月球着陆器无损检测方法研究

郑阔海，杨生胜，苗育君，李存惠，王鹢，文轩

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

月球着陆器无损检测方法研究

郑阔海，杨生胜，苗育君，李存惠，王鹢，文轩

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

分析了着陆器受着陆冲击可能的损伤模式，提出了采用脉冲涡流无损检测的方法对着陆器着陆前后的状态变化进行在线检测，研制了无损检测探头，并通过试验测试验证了方法的可行性；针对空间应用时较大的温度变化导致损伤信号因温漂难以识别问题，提出了温度传感器配合无损检测探头同时工作，对检测数据进行温度补偿，利用补偿后的检测数据随温度线性变化的关系，检测数据对应曲线等截距的特点，通过检测曲线的截距描述温度变化时的损伤状态，使得该测试方法具备了工程应用价值。

无损检测；脉冲涡流；TMR；着陆器

0　引言

伴随着我国“嫦娥”计划三步走战略的实施，探月二期嫦娥三号已实现月表软着陆，但对于探月三期的着陆返回，软着陆缓冲机构的设计依然面临着挑战。为适应“嫦娥”工程技术需求，对着陆器用铝蜂窝等缓冲材料进行了高低温冲击实验研究[1]；以动力学方程为基础，通过建模，分析了影响着陆性能的因素[2]。上述研究工作着眼于着陆器的结构设计，如果能够设计一种传感器，布置在着陆腿与着陆器连接的易受冲击的部位，对着陆器着陆过程中所受冲击引起的结构状态变化进行在线检测，所检测的数据对于着陆缓冲机构设计将具有重要的参考价值。采用脉冲涡流无损检测的方法，对着陆过程中可能引起的铝蜂窝板的形变量以及铝蜂窝板内金属埋件的位移量的可检测性进行了研究，并对使用过程中，因空间温度大幅度变化情况下的数据判读方法进行了探讨。

1　无损检测传感器构成

得益于磁性传感器TMR（Tunneling magneto-re⁃sistance）的发展，使得电涡流无损检测技术可以实现甚低频条件下的高分辨率检测[3-6]。图1为基于TMR磁传感器的脉冲涡流无损检测原理框图，以高磁导率的坡莫合金为磁芯，提高线圈的励磁能力，采用矩形线圈进行励磁，可获得较大范围的均匀磁场，方便TMR磁传感器的阵列化布局。针对着陆器测试应用，以着陆器被检测部位着陆前状态测试数据为参考数据，通过将着陆后获得的测试数据与参考数据进行差分，利用差分数据的峰值描述着陆器受着陆冲击的损伤程度。

图1　TMR磁传感器脉冲涡流无损检测框图

2　检测方法

2.1损伤模式

着陆腿与着陆器连接部位的铝蜂窝被用来作为月表着陆的缓冲材料，依靠其结构变形来吸收着陆冲击能量，从而达到软着陆目的[7-8]；同时还是着陆器的重要支撑结构，其内部埋有不同用途的金属埋件。在着陆过程中，着陆冲击会造成铝蜂窝板蒙皮的形变，大的冲击还可能造成内部金属埋件的相对位移，如图2所示，为内部有埋件的铝蜂窝板示意图。将铝蜂窝板受着陆冲击可能的损伤模式定义为：（1）铝蜂窝板的形变，指铝蒙皮受着陆冲击产生的形变，在A点测试，A点无内埋件；（2）铝蜂窝板内部埋件的位移，指内部金属埋件受着陆冲击导致的相对位置变化，在B点测试，B点位于内埋件正上方。

图2　带有埋件的铝蜂窝板试样图

2.2传感器布局

由2.1可知，着陆器结构受着陆冲击可能的损伤模式有蜂窝板的形变和内嵌金属件的相对位移。为了实现两种损伤模式的同时检测，采用3× 3TMR布局模式。如图2所示，假定铝蜂窝板内嵌金属件为长条形，截面为边长10 mm的正方形，长度是TMR探头尺度的5倍，三排TMR相对内埋件的位置如图3所示。

图3　TMR布局

第一排TMR定义为TMR1～3，远离金属内埋件，也即位于A点，用来检测铝蜂窝板的形变损伤；第二排和第三排分别定义为TMR4～6和TMR7～9，分别位于内嵌金属件的两个边缘，即B点，用来检测金属件受着陆冲击引起的相对位移。通过综合分析9路TMR的检测结果，区分损伤模式。

3　试验

3.1试验仪器和设备

该传感器采用日本NF公司生产的BP4610脉冲电源为线圈供电，电流700 mA，频率50 Hz，占空比1∶1；阵列化TMR采用3×3设计，采用Agilent E3631A直流电源供电，考虑到空间应用的可行性，减少线缆数量，利用多路复用器进行通道控制；通过NI PXIe-6368数据采集卡和Labview进行数据采集、存储、处理和显示，采样率200 kS/s；样品台采用非导电材料制作，以避免感生出杂散涡流对测量产生影响，样品台可控制TMR探头在三个方向进行移动，移动精度50 μm。

3.2试验方法

考虑到加工铝蜂窝板形变样本工艺的复杂性，为了操作方便，同时保证数据的有效性，进行形变量测试时方法：（1）利用样品台控制TMR探头至A点，保持相对位置不变，获取参考数据；（2）利用样品台控制TMR探头沿Z向（垂直蜂窝板方向）运动一定距离，如0.15 mm，获取检测数据；（3）将检测数据与参考数据求差分，获得该条件下的差分数据，以差分数据的峰值作为该条件下的检测值；（4）如此反复，获得不同检测值随距离的关系曲线。

将获得的曲线作为TMR探头检测能力的标准数据，在进行未知形变量测试时，将各路TMR检测值与曲线进行对标，这样通过阵列化的TMR数据就可了解蜂窝板的形变情况。

在进行内埋件位移量测试时，利用样品台控制TMR探头至B点，并控制TMR探头沿垂直内埋件长度方向移动，获得不同位移量下的检测值随位移量的曲线（沿内埋件长度方向移动时涡流变化不明显，在这里不做讨论）。通过各路TMR检测幅值的变化，可获得内埋件受着陆冲击前后状态的变化情况。

在对着陆器进行在轨测试时，着陆前需要开机工作一次，获得参考数据，着陆后择机开机一次，获得检测数据，两次数据的差分值的峰值用于描述着陆器受着陆冲击影响引起的状态变化。通过将各路TMR实测数据与曲线数据进行比对，获得着陆器状态变化的定性描述。

3.3试验结果

图4和图5分别是形变测试和位移测试结果。从图中可以看出，对于形变测试，9路TMR检测值均为负；对于位移测试，9路TMR检测值均为正，所以利用检测值的符号可有效区分损伤模式。同时无论是形变测试，还是位移测试，各排TMR检测结果近似一致，三排TMR检测结果趋势一致，且近似呈线性变化，各路TMR的检测分辨率优于0.2mm。所以，该检测方法用于嫦娥着陆器受着陆冲击损伤检测是可行的。三排TMR检测结果曲线呈辐射状分布，这与探头的结构有关：探头采用矩形线圈，TMR1～3和TMR7～9分别位于线圈两端，TMR4～6位于线圈中间，且垂直磁场方向分布；根据螺线管的磁场分布，中间区域磁力线较为集中，感生涡流能力较强，两端磁力线分布相对发散，感生涡流能力相对较弱，从而导致三排TMR检测结果呈辐射状分布。在测试过程中发现，采用“⊓”形状的磁芯绕制线圈，且通过对磁芯两端“弯曲”的设计优化，可起到磁透镜的作用，将磁力线约束在待检测区域，有利于提高探头的检测能力。

图4　形变测试曲线图

从图6可以看出，尽管TMR1～3和TMR7～9呈对称分布，但检测结果却存在较大差异，这是因为目前绕制线圈尺寸较小，磁均匀区域有限，尤其线圈两端磁场分布存在差异的结果。将TMR数据归一化，则利用9路TMR的阵列化检测数据可较直观的获得损伤的分布情况；如果能够增大线圈的磁均匀区域，同时增大TMR的分布密度，则可实现磁成像无损检测。下一步的工作，将着力提高线圈的磁均匀区域面积，同时保证探头的轻便化进行研究，开发可用于磁成像无损检测的探头。

图5　位移测试曲线图

图6　阵列化TMR与线圈位置关系图

3.4空间应用研究

嫦娥着陆器在轨应用相对于地面最大的区别是：温度变化范围宽，可达数10℃。根据3.2节试验方法，着陆前工作一次，获得参考数据，着陆后工作一次，获得检测数据，着陆前后TMR探头开机工作温度变化较大，两次测试数据直接差分会引入因温度变化的影响，温度变化主要引起线圈磁芯材料磁导率的剧烈变化，从而导致线圈磁场随温度的较大变化，属于磁性材料研究范畴；如何选取磁导率相对恒定的低频磁性材料，将是下一步的工作，其影响可能导致有效的损伤信号无法识别。为保证TMR探头检测数据的有效性，针对着陆器舱内工作温度范围（-20～50℃），对TMR探头进行了温度试验，并获得了新的数据判读方法。

试验用SETH-Z-020型恒温箱，变温速率3℃/ min，温度范围-20～55℃，试验中以氮气作为保护气。试验方法为：（1）将TMR探头、铝蜂窝样本和样品台同时置入恒温箱内；（2）以TMR探头位于内埋件正上方作为初始位置并进行固定，通过样品台控制TMR探头相对铝蜂窝样本位移1 mm；（3）关闭舱门升温，每个测试点保温30 min后测试并保存数据；（4）重复1～3获得不同位移量随温度变化的数据。

为了消除温度的影响，引入了新的数据处理方法：沿线圈磁场方向（图7）将TMR分为三排，取中间TMR作为参考TMR，两侧TMR作为测量TMR。数据差分运算方法为：各测量TMR分别与相应的参考TMR求差分，取其幅值，再对获得的6个幅值求平均，所得结果作为该温度、该位移下的测试值。图7为TMR探头温度试验结果。

图7检测结果随温度变化曲线图

图7引入新的数据处理方法后，TMR探头与内埋件发生相对位移时，检测幅值随温度呈线性变化，且各曲线斜率一致；同一温度下，不同位移量检测幅值呈等差变化。根据这一特性，设曲线斜率为k，截距为D，检测幅值为V，温度为T，则有：

式（2）-（1）可得：

式中：ΔT为着陆前后的温度变化量；VΔT为着陆前后TMR探头检测幅值的差值；k为常数（由地面标定试验获得），所以ΔD是可测量的。根据截距的等差特点，由ΔD即可获得受着陆冲击影响铝蜂窝板内金属埋件的相对位移量。

分析可知，在进行着陆器受着陆冲击无损检测时，TMR探头需配合温度传感器一起使用，根据当前测试数据，当着陆前后温度变化＜5℃（实验室温度变化范围）时，可直接对着陆前后数据进行差分，获得着陆冲击的影响数据；当着陆前后温度变化＞5℃时，通过引入上述新的数据判读方法，亦可获得着陆冲击的影响数据。

所以利用TMR探头对着陆器铝蜂窝结构内部埋件受着陆冲击发生的状态变化进行在轨测试，用于描述着陆冲击的影响的检测方法是可行的。

4　结论

首先分析了嫦娥着陆器铝蜂窝板受着陆冲击可能产生的损伤模式，研制了TMR脉冲涡流无损检测探头，完成了对铝蜂窝板形变及内部埋件的测试，探头测试精度优于0.2 mm。针对到空间应用时较宽的温度变化范围，通过对TMR探头进行温度试验，获得了新的数据判读方法；可以预计，TMR探头结合温度传感器一起使用，对着陆器进行无损检测，将获得最佳效果。

在TMR探头的测试过程中，发现了许多有待解决的问题，如未充分考虑到激励线圈磁芯磁导率随温度变化对测试结果的影响；如何优化线圈的绕制工艺，提高线圈磁均匀区域，方便阵列化TMR的布局，同时保持探头的轻量化和便携性；基于TMR的磁成像无损检测技术信号处理方法等。这将是接下来的工作重点，以满足我国航天发展的需求。

[1]王少纯，邓宗全，高海波，等.月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究[J].航空材料学报，2004，24（2）：53-56．

[2]陈金宝，万峻麟，李立春，等.月球探测器着陆性能若干影响因素分析[J].宇航学报，2010，31（3）：669-673.

[3]Wincheski B，Yu F，Simpon J，et al.Development of SDT sen⁃sor based eddy current probe for detection of deep fatigue cracks in multi-layer structure[J].NDT&E International，2010，43（8）:718-725.

[4]Bratland T，Caruso M，SchneiderR，etal.Anew perspective on magneticfield sensing[J].SensorsMagazine，2008，12：1-19.

[5]Jander A，Smith C，Schneider R.Magnetoresistive sensors for nondestructive evaluation[C]//Nondestructive Evaulation for Health Monitoring and Diagnostics.International Society for Opticsand Photonics，2005:1-13.

[6]Rempt R D.Using magnetoresistive（MR）sensors for a sensi⁃tivity quantum leap in aircraft nondestructive evaluation（NDE）[C]//Proc SPIE，2005:32-45.

[7]韩鸿硕，王一然，蒋宇平，等.国外深空探测器着陆缓冲系统的特点和应用[J].航天器工程，2012，21（6）：7-24.

[8]郑阔海，杨生胜，李存惠，等.航天器在轨无损检测技术研究[J].真空与低温，2016，22（1）：16-22.

INVESTIGATION ON THE METHOD OF NONDESTRUCTIVE TESTING FOR LUNAR LANDER

ZHENG Kuo-hai，YANG Sheng-sheng，MIAO Yu-jun，LI Cun-hui，WANG Yi，WEN Xuan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The paper analyzed the defect patterns of the lunar lander impacted by landing，and advised that developing on-line nondestructive testing to diagnose the lander before and after landing by using pulsed eddy current method，the method was conformed feasibly through experiments.For the damages mis-recognition caused by temperature drifting in the space wide temperature scope，it is suggested that the data could be compensated by the cooperation of the probe and the temperature transducer，and the compensated data vary linearly，the intersect varied regularly.The state changes could be recognized by the variation of the intersection curve Vs temperature，thus the method exhibited potential engineer values.

nondestructive test；pulsed eddy current；TMR；lunar lander

V19

A

1006-7086（2016）05-0208-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.007

2016-04-05

郑阔海，（1979-），男，河南保定人，博士，高级工程师，从事空间环境效应及防护技术研究。E-mail：zkh_79@163.com。