LC正弦振荡电路在无损检测中的应用-

1、LC 正弦振荡电路在无损检测中的应用郑世林(咸宁师范高等专科学校物理系,湖北咸宁437005摘要无损测厚是工程技术中一个重要课题。介绍一个L C 振荡电路的测厚装置,其测量原理及装置都非常简单,而测量结果能与专门的超声波测厚仪相媲美。对铁磁材料本身缺陷的探测也有很好的应用,而且造价低、体积小、现场应用方便。主题词振荡电路无损检验涂层厚度测量APPL I CAT I ON OF LC OSC I LLAT ING C IRCU IT T O NOND ESTRUCT IVETH I CKNESSM EASURE M ENTZheng Sh ili n(D epartm en t of Physi

2、cs ,X iann ing T eacher co llege Abstract A si m p le and speedy device fo r m easu ring the th ickness of the coatings of ferrom agnetic m aterials w ith o scillating circu it w as p resen ted ,w h ich w as s m all in size ,cheap in p rice and easy to operate .T he m easu ring reso lu ti on w as of

3、 5m w ith the m easu ring range of 300m .Keywords O scillating circu it N ondestructive testing Coating T h ickness m easu rem en t一般情况下,铁磁材料表面都敷有涂层,以起到保护和装饰的双重作用,汽车表面的油漆、搪瓷制品的搪瓷等就属于这类,轮船吃水线下的涂层更为重要。这些涂层厚度的测量和控制是无损检测的研究课题14。超声波回波技术应用于测量涂层厚度,分辨力为10m 数量级,而一般涂层本身厚度只有几百微米,分辨力太低。断层扫描技术(O CT 用于测量涂层厚度,精确度可

4、达10m 以下,但其价格高,约需几十万元,且体积庞大,难于现场应用。另一方面,涂层对铁磁材料又有掩盖作用,被掩盖的材料本身缺陷、伤痕的检测也需无损伤地进行。本文应用L C 振荡原理,给出一种简单快捷的测量装置,能方便地测量铁磁材料表面的涂层厚度,分辨力可达几微米,测量范围300m ,而且对铁磁材料本身的平整度、缺陷及伤痕的检测也有很满意的效果。1基本原理在正弦振荡电路中,振荡频率由电路的常数确定。一般L =d 5d i,L 不是常数,它取决于H 2B 曲线上铁磁材料的磁导率。因为5=1R mN i式中R m 回路磁阻N 线圈匝数i 线圈中的电流于是有L =N R m(1电感量L 与R m 成反

5、比。R m 由磁回路的几何尺寸和材料的磁导率决定5。当线圈绕在开口铁心上,另用铁磁材料和气隙形成串联磁回路时,回路的磁阻应是磁心、气隙和铁磁材料三部分磁阻的和(另有一空气支路并联在开口两端,因其磁阻很大,予以忽略,即有R m =R 1+R 2+R 0(2式中1,2,0铁心、铁磁材料和气隙的磁导率(0为常数R 1,R 2,R 0回路中铁心、铁磁材料和气隙的磁阻对于磁介质,不是常数,它随H 而变化。但当H 很小时(几个安培 厘米以下,H 2B 曲线上的起始部分呈现近似直线,于是电流在毫安级时,可将近似看成直线。又若线圈和铁磁材料的几何参数也493第22卷第9期2000年9月无损检测ND TV o

6、l .22N o.9Sep.2000不变,R 1和R 2也就可以认为是常数,则R m 又可以表示为R m =R 0+R 0(3R 0=R 1+R 2而R 0正比于气隙厚度x ,所以又有R m =R 0+A x式中A 比例常数即L =NR 0+A x(4所以振荡频率f 只是气隙厚度x 的函数,可写成f =f (x (5将f (x 按泰勒级数公式在零点展开f (x =fx =0+f x =0x +f x =0x22+ (6在测量的气隙x 很小时,比x 2更高的次项可以忽略,式(6又写成f (x =f 0+a x +b x2(7这样,在一定范围内,就可以很方便地由测得的振荡频率f 求得气隙的厚度x

7、。2实验装置与结果 正弦振荡电路主要由四2输入与非门带施密特触发器(CC 4093组成,电路基本形式与探头形状如图1所示。选用C M O S 元件是因为其工作电流小,选用施密特触发器可以得到好的波形和稳定的频率。该电路外接元件少,起振可靠,采用单电源供电,电源电压适应性强(4.512.0V 。振荡电容C 的容量取0.1F ,L 是在U 形开口磁心上密绕15002000匝线圈,使其自由振荡频率在10kH z 左右。图1a 中的数字是集成块CC 4093引脚的编号。只要电路连接无误,通电即可起振。触发器实际 (a 电路基本形式 (b 探头示意图图1工作电流很小,可近似为常数。起振后的振荡频率最高时

8、再让开口与无涂层的铁磁材料紧密接触,相当于式(7中x =0的情况,振荡频率为f 0,达到最低。然后改变x ,逐步测量f 值。实验中用铁磁材料形成回路时,f 0的平均值为8884H z ,垫入不同厚度纸片改变气隙厚度x ,再逐步进行测量,多次测量得到的平均数据如附表所示。附表气隙厚度x i m振荡频率f i H z理论与测量之差i H z气隙厚度x i m 振荡频率f i H z 理论与测量之差i H z092404.0036096103.90根据测量数据绘出的x 2f 曲线如图2所示。可见,该曲线用二次方程可以很好地拟合。图2对上述所得数据采用回归分析法找出拟合曲线方程中的各项系数,确定f 与

9、x 间的函数关系。经最小二乘法回归处理,得到实验公式f =8889.63+2.377x -1.014×10-3x 2(8反过来将各气隙值x i 代入上式,求得理论值与测量值之差i =f (x i -f i 列入上表中最后一行。利用残差公式1=i2n -m(测量次数n =10,f 多项式的项数m =3,求得1=4.84H z 。这一误差可以作为测量系统的理论误差。值得注意的是,我们在实验时,令每张纸的厚度相同,这里面已经存在误差和测量中的随机误差,给出实验公式后得出的理论误差值会偏大一些。由同一厚度在同一点多次测量,可求出此厚度下的测量标准误差2i =(fi-f 2n,f是同一593厚

10、度下多次测量的平均值,对不同厚度下的标准误差2i取平均值,作为仪器的测量误差2,由此求得2=8.1H z。理论误差和测量误差共同决定了该系统的总误差为=21+22=9.45H z由式(8可知该装置的分辨力优于5m。后来我们又分别在搪瓷制品和大铁板上喷漆两种情况下进行验证性测量,刮去油漆或搪瓷后用千分尺直接测量和用该装置间接测量进行比较,所得结果较好,两者误差在5m以内。3几何特性测量实验根据式(2,当铁磁材料的几何参数变化,特别是出现伤痕、凹陷等不平整现象,R2也会出现较大跳变,由此可引起振荡频率的突变,所以该装置也可探测涂层下铁磁材料的几何特性。因此在上述实验基础上,我们又进行了材料表面平整

11、度的测量和覆盖层下伤痕检测等实验,结果也是相当令人满意的。对覆盖层下的铁磁材料平整度、损伤及凹痕等有十分灵敏准确的反应。这一结果对受损伤后修复的表面,特别是汽车事故后的调查和检测会有很好的应用,为公安部门事故处理和刑侦工作都能提供客观科学的证据。在高压容器的探伤方面同样也能发挥很好的作用。4结论上述装置对铁磁材料表面附着层厚度的测量简单、快捷,数据处理也较方便。从误差分析结果可看出,测量分辨力<5m,测量范围可达300m。实验还表明,在涂层表面缓慢移动探头,一旦出现铁磁材料几何参数的变化,振荡频率会出现几十,甚至上百赫兹的变化,给我们提供了明确的信息。该装置不仅反应灵敏,对附着层无损害,

12、而且整套装置小巧轻便,配上一台小型信号处理系统,便可随时随地进行测试。参考文献收稿日期:1998211216(上接第390页绍了声发射技术及其在混凝土实验研究中的应用。作为一种有效的非破坏性的实验手段,声发射技术在国内外得到广泛的重视。人们期待着在声发射技术理论基础方面取得重大突破,能够在声发射参数与混凝土力学参数间建立定量关系。随着声发射测试系统的不断完善和改进,声发射技术将会给混凝土研究提供一个新的途径。参考文献2Tono lin i F,Sala A,V illa G.General review of developm en ts in acou stic em issi on m e

13、thods.In t J P res V es&P i p ing,1987,28(2:179-2013O h tsu M.T he h isto ry and developm en t of acou stic em issi on in concrete engineering.M agazine of Concrete R esearch,1996,48(177:321-3284陈兵,张东,吴科如.混凝土梁声发射特性试验研究.建筑材料学报,1998,1(4:315-3195Chen HL,Cheng CT,Chen SE.D eterm inati on offractu re

14、 param eters of mo rtar and concrete beam s by u sing acou stic em issi on.M aterials Evaluati on,1992,1: 888-8947O tsuka K,D ate H,Ku rita T.F ractu re p rocess zone in concrete ten si on speci m en s by X2ray and A E techn iques, fractu re m echan ics of concrete structu res.P roceedings FRAM CO S,Germ any:A ED IF I CA T I O Pub lishers, 1998.151-1708M ihash i H,N om u ra N,N iisek i S.Influence of aggregate size on fractu re p rocess zone of concrete detected w ith th ree di m en si onal acou stic em issi on techn ique.Cem en t and Concrete R