脉冲涡流在飞机铆接结构无损检测中的应用研究

　　0　引言

　　无损检测技术在飞机的全寿命过程中起着极其重要的作用[1]。随着服役时间的增加,飞机极易在结构内部产生小裂纹、层状结构第二层之后和紧固件周围产生裂纹,这些缺陷的存在使得飞机结构遭到了严重的破坏,造成飞机的维护成本逐年上升。及时发现缺陷并对缺陷进行定量评估对于确保飞行安全具有非常重要的意义,但对于飞机多层铆接结构中的缺陷的检测问题至今并未得到真正解决,这是目前航空无损检测中面临的一个严峻挑战。

　　传统涡流采用单一频率的正弦波作为激励,当缺陷的深度变化时,需随之改变激励频率以达到最佳的测试效果,因此不便于使用。多频涡流由于需要多个检测通道,这就增加了系统的造价。同时,无论单频或多频涡流,都是对测试信号采用稳态分析的方法,使得信号在时域的一些重要信息被忽略。近几年在国外迅速发展起来的脉冲涡流检测技术由于包含很宽的频谱,因此可以同时检测位于不同深度的缺陷[2],非常适合于对多层铆接结构的检测,因而成为目前的一个研究热点[3-5]。

　　1　脉冲涡流理论分析

　　脉冲涡流的激励信号为具有一定占空比的方波,施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中传播,假如有裂纹缺陷存在,势必使得磁感应度B发生变化,由于脉冲包含很宽的频谱,磁感应强度变化量就包含有关裂纹的重要信息。建立如图1所示的模型来对脉冲涡流进行分析。

　　图1中,被测试中的电导率为σ1,磁导率为μ1,位于试件表面的裂纹的长度为l,检测线圈的内径为r1,线圈与试件表面的距离为h。对于线性媒质,在轴对称的情况下,如果激励的脉冲电流表示为Iu(t),以矢量磁位A表示的Maxwell微分方程为

　　边界条件为

　　磁感应强度为

　　B=Δ×A (4)

　　对于较深层缺陷的检测,脉冲涡流一般采用霍尔传感器直接测量磁场值,为了提高检测灵敏度,通常将两片霍尔传感器接成差分的形式,这样,当两片霍尔传感器都位于没有缺陷的位置时,差分输出信号为零。当有缺陷出现时就会有信号输出。其原理如图2所示。

　　2　试验装置

　　扫描脉冲涡流检测装置由脉冲信号发生电路、探头和数据采集电路组成[6]。其中,脉冲发生电路用来产生激励方波信号,在本检测系统中,方波信号的电压为10V,频率为100Hz,占空比为0.5。探头包括激励线圈和霍尔传感器,激励线圈采用圆柱结构,内径为18mm,高为4mm,共绕了600匝。磁场测量装置采用两片UGN3505型集成霍尔传感器,其对称的位于激励线圈底部的两端,通过差动连接的方式构成,用来对受裂纹缺陷扰动而产生的磁场的垂直分量进行检测。其结构如图3所示。UGN3505是一种集成线性霍尔传感器,它具有高达13mV/mT的磁场灵敏度,±90mT的线性范围和23kHz的带宽,其输出噪声小,在-20℃~+85℃的温度范围内均具有良好的线性度。数据采集电路采用12位PCI数据采集卡,采样频率为100kHz。