监测碳纤维复合材料连接结构分层的电涡流传感器及方法与流程

本发明涉及一种涡流监测及其系统，尤其涉及使用可以蚀刻在柔性印刷电路板上的涡流线圈。

背景技术：

复合材料应用领域包括电子、家电、汽车、体育休闲、风力发电、轨道交通、船舶、航空航天、建筑节能等领域，在国民经济中占有重要地位。特别是航空航天领域，复合材料占据着越来越重要的地位，像在波音787中，复合材料占据比例高达50％，在空客a350更是占据结构总重量的52％，国产宽体客机c929预计增加复合材料的应用达51％。

由于飞行器等结构的复杂性，考虑复合材料加工成本，以及部分形状难于一次性加工制造成型，需要多个部件连接起来实现复杂的结构。而机械连接(螺栓连接等)具有可靠性高、承载能力强、便于重复拆装、使用维护简便等优点，在航空航天工程领域中，机械连接方式是复合材料连接结构的主要方式。同时研究表明，螺栓连接结构有应力集中效应，是复合材料发生损伤的热点区域。

现有的无损监测技术，包括利用c-扫描，超声相控振，剪切散斑干涉，红外热像技术等，在复合材料损伤监测中可以发挥一定的作用，但这些技术无法对复合材料结构中的损伤进行实时监测，现场监测局限性大，特别是无法监测深处隐藏部位的损伤。

目前的涡流监测基本上是监测结构表层缺陷，涡流线圈主要有粘贴固定式和表面移动式，由于电涡流的趋肤效应，在表面检测的电涡流线圈，对于连接结构深处的损伤难以监测。斯坦福大学fu-kuochang教授等使用的电涡流线圈，粘接在螺杆表面监测金属连接结构损伤，但由于主要涡流方向是绕着螺杆的周向，对于监测金属连接结构沿着螺杆轴向裂纹有不错的效果，但对于碳纤维复合材料垂直于螺杆轴向的分层状损伤难以监测。

技术实现要素：

鉴于此，我们发明一种电涡流传感器及其与连接结构一体化的实时监测方法，可以更好地实现对碳纤维复合材料连接结构分层状损伤实时监测，同时克服一般的离线监测费时费力，可实现损伤的在线监测，对于飞行器而言，既降低了维修维护的经济性，也保证了飞行的安全性。

本发明的技术方案为：

一种监测碳纤维复合材料连接结构分层的电涡流传感器，包括至少一线圈组件，所述线圈组件包括柔性印刷电路板以及印刷于柔性印刷电路板上的线圈；所述线圈组件卷绕成用于套设于碳纤维复合材料连接螺杆上的筒状结构，且所述线圈走线的主体方向沿着筒状结构的轴向；所述电涡流传感器通过线圈通入交变电流、接收感应电压。

优选的，所述线圈由若干个矩形线圈依次串联构成，该些矩形线圈中，第4m和4m+1个矩形线圈设于所述柔性印刷电路板的一侧，第4m+2和4m+3个矩形线圈设于所述印刷电路板的另一侧，且两侧的矩形线圈一一相对设置，其中m为自然数；各矩形线圈分别是由外至内或由内至外的按照类似矩形形状环绕形成，异侧相对设置的两矩形线圈的内末端穿过所述印刷电路板连接。

优选的，同侧的矩形线圈按照垂直于所述轴向方向排布，且所述矩形线圈的长边沿所述轴向方向延伸，相邻矩形线圈邻近侧流入的电流方向一致。

优选的，异侧相对设置的两矩形线圈流入的电流方向一致。

优选的，包括两个所述线圈组件，其中一线圈组件为用于通入交变电流的激励线圈组件，另一线圈组件为用于接收感应电压的感应线圈组件，所述两线圈组件层叠设置并互相绝缘。

优选的，还包括分别设于所述两线圈组件外侧的保护膜以及设于两线圈组件之间的绝缘膜，所述保护膜、绝缘膜和两线圈组件通过粘结固定。

基于上述电涡流传感器的碳纤维复合材料连接结构分层监测方法，是将所述电涡流传感器粘接于螺杆上并将线圈引线引出，所述螺杆设于至少两材料层的连接孔中以用于连接该些材料层，其中至少一材料层为碳纤维复合材料层；所述电涡流传感器的一线圈通入交变电流，该线圈或另一线圈连接检测电路，通过感应电压的变化监测碳纤维复合材料内部的分层状损伤。

优选的，所述交变电流的频率为500khz至15mhz。

一般地，电涡流传感器易于监测金属或是碳纤维复合材料的表层损伤，而对于碳纤维复合材料连接结构深处分层损伤难以监测。复合材料连接结构处的分层损伤，其损伤扩展平面的法向与孔中心轴向平行，本发明通过使线圈主体方向垂直于损伤扩展平面进行检测，这是基于法拉第电磁感应定律，涡流的方向与激励线圈的主体方向一致，只有材料损伤对涡流有较大影响才能实现更好的监测。本发明实现了线圈的主体方向是竖直方向、沿着螺杆轴向的，并在ansoftmaxwell电磁仿真软件中对分层状损伤仿真分析得以证实。

本发明的有益效果为：

本发明实现了复合材料连接结构分层状损伤的监测。激励线圈在正弦交变电压的作用下，复合材料内部会产生很强的交变电磁场h(t),在交变磁场h(t)的作用下，连接结构附近的碳纤维复合材料(导电材料)中也会产生涡流ie(t)，其方向与临近线圈的电流方向一致，而此涡流同样会产生涡流磁场he(t)，影响着原有的激励电流磁场h(t)。这种相互作用下，由法拉第电磁感应定律知，磁场的变化最终以接收线圈的感应电压表征出来。在复合材料出现分层的情况下，其涡流ie(t)会绕过复合材料分层部分，涡流的大小会改变，周围磁场也会发生改变，最终接收线圈的感应电压也会改变，我们通过这种变化来判断复合材料的有无分层及分层大小。

附图说明

图1为电涡流传感器的分解结构示意图；

图2为激励线圈组件的整体结构示意图；

图3为激励线圈的立体结构示意图；

图4为电涡流传感器与螺杆粘接工艺示意图；

图5为设有电涡流传感器的连接结构的示意图；

图6为电涡流传感器进行监测的连接示意图；

图7为电涡流传感器对复合材料连接结构(无分层损伤)监测模型及涡流示意图；

图8为电涡流传感器对复合材料连接结构(有分层损伤)监测模型及涡流示意图；

图9为图7和图8仿真模型接收线圈的感应电压对比图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

参考图1，一种监测碳纤维复合材料连接结构分层的电涡流传感器包括依次层叠设置的第一保护膜1、激励线圈组件2、绝缘膜3、感应线圈组件4和第二保护膜5。其中激励线圈组件2包括柔性印刷电路板21和用于通入交变电流的激励线圈22，感应线圈组件4包括柔性印刷电路板41和用于接收感应电压的感应线圈42。以下对激励线圈组件2的结构做具体说明，感应线圈组件4的结构以及线圈走线方式与激励线圈组件2一致。

参考图2和图3，激励线圈22是单个绕组，印刷于柔性印刷电路板21(聚酰亚胺薄膜)相对的两侧，由4n(n是非零的自然数)个小矩形线圈221依次串联而成。按照电流流入的顺序，其中第4m、4m+1(m为自然数)个矩形线圈221在聚酰亚胺薄膜的一侧，第4m+2、4m+3(m为自然数)个矩形线圈221在聚酰亚胺薄膜的另一侧，且两侧的矩形线圈一一相对设置。各矩形线圈221分别是由外至内或由内至外的按照类似矩形形状环绕形成，异侧相对设置的两矩形线圈的内末端穿过所述印刷电路板21进行连接。

具体，参考图3，以8个矩形线圈为例，按照电流流入方向，依次编号为221-1至221-8，其中221-1、4、5、8位于同侧，221-2、3、6、7位于另一侧。其中矩形线圈221-1按照逆时针由外至内的方向以类似矩形形状于聚酰亚胺薄膜正面环绕至最后一圈恰好位于中间位置，然后穿过聚酰亚胺薄膜，于背面以由内至外逆时针的方向绕线形成矩形线圈221-2，最后一圈转至同侧的旁边以由外至内顺时针的方向绕线形成矩形线圈221-3，矩形线圈221-3最后一圈同样位于内部，穿过聚酰亚胺薄膜至正面并在矩形线圈221-1旁边以由内至外顺时针的方向绕线形成矩形线圈221-4，然后转至同侧的旁边重复上述四个矩形线圈的绕线过程。按照上述绕线方式得到的激励线圈22，其同侧矩形线圈按照一第一方向排列，且所述矩形线圈的长边沿垂直第一方向的第二方向延伸，从而，同侧相邻矩形线圈邻近侧流入的电流方向一致，异侧相对设置的两矩形线圈重合的部分电流方向一致(上下对应)。此外，亦可以通过与上述相反的方向来进行绕线。

参考图4，上述涡流传感器各层之间粘接固定后粘接于螺杆上并将两线圈的引线引出进行测试，举例来说，引线分别由两线圈的两末端引出，且引线终端焊点可以一起焊在同一聚酰亚胺薄膜表面以便于引出。涡流传感器于螺杆上卷绕形成筒状结构，且筒状结构的轴向与上述第二方向一致，即线圈内电流主体流向与轴向平行。参考图5及图6，带有涡流传感器6的螺栓7设于两材料层8、9的连接孔中以用于连接该些材料层，其中至少一材料层为碳纤维复合材料层且具有分层损伤10，连接孔与涡流传感器6之间留有一间隙k。激励线圈22的引线接信号发生器以通入交变电流，感应线圈42的引线接示波器以检测感应电压的变化。激励线圈的工作频率为500khz至15mhz。激励线圈通入交变电流，在周围产生感生磁场，附近导体内部产生电涡流，接收线圈可以接收到感应电压的值。

参考图7和图8，分别对无分层损伤和有分层损伤的复合材料连接结构的监测。很清晰的看出，在有分层损伤的复合材料连接结构，涡流会绕过分层损伤，根据法拉第电磁感应定律，电涡流的改变，必然导致电涡流磁场的改变，影响原有激励线圈的激励磁场，最终以接收线圈的感应电压表征出来。我们可以根据感应电压的变化判断有无分层损伤。

参考图9，基于图7和图8的仿真模型，我们运用ansoftmaxwell电磁仿真软件对有无分层损伤模型进行瞬态分析，并得到各自接收线圈的感应电压信号，可以发现，本发明电涡流线圈对分层损伤有辨别能力。

参考图6，向激励线圈施加激励信号，读取接收线圈的感应电压信号，为了可以排除读数的随机性、不稳定性，取n个周期的均方差值rms(v)，其中

当有分层损伤出现时，rms(v)会变化，根据变化的大小可以辨别损伤的大小。

此外，在另一实施例中，所述涡流传感器也可只设有一个线圈组件，该线圈组件的线圈同时通入交变电流并连接检测电路，也可进行检测。

此外，本领域技术人员应知，基于本发明的原理，对金属或其他导电材料可能发生的分层损伤的检测也同样适用。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的监测碳纤维复合材料连接结构分层的电涡流传感器及方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。