多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器及其组网方法与流程

1.本发明属于结构裂纹监测领域，涉及一种多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器及其组网方法。


背景技术：

2.金属结构作为飞机、高铁和起重机械等装备的关键承力结构，其安全性决定装备的安全服役。然而，这些装备在服役过程中受到极端环境的影响，极易对结构造成损伤，如腐蚀损伤、疲劳损伤和冲击损伤等。若在服役过程中这些损伤没有及时被发现并进行维修，极易造成灾难性的后果。因此为了保证装备的安全服役，需要对装备进行定期检查，及时发现损伤并进行处理。但是，采用无损检测方式，装备的维护费用较高，需要耗费大量的人力、物力。同时，对于一些部位，如螺栓孔边的裂纹检测，需要将螺栓拆解进行检测。在拆解和安装过程中，极易在孔板引入损伤，而且在检测过程中必须保证装备处于停机状态。这种维修方式使得装备的使用经济性极大降低。为了提高装备的维修效率和降低维修成本，实现装备维护采用视情维修方式，结构健康监测技术应运而生。所谓结构健康监测就是通过在被测结构上布置先进传感器，通过测量表征结构健康状态的参数(温度、应力、是否有裂纹等)，通过信号采集与健康评估，判定结构的健康状态。螺栓结构作为重要的承力部位，其孔边往往是应力集中部位，在服役过程中极易产生疲劳裂纹。因此，对其孔边裂纹的监测显得尤为重要。
3.目前，健康监测技术常用的传感器有应变传感器、导波传感器、光纤传感器、比较真空度传感器、智能涂层传感器、声发射传感器以及涡流传感器等。各个传感器均有自己的优缺点和实用范围。而涡流传感器，尤其是柔性涡流阵列传感器，具有柔性可弯曲、质量轻、裂纹识别灵敏度高、形状适应好等特点，具有裂纹定量监测的优点，可以监测裂纹的产生和扩展情况，在结构健康监测领域具有宽阔的应用前景。常规的柔性涡流阵列传感器由激励线圈和感应线圈两部分组成，通过柔性电路印刷技术将感应线圈和激励线圈印制在柔性基底上，一般采用的柔性基底为聚酰亚胺，然后再用聚酰亚胺薄膜将激励线圈和感应线圈保护起来，防止激励线圈和感应线圈在空气中发生氧化，进而造成断裂。为了方便与信号调理模块进行连接，一般激励线圈和感应线圈的端口都在同一侧。孔边作为危险部位，疲劳裂纹一般产生在受力方向的左右两侧，因此，需要将传感器的感应通道布置在孔的左右两侧，导致传感器的感应通道数较多。如申请号为201911057563.3、名称为一种基于柔性涡流阵列传感器的多部位在线裂纹监测系统的发明专利中提出的多部位在线监测系统，采用柔性涡流阵列传感器监测孔边裂纹时，往往是针对某个孔边进行裂纹监测，一个柔性涡流阵列传感器对应一个信号调理模块，且通过fpc连接器进行连接。因此，如果要实现多个部位的裂纹监测，需要采用多个柔性涡流阵列传感器和多个信号调理模块。信号调理模块具有一定的体积，当监测部位过多时，信号调理模块引入的附加质量和空间占比较大，严重制约了柔性涡流阵列传感器的实际应用。且对于多钉结构，由于其安装孔比较密集，使得信号调理模块的安装受到极大限制。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器，以解决现有裂纹监测用柔性涡流阵列传感器用于多孔接口裂纹监测时，需要采用多个和传感器对应的信号调理模块，导致其应用受限的问题。
5.本发明实施例的另一目的在于，提供一种多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器的组网方法。
6.本发明实施例所采用的技术方案是：多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器，包括：
7.激励线圈，激励线圈在同一平面内由内向外呈螺旋形设置；
8.多个感应线圈组，每个感应线圈组由两个对称设置在监测孔结构左右两侧的感应线圈串联形成，其中：
9.沿着监测孔结构的孔径方向，多个感应线圈组由内向外依次设置在激励线圈的相邻两匝线圈之间。
10.进一步的，每个感应线圈组由两个差分连接的感应线圈组成，其中：
11.两个差分连接的感应线圈对称设置在监测孔结构左右两侧，且两个差分连接的感应线圈的电压差值为其组成的感应线圈组的感应电压值。
12.进一步的，还包括第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘和多个感应电压端口焊盘，其中：
13.所述第二焊盘和第三焊盘分别与激励线圈的两端对应连接；
14.所述第一焊盘与第四焊盘连接；
15.所述多个感应电压端口焊盘与所有感应线圈组的两端一一对应连接。
16.进一步的，还包括柔性基底，多个感应线圈组以及激励线圈设置在柔性基底上，其中：
17.柔性基底上设置有中心孔，中心孔与监测孔结构的孔径一致；
18.多个所述的感应线圈组沿着中心孔的孔径方向，由内向外依次等间距设置在激励线圈的相邻两匝线圈之间。
19.进一步的，还包括设置在激励线圈外侧的多组辅助过孔，以及对应设置在每个感应线圈组的两个感应线圈端部的四个感应线圈过孔，其中：
20.每组辅助过孔包含两个相互连接的辅助过孔；
21.每个所述感应线圈组的其中一个感应线圈一端通过第一个感应线圈过孔，与对应的一组辅助过孔中的第一个辅助过孔连接；每个所述感应线圈组的其中一个感应线圈的另一端，通过第二个感应线圈过孔与第一个感应电压端口焊盘连接；每个所述感应线圈组的另一个感应线圈一端通过第三个感应线圈过孔，与对应的一组辅助过孔中的第二个辅助过孔连接；每个所述感应线圈组的另一个感应线圈的另一端，通过第四个感应线圈过孔与第二个感应电压端口焊盘连接；
22.所述第二个感应线圈过孔与第三个感应线圈过孔处的电压极性相同，均为正极或负极。
23.进一步的，沿着监测孔结构的孔径方向，依次从内向外设置的所有感应线圈组的第一个感应线圈过孔和与其对应的第一个辅助过孔之间、第二个感应线圈过孔与第一个感
应电压端口焊盘之间、第三个感应线圈过孔和与其对应的第二个辅助过孔之间、第四个感应线圈过孔与第二个感应电压端口焊盘之间的连接线竖直设置于柔性基底的顶层且相互平行，依次从内向外设置的所有感应线圈组对应的所有第一个辅助过孔与第二个辅助过孔之间的连接线水平设置于柔性基底的底层且相互平行；
24.沿着监测孔结构的孔径方向，依次从内向外设置的所有感应线圈组的第一个感应线圈过孔和与其对应的第一个辅助过孔之间、第二个感应线圈过孔与第一个感应电压端口焊盘之间、第三个感应线圈过孔和与其对应的第二个辅助过孔之间、第四个感应线圈过孔与第二个感应电压端口焊盘之间的连接线对应依次从中间向两侧设置，依次从内向外设置的所有感应线圈组对应的所有第一个辅助过孔与第二个辅助过孔之间的连接线对应依次从上到下设置。
25.进一步的，所述激励线圈位于最内侧感应线圈组内的部分设置有若干匝线圈，该若干匝线圈分开设置在柔性基底的顶层和底层并通过激励线圈第二过孔连接，激励线圈第二过孔设置在位于柔性基底的顶层和底层的若干匝线圈的内部；
26.所有所述感应线圈组以及所述激励线圈的其他线圈均设置在柔性基底的底层；
27.所述柔性基底的顶层设置有第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘和多个感应电压端口焊盘，所述第二焊盘直接与激励线圈设置在柔性基底顶层的线圈端部连接，激励线圈设置在柔性基底底层的其他线圈端部设置有激励线圈第一过孔，第三焊盘通过设置在柔性基底顶层的连接线与激励线圈第一过孔连接；所述第一焊盘与第四焊盘连接，所述多个感应电压端口焊盘与所有感应线圈组的两端一一对应连接。
28.本发明实施例所采用的另一技术方案是：多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器的组网方法，按照如下步骤进行：
29.步骤s1、根据监测的多孔结构的孔的密集程度，确定对所有孔或部分孔是否需要采用一体化集成式柔性涡流阵列传感器，如需要，则进入步骤s2，否则，进入步骤s3；
30.步骤s2、在需要采用一体化集成式柔性涡流阵列传感器的每个孔的孔边分别设置一个多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器，并将设置的所有多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器集成在一个柔性基底上，然后将设置的所有多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器串联起来，形成一体化集成式柔性涡流阵列传感器；
31.步骤s3、在多孔结构的每个孔的孔边分别设置一个多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器，并采用射频线将所有一体化集成式柔性涡流阵列传感器和用于单个孔裂纹监测的多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器串联起来。
32.进一步的，所述步骤s2，是使前一个孔上的多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器的第三焊盘与后一个孔上的多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器的第二焊盘连接，前一孔的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘与后一孔的柔性涡流阵列传感器的第二焊盘的连接线设置在柔性基底的底层；使前一个孔上的多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器的第四焊盘与后一个孔上的多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器的第一焊盘连接，前一孔的柔性涡流阵列传感器的第四焊盘与后一孔的柔性涡流阵列传感器的第一焊盘的连接线设置在柔性基底的顶层；并使最后一个孔上的多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器的第三焊盘与其第四焊盘连接，将设置的所有多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器串联起来，且用于将设置的所有多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器串联起来的连
接线均直接印制在柔性基底上。
33.进一步的，在每个孔的孔边分别设置一个多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器时，根据监测孔的孔径大小、裂纹监测范围以及裂纹监测精度，确定柔性基底的中心孔的直径、激励线圈的每匝线圈的直径、感应线圈组数量、激励线圈的线圈匝数以及激励线圈的相邻两匝线圈的间距。
34.本发明实施例的有益效果是：针对常规柔性涡流阵列传感器裂纹监测感应通道数多的问题，提出了一种采用差分感应布局的柔性涡流阵列传感器，将感应通道数减少了一半，减少了所需连接线缆和信号调理模块等监测硬件的数量；针对多孔结构，结合柔性涡流阵列传感器具有良好的形状适应性，根据孔的位置特性和密集程度，对每个孔用于裂纹监测的柔性涡流阵列传感器进行组网，形成一体化集成式柔性涡流阵列传感器，实现通过一路激励同时驱动多个柔性涡流阵列传感器，减少了激励线圈之间线路的连接，简化了电路，有效减轻了柔性涡流阵列传感器的连接网络的重量，并使得对多个孔进行裂纹监测时，仅需要一个信号调理模块，解决了现有裂纹监测用柔性涡流阵列传感器用于多孔接口裂纹监测时，需要采用多个和传感器对应的信号调理模块，导致其应用受限的问题。改变了常规涡流阵列传感器的安装方式，通过射频线将传感器与信号调理模块相连接，提高了传感器的安装效率。可以根据信号变化的感应通道对应的柔性涡流阵列传感器所在位置以及每个感应通道的信号变化的先后顺序，进行裂纹产生定位、裂纹扩展方向以及裂纹长度的判定。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1是本发明实施例的柔性涡流阵列传感器的顶层结构示意图。
37.图2是本发明实施例的柔性涡流阵列传感器的底层结构示意图。
38.图3是本发明实施例的柔性涡流阵列传感器对某一多孔结构进行裂纹监测的第一种连接方式示意图。
39.图4是本发明实施例的柔性涡流阵列传感器对某一多孔结构进行裂纹监测的第二种连接方式示意图。
40.图5是本发明实施例的柔性涡流阵列传感器对某一多孔结构进行裂纹监测的第三种连接方式示意图。
41.图6是本发明实施例的柔性涡流阵列传感器一体化设计的顶层结构示意图。
42.图7是本发明实施例的柔性涡流阵列传感器一体化设计的底层结构示意图。
43.图8是多孔结构裂纹监测系统连接示意图。
44.图9是感应电路选通芯片连接电路原理图。
45.图10是裂纹监测实验数据曲线图。
46.图中，1.第一焊盘，2.第二焊盘，3.第三焊盘，4.第四焊盘，5.第五焊盘，6.第六焊盘，7.第七焊盘，8.第八焊盘，9.第一辅助过孔，10.激励线圈第一过孔，11.激励线圈第二过孔，12.感应线圈第一过孔，13.感应线圈第二过孔，14.感应线圈第三过孔，15.感应线圈第
四过孔，16.感应线圈第五过孔，17.感应线圈第六过孔，18.感应线圈第七过孔，19.感应线圈第八过孔，20.第二辅助过孔，21.第三辅助过孔，22.第四辅助过孔，23.第五辅助过孔，24.第六辅助过孔，25.第七辅助过孔，26.第八辅助过孔，27.第九辅助过孔，28.第一感应线圈，29.第二感应线圈，30.第三感应线圈，31.第四感应线圈，32.激励线圈，33.第十辅助过孔。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.实施例1
49.本发明实施例提出了一种多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器，如图1～2所示，包括激励线圈32和多个感应线圈组，每个感应线圈组由两个对称设置在监测孔结构左右两侧的感应线圈串联形成，将感应通道数减少了一半，减少了所需连接线缆和信号调理模块等监测硬件的数量；通过每个感应线圈组的感应电压变化，可判断裂纹萌生位置、裂纹扩展方向以及裂纹扩展长度。激励线圈32采用同向激励布局，即激励线圈32的绕制方向相同，均为顺时针方向或逆时针方向绕制，使得裂纹尖端的扰动涡流随着裂纹的扩展逐渐增大，进而使得产生的扰动信号强度增大。激励线圈32在同一平面内由内向外呈螺旋形设置，多个感应线圈组沿着监测孔结构的孔径方向，由内向外依次等间距设置在激励线圈32的相邻两匝线圈之间。
50.进一步的，每个感应线圈组由两个对称设置在监测孔结构左右两侧的感应线圈差分连接，使得两个对称设置在监测孔结构左右两侧的感应线圈的电压差值为该感应线圈组两端的感应电压值。
51.由于采用同向激励布局时，随着裂纹扩展依次穿过激励线圈32，裂纹尖端的扰动涡流逐渐增大，所以沿着径向方向，多个感应线圈组从内向外对裂纹识别的灵敏度逐渐增大，这样最内侧的感应线圈组对裂纹识别的灵敏度最低，因此，为增大最内侧的感应线圈组对裂纹识别的灵敏度，激励线圈32位于最内侧感应线圈组内的部分设置有4匝线圈，其中2匝线圈设置在柔性基底的底层，另外2匝线圈设置在柔性基底的顶层，并在激励线圈32分别位于柔性基底底层和顶层的2匝线圈内设置连接两者的激励线圈第二过孔11，激励线圈32的其他线圈以及所有感应线圈组均设置在柔性基底的底层，柔性基底的底层指与监测结构相接触的一侧。柔性基底的厚度为0.1mm，其厚度可依据实际需求增大或减小。激励线圈32位于最内侧感应线圈组内的部分的匝数可依据实际需求的灵敏度进行调整，使激励线圈32位于最内侧感应线圈组内的部分分开设置在柔性基底的顶层和底层并通过激励线圈第二过孔11连接，能够保证最内侧感应线圈组距离监测的孔边的距离，保证最小裂纹监测尺寸。
52.进一步的，柔性基底的顶层设置有第二焊盘2和第三焊盘3，激励线圈32一端与第二焊盘2连接，激励线圈32另一端与第三焊盘3连接。由于激励线圈32位于最内侧的感应线圈组内的部分设置有4匝线圈，其中2匝线圈设置在柔性基底的底层，另外2匝线圈设置在柔性基底的顶层，因此，第二焊盘2直接与激励线圈32设置在柔性基底顶层的2匝线圈的端部
连接，激励线圈32设置在柔性基底底层的其他线圈端部设置有激励线圈第一过孔10，第三焊盘3通过设置在柔性基底顶层的连接线与激励线圈第一过孔10连接。
53.进一步的，柔性基底的顶层还设置有第一焊盘1以及与第一焊盘1连接的第四焊盘4，第一焊盘1处设置有第一辅助过孔9，第四焊盘4处设置有第十辅助过孔33，第一辅助过孔9与第十辅助过孔33通过位于柔性基底底层的连接线连接，避免与第二焊盘2、第三焊盘3接触而短路。
54.进一步的，每个感应线圈组两端与对应的感应电压端口焊盘连接。
55.进一步的，由于多个感应线圈组沿着监测孔结构的孔径方向，由内向外依次设置在激励线圈32的相邻两匝线圈之间，因此为避免短路，每个感应线圈组内的两个感应线圈通过对应的过孔差分连接形成一个感应通道，通过每个感应通道的感应电压的正负，可判断是其中哪个感应线圈感应到裂纹，进而判断裂纹萌生位置、裂纹扩展方向。如图1～2所示，当感应线圈组设置有两个时，激励线圈32设置有六匝，其中4匝位于最内圈；第一个感应线圈组由第一感应线圈28和第二感应线圈29串联形成，第二个感应线圈组由第三感应线圈30和第四感应线圈31串联形成；第一感应线圈28和第二感应线圈29位于第四匝激励线圈和第五匝激励线圈之间，且第一感应线圈28和第二感应线圈29对称设置在监测孔的左右两侧；第三感应线圈30和第四感应线圈31位于第五匝激励线圈和第六匝激励线圈之间，且第三感应线圈30和第四感应线圈31对称设置在监测孔的左右两侧；第三感应线圈30位于第一感应线圈28的外侧，第四感应线圈31位于第二感应线圈29的外侧。感应线圈组的数量可以依据所需的裂纹监测范围确定，裂纹监测范围为每个感应线圈组所在相邻两匝激励线圈32之间的间距与感应线圈组数量的乘积。对应设置有四个感应电压端口焊盘，第五焊盘5和第六焊盘6为与第一个感应线圈组对应的感应电压端口焊盘，第七焊盘7和第八焊盘8为与第二个感应线圈组对应的感应电压端口焊盘，第五焊盘5和第六焊盘6与第一个感应线圈组对应连接，第七焊盘7和第八焊盘8与第二个感应线圈组对应连接。第一焊盘1～第八焊盘8采用标准接口。
56.当在理想状态下(没有裂纹产生的情况下)工作时，第一感应线圈28两端(感应线圈第一过孔12与感应线圈第三过孔14之间)的电势差与第二感应线圈29两端(感应线圈第四过孔15与感应线圈第二过孔13之间)的电势差相等，第三感应线圈30两端(感应线圈第五过孔16与感应线圈第七过孔18之间)的电势差与第四感应线圈31两端(感应线圈第八过孔19与感应线圈第六过孔17之间)的电势差相等，则第五焊盘5与第六焊盘6之间的电势差为0，第八焊盘8与第七焊盘7之间的电势差为0。当有裂纹产生后沿着一个方向扩展穿过位于孔边一侧的第一个感应线圈组时，势必造成第一感应线圈28两端的电势差与第二感应线圈29两端的电势差不相等，进而使得第五焊盘5和第六焊盘6之间的电势差不为0，因此，可以根据第一感应通道的电势差即感应电压值的变化来判断裂纹的产生。同理，当裂纹扩展至第三感应线圈30或第四感应线圈31时，第二感应通道的感应电压值也会发生变化，因此，可以进一步根据第二感应通道的感应电压值的变化来判断裂纹的扩展，进而可以通过每个感应线圈组的感应通道的电势差变化情况以及不同感应线圈组的感应通道感应电压变化的先后顺序进行裂纹萌生以及扩展情况分析。
57.进一步的，当感应线圈组设置有两个时，为避免短路，在第一感应线圈28两端对应设置感应线圈第一过孔12和感应线圈第三过孔14，在第二感应线圈29两端对应设置感应线
圈第二过孔13和感应线圈第四过孔15；在第三感应线圈30两端对应设置感应线圈第五过孔16和感应线圈第七过孔18，在第四感应线圈31两端对应设置感应线圈第六过孔17和感应线圈第八过孔19；并在激励线圈32外侧设置第二辅助过孔20、第三辅助过孔21、第四辅助过孔22、第五辅助过孔23、第六辅助过孔24、第七辅助过孔25、第八辅助过孔26、第九辅助过孔27；感应线圈第一过孔12与第六焊盘6连接，感应线圈第三过孔14与第四辅助过孔22连接，感应线圈第二过孔13与第六辅助过孔24连接，第四辅助过孔22与第六辅助过孔24连接，感应线圈第四过孔15与第七辅助过孔25连接，第七辅助过孔25与第八辅助过孔26连接，第八辅助过孔26与第五焊盘5连接，实现第一感应线圈28与第二感应线圈29之间的差分连接，整体差分连接形成第一感应通道，第五焊盘5和第六焊盘6即为与第一个感应线圈组对应的感应电压端口焊盘；感应线圈第五过孔16与第二辅助过孔20连接，第二辅助过孔20与第九辅助过孔27连接，第九辅助过孔27与第七焊盘7连接，感应线圈第七过孔18与第三辅助过孔21连接，感应线圈第六过孔17与第五辅助过孔23连接，第三辅助过孔21与第五辅助过孔23连接，感应线圈第八过孔19与第八焊盘8连接，实现第三感应线圈30与第四感应线圈31之间的差分连接，整体差分连接形成第二感应通道，第七焊盘7和第八焊盘8即为与第二个感应线圈组对应的感应电压端口焊盘；即激励线圈32外侧设置有多组辅助过孔，每组辅助过孔包含两个相互连接的辅助过孔；每个感应线圈组的两个感应线圈端部对应设置有四个感应线圈过孔，每个所述感应线圈组的其中一个感应线圈一端通过第一个感应线圈过孔，与对应的一组辅助过孔中的第一个辅助过孔连接；每个所述感应线圈组的其中一个感应线圈的另一端，通过第二个感应线圈过孔与第一个感应电压端口焊盘连接；每个所述感应线圈组的另一个感应线圈一端通过第三个感应线圈过孔，与对应的一组辅助过孔中的第二个辅助过孔连接；每个所述感应线圈组的另一个感应线圈的另一端，通过第四个感应线圈过孔与第二个感应电压端口焊盘连接。
58.当激励线圈32中的激励电流沿着顺时针方向流动时，感应线圈第一过孔12处的感应电势高于感应线圈第三过孔14，感应线圈第二过孔13处的感应电势高于感应线圈第四过孔15，感应线圈第一过孔12与感应线圈第二过孔13处的感应电势相同，感应线圈第三过孔14和感应线圈第二过孔13处的电压极性相同为-，感应线圈第一过孔12处和感应线圈第四过孔15处的电压极性相同为 ；此时，当裂纹向右扩展时，第二感应线圈29的感应电压增加，使得第一个感应线圈组的感应电压反向减小；当裂纹向左扩展时，第一感应线圈28的感应电压增加，使得第一个感应线圈组的感应电压正向增大。感应线圈第五过孔16处的感应电势高于感应线圈第七过孔18，感应线圈第六过孔17处的感应电势高于感应线圈第八过孔19，感应线圈第五过孔16与感应线圈第六过孔17处的感应电势相同，感应线圈第七过孔18和感应线圈第六过孔17处的电压极性相同为-，感应线圈第五过孔16处和感应线圈第八过孔19处的电压极性相同为 ；此时，当裂纹向右扩展时，第四感应线圈31的感应电压增加，使得第二个感应线圈组的感应电压反向减小，当裂纹向左扩展时，第三感应线圈30的感应电压增加，使得第二个感应线圈组的感应电压正向增大。
59.当激励线圈32中的激励电流沿着逆时针方向流动时，感应线圈第三过孔14处的感应电势高于感应线圈第一过孔12，感应线圈第四过孔15处的感应电势高于感应线圈第二过孔13，感应线圈第三过孔14与感应线圈第四过孔15处的感应电势相同，感应线圈第三过孔14和感应线圈第二过孔13处的电压极性相同为 ，感应线圈第一过孔12处和感应线圈第四
过孔15处的电压极性相同为-；此时，当裂纹向右扩展时，第二感应线圈29的感应电压增加，使得第一个感应线圈组的感应电压正向增大；当裂纹向左扩展时，第一感应线圈28的感应电压增加，使得第一个感应线圈组的感应电压反向减小。感应线圈第七过孔18处的感应电势高于感应线圈第五过孔16，感应线圈第八过孔19处的感应电势高于感应线圈第六过孔17，感应线圈第七过孔18与感应线圈第八过孔19处的感应电势相同，感应线圈第七过孔18和感应线圈第六过孔17处的电压极性相同为 ，感应线圈第五过孔16处和感应线圈第八过孔19处的电压极性相同为-；此时，当裂纹向右扩展时，第四感应线圈31的感应电压增加，使得第二个感应线圈组的感应电压正向增大，当裂纹向左扩展时，第三感应线圈30的感应电压增加，使得第二个感应线圈组的感应电压反向减小。
60.即每个感应线圈组的两个感应线圈端部对应的第二个感应线圈过孔与第三个感应线圈过孔处的电压极性相同，均为正极或负极。
61.其中，感应线圈第一过孔12与第六焊盘6之间、感应线圈第三过孔14与第四辅助过孔22之间、感应线圈第二过孔13与第六辅助过孔24之间、感应线圈第四过孔15与第七辅助过孔25之间以及第八辅助过孔26与第五焊盘5之间的连接线位于柔性基底的顶层，第四辅助过孔22与第六辅助过孔24之间以及第七辅助过孔25与第八辅助过孔26之间的连接线位于柔性基底的底层；感应线圈第五过孔16与第二辅助过孔20之间、感应线圈第七过孔18与第三辅助过孔21之间、感应线圈第六过孔17与第五辅助过孔23之间、感应线圈第八过孔19与第八焊盘8之间以及第九辅助过孔27与第七焊盘7之间的连接线位于柔性基底的顶层，第二辅助过孔20与第九辅助过孔27之间以及第三辅助过孔21与第五辅助过孔23之间的连接线位于柔性基底的底层。即沿着监测孔结构的孔径方向，依次从内向外设置的所有感应线圈组的第一个感应线圈过孔与第一个辅助过孔之间、第二个感应线圈过孔与第一个感应电压端口焊盘之间、第三个感应线圈过孔与第二个辅助过孔之间以及第四个感应线圈过孔与第二个感应电压端口焊盘之间的连接线设置于柔性基底顶层，所述第一个辅助过孔与第二个辅助过孔之间的连接线设置于柔性基底底层。
62.进一步的，当感应线圈组设置有两个时，感应线圈第一过孔12与第六焊盘6之间、感应线圈第三过孔14与第四辅助过孔22之间、感应线圈第二过孔13与第六辅助过孔24之间、感应线圈第四过孔15与第七辅助过孔25之间、第八辅助过孔26与第五焊盘5之间、感应线圈第五过孔16与第二辅助过孔20之间、感应线圈第七过孔18与第三辅助过孔21之间、感应线圈第六过孔17与第五辅助过孔23之间、感应线圈第八过孔19与第八焊盘8之间以及第九辅助过孔27与第七焊盘7之间的连接线竖直设置且相互平行，即沿着孔径方向，依次从内向外设置的所有感应线圈组的第一个感应线圈过孔和与其对应的第一个辅助过孔之间、第二个感应线圈过孔与第一个感应电压端口焊盘之间、第三个感应线圈过孔和与其对应的第二个辅助过孔之间、第四个感应线圈过孔与第二个感应电压端口焊盘之间的连接线竖直设置且相互平行。
63.进一步的，当感应线圈组设置有两个时，第四辅助过孔22与第六辅助过孔24之间、第七辅助过孔25与第八辅助过孔26之间、第二辅助过孔20与第九辅助过孔27之间以及第三辅助过孔21与第五辅助过孔23之间的连接线水平设置且相互平行。即沿着孔径方向，依次从内向外设置的所有感应线圈组对应的所有第一个辅助过孔与第二个辅助过孔之间的连接线水平设置且相互平行，保证激励线圈32对所有感应线圈组输出电压的影响较小。
64.进一步的，当感应线圈组设置有两个时，感应线圈第一过孔12与第六焊盘6之间、感应线圈第二过孔13与第六辅助过孔24之间、感应线圈第三过孔14与第四辅助过孔22之间、感应线圈第四过孔15与第七辅助过孔25之间、第八辅助过孔26与第五焊盘5之间、感应线圈第五过孔16与第二辅助过孔20之间、感应线圈第六过孔17与第五辅助过孔23之间、感应线圈第七过孔18与第三辅助过孔21之间、感应线圈第八过孔19与第八焊盘8之间以及第九辅助过孔27与第七焊盘7之间的连接线依次从中间向两侧设置，即沿着监测孔结构的孔径方向，依次从内向外设置的所有感应线圈组的第一个感应线圈过孔和与其对应的第一个辅助过孔之间、第二个感应线圈过孔与第一个感应电压端口焊盘之间、第三个感应线圈过孔和与其对应的第二个辅助过孔之间、第四个感应线圈过孔与第二个感应电压端口焊盘之间的连接线对应依次从中间向两侧设置。
65.进一步的，第七辅助过孔25与第八辅助过孔26之间、第四辅助过孔22与第六辅助过孔24之间、第三辅助过孔21与第五辅助过孔23之间以及第二辅助过孔20与第九辅助过孔27之间的连接线从上到下依次设置，即沿着监测孔结构的孔径方向，依次从内向外设置的所有感应线圈组对应的所有第一个辅助过孔与第二个辅助过孔之间的连接线依次从上到下设置，保证激励线圈32对所有感应线圈组输出电压的影响较小。
66.进一步的，柔性基底上设置有中心孔，中心孔与监测孔结构的孔径一致，多个感应线圈组沿着中心孔的孔径方向，由内向外依次等间距设置在激励线圈32的相邻两匝线圈之间。中心孔的孔边与激励线圈32最内侧一匝线圈的间距为1mm，激励线圈32相邻两匝线圈间设置的感应线圈宽度设置为0.6mm，激励线圈32相邻两匝中间设置感应线圈组的线圈的间距均为1mm，即裂纹监测精度为1mm，该监测精度可依据需求增大或减小，柔性基底的尺寸为22mm
×
18mm，在保证实现裂纹监测的同时，实现传感器尺寸的小型化，一方面可以降低制造的成本，另一方面减轻了柔性涡流阵列传感器的重量，降低了监测结构的附加重量。
67.在使用过程中，可以根据监测孔的孔径大小、裂纹监测范围以及裂纹监测精度改变该柔性涡流阵列传感器的结构，如被监测孔的直径变大，那么就需要将柔性基底的中心孔的直径增大至与监测孔的直径一致，同时，激励线圈32的每匝线圈的直径也会相应增大，同时需要保证激励线圈32的相邻两匝中间设置感应线圈组的线圈的间距保持不变；当需要增大传感器的监测范围时，需要增加感应线圈组数，即沿着径向方向增加相应的感应线圈组数，但是，每个感应线圈组的差分式连接方式保持不变。
68.本发明实施例提出的差分式感应线圈布局的优势在于感应线圈两两关于中心孔对称差分连接，只有一个输出端，无论裂纹从哪边萌生扩展，关于中心孔两两对称的感应线圈差分式连接形成的感应通道的输出信号都会发生变化。这种布置相比于传统的柔性涡流阵列传感器，在保持监测范围不变的情况下，减少了传感器一半的输出通道数。在对于结构剩余强度计算时，孔边裂纹具体在哪一边扩展没有影响，影响结构剩余强度的是裂纹的长度。因此，该设计对于裂纹的监测是合理的。
69.实施例2
70.本发明实施例提出一种多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器的组网方法，按照如下步骤进行：
71.步骤s1、根据监测的多孔结构的孔的密集程度，确定对所有孔或部分孔是否需要采用一体化集成式柔性涡流阵列传感器，如需要，则进入步骤s2，否则，进入步骤s3；
72.步骤s2、在需要采用一体化集成式柔性涡流阵列传感器的每个孔的孔边分别设置一个多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器，并将设置的所有多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器集成在一个柔性基底上，然后将设置的所有多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器串联起来，形成一体化集成式柔性涡流阵列传感器；
73.步骤s3、在多孔结构的每个孔的孔边分别设置一个多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器，并采用射频线将所有一体化集成式柔性涡流阵列传感器和用于单个孔裂纹监测的多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器串联起来。
74.在每个孔的孔边分别设置一个多孔结构裂纹监测用柔性涡流阵列传感器时，根据监测孔的孔径大小、裂纹监测范围以及裂纹监测精度，确定柔性基底的中心孔的直径、激励线圈32的每匝线圈的直径、感应线圈组数量、激励线圈32的线圈匝数以及激励线圈32的相邻两匝线圈的间距。
75.针对多孔结构，可以根据孔之间的间距设计柔性涡流阵列传感器的组网方案，针对如图3～5所示的包含12个孔的多孔结构，采用如下三种设计方案：
76.第一种：若孔i-孔l这4个孔分别间隔较远，且与孔a-孔h间隔较远时，针对孔a-孔h进行一体化设计，一体化设计是首先在孔a-孔h的孔边均设置一个柔性涡流阵列传感器，将孔a-孔h对应的柔性涡流阵列传感器集成在一个柔性基底上，然后对于孔a-孔h对应的柔性涡流阵列传感器，使前一孔的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与后一孔的柔性涡流阵列传感器的第二焊盘2连接，前一孔的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与后一孔的柔性涡流阵列传感器的第二焊盘2的连接线设置在柔性基底的底层；使前一孔的柔性涡流阵列传感器的第四焊盘4与后一孔的柔性涡流阵列传感器的第一焊盘1连接，前一孔的柔性涡流阵列传感器的第四焊盘4与后一孔的柔性涡流阵列传感器的第一焊盘1的连接线设置在柔性基底的顶层；并使最后一个孔的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与其第四焊盘4连接，将孔a-孔h对于的柔性涡流阵列传感器串联起来形成第三传感器，如图6～7所示，实现对孔a-孔h这8个孔的监测，这样的设计方法，可以减少激励线圈之间线路的连接，简化电路。
77.对于孔i-孔l这4个孔，可以将传感器分开布置，在孔i-孔l的孔边分别设置一个柔性涡流阵列传感器，实现对孔i-孔l这4个孔的监测。如图3所示，采用第三传感器监测孔a-孔h，采用第一传感器监测孔i，采用第二传感器监测孔j，采用第四传感器监测孔k，采用第五传感器监测孔l，然后采用射频线将第一传感器～第五传感器串联起来，因此，通过施加一路激励就可以驱动第一传感器～第五传感器。
78.第二种：若孔i-孔l这4个孔分别与孔a-孔h间隔较远，且孔i与孔j间隔较近，孔k和孔l间距较近，在针对孔a-孔h进行一体化设计的同时，也可以在孔i与孔j、孔k与孔l处采用集成设计的柔性涡流阵列传感器，即在孔i、孔j、孔k与孔l的孔边分别设置一个柔性涡流阵列传感器如图4所示，孔a-孔h采用一体化设计的第二传感器进行监测；将孔i和孔j对应的柔性涡流阵列传感器集成在一个柔性基底上，并使孔i对应的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与孔j对应的柔性涡流阵列传感器的第二焊盘2连接，使孔i对应的柔性涡流阵列传感器的第四焊盘4与孔j对应的柔性涡流阵列传感器的第一焊盘1连接，使孔j对应的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与其第四焊盘4连接，使得孔i和孔j对应的柔性涡流阵列传感器串联形成第一传感器；将孔k和孔l对应的柔性涡流阵列传感器集成在一个柔性基底上，并使孔k对应的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与孔l对应的柔性涡流阵列传感器的第二焊盘
2连接，使孔k对应的柔性涡流阵列传感器的第四焊盘4与孔l对应的柔性涡流阵列传感器的第一焊盘1连接，使孔l对应的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与其第四焊盘4连接，进而使得孔k和孔l对应的柔性涡流阵列传感器串联形成第三传感器。此时，对于12个孔的监测，需要采用3个一体化集成设计的柔性涡流阵列传感器，通过施加一路激励就可以驱动第一传感器～第三传感器。
79.第三种：若孔a-孔l这12个孔之间的间距都比较近，则可以进一步集成，设计一个一体化集成的柔性涡流阵列传感器同时监测这12个孔，如图5所示，即分别在孔a-孔l的孔边设置一个柔性涡流阵列传感器，并将孔a-孔l对应的柔性涡流阵列传感器集成在一个柔性基底上，然后对于孔a-孔l对应的柔性涡流阵列传感器，使前一孔的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与后一孔的柔性涡流阵列传感器的第二焊盘2连接，使前一孔的柔性涡流阵列传感器的第四焊盘4与后一孔的柔性涡流阵列传感器的第一焊盘1连接，并使最后一个孔的柔性涡流阵列传感器的第三焊盘3与其第四焊盘4连接，将孔a-孔l对应的柔性涡流阵列传感器串联起来形成第一传感器，这些用于将孔a-孔l对应的柔性涡流阵列传感器串联起来的连接线均直接印制在柔性基底上，因此，在使用过程中，不需要针对激励线圈添加附加的线缆。也可以采用一般的pcb应变，将感应线圈和激励线圈印制上去。
80.综上，在对多孔结构进行柔性涡流阵列传感器一体化设计的时候，需要考虑孔与孔之间的间隔，若孔与孔相距较近，则进行一体化设计，通过设计一个一体化集成的柔性涡流阵列传感器实现多孔结构的裂纹监测。若孔与孔之间相距较远，则根据多孔结构的孔间间隔，合理设计多个柔性涡流阵列传感器进行多孔结构的裂纹监测，并通过射频线将各个柔性涡流阵列传感器的激励线圈串联起来，实现通过一路激励同时驱动多个柔性涡流阵列传感器。若部分孔分布很集中，个别孔相距较远，那么在集中分布孔的位置处采用一体化设计的一体化集成的柔性涡流阵列传感器，实现多孔结构的多个集中分布的孔边的裂纹监测，而个别相距较远的孔分别设计柔性涡流阵列传感器，然后采用射频线或具有屏蔽功能的双绞线将各个柔性涡流阵列传感器的激励线圈串联起来。
81.本发明实施例针对设计的一体化柔性涡流阵列传感器开展了在线裂纹监测实验。裂纹监测实验系统由信号源，功放模块、一体式涡流阵列传感器、信号调理模块、信号采集与处理系统、mts810疲劳试验机和多孔试验件组成，具体连接方式如图8所示。
82.定义传感器的特诊信号为跨阻抗，即传感器的输出电压与激励电流的比值，如式(1)：
[0083][0084]
式(1)中，为第i个感应通道的跨阻抗，为第i个感应通道的输出电压，为激励电流，ar为第i个感应通道的跨阻抗幅值，θ为第i个感应通道的输出电压与激励电流之间的相位差。
[0085]
定义传感器对裂纹监测的特征信号为跨阻抗在实轴上的投影，如式(2)：
[0086]cr
＝ar·
cosθ；
ꢀꢀ
(2)
[0087]
式中，cr为单个感应通道对裂纹识别的特征信号。
[0088]
如图3～5所示的试验件共有12个孔，对于每个孔的监测有2个感应通道，因此，共
有24个感应通道，本发明实施例对感应通道信号的采集通过多路复位电路对传感器输出信号进行选通。通过数据采集与处理系统，分别求出各个感应通道的裂纹监测特征信号。本发明实施例采用的是sgm4728a模拟电路选通芯片感应通道电路的选通，一个芯片可以控制4路信号的选通，因此对于24个感应通道，需要采用6个sgm4728a模拟电路选通芯片，具体选通电路见图9。
[0089]
当对裂纹进行监测时，通过分析图3～5的多孔结构的受力形式可以看出中间孔a-孔h这8个孔的孔边为危险部位，极易产生疲劳裂纹，因此需要对这8个孔进行监测。在对裂纹进行监测时，每个孔需要2个通道，一共需要16个通道，测试结果如图10所示，可以判断该结构上产生的裂纹部位以及产生的先后顺序和长度。根据图10的采样点数-cr变化曲线图可以看出，变化的先后顺序为孔b的第一感应通道、孔b的第二感应通道、孔c的第一感应通道、孔e的第一感应通道、孔c的第二感应通道、孔e的第三感应通道。由此，可以判断最先在孔b处产生裂纹，扩展到2mm后，在孔c处产生了裂纹，在孔c处裂纹长度未达到2mm时，孔e处也产生了裂纹，当孔c处的裂纹扩展达到2mm后，孔e处的裂纹也逐渐扩展至2mm，当裂纹扩展超过2mm后就超出了传感器的裂纹监测长度范围，随后继续扩展至发生断裂，该实验产生的裂纹部位为孔b、孔c和孔e的孔边。
[0090]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。