[发明专利]监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法

说明书

本发明提供了一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法，所述传感器具体为一设置于一载体上的线圈组件，所述线圈组件包括一激励线圈及二维分布的感应线圈阵列；所述激励线圈至少由四个小激励线圈组合形成，所有所述的小激励线圈仅由一条导线绕成，所述小激励线圈阵列分布；所述感应线圈阵列至少由四个感应线圈组合形成；所述激励线圈设置于测试件的外侧面，所述感应线圈阵列设置于所述测试件的外侧面；所述激励线圈与感应线圈阵列层叠设置；所述激励线圈与感应线圈阵列之间绝缘设置；应用本技术方案可实现在识别出裂纹深度方向的扩展、区分裂纹深度和径向长度的同时，还能够识别出裂纹具体的周向位置。

技术领域

本发明涉及传感监测领域，具体是指一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法。

背景技术

连接结构是机械领域使用非常广泛的组件，也是飞行器的重要承力结构，其中螺栓连接是飞行器连接结构的典型形式。连接结构由于载荷形式复杂、承载较大、孔边应力集中等原因易产生裂纹、分层、压溃等孔边损伤，严重影响结构承载和飞行器安全，所以对连接结构孔边损伤的监测也是无损监测和结构健康监测的重要研究内容。在飞行器飞行过程中实时、定量化监测连接结构孔边裂纹，进而实时准确评估连接结构剩余寿命，是保障飞行器结构安全、实现精准维修、降低运营成本的重要途径。然而，现有的传感器和监测技术的裂纹定量化监测能力不足，仅能识别描述裂纹的存在或部分描述裂纹参数，尚无法准确描述裂纹，因此难以对连接结构剩余寿命进行准确定量的评估。

改进现有的传感器技术及提升现有技术的裂纹定量化监测水平是实现飞行器结构在线评估的有效途径之一。电涡流监测技术是五大常规无损监测技术之一，具有速度快、成本低、无须接触试件等优点。传统的涡流监测方法是将探头置于结构表面，对探头中的线圈施加交变电流，线圈周围和连接结构内产生交变磁场，进而在结构表面浅层处产生涡流场，涡流的存在引起空间磁场的变化；当结构表面或近表面出现损伤时，会对原有的空间磁场产生干扰，具体体现在感应线圈的感应电压或阻抗产生变化，进而通过该变化表征结构是否发生损伤。传统的涡流监测方法可以对大面积结构进行快速高效地监测，但无法用于在线实时的结构健康监测。在螺栓连接结构的健康监测方面，空军工程大学的何宇廷等人发展了一种花萼型表面粘贴式涡流传感器，用于孔边裂纹的监测，该传感器属于表面粘贴式的涡流传感器，然而由于涡流的趋肤效应，该传感器和传统的涡流无损监测方法只可以监测薄板结构或厚板结构的近表面处的损伤，对厚板深处的损伤显得能力不足。为此，斯坦福大学的Rakow and Chang提出了一种粘贴在螺栓螺杆周围的涡流传感器，可用于监测孔边裂纹的扩展，但是无法做到定量识别裂纹沿着厚度方向或螺栓径向的扩展。

为实现定量监测裂纹，厦门大学的孙虎等人设计了一种粘贴在螺杆上的柔性涡流阵列传感器，该传感器具有多个感应线圈组成阵列，并沿着深度方向依次覆盖整个连接结构厚度，当裂纹沿着深度方向扩展时，裂纹相应位置的感应线圈的感应电压值会发生变化，而其它感应线圈的感应电压值几乎不受影响，因此可以定量监测孔边裂纹沿着深度方向的扩展。但是在该设计中，由于走线方式问题，激励线圈产生的磁场会抑制感应线圈感应电压的变化，造成监测准确度、灵敏度不足；同样的裂纹扩展在孔边周向的位置不同时对感应线圈的影响相同，因此这种传感器也无法区分裂纹在孔边周向的具体位置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种监测裂纹的柔性二维涡流阵列传感器及其使用方法，在识别出裂纹深度方向的扩展、区分裂纹深度和径向长度的同时，还能够识别出裂纹具体的周向位置。