傳感器在金屬裂紋檢測中的應用 引言 隨著社會的發展 ，我們生活的四周可以說到處可以看到鋼鐵等金屬的使用。隨著金屬使用的日益廣泛，它所帶來的安全問題日益引起人們的關注，各種檢測金屬裂紋的方法被人們所發明并廣泛應用。在這些方法中傳感器的應用越來越多，各種傳感器被人們所發明并應用 。 檢測金屬裂紋的三種方法 基于電位法原理的金屬結構裂紋監測 新型電子傳感器在微裂紋檢測中的應用 應用脈沖渦流檢測金屬表面裂紋 基于電位法原理的金屬結構裂紋監測 設計原理 疲勞失效是金屬結構在使用過程中最基本的最主要的破壞模式，通常金屬結構的疲勞裂紋是從結構表產生、擴展的，為了避免災難性事故的發生，目前多采用周期性的維修方式，即運用無損探傷的方法對關鍵結構進行周期性的檢修來保證安全。在此，選用 LY12鋁合金板材中心孔試件 (如圖 1所示 )為研究對象來闡述傳感器的設計方案。 基于電位法原理的金屬結構裂紋監測 擬研制的金屬結構裂紋監測傳感器的安裝位置及形狀如圖 2所示，該傳感器主要由導電覆層和絕緣層兩部分構成。其中核心元件為由特殊的表面處理方法制備的導電覆層，當恒定電流經由 C點從傳感器通過時，將在傳感器中產生一定的電場；如果金屬構件表面出現裂紋，由于隨附損傷，傳感器膜層也會出現裂紋，其電場將發生變化；裂紋的位置、長度不同，其對電場的影響不同，從而傳感器的輸出信號也不同；因而可以通過測量分析傳感器的輸出信號，實現對裂紋位置及擴展情況的監測。 基于電位法原理的金屬結構裂紋監測 傳感器的輸出特性分析 通過建立裂紋監測傳感器的有限元模型，運用該模型分析了傳感器的電場及各監測點之間的電位差，仿真結果與試驗結果吻合較好。通過對傳感器進行仿真分析，得到了裂紋沿徑向單邊、雙邊擴展時各監測點之間電位差的變化特征和確定裂紋長度的方法。 式中：裂紋沿徑向雙邊擴展時裂紋長度 a的單位為 mm； 的單位為 mV；734mV為沒有裂紋時 AC間的電位差。 基于電位法原理的金屬結構裂紋監測 傳感器的優點 該傳感器因與金屬基體絕緣，所以適用于所有的金屬結構，同時因其基于電位法原理且直接與結構裂紋相關聯，故具有信號處理簡單、成本低、可靠性高等。 新型電子傳感器在微裂紋檢測中的應用 設計原理 疲勞過程中的塑性變形同表面氧化層的位錯攀移及增殖有關，后者會導致外逸電子的發射。外逸電子的發射易受溫度、濕度、壓強等引起的 “ 污物效應 ” 影響，而且外逸電子數隨微裂紋的擴展而逐漸增加。當表面氧化層出現微裂紋時，發射的外逸電子數則明顯增多。用外逸電子發射理論研究疲勞損傷過程中的塑性變形，以及微裂紋的形成和生長，可以進行金屬表面初期疲勞損傷微裂紋的無損檢測 。 新型電子傳感器在微裂紋檢測中的應用 Saite， Homma和 Shinata等人對 Al試樣進行彎曲試驗研究發現，外逸電子發射強度和疲勞周期的關系表明，在疲勞壽命的 10 20處，外逸電子發射強度有最大值，且初始微裂紋也正好出現在發射強度最大值之處，如圖 2所示。 新型電子傳感器在微裂紋檢測中的應用 據此設計出了可用于空氣中構件在線檢測的雙柵極空氣計數管DGAC，較好解決了電子控制電路與 IBM PC XT計算機的接口電路問題，如圖 3所示。電源為 10路高低壓混合型直流穩 壓電源，分別為計數管陽極、電子控制 電路和接口電路提供工作電源。電子控 制電路主要由放大電路、觸發電路 猝熄 電路、抑制電路和單穩態電路等部分組成。 計數器在完成對輸入脈沖計數的同時，產 生中斷信號，以便產生響應中斷，讀取計 數器中計數值，重新啟動計數器工作，對 檢測結果進行處理，讀得的數值就是輸入 脈沖的頻率。根據外逸電子發射強度和疲勞周 期的關系，可以推知裂紋的強度。 應用脈沖渦流檢測金屬表面裂紋 原理方法 按照傅立葉變換 ,一個脈沖信號可以展開為無限多個波分量之和 ,因而具有較寬的頻譜。當用脈沖電流作激勵信號進行渦流檢測試驗時 ,蘊含著豐富的被測信息。而且 ,激勵的脈沖特性使渦流在金屬中存在一個很高的峰值 ,易于觀察測量 ；能夠進行傳統渦流檢測所不能進行的瞬態分析。脈沖渦流檢測系統如圖 1所示。首先 ,由信號發生器 (激勵源 )產生脈沖信號 ,其信號形式為方波信號。此脈沖信號激勵脈沖渦流傳感器的線圈進行檢測 ,然后 ,試件感應產生瞬時渦流信號 ,此渦流信號產生的磁場和原生磁場相互作用 ,系統將此時的傳感器瞬時電流信號作為檢測信號 ,并通過程控放大器進行放大處理 ,之后 ,經由數據采集卡進行 A /D轉換采樣 ,對采樣后信號利用虛擬儀器進行信號處理和顯示 ,可以初步判斷裂紋的性質 。 應用脈沖渦流檢測金屬表面裂紋 渦流傳感器工作原理 當被測金屬與探頭之間的距離發生變化時，探頭中線圈的 Q值也發生變化， Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉化成電壓（電流）變化，最終完成機械位移 (間隙 )轉換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統中被測體可看作傳感器系統的一半，即一個電渦流傳感器的性能與被測體有關。電渦流傳感器工作原理如圖所示 應用脈沖渦流檢測金屬表面裂紋 渦流傳感器的應用 脹差測量 斜坡式脹差測量 補償式脹差測量 雙斜面脹差測量 振動測量 軸位移測量 軸心軌跡測量 差動測量 動力膨脹 轉子動平徑向運動分析 轉速和相位差測試 轉速測量 表面不平整度測量 裂痕測量 非導電材料厚度測量 金屬元件合格檢測 軸承測量 換向片測量 應用脈沖渦流檢測金屬表面裂紋 結果分析 通過 RS - 232接口與單片機進行通信 ,為整個系統提供統一的觸發信號 , 即數據采集卡、 MAX383、單片機可以在同一觸發信號下進行工作 ,從而能夠得到精確的一個脈沖周期的檢測信號。在此基礎上 ,測量無缺陷參考試塊 ,并將其一個脈沖周期的檢測信號存為參考信號。然后 ,檢測人工裂紋試塊 ,同樣得到一個脈沖周期的檢測信號 ,并與參考信號相減得到的即是裂紋信息。 檢測裂紋的傳感器 德國開發成功玻璃幕墻裂紋檢測傳感器 位于維爾茨堡的德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所 (ISC)的科學家研發了一種特殊傳感器系統可以檢測到玻璃幕墻上微小的裂紋，并在玻璃實際破裂之前就及時發出維修提示。該傳感器通過電纜連接到建筑物的控制系統，所有傳入的數據都會被自動分析，當玻璃出現微小裂縫時就會觸發警報。研究者還成功將傳感器安裝到層壓玻璃面板間。由于這些傳感器在層壓玻璃的生產過程中就已經被整合到兩塊玻璃板之間，因此，它們能在玻璃安裝前就檢測到玻璃在運輸過程中出現的缺陷。 檢測裂紋的傳感器 裂紋檢測光纖傳感器在日本問世 日本東京大學工學系開發出了世界上第一個用來檢查核電站、高速公路、隧道等是否存在裂紋的光纖傳感器。與目前使用的壓電式裂紋傳感器相比，這種傳感器使用簡便，靈敏度是過去裝置的千倍以上，傳感器在工作時， 只需將光纖線圈貼在大樓、橋梁等建筑物的表面，如果被測物體產生裂紋，傳感器將會感知到由此產生的微小的聲音和振動，從而使光纖內傳導的光信號的波長發生變化，通過分