CN113418982A - 一种平行四边形柔性涡流传感薄膜及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平行四边形柔性涡流传感薄膜及其使用方法，涉及传感监测领域。本发明包括平行四边形线圈作为阵列单元的激励线圈层、平行四边形线圈作为阵列单元的接收线圈层和绝缘薄膜层，激励线圈层和接收线圈层均分别有第一线圈层和第二线圈层；第一线圈层和第二线圈层分别位于绝缘薄膜层两侧呈三明治结构，第一线圈层和第二线圈层相互对应的线圈单元通过导线以逆时针环绕至线圈中心后穿过绝缘薄膜层到达第二线圈层的线圈中心，以顺时针环绕线圈外围导出构成双线圈结构。本发明克服了三角形线圈柔性涡流传感薄膜的边角监测能力不强和导线接口多的缺陷，提高了轴向扩展和径向扩展的识别能力，对孔边裂纹的周向角度、径向和轴向扩展进行准确定量监测。

Description

一种平行四边形柔性涡流传感薄膜及其使用方法

技术领域

本发明涉及传感检测技术领域，更具体的说是涉及一种平行四边形柔性涡流传感薄膜及其使用方法。

背景技术

螺栓连接结构是航空航天、轨道交通、土木工程等主承力结构的普遍连接方式，其完整性常常直接影响到一个系统的可靠性和安全性。然而，螺栓连接在长期复杂的工作环境下不可避免出现连接状态的改变如螺栓孔边应力集中，使得螺栓连接结构极易出现孔边裂纹进而引起结构功能的丧失。因此，有效监测和预防螺栓连接结构的孔边裂纹、预测其剩余寿命对于确保工程结构可靠性、保障人民生命财产安全、保障社会经济平稳健康发展具有十分重要的意义。

近年来，随着结构健康监测技术工程化应用的尝试，工程技术人员的定量监测需求与监测技术定量水平不够的矛盾成了制约结构健康监测技术进一步应用的主要矛盾。螺栓连接结构孔边裂纹监测的方法主要有属于直接测量方法的真空比较监测法、智能涂层法、光纤传感器应变监测法以及属于间接测量方法的机电阻抗法、声发射法、基于压电传感器的超声导波法和涡流检测法。涡流检测法基于电磁感应原理，将探头置于试件表面，由激励线圈产生交变磁场，当结构表面或者亚表面出现损伤时，感应线圈的输出值(通常为阻抗、电压或者电流)会发生变化。

针对螺栓连接结构孔边裂纹扩展的特点，斯坦福大学的Rakow and Chang提出了一种粘贴在螺栓周围的由平面矩形线圈组成的涡流传感阵列，可用于监测孔边裂纹的扩展，但是无法做到准确识别裂纹扩展的周向角度以及轴向方向或径向的裂纹扩展。为解决上述识别问题，本发明人在此之前提出了叠层线圈传感薄膜成功地提高了传感薄膜的轴向识别能力，之后又提出了采用线圈单元交叉传感阵列，在识别出螺栓连接结构孔边裂纹轴向扩展与周向位置的同时，弥补了叠层线圈无法识别线圈相邻处的裂纹的缺陷，近年又提出三角形线圈取代矩形线圈进一步提高了轴向扩展裂纹的定量监测，但在其边角处的线圈监测能力不强。本发明基于三角形线圈柔性涡流传感薄膜，提出一种采用平行四边形线圈的新型柔性涡流传感薄膜及其使用方法，克服了三角形线圈柔性涡流传感薄膜的边角监测能力不强和导线接口多的缺陷，提高了轴向扩展和径向扩展的识别能力，为在线准确评价螺栓连接结构完整性、保障结构服役安全提供一直新的监测方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，采用平行四边形线圈的新型柔性涡流传感薄膜及其使用方法，提高了轴向扩展和径向扩展的识别能力，对孔边裂纹的周向角度、径向和轴向扩展进行准确定量监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种平行四边形柔性涡流传感薄膜，包括平行四边形线圈作为阵列单元的激励线圈层、平行四边形线圈作为阵列单元的接收线圈层和绝缘薄膜层，所述激励线圈层和接收线圈层均分别有第一线圈层和第二线圈层；所述第一线圈层和所述第二线圈层分别位于绝缘薄膜层两侧呈三明治结构，所述第一线圈层和所述第二线圈层相互对应的线圈单元通过导线以逆时针环绕至线圈中心后穿过绝缘薄膜层到达所述第二线圈层的线圈中心，以顺时针环绕线圈外围导出构成双线圈结构，传感薄膜用于定量化监测螺栓孔边裂纹的传感薄膜。

优选的，所述激励线圈层有两层，多个所述激励线圈层的周向阵列线圈由一根导线绕成。

优选的，所述接收线圈层有两层，所述接收线圈层的导线以逆时针环绕至平行四边形中心后穿过第二接收线圈层的线圈中心以顺时针环绕至平行四边形外围导出，其余线圈同理。

优选的，所述绝缘薄膜层采用聚酰亚胺薄膜。

优选的，激励线圈层采用平行四边形线圈代替传统矩形线圈使得激励线圈作用区域和接收线圈感应区域相匹配，使得传感薄膜监测效果提升；接收线圈层采用平行四边形线圈代替三角形线圈单元使得接收线圈的接口数量减少，薄膜更加轻量化，监测效率得到提升。

一种平行四边形柔性涡流传感薄膜的使用方法，其特征在于，将传感薄膜卷绕并粘贴在螺栓上，高频交变电流源发送交变信号至激励部分，接收部分通过开关转换器连接到示波器，切换所述开关转换器，使各个接收部分的接收线圈的感应电压依次输入至所述示波器，根据交叉区域内相邻线圈感应电压的变化量，并计算裂纹的周向角度，从而确定损伤位置。

优选的，所述高频交变电流源发送的交变电流频率设置为100kHz-15MHz。

优选的，所述周向角度的计算方法如下：

θ＝KV^T+B

其中，θ是角度结果矩阵，K是系数矩阵，V是接收线圈的感应电压矩阵，B是修正矩阵；

K＝[k₂₃ k₃₄ k₄₁ k₁₂]^T

B＝[b₂₃ b₃₄ b₄₁ b₁₂]^T

其中k_ij是同一交叉区域内两个线圈差值构成的一次函数的斜率，ΔV是相关接收线圈的感应电压变化量差值，b_ij是同一交叉区域内两个线圈差值构成的一次函数的截距。通过计算可得到孔边裂纹的周向位置：

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种平行四边形柔性涡流传感薄膜及其使用方法，具有以下有益效果：

1.接收线圈采用平行四边形线圈代替三角形线圈，由于一个平行四边形线圈单元等效两个三角形线圈单元，在同等监测范围下，采用平行四边形线圈的传感薄膜有着更少的导线接口，使得传感薄膜更加轻量化，克服了三角形线圈柔性涡流传感薄膜的边角监测能力不强和导线接口多的缺陷，大大提高了监测效率。

2.激励线圈采用平行四边形线圈代替矩形线圈，解决了由于三角形线圈柔性薄膜中激励线圈单元和接收线圈单元作用范围不一致导致的边角处线圈的监测能力不强的缺陷。

3.本发明提出一种采用平行四边形线圈的新型柔性涡流传感薄膜及其使用方法，克服了三角形线圈柔性涡流传感薄膜的边角监测能力不强和导线接口多的缺陷，提高了孔边裂纹周向角度的识别精度以及跟踪径向、轴向裂纹的扩展能力；有效提升螺栓连接结构孔边裂纹定量监测水平，为准确预测螺栓连接结构剩余寿命提供数据支撑。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明中柔性涡流传感薄膜示意图；

图2是本发明中柔性涡流传感薄膜中的激励线圈层走线示意图；

图3a是本发明中柔性涡流传感薄膜中的1号激励线圈层局部走线示意图；

图3b是本发明中柔性涡流传感薄膜中的2号激励线圈层局部走线示意图；

图4是本发明中柔性涡流传感薄膜中的接收线圈层走线示意图；

图5a是本发明中柔性涡流传感薄膜中的1号接收线圈层局部走线示意图；

图5b是本发明中柔性涡流传感薄膜中的2号接收线圈层局部走线示意图；

图6是本发明中柔性涡流传感薄膜组成分布示意图；

图7是本发明中柔性涡流传感薄膜使用状态示意图；

图8为使用柔性涡流传感薄膜监测孔边裂纹装置的结构示意图；

其中，1为柔性涡流传感薄膜，2为螺栓，3为待测件，4为高频交变信号源，5为开关转换器，6为示波器，7为1号激励线圈层，8为2号激励线圈层，9为绝缘薄膜，10为1号接收线圈层，11为2号接收线圈层，12为1号激励线圈层中激励线圈，13为1号激励线圈层的中心点，14为2号激励线圈层的激励线圈，15为1号接收线圈层的第一接收线圈，16为1号接收线圈层的第一接收线圈中心点，17为1号接收线圈层的第二接收线圈，18为1号接收线圈层的第二接收线圈中心点，19为1号接收线圈层的第三接收线圈，20为1号接收线圈层的第三接收线圈中心点，21为2号接收线圈层的第一接收线圈，22为2号接收线圈层的第二接收线圈，23为2号接收线圈层的第三接收线圈。

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。

本发明实施例公开了一种平行四边形柔性涡流传感薄膜，2层激励线圈层分别在绝缘薄膜的上下方走线，通过三个盲孔将两层激励线圈层对应的激励线圈连接起来，整个部分将其称为激励部分；激励部分中所谓的激励线圈单元是由两层激励线圈层中对应的激励线圈共同组成，导线先从第1层激励线圈层导入并且绕至激励线圈的中心点，通过盲孔穿透绝缘薄膜至第2层激励线圈层对应激励线圈的中心点，绕至激励线圈再从第2层激励线圈层导出，因此说激励线圈单元是由一根导线绕制的，该结构为双线圈结构。

新型柔性涡流传感薄膜1示意图如图1所示，传感薄膜的组成分布如图6所示，由9层薄膜组成，图中从上到下依次为：绝缘薄膜9、1号激励线圈层7、绝缘薄膜9、2号激励线圈层8、绝缘薄膜9、1号接收线圈层10、绝缘薄膜9、2号接收线圈层11、绝缘薄膜9。1号激励线圈层7和2号激励线圈层8构成该传感薄膜的激励部分；1号接收线圈层10和2号接收线圈层11构成该传感薄膜的接收部分，绝缘薄膜9为具有突出的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀和电绝缘性能的聚酰亚胺薄膜。

激励线圈层的走线如图2所示，其中两层激励线圈层中层叠的绝缘薄膜未画出，为更好地说明激励线圈的走线方式，以图3a和图3b中1、2号激励线圈层的局部走线示意图进行详细说明。导线由1号激励线圈层中激励线圈12右侧导入，以逆时针环绕至该平行四边形线圈的1号激励线圈层的中心点13，穿过绝缘薄膜至2号激励线圈层的激励线圈14的1号激励线圈层的中心点13，导线以顺时针环绕至该平行四边形线圈外围后从左侧导出。

激励线圈走线为本实施例中激励部分第1行激励线圈的走线路径，其余行激励线圈的走线路径与线圈的走线路径一致。

接收线圈层的走线如图4所示，其中两层接收线圈层中层叠的绝缘薄膜未画出，为了更好地说明接收线圈的走线方式，以图5a和图5b中1、2号接收线圈层的局部走线示意图进行详细说明。导线由1号接收线圈层10中1号接收线圈层的第三接收线圈19右侧导入，以顺时针环绕至该平行四边形线圈单元的1号接收线圈层的第三接收线圈中心点20，穿过绝缘薄膜至2号接收线圈层11的2号接收线圈层的第一接收线圈21的1号接收线圈层的第三接收线圈中心点20，导线以逆时针环绕至该平行四边形线圈单元外围后，导线由2号接收线圈层的第一接收线圈21右侧从线圈下方走线至左侧导出；又一根导线由1号接收线圈层10中经1号接收线圈层的第三接收线圈19下侧导入1号接收线圈层的第二接收线圈17，以顺时针环绕至该平行四边形线圈单元的1号接收线圈层的第二接收线圈中心点18，穿过绝缘薄膜至2号接收线圈层11的1号接收线圈层的第二接收线圈中心点18，导线以逆时针环绕至该平行四边形线圈单元外围后，导线由2号接收线圈层的第二接收线圈22右侧从线圈下方走线至2号接收线圈层的第一接收线圈21左侧导出；再一根导线由1号接收线圈层10中经1号接收线圈层的第三接收线圈19和1号接收线圈层的第二接收线圈17下侧导入1号接收线圈层的第一接收线圈15，以顺时针环绕至该平行四边形线圈单元的1号接收线圈层的第一接收线圈中心点16，穿过绝缘薄膜至2号接收线圈层11的1号接收线圈层的第一接收线圈中心点16，导线以逆时针环绕至该平行四边形线圈单元外围后，导线由2号接收线圈层的第三接收线圈23右侧从线圈下方走线至2号接收线圈层的第一接收线圈21左侧导出。

接收线圈走线为本实施例中接收部分第1行接收线圈的走线路径，其余行接收线圈的走线路径与线圈的走线路径一致。

激励、接收线圈走线主要区别在于：同一行的的激励线圈是由同一根导线绕成的，即在本实施例中，激励部分共有3条导线绕成；每个接收线圈是由一根导线绕成的，即在本实施例中，接收部分共有9条导线绕成。

新型柔性涡流传感薄膜1的具体使用方式为：将新型柔性涡流传感薄膜1卷绕并粘贴在螺栓2上，接收线圈层应靠近待测件3，激励线圈层应靠近螺栓2。图8为使用新型柔性涡流传感薄膜1监测孔边裂纹装置的示意图，新型柔性涡流传感薄膜1引出12对导线，激励部分3对引线以串联的形式接入高频交变信号源4，交变电流频率设置为100kHz-15MHz，可根据传感薄膜中线圈数量选择合适的频率，接收部分9对引线通过连接开关转换器5接入示波器6中。

使用流程可分为两个阶段：1.基准阶段，在孔边无损伤出现时，高频交变信号源4发送交流信号至新型柔性涡流传感薄膜1的激励部分，由于涡流效应，可在接收部分各接收线圈上接收到感应电压，通过控制开关转换器5上各线圈对应的开关，在示波器6得到各接收线圈感应电压值，并记录为基准电压；2.对比阶段，实时监测时，高频交变信号源4发送交流信号至新型柔性涡流传感薄膜1的激励部分，由于涡流效应，可在接收部分各接收线圈上接收到感应电压，通过控制开关转换器5上各线圈对应的开关，在示波器6得到各接收线圈感应电压值，通过对比基准电压，可初步判断该待测件3是否出现裂纹；根据各交叉区域内接收线圈感应电压变化量大小，可精确识别裂纹出现的周向角度，判断径向、轴向的扩展程度。

图7为本发明中新型柔性涡流传感薄膜使用状态周向展开示意图，图中可以看出传感薄膜1将待测件3分成了9个交叉区域(对应9个虚线框)，由于该图是沿周向展开，不难得出每一列交叉区域平分360°，即120°。在优选例中，将待测件3左侧边界定义为0°，裂纹在图中位置(黑色实心矩形处)萌生，并沿径向和轴向扩展。周向角度的计算方法如下：

θ＝KV^T+B

其中，θ是角度结果矩阵，K是系数矩阵，V是接收线圈的感应电压矩阵，B是修正矩阵；

K＝[k₂₃ k₃₄ k₄₁ k₁₂]^T

B＝[b₂₃ b₃₄ b₄₁ b₁₂]^T

其中k_ij是同一交叉区域内两个线圈差值构成的一次函数的斜率，ΔV是相关接收线圈的感应电压变化量差值，b_ij是同一交叉区域内两个线圈差值构成的一次函数的截距。通过计算可得到孔边裂纹的周向位置：

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种平行四边形柔性涡流传感薄膜，其特征在于：包括平行四边形线圈作为阵列单元的激励线圈层、平行四边形线圈作为阵列单元的接收线圈层和绝缘薄膜层，所述激励线圈层和接收线圈层均分别有第一线圈层和第二线圈层；所述第一线圈层和所述第二线圈层分别位于绝缘薄膜层两侧呈三明治结构，所述第一线圈层和所述第二线圈层相互对应的线圈单元通过导线以逆时针环绕至线圈中心后穿过绝缘薄膜层到达所述第二线圈层的线圈中心，以顺时针环绕线圈外围导出构成双线圈结构，传感薄膜用于定量化监测螺栓孔边裂纹的传感薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种平行四边形柔性涡流传感薄膜，其特征在于，所述绝缘薄膜层采用聚酰亚胺薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种平行四边形柔性涡流传感薄膜，特征在于：激励线圈层采用平行四边形线圈代替传统矩形线圈使得激励线圈作用区域和接收线圈感应区域相匹配，使得传感薄膜监测效果提升；接收线圈层采用平行四边形线圈代替三角形线圈单元使得接收线圈的接口数量减少，薄膜更加轻量化，监测效率得到提升。

4.一种平行四边形柔性涡流传感薄膜的使用方法，其特征在于，将传感薄膜卷绕并粘贴在螺栓上，高频交变电流源发送交变信号至激励线圈，接收线圈层通过开关转换器连接到示波器，切换所述开关转换器，使各个接收部分的接收线圈的感应电压依次输入至所述示波器，根据交叉区域内相邻线圈感应电压的变化量，通过计算公式得到裂纹的周向角度，从而确定裂纹生成位置。

5.根据权利要求4所述的一种平行四边形柔性涡流传感薄膜的使用方法，其特征在于，所述高频交变电流源发送的交变电流频率设置为100kHz-15MHz。

6.根据权利要求4所述的一种平行四边形柔性涡流传感薄膜的使用方法，其特征在于，所述周向角度的计算方法如下：

θ＝KV^T+B

其中，θ是角度结果矩阵，K是系数矩阵，V是接收线圈的感应电压矩阵，B是修正矩阵；

K＝[k₂₃ k₃₄ k₄₁ k₁₂]^T

B＝[b₂₃ b₃₄ b₄₁ b₁₂]^T

其中k_ij是同一交叉区域内两个线圈差值构成的一次函数的斜率，ΔV是相关接收线圈的感应电压变化量差值，b_ij是同一交叉区域内两个线圈差值构成的一次函数的截距。通过计算可得到孔边裂纹的周向位置：

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