特种复合材料的膜层厚度的涡流测量的研究毕业论文(编辑修改稿)

特种复合材料的膜层厚度的涡流测量的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

法主要有分光束显微法、重量法、涡流法 等等。 复合金属覆层厚度的测量方法主要有金相法、 X 荧光法、容量法、 X 射线光谱测量法等。 在 以上所述的 方法中 ,能够无损检测覆盖层厚度的方法为非磁性金属基体上非导电覆盖层厚度测量的涡流方法、磁性金属基体上非磁性覆盖层厚度测量的磁性方法、 X 射线光谱测量法和β射线反向散射法。 但是在 X 射线光谱仪和β射线反向散射法应用上 ,因为 检测设备价 格 太高 ,往往作为检测的高档设备供实验室使用 ,而在现场大量使用基于磁 性方法和电涡流方法的测厚仪。 国内外涡流测厚技术主要 有 分为两大类应用，一是覆盖层厚度测量 ,另一个是金属管板箔厚度测量。 在 国外，涡流测厚技术已 经 被广泛 的 运用，其中颇有代表性的美国 CMI 公司由最初通过对电导率的测量来测金属镀层的厚度，发展到后来测镀层阻抗值的方法来对金属镀层进行测量，精度 达到 了 177。 6%，测量范围为 150μ m。 在国内测厚领域，涡流法也 经 已被广泛运用，但测量对象皆为非磁性或磁性金属基体上绝缘层或非磁性覆层厚度。 分辨率达 1μ m177。 3%测量值，测量范围最小为 0200μ m。 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 5 课题研究的主 要内容 1. 了解国目前内外涡流测厚技术。 2．理解了随着涂层厚度的增加，提离值也随之增加。 3. 结合涡流检测的方法原理，理解和掌握涡流测厚的方法。 4. 了解到虽然是同样一块试块，但由于涂层厚度的不均匀性，各点的提离值都不一样。 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 6 2. 涡流法测厚技术理论基础 涡流检测 技术 作为 以 电磁感应原理 为基础的 无损检测方法 ，它 已经被广泛的应用在 导电材料的无损检测中， 当 在交变磁场中放置一块导体材料 时 ，由于电磁感应的作用就会在导体材料内部感应出旋涡状的电流， 即 涡流。 而 同时也将产生一个相同频 率的磁场，但这个磁场的方向与原磁场的方向相反，这个反相磁场就会使得检测线圈的阻抗发生 变化 ，涡流检测技术就是通过利用阻抗分析法进行涡流定量分析来进行 工件检测的。 涡流检测原理 涡流检测是 在 电磁感应原理 上 为基础的一种常规无损检测方法。 它的基本原理可描述为： 如果 载有交变电流的试验线圈靠近导体试件，由于线圈产生的交变磁场的作用 就 会在导体中感生出涡流。 涡流的大小、相位及流动形式受到试件性能 以 及有无缺陷的影响，而涡流的反作用磁场又 会 使线圈的阻抗发生变化。 因此， 当 通过测定试验线圈阻抗 发生 变化，就可以推出被检试件性 能的变化及有无缺陷的结论。 阻抗分析法 在进行涡流法检测时， 因为 在检测过程中 有 存在着多种影响因素的干扰，为 了 能够排除干扰因素并 且 有效的提取有用的检测信号， 国内外 许多学者提出了一些信号分析方法，但都没有能够成功实现抑制干扰因素的影响，直到德国学者福斯特提出消除涡流检测仪器中干扰因素的理论分析，即阻抗分析法，才使得这一 世界 难题得了关键性的突破。 阻抗分析法是建立在相位变化与线圈阻抗变化之间关系的基础之上的一种提取有用信号并 且 排除干扰信号的有效信号分析方法。 在进行涡流检测 的 时 侯 ，涡流信号不同的相位延迟 反映 出 电磁波在被检导体中传播深度和时间，通过分析 它 与线圈阻抗之间的关系就能达到鉴别抑制干扰因素并 且 提取有用信号的目的。 这种 有效方法的提出在涡流检测技术的发展过程中起到了突破性作用，为涡流检测法 很好的 提供了一整套完整、系统的理论体系。 线圈阻抗的影响因素 涡流检测在实际 检测 过程中，材料磁导率、材料电导率、检测频率、探头提离等南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 7 因素 的变化都会引起探头线圈阻抗的变化， 同时 他们的变化方向 也 互不相同。 因此将干扰因素与有用的检测信号区分开来是比较复杂 并 且难以实现的，如果能够有效抑制其他一些干扰因素的影响，那 么就能够 很好的 实现比较准确的涡流无损检测评价。 影响探头检测线圈阻抗的主要因素 主要 如下所述： （ 1）材料磁导率 对于铁磁性材料 来说 ，在进行材料检测时其磁导率 并 不是常数， 它的 大小通常可以达到几百亨利 /米， 因此 即使是比较微小的磁导率变化都 有 可能导致很大的噪声产生，噪声就会将有用的检测信号淹没， 导致 检测失效。 而非铁磁性材料的磁导率通常为常数 并 且约等于 1，因此，为了消除磁导率对检测线圈阻抗的 巨大 影响，通常通过高强度磁化材料至磁饱和状态 并 使其磁导率趋于常数的条件下来抑制材料磁导率的影响。 （ 2）材料电导率 材料电导率对涡流检测线圈有着直接 的 影响，涡流法对于缺陷的检测就是利用缺陷部分与母材电导率 的 不同所产生的检测信号存在差异 的 这个特点。 而且由于材料电导率不同将会导致检测线圈阻抗 的 大小不同，因此根据涡流的这个特点就可以利用涡流法进行热处理状态检测以及材料 的 筛选工作。 （ 3）探头提离效应 探头的提离 指的是 探头检测线圈与工件之间的距离，当探头检测线圈的提离距离有 发生变化时 ， 被检工件内部的磁通密度就必然会 发生 改变，基于电磁感应的作用，检测线圈的阻抗也将 会发生改变 ，这种 改变就 称之为提离效应。 探头的提离效应 能很大程度 的影响 涡流检测 的 信号， 因此 在利用涡流进行探伤 时 需要尽量抑制提离效应的发生， 所以 在测量电导率时需要尽量避免在人为操作过程中探头与被检试件接触不紧密 和 探头晃动的情况发生，从而避免因提离效应对探头检测线圈阻抗的影响而导致 的电导率的测量的不准确。 然而在某 一 些特殊场合如涂镀层厚度测量时又可以利用 它的提离效应进行高精度测量。 （ 4）检测频率 在涡流法检测过程中 有 存在涡流趋肤效应，而涡流趋肤深度直接与选择的检测频率 有关 ， 当 检测频率越高，趋肤深度 就 越小， 就越 利于表面缺陷的检测，而当检测频率越小时，趋肤深度 就 越大， 就不 利于 近表面缺陷的检测。 因此 通过调节检测频率的大小 就 可以控制涡流检测深度。 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 8 3. 试验研究 特种碳纤维复合材料 的 涂层厚度实施涡流法测量在理论上是可行的。 为了 能 更好的验证理论研究分析结果的正确性，需要进行相应的特种碳纤维复合材料涂层厚度涡流法测量试验 ,在 依据理论模型初步提出设计原则研制涡流探头，利用提供的试样开展特种 碳纤维复合材料涂层厚度涡流检测可行性实验。 试验 仪器及工件 工件 图 ：实验所用试块 图中： 圆形 1 试块 为特种碳纤维复合材料基体试块 圆形 2 、 3 为带未知 SiC 涂层厚度的特种碳纤维复合材料试块 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 9 4 为特种碳纤维复合材料基体矩形试块 5 为带未知 SiC 涂层厚度的特种碳纤维复合材料矩形试块 半月形 2 、 3 试块为 特种碳纤维复合材料试块 仪器与探头 （ 1） 用 SMART2097 涡流检测仪 和 ECC2020 电磁检测仪 （ 2） 专用的 DP 式平面涡流探头 图 ： 改进的 EEC 智能涡流检测仪 图 ： ECC2020电磁检测仪 实验研究内容 用 SMART2097 涡流检测仪的实验 研究内容 （ 1） 以 4工件为基体，测试基体上的不均匀度 （ 2） 在基体上每次以两张塑料薄膜递增，测试基体上膜层厚度的提离值 （ 3） 测试 5试块不同点的膜层提离值 （ 4） 交叉测试 3试块 （ 5） 4试块多少厚度的薄膜能分辨 用 EEC2020 电磁检测仪的实验研究内容 （ 1） 以半圆形试块的 a 面为带涂层面， b 面为基体面，测试最佳检测参数试验 （ 2） 测厚对比试验 （ 3） 塑料薄膜模拟涂层厚度测量试验 （ 4） 涂层厚度试验 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 10 实验研究方案 用 SMART2097 涡流检测仪的实验研究方案 （ 1） 利用提离效应测量在基底试块和带有 碳化硅 涂层试块上的涡流信号，比较不同试块上测量所得涡流信号的提离点的距离点数差异，并且通过反复调节，寻找最佳测量工作频率，相位，增益等。 （ 2） 基于最佳检测参数的条件下，分别比较特种碳纤维复合材料基体试块与带 碳化硅 涂层的试块之间的提离点的差异、两块带未知厚度的 碳化硅 涂层特种碳纤维复合材料试块之间的提离点的差异以及带 碳化硅 涂层特种碳纤维复合材料试块与覆盖多张薄膜（厚度为一张 5μ m）的特种碳纤维复合材料基体 试块之间的提离点的差异。 （ 3） 基于最佳检测参数的条件下，利用厚度已知的超薄绝缘膜层（如厚度为 20μ m 的超薄塑料膜层），在 4特种碳纤维复合材料基体上进行模拟涂层测厚灵敏度试验，研究涡流法实施特种碳纤维复合材料 碳化硅 涂层测厚的灵敏度大小。 （ 4） 利用厚度已知的绝缘标准薄层（如厚度为 100μ m 的超薄绝缘膜层），在特种碳纤维复合材料基体上进行模拟涂层测厚试验，分析不同厚度的薄膜下提离点之间距离的规律。 （ 5） 利用厚度已知的薄膜层（取厚度为 80μ m 的薄膜）在 4特种碳纤维复合材料基体上进行模拟涂层测厚试 验，分析 4工件与 5工件的提离点距离点数的规律。 （ 6） 基于最佳检测参数的条件下，在 4工件上不同位置反复进行模拟涂层测厚试验，分析基体上的不均匀度。 用 EEC2020 电磁检测仪的实验研究方案 （ 1） 在以半圆形试块 b 面为基体的前提下， 利用提离效应测量在基底试块和带有 碳化硅 涂层试块上的涡流信号，比较不同试块上测量所得涡流信号的提离点的距离点数差异，并且通过反复调节，寻找最佳测量工作频率，相位，增益等。 （ 2） 以 B3b 面为基体， 基于最佳检测参数的条件下， 与不同试块对比，得到不同提离值，同时将得到的数据通 过 origin 软件进行分析。 用 SMART2097 涡流检测仪 的实验研究 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 11 基于特种碳纤维复合材料最佳检测参数试验 为了 能 方便观察，所有试验均通过调节相位使涡流信号的提离 信号 处于水平 方向 ，增益均为 28 dB。 首先分别在特种碳纤维复合材料基底试块（ 4 ）和带有 碳化硅 涂层的特种碳纤维复合材料试块（ 5 ）上进行涡流提离效应试验，可得到下图中标出的两者的提离轨迹曲线，图中涡流提离 点即提离距离为 0（探头紧贴被测试块）时的涡流信号点，二点之间的距离即为基底试块和带有涂层试块上的涡流信号提离点之间的距离。 使用仪器自带的标定工具，先调节标定线 1 让其同时通过两个提离点，然后调节仪器使标定线 2 和标定线 3 分别经过一个提离点，由于标定线 3 同时垂直标定线 1，两个提离点信号之间的距离点数即为标定线 3 间的距离点数，该距离点数可以从仪器上直接读出，即 A 值。 标定线 1 标定线 2 标定线 3 图 ：测量结果解析 按照上述方法，分别多次测量不同频率条件下特种碳 纤维复合材料基底试块和带有 碳化硅 涂层的试块上的涡流信号提离点信号的距离点数，测量最佳频率。 如下图 : 图 ： 频率为 100kHz 的测量结果图 图 ： 频率为 416kHz 的测量结果图 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 12 图 ： 频率为 625kHz 的测量结果图 根据测量最佳频率实验得到如下表 ： 表 ：不同频率条件下的实验距离点数 根据图表 制作曲线图 如下： 图 ：频率 /距离点数平均值关系曲。