基于柔性涡流传感薄膜的CFRP螺接结构监测技术

涡流监测技术主要用于对待测试件表面及近表面损伤进行表征，监测时将传感器粘贴在待测试件的表面。为了对较厚CFRP螺栓连接结构的孔边损伤进行监测，提出了一种柔性涡流阵列传感薄膜，如图2所示，将导线印刷在聚酰亚胺材质的接收线圈末端焊盘柔性薄膜上形成柔性涡流传感器（包括激励线圈和接收线圈），再将柔性涡流传感器缠绕、粘贴并固定在螺栓连接结构的螺杆上。

激励线圈拥有两种不同的电流流通形式，其主要区别在于两个相邻激励子线圈边界上的电流流通路径的方向不同，一种为电流同向流动，另一种为电流反向流动。接收线圈结构与激励线圈结构完全相同，不同之处在于各线圈之间采用并联的连接方式以达到独立工作的效果，如图5所示。

从理论分析可知，如上所述的单输入多输出一维传感器阵列可以监测复合材料层合板孔边损伤沿径向及轴向方向扩展，但不能确定损伤在径向方向的位置，因此难以识别连接结构的损伤模式。通过单输入多输出二维涡流传感器阵列不但可以监测复合材料层合板孔边损伤沿径向及轴向扩展，还可以预测损伤的径向位置，识别损伤模式。此外，除矩形线圈外，激励线圈和接收线圈还可根据监测需要设计为其他形状。

图8为试验用柔性涡流阵列传感薄膜实物图，薄膜上每个线圈的线径和间距均为0.25 mm。柔性涡流阵列传感膜的宽度和长度分别为20 mm和43.96 mm。激励线圈共80匝，4个接收线圈每个接收线圈的匝数为20匝。传感器线圈匝数、间距、宽度等设计参数的设计取决于对监测灵敏度、信噪比等因素的要求。

在CFRP试件的孔边沿径向和轴向方向利用数控雕刻机分别制造了不同长度和深度的损伤。沿螺栓孔径向损伤扩展步长为每次1 mm， 轴向损伤扩展步长为每次5 mm。通过监测系统测量损伤分别沿孔边轴向和径向扩展时柔性涡流阵列传感薄膜接收线圈的感应电压变化。

图10显示了损伤沿单向CFRP层合板孔边径向从0增大到5 mm时接收线圈感应电压的变化情况。如图10a所示，当最上面一块CFRP单向层合板出现损伤时接收线圈1的感应电压迅速升高，感应电压升高的主要原因为损伤出现后涡流产生的磁场对原磁场抑制作用减小，使得总磁场强度相较于损伤前有所增强。与此同时，其余3个位于无损伤板块处的接收线圈对应的感应电压值基本保持不变。试验中也对激励线圈相邻子线圈电流方向进行了不同的设置，即电流同向与电流反向。试验结果表明，当两个激励子线圈的相邻边界的电流方向相同时感应电压的变化要比电流相反时更加明显，主要因为电流方向相同增强了线圈电流强度，从而提高了线圈的灵敏度。

当第2块CFRP层合板损伤沿螺栓孔径向从0增大到5 mm时，接收线圈感应电压的变化如图10b所示。与图10a所示的结果相似，当第2块CFRP层合板出现损伤 时，其所在处的接收线圈2的感应电压值迅速升高，而其他3个接收线圈的感应电压值大致保持不变。由图10可知，当径向损伤扩展至约3 mm时，期间接收线圈感应电压值不断增大。在此之后，即使损伤进一步扩展，接收线圈的感应电压值基本保持不变，这是因为涡流主要分布在孔周边区域，导致其监测范围受到限制。类似地，当损伤出现在第3块层合板或第4块层合板时，其所在处的接收线圈3或4的感应电压值迅速升高，而其他3个接收线圈的感应电压值大致保持不变。

图11显示了径向长度为2 mm的损伤沿孔边轴向从0~20 mm等步长扩展时接收线圈的感应电压变化趋势。损伤沿孔边轴向方向由0增加到20 mm，每次增加5 mm。结果表明，在损伤出现的位置所对应的接收线圈的感应电压值会显著增大，而其余接收线圈的感应电压值变化明显小于该接收线圈的感应电压值变化。同样，当两个激励子线圈的相邻边界的电流方向相同时，感应电压的变化值要比电流相反时更加明显。