接触电位差法固定探头式金属表面探伤装置

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1998.02.038 第20卷第2期 北京科技大学学报 Vol.20 No.2 1998年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1998 接触电位差法固定探头式金属表面探伤装置 吴并臻)王俊然)铃木昭) 1)北京科技大学信息工程学院，北京1000832)日本神奈川大学工学部 摘要介绍了接触电位差法固定探头式无损探伤装置的结构，工作原理，测量电路及其频率特性 试验结果表明：该装置对局部狭窄的金属表面发生的龟裂或动态疲劳损伤过程中或初期的探测 是有效的. 关键词接触电位差法；固定探头；无损探伤 分类号TP216 目前，在材料的无损探伤方法中，放射线和超声波法主要用于材料内部缺陷的检出，而金 属表面上产生的龟裂或疲劳损伤的检出主要采用电涡流、磁粉、浸透剂以及接触电位差法， 在接触电位差法回转探头式机械扫描探伤装置的基础上，对固定探头电路切换等价扫描探 伤装置进行了研究和实验，并取得了良好的效果.回转探头式机械扫描探伤装置主要用于金 属表面较为平整宽阔的场合；而固定探头探伤装置则用于金属表面较为狭窄不规则的场合； 两者并用，则可对各种形状的金属材料或制品的表面进行无损检测 值得注意的是，采用接触电位差法的探伤装置，只适用于拉伸、压缩、扭曲应力作用下的 金属材料表面的探伤，即在金属表面发生龟裂或损伤的动态过程中或发生的初期阶段，探伤 才是可能和有效的 1检测原理 不同的金属具有不同的功函数(work function),而且同一种金属的表面清洁与否，疲劳 损伤与否，其功函数也是不同的.例如表面清 洁的金属铝的功函数为4.25eV,而在其表 面有水吸附的场合下，功函数将减少1.4eV, 在其表面有氧化层覆盖的场合下功函数将增 加，A1,0,的功函数为4.7eV. 根据这一物理现象，如果使2种功函数不 同的金属进行电的（欧姆）接触时，功函数小的 金属中的电子将向功函数大的金属表面移动， 产生正负电荷积累，当二者间形成电位差等于 两金属功函数的差的时候，即达到了平衡状 态，这个电位差称为接触电位差.如图1所示， 围1接触电位差示意图 1997-07-25收稿 吴并臻男，50岁，副教授

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 女 · 接触 电位差法 固定探头式金属表面探伤装置 吴并臻 王俊然’ 北京科技 大学信息工程学 院 ， 北京 铃木 昭 日本神奈川大学工学 部 摘要 介绍 了接触 电位差法 固定探 头式无损探伤装置 的结构 ， 工作原理 ， 测量 电路及其频率特性 试验结果 表 明 该装置 对局 部狭窄的金属 表面 发生 的龟裂 或动态疲劳损伤过程 中或初期 的探测 是有效的 关健词 接触电位差法 固定探头 无损探伤 分类号 目前 ， 在材 料 的无损 探 伤方 法 中 ， 放射线和超 声波法 主要 用 于材料 内部缺陷的检 出 ， 而金 属 表 面 上 产 生 的 龟 裂 或 疲 劳损 伤 的检 出主要 采 用 电涡流 、 磁 粉 、 浸 透 剂 以及 接触 电位 差 法 在接触 电位差 法 回转探头式机械 扫描探伤装置 的基 础上 川 ， 对 固定探 头 电路切换等价扫描探 伤装置 进 行 了研究 和 实验 ， 并 取 得 了 良好 的效果 回转探头式机械扫描探伤装置 主要 用 于 金 属表 面 较为平 整 宽阔的场合 而 固定探 头探伤装置则用 于 金 属表面较为狭窄不规则的场合 两者并 用 ， 则可 对各种形 状 的金 属材料 或制 品的表面进行无损检测 值得 注 意 的是 ， 采用 接触 电位 差 法 的探 伤装置 ， 只 适 用 于 拉伸 、 压缩 、 扭 曲应力作用 下 的 金 属 材 料 表 面 的探 伤 ， 即在 金 属 表 面 发 生 龟裂 或 损伤 的动态过程 中或发生 的初 期 阶段 ， 探伤 才是 可 能 和 有效 的 检测原理 不 同的金 属具 有不 同 的功 函数 ， 而 且 同一种金 属 的表 面清洁与否 ， 疲劳 损 伤 与否 ， 其 功 函 数 也 是 不 同的 例 如 表面 清 洁 的 金 属 铝 的 功 函 数 为 ， 而 在 其 表 面有水吸 附的场合下 ， 功 函数将减 少 ， 在 其表 面 有 氧 化 层 覆 盖 的 场合下 功 函数将 增 加 ， ， 的功 函数 为 根 据这 一 物理 现象 ， 如果 使 种功 函 数不 同的金 属进行 电的 欧姆 接 触 时 ， 功 函数小 的 金属 中的 电子将 向功 函数大 的金属 表 面 移动 ， 产生 正 负 电荷积累 ， 当二 者 间形成 电位差等于 两 金 属 功 函 数 的 差 的 时候 ， 即 达 到 了平 衡状 态 ， 这 个 电位 差 称 为接 触 电位 差 如 图 所示 ， 一 一 收稿 吴 并臻 男 ， 岁 ， 副教授 夏 图 接触电位差 示意图 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．02．038

Vol.20 No.2 吴并臻等：接触电位差法固定探头式金属表面探伤装置 ·165· 将功函数为中，中，中，的3种金属在C,D接触时，对向面A-B间的接触电位差： 中1一中 e 式中，e为电子电荷量，V∞的大小与功函数为中，的金属无关 电容切换器Q 可动电极X 电荷放大器 固定电极 图2检测原理 固定探头式电路切换等价扫描探伤装置检测原理如图2所示. 检测部分由圆形梳状电极探头，电容式切换器和电荷放大器组成.梳状电极探头P以一 定间隔与被检金属M对向放置；电容式切换器Q的12枚固定极板分别与梳状电极按一定顺 序用导线连接，可动极板X右端接电荷放大器，左端与直线式脉冲电机相接，以一定速度往复 运动，与12枚固定极板进行切换，实现金属表面的等价扫描. 假设在与探头电极之一P,相对的金属被检体的部位有龟裂或疲劳损伤发生时，此处的 功函数与其周围部分的功函数不同.这样，P。和损伤部位之间就会产生电位差的变化(')， 当可动电极X和P,对向时，此变化的电压信号将被送人电荷放大器，然后将放大器的输出 电压V进行演算处理，显示和记录损伤的部位和程度. 检测部分的等效电路参数如下：C。-探头电极与被检金属间的电容；C,-梳状探头电极与 接地间的分布电容：C。-电容式切换器的可动电极与固定电极间的电容；R-梳状探头电极与 接地间的绝缘电阻；R-电荷放大器的输人阻抗；C-电荷放大器输入端的分布电容；C一电荷放 大器的负反馈电容；A-运算放大器的开环增益 当被检体上产生龟裂或疲劳损伤时，使电容C,上产生变化的电位差V,用拉氏算子阻 抗法求得检测部的传递函数为 'o(s) S'RRCCCpA AVmd(s)S'R,R(AC(Cs+C+CC)+S(R(Cs+C)+AR.C +Ti 如果使电路参数满足 A 1,AC(Cs C)CsCo AR C Re(Cs+C), 则传递函数可简化为

吴并臻等 接触 电位差法 固定探头式金属 表 面探伤装置 将功 函数为巾 ， 叭 ， 巾 的 种金 属在 接触时 ， 对 向面 间的接触 电位差 冈 巾 一 巾 式 中 ， 为 电子 电荷量 ， 冈 的大小 与功 函数为 巾 的金 属无 关 圈 检侧原理 固定探头式 电路切换等价扫描探伤装置检测原理如图 所示 检测 部分 由圆形梳状 电极探头 ， 电容式切换器和 电荷放大器组成 梳状 电极探 头 以 一 定 间隔 与被检金属 对向放置 电容式切换器 的 枚固定极板分别 与梳状 电极按一定顺 序用 导线连接 ， 可动极板 右端接 电荷放大器 ， 左端 与直线式脉冲电机相 接 ， 以一定 速度往复 运动 ， 与 枚固定极板进行切换 ， 实现金属表面 的等价扫描 假设在 与探 头 电极 之一 耳 相 对的金 属被检体的部位有龟裂或疲劳损伤发生 时 ， 此处 的 功 函 数与其周 围部分 的功 函数不 同 这样 ， 只 和损伤部位之 间就 会产生 电位差 的变化 司 ， 当可 动 电极 和 玖 对向时 ， 此变化 的 电压信号将被送人 电荷放大器 ， 然 后将放大 器 的输 出 电压 进行演算处理 ， 显示 和记录损伤的部位和程度 检测 部分 的等效 电路参数如 下 一探 头 电极 与被检 金 属 间的 电容 一梳状探 头 电极 与 接地 间的分布电容 电容式切换器 的可 动电极 与 固定电极 间的 电容 今梳状探头 电极 与 接地 间的绝缘 电阻 凡 一 电荷放大器 的输人 阻抗 一 电荷放大器 输人端 的分布 电容 电荷放 大器 的负反馈 电容 一运算放大器 的开环增 益 当被 检 体上产生龟裂 或疲 劳损 伤 时 ， 使 电容 上 产 生变 化 的 电位 差 冈 ， 用 拉 氏算 子 阻 抗法求得检测部的传递 函数为 了凡凡 一 瓦丽 一 歹瓦瓦两舜瓦干之协干峨 只狱 峨 ， 如果 使 电路参数满足 》 ， 以 》 ， 凡 》 凡 ， 则传递 函数可 简化 为

·166· 北京科技大学学报 1998年第2期 '.s) CeCp S △VSC(Cs+C) S+ R(Cs+C) 可见，当时间常数R(C+Cc)之1时，输出信号V和输入信号V之间存在近似线性关 系.同时可求出变换增益为n=CcC。/[C(C+C。)l. 2检测装置 2.1梳状电极探头 为适应某种设备表面局部探伤（例如螺栓、孔周围 金属表面的探伤)，特将探头电极制成圆形梳状，共有 12枚极板.当每枚极板与被检金属之间距离设定为1 mm.G,-2pF时，极板面积为k9 一形状与尺寸如 Eo 图3所示（材料选用高绝缘度的铜箱底板） 2.2电容式切换器 图3梳状探头的形状和尺寸 电容式切换器的可动极板1枚固定在切换轴上， 由直线式脉冲电机带动，以一定速度往复运动，切换速度视放大器频率特性而定，固定电极设 置14枚，实际使用12枚，两端2枚接地，以获得对电机运动方向的控制信号. 2.3测量电路 实际测量电路如图4所示. Cr 10pF Ce 0'Q 38 pR 102n Ro 10 10d 021μF 50 kQ 图4测量电路 为了消除失调参数的漂移，设置了补偿电路.在主放大器的反馈回路上增设了一个放大 倍数为1的负反馈放大器，可将漂移电压控制在1mVh以下，此电路还兼有低通滤波的作 用，以克服高频噪声干扰信号，由电路参数可知： A≥103 AC(C+C)=5.6×10-"(F R(Cs+C)=56(S) ARC,=10's) CCe=6.8×10-2(F 它已充分满足了前述3个条件

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 － － · △ 越 以 勺 可见 ， 当时 间常数 凡 》 时 ， 输 出信号 系 同时可 求 出变换增 益 为刀 以 勺 检测装置 梳状电极探头 为适应某种设备表 面局部探伤 例如螺栓 、 孔周 围 金 属 表 面 的探伤 ， 特 将探 头 电极 制成 圆形梳状 ， 共有 枚极板 当每枚极板 与被检金 属 之 间距 离设定 为 甩 勺 和输人信号 冈 之 间存在近似线性 关 兮口日 ， 时 ， 极 板面 积为幸 · 一二‘ 一一 形 状 与尺 寸 如 图 所示 材料 选用高绝缘度 的铜箔底板 一 电容式切换器 圈 旅状探头的形状和尺寸 电容 式 切换器 的可 动极板 枚 固定 在切 换轴上 ， 由直 线式脉冲 电机带动 ， 以 一定速度往复运动 ， 切换速度视放大器频率特性而 定 ， 固定 电极设 置 枚 ， 实 际使用 枚 ， 两端 枚接地 ， 以获得 对电机运 动方 向的控制信号 测 电路 实 际测量 电路 如 图 所示 一 吓 为 了消 除失 调 参数 的漂 移 ， 设 置 了 补偿 电路 在 主放大器 的反 馈 回路 上 增设 了一个放大 倍数 为 的 负反 馈 放 大 器 ， 可 将 漂 移 电压控 制在 爪 以 下 ， 此 电路 还兼 有 低 通 滤波 的作 用 ， 以 克服 高频 噪声 干扰信号 由电路 参数可 知 七 以 一 ” 尸 凡 。 ‘ 凡 一 尸 它 已 充分满足 了前述 个条件

Vol.20 No.2 吴并臻等：接触电位差法固定探头式金属表面探伤装置 ·167· 检测部分的频带宽度为0.4~13kHz,当脉冲电机以110mm/s的速度运动时，输入信号 的频率约为16Hz,放大器能够稳定地工作 整个探伤装置的组成框图如图5所示.它共分为检测、控制、信号处理三大部分.电容式切 换器的可动电极根据控制部分的控制信号，由直线式脉冲电机带动，以一定的速度往复运动； 当其与每个固定电极对向时，该电极上的信号电压就被送人放大器，再经处理部分进行F℉T 变换，低通滤波、逆FFT变换等演算处理，然后进行记录 被检金属 (AN或AN合金) 梳状探头 CRT 可动电极 显示 直行程电动机 电容切换器 固定电极 X-Y 记录仪 测量电路 微型计算机 控制器 软盘 图5固定探头式探伤装量方框图 3探伤装置的特性 为了解装置的特性，设置了疲劳损伤的模拟电极.在被检金属上，把与7号电极相对向的 那一部分作为疲劳损伤的模拟电极，从外部加人斜波电压信号来模拟疲劳损伤信号.之所以 加人斜波信号是根据下面事实考虑的2 在铝、铝合金表面上，新生面或疲劳损伤发生时，与其周围相比，大约有1~12V的接 触电位差的变化.在铝表面上，新生面发生并有水分被吸附，铝的功函数将减少1.4V. 测量结果如图6所示：在7号极板所对应的位置上较为清楚地记录下损伤的部位和损 伤程度的大小 1.5 .1.5 5 》 9 电极序号 图6测量结果

吴并臻等 接触 电位差法 固定探头式金属表 面探伤装置 检 测 部分 的频带宽度 为 一 比 ， 当脉 冲 电机 以 岁 的速 度 运 动 时 ， 输人信号 的频率 约 为 比 ， 放大器 能够稳定地工作 整 个探伤装置 的组成框 图如 图 所示 它共分 为检测 、 控制 、 信号处理 三大部分 电容式切 换器 的可 动 电极根据控制部分 的控制信号 ， 由直线式脉冲 电机带动 ， 以 一定 的速度往 复运 动 当其 与每个 固定 电极 对向时 ， 该 电极 上 的信 号 电压 就 被 送 人 放大器 ， 再 经处理 部分 进行 变换 ， 低通 滤波 、 逆 ， 变换等演算处理 ， 然后 进行记 录 显示 卜 记录仪 侧量 电路 控制器 圈 固定探头式探伤装工方框圈 探伤装置的特性 为 了解 装置 的特性 ， 设置 了疲劳损伤 的模拟 电极 在被检金 属 上 ， 把 与 号 电极相 对 向的 那 一 部分 作 为疲 劳损 伤 的模拟 电极 ， 从外 部加人斜波 电压信 号来 模拟 疲 劳 损 伤信 号 之所 以 加人斜波信号是根据下 面事实考虑 的 “ 在铝 、 铝合金表 面 上 ， 新生 面或疲 劳损伤发生 时 ， 与其周 围相 比 ， 大 约有 一 的接 触 电位差 的变化 在铝表面上 ， 新生 面发生并有水分被吸 附 ， 铝 的功 函数将减少 测 量 结果 如 图 所 示 在 号 极板所 对应 的位置 上 较 为 清楚 地 记 录 下 损伤的部位和 损 伤程 度 的大小 ︸ 奋书辉田争、 电极序号 图 测 结果

·168· 北京科技大学学报 1998年第2期 4结论 接触电位差固定探头金属表面探伤位置，作为局部狭窄的金属表面的探伤是可能和有效 的，正如在前言中所说明的那样，本方式只能在龟裂或疲劳损伤发生的动态过程中或发生的 初期才是有效的，而对旧的损伤的探测是无效的.另外，本装置的屏蔽和抗干抗措施还需进一 步考虑，为实际应用创造可靠的条件 参考文献 1铃木昭.疲劳仁？℃生心大AL.A合金表面②微小老九？②早期检出.日本电气学会论文志， 1984,104A(7):371 2 Fort T,Welles R L.Adsorption of Water on Clean Aluminum by Measurement of Work Function Changes.Surface Science,1972,32:543 New Nondestructive Testing Equipment by Fixed Probe Based on the Contact Potential Difference Method Wu Bingzhen”Wang Junran”Akira Suzuki) 1)Information Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Kanagawa University Japan ABSTRACT The structure,working principle,measuring circuit and frequency characteristics of contact potential difference nondestructive testing equipment using fixed probe are intro. duced.It is demonstrated by the experimental result that this equipment is effective for testing the local narrow dynamic endurance failure on the surface of metal KEY WORDS contact potential difference method;fixed probe;nondestructive testing

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 结论 接触 电位 差 固定探 头金属 表面探伤位 置 ， 作 为局部狭 窄 的金 属表 面 的探 伤是 可 能和有效 的 ， 正 如 在前 言 中所说 明 的那 样 ， 本方 式 只 能在 龟裂 或疲 劳损伤发 生 的 动态过程 中或发 生 的 初期才是 有 效 的 ， 而 对 旧 的损伤 的探测是 无效 的 另外 ， 本装置 的屏 蔽和 抗 干抗措 施 还需进一 步考虑 ， 为实 际应用 创造 可靠 的条件 参 考 文 献 铃 木 昭 疲 劳 忆 止 。 生 匕 亡 赶 合 金 表 面 。 微 小 色 扎 。 。 早 期 检 出 日 本 电 气 学 会 论 文 志 ， ， ， 眠 肠明 才解 ， ， 加 七 肋 刀动 动 ‘ 肋叮 九 ， 加 。 扩 】 ， ， ， 为 出 苗 叩 ， ， 代 眨 杠 面 田的