TMR传感器。

4.根据权利要求3所述的基于磁阻元件的涡流阵列传感器，其特征在于，所述阵列方式为矩形矩阵时，柔性基底底面印刷激励线圈，柔性基底顶面上方设置成矩形阵列方式排布的TMR传感器，柔性基底顶面与TMR传感器的导线连接；激励线圈为一圈直角蜿蜒折线，沿y轴方向分为6个激励线圈线段，即激励线圈1～激励线圈6；位于激励线圈4的正上方沿y轴方向均匀排布三个呈一列的TMR传感器阵列。

5.采用如权利要求1～4中任一项所述的基于磁阻元件的涡流阵列传感器的裂纹定量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将基于磁阻元件的涡流阵列传感器贴在具有裂纹的结构件表面上，将激励线圈的y轴与裂纹扩展方向垂直；

步骤S2、激励线圈内通电产生激励电流，试验件表面或内部产生与激励电流流动方向相反的涡流，分别用EC_i表示，其中i＝1,2…6，裂纹处产生扰动涡流，扰动涡流产生扰动磁场，进而影响磁阻元件所在位置的磁感应强度，进而影响磁阻元件的输出电压信号，根据输出电压信号计算跨阻抗幅值变化率曲线和相位变化量曲线，判断是否有裂纹产生以及裂纹的长度。

6.根据权利要求5所述的基于磁阻元件的涡流阵列传感器的裂纹定量测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述裂纹的长度的判断方法为：根据跨阻抗幅值变化率曲线和相位变化量曲线中的特征点个数，以下式判断裂纹的长度：

裂纹长度＝激励线圈间距×(特征点个数-1)。

7.根据权利要求5所述的基于磁阻元件的涡流阵列传感器的裂纹定量测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述扰动磁场的计算方法，具体为：

以扰动涡流的流动方向为+x轴方向，涡流的流动方向为+y轴方向，x轴和y轴交点为o，垂直于xoy平面的方向为z轴方向，空间中沿着x轴正方向流动的一扰动涡流在x轴上的起始点为x₁，终点为x₂，在y轴的分量为w，在空间中测试点P产生的磁感应强度

根据毕奥-萨伐尔定律得到，如下式所示：

式中，μ₀表示真空中的磁导率，为4π×10^-7H/m；I表示激励电流，单位是安培；x′表示x轴线单元的坐标，单位是米；R表示x轴线单元到测试点P之间的距离，单位是米；z表示测试点P的z轴坐标，单位是米；y表示测试点P的y轴坐标，单位是米；w表示长度为L的扰动涡流到x轴的距离，单位是米；

表示y轴方向的单位向量；

表示z轴方向的单位向量；R′表示沿x轴负方向流动的扰动涡流的线单元与测试点P之间的间距，单位是米；

表示在y＝w处沿x轴正方向流动的扰动涡流在测试点P处产生的磁感应强度；

表示在y＝-w处沿x轴负方向流动的扰动涡流在测试点P处产生的磁感应强度。

8.根据权利要求5所述的基于磁阻元件的涡流阵列传感器的裂纹定量测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述激励线圈的激励频率影响磁阻元件的涡流阵列传感器的磁场穿透深度δ，根据下式计算得到磁场穿透深度δ：

式中，Re表示实部，k＝2π/λ，λ表示磁阻元件空间波长，λ等于激励线圈间距的2倍；j表示虚数，ω表示激励电流角频率，σ表示被测试验件的电导率，μ表示被测试验件的磁导率，f表示激励频率。

9.根据权利要求8所述的基于磁阻元件的涡流阵列传感器的裂纹定量测量方法，其特征在于，所述激励频率为1Hz～5Hz。

Images