柔性渦流陣列傳感器孔邊裂紋監測技術

樊祥洪，緱百勇，陳濤，何宇廷，崔榮洪，喻健

(空軍工程大學 航空工程學院，西安 710038)

金屬結構作為主要承力結構，在飛機、高鐵等重型設備中發揮著中流砥柱的作用。然而金屬結構在復雜惡劣的環境下服役，極易引入損傷（如疲勞裂紋、腐蝕等）。關鍵部位若存在損傷未及時發現極易引發災難性的后果。為確保結構的安全，需要定期對結構進行無損檢測并對損傷部位進行修理。提高維修的經濟性，則需要采用視情維修策略。作為視情維修技術關鍵核心在于對結構進行結構健康監測。

結構健康監測技術就是通過在結構上布置先進傳感器來監測表征結構健康狀態的參數（如溫度、應變、腐蝕、裂紋和振動等），通過數據采集和處理分析結構的健康狀態，給出結構的維修計劃[1-2]。由此，可以看出傳感器技術起著重要的作用。傳感器性能的優劣決定著整個結構健康監測系統功能的好壞。目前，結構健康監測技術采用的傳感器有智能涂層傳感器[3]、比較真空度傳感器[4]、光纖傳感器[5]、應變傳感器[6]、超聲導波傳感器[7]和渦流傳感器[8]等。各傳感器有著自己的優缺點和適用范圍。智能涂層傳感器可以監測金屬和非金屬表面裂紋的萌生和擴展，但是涂層工藝要求較高，如物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）薄膜傳感器，可以定量監測裂紋，裂紋監測精度可小于1 mm，但是該傳感器用于帶螺栓孔板具有較大的挑戰[9]。比較真空度傳感器可以定量監測表面裂紋，裂紋監測精度可達1 mm，但是對于工作在高壓應力狀態下具有較大的挑戰性。光纖傳感器具有很好的形狀適應性，可以監測復雜結構，但是該傳感器受環境干擾較大，容易引入“虛警”和“誤警”。應變傳感器可以根據應變的變化來判斷裂紋的產生，該傳感器價格便宜、安裝方便，但是對于微小裂紋的萌生和擴展不靈敏。超聲導波傳感器具有監測范圍大、監測效率高的優良特點，在復合材料監測上應用廣泛，但是該傳感器對于復雜結構，尤其是多孔結構具有較大的挑戰性。

渦流傳感器作為一種常規的無損檢測傳感器具有眾多優良特點，既可以作為無損檢測傳感器使用，又可以用于結構健康監測。其中，柔性渦流陣列傳感器具有質量輕、柔性可彎曲的優良特點，在結構健康監測領域具有廣泛的應用前景。不少研究者對其開展了深入的研究，如美國JENTEK Sensor公司的Goldfine 等[10]提出了一種蜿蜒狀繞組磁力計（meandering winding magnetometer, MWM）傳感器，開展了大量的研究，Schlicker[11]提出了含有多個MWM 陣列的新型傳感器，研究了基于該傳感器的結構掃描成像技術。

螺栓連接結構作為結構的重要承力結構，孔邊作為應力集中部位，極易產生疲勞裂紋。“斯坦福大學的”刪除。Rakow 和Chang[12]開發了一種SHM螺栓，其由一個渦流傳感器薄膜和螺栓集成而成，主要用于螺栓孔壁的裂紋監測，雖然SHM 螺栓能承受較大的載荷，但是該型傳感器的靈敏度不高，容易受到環境因素的影響。何宇廷等[13-15]開展了大量柔性渦流陣列傳感器的研究，針對孔邊裂紋監測問題，提出了一種花萼狀的柔性渦流陣列傳感器并建立傳感器解析模型和半解析模型，文獻[16]提出了一種用于孔邊裂紋監測的同向激勵布局柔性渦流陣列傳感器，文獻[17]提出了提高裂紋監測靈敏度的方法，但是未考慮對帶有螺栓的孔邊進行監測。

綜上，本文從提高柔性渦流陣列傳感器抗壓力性能的角度，提出了一種采用雙面補強并含參考通道的柔性渦流陣列傳感器。首先，通過COMSOL有限元軟件建立傳感器與被測結構的有限元模型，分析提離距離、墊片磁導率對傳感器輸出信號的影響規律及傳感器對裂紋識別的靈敏度。然后，根據傳感器仿真模型尺寸制備帶補強和不帶補強2 種傳感器，開展擠壓實驗和在線疲勞裂紋監測實驗，驗證該傳感器具有螺栓孔邊裂紋定量監測能力。

1 裂紋監測原理

1.1 帶雙面補強的柔性渦流陣列傳感器

常規柔性渦流陣列傳感器由激勵線圈和感應線圈陣列組成，采用柔性印刷技術將激勵線圈和感應線圈印制在柔性基底上，如圖1 所示。

圖1 柔性渦流陣列傳感器示意圖Fig.1 Schematic diagram of flexible eddy current array sensor

本文在此基礎上，通過在前端監測區域上下添加補強片，提高傳感器的抗壓能力，如圖2 所示。

圖2 帶雙面補強的柔性渦流陣列傳感器Fig.2 Flexible eddy current array sensor with double-sided reinforcement

根據連接結構孔邊的受力特性可知，與載荷方向垂直的左右兩側區域應力較為集中，該部位是產生疲勞裂紋的危險部位。因此，在對疲勞裂紋監測時，只需要監測該部位。本文設計的雙面補強的柔性渦流陣列傳感器共有7 個感應通道，左右兩側各3 個感應通道，上面有1 個感應通道，該通道是參考通道，用于消除環境對傳感器輸出信號的影響，具體示意圖如圖3 所示。激勵線圈按從內向外的順序分別定義為激勵線圈1、激勵線圈2、激勵線圈3 和激勵線圈4。

圖3 帶參考通道的柔性渦流陣列傳感器Fig.3 Flexible eddy current array sensor with reference channel

1.2 傳感器工作原理

柔性渦流陣列傳感器的工作原理基于電磁感應定律。通過給激勵線圈施加交流電時，激勵線圈會在空間中產生交變磁場。當傳感器靠近金屬導體時，根據電磁感應定律，在導體上會產生與激勵電流方向相反的渦流。本文采用的激勵電流頻率較高，達到1 MHz。可以近似認為渦流分布在被測試驗件表面，且渦流流動方向與激勵電流方向相反。

當孔邊有裂紋產生時，由于介質的不連續性，位于激勵線圈下方的渦流會沿著裂紋尖端流動，進而形成一個擾動磁場，而感應線圈感應的是激勵磁場、渦流磁場和擾動磁場三者之間的矢量和，當裂紋產生時，傳感器的感應通道信號就會發生變化。因此，通過信號的變化來判斷裂紋的萌生及擴展情況。根據圖4 可以看出，裂紋產生在左側區域，同時，裂紋擴展穿過了左側感應通道1，到達了左側感應通道2。此時，左側感應通道1 和左側感應通道2 的信號會發生變化。

圖4 裂紋擴展示意圖Fig.4 Schematic diagram of crack propagation

2 仿真分析

帶雙面補強的柔性渦流陣列傳感器用于螺栓孔邊進行裂紋監測時，傳感器的提離距離和螺栓的電磁特性（電導率、磁導率）都會影響傳感器的輸出信號。本節建立傳感器的有限元模型，分析提離距離、墊片磁導率和墊片電導率對傳感器輸出信號的影響。

2.1 二維有限元模型

本文采用COMSOL 軟件有限元，通過二維軸對稱建立傳感器與被測試驗件之間的有限元模型，如圖5 所示。

圖5 傳感器仿真模型Fig.5 Sensor simulation model

該模型主要由激勵線圈、感應線圈、被測金屬件、螺栓、螺母、墊片和空氣組成。螺栓、螺母及墊片采用的鐵磁性材料，相對磁導率設置為2 000，激勵線圈與被測金屬件之間的間距定義為提離距離lift-off，考慮到傳感器雙面PI 補強片的厚度一樣，因此，設感應線圈與墊片表面之間的間距為liftoff。主要仿真參數如表1 所示。

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

2.2 仿真結果與分析

在COMSOL 有限元軟件的后處理模塊中作出傳感器附近區域渦流分布圖，如圖6 所示。

根據圖6 可以看出，由于激勵頻率較高，金屬導體表面產生的渦流密度受趨膚效應的影響，渦流集中在激勵線圈下方。將傳感器的提離距離作為掃描參數，作出感應通道輸出電壓隨提離距離變化的趨勢圖，如圖7 所示。

圖6 試驗件剖面渦流分布圖Fig.6 Eddy-current profile of test piece

圖7 感應電壓隨提離距離變化趨勢Fig.7 Trend of induced voltage with lift-off

根據圖7 可知，3 個感應通道中，感應通道3 的感應電壓最大，其次是感應通道2，最小的是感應通道1。這主要是由于感應通道3 位于傳感器最外通道，所圍成的面積最大，穿過的磁通量最大。因此，在相同頻率變化條件下，感應通道3 的感應電壓最大。3 個通道隨著提離距離的增加，感應電壓逐漸增大。以螺栓、墊片和螺母的相對磁導率為掃描參數，作出傳感器感應通道輸出電壓隨相對磁導率的變化趨勢圖，如圖8 所示。

圖8 感應電壓隨相對磁導率的變化趨勢Fig.8 Trend of induced voltage with relative permeability

根據圖8 可知，隨著相對磁導率的增加，感應電壓逐漸增加，當相對磁導率增加到1 000 時，感應電壓近似保持不變。

2.3 裂紋擴展仿真分析

通過建立傳感器的二維仿真模型，分析感應電壓和提離距離對傳感器感應通道輸出電壓的影響。本節建立傳感器與裂紋擴展的耦合模型，分析裂紋擴展過程中對傳感器輸出信號的影響，具體仿真模型如圖9 所示。

圖9 傳感器三維仿真模型Fig.9 Sensor simulation model

考慮到傳感器的激勵頻率較高，渦流的趨膚深度較小。為提高有限元模型計算效率，將螺栓簡化為圓柱體，在激勵線圈和感應單元上方加上墊片。因此，該仿真模型主要由激勵線圈、感應線圈、被測試驗件、簡化后的螺栓及墊片組成。通過在孔邊預制一條寬度為0.2 mm 的裂紋，傳感器的提離距離設置為0.1 mm。將裂紋的長度作為掃描參數，通過控制裂紋的長度來模擬裂紋的擴展過程。

2.4 傳感器裂紋識別靈敏度

通過COMSOL 有限元軟件的后處理，計算穿過感應通道磁通量對時間的導數，即感應電壓為

本文定義傳感器的跨阻抗為感應電壓與激勵電流之比：

當裂紋向右擴展依次傳感器3 個感應通道時，3 個感應通道對裂紋識別的靈敏度變化趨勢如圖10所示。

圖10 裂紋識別靈敏度變化趨勢圖Fig.10 Variation trend of crack identification sensitivity

根據圖10 可知，當裂紋未擴展至激勵通道1 時，傳感器3 個感應通道對裂紋識別的靈敏度保持不變，當裂紋擴展穿過感應通道1 時（裂紋長度為1 mm），其靈敏度開始呈現上升趨勢，此時，感應通道2 和感應通道3 對裂紋識別的靈敏度沒有開始發生變化。當裂紋繼續擴展穿過激勵線圈2 時（裂紋長度為2 mm），感應通道2 的靈敏度開始發生變化，此時感應通道3 的靈敏度未發生變化，當裂紋繼續擴展穿過激勵線圈3 時，感應通道3 的靈敏度開始發生變化。同時，感應通道1 對裂紋識別的靈敏度最大，靈敏度為5.6%；其次是感應通道3，靈敏度為4.6%；最小的是感應通道2，靈敏度為2.9%。且在裂紋擴展過程中，傳感器各個感應通道之間相互獨立，未出現一個感應通道的變化引起另一個感應通道裂紋識別靈敏度的變化。因此，可以根據各個感應通道靈敏度開始變化的先后順序對裂紋的擴展情況進行定量監測。同時，裂紋識別的精度等于傳感器激勵線圈之間的間距，即等于1 mm。

通過COMSOL 有限元軟件的后處理模塊作出裂紋擴展過程中，被測金屬件表面渦流的流動狀態，如圖11 所示，裂紋長度用a 表示。

圖11 裂紋擴展對渦流的擾動作用Fig.11 Effects of crack growth on eddy currents

根據圖11 可知，在激勵線圈下方的被測試驗件會產生與激勵電流方向相反的渦流，激勵線圈1 和激勵線圈3 下方的渦流沿著逆時針方向流動，激勵線圈2 和激勵線圈4 下方的渦流沿著順時針方向流動。當裂紋未產生時，渦流集中在激勵線圈下方區域流動，當裂紋擴展至激勵線圈1 時，如圖11（b）所示，激勵線圈左側的渦流發生擾動，而激勵線圈1 和激勵線圈2 之間的區域沒有產生擾動渦流。隨著裂紋繼續擴展將有裂紋產生，因此，感應通道1 對裂紋識別的靈敏度會發生變化，而激勵線圈2 和激勵線圈3 之間、激勵線圈3 和激勵線圈4 之間沒有擾動渦流產生，因此，感應通道2 和感應通道3 的靈敏度不會發生變化。當裂紋擴展依次穿過了激勵線圈2 和激勵線圈3，感應通道2 和感應通道3 之間的靈敏度依次發生變化。根據圖11（i）可以看出，激勵線圈1 與激勵線圈2、激勵線圈3 和激勵線圈4 之間的擾動渦流明顯大于激勵線圈2 與激勵線圈3 之間的渦流。因此，感應通道1 和感應通道3 對裂紋識別的靈敏度大于感應通道2 之間的靈敏度。

根據仿真結果可知，將傳感器置于墊片下方可以定量監測裂紋的擴展，且裂紋監測精度與激勵線圈之間的間距一致。

3 實驗驗證

為驗證本文傳感器具有孔邊裂紋監測能力，依據仿真尺寸制備了帶雙面補強的柔性渦流陣列傳感器，通過MTS 疲勞試驗機加載，開展在線疲勞裂紋監測實驗，加載應力為180 MPa，頻率為20 Hz，螺栓的直徑為12 mm。根據《航空制造工程手冊》[18]，該直徑的螺栓施加的最大擰緊扭矩值為63 N·m。為了驗證該傳感器在結構的極限狀態下工作情況，先開展了預緊力大小對帶補強傳感器和不帶補強傳感器耐擠壓對比實驗。施加范圍為20～63 N·m，步長為5 N·m，實驗現場如圖12 所示，實驗結果如表2 所示。

圖12 傳感器擠壓實驗Fig.12 Sensor extrusion experiment

表2 擠壓實驗結果Table 2 Results of extrusion experiment

根據實驗結果可知，隨著螺栓擰緊扭矩增大，不帶補強的傳感器各個感應通道發生破壞（線圈斷裂），而采用補強的傳感器在63 N·m 的螺栓擰緊扭矩下依然可以正常工作。因此，在對螺栓孔孔邊裂紋進行監測時，需要采用帶補強的柔性渦流陣列傳感器。

3.1 實驗系統

該系統由帶雙面補強的柔性渦流陣列傳感器、信號源、功放模塊、運放模塊及信號采集與處理系統組成，具體連接方式如圖13 所示，實驗現場如圖14 所示。為考察傳感器在極限狀態下是否正常工作，螺栓的擰緊扭矩施加為63 N·m。

圖13 疲勞裂紋在線監測系統Fig.13 On-line fatigue crack monitoring system

圖14 在線疲勞裂紋監測實驗現場Fig.14 Experiment site of online crack monitoring

3.2 實驗結果

當裂紋依次穿過各感應通道時，傳感器的感應通道信號發生變化。作出傳感器各感應通道隨裂紋擴展的靈敏度變化趨勢圖，如圖15 所示。

根據圖15 可知，當裂紋擴展至感應通道1 時，感應通道的信號開始發生明顯變化，感應通道2 和感應通道3 的信號未發生變化。隨著裂紋擴展至感應通道2 時，感應通道2 的信號開始變化，此時感應通道1 信號變化趨勢變緩，感應通道3 信號未發生變化。當裂紋擴展至感應通道3 時，感應通道3 的信號開始發生變化。可以看出，感應通道1 的裂紋識別靈敏度最高，約為2.8%，其次感應通道3 的裂紋識別靈敏度為1.2%，最小為感應通道2，約為0.8%。同時，整個靈敏度變化曲線有下降的趨勢，這是由于在加載過程中，螺栓孔邊受摩擦的作用，溫度有所升高，造成被測結構電導率和墊片相對磁導率變化，因此傳感器的輸出信號會發生微弱變化，該傳感器最大裂紋識別靈敏度為2.8%，而溫度對其影響為0.4%，因此該部分的影響不容忽略。

圖15 裂紋監測結果Fig.15 Crack monitoring results

本文針對這一問題設計了一個參考通道，該參考通道位于傳感器的正上方，如圖3 所示。由于該通道位于非應力集中區域，該處一般不會產生疲勞裂紋，該參考通道可以感應環境因素對其影響。因此，為消除環境因素對各感應通道輸出信號的影響，可以采用各感應通道靈敏度變化曲線與參考參考通道的靈敏度變化曲線相減求得。由此，可以得到經參考通道修正后的裂紋識別靈敏度變化，如圖16 所示。

根據圖16 可知，通過修正后的裂紋監測結果不影響傳感器對裂紋擴展的監測性能。感應通道1、感應通道2 和感應通道3 裂紋識別靈敏度分別為3.4%、1.5%和1.8%。各感應通道間的靈敏度大小關系相比于未修正的裂紋監測結果偏大。

圖16 通過參考通道修正的裂紋監測結果Fig.16 Crack monitoring results modified by reference channel

3.3 實驗結果分析

通過開展在線疲勞裂紋監測實驗，驗證了該傳感器可以通過安裝在墊片下方實現對孔邊裂紋的擴展進行實時監測。在監測過程中，傳感器未發生損壞，驗證了帶雙面補強的柔性渦流陣列傳感器具有抗壓能力，且能夠監測裂紋的萌生和擴展。當裂紋剛好擴展到激勵線圈1 時，感應通道1 的輸出信號開始發生變化，當裂紋擴展至激勵線圈2 時，感應通道2 的輸出信號發生變化，隨著裂紋繼續擴展至激勵線圈3 時，感應通道3 的輸出信號開始發生變化。因此，可以根據傳感器各感應通道輸出信號開始變化的點實現對裂紋擴展的定量監測，且裂紋監測精度與傳感器激勵線圈之間的間距一致，為1 mm。根據二維仿真模型可知，隨著提離距離的增加，傳感器感應線圈的感應電壓增加。在二維仿真模型后處理模塊中，計算激勵線圈下方區域渦流的大小隨提離距離變化趨勢，區域劃分如圖17 所示，計算結果如圖18 所示。

圖17 激勵線圈下方區域劃分Fig.17 Division of area below excitation coil

圖18 不同區域渦流大小隨提離距離變化趨勢Fig.18 Variation trend of eddy current size with lifting distance in different areas with lift-off

根據圖18 可以看出，隨著傳感器提離距離增加，激勵線圈下方4 個區域的渦流大小均呈現下降趨勢。由于提離距離較大，被測試驗件表面形成的渦流較小，當裂紋擴展穿過激勵線圈下方區域時，所形成的擾動渦流較小。因此，由擾動渦流形成的擾動磁場較小。綜合傳感器感應通道感應電壓增大及擾動渦流減小兩者因素，傳感器對裂紋識別的靈敏度較小，但是也不影響傳感器對孔邊裂紋的定量監測。

4 誤差分析

根據實驗結果和仿真結果對裂紋監測之間的差異，本節開展誤差分析。一方面，考慮到傳感器在安裝過程中受到墊片的擠壓，傳感器會發生變形傳感器與金屬表面之間的間距。另一方面，考慮到傳感器還有保護層、PI 補強板的厚度在安裝過程中需要采用PI 膠進行黏接，因此傳感器實際的提離距離會大于0.1 mm。根據圖7 和圖18 可知，隨著提離距離的增加，感應通道的感應電壓會增加，被測試驗件表面的渦流大小會減小。隨著裂紋的擴展，傳感器對裂紋識別的靈敏度會降低。因此，本文為了證明該結論，開展了仿真分析，分析提離距離在0.15 mm 和0.2 mm 下，傳感器對裂紋監測的靈敏度變化趨勢，如圖19 所示。根據仿真結果可以看出，隨著提離距離的增加，傳感器各感應通道對裂紋識別的靈敏度均呈現下降趨勢，對比實驗結果和仿真結果可以看出，在提離距離為0.15 mm時，傳感器對裂紋識別的實驗結果和仿真結果較為相近。因此，可以看出仿真結果和實驗結果的差異是由提離距離引入。但是，在實驗過程中，帶補強片的傳感器在裂紋擴展過程中，可以明顯引起傳感器感應通道信號的變化。因此，可以判斷由補強片引起的提離距離的增加并不嚴重影響傳感器對裂紋的識別和定量監測。

圖19 不同提離距離下裂紋識別靈敏度Fig.19 Sensitivity of crack monitoring at different lift-off

5 結 論

1）帶雙面補強的柔性渦流陣列傳感器具有較好的抗壓性能，傳感器在疲勞裂紋監測實驗過程中不發生破壞。

2）傳感器的參考通道可以有效消除外界環境對傳感器輸出信號的影響。

3）傳感器對裂紋識別的精度與激勵線圈之間的間距相等。

4）傳感器隨提離距離的增加，裂紋監測靈敏度降低，實驗結果與仿真結果之間的差異由提離距離引入。