专利名称：脉冲涡流应力裂纹集成检测系统及方法
技术领域：
本发明设计了基于集成线圈和传感器阵列的脉冲涡流应力裂纹集成检测系统，属 于应力裂纹动态测试与校准技术领域。
背景技术：
在材料特性和结构设计确定的条件下，飞机结构件的使用寿命和健康状态主要受 飞行过程中加载受力、敌方武器攻击、外界环境侵蚀及材料自身加工过程中隐性缺陷和内 部残余应力等方面影响。随着使用年限增加，飞机极易在其结构表面和内部产生小裂纹、层 状结构第二层之后和紧固件周围产生腐蚀，这些缺陷的存在使得飞机结构遭到了严重的破 坏，及时发现缺陷并对缺陷造成的损伤程度进行准确的评估对于确保飞机飞行安全具有非 常重要的意义，但由于裂纹和腐蚀缺陷通常出现在多层结构的第二层，所以飞机机身结构 中裂纹及腐蚀缺陷的检测和预测以及寿命评估至今并未得到真正的解决。脉冲涡流技术是近几年发展起来的一种新的无损检测方法，检测中施加在探头上 的激励信号是包含多种频率的波形甚至矩形方波或尖脉冲，具有很宽的频带，从而使被测 导体中的感应涡流和磁场能有效渗透到较大范围，能够有效地检测到位于导体中不同深处 的缺陷。因此，既可用于检测和鉴定分层结构中隐藏的腐蚀——如航空和航天器材料中的 重叠层(一般为非铁磁材料)，又可用于测试金属板上导电层的厚度和传导率。由于使用了 脉冲激励，该激励含有较宽范围内的频率，即脉冲涡流技术能够接收到更多信息。为了获得完整的结构健康检测和寿命估计的所需信息，除了需要对结构中具有的 缺陷进行检测和评估，另一个需要获得的重要参数是结构所受的应力状态，以及微观组织 状态。传统的应变片电桥法具有结构简单、技术成熟的优势，电桥输入与应变之间具有良好 的线形度。其主要问题是应变片的阻值受温度影响漂移严重，所以一般难以用于长时间的 在线检测；通过大量的材料拉伸实验，加载时应力应变和涡流信号间的关系表明，弹性范围 内，涡流信号和应力应变的确有较好的线性关系，不受温度漂移因素的影响。因此涡流方法 与应变片电桥方法进行融合，将能做到互相补充，使得检测的线性度和漂移均满足应用要 求，为寿命分析和隐性缺陷估计的依据。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种脉冲涡流应力裂纹集成检测系 统及方法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明脉冲涡流应力裂纹集成检测系统，其特征在于包括信号激励模块、磁敏传 感器模块、应变片电桥模块、信号调理模块、数据采集模块和计算机处理模块，其中信号激 励模块的输出端连接应变片电桥模块的输入端，磁敏传感器模块的输出端分别连接信号调 理模块的输入端和应变片电桥模块的输入端，信号调理模块的输出端连接数据采集模块的 输入端，数据采集模块的输出端连接计算机处理模块的输入端。
3
优选地，所述应变片电桥模块采用脉冲激励形式，输出应变测量所需的差分稳定 值以及脉冲涡流测量所需的差分瞬态值。优选地，所述线圈式应变片采用脉冲激励线圈与应变片相结合的结构，金属电阻 丝自应变片边缘起始环绕，半径递减依次环绕于应变片的外沿，线圈匝数约为10 20。优选地，所述磁敏传感器模块为平面二维分布的磁敏元件阵列，单个磁敏元件为 霍尔型或巨磁阻型传感器。优选地，信号调理模块由多路信号放大电路串接多路开关切换电路组成。脉冲涡流应力裂纹集成检测系统的检测方法包括如下步骤a.采用信号激励模块为应变片电桥模块提供脉宽可调的脉冲电压，对应变片电桥 模块上的线圈式应变片进行激励；在被检测区域产生感应涡流，该感应涡流随着深度的增 加迅速衰减；该涡流反作用于激励线圈上，线圈的阻抗发生变化；b.当被测区域存在缺陷时，被测区域的电导率发生改变导致涡流变化，两桥臂阻 抗的变化率不同，同时被测区域的磁场分布也变化，磁敏传感器模块通过检测磁场分布变 化量，并将磁场变化成像，对缺陷识别；c.当涡流作用消失后，应变片电桥模块的输出信号与所受应力大小成正比；d.磁敏传感器模块输出信号和应变片电桥模块的输出信号经信号调理模块处理 后，由数据采集模块进行采集并传输到计算机处理模块；e.计算机处理模块通过对二维磁敏传感器模块中各个传感器单元的输出信号和 应变片电桥模块的响应信号进行分析，最终对缺陷裂纹进行判断和定位。本发明融合了脉冲涡流技术与应变式传感器技术的优势，将脉冲涡流激励线圈与 应变片转换元件相结合(附图1)，金属电阻丝自薄片边缘起始环绕，半径递减紧密环绕于 应变片的外沿。线圈匝数约为10 20，引出的两端间施加脉冲激励电压或电流，采用电桥 脉冲激励和半桥差分结构，取得应变测量所需的差分稳定值以及脉冲涡流测量所需的差分 瞬态值，进行数据融合；二维磁敏传感器阵列进行高分辨率的涡流特征信号提取；系统激 励信号占空比可调，以降低系统温漂。通过在脉冲激励下，存在应力应变和缺陷裂纹等条件 下产生的脉冲涡流电磁场，分析响应磁场的时域和频域特征，以及信号在不同深度的故障 缺陷、不同缺陷特性以及不同的应力情况下电磁场信号响应的变化。通过对三维磁场磁传 感器响应进行信号解耦和图像处理，并结合航空材料实际案例对于具有不同位置深度、形 状等特征的缺陷以及在不同应力条件下进行样例分析，并给出裂纹特征、分布，微观隐性缺 陷等信息，为寿命估计提高依据。本发明对于多种方法结合下所得到的不同电磁场的信号融合技术进行研究，将脉 冲涡流、应变检测方法集成于同一检测系统当中，使得各个检测方法的优点得到利用，同时 使缺陷得到多次的不同方法的检测，检测的效果得到增强。
图1是系统结构框图。图2是差动半桥结构图。图3是线圈式应变片结构图。图4是应变片对应变和裂纹缺陷进行检测图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的检测系统结构包含应变片电桥模块、信号激励模块、磁敏传 感器阵列模块、信号调理模块、数据采集模块和计算机处理模块。信号激励模块的输出端连 接应变片电桥模块的输入端，磁敏传感器模块的输出端分别连接信号调理模块的输入端和 应变片电桥模块的输入端，信号调理模块的输出端连接数据采集模块的输入端，数据采集 模块的输出端连接计算机处理模块的输入端。其中，应变片电桥结构采用线圈形式的应变片作为转换元件，采用电桥作为基本 检测电路结构。敏感元件的形式如图2和3所示。金属电阻丝自薄片边缘起始环绕，半径 递减紧密环绕于应变片的外沿。线圈匝数约为10 20，引出的两端间施加脉冲激励电压或 电流。电桥采用半桥结构，采用一片应变片(同时也是线圈)贴于被测结构表面、另一片贴 于补偿块表面起到补偿作用(也可以将两个应变片在测量应力过程中，两桥臂成90°粘附 于试件表面)，根据电桥输出判断试件的受力方向。如图4所示，信号激励模块为应变片电桥提供脉宽可调的脉冲电压，对应变片上 的线圈进行激励；在被检测区域产生感应涡流，该涡流随着深度的增加迅速衰减；该涡流 反作用于激励线圈上，线圈的阻抗发生变化。当被测区域存在缺陷时，对象的电导率发生改 变导致涡流变化，两桥臂阻抗的变化率不同，由此可得出有效地缺陷信息(如图5)。同时 该点的磁场分布也受到影响，磁敏元件阵列通过检测该变化量，并将磁场变化成像，达到对 缺陷识别的目的。试件上存在应力时，应变片随受力方向延展，电阻改变。在脉冲激励过程 中，当涡流作用消失后，电桥的输出反映两应变片桥臂的分压状况，此时电桥的输出与所受 应力大小成正比。磁敏传感器模块中的传感器输出信号和应变片电桥模块的输出信号经信 号调理模块处理后，由数据采集模块进行采集并传输到计算机处理模块。对于响应信号进行成像后，将不同时间的磁场分布信息转变为图像信息，在此基 础上采用滤波去噪、边缘提取、腐蚀等图像处理手段进行二次处理，最终得到有利于缺陷特 性判别的图像结果。传感器阵列为平面分布的二维磁敏元件阵列，单个磁场传感器选用霍尔型的 A1305或巨磁阻型的HMSS001A。系统中信号调理模块由32路信号放大电路以及多路开关 切换电路组成，主要对传感器模块中的二维传感器阵列4的输出信号和感应线圈3的响应 信号进行滤波、去噪和放大，其中放大电路主芯片采用AD620 ；数据采集模块采用凌华公司 DAQ2010型号的数据采集卡，数据采集频率为100K 1000MHz可调；信号激励模块为脉宽 可调的方波信号。
权利要求
一种脉冲涡流应力裂纹集成检测系统，其特征在于包括信号激励模块、磁敏传感器模块、应变片电桥模块、信号调理模块、数据采集模块和计算机处理模块，其中信号激励模块的输出端连接应变片电桥模块的输入端，磁敏传感器模块的输出端分别连接信号调理模块的输入端和应变片电桥模块的输入端，信号调理模块的输出端连接数据采集模块的输入端，数据采集模块的输出端连接计算机处理模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的脉冲涡流应力裂纹集成检测系统，其特征在于所述应变片 电桥模块由两个半桥并联构成，第一半桥由两个线圈式应变片串接构成，第二半桥由两个 电阻串接构成。
3.根据权利要求2所述的脉冲涡流应力裂纹集成检测系统，其特征在于所述线圈式 应变片采用金属电阻丝自应变片边缘起始环绕，半径递减依次环绕于应变片的外沿，线圈 匝数约为10 20。
4.根据权利要求1所述的脉冲涡流应力裂纹集成检测系统，其特征在于所述磁敏传 感器模块为平面二维分布的磁敏元件阵列，单个磁敏元件为霍尔型或巨磁阻型传感器。
5.根据权利要求1所述的脉冲涡流应力裂纹集成检测系统，其特征在于信号调理模 块由多路信号放大电路串接多路开关切换电路组成。
6.一种基于权利要求1所述的脉冲涡流应力裂纹集成检测系统的检测方法，其特征在 于包括如下步骤a.采用信号激励模块为应变片电桥模块提供脉宽可调的脉冲电压，对应变片电桥模块 上的线圈式应变片进行激励；在被检测区域产生感应涡流，该感应涡流随着深度的增加迅 速衰减；该涡流反作用于激励线圈上，线圈的阻抗发生变化；b.当被测区域存在缺陷时，被测区域的电导率发生改变导致涡流变化，两桥臂阻抗的 变化率不同，同时被测区域的磁场分布也变化，磁敏传感器模块通过检测磁场分布变化量， 并将磁场变化成像，对缺陷识别；c.当涡流作用消失后，应变片电桥模块的输出信号与所受应力大小成正比；d.磁敏传感器模块输出信号和应变片电桥模块的输出信号经信号调理模块处理后，由 数据采集模块进行采集并传输到计算机处理模块；e.计算机处理模块通过对二维磁敏传感器模块中各个传感器单元的输出信号和应变 片电桥模块的响应信号进行分析，最终对缺陷裂纹进行判断和定位。
全文摘要
本发明公布了一种脉冲涡流应力裂纹集成检测系统及方法，所述系统包括信号激励模块、磁敏传感器模块、应变片电桥模块、信号调理模块、数据采集模块和计算机处理模块。所述方法在脉冲涡流激励线圈和应变片敏感元件的结合的基础上，取得应变测量所需的差分稳定值以及脉冲涡流测量所需的差分瞬态值，并在此基础上采用二维磁传感器阵列进行高分辨率的磁场响应成像。通过仿真和实际试验，进行信号分离、特征提取与数据融合，实现材料表面、亚表面缺陷以及应力、微观结构状态的同时在线检测，并实现材料隐性缺陷判别和尚未形成的缺陷的预估，为飞机结构健康监控和寿命估计提供必要的信息。
文档编号G01N27/90GK101865883SQ20101020457
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者丁松, 吴文南, 姜禹, 徐维磊, 王平, 王海涛, 田贵云 申请人:南京航空航天大学