傳感器在金屬裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用

傳感器在金屬裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用 引言 隨著社會(huì)的發(fā)展 ，我們生活的四周可以說到處可以看到鋼鐵等金屬的使用。隨著金屬使用的日益廣泛，它所帶來的安全問題日益引起人們的關(guān)注，各種檢測(cè)金屬裂紋的方法被人們所發(fā)明并廣泛應(yīng)用。在這些方法中傳感器的應(yīng)用越來越多，各種傳感器被人們所發(fā)明并應(yīng)用 。 檢測(cè)金屬裂紋的三種方法 基于電位法原理的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè) 新型電子傳感器在微裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用 應(yīng)用脈沖渦流檢測(cè)金屬表面裂紋 基于電位法原理的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè) 設(shè)計(jì)原理 疲勞失效是金屬結(jié)構(gòu)在使用過程中最基本的最主要的破壞模式，通常金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋是從結(jié)構(gòu)表產(chǎn)生、擴(kuò)展的，為了避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，目前多采用周期性的維修方式，即運(yùn)用無損探傷的方法對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性的檢修來保證安全。在此，選用 LY12鋁合金板材中心孔試件 (如圖 1所示 )為研究對(duì)象來闡述傳感器的設(shè)計(jì)方案。 基于電位法原理的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè) 擬研制的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)傳感器的安裝位置及形狀如圖 2所示，該傳感器主要由導(dǎo)電覆層和絕緣層兩部分構(gòu)成。其中核心元件為由特殊的表面處理方法制備的導(dǎo)電覆層，當(dāng)恒定電流經(jīng)由 C點(diǎn)從傳感器通過時(shí)，將在傳感器中產(chǎn)生一定的電場(chǎng)；如果金屬構(gòu)件表面出現(xiàn)裂紋，由于隨附損傷，傳感器膜層也會(huì)出現(xiàn)裂紋，其電場(chǎng)將發(fā)生變化；裂紋的位置、長度不同，其對(duì)電場(chǎng)的影響不同，從而傳感器的輸出信號(hào)也不同；因而可以通過測(cè)量分析傳感器的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋位置及擴(kuò)展情況的監(jiān)測(cè)。 基于電位法原理的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè) 傳感器的輸出特性分析 通過建立裂紋監(jiān)測(cè)傳感器的有限元模型，運(yùn)用該模型分析了傳感器的電場(chǎng)及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的電位差，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。通過對(duì)傳感器進(jìn)行仿真分析，得到了裂紋沿徑向單邊、雙邊擴(kuò)展時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間電位差的變化特征和確定裂紋長度的方法。 式中：裂紋沿徑向雙邊擴(kuò)展時(shí)裂紋長度 a的單位為 mm； 的單位為 mV；734mV為沒有裂紋時(shí) AC間的電位差。 基于電位法原理的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè) 傳感器的優(yōu)點(diǎn) 該傳感器因與金屬基體絕緣，所以適用于所有的金屬結(jié)構(gòu)，同時(shí)因其基于電位法原理且直接與結(jié)構(gòu)裂紋相關(guān)聯(lián)，故具有信號(hào)處理簡單、成本低、可靠性高等。 新型電子傳感器在微裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用 設(shè)計(jì)原理 疲勞過程中的塑性變形同表面氧化層的位錯(cuò)攀移及增殖有關(guān)，后者會(huì)導(dǎo)致外逸電子的發(fā)射。外逸電子的發(fā)射易受溫度、濕度、壓強(qiáng)等引起的 “ 污物效應(yīng) ” 影響，而且外逸電子數(shù)隨微裂紋的擴(kuò)展而逐漸增加。當(dāng)表面氧化層出現(xiàn)微裂紋時(shí)，發(fā)射的外逸電子數(shù)則明顯增多。用外逸電子發(fā)射理論研究疲勞損傷過程中的塑性變形，以及微裂紋的形成和生長，可以進(jìn)行金屬表面初期疲勞損傷微裂紋的無損檢測(cè) 。 新型電子傳感器在微裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用 Saite， Homma和 Shinata等人對(duì) Al試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，外逸電子發(fā)射強(qiáng)度和疲勞周期的關(guān)系表明，在疲勞壽命的 10 20處，外逸電子發(fā)射強(qiáng)度有最大值，且初始微裂紋也正好出現(xiàn)在發(fā)射強(qiáng)度最大值之處，如圖 2所示。 新型電子傳感器在微裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用 據(jù)此設(shè)計(jì)出了可用于空氣中構(gòu)件在線檢測(cè)的雙柵極空氣計(jì)數(shù)管DGAC，較好解決了電子控制電路與 IBM PC XT計(jì)算機(jī)的接口電路問題，如圖 3所示。電源為 10路高低壓混合型直流穩(wěn) 壓電源，分別為計(jì)數(shù)管陽極、電子控制 電路和接口電路提供工作電源。電子控 制電路主要由放大電路、觸發(fā)電路 猝熄 電路、抑制電路和單穩(wěn)態(tài)電路等部分組成。 計(jì)數(shù)器在完成對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)的同時(shí)，產(chǎn) 生中斷信號(hào)，以便產(chǎn)生響應(yīng)中斷，讀取計(jì) 數(shù)器中計(jì)數(shù)值，重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器工作，對(duì) 檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，讀得的數(shù)值就是輸入 脈沖的頻率。根據(jù)外逸電子發(fā)射強(qiáng)度和疲勞周 期的關(guān)系，可以推知裂紋的強(qiáng)度。 應(yīng)用脈沖渦流檢測(cè)金屬表面裂紋 原理方法 按照傅立葉變換 ,一個(gè)脈沖信號(hào)可以展開為無限多個(gè)波分量之和 ,因而具有較寬的頻譜。當(dāng)用脈沖電流作激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行渦流檢測(cè)試驗(yàn)時(shí) ,蘊(yùn)含著豐富的被測(cè)信息。而且 ,激勵(lì)的脈沖特性使渦流在金屬中存在一個(gè)很高的峰值 ,易于觀察測(cè)量 ；能夠進(jìn)行傳統(tǒng)渦流檢測(cè)所不能進(jìn)行的瞬態(tài)分析。脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)如圖 1所示。首先 ,由信號(hào)發(fā)生器 (激勵(lì)源 )產(chǎn)生脈沖信號(hào) ,其信號(hào)形式為方波信號(hào)。此脈沖信號(hào)激勵(lì)脈沖渦流傳感器的線圈進(jìn)行檢測(cè) ,然后 ,試件感應(yīng)產(chǎn)生瞬時(shí)渦流信號(hào) ,此渦流信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和原生磁場(chǎng)相互作用 ,系統(tǒng)將此時(shí)的傳感器瞬時(shí)電流信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào) ,并通過程控放大器進(jìn)行放大處理 ,之后 ,經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行 A /D轉(zhuǎn)換采樣 ,對(duì)采樣后信號(hào)利用虛擬儀器進(jìn)行信號(hào)處理和顯示 ,可以初步判斷裂紋的性質(zhì) 。 應(yīng)用脈沖渦流檢測(cè)金屬表面裂紋 渦流傳感器工作原理 當(dāng)被測(cè)金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭中線圈的 Q值也發(fā)生變化， Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補(bǔ)償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成機(jī)械位移 (間隙 )轉(zhuǎn)換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測(cè)體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個(gè)電渦流傳感器的性能與被測(cè)體有關(guān)。電渦流傳感器工作原理如圖所示 應(yīng)用脈沖渦流檢測(cè)金屬表面裂紋 渦流傳感器的應(yīng)用 脹差測(cè)量 斜坡式脹差測(cè)量 補(bǔ)償式脹差測(cè)量 雙斜面脹差測(cè)量 振動(dòng)測(cè)量 軸位移測(cè)量 軸心軌跡測(cè)量 差動(dòng)測(cè)量 動(dòng)力膨脹 轉(zhuǎn)子動(dòng)平徑向運(yùn)動(dòng)分析 轉(zhuǎn)速和相位差測(cè)試 轉(zhuǎn)速測(cè)量 表面不平整度測(cè)量 裂痕測(cè)量 非導(dǎo)電材料厚度測(cè)量 金屬元件合格檢測(cè) 軸承測(cè)量 換向片測(cè)量 應(yīng)用脈沖渦流檢測(cè)金屬表面裂紋 結(jié)果分析 通過 RS - 232接口與單片機(jī)進(jìn)行通信 ,為整個(gè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的觸發(fā)信號(hào) , 即數(shù)據(jù)采集卡、 MAX383、單片機(jī)可以在同一觸發(fā)信號(hào)下進(jìn)行工作 ,從而能夠得到精確的一個(gè)脈沖周期的檢測(cè)信號(hào)。在此基礎(chǔ)上 ,測(cè)量無缺陷參考試塊 ,并將其一個(gè)脈沖周期的檢測(cè)信號(hào)存為參考信號(hào)。然后 ,檢測(cè)人工裂紋試塊 ,同樣得到一個(gè)脈沖周期的檢測(cè)信號(hào) ,并與參考信號(hào)相減得到的即是裂紋信息。 檢測(cè)裂紋的傳感器 德國開發(fā)成功玻璃幕墻裂紋檢測(cè)傳感器 位于維爾茨堡的德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所 (ISC)的科學(xué)家研發(fā)了一種特殊傳感器系統(tǒng)可以檢測(cè)到玻璃幕墻上微小的裂紋，并在玻璃實(shí)際破裂之前就及時(shí)發(fā)出維修提示。該傳感器通過電纜連接到建筑物的控制系統(tǒng)，所有傳入的數(shù)據(jù)都會(huì)被自動(dòng)分析，當(dāng)玻璃出現(xiàn)微小裂縫時(shí)就會(huì)觸發(fā)警報(bào)。研究者還成功將傳感器安裝到層壓玻璃面板間。由于這些傳感器在層壓玻璃的生產(chǎn)過程中就已經(jīng)被整合到兩塊玻璃板之間，因此，它們能在玻璃安裝前就檢測(cè)到玻璃在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的缺陷。 檢測(cè)裂紋的傳感器 裂紋檢測(cè)光纖傳感器在日本問世 日本東京大學(xué)工學(xué)系開發(fā)出了世界上第一個(gè)用來檢查核電站、高速公路、隧道等是否存在裂紋的光纖傳感器。與目前使用的壓電式裂紋傳感器相比，這種傳感器使用簡便，靈敏度是過去裝置的千倍以上，傳感器在工作時(shí)， 只需將光纖線圈貼在大樓、橋梁等建筑物的表面，如果被測(cè)物體產(chǎn)生裂紋，傳感器將會(huì)感知到由此產(chǎn)生的微小的聲音和振動(dòng)，從而使光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光信號(hào)的波長發(fā)生變化，通過分