[發(fā)明專(zhuān)利]監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)分層的電渦流傳感器及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710712420.6
• 申請(qǐng)日: 2017-08-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107271545A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 卿新林;邵劍波;孫虎;王奕首
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廈門(mén)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N27/90
• 分類(lèi)號(hào): G01N27/90
• 代理公司: 廈門(mén)市首創(chuàng)君合專(zhuān)利事務(wù)所有限公司35204
• 代理人: 張松亭,陳淑嫻

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種渦流監(jiān)測(cè)及其系統(tǒng)，尤其涉及使用可以蝕刻在柔性印刷電路板上的渦流線圈。

背景技術(shù)

復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域包括電子、家電、汽車(chē)、體育休閑、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、船舶、航空航天、建筑節(jié)能等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。特別是航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料占據(jù)著越來(lái)越重要的地位，像在波音787中，復(fù)合材料占據(jù)比例高達(dá)50％，在空客A350更是占據(jù)結(jié)構(gòu)總重量的52％，國(guó)產(chǎn)寬體客機(jī)C929預(yù)計(jì)增加復(fù)合材料的應(yīng)用達(dá)51％。

由于飛行器等結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，考慮復(fù)合材料加工成本，以及部分形狀難于一次性加工制造成型，需要多個(gè)部件連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。而機(jī)械連接(螺栓連接等)具有可靠性高、承載能力強(qiáng)、便于重復(fù)拆裝、使用維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天工程領(lǐng)域中，機(jī)械連接方式是復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的主要方式。同時(shí)研究表明，螺栓連接結(jié)構(gòu)有應(yīng)力集中效應(yīng)，是復(fù)合材料發(fā)生損傷的熱點(diǎn)區(qū)域。

現(xiàn)有的無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括利用C-掃描，超聲相控振，剪切散斑干涉，紅外熱像技術(shù)等，在復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)中可以發(fā)揮一定的作用，但這些技術(shù)無(wú)法對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)局限性大，特別是無(wú)法監(jiān)測(cè)深處隱藏部位的損傷。

目前的渦流監(jiān)測(cè)基本上是監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表層缺陷，渦流線圈主要有粘貼固定式和表面移動(dòng)式，由于電渦流的趨膚效應(yīng)，在表面檢測(cè)的電渦流線圈，對(duì)于連接結(jié)構(gòu)深處的損傷難以監(jiān)測(cè)。斯坦福大學(xué)Fu-Kuo Chang教授等使用的電渦流線圈，粘接在螺桿表面監(jiān)測(cè)金屬連接結(jié)構(gòu)損傷，但由于主要渦流方向是繞著螺桿的周向，對(duì)于監(jiān)測(cè)金屬連接結(jié)構(gòu)沿著螺桿軸向裂紋有不錯(cuò)的效果，但對(duì)于碳纖維復(fù)合材料垂直于螺桿軸向的分層狀損傷難以監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于此，我們發(fā)明一種電渦流傳感器及其與連接結(jié)構(gòu)一體化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)分層狀損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)克服一般的離線監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可實(shí)現(xiàn)損傷的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于飛行器而言，既降低了維修維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，也保證了飛行的安全性。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)分層的電渦流傳感器，包括至少一線圈組件，所述線圈組件包括柔性印刷電路板以及印刷于柔性印刷電路板上的線圈；所述線圈組件卷繞成用于套設(shè)于碳纖維復(fù)合材料連接螺桿上的筒狀結(jié)構(gòu)，且所述線圈走線的主體方向沿著筒狀結(jié)構(gòu)的軸向；所述電渦流傳感器通過(guò)線圈通入交變電流、接收感應(yīng)電壓。

優(yōu)選的，所述線圈由若干個(gè)矩形線圈依次串聯(lián)構(gòu)成，該些矩形線圈中，第4M和4M+1個(gè)矩形線圈設(shè)于所述柔性印刷電路板的一側(cè)，第4M+2和4M+3個(gè)矩形線圈設(shè)于所述印刷電路板的另一側(cè)，且兩側(cè)的矩形線圈一一相對(duì)設(shè)置，其中M為自然數(shù)；各矩形線圈分別是由外至內(nèi)或由內(nèi)至外的按照類(lèi)似矩形形狀環(huán)繞形成，異側(cè)相對(duì)設(shè)置的兩矩形線圈的內(nèi)末端穿過(guò)所述印刷電路板連接。

優(yōu)選的，同側(cè)的矩形線圈按照垂直于所述軸向方向排布，且所述矩形線圈的長(zhǎng)邊沿所述軸向方向延伸，相鄰矩形線圈鄰近側(cè)流入的電流方向一致。

優(yōu)選的，異側(cè)相對(duì)設(shè)置的兩矩形線圈流入的電流方向一致。

優(yōu)選的，包括兩個(gè)所述線圈組件，其中一線圈組件為用于通入交變電流的激勵(lì)線圈組件，另一線圈組件為用于接收感應(yīng)電壓的感應(yīng)線圈組件，所述兩線圈組件層疊設(shè)置并互相絕緣。

優(yōu)選的，還包括分別設(shè)于所述兩線圈組件外側(cè)的保護(hù)膜以及設(shè)于兩線圈組件之間的絕緣膜，所述保護(hù)膜、絕緣膜和兩線圈組件通過(guò)粘結(jié)固定。

基于上述電渦流傳感器的碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)分層監(jiān)測(cè)方法，是將所述電渦流傳感器粘接于螺桿上并將線圈引線引出，所述螺桿設(shè)于至少兩材料層的連接孔中以用于連接該些材料層，其中至少一材料層為碳纖維復(fù)合材料層；所述電渦流傳感器的一線圈通入交變電流，該線圈或另一線圈連接檢測(cè)電路，通過(guò)感應(yīng)電壓的變化監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的分層狀損傷。

優(yōu)選的，所述交變電流的頻率為500KHz至15MHz。

一般地，電渦流傳感器易于監(jiān)測(cè)金屬或是碳纖維復(fù)合材料的表層損傷，而對(duì)于碳纖維復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)深處分層損傷難以監(jiān)測(cè)。復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)處的分層損傷，其損傷擴(kuò)展平面的法向與孔中心軸向平行，本發(fā)明通過(guò)使線圈主體方向垂直于損傷擴(kuò)展平面進(jìn)行檢測(cè)，這是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，渦流的方向與激勵(lì)線圈的主體方向一致，只有材料損傷對(duì)渦流有較大影響才能實(shí)現(xiàn)更好的監(jiān)測(cè)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了線圈的主體方向是豎直方向、沿著螺桿軸向的，并在Ansoft Maxwell電磁仿真軟件中對(duì)分層狀損傷仿真分析得以證實(shí)。

本發(fā)明的有益效果為：