CN109030622A - 一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器，包括传感器主体和连接部，连接部位于传感器主体的一侧；传感器主体自上而下依次为第一保护膜层、第一线圈层、柔性基底层、第二线圈层和第二保护膜层；传感器主体还包括一激励线圈和多个感应线圈，激励线圈包括两种布局形式：激励线圈在第二线圈层布设并在第二线圈层中形成多个等间距矩形单元，激励线圈两端分别与连接部相连；或激励线圈的一端与连接部相连并在第一线圈层布设形成多个等间距的矩形单元，并且穿过柔性基底层至第二线圈层，并沿着第二线圈层与连接部相连。本发明还公开了基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法。本发明的系统和方法可以实现对多个关键部位的裂纹损伤的定量监测。

Description

一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器及其监测方法

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，涉及一种用于焊接、曲面、平面等金属结构的裂纹连续监测或定期监测的传感器，尤其涉及一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器及其监测方法。

背景技术

金属结构的裂纹损伤已经是成为危害结构使用安全的主要因素，而金属结构的连接和过渡部位一般都是结构应力集中的区域，最容易出现裂纹。

许多装备设施，如飞机、起重机、发电设备、压力容器、石油天然气管道、桥梁、船舶等，由于结构产生裂纹，都发生过灾难性事故。

结构健康监测技术可及时发现结构产生的缺陷，提高装备设施的使用安全性和可维护性。在结构损伤监测技术研究中，先进的传感/驱动元件是关键，常见的结构损伤监测传感器有光纤传感器、压电传感器、智能涂层传感器、柔性涡流传感器等。柔性涡流传感器采用柔性电路工艺制造，柔韧可自由弯曲，可用于焊接、曲面、平面等金属结构的裂纹连续监测或定期监测。

柔性涡流阵列传感器必须与金属结构集成后才能进行疲劳裂纹监测，必然要与金属结构一起经受服役环境(应力、温度、振动等)的影响。服役环境的急剧变化会导致柔性涡流阵列传感器输出信号的剧烈变化，给裂纹监测过程带来了严重干扰，进而制约了该传感器在实际金属结构裂纹监测中的应用，本发明针对这一问题研制了一种对裂纹监测灵敏度高、受环境变化影响小的柔性涡流阵列传感器。

发明内容

针对现有的涡流传感器在使用中容易受到服役环境干扰的问题，提供一种具备抗干扰能力的高灵敏度柔性涡流阵列传感器，解决现有传感器灵敏度低、易受环境变化影响的问题。本发明的第二个目的在于公开了基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法。

技术方案：一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器，包括传感器主体和连接部，所述连接部位于传感器主体的一侧；

所述传感器主体自上而下依次为第一保护膜层、第一线圈层、柔性基底层、第二线圈层和第二保护膜层；

所述传感器主体中还包括一激励线圈，激励线圈包括两种布局形式：

激励线圈只在第二线圈层布设并在第二线圈层中形成多个等间距的矩形单元，激励线圈的两端分别与连接部相连；或激励线圈的一端与连接部相连并在第一线圈层布设形成多个等间距的矩形单元，并且穿过柔性基底层至第二线圈层，并沿着第二线圈层与连接部相连；

所述传感器主体中还包括多个感应线圈，该多个感应线圈布设在第一线圈层中，在由激励线圈形成的矩形单元中或在第一线圈层中与激励线圈形成的矩形单元对应的位置单独布设一矩形的感应线圈，多个感应线圈的两端分别与连接部相连，多个感应线圈中分别形成第一感应通道、第二感应通道、第三感应通道和第N感应通道，在各个感应通道两侧的激励线圈上的激励电流同向，其中N为不小于4的正整数。

进一步地，所述连接部为矩形焊盘。

进一步地，第一保护膜层、第二保护膜层、柔性基底层均为聚酰亚胺。

进一步地，第一线圈层/第二线圈层中，相邻两个矩形单元的间距相等，其间距D的范围为0.5～12mm。

基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法，包括以下步骤：

(1)监测时，将柔性涡流阵列传感器安装于金属结构的危险部位的表面，并将柔性涡流阵列传感器与信号处理单元、测量仪器依次相连；

(2)确定激励线圈的电流的幅值I，测量仪器根据确定后的激励线圈的电流的幅值I将单一频率的正弦激励信号经过传感器驱动模块驱动后输入给激励线圈，在被测结构的表面产生电涡流，并在各感应通道产生感应电压；

(3)各感应通道的感应电压先经过信号调理单元的信号选通放大模块选通放大后得到放大后的感应电压信号，再将放大后的感应电压信号传给测量仪器的模数转换模块进行数据采集得到放大后的感应电压的幅值V，然后由处理软件处理分析，得到各个感应通道的输出信号A_R，其表达式为：

其中：

V为放大后的感应电压的幅值；

I为激励线圈的电流的幅值；

(4)若被测结构出现裂纹，将使被测结构表面的涡流分布发生变化，进而使得各感应通道产生感应电压V发生变化，当裂纹分别扩展至各感应通道的后侧激励线圈时，各感应通道的输出信号A_R分别达到最大值，此时就可以判断裂纹尖端到达了相应的感应通道的后侧激励线圈下方；通过监测各感应通道的输出信号A_R的变化情况，结合感应线圈所处的几何位置，就能实现裂纹长度的定量监测。

进一步地，步骤(1)中的危险部位包括焊缝、过渡边、孔边。

进一步地，步骤(2)中的单一频率的范围为5Hz～10MHz。

有益效果：与现有传感器相比，本发明公开的一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器及其监测方法具有如下优点：

(1)通过改变激励线圈的绕线方式，使得感应通道两侧的激励电流具有相同的方向，大大提高了裂纹对电涡流的扰动作用，使得该传感器具有很高的裂纹监测灵敏度；

(2)由于传感器具有很高的裂纹监测灵敏度，环境温度和应力变化对裂纹监测的影响可以忽略，使得传感器具备了抑制环境温度和应力干扰的能力，且提高了裂纹监测的可靠性，使得传感器的环境适应性、工程应用价值进一步增强；

(3)提供一种基于柔性涡流阵列传感器的多个部位裂纹损伤监测系统，可以实现对多个关键部位的裂纹损伤的定量监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的柔性涡流阵列传感器的监测区域的结构示意图；

图2为本发明公开的柔性涡流阵列传感器的传感器主体的层状结构；

图3为本发明公开的一种柔性涡流阵列传感器的监测区域的第一线圈层中的激励线圈的布设示意图；

图4为本发明公开的一种柔性涡流阵列传感器的监测区域的第二线圈层中的激励线圈的布设示意图；

图5为本发明公开的柔性涡流阵列传感器的一种整体结构的示意图；

图6为本发明公开的基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法在进行单个部位裂纹损伤监测时的连接示意图；

图7为本发明柔性涡流阵列传感器的输出信号随应力的变化情况的示意图；

图8为本发明柔性涡流阵列传感器的输出信号随温度变化和裂纹扩展的变化情况；

图9为本发明公开的基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法在进行多个部位裂纹损伤监测时的连接示意图。

其中：

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

具体实施例1

如图1～5所示，一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器，包括传感器主体和连接部15，连接部15位于传感器主体的一侧；

传感器主体自上而下依次为第一保护膜层8、第一线圈层9、柔性基底层10、第二线圈层11和第二保护膜层12；

传感器主体中还包括一激励线圈1，激励线圈1包括两种布局形式：

激励线圈1只在第二线圈层11布设并在第二线圈层11中形成多个等间距的矩形单元，激励线圈1的两端分别与连接部15相连；或激励线圈1的一端与连接部15相连并在第一线圈层9布设形成多个等间距的矩形单元，并且穿过柔性基底层10至第二线圈层11，并沿着第二线圈层11与连接部15相连(如图3和图4所示)；

传感器主体中还包括多个感应线圈2，该多个感应线圈2布设在第一线圈层9中，在由激励线圈1形成的矩形单元中或在第一线圈层9中与激励线圈1形成的矩形单元对应的位置单独布设一矩形的感应线圈2，多个感应线圈2的两端分别与连接部15相连，多个感应线圈2中分别形成第一感应通道3、第二感应通道4、第三感应通道5和第N感应通道7，在各个感应通道两侧的激励线圈1上的激励电流同向，其中N为不小于4的正整数。

进一步地，连接部15为矩形焊盘。

进一步地，第一保护膜层8、第二保护膜层12、柔性基底层10均为聚酰亚胺。

进一步地，第一线圈层9/第二线圈层11中，相邻两个矩形单元的间距相等，其间距D的范围为0.5mm。

基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法，包括以下步骤：

(1)监测时，将柔性涡流阵列传感器安装于金属结构的危险部位的表面，并将柔性涡流阵列传感器与信号处理单元、测量仪器依次相连；

(2)确定激励线圈的电流的幅值I，测量仪器根据确定后的激励线圈的电流的幅值I将单一频率的正弦激励信号经过传感器驱动模块驱动后输入给激励线圈，在被测结构的表面产生电涡流，并在各感应通道产生感应电压；

(3)各感应通道的感应电压先经过信号调理单元的信号选通放大模块选通放大后得到放大后的感应电压信号，再将放大后的感应电压信号传给测量仪器的模数转换模块进行数据采集得到放大后的感应电压的幅值V，然后由处理软件处理分析，得到各个感应通道的输出信号A_R，其表达式为：

其中：

V为放大后的感应电压的幅值；

I为激励线圈的电流的幅值；

(4)若被测结构出现裂纹，将使被测结构表面的涡流分布发生变化，进而使得各感应通道产生感应电压V发生变化，当裂纹分别扩展至各感应通道的后侧激励线圈时，各感应通道的输出信号A_R分别达到最大值，此时就可以判断裂纹尖端到达了相应的感应通道的后侧激励线圈下方；通过监测各感应通道的输出信号A_R的变化情况，结合感应线圈所处的几何位置，就能实现裂纹长度的定量监测。

例如，当第一感应通道的输出信号A_R到达最大值时，就判断裂纹尖端到达了第一感应通道的后侧激励线圈下方；当第二感应通道的输出信号A_R到达最大值时，就判断裂纹尖端到达了第二感应通道的后侧激励线圈下方。因为各个感应通道前后激励线圈的间距为Dmm(0.5～12mm)，那么传感器就可以实现精度为Dmm(0.5～12mm)的定量监测。

进一步地，步骤(1)中的危险部位包括焊缝、过渡边、孔边。

进一步地，步骤(2)中的单一频率的范围为5Hz。

图6为本发明公开的基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法在进行单个部位裂纹损伤监测时的连接示意图。如图6所示，测量仪器、信号调理单元、单个高灵敏度柔性涡流阵列传感器依次相连，其中：

测量仪器中包括处理器、与处理器相连的存储器(用于存储数据及测量结果)、与处理器相连的模数转换模块，测量仪器中还装有处理软件；

信号调理单元包括传感器驱动模块和信号选通放大模块；

高灵敏度柔性涡流阵列传感器的结构如上文所述一样，不在赘述。

图9为本发明公开的基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法在进行多个部位裂纹损伤监测时的连接示意图。如图9所示，与图6的连接方式相似，不同之处是在测量仪器中多了一个输出选通模块，每个柔性涡流阵列传感器分别对应一个信号调理单元，输出选通模块分别与第一/二/M信号调理单元相连，通过输出控制信号控制第一/二/M信号调理单元是否工作。第一/二/M信号调理单元分别与模数转换模块相连。

监测时，测量仪器通过输出选通模块选择一个高灵敏度柔性涡流阵列传感器和对应的信号调理单元工作，其余高灵敏度柔性涡流阵列传感器和信号调理单元不工作，将工作的高灵敏度柔性涡流阵列传感器的信号由测量仪器的模数转换模块单独采集，再由测量仪器进行处理分析，即可实现该传感器部位的裂纹定量监测。通过选择不同部位的传感器就可以实现对多个部位的裂纹损伤的定量监测。例如，需要第一传感器工作时，输出选通模块输出信号使得第一高灵敏度柔性涡流阵列传感器和第一信号调理单元工作，而其他传感器和信号调理单元不工作，此时测量仪器就可以只采集到第一传感器的输出信号。

若被测结构13出现裂纹14，将使被测结构13表面的涡流分布发生变化，进而使得各感应通道(3、4、5、7)产生感应电压发生变化；如图7所示，当裂纹分别扩展至各感应通道(3、4、5、7)的后侧激励线圈时，各感应通道(3、4、5、7)的输出信号分别达到最大值；通过监测各感应通道(3、4、5、7)信号的变化情况，结合感应线圈所处的几何位置，就能实现裂纹长度的定量监测。例如，如果各个感应通道前后激励线圈的间距为2mm，那么传感器就可以实现精度为2mm的定量监测。

另外，上述柔性涡流阵列传感器通过给各个感应通道两侧的激励线圈施加同方向的激励电流，大大提高裂纹对被测结构13的电涡流的扰动作用，极大的提高传感器的裂纹监测灵敏度。如图8所示，裂纹扩展至各感应通道的后侧激励线圈时，传感器的特征信号的变化量分别为122％、172％、150％、125％、95％，而温度的从20℃变化至80℃，传感器的特征信号的变化量不超过14％。此外，如图6所示，传感器输出信号跟随被测结构应力的变化而变化，传感器输出信号的最大变化量约为10％，相对于裂纹对传感器的输出信号的影响，环境温度、应力变化对裂纹监测的影响基本上可以忽略，进而实现对裂纹的有效监测。

具体实施例2

与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

第一线圈层9/第二线圈层11中，相邻两个矩形单元的间距相等，其间距D的范围为12mm。

步骤(2)中的单一频率的范围为10MHz。

具体实施例3

与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

第一线圈层9/第二线圈层11中，相邻两个矩形单元的间距相等，其间距D的范围为6mm。

步骤(2)中的单一频率的范围为5MHz。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器，其特征在于，包括传感器主体和连接部，所述连接部位于传感器主体的一侧；

所述传感器主体自上而下依次为第一保护膜层、第一线圈层、柔性基底层、第二线圈层和第二保护膜层；

所述传感器主体中还包括一激励线圈，激励线圈包括两种布局形式：

激励线圈只在第二线圈层布设并在第二线圈层中形成多个等间距的矩形单元，激励线圈的两端分别与连接部相连；或激励线圈的一端与连接部相连并在第一线圈层布设形成多个等间距的矩形单元，并且穿过柔性基底层至第二线圈层，并沿着第二线圈层与连接部相连；

所述传感器主体中还包括多个感应线圈，该多个感应线圈布设在第一线圈层中，在由激励线圈形成的矩形单元中或在第一线圈层中与激励线圈形成的矩形单元对应的位置单独布设一矩形的感应线圈，多个感应线圈的两端分别与连接部相连，多个感应线圈中分别形成第一感应通道、第二感应通道、第三感应通道和第N感应通道，在各个感应通道两侧的激励线圈上的激励电流同向，其中N为不小于4的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器，其特征在于，所述连接部为矩形焊盘。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器，其特征在于，第一保护膜层、第二保护膜层、柔性基底层均为聚酰亚胺。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度柔性涡流阵列传感器，其特征在于，第一线圈层/第二线圈层中，相邻两个矩形单元的间距相等，其间距D的范围为0.5～12mm。

5.基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)监测时，将柔性涡流阵列传感器安装于金属结构的危险部位的表面，并将柔性涡流阵列传感器与信号处理单元、测量仪器依次相连；

(2)确定激励线圈的电流的幅值I，测量仪器根据确定后的激励线圈的电流的幅值I将单一频率的正弦激励信号经过传感器驱动模块驱动后输入给激励线圈，在被测结构的表面产生电涡流，并在各感应通道产生感应电压；

(3)各感应通道的感应电压先经过信号调理单元的信号选通放大模块选通放大后得到放大后的感应电压信号，再将放大后的感应电压信号传给测量仪器的模数转换模块进行数据采集得到放大后的感应电压的幅值V，然后由处理软件处理分析，得到各个感应通道的输出信号A_R，其表达式为：

其中：

V为放大后的感应电压的幅值；

I为激励线圈的电流的幅值；

(4)若被测结构出现裂纹，将使被测结构表面的涡流分布发生变化，进而使得各感应通道产生感应电压V发生变化，当裂纹分别扩展至各感应通道的后侧激励线圈时，各感应通道的输出信号A_R分别达到最大值，此时就可以判断裂纹尖端到达了相应的感应通道的后侧激励线圈下方；通过监测各感应通道的输出信号A_R的变化情况，结合感应线圈所处的几何位置，就能实现裂纹长度的定量监测。

6.根据权利要求5所述的基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法，其特征在于，步骤(1)中的危险部位包括焊缝、过渡边、孔边。

7.根据权利要求5所述的基于高灵敏度柔性涡流阵列传感器的监测方法，其特征在于，步骤(2)中的单一频率的范围为5Hz～10MHz。