疲劳环境对柔性涡流阵列传感器输出信号的影响规律研究.pdf

年第卷第期 传感器与微系统（）：（）疲劳环境对柔性涡流阵列传感器输出信号的影响规律研究杜金强，于海涛，张学兵，刘展，武卫（空军工程大学航空工程学院，陕西西安；空装驻沈阳地区第一军事代表室，辽宁沈阳；中国人民解放军部队，宁夏银川）摘要：将柔性涡流阵列传感器与金属结构集成实施裂纹监测的过程中，结构会受到装配应力、工作应力等疲劳环境的作用，进而对裂纹监测过程带来影响。通过不同结构损伤状态和不同疲劳环境下的裂纹监测试验，研究了疲劳环境对柔性涡流阵列传感器输出信号的影响规律。研究表明：当被监测结构无裂纹时，疲劳环境对传感器输出影响很小；当被监测结构出现裂纹后，传感器输出信号会随着疲劳环境的变化出现明显波动，进而会对裂纹监测过程产生一定的影响。关键词：柔性涡流阵列传感器；裂纹监测；疲劳环境；影响规律中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；引言结构健康监测技术利用集成在结构中的先进传感驱动元件，实时提供结构损伤、缺陷演化信息和基础数据，使得人们能够及时做出维修决策来阻止结构性能的退化和失效，进而保证结构服役安全。目前，结构健康监测技术已被视为提高结构安全性和降低维修费用的关键技术。当前国内外结构裂纹损伤监测的方式可分为两类：应力应变监测和直接裂纹监测，其中应力应变监测属被动监测方式，主要包括应变片法、光纤法、压电法等；而直接裂纹监测属主动监测方式，主要包括声发射法、相对真空度（）、智能涂层、涡流传感器等。传感器与被监测结构集成是实现结构裂纹监测的前提，而需要被监测的部位主要是结构的关键部位，这些部位的应力水平高、服役环境恶劣，裂纹监测过程不可避免受到高应力、腐蚀老化等服役环境因素的影响，对传感器的信号调理和特征值提取带来了一定的挑战。袁子琳对在海洋环境下提高光纤布拉格光栅（，）传感器的灵敏度和耐久性的封装工艺进行了研究；刘宏月研究了极端环境下光纤传感系统的可靠性；李继承等人采用压电阻抗技术对铝合金试样的低周疲劳损伤过程收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（）；陕西省自然科学基础研究计划青年人才项目（）；中国博士后科学基金面上资助项目（）传 感 器 与 微 系 统第卷进行了在线监测研究，发现压电陶瓷（）传感器的粘贴强度、环境条件和结构应力状态是影响损伤监测的主要因素。柔性涡流阵列传感器是一种用于金属连接结构螺栓孔孔边裂纹在线监测的传感器，文献 阐述了传感器用于孔边疲劳裂纹在线监测的可行性。与其他裂纹监测传感器相同，只有将柔性涡流阵列传感器在螺栓孔孔边集成才能实现裂纹在线监测，而金属连接结构的螺栓孔附近恰恰是结构的高应力部位，结构的应力载荷谱构成了螺栓孔的疲劳环境，不可避免会对传感器输出信号带来一定影响。本文在简要介绍柔性涡流阵列传感器及其与金属结构螺栓孔集成方式的基础上，通过实验研究了疲劳环境对传感器输出信号的影响规律。柔性涡流阵列传感器及其集成方式如图所示，激励线圈从中心圆处呈辐射状向四周螺旋展开，在激励线圈的螺旋线间隔内分布着环状感应线圈阵列。传感器采用柔性印刷电路板（）工艺制作，柔性可弯曲，且具备裂纹定量监测能力，监测精度约。感应线圈激励线圈4321V1V2V3V4oLI图柔性涡流阵列传感器结构示意 将柔性涡流阵列传感器应用于螺栓孔孔边裂纹的监测时，主要有如图所示的种典型情形，其中，图（）所示的集成方式在工程中应用较为典型，本文对这种集成方式下疲劳环境对传感器输出信号的影响规律进行了研究。(a)?传感器位于螺栓外侧(b)?传感器位于螺栓下方(c)?传感器位于连接件之间传感器传感器传感器图传感器在螺栓孔处的典型应用情形实验条件制作铝合金结构模拟件，试验件的尺寸为 ，中心孔的尺寸为，如图所示。将传感器与结构集成，通过疲劳试验机给试验件施加一定的名义应力或载荷，模拟结构件的实际疲劳环境。同时，将传感器连接至裂纹监测系统，实时采集传感器的输出信号，进行相应的分析。传感器输出信号的特征值为感应线圈与激励线圈之间跨阻抗的模值和相位。通过试验，研究了试验件无裂纹以及出现裂纹后疲劳环境对传感器输出信号的影响规律。(b)?集成传感器的试验件(a)?2A12-T4 铝合金结构模拟件图试验件与试验现场试验结果分析试验件无裂纹时疲劳环境对传感器输出的影响规律）静态应力的影响当试验件孔边无裂纹时，分别对试验件施加，的名义应力，采集传感器的输出信号，每个应力水平下测量个点，取测量数据的平均值，因传感器各通道输出信号特征相似，本文中取感应线圈的信号来进行分析。图为不同应力水平下感应线圈的跨阻抗的模值和相位。可见随着结构名义应力水平的增加，跨阻抗的模值逐渐减小，跨阻抗的相位先增大后减小，当名义应力为 时达到最大值。50.64050.64550.65050.65550.6602001501005000.827?00.827?50.828?00.828?5模值/赘相位/()结构名义应力/MPa模值相位图不同应力水平下跨阻抗模值和相位 ）交变应力对传感器输出信号的影响规律给试验件施加最大名义应力分别为，应力比为，加载频率分别为，的等幅载荷谱，现有的信号采集和处理系统，约每 产生一个采样点。因此，当加载频率为 时，记录了个数据点，当加载频率为，时，分别取了个数据点。图为跨阻抗相位的均值和标准差随加载频率和最大应力的变化情况，可见在不同应力水平和加载频率下，跨阻抗相位的均值变化很小，变化范围约。随着应力水平的增大，跨阻抗相位的标准差增大，在不同加载频率下均是如此，这意味着在更高的应力水平下，跨阻抗相位具有更大的动态变化范围。101.00.10.0150.56050.56450.568相位均值/()80?MPa160?MPa0.0070.0080.009100.10.01加载频率/Hz相位标准差/()加载频率/Hz(b)?不同最大应力下跨阻抗相位的标准差(a)?不同最大应力下跨阻抗相位的均值80?MPa160?MPa1.0图交变应力对传感器输出的影响第期杜金强，等：疲劳环境对柔性涡流阵列传感器输出信号的影响规律研究 综上所述，当结构没有出现裂纹时，结构静态应力对传感器输出信号的特征值存在一定的影响，但这种影响很小。在动态应力作用下，结构载荷对传感器的输出同样影响很小，但更大的应力变化范围和加载频率会导致传感器输出信号波动范围变大。试验件有裂纹时疲劳环境对传感器输出的影响规律对试验件施加疲劳载荷，让试验件孔边产生长的裂纹，此时裂纹已扩展穿过感应线圈下方，研究出现裂纹后疲劳环境对传感器输出信号的影响规律。）静态应力对传感器输出信号的影响规律对试验件分别施加，的名义应力，测量各感应线圈输出信号的特征值，每种应力状态下取个数据点，其中，感应线圈输出信号的特征值如图所示。可见，随着结构应力的增加，感应线圈跨阻抗模值和相位均逐渐增加，在应力为 时达到最大值，其中跨阻抗模值增加了 ，相位增加了约。2502001501005000.8650.8670.8690.8660.8680.870采样点数模值/赘50.2550.3050.3550.4050.4550.50相位/()模值相位图感应线圈输出信号特征值随应力的变化情况 ）交变应力对传感器输出信号的影响规律最大名义应力分别为，应力比为，加载频率分别为，的等幅载荷谱。同样，当加载频率为 时，记录了个数据点；当加载频率为，时，分别取了个数据点。图为感应线圈在 ，加载频率 时输出的特征信号，可见，跨阻抗的模值和相位与外载荷密切相关。应力增大，模值和相位增大；应力减小，模值和相位减小。尤其是相位变化的趋势，与外载荷的变化趋势基本相同。50.150.250.350.43002502001501005000.8550.8570.8590.8610.863数据点数模值/赘相位/()模值相位图传感器输出的特征信号（，加载频率）图为 和 两种最大应力、加载频率 时，对输出信号的特征值进行了对比，可见，当最大应力增大时，跨阻抗模值和相位的变化幅度均出现了明显的增加，其中最大应力为 时跨阻抗模值和相位的变化幅度约 时的倍。300200100050.1050.2050.300.8550.8570.8590.8610.863采样点数模值/赘相位/()3002001000采样点数80?MPa160?MPa80?MPa160?MPa(b)?跨阻抗相位随应力的变化(a)?跨阻抗模值随应力的变化图传感器输出特征值随应力的变化情况（加载频率）结论）当被监测结构无裂纹时，结构静态应力对传感器输出信号的特征值存在一定的影响，但这种影响很小；在动态应力作用下，结构载荷对传感器的输出同样影响很小，但更大的应力变化范围和加载频率会导致传感器输出信号波动范围变大。）当被监测结构出现裂纹后，结构静态应力对传感器输出信号的特征值存在影响，随着应力增加，输出信号的跨阻抗模值和相位均增加；在动态应力作用下，应力增大，模值和相位增大，应力减小，模值和相位减小，且其变化幅度与应力大小正相关。）在裂纹监测中，当结构无裂纹时，疲劳环境对裂纹监测过程影响很小；当结构出现裂纹后，疲劳环境会对裂纹监测过程产生一定的影响。参考文献：袁慎芳结构健康监控北京：国防工业出版社，孙侠生，肖迎春飞机结构健康监测技术的机遇与挑战航空学报，（）：袁子琳高灵敏度光纤布拉格光栅应变传感器研究成都：电子科技大学，刘宏月光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用研究南京：南京航空航大大学，（）：李培源，杜金强，何宇廷，等钛合金结构疲劳损伤监测实验研究传感器与微系统，（）：，（）：李培源，何宇廷，杜金强，等裂纹监测涡流传感器优化设计及试验研究华中科技大学学报（自然科学版），（）：杜金强，何宇廷，李培源，等互扰对涡流阵列传感器裂纹检测性能影响华中科技大学学报（自然科学版），（）：作者简介：杜金强（），男，博士，副教授，主要研究领域为飞机金属结构健康监控。