[发明专利]一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜及其监测裂纹的方法

说明书

本发明一种柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜及其监测裂纹的方法，用于监测螺栓连接结构孔边裂纹，包括至少一个激励线圈和至少三个感应线圈组成的交叉传感阵列，所述激励线圈和感应线圈组成的交叉传感阵列通过柔性印刷电路板技术将导线打印在柔性薄膜上制作成一个整体；所述激励线圈覆盖整个连接结构的孔壁，所述感应线圈组成沿着螺栓周向分布并具有交叉传感区域的感应线圈交叉传感阵列；所述感应线圈交叉传感阵列的感应线圈分布在两层薄膜的上下侧，所述两层薄膜叠在一起时感应线圈沿着一个方向依次交错分布构成交叉阵列。本发明的交叉阵列可以实现在任一周向位置具有相同的裂纹识别能力，不存在裂纹识别盲区。

技术领域

本发明涉及一种结构健康监测领域的涡流传感薄膜，尤其涉及一种定量监测螺栓连接结构孔边裂纹的柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜(Circumference-crossing EddyCurrent Array Sensing Film,CECAS)，以及通过所述柔性周向交叉阵列涡流传感薄膜监测螺栓连接结构裂纹的方法。

背景技术

连接结构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。螺栓连接结构具有承载力强、可靠性高、拆卸维修方便等优点，通常设计为承受大而复杂的载荷，存在应力集中现象，因此易产生裂纹、分层、压溃等孔边损伤，严重影响结构承载和飞行器安全。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。目前针对连接结构裂纹的监测技术仅能实现对裂纹部分参数的识别，无法定量化监测，因此难以对连接结构寿命进行准确的评估。

改进现有的在线监测技术、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。电涡流无损检测技术是五大常规无损检测技术之一，具有速度快、成本低、非接触等优点。传统的涡流无损检测方法是将检测探头置于待测结构表面，探头中通入交变激励信号，在探头周围激发出交变磁场，待测结构在交变磁场的作用下在内部产生涡流，涡流产生方向与原磁场反向的磁场，在空间中形成合磁场；当结构表面或近表面出现损伤时，涡流将会扰动，进而导致合磁场的变化，检测线圈在合磁场的作用下其参数产生变化，通过其参数的变化来表征结构是否发生损伤。传统的涡流无损监测方法可以对大面积结构进行快速高效的检测，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，参见文献“He Y,Chen T,Du J,et al.Temperature-compensatedrosette eddy current array sensor(TC-RECA)using a novel temperaturecompensation method for quantitative monitoring crack in aluminumalloys.Smart Materials and Structures,2017,26(6):065019.”和“Jiao S,Cheng L,LiX,et al.Monitoring fatigue cracks of a metal structure using an eddy currentsensor[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2016,2016(1):188.”，空军工程大学的何宇廷等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，仅能检测薄板结构或者厚板结构的近表面处的损伤，缺乏对于深层损伤的检测能力。参见文献“A new rosette-like eddycurrent array sensor with high sensitivity for fatigue defect around bolthole in SHM[J].NDT and E International 94(2018)70–78.”，北京理工大学的陈国龙等人在此基础上对线圈的构型进行了优化设计，并改进了激励方式，提高了传感器的灵敏度，但没有从本质上提高对深层裂纹的检测能力。参见文献“Rakow A,Chang F K.Astructural health monitoring fastener for tracking fatigue crack growth inbolted metallic joints.Structural Health Monitoring,2012,11(3):253-267.”，斯坦福大学的Rakow and Chang提出了一种粘贴在螺栓螺杆外表面的涡流传感器，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。