1、 XX大学 毕业设计（论文）题 目： 飞机铆钉孔周裂纹的脉冲涡流检测 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二O一五 年 六月 飞机铆钉孔周裂纹的脉冲涡流检测 摘要：脉冲涡流检测技术用于飞机的无损检测中，被证实能有用地实现对飞机多层构造和机身重叠部位隐含的腐蚀缺陷的检测和评估,因而成为目前无损检测范围的一个研究热门。 本文的目的是研究飞机多层结构中铆钉周围裂纹的检测，主要进行了传感器优化设计工作。论文中设计了一种嵌入TMR芯片的C形探头。C形探头可以在工件的表面形成均匀的涡流场。如果铆钉孔周围存在缺陷，TMR芯片就可以检测到。对铆钉周围存在的
2、细小的裂纹，通过研究激励线圈匝数和绕有激励线圈的C形骨架地脚水平间距及C形的材料（pc管和非晶态合金）来对传感器进行优化设计，以提高探头的检测灵敏度。通过优化，得出了该类传感器的优化参数，并且分析了进一步研究的方向。关键词：脉冲涡流,TMR芯片,C形探头，非晶态合金Pulsed eddy current testing of cracks at rivet holes in aircraftAbstract: Pulsed eddy current technology is used in nondestructive testing of the aircraft，which is pro
3、ven to be effective in monitoring and evaluating the parts of multilayer structure and the implicit corrosion flaws in aircraft fuselage overlapping parts , thus it becomes the field of nondestructive testing a hot topic.The purpose of this paper is to study the detection of the cracks around the ri
4、vet hole in aircraft multilayer structure, and the main work is the design optimization of the sensor.In this paper, we design a C shaped probe with a TMR chip embedded in. The C probe can form a uniform eddy current field on the surface of a workpiece. If there is a defect around a rivet hole, the
5、TMR chip can detect it. For the small cracks around the rivets, the design optimization of the sensor is performed by the study of the number of turns of the exciting coil，foot spacing of C shaped frame and the material of C shaped frame (PC tube and amorphous alloy) in order to improve the detectio
6、n sensitivity of the probe. Through the optimization of the probe, the optimized parameters of the sensor are obtained, and the direction of further research is also analyzed.Keyword：Pulsed eddy current testing, TMR sensor, C shaped probe，amorphous alloy 目 录1 引言1.1课题的依据及意义11.2 脉冲涡流检测国内外的研究应用11.3 研究内
7、容及实验内容31.4 研究目标及特色42 脉冲涡流检测的理论基础2.1涡流检测原理52.2脉冲涡流检测原理52.3脉冲涡流检测对飞机铆钉孔周裂纹的作用原理63 检测系统的设计3.1检测系统的结构73.2 检测信号的时域特征83.3 裂纹缺陷试块的制作94 检测探头的设计参数优化原理4.1 C形传感器的设计原理124.2 C形传感器的参数优化135 传感器测试结果与分析5.1相同匝数不同材料骨架对铆钉孔周裂纹测试结果145.2相同骨架不同匝数的探头对铆钉孔周裂纹测试结果155.3相同匝数不同规格骨架的探头对铆钉孔周裂纹测试结果175.4不同深度缺陷的检测结果195.5 激励线圈到探测板的距离对铆
8、钉孔周裂纹的检测205.6 C形探头与圆柱形及斜角式探头的对比216 总结与展望23参考文献24致 谢25飞机铆钉孔周裂纹的脉冲涡流检测1引言1.1课题的依据及意义无损检测技术是指不破坏物体，借助现有的技术和设备仪器，对被检对象内部及表层的结构、状况、性质及缺陷的类型、数目、性质、位置、形状、尺寸、分布及其变化进行检测的一种手段。无损检测技术已经成为现代工业发展的必要工具，在冶金、石油化工、船舶业、航天航空、电力以及核能领域得到了重要的利用。涡流检测是常规无损检测技术之一，涡流检测是以电磁感应为原理基础。涡流的基本原理是检测通电线圈在导电材料上因涡流场引起的线圈阻抗的改变。因而,把探头放在工件
9、上移动时,碰到缺陷及材料、尺寸等改动时,用涡流检测仪器可以获得线圈阻抗变化量，从而可以知道工件的表面有没有缺陷或别的尺寸等改变。影响涡流场改变的因素特别多,就如探头线圈与被测工件的耦合程度等等。因而,利用这一特点就可以处理金属材料探伤、测量其厚度等问题。脉冲涡流检测技术是一种新技术,脉冲涡流对飞机铆接试块的中层间和次表面缺陷的探伤能力、分类鉴别能力、材料消耗的定量检测和评估等方面优势特别明显。脉冲涡流检测技术主要用在一些飞机,检测效果显著，因此成为当今无损检测范围内的一个研究方向。通常情况下飞机的飞行条件相对比较恶劣如航母上的战斗机，长期会受到恶劣的环境影响，飞机的机身通过铆接，时间就了就可能
10、在铆钉孔周边产生裂纹。铆钉孔周围的缺陷存严重影响飞机的使用安全，发现铆钉孔周围缺陷然后我们对缺陷进行评估看是否符合飞行标准，保证我们的飞机的安全可靠，减少一些不必要的损失，对于民用飞机也是一样的，从而保证飞机的安全，飞机脉冲涡流技术检测铆钉孔周裂纹一个很有意义的课题。本课题是根据脉冲涡流检测对铆钉的检测特点，设计优化新型的探头，以改善以往无损检测领域各种检测方法对于铆钉内各种缺陷检测精度不高，效率偏低的状况。为我国航空领域以及人民生产和生活所需铆钉的安全使用贡献一份力量。从而本课题所涉及的探头设计与比较对于国家航空工业的发展有一定的积极促进作用。1.2 脉冲涡流检测国内外的研究应用1.2.1脉
11、冲涡流国外研究现状1. 加拿大皇家陆军学院学者V.K. Babbar和P.R. Underhill针对服役的CF188型号及美国F/A-18战机损伤进行脉冲涡流安全检测。主要针对飞机铆接结构铆钉周围裂纹检测设计了差分探头，并且利用有限元进行仿真，实验结果和仿真分析吻合良好1,2。在此基础上设计了8通道对对称式阵列探头，对铆钉周围不同大小和方向裂纹进行有限元仿真，给检测来的信号进行频域分析，选用了PCA分析法来鉴别裂纹缺陷信号。实验结果证明该PEC-PCA结合能够有效的实现铆钉周围裂纹的检测3-5。2. 美国学者Buzz Wincheski在飞机多层铆接结构缺陷检测研究中，针对铆钉周围滋生裂纹检
12、测设计了一种自归零式传感器，该探头采用传统圆形线圈作为激励，将其置于杯状导磁体内部，不同的是采用了一种新型导磁体材料，使得激励磁场在多层结构中的渗透深度大大增加。该传感器采用了一种SDT（自旋式磁隧道效应）磁传感器来直接测量磁场，该磁传感芯片灵敏度高、温度稳定系好，有利于微弱磁场的测量。他还对多层结构铆钉周围裂纹检测做了仿真分析，仿真结果表明该探头该传感器结构能够很好的聚焦磁场，减缓磁场在被测样件内的衰减速率从而增强了传感器对深层缺陷的检测能力。采用实验与仿真相结合的方法证明了该传感器在多层铆接结构裂纹检测中的实用性6。3. 美国Michigan State University 学者G. Y
13、ang和曾志伟等人在解决飞机多层铆接结果铆钉周围裂纹检测方面做了大量的工作，他们设计了一套以GMR磁传感器为基础的脉冲涡流检测系统。在探头设计上，他们采用了一种双激励聚焦结构线圈作为激励，该激励能够在检测试块上产生局部均匀的瞬态感应涡流，对裂纹缺陷较为敏感。在信号处理方法上，分析带缺陷铆钉周围不同位置检测信号的能量谱来确定缺陷的存在。在解决探头提离问题上，他们采用了数理统计中的不变形模式识别方法对裂纹缺陷和因探头提离而产生的干扰信号进行区分，大量实验结果表明该方法行之有效7-9。并且就铆钉材料分别为铝和钢做了仿真分析，对比了两种材料下铆钉周围磁场及涡流的分布，仿真和实验表明钢材料铆钉周围滋生裂
14、纹检测难度要大于铝材料铆钉周围裂纹检测。为了解决这一问题，他们不同于以往的检测单方向磁场方法，通过测量裂纹上方三个方向的空间磁场变化并且利用图像融合技术，实现了钢结构铆钉周围微小裂纹的检测10,11。1.2.2 脉冲涡流国内研究现状1. 徐平，罗飞路等人对飞机多层金属结构里的腐蚀缺陷脉冲涡流检测技术的研究12。由于飞机的机身蒙皮和机翼壁板通常情况都采用多层铝合金复合结构，然而腐蚀缺陷一般会出现在多层结构的第二层上，所以不容易被我们发现，危害很大。进而他们对这一现象做了一系列的研究，用脉冲涡流检测技术检测飞机多层结构中的腐蚀缺陷，他们做了一整套完整的检测系统去检飞机多层金属的腐蚀，其中就包括了检
15、测所需要的脉冲检测传感器，他们做的传感器模块由一个矩形的激励线圈和一个空心圆柱形的检测线圈两部分组成的，给激励线圈一个方波信号使得激励线圈在工件表面产生涡流，将检测线圈放置在激励线圈底面中心点的部位，从而可以检测涡流场的变化。2. 杨宾峰，罗飞路等在脉冲涡流在飞机铆接结构无损检测中的应用研究13。杨、罗等人用霍尔传感器当做磁场测量器件。进而对铆钉周围呈现的裂纹缺陷进行测量,就可以知道缺陷在什么位置有多大以及他们和检测特征量之间有什么联系,要试验证明脉冲涡流是一种有效的检测飞机铆接结构缺陷的方法。他们使用脉冲涡流技术对飞机铆接部位处发生的裂纹缺陷进行了检测, 从实验得到的数据分析看, 磁场变化量的最大值时间主要受裂纹深度的影响, 所以,就可以按照最大值时间作为特征量对深度进行测量。在缺陷深度一定的情况下，磁场变化量的最大值主要受裂纹长度的影响, 这时,可以提取最大值为特征量对裂纹的长度进行定量14。1.3 研究内容及实验内容1.3.1 研究内容1设计并制作脉冲涡流检测用到的多层金属结构试块。2设计并制作一系列检测铆钉孔周裂纹脉冲涡流检测传感器。3. 通过
