阳极氧化膜对花萼状涡流阵列传感器裂纹监测的影响*

杨卓君， 杜金强， 何宇廷， 武　卫， 李培源

(空军工程大学 航空航天工程学院,陕西 西安 710038)



研究与探讨

阳极氧化膜对花萼状涡流阵列传感器裂纹监测的影响*

杨卓君， 杜金强， 何宇廷， 武卫， 李培源

(空军工程大学 航空航天工程学院,陕西 西安 710038)

摘要:针对飞机铝合金结构件表面具有阳极氧化膜的实际，制备具有不同厚度阳极氧化膜的2A12—T4铝合金试件，搭建疲劳裂纹监测系统，对花萼状涡流阵列传感器的裂纹监测特性进行了研究。研究表明：花萼状涡流阵列传感器可以对具有阳极氧化膜的铝合金结构疲劳裂纹进行有效监测，监测精度为1 mm；但阳极氧化膜的厚度会对花萼状涡流阵列传感器的裂纹监测特性产生显著影响，随着阳极氧化膜厚度的增大，传感器的输出信号幅值增加，裂纹监测能力明显降低。

关键词：阳极氧化膜； 厚度； 涡流阵列传感器； 裂纹监测

0引言

飞机结构是飞机装备的载体，若机体主承力结构上出现的疲劳裂纹不能被及时发现并加以修复，将会导致灾难性事故。长期以来，无损检测技术在飞机使用维护中发挥着极其重要的作用，但随着飞机结构形式日趋复杂、使用强度不断增加、服役使用寿命不断延长，仅依靠传统的无损检测技术难以保证飞机使用安全[1]。结构疲劳损伤监测技术可显著提高飞机结构安全性，开展飞机结构疲劳损伤监测技术研究对保证飞行安全具有重要意义[2]。目前,大部分飞机的主承力结构是金属结构，而电涡流检测技术恰恰适用于金属结构损伤的检测，具有易于与结构集成、能够进行结构应力和疲劳裂纹检测等优点[3]，在飞机结构疲劳损伤检测领域具有巨大的研究价值和应用潜力。

在文献[4，5]中，丁华、焦胜博等人应用花萼状涡流阵列传感器进行了2A12—T4铝合金疲劳损伤的在线监测试验，研究表明：该传感器能够进行裂纹损伤在线监测，监测精度可达1 mm。然而，飞机铝合金构件表面普遍采用阳极氧化工艺制备了一层Al2O3保护膜，以增强结构的耐腐蚀、抗磨损性能。围绕2A12—T4铝合金结构表面阳极氧化膜是否会对裂纹监测产生影响这一问题，本文制备具有不同厚度阳极氧化膜的2A12—T4铝合金试件，开展了裂纹监测试验研究。

1花萼状涡流阵列传感器

花萼状涡流传感器是针对螺栓连接结构的孔边裂纹监测需求而提出来的，如图1所示[6，7]。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，激励线圈中通激励电流I，用于在传感器监测空间内产生激励磁场，环状感应线圈用于感应激励磁场在监测空间内的反射场，而反射场与传感器监测空间内的电磁特性参数和空间边界条件紧密相关，结构的损伤伴随着结构电磁特性参数和边界条件改变。在其它条件不变的情况下，当结构损伤到达感应线圈I的检测区域时，感应线圈I输出信号发生变化，当结构损伤到达感应线圈II的检测区域时，感应线圈II的输出信号相应地发生变化，通过检测各感应线圈的信号变化情况，就可以实现裂纹的定量检测。

图1　花萼状涡流阵列传感器Fig 1　Calyx shape eddy current array sensor

当裂纹损伤进入某一感应线圈的检测区域时，其输出信号幅值开始快速增加，随着裂纹的扩展，幅值持续增加；当裂纹穿过该感应线圈时，其输出信号将趋于稳定，如图2所示[8]。显然通过算法扑捉A，B点这两个特征点，就可以实现裂纹的定量检测。但是在某些因素影响下，当A，B点所对应的输出信号幅值差ΔU较小时，特征点的扑捉将变得相对困难，从而制约裂纹的检测。因此，本文定义感应线圈的裂纹检测灵敏度Sc为

(1)

图2　花萼状涡流阵列传感器输出信号的特征Fig 2　Output signal characteristics of calyx shape eddycurrent array sensor

2试验件的制备与裂纹监测试验系统设计

1)不同厚度阳极氧化膜铝合金试件的制备

目前，航空工业中铝合金常规阳极化方法主要有硫酸阳极氧化和铬酸阳极氧化。由于铬酸盐会危害人体健康并污染环境，其应用受到严格限制，因此，本文选用硫酸阳极氧化工艺来对试验件进行处理[9]。飞机结构阳极氧化膜层厚度通常为5～15 μm，为研究阳极氧化层厚度对智能垫片裂纹监测特性的影响，制备了氧化膜厚度约为8,12 μm的两种试验件。

2)疲劳裂纹监测试验系统设计

基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹监测试验系统主要包括激励源、涡流阵列传感器、高速数据采集系统、信号采集与处理软件、被测试验件、疲劳载荷加载系统等部分，其总体框图如图3所示。其中,激励源由AFG3101信号发生器和宽带功率放大器构成；高速数据采集系统应用DPO4104示波器来实现；信号采集与处理软件主要对高速数据采集系统进行控制，并从采集系统的缓存中读取测试数据，然后对获得的数据进行处理和特征量提取，最后将结果进行实时显示。

图3　裂纹监测试验系统组成Fig 3　Compositions of crack monitoring experiment system

裂纹监测时，首先将试验件安装于疲劳试验机上，并将传感器安装于螺栓孔处；然后启动疲劳裂纹系统，归一化激励信号频率为0.3，疲劳载荷谱为随机谱，施加频率为15 Hz；通过疲劳裂纹监测系统持续采集、处理传感器的输出信号，直至试验件断裂时停止。试验过程中以传感器幅值信号开始快速增加的“拐点”作为特征量，得到裂纹长度与疲劳载荷加载次数之间的关系；并对试件断口进行判读，得到裂纹长度与载荷加载次数之间的关系，最后对比这两组关系来验证传感器监测裂纹的准确性。

3阳极氧化膜厚度对监测性能影响分析

1)不同厚度阳极氧化膜试件的裂纹监测结果

选用阳极氧化膜厚度分别为8,12 μm的2A12—T4铝合金试件，应用花萼状涡流阵列传感器进行疲劳裂纹监测试验，并将裂纹监测结果与断口定量分析结果进行了对比，如图4所示。

图4　裂纹监测结果与断口定量分析结果对比Fig 4　Contrast between crack monitoring result andfracture quantitative analysis result of

可见，花萼状涡流阵列传感器的监测结果与断口定量分析结果吻合较好，传感器能够实现两种厚度阳极氧化膜2A12—T4铝合金试验件裂纹的定量监测，监测精度能够达到1 mm。

2)各感应线圈幅值信号水平对比

试验过程中发现，当阳极氧化膜的厚度不同时，传感器输出信号的幅值存在一定的差异，表1是各感应线圈在没有裂纹时的输出信号幅值。可见，增加阳极氧化膜厚度，感应线圈的幅值信号水平均增加，其中，感应线圈II的增加幅度最大，为4.99 %。这主要是因为阳极氧化层的出现相当于在传感器与被检试件之间引入了提离距离，膜层越厚，被检材料中激发的反射场对感应线圈的作用就越弱，感应线圈的幅值信号水平就越高。

表1　各感应线圈无裂纹时输出信号的幅值水平

经计算线圈Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的增幅分别为4.27 %，4.99 %，1.21 %。

3)各感应线圈裂纹检测灵敏度对比

两种阳极氧化层厚度下的疲劳裂纹监测试验所得到的幅值信号变化趋势也存在一定的差异，应用式(1)计算了两种情况下各感应线圈的裂纹监测灵敏度，如表2所示。可见阳极氧化膜厚度的增加，会使传感器裂纹监测的灵敏度显著降低，其中感应线圈II的降低幅度最大，为22.19 %。

表2　各感应线圈的裂纹监测灵敏度

经计算线圈Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的降幅分别为20.67 %，22.19 %，7.44 %。

4结论

制备具有不同厚度阳极氧化膜的2A12—T4铝合金试件，研究了阳极氧化膜厚度对花萼状涡流阵列传感器裂纹监测特性的影响，研究结果表明：

1)当阳极氧化膜厚度分别为8,12 μm时，花萼状涡流阵列传感器能够对疲劳裂纹进行有效监测，监测精度为1 mm；

2)增加阳极氧化膜的厚度，传感器输出信号的幅值增加，当膜厚由8 μm增加至12 μm时，输出信号幅值最大增幅为4.99 %；

3)增加阳极氧化膜的厚度会显著降低传感器的裂纹监测能力，当膜厚由8 μm增加至12 μm时，感应线圈II的灵敏度降低了22.19 %。

参考文献:

[1]陈志伟,王智.军用飞机结构疲劳寿命研究[J].机械强度，2005，27(3)：381-387.

[2]袁慎芳.结构健康监控[M].北京：国防工业出版社，2007.

[3]张思全，陈铁群，刘桂雄.应力腐蚀裂纹涡流检测信号的处理及形状重构[J].核动力工程，2008，29(6)：50-53.

[4]丁华，何宇廷，杜金强.基于涡流阵列传感器的金属结构疲劳裂纹监测[J]．北京航空航天大学学报，2012，38(12)：1629-1633.

[5]焦胜博．基于涡流阵列传感器的金属结构裂纹监测方案可行性研究[J]．传感器与微系统，2013，32(8):43-46.

[6]丁华，何宇廷，焦胜博．花萼状涡流传感器的损伤监测正向等效模型构建[J]．中国电机工程学报，2013，33(9)：167-175.

[7]Nail Jay Goldfine.Uncalibrated,absolute property estimation and measurement optimization for conducting and magnetic media using imposed ω-k magnetometry[D].Cambridge:Massachusetts Institute of Technology,1990.

[8]杜金强．基于电磁涡流的飞机金属结构疲劳损伤监测关键技术研究[D]．西安：空军工程大学，2012.

[9]肖作栋，邹群，黄清安. 铝合金阳极氧化前处理工艺的改进[J].材料保护，2003，37(2)：28-29.

Influence of anodic film on crack monitoring of calyx shape eddy current array sensor*

YANG Zhuo-jun， DU Jin-qiang, HE Yu-ting, WU Wei, LI Pei-yuan

(College of Aeronautics and Astronautics Engineering,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China)

Abstract:As there are anodic films on acturel aircraft aluminium alloy structural parts,specimen of 2A12—T4 aluminium alloy with different thickness anodic films are prepared,fatigue crack monitoring system is built up,and the crack monitoring characteristics of calyx shape eddy current array sensor are researched.It’s shown that the sensor can effectively monitor on fatigue cracks aluminium alloy structural parts with precision of 1mm;but the thickness of anodic film has great influence on crack monitoring characteristics of sensor,as the thickness of film increasing,amplitude of output signal of sensor is increased and crack monitoring capiability is decreased.

Key words:anodic film; thickness; eddy current array sensor; crack monitoring

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0055—03

收稿日期：2015—05—11

*基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA04Z406)

中图分类号：V 215.6

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0055—03

作者简介:

杨卓君(1978-)，男，上海人，硕士，讲师，研究方向为飞机结构健康监控。