本發(fā)明涉及一種渦流監(jiān)測及其系統(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：

復合材料應用領域包括電子、家電、汽車、體育休閑、風力發(fā)電、軌道交通、船舶、航空航天、建筑節(jié)能等領域，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。特別是航空航天領域，復合材料占據(jù)著越來越重要的地位，像在波音787中，復合材料占據(jù)比例高達50％，在空客a350更是占據(jù)結構總重量的52％，國產寬體客機c929預計增加復合材料的應用達51％。

由于飛行器等結構的復雜性，考慮復合材料加工成本，以及部分形狀難于一次性加工制造成型，需要多個部件連接起來實現(xiàn)復雜的結構。而機械連接(螺栓連接等)具有可靠性高、承載能力強、便于重復拆裝、使用維護簡便等優(yōu)點，在航空航天工程領域中，機械連接方式是復合材料連接結構的主要方式。同時研究表明，螺栓連接結構有應力集中效應，是復合材料發(fā)生損傷的熱點區(qū)域。

現(xiàn)有的無損監(jiān)測技術，包括利用c-掃描，超聲相控振，剪切散斑干涉，紅外熱像技術等，在復合材料損傷監(jiān)測中可以發(fā)揮一定的作用，但這些技術無法對復合材料結構中的損傷進行實時監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)測局限性大，特別是無法監(jiān)測深處隱藏部位的損傷。

目前的渦流監(jiān)測基本上是監(jiān)測結構表層缺陷，渦流線圈主要有粘貼固定式和表面移動式，由于電渦流的趨膚效應，在表面檢測的電渦流線圈，對于連接結構深處的損傷難以監(jiān)測。斯坦福大學fu-kuochang教授等使用的電渦流線圈，粘接在螺桿表面監(jiān)測金屬連接結構損傷，但由于主要渦流方向是繞著螺桿的周向，對于監(jiān)測金屬連接結構沿著螺桿軸向裂紋有不錯的效果，但對于碳纖維復合材料垂直于螺桿軸向的分層狀損傷難以監(jiān)測。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于此，我們發(fā)明一種電渦流傳感器及其與連接結構一體化的實時監(jiān)測方法，可以更好地實現(xiàn)對碳纖維復合材料連接結構分層狀損傷實時監(jiān)測，同時克服一般的離線監(jiān)測費時費力，可實現(xiàn)損傷的在線監(jiān)測，對于飛行器而言，既降低了維修維護的經(jīng)濟性，也保證了飛行的安全性。

本發(fā)明的技術方案為：

一種監(jiān)測碳纖維復合材料連接結構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于碳纖維復合材料連接螺桿上的筒狀結構，且所述線圈走線的主體方向沿著筒狀結構的軸向；所述電渦流傳感器通過線圈通入交變電流、接收感應電壓。

優(yōu)選的，所述線圈由若干個矩形線圈依次串聯(lián)構成，該些矩形線圈中，第4m和4m+1個矩形線圈設于所述柔性印刷電路板的一側，第4m+2和4m+3個矩形線圈設于所述印刷電路板的另一側，且兩側的矩形線圈一一相對設置，其中m為自然數(shù)；各矩形線圈分別是由外至內或由內至外的按照類似矩形形狀環(huán)繞形成，異側相對設置的兩矩形線圈的內末端穿過所述印刷電路板連接。

優(yōu)選的，同側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邊沿所述軸向方向延伸，相鄰矩形線圈鄰近側流入的電流方向一致。

優(yōu)選的，異側相對設置的兩矩形線圈流入的電流方向一致。

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

優(yōu)選的，還包括分別設于所述兩線圈組件外側的保護膜以及設于兩線圈組件之間的絕緣膜，所述保護膜、絕緣膜和兩線圈組件通過粘結固定。

基于上述電渦流傳感器的碳纖維復合材料連接結構分層監(jiān)測方法，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電路，通過感應電壓的變化監(jiān)測碳纖維復合材料內部的分層狀損傷。

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)測金屬或是碳纖維復合材料的表層損傷，而對于碳纖維復合材料連接結構深處分層損傷難以監(jiān)測。復合材料連接結構處的分層損傷，其損傷擴展平面的法向與孔中心軸向平行，本發(fā)明通過使線圈主體方向垂直于損傷擴展平面進行檢測，這是基于法拉第電磁感應定律，渦流的方向與激勵線圈的主體方向一致，只有材料損傷對渦流有較大影響才能實現(xiàn)更好的監(jiān)測。本發(fā)明實現(xiàn)了線圈的主體方向是豎直方向、沿著螺桿軸向的，并在ansoftmaxwell電磁仿真軟件中對分層狀損傷仿真分析得以證實。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明實現(xiàn)了復合材料連接結構分層狀損傷的監(jiān)測。激勵線圈在正弦交變電壓的作用下，復合材料內部會產生很強的交變電磁場h(t),在交變磁場h(t)的作用下，連接結構附近的碳纖維復合材料(導電材料)中也會產生渦流ie(t)，其方向與臨近線圈的電流方向一致，而此渦流同樣會產生渦流磁場he(t)，影響著原有的激勵電流磁場h(t)。這種相互作用下，由法拉第電磁感應定律知，磁場的變化最終以接收線圈的感應電壓表征出來。在復合材料出現(xiàn)分層的情況下，其渦流ie(t)會繞過復合材料分層部分，渦流的大小會改變，周圍磁場也會發(fā)生改變，最終接收線圈的感應電壓也會改變，我們通過這種變化來判斷復合材料的有無分層及分層大小。

附圖說明

圖1為電渦流傳感器的分解結構示意圖；

圖2為激勵線圈組件的整體結構示意圖；

圖3為激勵線圈的立體結構示意圖；

圖4為電渦流傳感器與螺桿粘接工藝示意圖；

圖5為設有電渦流傳感器的連接結構的示意圖；

圖6為電渦流傳感器進行監(jiān)測的連接示意圖；

圖7為電渦流傳感器對復合材料連接結構(無分層損傷)監(jiān)測模型及渦流示意圖；

圖8為電渦流傳感器對復合材料連接結構(有分層損傷)監(jiān)測模型及渦流示意圖；

圖9為圖7和圖8仿真模型接收線圈的感應電壓對比圖。

具體實施方式

以下結合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。

參考圖1，一種監(jiān)測碳纖維復合材料連接結構分層的電渦流傳感器包括依次層疊設置的第一保護膜1、激勵線圈組件2、絕緣膜3、感應線圈組件4和第二保護膜5。其中激勵線圈組件2包括柔性印刷電路板21和用于通入交變電流的激勵線圈22，感應線圈組件4包括柔性印刷電路板41和用于接收感應電壓的感應線圈42。以下對激勵線圈組件2的結構做具體說明，感應線圈組件4的結構以及線圈走線方式與激勵線圈組件2一致。

參考圖2和圖3，激勵線圈22是單個繞組，印刷于柔性印刷電路板21(聚酰亞胺薄膜)相對的兩側，由4n(n是非零的自然數(shù))個小矩形線圈221依次串聯(lián)而成。按照電流流入的順序，其中第4m、4m+1(m為自然數(shù))個矩形線圈221在聚酰亞胺薄膜的一側，第4m+2、4m+3(m為自然數(shù))個矩形線圈221在聚酰亞胺薄膜的另一側，且兩側的矩形線圈一一相對設置。各矩形線圈221分別是由外至內或由內至外的按照類似矩形形狀環(huán)繞形成，異側相對設置的兩矩形線圈的內末端穿過所述印刷電路板21進行連接。

具體，參考圖3，以8個矩形線圈為例，按照電流流入方向，依次編號為221-1至221-8，其中221-1、4、5、8位于同側，221-2、3、6、7位于另一側。其中矩形線圈221-1按照逆時針由外至內的方向以類似矩形形狀于聚酰亞胺薄膜正面環(huán)繞至最后一圈恰好位于中間位置，然后穿過聚酰亞胺薄膜，于背面以由內至外逆時針的方向繞線形成矩形線圈221-2，最后一圈轉至同側的旁邊以由外至內順時針的方向繞線形成矩形線圈221-3，矩形線圈221-3最后一圈同樣位于內部，穿過聚酰亞胺薄膜至正面并在矩形線圈221-1旁邊以由內至外順時針的方向繞線形成矩形線圈221-4，然后轉至同側的旁邊重復上述四個矩形線圈的繞線過程。按照上述繞線方式得到的激勵線圈22，其同側矩形線圈按照一第一方向排列，且所述矩形線圈的長邊沿垂直第一方向的第二方向延伸，從而，同側相鄰矩形線圈鄰近側流入的電流方向一致，異側相對設置的兩矩形線圈重合的部分電流方向一致(上下對應)。此外，亦可以通過與上述相反的方向來進行繞線。

參考圖4，上述渦流傳感器各層之間粘接固定后粘接于螺桿上并將兩線圈的引線引出進行測試，舉例來說，引線分別由兩線圈的兩末端引出，且引線終端焊點可以一起焊在同一聚酰亞胺薄膜表面以便于引出。渦流傳感器于螺桿上卷繞形成筒狀結構，且筒狀結構的軸向與上述第二方向一致，即線圈內電流主體流向與軸向平行。參考圖5及圖6，帶有渦流傳感器6的螺栓7設于兩材料層8、9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合材料層且具有分層損傷10，連接孔與渦流傳感器6之間留有一間隙k。激勵線圈22的引線接信號發(fā)生器以通入交變電流，感應線圈42的引線接示波器以檢測感應電壓的變化。激勵線圈的工作頻率為500khz至15mhz。激勵線圈通入交變電流，在周圍產生感生磁場，附近導體內部產生電渦流，接收線圈可以接收到感應電壓的值。

參考圖7和圖8，分別對無分層損傷和有分層損傷的復合材料連接結構的監(jiān)測。很清晰的看出，在有分層損傷的復合材料連接結構，渦流會繞過分層損傷，根據(jù)法拉第電磁感應定律，電渦流的改變，必然導致電渦流磁場的改變，影響原有激勵線圈的激勵磁場，最終以接收線圈的感應電壓表征出來。我們可以根據(jù)感應電壓的變化判斷有無分層損傷。

參考圖9，基于圖7和圖8的仿真模型，我們運用ansoftmaxwell電磁仿真軟件對有無分層損傷模型進行瞬態(tài)分析，并得到各自接收線圈的感應電壓信號，可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明電渦流線圈對分層損傷有辨別能力。

參考圖6，向激勵線圈施加激勵信號，讀取接收線圈的感應電壓信號，為了可以排除讀數(shù)的隨機性、不穩(wěn)定性，取n個周期的均方差值rms(v)，其中

當有分層損傷出現(xiàn)時，rms(v)會變化，根據(jù)變化的大小可以辨別損傷的大小。

此外，在另一實施例中，所述渦流傳感器也可只設有一個線圈組件，該線圈組件的線圈同時通入交變電流并連接檢測電路，也可進行檢測。

此外，本領域技術人員應知，基于本發(fā)明的原理，對金屬或其他導電材料可能發(fā)生的分層損傷的檢測也同樣適用。

上述實施例僅用來進一步說明本發(fā)明的監(jiān)測碳纖維復合材料連接結構分層的電渦流傳感器及方法，但本發(fā)明并不局限于實施例，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發(fā)明技術方案的保護范圍內。