平面阵列式电磁传感器及微缺陷定量检测方法研究

战机和民用飞机关键部件微缺陷的快速与定量检测是当前航空无损检测的一个重要研究方向。针对飞机发动机涡轮叶片和机翼大梁螺栓孔等关键部件微缺陷定量检测难度大、效果差、效率低的问题，建立一种基于平面阵列式电磁传感器的微缺陷定量检测方法。采用MEMS技术在柔性基底上制作具有空间周期性结构的平面阵列式电磁传感器并对微弱检测信号进行处理，从中提取出传感器检测信号与激励信号之间的转移阻抗，并根据基于检测模型建立的测量网格数据库，得到被测对象材料特性（磁导率/电导率）的变化，在此基础上利用材料特性与微缺陷和应力分布的对应关系，完成微缺陷和应力分布的定量检测。主要研究内容包括：平面阵列式电磁传感器检测机理，柔性传感器阵列设计与制备，微弱信号检测与处理技术，传感器标定技术，微缺陷定量检测方法等。通过本项目的研究，可以为装备关键部件微缺陷和应力分布的快速与定量检测提供理论和技术基础。

本项目针对飞机发动机涡轮叶片和螺栓孔等关键部件检测难度大、检测效率低的问题，重点开展了平面型电磁传感器检测机理、柔性传感器阵列设计与制备、微弱信号检测与处理、传感器标定、微缺陷定量检测等研究，解决了以下关键科学问题：.（1）平面型电磁传感器阵列检测灵敏度与空间分辨率的整体提高.通过理论和仿真分析研究了传感器结构和参数对检测灵敏度和空间分辨率的影响，实现了传感器的优化设计；采用MEMS工艺在柔性基底上制作出传感器的周期性激励线圈和多匝检测线圈，有效提高了传感器阵列的检测灵敏度与空间分辨率；制备了错位式差分线圈和隧道结磁阻元件构成的复合式传感器，实验结果表明它能检测出螺栓孔10mm深度的缺陷；对传感器各通道的不一致性及其相互耦合关系进行了深入的分析，为传感器标定和阵列信息融合奠定了基础。.（2）大动态范围下微弱信号的检测与处理.平面阵列式电磁传感器的输出信号非常微弱，通常为毫伏量级；缺陷所引起的信号变化更小，并且很容易受到环境干扰的影响，信噪比较低。设计了以低噪声运算放大器ADA4896为核心的多通道低噪声前置放大电路、12位8路同步模数转换芯片AD9272为核心的多路同步高速数据采集电路，并采用以FPGA为核心的数字锁定放大器进行信号处理，提取传感器转移阻抗的幅度和相位信息，精度达到0.2 %。建立传感器等效电路模型并提出了空气点和参考点组合校准方法，实现了传感器非理想特性和多通道不一致性的一体化校准。.（3）微缺陷尺寸的定量分析.根据平面阵列式电磁传感器的真实结构和尺寸建立其有限元模型；通过分析和计算传感器在不同工作条件下的转移阻抗，建立了反映传感器输出与材料特性对应关系的测量网格数据库；提出了一种粗略查找与精确查找相结合的多变量非线性搜索算法，大大提高了搜索的准确性和搜索速度；分别基于PC机和嵌入式系统研制了检测系统原理样机和验证样机，实现了微损伤的三维实时成像，成像速度达到了14 帧/秒；所研制检测系统样机能够实现0.1mm宽度微裂纹的检测，微裂纹长度的检测误差小于0.2 mm。