传感器在金属裂纹检测中的应用

传感器在金属裂纹检测中的应用 引言 随着社会的发展 ，我们生活的四周可以说到处可以看到钢铁等金属的使用。随着金属使用的日益广泛，它所带来的安全问题日益引起人们的关注，各种检测金属裂纹的方法被人们所发明并广泛应用。在这些方法中传感器的应用越来越多，各种传感器被人们所发明并应用 。 检测金属裂纹的三种方法 基于电位法原理的金属结构裂纹监测 新型电子传感器在微裂纹检测中的应用 应用脉冲涡流检测金属表面裂纹 基于电位法原理的金属结构裂纹监测 设计原理 疲劳失效是金属结构在使用过程中最基本的最主要的破坏模式，通常金属结构的疲劳裂纹是从结构表产生、扩展的，为了避免灾难性事故的发生，目前多采用周期性的维修方式，即运用无损探伤的方法对关键结构进行周期性的检修来保证安全。在此，选用 LY12铝合金板材中心孔试件 (如图 1所示 )为研究对象来阐述传感器的设计方案。 基于电位法原理的金属结构裂纹监测 拟研制的金属结构裂纹监测传感器的安装位置及形状如图 2所示，该传感器主要由导电覆层和绝缘层两部分构成。其中核心元件为由特殊的表面处理方法制备的导电覆层，当恒定电流经由 C点从传感器通过时，将在传感器中产生一定的电场；如果金属构件表面出现裂纹，由于随附损伤，传感器膜层也会出现裂纹，其电场将发生变化；裂纹的位置、长度不同，其对电场的影响不同，从而传感器的输出信号也不同；因而可以通过测量分析传感器的输出信号，实现对裂纹位置及扩展情况的监测。 基于电位法原理的金属结构裂纹监测 传感器的输出特性分析 通过建立裂纹监测传感器的有限元模型，运用该模型分析了传感器的电场及各监测点之间的电位差，仿真结果与试验结果吻合较好。通过对传感器进行仿真分析，得到了裂纹沿径向单边、双边扩展时各监测点之间电位差的变化特征和确定裂纹长度的方法。 式中：裂纹沿径向双边扩展时裂纹长度 a的单位为 mm； 的单位为 mV；734mV为没有裂纹时 AC间的电位差。 基于电位法原理的金属结构裂纹监测 传感器的优点 该传感器因与金属基体绝缘，所以适用于所有的金属结构，同时因其基于电位法原理且直接与结构裂纹相关联，故具有信号处理简单、成本低、可靠性高等。 新型电子传感器在微裂纹检测中的应用 设计原理 疲劳过程中的塑性变形同表面氧化层的位错攀移及增殖有关，后者会导致外逸电子的发射。外逸电子的发射易受温度、湿度、压强等引起的 “ 污物效应 ” 影响，而且外逸电子数随微裂纹的扩展而逐渐增加。当表面氧化层出现微裂纹时，发射的外逸电子数则明显增多。用外逸电子发射理论研究疲劳损伤过程中的塑性变形，以及微裂纹的形成和生长，可以进行金属表面初期疲劳损伤微裂纹的无损检测 。 新型电子传感器在微裂纹检测中的应用 Saite， Homma和 Shinata等人对 Al试样进行弯曲试验研究发现，外逸电子发射强度和疲劳周期的关系表明，在疲劳寿命的 10 20处，外逸电子发射强度有最大值，且初始微裂纹也正好出现在发射强度最大值之处，如图 2所示。 新型电子传感器在微裂纹检测中的应用 据此设计出了可用于空气中构件在线检测的双栅极空气计数管DGAC，较好解决了电子控制电路与 IBM PC XT计算机的接口电路问题，如图 3所示。电源为 10路高低压混合型直流稳 压电源，分别为计数管阳极、电子控制 电路和接口电路提供工作电源。电子控 制电路主要由放大电路、触发电路 猝熄 电路、抑制电路和单稳态电路等部分组成。 计数器在完成对输入脉冲计数的同时，产 生中断信号，以便产生响应中断，读取计 数器中计数值，重新启动计数器工作，对 检测结果进行处理，读得的数值就是输入 脉冲的频率。根据外逸电子发射强度和疲劳周 期的关系，可以推知裂纹的强度。 应用脉冲涡流检测金属表面裂纹 原理方法 按照傅立叶变换 ,一个脉冲信号可以展开为无限多个波分量之和 ,因而具有较宽的频谱。当用脉冲电流作激励信号进行涡流检测试验时 ,蕴含着丰富的被测信息。而且 ,激励的脉冲特性使涡流在金属中存在一个很高的峰值 ,易于观察测量 ；能够进行传统涡流检测所不能进行的瞬态分析。脉冲涡流检测系统如图 1所示。首先 ,由信号发生器 (激励源 )产生脉冲信号 ,其信号形式为方波信号。此脉冲信号激励脉冲涡流传感器的线圈进行检测 ,然后 ,试件感应产生瞬时涡流信号 ,此涡流信号产生的磁场和原生磁场相互作用 ,系统将此时的传感器瞬时电流信号作为检测信号 ,并通过程控放大器进行放大处理 ,之后 ,经由数据采集卡进行 A /D转换采样 ,对采样后信号利用虚拟仪器进行信号处理和显示 ,可以初步判断裂纹的性质 。 应用脉冲涡流检测金属表面裂纹 涡流传感器工作原理 当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的 Q值也发生变化， Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移 (间隙 )转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流传感器的性能与被测体有关。电涡流传感器工作原理如图所示 应用脉冲涡流检测金属表面裂纹 涡流传感器的应用 胀差测量 斜坡式胀差测量 补偿式胀差测量 双斜面胀差测量 振动测量 轴位移测量 轴心轨迹测量 差动测量 动力膨胀 转子动平径向运动分析 转速和相位差测试 转速测量 表面不平整度测量 裂痕测量 非导电材料厚度测量 金属元件合格检测 轴承测量 换向片测量 应用脉冲涡流检测金属表面裂纹 结果分析 通过 RS - 232接口与单片机进行通信 ,为整个系统提供统一的触发信号 , 即数据采集卡、 MAX383、单片机可以在同一触发信号下进行工作 ,从而能够得到精确的一个脉冲周期的检测信号。在此基础上 ,测量无缺陷参考试块 ,并将其一个脉冲周期的检测信号存为参考信号。然后 ,检测人工裂纹试块 ,同样得到一个脉冲周期的检测信号 ,并与参考信号相减得到的即是裂纹信息。 检测裂纹的传感器 德国开发成功玻璃幕墙裂纹检测传感器 位于维尔茨堡的德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所 (ISC)的科学家研发了一种特殊传感器系统可以检测到玻璃幕墙上微小的裂纹，并在玻璃实际破裂之前就及时发出维修提示。该传感器通过电缆连接到建筑物的控制系统，所有传入的数据都会被自动分析，当玻璃出现微小裂缝时就会触发警报。研究者还成功将传感器安装到层压玻璃面板间。由于这些传感器在层压玻璃的生产过程中就已经被整合到两块玻璃板之间，因此，它们能在玻璃安装前就检测到玻璃在运输过程中出现的缺陷。 检测裂纹的传感器 裂纹检测光纤传感器在日本问世 日本东京大学工学系开发出了世界上第一个用来检查核电站、高速公路、隧道等是否存在裂纹的光纤传感器。与目前使用的压电式裂纹传感器相比，这种传感器使用简便，灵敏度是过去装置的千倍以上，传感器在工作时， 只需将光纤线圈贴在大楼、桥梁等建筑物的表面，如果被测物体产生裂纹，传感器将会感知到由此产生的微小的声音和振动，从而使光纤内传导的光信号的波长发生变化，通过分