CN102243197B

CN102243197B - 基于趋肤效应电阻的无损检测方法

Info

Publication number: CN102243197B
Application number: CN 201110105101
Authority: CN
Inventors: 杨勇; 魏有峰; 汤型正; 宋俊磊
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2031-04-25
Also published as: CN102243197A

Abstract

本发明提供一种基于测量趋肤效应作用下样品电阻变化的无损检测方法，采用一定频率、一定强度的交流电作用于待测材料，在趋肤效应作用下，在裂纹等缺陷集中的导体材料表面的电流密度会强制加大，凸显了表面缺陷对样品电阻的影响。实验结果表明完好材料(即无损样品)与疲劳后的材料(即有损样品)在高频时电阻变化比低频时明显得多。因而检测高频时的有损样品的电阻或对应电压，并与无损样品比较，可以高灵敏度的检测样品表面缺陷。该方法可以从整体全局上检测样品的疲劳程度，不需要逐点逐区检测，节约了时间和成本；由于趋肤效应，高频时对材料出现的表面缺陷更敏感，通过改变激发频率还可以获取有损样品表面缺陷深度信息。

Description

基于趋肤效应电阻的无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种导体材料的无损检测方法，特别是金属材料的无损检测方法。

背景技术

金属等导体材料是现代社会最重要的材料，金属材料失效问题关系到国家和人民生命财产安全；也关系到产品质量、生产和服务水平。无论是空难、还是列车出轨，很多事故都由金属材料失效引起，要减少此类事故，就必须采用有效手段掌控金属失效状况。

金属的各种失效中断裂的危害最大，断裂大多由疲劳引起，疲劳的主要现象是裂纹，而裂纹更容易出现在材料的表面。可见，观测“裂纹”特别是材料表面裂纹是研究金属失效的重点。电子显微镜、金相显微镜等是普遍采用的研究金属疲劳的工具，但是它们都是有损检测方法，检测以后对工件的继续使用会有严重影响或完全无法再使用，因此，除非是为了研究，对金属疲劳的检测只能是无损检测，所以完善和研究新的金属无损检测方法具有重要意义。

目前工业上常用的成熟无损检测方法有渗透、磁粉、涡流、超声、射线等分析方法，还有进展较快的正在完善中的无损检测方法，如磁记忆、红外、声发射、激光等。无疑，这些方法都是无损检测的有效方法，但是除了声发射法有揭示工件整体老化程度的潜力外，其它多是针对具体怀疑对象的逐区检测，效率难以提高。实际上，更科学的无损检测方法应该是：先从整体上评估工件有无问题，问题程度如何，若问题不严重，再对值得维修的工件用上述的方法检测具体问题；对于已经整体老化的工件，不值得再深入检测，即不必进行逐区检测，应直接更换。

根据一般的物理规律，材料的电阻与材料的性质(元素、结构、杂质、缺陷、热处理等)、材料的几何尺度有关，材料老化可伴随结构缺陷、磁导率和成分(氧化、化学腐蚀等)变化、导电几何尺度(如有效截面积、长度)变化，这些变化最终可表现为一定频率下材料整体电阻变化。

由于大多数的金属失效由各种疲劳引起，疲劳裂纹大多起源于表面，而表层只占有效导电截面的很少部分，电流容易从很大的内部完好截面流过，因此，一般的方法很难观测到由于早期疲劳引起的整体电阻异常。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于趋肤效应电阻的无损检测方法，可以高灵敏度的从整体上检测有损样品缺陷状况，特别是早期疲劳损伤。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)搭建测试电路，并固定电路各部件的位置，使各部件和连线在整个测量过程中保持位置固定；

所述的测试电路包括信号源、电流馈电点、电压采样点和锁相放大器；所述的信号源给待测样品供电，电流馈电点设置在待测样品两端，所述的电压采样点设在电流馈电点的内侧，距离与之同侧的电流馈电点0.1mm-10mm并紧靠待测样品的两端；电压采样点的信号与锁相放大器的输入端连接，信号源的参考信号与锁相放大器的参考端连接；

2)用电阻值和附加电感值已知的标准电阻作为待测样品，选定频点，测量测试电路的电参量修正值；所述的标准电阻阻值大小约为待测样品阻值的0.1-1000倍，电感值小于0.1微亨；所述频点的频率值覆盖从低频到高频的一定范围，测试频点至少含高频和低频各1点，其中低频频率约为10¹-10³Hz，并避免采用工频的简单整数倍频率；高频频率的取值根据待测样品垂直电流传播方向的尺度、裂纹深度和样品磁导率选定，待测样品垂直电流传播方向的尺度越小、裂纹越浅、相对磁导率越小，所需要的高频频率越高；

3)用无损完好的标样作为待测样品，对所选定的频点，采用2)所得的修正参数测量各频点下无损完好的标样两端的电压值V_无或计算出无损完好的标样的电阻值R_无＝V_无/I，其中I是测试回路的电流；

4)用需要检测的有损样品作为待测样品，选用步骤3)相同的频点，采用修正参数测量各频点下有损样品两端的电压值V_有或计算有损样品的电阻值R_损＝V_有/I，其中I是测试回路的电流；

5)计算各频点下对应的R_损与R_无的电阻值之差ΔR随频率的变化；或V_有与V_无的电压之差ΔV随频率的变化；并分析ΔR或ΔV随频率变化的规律；

6)采用ΔR-频率曲线的斜率表征样品损伤程度；或ΔV-频率曲线的斜率表征样品损伤程度；ΔR或ΔV开始明显升高处所对应的频率越低，或频率较高的同一频点ΔR或ΔV越大，则有损样品损伤越严重。

按上述方案，所述的测试电路的信号源为附有同步输出信号的交流电流源，其中同步输出信号接所述锁相放大器的参考端。

按上述方案，所述的测试电路的信号源由附有同步输出信号的电压源串联大电阻而成，其中同步输出信号接所述锁相放大器的参考端；所述的大电阻阻值R_大为待测样品电阻的10¹-10⁷倍。

按上述方案，所述的测试电路的信号源由不附带同步信号输出的电流源或电压源串联一个采样电阻R_串而成；取R_串两端电压经双端转单端后作为参考信号与所述锁相放大器的参考端连接。

按上述方案，所述的采样电阻R_串的取值以保证从R_串取得的参考信号最好为1-5V。

按上述方案，所述的电流馈电点和电压采样点分别采用电夹、冷压、螺钉或焊接方式设置。

按上述方案，增加步骤7)改变电流馈电点和电压采样点位置，通过测量电阻与频率的关系或电压与频率的关系获取裂纹位置和方向信息；若电流馈电点和电压采样点改变后电阻或电压变大明显则说明改变后的电压采样点之间存在比改变前的电压采样点之间更明显的损伤。

按上述方案，增加步骤8)测试过程中保持温度变化小于1度，或进行温度修正。

按上述方案，所述的无损完好的标样为原始状态工件，所述的需要检测的有损样品为疲劳后的同一工件。

本发明的工作原理为：趋肤效应是指导体传输交流电流时，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随着电流频率的提高，趋肤效应使导体的电阻增大。

采用一定频率、一定强度的交流电作用于待测材料，在趋肤效应作用下，裂纹等缺陷集中的导体材料表面的电流密度会被强制加大，可以凸显表面缺陷对电阻的影响。实验结果表明完好材料(即无损样品)与疲劳后的材料(即有损样品)在高频时电阻变化比低频时明显得多。因而检测高频时的有损样品电阻，并与无损样品比较，可以高灵敏度的检测表面缺陷，或损伤进程。

其中由于有些工件是没有无损完好的标样的，所以对这些工件进行测试时，可以将原始状态工件作为无损完好的标样，同一工件疲劳后作为需要检测的有损样品，疲劳程度可视情况而定，比如使用半年、弯折数次等。

本发明的有益效果为：

1、检测时直接将待测样品与电流馈电点和电压采样点连接，不需要进行样品处理，不受样品形状和空间位置的限制，操作更加快捷、方便。

2、基于趋肤效应从整体全局上检测样品的疲劳程度，不需要逐点逐区检测，节约了时间和成本；由于趋肤效应，对材料出现的表面缺陷更敏感，特别是对铁磁质材料可以发现材料的更早期损伤，通过改变激发频率还可以获取有损样品表面缺陷深度的信息。

3、可广泛应用于导体材料(金属、石墨、复合导体材料等)工件的快速、整体、无损检测，在航空航天、军工装备器材、电线电缆、桥梁、工程钢结构、钢缆、钢筋线材管材、钢轨、金属工件等等的无损检测领域具有较广阔的市场，由于其具有高效率整体检测、高灵敏度等特色，应具有良好的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例一的测试电路示意图。

图2为本发明实施例二的测试电路示意图。

图3为本发明实施例三的测试电路示意图。

图4为本发明实施例四中电阻值之差ΔR随频率变化曲线。

图5为本发明实施例五中电压值之差ΔV随频率变化曲线。

具体实施方式

实施例一：

图1为本发明实施例一的测试电路示意图，包括信号源、电流馈电点3和4、电压采样点5和6，以及锁相放大器；所述的信号源附有同步输出信号的交流电流源1，给待测样品2供电，电流馈电点3和4设置在待测样品2两端，所述的电压采样点5和6设在电流馈电点的内侧距离与之同侧的电流馈电点距离0.1mm-10mm之间，并紧靠待测样品2的两端；电压采样点的信号与锁相放大器的输入端连接，交流电流源1的同步输出信号接所述锁相放大器的参考端。

1)搭建测试电路，并固定电路各部件的位置，使各部件和连线在整个测量过程中保持位置固定。

2)用电阻值和附加电感值已知的标准电阻作为待测样品，选定频点，测量测试电路的电参量修正值；所述的标准电阻阻值大小为待测样品阻值的0.1-1000倍，电感值小于或等于0.1微亨；所述频点的频率值覆盖从低频到高频的一定范围，测试频点至少含高频和低频各1点，其中低频频率约为10¹-10³Hz，并避免采用工频的简单整数倍频率；高频频率的取值根据待测样品垂直电流传播方向的尺度、裂纹深度和样品磁导率选定，待测样品垂直电流传播方向的尺度越小、裂纹越浅、相对磁导率越小，所需要的高频频率越高；常用的频率覆盖范围是10¹-10⁶Hz。

3)用无损完好的标样作为待测样品，对所选定的频点，采用2)所得的修正参数测量各频点下无损完好的标样两端的电压值V_无或计算无损完好的标样的电阻值R_无＝V_无/I，其中I是测试回路的电流。

4)用有损样品作为待测样品，选用步骤3)相同的频点，采用修正参数测量各频点下有损样品两端的电压值V_有或计算有损样品的电阻值R_损＝V_有/I，其中I是测试回路的电流。

5)计算各频点下对应的R_无与R_损的电阻值之差ΔR随频率的变化；或V_无与V_有的电压之差ΔV随频率的变化；并分析ΔR或ΔV随频率变化的规律。

7)改变电流馈电点和电压采样点位置，通过测量电阻与频率的关系或电压与频率的关系获取裂纹位置和方向信息；若电流馈电点和电压采样点改变后电阻或电压变大明显则说明改变后的电压采样点之间存在比改变前的电压采样点之间更明显的损伤。

8)测试过程中保持温度变化小于1度，否则需要对温度进行校正处理。

所加电流是频率和强度可调的交流电，最好是宽频交流电流源；其具体电流和频率值与样品性质和几何尺度有关。

电流强度选取的一般原则是：若样品容许经受大电流(不发热、不损坏)，用较大电流会较灵敏，如0.1A。一般使用是10^-4-10¹A电流可以满足绝大多数需要。

频点的选取一般原则是：频率与敏感深度有关，频率越高，对最表面裂纹越敏感；样品垂直电流传播方向的尺度越小所需要频率越高；相对磁导率越高所需要频率越低；若样品尺度比较大，在满足敏感深度的前提下，可以考虑采用相对较低的频率；为比较和计算，一般需要测试低中高多个频点；例如用以下频点：60Hz、120Hz、280Hz、360Hz、600Hz、1.2KHz、2.4KHz、5.6KHz、12KHz、24KHz、36KHz、50KHz、60KHz、80KHz、100KHz、200KHz、600KHz和1MHz。(采用较低的频率时应避开工频的简单整数倍)。缺陷深度很浅(如小于20微米)、样品垂直尺度很小(如直径小于0.2mm)时可能需要采用更高的频率，如10MHz等。

馈电点采用电夹、冷压(含固定螺钉)或焊接方式。

实施例二：

本实施例基本原理与实施例一相同，其不同之处在于：测试电路的信号源由附有同步输出信号的电压源1′串联大电阻R_大而成，其中同步输出信号接所述锁相放大器的参考端，如图2所示；所述的大电阻阻值为待测样品电阻的10¹-10⁷倍。

实施例三：

本实施例基本原理与实施例一相同，其不同之处在于：所述的测试电路的信号源由不附带同步信号输出的电流源或电压源1″串联电阻R_串而成，其中采样电阻R_串两端的电压经双端单端转换后(若系统可以共地，也可直接用R_串高电位端信号)作为参考信号与所述锁相放大器的参考端连接。采样电阻R_串的取值是保证从R_串所取得的参考信号约为1-5V为好，以便锁相放大器能稳定工作。

实施例四：

本实施例基本原理可与实施例一至三中的任意一项相同，其不同之处在于：取两根几乎完全相同的长度为500mm、直径为1.84mm的圆柱形铜导线作为无损完好的标样，标记为“无损1”、“无损2”；测试电流为4.762mA，锁相放大器型号为SR830锁相放大器。

两根新的导线作为“无损1”和“无损2”样品，测量出对应频率时样品上的压降见表一“无损1μV”和“无损2μV”栏。两样品等间距约100mm四处各弯折20次和30次后整形恢复原状，作为有损样品，标记为“有损1”和“有损2”，测量出对应频率时样品上的压降见表一“有损1μV”和“有损2μV”栏。微伏电压除以电流4.762mA，可得电阻毫欧姆值，对“无损1μV”、“无损2μV”和与之对应的“有损1”、“有损2”分别计算“疲劳”后电阻相对“疲劳”前电阻的变化值见表中“Δ1mΩ”和“Δ2mΩ”栏。表一中“Δ1mΩ”和“Δ2mΩ”栏相对频率变化曲线见图4，图4中d1对应Δ1mΩ，d2对应Δ2mΩ。

由图4可见高频时可以凸显“疲劳”对电阻的影响。也就是说本发明采用高频激发样品，在趋肤效应作用下，测量高频时电阻的变化可以有效鉴定样品的疲劳状况。频率越高疲劳前后电阻变化越明显，即频率越高对疲劳程度越敏感。

实验还证明对长度为500mm，直径为0.8mm的圆柱状铜导线，疲劳前后(手工大致均匀弯折几十次后还原为原形状)，在采用频率为50KHz，4.762mA电流时已可以检测出电阻明显变大，可以推测，加大电流和采用更高频率进行检测时效果会更明显。而采用传统低频方法，在同条件下5次重复测量，甚至还难以确认电阻有变大现象(理论上应该变大)。可见此发明比较灵敏有效。

表1.测试数据

实施例五：

本实施例基本原理可与实施例一至三中的任意一项相同，其不同之处在于：取长度为500mm、直径为2.98mm的圆柱形铁导线，分别对无损、弯折30次、60次、120次、200次，同条件下重复测试，分别直接绘出弯折30次、60次、120次、200次后两端电压相对弯折前无损时两端电压之差随频率的变化曲线，见图5，图5中d3对应弯折30次，d4对应弯折60次，d5对应弯折120次，d6对应弯折200次，可见不同损伤状况对应曲线变化非常明显。这是由于铁是铁磁质材料，相对磁导率很大，趋肤效应很明显。可见，本方法对铁磁质损伤非常敏感，因此本方法特别适合对钢、铁等铁磁质导体材料的无损检测。

Claims

1.基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）搭建测试电路，并固定电路各部件的位置，使各部件和连线在整个测量过程中保持位置固定；

2）用电阻值和附加电感值已知的标准电阻作为待测样品，选定频点，测量测试电路的电参量修正值；所述的标准电阻阻值大小约为待测样品阻值的0.1-1000倍，电感值小于0.1微亨；所述频点的频率值覆盖从低频到高频的一定范围，测试频点至少含高频和低频各1点，其中低频频率约为10¹-10³Hz，并避免采用工频的简单整数倍频率；高频频率的取值根据待测样品垂直电流传播方向的尺度、裂纹深度和样品磁导率选定，待测样品垂直电流传播方向的尺度越小、裂纹越浅、相对磁导率越小，所需要的高频频率越高；

3）用无损完好的标样作为待测样品，对所选定的频点，采用2）所得的修正参数测量各频点下无损完好的标样两端的电压值V_无或计算出无损完好的标样的电阻值R_无=V_无/I，其中I是测试回路的电流；

4）用需要检测的有损样品作为待测样品，选用步骤3）相同的频点，采用修正参数测量各频点下有损样品两端的电压值V_有或计算有损样品的电阻值R_损=V_有/I，其中I是测试回路的电流；

5）计算各频点下对应的R_损与R_无的电阻值之差ΔR随频率的变化；或V_有与V_无的电压之差ΔV随频率的变化；并分析ΔR或ΔV随频率变化的规律；

6）采用ΔR—频率曲线的斜率表征样品损伤程度；或ΔV—频率曲线的斜率表征样品损伤程度；ΔR或ΔV开始明显升高处所对应的频率越低，或频率较高的同一频点ΔR或ΔV越大，则有损样品损伤越严重；

所述的无损完好的标样为原始状态工件，所述的需要检测的有损样品为疲劳后的同一工件。

2.根据权利要求1所述的基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：所述的测试电路的信号源为附有同步输出信号的交流电流源，其中同步输出信号接所述锁相放大器的参考端。

3. 根据权利要求1所述的基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：所述的测试电路的信号源由附有同步输出信号的电压源串联大电阻而成，其中同步输出信号接所述锁相放大器的参考端；所述的大电阻阻值R_大为待测样品电阻的10¹—10⁷倍。

4. 根据权利要求1所述的基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：所述的测试电路的信号源由不附带同步信号输出的电流源或电压源串联一个采样电阻R_串而成；取R_串两端电压经双端转单端后作为参考信号与所述锁相放大器的参考端连接。

5. 根据权利要求4所述的基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：所述的采样电阻R_串的取值以保证从R_串取得的参考信号为1-5V。

6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：所述的电流馈电点和电压采样点分别采用电夹、冷压、螺钉或焊接方式设置。

7. 根据权利要求1至5中任意一项所述的基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：增加步骤7）改变电流馈电点和电压采样点位置，通过测量电阻与频率的关系或电压与频率的关系获取裂纹位置和方向信息；若电流馈电点和电压采样点改变后电阻或电压变大明显则说明改变后的电压采样点之间存在比改变前的电压采样点之间更明显的损伤。

8. 根据权利要求7所述的基于趋肤效应电阻的无损检测方法，其特征在于：增加步骤8）测试过程中保持温度变化小于1度。