基于交直流电位差法的裂纹测深仪研制与应用

基于交直流电位差法的裂纹测深仪研制与应用

刘艳华 1 温炯良 2 富浩 3

中山一鸣检验科技有限公司 广东中山 52 40 00 2.广东省特种设备检测研究院肇庆检测院 526070 3.广东建源检测技术有限公司 广东佛山 528100

摘要：通过对直流电位差法的研究，扩展至交流电位差法。交流电位差法在抑制噪声、信号鉴别和降低功耗等方面，对影响交流电位差法的某些因素有试验研究。通过研制的裂纹测深仪的性能测试，证明原理分析是有效的，该仪器的性能优于现有同类产品。

关键词：裂纹；探测；仪器

1、引言

裂纹测深是特种设备安全评估的基础，利用无损检测的方法精确地测量表面裂纹的深度，无论对工程技术和科学研究都具有重大的意义。与超声、涡流等方法相比，电位差法简便、灵敏且其测量结果较为符合实际。电位差法，其原理简单，操作简便，是在裂纹扩展实验中实时测量标准试样裂纹动态扩展长度(深度)的最主要的手段之一。同时实时检测裂纹的扩展状况和扩展速率是必要的。

2、基本原理

电位差法的基本原理是在含裂纹试样的两端施加恒定电流，使之在试样厚度方向上产生一个恒定的电场，该电场是试样几何形状和尺寸、特别是裂纹形状和尺寸的函数，对这个电场进行测量，就可以获得裂纹扩展状况的实时数据。另一方面，利用交流电位差法或直流电位差法也能够实现实时观测结构件中裂纹缓慢增长过程，对一些含缺陷重要金属结构件进行定期或长期实时监测，确保机械结构件的安全工作和使用寿命预测。

2.1直流电位差法的工作原理

直流电位差法测试裂纹扩展的可行性和标定电位差与裂纹长度的关系，设计了一个含有表面裂纹的试样，见下图。在试样的裂纹两侧5mm处接入两个电极A和B，并通入2.5 A的电流，并设置节点B的电压为0.0V。由于与电位差计算有关的材料参数仅为电导率，取压力容器结构材料中常用的45#钢在一次回路温度下的电导率为基本材料参数，即材料电导率为1388.8889s/mm。

在此试样模型的基础上，假设裂纹的长度从0.0～5.0mm进行变化，利用ABAQUS软件中的20节点二次热电耦合单元(DC3D20E)将试样划分为65800单元进行计算，而裂纹和电极附近的单元被细划以便获得比较准确的计算结果。通过比较不难看出裂纹扩展长度对电位场分布的影响，说明裂纹长度对电位场分布的影响是微量的，对电极处电位数据变化进一步进行详细分析是必要的。

由于电位差与裂纹长度的关系还与被测材料的导电性能有关，而金属材料的导电性除了和材料内部的组织性能有关外，还与温度等因素有关，对每个被测构件或试样的材料电导率，都应在实验温度下进行测定，全自动数字便携式导电仪给实际测定试样材料的导电性带来便利。下图给出了材料电导率增加20%和减少20%对电极A处电位的影响规律，可以看出材料电导率下降电极A的电位上升，与此相反，材料电导率上升电极A的电位下降。同样，为了更清楚的表示电位差与裂纹长度的变化关系，采用了电位差与裂纹扩展长度进行分析，如图所示，可以看出裂纹长度越大，材料电导率变化的影响也就越大，这在直流电位差裂纹测深仪的研制和使用中应引起注意。

材料电导率对电位场的影响 材料电导率对电位差的影响

2.2交流电位差法的工作原理

利用探头外侧两针C1、C2为电流探针，电流I通过C1、C2送给被测试件，内侧两针P1、P2为电压(电位差)探针，取决于I在试件中的分布，在P1、P2间可取得一信号电压:

式中，R,X、Z分别为跨在PI、P2间的等效交流电阻、等效电抗和等效阻抗。随着试件表面裂纹深度D的不同，试件中I的分布发生改变，即R及Z值各异，从而使U值发生相应变化。因此,可通过测量U值的变化或相对变化来确定裂纹深度D。这就是交流电位差法的基本原理。但是，影响U值的不仅是D，凡是影响电流I及其在试件中分布的一切电因素、材质因素和几何因素均影响U值。这些因素的变化，都是测量裂纹深度的误差来源。因此，U与D之间是非确定性的相关关系，从而不能用一条刻度曲线来描述所有条件下U与D的关系。现有的一些裂纹测深仪常忽视上述相关关系的特点，而是用一种具有特定材质和尺寸的人工裂纹标准试块对仪器进行分度，以至于当被测试件与标准试块的条件相差甚远时，就会产生很大的测量误差，甚至失去实际意义。正确的做法应根据实用条件，进行统计样本分类，并做出相应的标准试块，实测其一系列的D、U值，根据数理统计，借助于计算机作出该统计样本的刻度曲线数学模型。使刻度曲线的适用范围扩大正因为具有数学模型，使不同的统计样本同可进行修正计算，并为直接配用微处理机准备了条件。

影响测量的电因素主要有电流I、频率f和测量电路的输入阻抗Zc等。I的大小影响仪器的灵敏度和功耗,而I的变化直接影响测量精度。使I变化的一个重要原因是电流探针C1、C2与试件间接触电阻的变化(取决于探头的压紧程度和它们与金属接触的好坏)，而且裂纹深度的变化,本身也会引起I的变化。消除此影响的有效手段是.采用交流似流源。现有的交流电位差法裂纹测深仪常用恒压源，测量精度不甚满意。我们所研制的仪器中，首次设计了交流恒流电路，提高了仪器的稳定性和精度。因为交流电有集肤效应，且

式中μ、σ分别为试件材料的导磁率和导电率，δ为电流穿透深度，其伯愈小，集肤愈强；所以f愈高，集肤效应愈显著，使电流大部分在试件表面薄层中流过，增加等效阻抗，从而提高测量的灵敏度，同时也减小了试件厚度对测量的影响；但集肤效应还与材质有关，因此提高f会使材质特别是μ对测量的影响增大，而且对深裂纹的测量也带来了复杂性。集肤效应的上述影响可作为统计样本分类的依据之一，即若以材质分类，则应选用稍高的频率；若以尺寸(厚度)分类，则宜取较低的频率。另一方面，电流引线回路的磁通链到电压引线回路，会产生互感电势Em，它叠加于信号电压U中，且随探头引线的移为而变化。尤其对于μ值较小的试件材料，如铜、铝等，即使提高f，集肤效应也不显著，相反却增加了Em的干扰，因此更应采用较低的频率。在具体选择f的大小时，除考虑上述因素外，还应避开噪声源的频率，例如电网及其高次谐波频率，并需顾及信号源阻抗和测量电路内部的传递特性等。

3、频率的影响

用直角坐标式交流电位差计法对相位表进行检测,发现有的相位表的测量结果随着频率的变化而变化,当工作频率变化较大时，其误差的变化远远超出了允许的范围。原因分析：补偿电压是根据电流工作在一定阻抗上引起压降的原理产生的，它由正交的两个部分量组成，即由实轴分量与虚轴分量两套机构给出，实轴的等效阻抗必须是纯阻性的,而虚轴分量的等效阻抗必须是纯电抗性的,补偿电压的实轴分量与工作电流相--致,而虚轴分量与工作电流的相位是正交的。

4、仪器研制

在上述测量原理分析的基础上，我们研制了一台交直流电位法变频裂纹测深仪,并对其若干性能进行了测试。该裂纹测深仪包括四探针探头和测量仪器两部分。探头的特点在于有效地抑制了感应电势Ex的干扰，其主要表现为将电压探针或电流探针两引线对调，基本上不影响测量的灵敏度。仪器的原理框图如图所示。其特点为:

图 裂紋测深仪原理方框图

设计、使用了交直流恒流源。它以文氏桥正弦波振荡器为激励级,集成OCL功放为输出级，为满足阻抗匹配，在电流探针回路中串接18欧的负载电阻(该电阻比电流探针与试件的接触电阻大得多，因而有利于电流的稳定。恒流调节是采用负反馈和分流原理，即在集成功放前接有非线性分流电阻，其分流大小由恒流采样器转换来的负反馈电压控制。经测定，频率约1千赫±1%(避开电网频率的整数倍)；负载电阻变化±50%，I变化±1%,恒流的工作情况可由仪器面板上的电平指示器表征和观察。

电位差法仅须从工件的一侧进行测量而不受其背面条件的限制，操作方便，适用于一切导电工件；但要求工件的电阻率均一且各向同性，对于大多数金属材料，这一条件是可以满足的。在裂纹深度测量中，电位差法是一种非常有用且常为唯一的方法。根据所通过电流性质的不同，电位差法可分为直流电位差法和交直流电位差法变频法两种。

电位法的使用，使其比使用超声波和涡流技术更有效地确定裂缝的深度。

5、裂纹测量

在进行完上述的零点、上限及材料校正后仪器可进行裂纹深度的测量。将被测工件有裂纹及附近区域清扫干净，使其表面无灰尘、液体、附着物、锈蚀、油漆，试样金属表面暴露在空气中。将探头放置在裂纹上，探针上方的白线应与裂纹走向一致，轻轻按下探头，仪器将显示出裂纹的深度。在裂纹的不同位置进行多次测量，选取仪器最大读数作为该裂纹的深度。

6、结束语

裂纹深度测量方法为电位差法，其基本原理为一定值的电流通过工件时，在工件的不同部位，由于几何形状不同、尺寸不同或存在缺陷，电位的分布不同，通过测量这种电位分布可以得知工件表面裂纹的深度。裂纹测深仪研制填补了行业空白，具有明显的工程实用性和应用价值。

参考文献

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