CN102507653B - 一种环形压敏电阻的微裂纹的检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环形压敏电阻检测技术领域，具体公开了一种环形压敏电阻的微裂纹的检测装置和检测方法。本发明装置包括三极谐振模块、信号发生模块、信号采集模块、以及信号显示模块。本发明方法是通过在环形压敏电阻上构建三个LC振荡回路，然后在三个LC振荡回路上分时加载一脉冲过电压信号，使环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态，再分别采集三个LC振荡回路的压敏动作工作状态的工作电流波形，最后进行叠加并输出显示，根据叠加后的波形判定环形压敏电阻是否存在微裂纹缺陷。本发明不仅仅测试时间短，而且准确率高，一种经济、快速、实用的测量装置和方法。

Description

一种环形压敏电阻的微裂纹的检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于环形压敏电阻检测技术领域，具体涉及一种环形压敏电阻的微裂纹的检测装置和检测方法。

背景技术

环形压敏电阻，是一种具对称性的压敏非线性变阻器，由高温烧结而成的钛酸锶电子陶瓷构成，它包括一个环状电子陶瓷体1和三个电极2，其具体结构如图1或2所示，电极2印制在环状电子陶瓷体1的正面或者边沿侧面。

图3是环形压敏电阻的导电模型示意图，如图3所示，两个电极2通过环形电子陶瓷体1构成一个电气单元回路，其中箭头表示电流流动路径，电气单元回路的电流是从一个电极流入到电子陶瓷体内部，再经另一电极流出。

图4为环形压敏电阻的三个电气单元回路的等效电路图，如图4所示，在两两电极2之间等效为并联的电容和可变电阻，以代表环形压敏电阻具有的电容特性和压敏电阻特性。

钛酸锶环形压敏电阻，具有极佳的电压电流非直线特性和高电容性能，可以抑制突波电压，作为EMC元件特别适合应用于微小直流马达的电刷保护及火花消除。其具体工作原理如下：

环形压敏电阻是并联在负载电路上使用的。当发生的负载两端的浪涌电压升高到压敏电压时，环形压敏电阻的电流急剧上升，被保护的负载端的浪涌电压迅速减少，从而使装有环形压敏电阻的电路抗浪涌电压冲击消去电气噪声方面达到相应要求。同时，环形压敏电阻具有的大电容量会随着施加的浪涌电压进行充电，充电电压上升，尤其在电容充电电压超过压敏电压时，环形压敏电阻的阻值急剧下降，由高阻态变成低阻态，在加速磁能释放的同时，电容上的电能也由此泄出并转化为焦耳热，由于作用时间都是极短的，这样压敏与电容的双重消浪涌电压吸电气噪音功能几乎是同时完成的，最终抑制陡峭浪涌电压和吸收高频脉冲，使电路满足了电磁兼容要求。浪涌电压吸收的反电势浪涌，最终转化为热能，并散发出去。

在钛酸锶环形压敏电阻产品制造的电子陶瓷行业，其制造过程产品容易产生分层、微裂纹或者潜在裂纹，使产品的可靠性变得难以控制。同时，钛酸锶环形压敏电阻的耐热强度一般较小，实际生产和使用焊接时容易出现局部热微裂或断续微裂纹的现象，这要求做焊接前后的微裂纹情况确认。所以在钛酸锶环形压敏电阻产品生产制造过程中，需要进行大量的微裂纹检测，在检测过程中，特别是对焊接前后微裂纹、电极下浅表层微裂纹的检测是很困难的，也是在所有缺陷中检出率最低的。

目前，对于环形压敏电阻产品的微裂纹缺陷常规检测主要包括：显微镜外观检测法和电压差异对比检测法。

其中，显微镜外观检测法，其借用显微镜工具放大5～40倍来目视检测，该方法检测很容易造成视觉疲劳，而且只能检出表面开口性裂纹，对于表面不开口的微裂纹无法发现，对于外观不可见的裂纹无能为力。

其中，电压差异对比检测法，其利用环形压敏电阻产品本身的压敏电压(E10值)在焊接使用试验前后的变化率来判断，只用在检测环形压敏电阻焊接后或振动受压试验后的新产生微裂纹，对于本身一直就存在的裂纹不能检测；而且对于断续微裂纹、电极下浅表层微裂纹的缺陷而言，很容易漏检，电压差异对比检测本身的工作量非常大，要测量记录大量的数据再进行计算变化率来做出判断，且局限于只能应用在明显连续断裂开得裂纹，很不经济，误判率可能性较大。

由于，钛酸锶环形压敏电阻产品微裂纹多产生在制造过程中，且多数在试件的表面看不到。所以，现有检测方法误判率高，已经无法满足其生产需要。因此，一种快速有效的检测方法和测试仪器，就成为人们的迫切需要。

综上，钛酸锶环形压敏电阻在制造过程中，容易出现微裂纹。采用现有的两种检测方法，不仅检测工作量大，而且误判率高，已经无法满足钛酸锶环形压敏电阻生产需要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种测试时间短、准确率高的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，本发明的第二目的在于提供一种测试时间短、准确率高的环形压敏电阻的微裂纹的检测方法。

为实现本发明的第一发明目的，本发明所采用技术方案如下：

一种环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，包括：

三极谐振模块，包括三个等同的电感单元，各电感单元并联在所述环形压敏电阻的两不同电极之间，与所述环形压敏电阻构成三个LC振荡回路；

信号发生模块，产生脉冲过电压信号，并分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态；

信号采集模块，分别采集三个上述LC振荡回路的压敏动作工作状态的工作电流波形；以及

信号显示模块，将三个所述工作电流波形进行叠加并输出显示，若叠加后的工作电流波形出现拖尾、断开、或尾部不重合的情形，则判定所述环形压敏电阻存在微裂纹缺陷。

进一步，所述环形压敏电阻的微裂纹的检测装置中，其三极谐振模块为一三端共芯电感体，其包括三端均匀分布的丫形硅钢叠片铁芯、以及缠绕在所述丫形硅钢叠片铁芯上的漆包线，三个线圈星型连接，构成三个等同的电感单元；所述漆包线的直径为0.1毫米，所述漆包线缠绕的圈数位400-600圈。

进一步，所述环形压敏电阻的微裂纹的检测装置中，其信号发生模块包括脉冲过电压信号生成单元、以及顺序扫描转换开关单元；所述信号发生模块，产生脉冲过电压信号，并分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态，具体是：

所述脉冲过电压信号生成单元，产生脉冲过电压信号；

所述顺序扫描转换开关单元，将所述脉冲过电压信号分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态。

进一步，所述环形压敏电阻的微裂纹的检测装置中，其脉冲过电压信号生成单元，包括：

单片机，产生一数字尖峰脉冲波信号；

数模转换器，将所述数字尖峰脉冲波信号转换化为一模拟尖峰脉冲波信号；

放大电路，将所述模拟尖峰脉冲波信号转换为一锯齿波信号；以及

陡坡电路，将所述锯齿波信号转换为脉冲过电压信号。

进一步，所述环形压敏电阻的微裂纹的检测装置中，其单片机选用AT89C51单片机；所述数模转换器选用8位数模转换器DAC0831。

进一步，所述环形压敏电阻的微裂纹的检测装置中，其顺序扫描转换开关单元由三组继电器开关组合形成。

进一步，所述环形压敏电阻的微裂纹的检测装置中，其信号采集模块为三线三探针结构的测量探头。

进一步，所述环形压敏电阻的微裂纹的检测装置中，其信号显示模块为带宽20兆赫兹的模拟或者数字型示波器。

进一步，所述环形压敏电阻的微裂纹的检测装置中，所述脉冲过电压信号波峰值为环形压敏电阻压敏电压1.2～1.8倍，所述脉冲过电压信号的波前时间小于1纳秒，所述脉冲过电压信号的总波长为100纳秒，所述脉冲过电压信号的发生频率为200Hz～400Hz。

为实现本发明的第二发明目的，本发明所采用技术方案如下：

一种环形压敏电阻的微裂纹的检测方法，包括以下步骤：

将三个等同的电感单元分别并联在环形压敏电阻的两不同电极之间，与所述环形压敏电阻构成三个LC振荡回路；

将一脉冲过电压信号分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态；

分别采集三个上述LC振荡回路的压敏动作工作状态的工作电流波形；

将三个所述工作电流波形进行叠加并输出显示，若叠加后的工作电流波形出现拖尾、断开、或尾部不重合的情形，则判定所述环形压敏电阻存在微裂纹缺陷。

本发明的基本检测原理如下：

当环形压敏电阻存在有微裂纹和新产生有微裂纹时，从微观看，必然会破坏环形压敏电阻的电子陶瓷体晶粒网络状结构，这可能对于静态的电性能参数上影响是微小，电参数测量出来的变化差异很微小；但是，有微裂纹的存在必然会影响环形压敏电阻器的工作动作状态，在动作大电流出现时，环形压敏电阻的微裂纹处会出现电晕放电现象，导致施加与吸收的过电压的电压电流相位会有大比值的衰减，这从其工作电流波形上能表现出环形压敏电阻内部的微小裂纹的变化。

同时，由于环形压敏电阻具有正反向对称的伏安特性和大的电容量，所以，可以设计一个过电压信号来诱导环形压敏电阻进入压敏动作工作状态，同时形成电容的充放电工作状态，来捕捉环形压敏电阻工作电流波形作判定出环形压敏电阻是否存在有微裂纹缺陷。

于是，本发明将三极谐振模块的三个电感单元并联到环形压敏电阻的两不同电极之间，与所述环形压敏电阻构成三个LC振荡回路（由于环形压敏电阻本身具有电容特性和压敏电阻特性，其两两电极之间等效为并联的电容和可变电阻，将电感单元并联到环形压敏电阻的两不同电极之间，即可构成LC振荡回路）；通过信号发生模块产生一脉冲过电压信号，分时加载到三个上述LC振荡回路上，由于回路中存在电容和电感而形成的自然振荡，由于电感线圈的激磁特性能形成谐振的传递回路，会在脉冲冲击电压后产生数值更高的传递过电压，导致环形压敏电阻生产过压动作（每个波形中含有小的高频振荡波形，电容量越大，振荡频率越高），进入到压敏动作工作状态；信号采集模块采集三个压敏动作工作状态的工作电流波形，接下来就是将三个所述工作电流波形进行叠加并输出显示，若叠加后的工作电流波形出现拖尾、断开、或尾部不重合的情形，则判定所述环形压敏电阻存在微裂纹缺陷。

本发明相对现有的环形压敏电阻微裂纹的检测设备和检测方法，具有以下有益效果：

1、本发明测试灵敏度和精确性高，大批量检测判断准确率在99%以上。

2、本发明测量时间短，每次每只检测在1秒时间以内，工作效率大大提高，适合工厂制造生产情况。

3、本发明测量结果容易判断，便于建立缺陷标准化检测手段。

4、本发明测量稳定性高，重复测量结果一致。

5、本发明测模拟了环形压敏电阻的工作状态的特性测量波形信号，可任意调节测量波形信号的峰值电压，变换不同的测试探头可以测量相应结构的不同环形压敏电阻，通用性强。

附图说明

此附图说明所提供的图片用来辅助对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为环形压敏电阻的一种结构示意图；

图2为环形压敏电阻的另一种结构示意图；

图3为环形压敏电阻的导电模型示意图；

图4为环形压敏电阻的三个电气单元回路的等效电路图；

图5为本发明检测装置的电路结构框图；

图6为本发明脉冲过电压信号生成单元的结构框图；

图7为本发明脉冲过电压信号生成单元的一种具体电路结构图；

图8为本发明的三极谐振模块结构示意图；

图9为本发明顺序扫描转换开关单元的结构示意图；

图10为本发明脉冲过电压信号产生与流向示意图；

图11为本发明测量原理等效电路图；

图12为本发明脉冲过电压信号示意图；

图13为环形压敏电阻无微裂纹缺陷的波形图像

图14为环形压敏电阻存在微裂纹缺陷之一—拖尾波形图；

图15为环形压敏电阻存在微裂纹缺陷之二—断线波形图；

图16为环形压敏电阻存在微裂纹缺陷之三—尾部不重合波形图。

图示：

1、环状电子陶瓷体                  2、电极

3、脉冲过压信号生成单元            4、顺序扫描转换开关单元

5、三极谐振模块                    6、测量探头

31、单片机                         32、数模转换器

33、放大电路                       34、陡波电路

51、丫形硅钢叠片铁芯               52、漆包线

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图5所示，本发明公开了一种环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，包括脉冲过电压信号生成单元3、顺序扫描转换开关单元4、三极谐振模块5、测量探头6、示波器7、以及常见结构单元部分—电源8构成。

其中，如图8所示，三极谐振模块5为一三端共芯电感体，其包括三端均匀分布的丫形硅钢叠片铁芯51、以及缠绕在丫形硅钢叠片铁芯51上的漆包线52，漆包线52的直径为0.1毫米，漆包线52缠绕的圈数位400-600圈。

三极谐振模块5的三个线圈星型连接，构成三个等同的电感单元，其作用是与环形压敏电阻的三个电气单元连接成三个LC振荡测量回路，迫使环形压敏电阻的电容特性进入不断的充放电工作状态，形成反馈的检测信号。如图10所示，将该三端共芯电感体的三个输出端与三线三探针结构的测量探头6连接，然后测量探头6的三根探针分别连接到环形压敏电阻的三个电极上，即是将三个电感单元并联到图4所示的三个电气单元回路上，此时的等效电路图如图11所示，使三极谐振模块5和环形压敏电阻形成了三个LC振荡回路。

如图6和7所示，脉冲过电压信号生成单元3包括单片机31、数模转换器32、放大电路33、以及陡坡电路34，单片机31选用AT89C51单片机，数模转换器32选用8位数模转换器DAC0831；其中，脉冲过电压信号生成单元3以AT89C51单片机为控制核心，由单片机采用编程方法，利用其内部自带的计数器/定时器产生一数字尖峰脉冲波信号，并通过编程设定产生波形的频率在200Hz～400Hz，与单片机31兼容的8位数模转换器（DAC0831）32将所述数字尖峰脉冲波信号转换化为一模拟尖峰脉冲波信号，然后通过放大电路33将所述模拟尖峰脉冲波信号转换为一锯齿波信号，最后经陡坡电路34将所述锯齿波信号转换为脉冲过电压信号。如图12所示，该脉冲过电压信号波峰值为环形压敏电阻压敏电压(E10值)1.2～1.8倍，其波前时间小于1纳秒，其总波长为100纳秒，其发生频率为200Hz～400Hz。本发明采用单片机和运算电路来制作出的脉冲过电压信号干扰小，输出稳定，可靠性高。

其中，设计该脉冲过电压信号的前提是：

a、环形压敏电阻进入工作状态的响应时间。环形压敏电阻也是由一种半导体材料构成，它的响应时间与其他半导体材料的响应时间是类似的，环形压敏电阻的"响应时间"量值一般在1ns以内；

b、该脉冲过电压信号的能量功率。该脉冲过电压信号下的实际有功功率不能大于环形压敏电阻本身能承受的最大平均脉冲功率Po，则环形压敏电阻在测试后仍然是安全的,测量信号电流的峰值小于一次通流量；

c、保证环形压敏电阻在工作状态的时间在大于2ms。

通过对环形压敏电阻在不同过电压触发波形信号时工作信号检测收集分析，设计出一种脉冲过电压的波形信号：“波前时间小于1ns，总波长时间在100ns,波峰电压值为环形压敏电阻压敏电压(E10值)的1.2～1.8倍的尖峰脉冲陡波，脉冲过电压波形信号的发生频率在200Hz～400Hz”。此信号可以触发环形压敏电阻进入工作状态，而且对环形压敏电阻没有损害。

如图9所示，顺序扫描转换开关单元4由三组继电器开关组合形成。如图10所示，脉冲过电压信号生成单元3产生的脉冲过电压信号通过信号线送到顺序扫描转换开关单元4，它把送来的每个脉冲信号以信号的发生频率200Hz～400Hz一样的频率通过三极谐振模块5和测量探头6分时切换到环形压敏电阻的三个LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态；如10所示，顺序扫描转换开关单元4由三组继电器开关按照①->②->③->①这样循环交替切换，即可实现将脉冲过电压信号生成单元3产生的脉冲过电压信号分别依次加载到三个LC振荡回路上。单个脉冲过电压信号循环扫描方式到测试三处探头，同时把反馈回的所有信号进行叠加成一路输出到示波器7。

其中，测量探头6作为本装置的信号采集模块，它选用三线三探针结构的测量探头，作用是与环形压敏电阻的三个电极接触，输出和反馈信号；

其中，一般通用型的示波器就可以满足观测输出的波形图像要求，调节示波器触发时间和电平，使输出信号在上面只能显示出一个波形图像，本发明示波器7选用带宽20兆赫兹的模拟或者数字型示波器。

本发明检测装置的检测过程如下：

Step1：将测量探头6的三根探针与环形压敏电阻的三个电极连接，使三极谐振模块5和环形压敏电阻形成了三个LC振荡回路（如图11所示）。

Step2：通过脉冲过电压信号生成单元3生成脉冲过电压信号，通过顺序扫描转换开关单元4按照①->②->③->①这样循环交替切换方式，将脉冲过电压信号分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态；

Step3：通过测量探头6采集三个上述LC振荡回路的压敏动作工作状态的工作电流波形；

Step4：将三个所述工作电流波形回传至顺序扫描模块4进行叠加并送示波器7输出显示；若叠加后的工作电流波形为图13所示的情况，判定环形压敏电阻无微裂纹缺陷；若叠加后的工作电流波形为图14所示的拖尾波形，判定环形压敏电阻存在微裂纹缺陷；若叠加后的工作电流波形为图15所示的断开波形，判定环形压敏电阻存在微裂纹缺陷；若叠加后的工作电流波形为图16所示的尾部不重合波形，判定环形压敏电阻存在微裂纹缺陷；

本发明的环形压敏电阻微裂纹检测方法对于微裂纹缺陷结果判断时间在0.5～1秒/每只，检测判断准确率在99.9%以上，在钛酸锶环形压敏电阻产品生产制造和进行产品焊接可靠性试验的微裂纹检测中取得了较好的效果，是一种经济、快速、实用的测量装置和方法。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于，包括：

三极谐振模块，包括三个等同的电感单元，各电感单元并联在所述环形压敏电阻的两不同电极之间，与所述环形压敏电阻构成三个LC振荡回路；

信号发生模块，产生脉冲过电压信号，并分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态；

信号采集模块，分别采集三个上述LC振荡回路的压敏动作工作状态的工作电流波形；以及

信号显示模块，将三个所述工作电流波形进行叠加并输出显示，若叠加后的工作电流波形出现拖尾、断开、或尾部不重合的情形，则判定所述环形压敏电阻存在微裂纹缺陷。

2.根据权利要求1所述的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于：

所述三极谐振模块为一三端共芯电感体，其包括三端均匀分布的丫形硅钢叠片铁芯、以及缠绕在所述丫形硅钢叠片铁芯上的漆包线，三个线圈星型连接，构成三个等同的电感单元；

所述漆包线的直径为0.1毫米，所述漆包线缠绕的圈数位400-600圈。

3.根据权利要求1所述的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于：

所述信号发生模块包括脉冲过电压信号生成单元、以及顺序扫描转换开关单元；

所述信号发生模块，产生脉冲过电压信号，并分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态，具体是：

所述脉冲过电压信号生成单元，产生脉冲过电压信号；

所述顺序扫描转换开关单元，将所述脉冲过电压信号分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态。

4.根据权利要求3所述的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于：

所述脉冲过电压信号生成单元，包括：

单片机，产生一数字尖峰脉冲波信号；

数模转换器，将所述数字尖峰脉冲波信号转换化为一模拟尖峰脉冲波信号；

放大电路，将所述模拟尖峰脉冲波信号转换为一锯齿波信号；以及

陡坡电路，将所述锯齿波信号转换为脉冲过电压信号。

5.根据权利要求4所述的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于：

所述单片机选用AT89C51单片机；

所述数模转换器选用8位数模转换器DAC0831。

6.根据权利要求3所述的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于：

所述顺序扫描转换开关单元由三组继电器开关组合形成。

7.根据权利要求1所述的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于：

所述信号采集模块为三线三探针结构的测量探头。

8.根据权利要求1所述的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于：

所述信号显示模块为带宽20兆赫兹的模拟或者数字型示波器。

9.根据权利要求1至8任一项所述的环形压敏电阻的微裂纹的检测装置，其特征在于：

所述脉冲过电压信号波峰值为环形压敏电阻压敏电压1.2～1.8倍；

所述脉冲过电压信号的波前时间小于1纳秒；

所述脉冲过电压信号的总波长为100纳秒；

所述脉冲过电压信号的发生频率为200Hz～400Hz。

10.一种环形压敏电阻的微裂纹的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将三个等同的电感单元分别并联在环形压敏电阻的两不同电极之间，与所述环形压敏电阻构成三个LC振荡回路；

将一脉冲过电压信号分时加载到三个上述LC振荡回路上，以触发环形压敏电阻进入到压敏动作工作状态；

分别采集三个上述LC振荡回路的压敏动作工作状态的工作电流波形；

将三个所述工作电流波形进行叠加并输出显示，若叠加后的工作电流波形出现拖尾、断开、或尾部不重合的情形，则判定所述环形压敏电阻存在微裂纹缺陷。

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