飞机铆接结构缺陷的远场涡流检测技术研究*

2017-11-03杨宾峰胥俊敏王晓锋曹海霞

传感技术学报 2017年10期

关键词：远场涡流屏蔽

杨宾峰,胥俊敏,王晓锋,曹海霞

(空军工程大学信息与导航学院,西安 710077)

项目来源:国家自然科学基金项目(51377172);陕西省自然科学基础研究计划项目(2015JM5147)

2017-02-22修改日期2017-07-05

飞机铆接结构缺陷的远场涡流检测技术研究*

杨宾峰*,胥俊敏,王晓锋,曹海霞

(空军工程大学信息与导航学院,西安 710077)

飞机机身铆接结构中缺陷的检测评估是目前航空和无损检测领域中的研究难点。远场涡流检测技术因其不受集肤效应的限制从而可以实现对大厚度构件的检测。设计了一种激励线圈带多层屏蔽结构的传感器模型,在非磁性金属平板构件上实现了远场涡流现象。采用旋转式扫描的检测方法对铆接结构中缺陷进行检测,结果表明,检测线圈在经过缺陷正上方时其相位出现极小值,并且该极小值与缺陷深度之间存在线性关系,从而验证了将远场涡流检测技术应用于铆接结构中缺陷检测的可行性。

远场涡流;铆接结构;传感器设计;定量检测

由于特殊的工作环境,机身铆接结构会承受巨大的应力,因此极易在其结构内部产生疲劳裂纹,从而给飞行安全带来严重的隐患。如何实现对铆接结构中缺陷的检测,是无损检测领域中面临的难点问题。传统的无损检测技术难以从飞机结构外部检测到其内部缺陷,超声检测无法穿透多层结构[1],声发射技术检测信号易受干扰[2]。基于GMR的无损检测方法精度高,但是仪器成本昂贵[3]。传统的涡流检测,包含脉冲涡流检测技术均不可避免地受到集肤效应的影响[4-5],限制了其对深层缺陷的检测能力。漏磁技术只用来检测铁磁性材料[6],难以检测飞机结构中的非磁性构件。

远场涡流检测技术不受集肤深度的限制,对内外壁缺陷具有相同的检测灵敏度,在铁磁性管道裂纹缺陷的检测中有着广泛的应用[7-9]。近年来,有学者指出,通过传感器结构的改进设计,传统远场涡流检测技术也可用于金属平板构件上缺陷的检测。Wang等人设计了不同结构的激励线圈,成功在平板构件上实现了远场涡流效应[10]。Yang等人近年来对脉冲远场涡流技术进行了深入研究,设计了可用于检测铁磁性管道以及非磁性构件的远场涡流传感器[11-16]。目前,将远场涡流技术应用于铆接结构中缺陷检测的研究还相对较少,由于受专利保护的影响,目前公开的资料中并没有给出铆接结构远场检测中,磁场直接耦合分量是如何进行衰减和屏蔽的,而这些问题又是铆接结构缺陷远场涡流检测的关键之所在。

本文在前期研究的基础上,借鉴国内外相关学者的研究成果,通过给激励线圈加装屏蔽结构,从而有效阻碍了磁场直接耦合分量的传播,使得该传感器实现了对铆接结构缺陷的远场检测效果,从而为飞机机身多层铆接结构缺陷的定量无损检测提供了新途径。

1 铆接结构远场涡流检测的技术原理

传统远场涡流传感器由激励和检测线圈构成,两者之间一般保持2至3倍管径的距离。激励线圈产生的信号可分为两个部分。一部分在管内传播,称为直接耦合分量,另一部分穿透管壁,受管壁的聚集作用,沿着管壁外侧向前传播,称为间接耦合分量。直接耦合分量受到管壁上感应涡流的衰减而迅速减小,间接耦合分量由于在空气中传播,衰减较慢。在近场区,直接耦合分量强于间接耦合分量而穿出管外;在远场区,间接耦合分量强于直接耦合分量因而其再次穿透管壁向内传播,称为“二次穿透”现象。通过在远场区放置检测线圈,便可提取出间接耦合分量穿透管壁而带来的缺陷信息。

多层平板铆接结构由于不具备管道的屏蔽作用,无法实现对直接耦合分量的抑制,当激励与检测线圈放置于平板表面同一侧时,穿透平板向下传播的场(间接耦合分量)会一直弱于板上场(直接耦合分量),无法实现“二次穿透”。分析可知,通过给激励线圈加装屏蔽结构,来阻碍直接耦合分量的传播,使得板下场在经过一段距离后能够强于板上场,从而穿透平板到达检测线圈,实现远场涡流现象,其原理图如图1所示。

图1 铆接结构远场涡流检测示意图

图2 传感器模型

2 探头设计的仿真研究

本文采用有限元仿真软件ANSYS进行建模仿真,建立如图2所示的带屏蔽结构的传感器模型,其激励线圈位于铆钉孔的正上方,激励线圈高度为6 mm,厚度为2 mm,内径为6 mm,外径为8 mm,匝数为200匝。检测线圈高度为2 mm,厚度为1 mm,内径为0.5 mm,外径为1.5 mm,匝数为800匝。铆接结构平板长度为120 mm,宽度为120 mm,总厚度为4 mm,被测材料为铝。激励线圈外加装三层铁磁性屏蔽结构,这是由于远场涡流所采用的激励频率较低,单层屏蔽很难实现较好的屏蔽效果,因此,需加装多层屏蔽来衰减磁场直接耦合分量。

根据前期研究结果,对传感器结构进行改进设计后,还需对激励频率进行优化选择。分别对300 Hz～1 000 Hz范围内的激励频率进行仿真,得到不同激励频率下的幅值和相位特性曲线,结果如图3所示。从图中可以看出,在频率较低时,幅值特性曲线不存在拐点,相位特性曲线没有突变,说明没有产生远场检测效果。随着激励信号频率的增加,幅值拐点以及相位突变现象越来越明显。当激励信号频率达到1 000 Hz时,幅值拐点与相位突变最明显。

图4为检测线圈在距离激励线圈35 mm～45 mm的范围内以1 mm为步进进行更为精细的移动扫描时得到的幅值和相位特性曲线。

图3 不同激频率下的特性曲线

图4 1 000 Hz正弦激励时的特性曲线

从图4可以清晰地看出幅值拐点以及相位突变,从而证明了1 000 Hz正弦激励下的带屏蔽结构传感器能够在铆接结构平板上形成远场涡流现象。此拐点和突变只是证明了远场效应的产生,并无其他意义。

3 缺陷的定量检测

采用旋转式扫描的方法对铆接结构中的缺陷进行检测,将激励线圈套在铆钉帽的正上方,以其为轴进行360°旋转,当检测线圈扫描经过缺陷正上方时,由于缺陷对涡流的扰动,检测信号在此处会出现一个极值,提取此特征量便可实现对铆接结构平板上缺陷的检测,示意图如图5所示。

图5 旋转式扫描示意图(俯视图)

为了研究带屏蔽结构传感器对缺陷的检测能力,在铆接结构附近建立一个长度为30 mm,宽度为2 mm,深度分别为1 mm、2 mm和3 mm的表面裂纹缺陷。采用远场涡流对非磁性构件中缺陷检测时,检测信号的扰动更多来源于缺陷对涡流的扰动,因此将检测线圈与激励线圈正交放置,分别得到检测线圈相对缺陷处于5°、2.5°、0°、-2.5°、-5°的结果,用来模拟旋转式扫描的检测方法,结果如图6所示。从图中可以看出,当检测线圈经过缺陷正上方时,检测信号相位存在极小值,证明带屏蔽结构的传感器可以实现对铆接结构中缺陷的检测。

图6 不同深度铆接缺陷的扫描检测结果

图7 缺陷深度的定量检测

为了进一步研究检测信号相位与缺陷深度之间的关系,绘制出检测信号相位与缺陷深度之间的关系图,结果如图7所示。从图中可以看出,检测信号相位与缺陷深度之间存在线性关系,提取该特征量可以实现对铆接结构中裂纹深度的定量检测。

4 结论

本文将远场涡流检测技术应用于铆接结构中缺陷的检测,设计了激励线圈带屏蔽结构的远场涡流传感器。仿真结果表明,该远场涡流传感器可以在铆接结构中实现远场涡流现象。采用旋转式扫描的方法对铆接结构中的缺陷进行了检测。结果表明,当检测线圈扫描经过缺陷正上方时,检测信号的相位存在极小值,此极小值与缺陷深度之间存在着线性关系,提取该特征量可以对裂纹深度进行定量检测。

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ResearchonRemoteFieldEddyCurrentTechniqueAppliedtoInspectRivetedStructure*

YANGBinfeng*,XUJunmin,WANGXiaofeng,CAOHaixia

(School of Information and Navigation,Air Force Engineering University,Xi’an 710077,China.)

The detection and evaluation of defects in aircraft fuselage riveted structure is one of the most difficult problem in the field of nondestructive testing. Remote field eddy current testing is not limited by the skin effect and can be used to detect the defects in large thick plate. In this work,remote field eddy current phenomenon is achieved in the non-magnetic metal plate after designing the excitating coil of the probe with multilayer shielding structure. The probe can be used to detect defects in riveted structure by rotary scanning method. Simulation results show that the phase has a minimal value as the detection coil is just at the top of the defect,and there is a linear relationship between the phase and the depth of the defect. Research result verifies the feasibility of remote field eddy current testing in riveted structures.

remote field eddy current;riveted structure;probe design;quantitative detection

TG115.28

1004-1699(2017)10-1493-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.10.007