飛機(jī)輪轂裂紋檢測渦流探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張玉華，呂登龍，孫慧賢

（軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050003）

0 引言

由于飛機(jī)起落架長期工作在高強(qiáng)度、高負(fù)荷和高溫的工作環(huán)境下，其主機(jī)輪轂R處、轂部轉(zhuǎn)接R處及固定輪緣根部R處屬于應(yīng)力高度集中的部位，其表面極易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而對(duì)飛機(jī)的安全飛行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)輪轂裂紋的無損探傷就變得至關(guān)重要。

渦流檢測技術(shù)作為五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一，因其檢測的無接觸性、不需要耦合劑、檢測速度快及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地用于飛機(jī)的日常維護(hù)和可靠性評(píng)估［1，2］。在渦流檢測的實(shí)際應(yīng)用中，探頭的形式和結(jié)構(gòu)多種多樣［3～7］，但輪轂上被測部位一般存在一定的曲度，使用通用探頭會(huì)因?yàn)楸粶y面和探頭底部吻合不好導(dǎo)致探頭搖晃，造成靈敏度和信噪比降低。因此，必須根據(jù)輪轂檢測的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文根據(jù)輪轂的幾何特征和損傷模式設(shè)計(jì)了一種放置式線圈探頭，該探頭由1個(gè)檢測線圈和1個(gè)參考檢測組成，并采用電橋電路對(duì)2個(gè)線圈的感應(yīng)電壓進(jìn)行差分輸出，這種結(jié)構(gòu)和檢測方式非常有利于提高檢測靈敏度，且對(duì)任何走向的裂紋的靈敏度均相同。本文采用數(shù)值計(jì)算的方法分析了線圈尺寸、激勵(lì)頻率等因素對(duì)靈敏度的影響，并以此為指導(dǎo)，利用研制的渦流探頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測，驗(yàn)證了探頭設(shè)計(jì)的合理性和檢測的可行性。

1 渦流檢測原理與傳感器

渦流檢測是電磁感應(yīng)原理的一項(xiàng)重要應(yīng)用，其檢測原理為:當(dāng)載有交變電流的監(jiān)測線圈靠近導(dǎo)電試件時(shí)，由于激勵(lì)線圈磁場的作用，試件中會(huì)產(chǎn)生渦流，而渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到試件導(dǎo)電性能的影響，同時(shí)產(chǎn)生的渦流也會(huì)形成一個(gè)磁場，這個(gè)磁場反過來又會(huì)使檢測線圈的感應(yīng)電壓或阻抗發(fā)生變化，因此，通過測定檢測線圈感應(yīng)電壓或阻抗變化，就可以判斷出被測試件的屬性和有無缺陷等情況［8］。

渦流檢測的原理和探頭的兩種基本形式如圖1所示，其中，圖1（a）所示為單線圈探頭，該線圈既做激勵(lì)又做檢測，因此，稱為自感式探頭。當(dāng)試件表面或近表面存在缺陷時(shí)，將影響渦流的強(qiáng)度和分布，渦流的變化又會(huì)引起線圈的阻抗變化，因此，通過測定檢測線圈阻抗的變化，即可獲得被測試件有無缺陷的信息。圖1（b）所示為互感式探頭，由激勵(lì)線圈和檢測線圈組成，激勵(lì)線圈在試件中產(chǎn)生渦流，當(dāng)試件存在缺陷時(shí)，渦流強(qiáng)度和分布的改變反映在檢測線圈的感應(yīng)電壓上。

圖1 渦流檢測原理與探頭基本形式Fig 1 Eddy-current detection principle and basic type of probes

自感式探頭只有1個(gè)線圈，具有繞制方便、對(duì)多種影響被檢測對(duì)象電磁性能因素的綜合效應(yīng)響應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，同時(shí)，由于激勵(lì)線圈和檢測線圈二者合為一體，對(duì)某些影響因素的單獨(dú)作用難以區(qū)分?；ジ惺教筋^的激勵(lì)線圈和檢測線圈相互獨(dú)立，對(duì)不同影響因素響應(yīng)信號(hào)的提取和處理比較方便。除此之外，激勵(lì)線圈與檢測線圈之間有靜電屏蔽作用，因此，靜電感應(yīng)的噪聲較小、工作期間性能較為穩(wěn)定。

2 輪轂裂紋檢測探頭設(shè)計(jì)

由于輪轂上被測部位存在一定的曲度，為了盡量貼近被測面，以減小檢測過程中探頭提離、搖晃等因素造成的干擾，要求探頭的尺寸不能太大。從這個(gè)角度考慮，輪轂裂紋檢測宜選用自感探頭。

單獨(dú)采用自感式探頭，其上的檢測信號(hào)分兩部分:一部分是因?yàn)闇u流效應(yīng)，輪轂體產(chǎn)生的背景信號(hào);另一部分則為裂紋存在時(shí)引起的信號(hào)變化量。微弱的裂紋信號(hào)混雜在大的背景信號(hào)中，兩者的數(shù)量級(jí)一般相差百倍，因此很難發(fā)現(xiàn)。為了改善檢測結(jié)果，這里采用1個(gè)自感式的檢測線圈加1個(gè)自感式的參考線圈組成的渦流探頭，下面進(jìn)行具體介紹。

2．1 檢測方式的選擇

由前述分析可知，單個(gè)自感式探頭的檢測信號(hào)為絕對(duì)量，不易察覺大背景信號(hào)中隱含的裂紋引起的微弱的信號(hào)變化。為了突出檢測所關(guān)心的裂紋信號(hào)，必須從檢測源頭上去掉背景信號(hào)，因此，這里采用2個(gè)線圈構(gòu)成的差分檢測方式，檢出電路采用電橋電路或差動(dòng)電路形式，如圖2所示。

圖2為一典型4臂電橋電路，通常Z1，Z2為電阻，其中一個(gè)可調(diào)，構(gòu)成電橋中的2個(gè)橋臂，檢測線圈和參考線圈構(gòu)成另外2個(gè)橋臂Z3和Z4，檢測線圈放在被測試件上，參考線圈則放在參考試件上。激勵(lì)電壓信號(hào)V加在電橋A，B兩點(diǎn)之間，C，D兩點(diǎn)之間的電壓VOUT為電橋輸出。被測試件和參考試件材質(zhì)相同，所以，2個(gè)線圈上的背景信號(hào)也相等。如果被測試件上沒有裂紋，橋路的輸出電壓為0，一旦被測試件上出現(xiàn)裂紋，橋路的輸出電壓則僅為裂紋引起的信號(hào)變化，且電橋?qū)敵鲂盘?hào)有放大作用。

圖2 渦流檢測中常用的電橋電路Fig 2 Common electric bridge circuit in eddy-current detection

在實(shí)際檢測中，為使電橋盡量工作在平衡狀態(tài)下，需要設(shè)置平衡電路，而且隨激勵(lì)信號(hào)頻率的變化，電橋的平衡性會(huì)發(fā)生變化，對(duì)自動(dòng)平衡電路的要求提高。電橋電路的平衡性和靈敏度對(duì)檢測的影響很大。

2．2 線圈參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

渦流探頭位于檢測系統(tǒng)的最前端，它與被測試件發(fā)生電磁耦合作用，它的參數(shù)選擇直接影響檢測的靈敏度。這里，采用有限元分析軟件ANSYS建立輪轂裂紋渦流檢測的仿真模型，分析線圈的內(nèi)外徑、高度變化與靈敏度之間的關(guān)系，為探頭的實(shí)際制作提供參考。

模型參數(shù)為:待測試件的電導(dǎo)率σ=3．82×107S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1，厚度d=5．0mm，包含長lc=10mm，寬wc=0．5mm，深dc=1．0mm的表面缺陷，其電導(dǎo)率σ=0，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1。參考試件尺寸和材料屬性與待測試件相同，但不包含缺陷。

1）線圈半徑

保持線圈的匝密度ns不變，高3．0 mm，內(nèi)半徑r1從1．25 mm增加到 9．25 mm，外半徑r2從 2．75 mm 增加到10．75 mm，平均半徑r=（r1+r2）/2，提離l1=0．5 mm，檢測頻率f=1 kHz。將由缺陷引起的檢測線圈阻抗的相對(duì)變化S1定義為線圈的檢測靈敏度，則S1與半徑r的關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖可以看出:a．隨線圈平均半徑r增大，檢測靈敏度S1的幅值出現(xiàn)極大值，然后減小;相位單調(diào)變化。b．當(dāng)平均半徑r約等于缺陷長lc時(shí)，線圈有最好的檢測靈敏度。因此，根據(jù)上述分析，線圈直徑不能太大，否則，對(duì)小缺陷的檢測靈敏度會(huì)很低。

圖3 線圈半徑r與檢測靈敏度S1的關(guān)系曲線Fig 3 Relation curve of radius of coil and detecting sensitivity

2）線圈高度

保持線圈的匝密度ns不變，內(nèi)半徑r1=2．25 mm，外半徑r2=3．75 mm，高h(yuǎn)從 2．0 mm 增加到 12．0 mm，提離l1=0．5 mm，檢測頻率f=1 kHz。線圈靈敏度S1與高h(yuǎn)的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 線圈高度h與檢測靈敏度S1的關(guān)系曲線Fig 4 Relation curve of height of coil and detecting sensitivity

可以看出:隨著線圈高度h增大，檢測靈敏度S1的幅值和相位均單調(diào)減小。出現(xiàn)這種結(jié)果是因?yàn)樵诰€圈內(nèi)、外徑不變的情況下，隨著高度的減小，線圈磁場的聚集性越好，在靠近線圈附近磁場更強(qiáng)，從而使導(dǎo)體內(nèi)渦流密度增大，因此，減小線圈高度有利于提高檢測靈敏度。

2．3 激勵(lì)頻率的影響分析

設(shè)檢測線圈和參考線圈的尺寸相同，其內(nèi)半徑r1=2．25 mm，外半徑r2=3．75 mm，高h(yuǎn)=3．0 mm，提離l1=0．5 mm，但激勵(lì)頻率f的變化范圍從1 kHz～1 MHz，計(jì)算得到頻率對(duì)檢測靈敏度的影響如圖5所示?？梢钥闯?隨著頻率f的增大，線圈靈敏度S1的幅值出現(xiàn)一個(gè)最大值，它所對(duì)應(yīng)的相位為0。這說明存在一個(gè)最優(yōu)頻率，使檢測靈敏度最高。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖6所示，系統(tǒng)由信號(hào)產(chǎn)生電路、功率放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、探頭試件等組成。由PC機(jī)通過PCI總線控制激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集。

圖5 線圈檢測靈敏度S1與檢測頻率f的關(guān)系曲線Fig．5 Relation curve of coin detecting sensitivity and frequency

激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路主要功能是產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)和相位相差90°的余弦參考信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路采用PCI插卡模塊，PCI接口芯片采用PLX9052PCI芯片，PCI接口功能完全由硬件實(shí)現(xiàn)，DDS芯片的接口電路由PLX9052的局部總線實(shí)現(xiàn)，DDS采用AD9854，每一片可以產(chǎn)生兩路正交的正余弦信號(hào)。其工作過程如下:上位機(jī)軟件通過PCI接口給AD9854發(fā)送頻率和相位控制字，DDS芯片自動(dòng)產(chǎn)生所需要的頻率和相位的正交信號(hào)，無需人工參與。當(dāng)需要改變某個(gè)參數(shù)，只要送幾個(gè)簡單的控制字即可。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig 6 Block diagram of experimental system

功率放大電路的主要功能是將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大?？紤]到激勵(lì)信號(hào)帶寬要求，采用Linear公司的寬帶大電流功率放大芯片LT1206。經(jīng)過功率放大后的激勵(lì)信號(hào)加在探頭的激勵(lì)線圈上，在試件上產(chǎn)生渦流進(jìn)行檢測。

信號(hào)調(diào)理電路的主要功能是將2個(gè)檢測線圈產(chǎn)生的差動(dòng)信號(hào)進(jìn)行正交鎖相放大，提取出檢測信號(hào)的幅度和相位信息。鎖相放大電路由于其很強(qiáng)的抗干擾性能，是微弱信號(hào)檢測的常用方法［9］。其基本原理就是利用相關(guān)檢測技術(shù)，基于互相關(guān)原理，使輸入被測的微弱周期信號(hào)與頻率相同的參考信號(hào)在相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)，從而將深埋在大量的非相關(guān)噪聲中的微弱有用信號(hào)檢測出來，同時(shí)，達(dá)到抑制干擾的作用。圖7所示為信號(hào)調(diào)理電路框圖，2個(gè)檢測線圈的信號(hào)通過儀表放大器AD620，差分、放大后送到第二級(jí)放大器OP37，經(jīng)過兩級(jí)放大后的信號(hào)分別送到2個(gè)相關(guān)器AD630，兩路參考信號(hào)同時(shí)也送到相關(guān)器中，參考信號(hào)A與激勵(lì)信號(hào)同頻同相，參考信號(hào)B與激勵(lì)信號(hào)同頻，但相位相差90°。經(jīng)過相關(guān)器A和B解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過50 Hz的低通濾波器MAX291后得到兩路輸出信號(hào)VA，VB，VA和VB為兩路直流信號(hào)，包含了差動(dòng)探頭檢測信號(hào)的幅度和相位信息。

采用PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡對(duì)兩路調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行

圖7 信號(hào)調(diào)理電路框圖Fig 7 Block diagram of signal conditioning circuit

采集，因?yàn)殒i定放大技術(shù)將信號(hào)的幅值和相位分別檢測出來，以直流的形式輸出，可以大大減小對(duì)A/D采樣器的采樣頻率要求。采用采集速度為100kHz的PCI2001采集卡完成數(shù)據(jù)采集，采樣精度為12位。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上述系統(tǒng)對(duì)模擬輪轂的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際設(shè)計(jì)繞制的線圈參數(shù)如表1所示。在試件表面加工了4條長寬相等、而深度不同的裂紋:10 mm ×0．5 mm ×0．5 mm，10 mm ×0．5 mm × 1．0 mm，10 mm × 0．5 mm × 2．0 mm 和10 mm×0．5 mm×3．0 mm。在下面的分析中，將經(jīng)過差分運(yùn)放之后的橋路輸出電壓記為ΔU，ΔU經(jīng)過正交鎖相放大之后成為兩路正交的直流信號(hào)ΔUx和ΔUy。實(shí)際檢測的結(jié)果如圖8所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用檢測和參考線圈參數(shù)Tab 1 Parameters of detection and reference coil

圖8 實(shí)驗(yàn)測得缺陷信號(hào)Fig 8 Crack signals tested by experiments

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:利用所設(shè)計(jì)的探頭可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂根部具有一定曲度的表面上出現(xiàn)的裂紋的檢測，且隨著裂紋深度不同，檢測信號(hào)增大。而且在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)頻率較小時(shí)，裂紋存在引起的信號(hào)不明顯，且易被探頭提離干擾，隨著頻率增大，裂紋信號(hào)增大，當(dāng)激勵(lì)頻率在600 kHz附近時(shí)，探頭對(duì)裂紋敏感，輸出信號(hào)值最大，隨后在增大頻率，對(duì)結(jié)果無明顯改善，這與前面仿真分析的結(jié)論一致。此外從實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率較高時(shí)，有利于分離提離和裂紋信號(hào)，提高信噪比。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的輪轂裂紋渦流檢測探頭采用檢測線圈加參考線圈的結(jié)構(gòu)，并利用電橋電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱裂紋信號(hào)的差動(dòng)放大檢出，具有高靈敏度。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用正交鎖相放大技術(shù)對(duì)探頭輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行檢測，對(duì)微弱信號(hào)有很好的放大作用，同時(shí)對(duì)噪聲有良好的抑制作用，并將檢測信號(hào)分成兩路包含其幅值和相位信息的信號(hào)，以直流的形式輸出，因此，可以大大減小對(duì)A/D采樣器的采樣頻率要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的探頭能實(shí)現(xiàn)輪轂根部表面小裂紋的檢測需求，對(duì)飛機(jī)起落架的使用、壽命評(píng)估及正常飛行具有重要的意義。

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