飞机多层结构蒙皮涡流检测探头设计研究

飞机多层结构蒙皮腐蚀损伤涡流检测探头设计研究

摘要：本文根据飞机蒙皮多层结构特点，提出了涡流放置式探头的一种设计方法。通过有限元仿真研究，得出探头线圈半径、线圈高度等关键的集合尺寸对灵敏度的影响；此外，论文也研究了其他参数（如激励频率、磁芯等）对飞机蒙皮多层结构腐蚀损伤灵敏度的影响。通过实际试验，可以得出本文理论分析正确，探头设计方法可行的结论。 关键词：飞机；多层结构；腐蚀；涡流探头

0 引言

飞机的蒙皮较多采用三层铝合金复合结构，受使用环境的影响，其腐蚀问题时有发生，特别是夹层的腐蚀单凭日常的维护难以发现，而且蒙皮多层结构在发生腐蚀的同时还往往存在应力的作用，会加速腐蚀破坏，造成极大的安全隐患。

1 涡流检测原理

涡流检测是以电磁感应原理为基础的一种无损检测方法，它适用于对导体材料的检测。当载有交变电流的检测线圈靠近飞机蒙皮时，由于线圈磁场的作用，蒙皮中的多层都会产生感应涡流，涡流的大小、相位和分布与蒙皮的电磁性质、结构、形状及激励频率、线圈与试件之间的耦合等因素有关，而涡流的存在又影响检测线圈周围的磁场分布，线圈的阻抗也随着变化。通过测定空间磁场的变化或者线圈阻抗变化，就可以反映出蒙皮的内部结构、形状大小、材质分布、是否存在缺陷等信息。

2 涡流探头结构设计

2.1 结构设计

由于飞机蒙皮很多区域形状不规则，且依靠铆钉与飞机机体铆接，这些特点都造成了对检测的干扰，因此需设计屏蔽式涡流检测探头。屏蔽式探头主要由高频插头、高频电容、激励与测量线圈、磁芯、屏蔽壳体等组成。

外套高频插头壳体不锈钢架线圈磁芯电容

图1 检测探头结构

Figure 1 The Sensor’s Structure

2.2线圈设计

对于涡流探头，最重要的是线圈的设计，线圈主要有两个功能：一是产生交变磁场，使被探件中感应出涡流；二是感应涡流的变化给仪器，就可知试件内部的变化。因此，线圈是一个传感器，它的性能直接影响探伤结果。

从线圈来讲，可以分为单线圈和双线圈两种。框架的形状则以被检测的对象而定，有圆柱形、球形、矩形等多种，其中以圆柱形最为常用。在脉冲涡流检测系统的设计中，激励线圈的直径以及探头高度对脉冲涡流探头的灵敏度有着重要影响。

在涡流检测探头的设计中，激励线圈的直径以及探头高度对涡流探头的灵敏度有着重要影响。因此，使用COMSOL电磁仿真软件进行有限元仿真试验，线圈半径模拟从1mm到9mm，每步为1mm，其它的参数分别为：线圈高度3mm，线圈匝数100匝。通过仿真可以看出，探头灵敏度随着线圈半径增大而增大，当半径增大到4mm时，探头灵敏度达到最大值；当线圈半径超过4mm后，探头灵敏度随着线圈半径增大而减小。涡流密度随着线圈半径的增大是先增大后减小直至趋于零，探头灵敏度与涡流密度的分布密切相关。以上分析可知，在探头设计时，在其它参数不变的情况下，线圈半径应该尽量小一些以提高检测灵敏度。

在有限元仿真中，探头高度模拟从3mm到27mm，每步为3mm，其它的参数为线圈半径3mm，匝数100匝。结果分析，探头灵敏度随着探头高度的增加而迅速增加，当探头高度达到一定程度时，探头灵敏度逐步增加直至保持一常值。在探头设计时，在其它参数不变的情况下，探头线圈高度应该尽量大一些以提高检测灵敏度。探头高度与提离对灵敏度的影响是相似的，因此，探头高度可以等效为提离距离来解释。涡流轴向密度的分布随着探头高度的增加而呈指数规律增加，当探头高度增加到一定程度时，其涡流轴向密度的分布的增加近似为零。

2.3激励频率选择

因飞机蒙皮腐蚀多位于夹层出，须涡流渗透深度较大，因此必须考虑趋肤效应的影响。趋肤效应是指当交变电流通过导体时，导体截面上各处的电流分布不均匀，中心处电流密度小，靠近导体表面处的电流密度大，电流将集中在导体表面流通的现象。趋肤深度也称为为标准透入深度，表达式如（2-1）所示，具体定义为涡流密度衰减到其表面值1/e时的透入深度，透入深度是指涡流渗入导体内的深度。

??2??? （2-1）

其中?为趋肤深度，即标准渗透深度；?为激励角频率；?为被测金属的电导率；?为被测金属的磁导率。

涡流检测的深度可以由趋肤深度?定性反映。趋肤深度?越大，即涡流的标准渗透深度越大，那么导体可检测的深度相应也越大，反之亦然。由式（2-1）可知，激励频率越大，检测对象的磁导率与电导率越大，趋肤深度也越大。

涡流轴向密度分布是随着与被检对象表面的距离的增大而呈指数衰减；其电涡流轴向密度分布与趋肤深度如图2所示。涡流密度越大，检测的灵敏度越高。

100%归一化涡流密度37%?渗透深度

图2 电涡流轴向分布与趋肤深度

涡流检测所用频率范围从100Hz到6MHz或更大。大多数非磁性材料的检测采用的频率是数千赫兹，检测磁性材料时，采用较低频率，例如1KHz。在任何具体的涡流检测中，实际所用的频率由被检材料厚度、所希望的透入深度、要求达到的灵敏度或分辨率以及不同的检测目的所决定。确定检测频率一般根据两点：要求的透入深度、被检材料的性质；缺陷和其它参数的阻抗变化。

由公式 fg?5066 （2-2）

?r?d2可得工件的特征频率

fg?5066506666079（Hz） （2-3） ??2?122?r?d?r?(2.76886rb?10)?r?rb式中，?r为相对磁导率；?为电导率（m??mm2）；Rb为线圈的外半径（mm）。 可求得

fg?（60～200）KHz （2-4）

由于多层结构的材料一般为铝合金，主要检测对象是内层腐蚀，因此，采用较低的频率。此外对于透入深度来说，频率愈低透入深度愈大。但降低频率的同时检测灵敏度也随之下降。因此，在正常的情况下，检测频率要选得尽可能高，只要在此频率下仍能有必要的透入深度即可。若只是需要检测表面裂纹，则可采用高到几MHz的频率。若需检测相当深度处的皮下缺陷，如飞机蒙皮多层结构则必须牺牲灵敏度而采用非常低的频率，这时候它不可能检测出细小的缺陷。根据各种因素分析，选择检测频率为200KHz。 2.4 磁芯对探头参数的影响

为了提高检测灵敏度，在传感器线圈中插入磁芯使磁场聚焦。所以，制作时按线圈的几何尺寸把线圈绕在磁芯上，将线圈的引出线焊在接线柱上，然后装入传感器壳体用环氧树脂胶封装。

现有传感器大都采用空心线圈，在减小了加工难度的同时造成了磁场能量的损耗，使磁场能量不能得到最大限度的发挥，从而影响传感器性能。本节将线圈缠绕在铁氧体磁芯上从有限元角度考察铁氧体磁芯对脉冲涡流探头灵敏度的影响。

引入磁芯后，由磁芯引起的涡流损耗随之而来。目前国内外对涡流损耗进行了广泛研究，其中圆柱形磁性材料在交变磁场中磁化时引起的涡流损耗为

We???fBmR??4?10?16 ?Wcm2? （2-5）

2式中，f为激励频率；Bm为饱和磁感应强度；R为圆柱体半径；?为材料电导率。 由上式知，涡流损耗与磁芯材料电导率成正比，即电导率越小，涡流损耗越小。因此，为降低由磁芯带来的涡流损耗，需选择电导率小的材料。铁氧体作为软磁材料极易被磁化，当外界磁场完全消失时，剩余磁通密度较小。在探头骨架上增加铁氧体磁芯，可以将磁场集中，能够增强涡流的渗透性，有利于提高涡流对更深层缺陷的检测。

实际绕制线圈时，对于含有磁芯的放置式传感器线圈匝数可由下式估算 即

L??sN2D02l50(D0?2l?1.36)D0 （2-6）

式中，L为电感量（?H）；?s为磁芯的有效磁导率；N为线圈匝数；l为线圈长度；