基于半解析模型的涡流传感器优化设计与实验研究

针对飞机金属螺栓孔连接结构疲劳裂纹的特点与实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面的涡流阵列传感器,设计了疲劳裂纹扩展实时监测方案,构建了传感器损伤监测半解析模型,搭建了基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹扩展实时监测平台。通过对涡流阵列传感器的仿真和基于涡流阵列传感器的疲劳裂纹扩展实验研究,确定了传感器的监测灵敏度,优化了传感器的特征参数。研究结果表明：传感器基材层阻碍了感应线圈与激励线圈的耦合,基材层应尽量薄。当涡流阵列传感器导电层厚度为0．12—0．18mm,激励线圈的最优宽度为0．8min,感应线圈的最佳厚度为0．5mm时,传感器的损伤监测灵敏度最高。     

基于涡流阵列传感器的金属结构裂纹监测方案可行性研究

针对飞机金属螺栓孔连接结构疲劳裂纹的特点和实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面的涡流阵列传感器,设计了疲劳裂纹扩展实时监测方案,搭建了疲劳裂纹监测实验系统。通过建立监测系统的三维有限元仿真模型,得到传感器工作时感应磁场和磁位矢量的分布规律,验证了监测方案的可行性。通过设计疲劳裂纹扩展试验,确定了涡流阵列传感器定量监测能力。等幅程序载荷谱作用下2A12—T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:提出的涡流阵列传感器能够有效定量监测裂纹的扩展,裂纹监测方案是可行的,监测精度达到1 mm。仿真结果表明:传感器在工作时磁矢量位的分布关于激励线圈导线中心对称,在激励线圈导线中间达到最大值,同时裂纹存在时感应通道归一化跨阻抗幅值比增大10%。     

柔性矩形涡流阵列传感器裂纹检测性能研究

针对飞机金属结构广布疲劳损伤的检测需求,介绍了一种柔性矩形涡流阵列传感器,通过有限元模型分析了其裂纹响应特性,并搭建模拟裂纹检测系统.通过试验研究了传感器的裂纹检测特性,优化了裂纹检测频率.研究表明:当裂纹"扩展"进入感应线圈的检测范围时,输出信号的幅值开始快速增加,若以各感应线圈幅值信号开始快速增加的"拐点"作为特征量,就可实现裂纹长度的定量检测;当归一化激励频率为0.3时,传感器的裂纹检测能力达到最优.     

基于柔性涡流传感器疲劳裂纹监测试验研究

结构健康监测对于保证飞行安全具有重要意义,底层涡流传感器是体系获取结构状态的重要组成.设计了柔性涡流传感器,搭建了预置裂纹监测系统,针对304奥氏体不锈钢、2A12-T4铝合金和TC4钛合金三种材料进行了预置裂纹监测试验.试验表明:对于电导率较小的304奥氏体不锈钢和TC4钛合金材料,最优监测频率增大;预置裂纹对涡流传感器跨阻抗幅值和相位影响不同,相对于幅值变化,相位变化较小;预置裂纹宽度增大会使得传感器跨阻抗变化率增大;柔性涡流传感器感应线圈实现了对裂纹长度的识别和定量监测.     

基于涡流阵列传感器的飞机结构疲劳寿命自动化监测研究

为提升飞机螺栓连接结构疲劳裂纹监测准确率,准确监测飞机结构疲劳寿命,提出了基于涡流阵列传感器的飞机结构疲劳寿命自动化监测研究.构建矢量电磁场量空间扩散方程,在层状介质空间中通过分离变量获取磁矢解析通解在无穷大介质空间内实现解耦,由此确定截面处电磁场量边界条件,分析提离距离与监测灵敏度之间关系.通过对半解析建模对涡流阵列...     

阳极氧化膜对花萼状涡流阵列传感器裂纹监测的影响

针对飞机铝合金结构件表面具有阳极氧化膜的实际,制备具有不同厚度阳极氧化膜的2A12-T4铝合金试件,搭建疲劳裂纹监测系统,对花萼状涡流阵列传感器的裂纹监测特性进行了研究.研究表明:花萼状涡流阵列传感器可以对具有阳极氧化膜的铝合金结构疲劳裂纹进行有效监测,监测精度为1 mm;但阳极氧化膜的厚度会对花萼状涡流阵列传感器的裂纹监测特性产生显著影响,随着阳极氧化膜厚度的增大,传感器的输出信号幅值增加,裂纹监测能力明显降低.     

花萼状涡流阵列传感器裂纹在线定量识别算法

针对传统涡流检测逆向算法难以满足结构健康监测技术对实时性、在线以及算法复杂性低的要求,介绍了一种花萼状涡流阵列传感器,分析了传感器感应线圈输出信号在裂纹扩展过程中的变化特点和规律,提出了基于裂纹特征在线提取的裂纹在线定量识别算法,并通过304不锈钢和TC-4钛合金的疲劳裂纹在线监测试验对算法的有效性进行了验证。研究表明：采用滑动窗口分析方式,对窗口内数据流进行最小二乘回归和递推最小二乘回归,依据回归参数和阈值可以对裂纹特征进行有效识别,进而实现裂纹的在线定量监测。     

基于涡流线圈提离效应的深裂纹检测方法研究

为了提高涡流探头检测厚壁结构中深裂纹的能力,使用 ANSYS有限元模型研究了圆形和矩形两类涡流激励线圈的 提离效应对涡流渗透深度的影响,发现当线圈轴线和材料表面之间的夹角发生变化时,其所产生的提离效应会对涡流的分布产生较大影响。通过分析材料表面各点处涡流渗透深度的变化情况?发现当矩形线圈倾斜60°时进行激励可在材料中感应出 最大渗透深度的涡流,用于深层缺陷的检测,为了提高深裂纹的检测效果,对矩形线圈的参数进行了优化,进一步提高了探头的性能。     

燃气管道电涡流裂纹检测仿真研究

燃气管道外表面疲劳裂纹是可能导致管道断裂的危害性缺陷.通过有限元仿真与实验研究,研究利用多频涡流检测技术使用柔性阵列式探头检测以4340#钢为材料的管道外壁疲劳缺陷问题.仿真给出不同物理参数的管道涡流分布、磁场分布及其变化.从仿真结果可观察出,管壁涡流疲劳裂纹检测结果并非与输入激励频率成正相关,而是针对不同金属材料具有最优参数.涡流检测提离值与磁场强度成负相关.涡流场的分布及其变化规律与磁场情况类同.据此可知检测管壁疲劳裂纹时依据金属材料选定最优物理参数进行检测可有效提高管壁涡流疲劳裂纹检测质量.实验研究结果与仿真结果一致,并且得出以4340#钢为材料的管壁疲劳裂纹涡流检测最优参数,对于涡流无损检测性能的优化提高具有一定的参考价值.     

航空发动机滑油系统金属屑末在线监测技术

针对航空发动机滑油系统中金属屑末在线监测难、检测灵敏度低的现状,基于电磁感应原理,理论推导出了金属屑末通过传感器线圈引起的感应线圈输出电压的表达式,仿真分析了金属颗粒通过传感器时的输出电压,并通过相敏检波(Phase Sensitive Detection, PSD)技术对传感器感应线圈采集到的信号进行解调处理,以提高传感器的采集灵敏度。实验验证了在使用频率为80 kHz、幅值为±10 V的正弦激励信号对13 mm管径进行监测时,传感器对铁磁性金属颗粒的检测灵敏度为80μm,对非铁磁性金属颗粒的检测灵敏度为350μm;为感应式金属屑末传感器的设计提供了理论和技术支持,为航空发动机滑油系统中的金属屑末在线监测提供了技术保障。     

钛合金结构疲劳损伤监测实验研究

飞机钛合金结构损伤的监测,对于保证飞行器的安全具有重要的意义。提出了一种涡流阵列传感器,并通过搭建监测系统,进行了TC4钛合金不同宽度裂纹扩展模拟监测实验研究。研究结果表明：当钛合金出现裂纹后,传感器各通道的输出信号与无裂纹的基准信号有较大的变化,并且随着裂纹宽度的增加,输出信号幅值比增大。同时,模拟监测实验研究表明：传感器能够准确地识别和定量监测裂纹,精度达到1mm。     

基于三维有限元的电涡流传感器参数的仿真研究

电涡流传感器的参数变化对其性能的影响是比较显著的,因此设计电涡流传感器的关键在于对传感器参数进行优化,采用有限元技术(ANSYS软件)对不同形状的空心平面线圈的三维电磁模型进行仿真分析,在得到各种电感曲线的基础上．定性地分析了几种主要参数变化对变面积式电涡流传感器的影响,结果表明,为了提高传感器测量灵敏度,线圈应采用较小的长度、较大的宽度和尽可能小的间隙,该项研究成果为传感器优化分析提供了有利的方法和手段。     

Design and analysis of a z-axis tuning fork gyroscope with guided-mechanical coupling

This paper presents design and analysis of a z-axis tuning fork gyroscope. The sensor is designed to reduce noises and improve the sensitivity by using a drive coupling spring in the lozenge shape. The in-phase sensing mode is suppressed by using a self-rotation ring. The designed sensor prioritizes anti-phase driving and sensing modes. The frequencies of anti-phase driving and sensing modes are far from those of parasitic ones. The design also enables the sensing mode to decouple from the driving one, which is considered to decrease vibration-induced error. The proposed sensor structure is analyzed by finite element method. The simulated frequencies of the driving and sensing modes are 9.9 and 10.0 kHz, respectively, which show the bandwidth of sensor of 100 Hz. The frequency difference between the driving and sensing modes and the parasitic ones is obtained to be 50 %. The optimized gap between electrodes leads to the determination of the number of the sensing capacitor fingers and consequently the suitable dimension parameters of the whole device. The sensor performance in the time domain and the frequency domain having the transient response to a given rotation rate is also simulated showing the linear dependence of capacitance change on angular velocity. As a result, the sensitivity of the sensor is evaluated to be 11 fF/°/s.     

航空发动机气路静电监测传感器特性

分析了发动机气路静电监测的原理,对监测系统关键器件—静电传感器的灵敏度分布和频率响应特性进行了研究,通过数值模拟和曲线拟合的方法确定了传感器的灵敏度分布函数,进而推导了传感器的频率响应函数,分析了传感器探极半径和对灵敏度分布与频率响应影响,以及颗粒运动速度对频率响应的影响。理论分析和模拟实验结果表明:静电传感器在空域和时域内均为低通滤波器,半径大的传感器灵敏度较高,空域频谱和时域频谱较宽。颗粒运动速度越快,传感器输出信号的频带越宽,但幅值相对越小。     

疲劳驾驶多源性智能监测预警方法研究

对疲劳驾驶监测预警方法进行研究,可以避免驾驶员因疲劳驾驶产生的交通事故,减少因疲劳驾驶造成的人员伤亡和经济损失。当前的疲劳驾驶监测预警方法存在监测灵敏度低、可靠性差等问题,不能及时对疲劳驾驶的驾驶员进行报警,来避免交通事故的发生。为此,提出了疲劳驾驶多源性智能监测预警方法,首先将摄像头采集的驾驶员图像进行预处理,通过计算驾驶员图像信息的灰度值,得到驾驶员图像中像素的分布密度,为后续的监测和预警工作提供信息。其次,采用卡尔曼滤波算法对驾驶员的图像信息进行跟踪,得到驾驶员各个时间内的状态估计值,最后,通过计算驾驶员状态估计值判断驾驶员是否存在疲劳状态。实验结果表明,该方法的丢包率低、多源性高、抗干扰能力强、计算效率高。     

涡流阵列检测修正C扫描成像技术研究

基于涡流阵列无损检测平台和涡流阵列传感器,简单介绍了涡流阵列C扫描成像过程.针对涡流阵列C扫描成像方法中线圈单元点扩展函数卷积效应导致缺陷图像模糊和图像中裂纹位置与实际裂纹所在位置存在位置差等问题,利用涡流阵列特征提取方法和图像分割、边缘提取、细化处理等图像处理方法,提出了可以较为准确反映裂纹位置、长度、方向等特征信息...     

电涡流检测技术及影响因素分析

针对行程开关、霍尔开关检测位移的控制精度以及灵敏度低、使用寿命短等缺点,在电涡流传感器检测系统的基础上,设计了一套放大的线圈一导体电涡流检测系统.利用在线采集的数据,分析了各影响因素包括导体尺寸、激励电压、线圈运动速度以及导体温度对涡流强度、控制精度以及灵敏度的影响,从而对涡流检测系统参数的选取以及干扰因素的识别具有重要的意义.