贴附式涡流阵列传感器在裂纹监测上的应用*

张海涛，陈卫，焦胜博，陈鹏飞，冯璐璐

（空军工程大学工程学院，西安 710038）

贴附式涡流阵列传感器在裂纹监测上的应用*

张海涛，陈卫，焦胜博，陈鹏飞，冯璐璐

（空军工程大学工程学院，西安 710038）

金属结构疲劳损伤监测是现代飞机结构健康监控的重点和难点，要求传感器具有高可靠性、高灵敏度并且能在恶劣环境中工作。针对飞机结构损伤监测中传感器的特点，采用阵列化的设计思想设计出一种基于柔性电路板工艺的新型涡流传感器。通过构建损伤监测模型，对传感器的参数进行了仿真优化。最后开展了程序载荷谱下2A12-T4铝合金材料的裂纹监测试验以及阳极氧化和电泳喷漆条件下的对比试验。结果表明，贴附式涡流阵列传感器能够定量监测裂纹的扩展，监测精度达到1mm。阳极氧化和电泳喷漆涂层阻碍了传感器对裂纹特征的有效感知，导致传感器的监测灵敏度降低。

涡流阵列传感器，疲劳裂纹，铝合金，裂纹监测

0 引言

飞机金属结构的损伤特别是疲劳破坏严重威胁飞机的使用可靠性和飞行安全。目前，我国飞机结构损伤采用事后维修和定时检修的方式，主要依靠飞机的定检以及外场机械日维护。这种按计划定时检修的方式检修效率低下，存在漏检、错检的可能，并且会导致飞机机体的过度维修。基于状态的维修模式 (CBM)的提出有效提升了飞机机务保障的效率，增加了机务维修的针对性，有效地保障了飞机的飞行安全。

CBM在确定维修需求时最突出的特点是考虑了装备的运行状态信息，根据实时获取的状态信息制定维修决策。作为获取装备底层状态信息的关键支撑技术，结构健康/损伤监测技术（SHM）成为实现CBM的重点和难点。相比于各种无损检测技术（NDT），SHM技术侧重于考虑传感器与结构的一体化设计以及信息获取的连续性和实时性，前者要求传感器在设计过程既要考虑结构的运行状态和运行环境，例如应用于飞机关键连接结构的损伤监测传感器在设计过程中除了要考虑监测能力，也要考虑其承载能力和耐久性，而信息获取的连续性和实时性则要求损伤监测系统实现自动化和智能化。

随着飞机疲劳损伤监测技术不断进步，监测的方法日益增多，常用的有渗透法、磁粉检测法、电涡流检测法、射线法和超声波检测法［1］。其中，电磁涡流检测是以电磁涡流与被检件的相互关系为基础的一种常规无损检测方法，广泛用于金属结构的裂纹损伤检测［2-3］，适用于几乎所有导电材料的裂纹检测。平面涡流阵列传感器基于涡流检测方法，具有裂纹监测灵敏度高、传感器布置简便的特点，可用于监测具有复杂表面的结构。这类平面涡流阵列传感器中，最具代表性的是空客公司在A320客机上采用的ETFS(Eddy current foilsensor)［4］和 MWM传感器［5］。

针对金属螺栓连接结构的孔边疲劳裂纹监测需求，本文介绍了一种具有柔性平面特点的贴附式涡流传感器，构建其损伤监测半解析模型，并通过半解析模型得到不同提离距离下具有最优监测灵敏度的激励频率点，分析传感器结构参数对监测灵敏度的影响，最后利用柔性电路板工艺制备出传感器，并进行2A12铝合金中心孔板试样疲劳损伤监测试验验证贴附式涡流传感器的疲劳裂纹监测能力。最后针对飞机结构实际使用环境，开展了阳极氧化条件和电泳喷涂条件下传感器裂纹监测能力试验研究，探究了氧化膜厚度对传感器性能的影响规律。

2 贴附式涡流阵列传感器设计

NeilGoldfine［6-7］提出了一种涡流传感器模型—MWM传感器，该传感器由一根周期性、类似于方波的激励线圈和一根分布于激励线圈两侧的感应线圈组成，本文在此基础上，针对飞机金属结构裂纹监测的特点，设计了一种新型贴附式涡流阵列传感器。

贴附式涡流阵列传感器采用分段监测的方式，设置阵列感应线圈，每个感应线圈分别监测其对应的结构部位是否存在裂纹，通过阵列感应线圈对裂纹分段测量实现对裂纹长度的定量监测。同时，考虑到飞机部位与传感器集成的要求，选用贴附式的集成方式，使用聚硫密封剂HM-109［8］将传感器粘贴在被测结构表面。传感器结构如图1所示。

图1 贴附式涡流传感器结构示意图

图1中，感应线圈沿Y轴方向阵列分布，沿Z轴方向的长度为L。损伤检测和监测时，激励线圈中通以激励电流，激励电流在空间激发出激励磁场，激励磁场在被测结构中激发出电涡流，电涡流的大小和分布同结构状态息息相关。同样，电涡流也在空间中激发出感应磁场，感应磁场和激励磁场相互耦合形成稳定的反射磁场，反射磁场中包含着结构的状态信息，通过感应线圈感知反射磁场的变化就可以知道结构状态的改变。

本文试验用的贴附式涡流传感器包含4个感应线圈，4个感应线圈阵列化排列，彼此独立，实现对裂纹的分段监测即定量化监测。出于激励、感应线圈形状设计及引线布局的需要，感应线圈和激励线圈分别放置在两层中，中间用绝缘材料隔绝开，形成多层结构的涡流传感器。传感器截面示意图如图2所示。

图2 涡流传感器截面示意图

贴附式涡流阵列传感器采用柔性印制电路板（Flexible Printed CircuitBoard，简称FPCB）工艺制成，结构参数主要有基材厚度、导电层厚度、保护膜厚度、导线宽度等。印制的传感器结构如图3所示。贴附式涡流传感器中线圈的保护主要依靠上下两层保护膜，这两层保护膜是由高分子材料聚酰亚胺材料制成［9］。

图3 涡流传感器的结构示意图

3 贴附式涡流传感器提离距离优化

将材料的电磁参数等效为裂纹的特征参量［10］，建立了贴附式涡流传感器裂纹监测正向等效模型。以2A12铝合金为被监测结构，分析提离距离对损伤监测灵敏度的影响。定义损伤监测灵敏度Sσ为：

式中：ZA为传感器跨阻抗幅值；σ为2A12铝合金电导率；ΔZA和Δσ分别为结构损伤引起的跨阻抗幅值和电导率的变化量和σ0分别为结构未发生损伤时的跨阻抗幅值和电导率。

提离距离是工作时，传感器距离构件表面的距离。提离距离的大小决定了传感器激发电磁场作用到结构中的强弱以及传感器的最优工作频率。图4是不同提离距离下的传感器损伤监测灵敏度随激励频率的变化［11］。

图4 不同提离距离下的损伤监测灵敏度随激励频率的变化

从图4中可以看出，提离距离越大，损伤监测灵敏度越小。在不同提离距离下具有最优灵敏度频率点，且频率点大小随提离距离的增大而减小。

4 2A12-T4铝合金裂纹监测试验

对试验件进行有限元仿真，研究试验件在拉伸载荷作用下应力的分布情况，找到应力最大的位置，该位置即为传感器的安装位置。为保证传感器对裂纹的准确监测，使用聚硫密封剂HM-109将传感器粘贴在试验件表面如图5所示。

图5 传感器的贴附方式

将试验件装卡到MTS810疲劳试验机上，设置归一化信号频率0.3，载荷施加频率15 Hz，程序载荷谱如表1所示。采集传感器输出信号直至试验件断裂。

表1 程序载荷谱

施加5个载荷谱块和183次循环后 (总计15 183次)试验件断裂，接下来对传感器监测信号进行分析。传感器各通道的信号曲线如图6所示。

图6 各通道试验曲线

从采集的信号曲线可以看出，裂纹产生之前，信号平稳，当经历8 000次循环载荷后，靠近半孔的传感器第1通道输出信号的幅值比开始上升，继续施加300次循环载荷后，第2通道的信号开始上升，表明此时裂纹长度扩展到1mm。继续施加200次循环载荷后，传感器第3通道的信号开始上升，裂纹扩展到2mm长。根据以上结果可以看出，贴附式涡流传感器具备对铝合金试验件进行裂纹定量监测的能力，监测精度达到了1mm，搭建的裂纹监测系统实现了对铝合金结构裂纹损伤的实时定量监测。

5 阳极氧化条件下裂纹监测试验

5.1 试验件的制备

在飞机制造过程中，为了增加铝合金材料的耐腐蚀性和表面耐磨性，通常会对材料表面进行阳极氧化处理，处理后的铝合金构件表面形成一层致密的氧化膜，阻碍化学腐蚀的发生。同时，由于这层氧化膜不导电，还在一定程度上阻碍了电化学腐蚀的发生。对铝合金试件进行裂纹损伤监测时，阳极氧化膜对传感器的裂纹监测性能产生影响，因此，有必要研究阳极氧化层厚度对传感器裂纹监测能力的影响。本节首先验证贴附式传感器对阳极氧化处理后试件的裂纹损伤监测能力，然后制备不同氧化层厚度的试验件，通过裂纹扩展试验，研究了氧化膜厚度对传感器监测能力的影响。

制备长 200 mm、宽 50 mm、厚 4 mm的2A12-T4铝合金半孔形试验件10块，对其表面进行阳极氧化处理。控制阳极氧化的时间得到不同氧化层厚度的铝合金试验件。通过控制氧化时间，得到氧化膜厚度为 10μm、30μm、50μm、70μm、90μm的铝合金半孔形试验件，氧化膜厚度通过QuaNix4 200/4 500测厚仪测量。

5.2 试验结果分析

首先标定试件中不含裂纹时，不同涂层厚度的铝合金试验件的传感器基准输出信号，测量的曲线如图7所示。

图7 传感器基准输出信号随氧化涂层厚度的变化

在裂纹损伤实时监测过程中，根据实际情况定义传感器的监测灵敏度S为裂纹扩展一个单位长度时，输出信号幅值的变化量，即：

式中：ΔA是幅值比的变化量；Δl是裂纹长度的变化量。分别求出各个涂层厚度状态下传感器的监测灵敏度并绘制曲线，如图8所示。

图8 传感器的裂纹监测灵敏度随氧化涂层厚度的变化

从图8中看出，随着阳极氧化涂层厚度的增加，传感器裂纹监测的灵敏度下降，即裂纹扩展一个单位长度，输出信号的幅值变化减小。这是由于阳极氧化涂层不导电，在损伤监测过程中导致激励磁场在被测结构内部激发电涡流的强度，以及电涡流激发的感应磁场变化强度减弱，最终传感器感应线圈对结构状态参数的感知能力降低，即传感器的裂纹监测灵敏度下降。在结构表面涂敷一层氧化膜相当于在传感器和被测结构之间增加一层不导电层，即传感器同被测结构之间的距离增大。将传感器贴附在半孔中心部分，连接相应的测量设备，启动裂纹监测系统和疲劳试验机，归一化激励信号频率设置为0.3，载荷施加频率设置为15Hz，试验载荷谱同表1。图9是阳极氧化膜厚度为90μm时，传感器4个通道输出信号的幅值变化曲线。

图9 裂纹监测采样信号曲线

从图9中看出，试验刚开始时，传感器各个通道的信号变化比较平稳，说明此时试件内部没有裂纹萌生。当载荷循环7 200次后，第1通道的信号开始快速上升，此时传感器最内侧的通道感应到了裂纹的萌生，随着载荷的继续施加，其余3个通道依次经历信号升高然后平稳的过程，说明这些通道感应到了裂纹的扩展过程。

6 电泳喷涂条件下裂纹监测试验

飞机结构在其寿命周期内为了防止腐蚀和实现美观，通常在结构表面涂敷一层防锈油漆［12］。本节针对这一特点，制备了表面喷涂防锈漆的半孔试验件。通过疲劳裂纹扩展试验，验证传感器对这种状态下裂纹的监测能力。

按照第4节中的设置方法进行试验，得到传感器4个通道采集信号的变化曲线如下页图10所示。

试验刚开始时，传感器各个通道的信号都比较平稳，此时试件内部没有发生裂纹萌生。载荷循环了1 300次后，第1通道的信号快速上升，此时传感器最内侧的通道感应到了裂纹的萌生，随着载荷的继续施加，其余3个通道依次经历信号升高然后平稳的过程，说明这些通道感应到了裂纹的扩展过程。

将图9、图10以及图6中各通道的信号幅值曲线进行对比，发现传感器对经过处理后的试样进行裂纹监测时的幅值变化小于对未经处理的试样进行监测时的幅值变化，证明试样经过阳极氧化或电镀处理使得传感器的灵敏度降低。

图10 裂纹监测采样信号曲线

7 结论

随着提离距离的增大，传感器灵敏度不断下降。同一提离距离下，灵敏度随着激励频率的增加呈现先增大后降低的趋势，即存在最优灵敏度频率点。

贴附式涡流传感器能够定量监测裂纹的扩展，监测精度达到1mm。阳极氧化涂层和电泳喷漆涂层阻碍了传感器对裂纹特征的感知，降低了传感器的裂纹监测灵敏度，随着涂层厚度的增加，监测灵敏度迅速下降。

［1］袁慎芳.结构健康监控[M]．北京：国防工业出版社，2007：15-16.

［2］Gracin R.Advanced Eddy Currents System for Inspection of VVER Steam Generator Tubing［C］//7th International Conference on Nuclear Option in Countries with Small and Medium Electricity Grids.Dubrovnik，Croatia，2008.

［3］OkaM J，Tsuchida，YakushijiT，etal．Fatigue Evaluation for a Ferritic Stainless Steel(SUS430)by the Eddy Current Method Using the Pancake-Type Coil［J］.IEEE Trans on Magnetics，2010，46（2）：540－543.

［4］Speckmann H.Structure Health Monitoring[C]//MRBPB Meeting，Cologne，Germany，2007：42-47.

［5］ Sheiretov Y，Grundy D，Ziberstein U，etal.MWM-Array Sensors for in Situ Monitoring of High-Temperature Components in Power Plants［J］.IEEE Sensors Journal，2009，9（11）：1527－1536.

［6］Goldfine N，Clark D.Introduction to the MeanderingWinding agnetometer（MWM）and the Grid Measurement Approach[J].SPIE，2499：186-192．

［7］Zilberstein V，Schlicker D，Walrath K．MWM Eddy Current Sensors forMonitoring of Crack Initiation and Growth During Fatigue Tests and in Service[J].International Journal of Fatigue，2001（23）：477-485.

［8］张晓娟，谌广昌，许俊华.HM109-1型密封剂在某直升机上的工程化应用与分析 [J].直升机技术,2010，165（4）：52-55.

［9］王劲，唐屹，曾晓丹.挠性印刷电路基板用三层复合聚酰亚胺胶粘膜的制备及性能研究 [J].绝缘材料，2005，38（1）：4-8.

［10］ Song D Y，Takeda N，Kitano A.Correlation between Mechanical Damage Behavior and Electrical Resistance Change in CFRPCompositesasa Health Monitoring Sensor[J].Materials Science and Engineering A,2007，456（12）：286-291.

［11］焦胜博，丁华.基于半解析模型的花萼状涡流传感器损伤监测灵敏度分析 [J].传感技术学报，2013，26（2）：208-210.

［12］孙德宝，李克.铝及铝合金防腐蚀表面处理技术的研究现状与发展[J].腐蚀与防护，1998，19（5）：195-198.

App lied Research of Attached Eddy Current Sensor on Crack M onitoring

ZHANGHai-tao，CHENWei，JIAOSheng-bo，CHENPeng-fei，FENG Lu-lu
（Aeronautics and Astronautics Engineering College，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China）

Metal structure fatigue monitoring plays an important role in the modern aircraft structural health monitoring.Sensors are required with high-reliability，high-sensitivity,and stability while working in the severe circumstances.According to the properties of fatigue damagemonitoring in aircraft structure aswell as the arraying designing thought，a new type of eddy sensor based on flexible printed circuit technology is developed.Parameters of the sensor were simulated with optimization through building damage monitoring model.In this article，the monitoring experiment of 2A12-T4 aluminum alloy and anodic oxidation or electrophoretic-coated material fatigue crack under the programmed spectrum is carried out.The monitoring experiment results implied that the sensor is capable of detecting the fatigue crack extension quantification ally with the precision values 1mm.Anodic oxidation and electrophoretic-coated impeded effective perception of sensors toward crack properties，and the sensitivity has decreased.

attached eddy currentsensor，fatigue crack，aluminum，crackmonitoring

TP212.1；V215.6

A

1002-0640（2015）11-0115-05

2014-09-05

2014-10-27

航空发动机刚度非线性转子动力学特性与参数识别研究基金资助项目（51175509）

张海涛（1990- ），男，安徽阜阳人，硕士研究生。研究方向：金属材料疲劳裂纹扩展机理及裂纹扩展监测。