Термоэлектрический метод основан на регистрации термоэлектродвижущей силы, возникающей при контакте разнородных проводников, один из которых — объект контроля.
Метод электрического сопротивления (продолжение 5)
Особенность приборов типа «Caviderm» заключается в существенном влиянии соседних металлизированных отверстий на результаты измерения, поскольку медные трубки в этих отверстиях оказываются включенными параллельно измеряемой. Это делает невозможным контроль качества металлизации отверстий плат, если проводящий рисунок платы получают методом химического стравливания медной фольги, покрывающей заготовку платы с двух сторон (субтрактивный метод) до травления. Именно на этой стадии, после сверления отверстий и металлизации их поверхности, контроль невозможен, но был бы наиболее эффективен.
Метод электрического сопротивления (продолжение 4)
На рис, 2.20 схематически показаны устройство электродов толщиномера и их контакт с трубкой металлизации отверстия. Электроды в виде усеченных конусов, прижимаемых пружиной к торцам металлизированного отверстия, выполняют роль токовых контактов, а врезанные в них по образующим и отделенные от основного тела 1 изолирующими прокладками 2 металлические пластины 5 – роль потенциальных электродов. Благодаря конической форме электроды могут самоцентрироваться в отверстии, обеспечивая равномерный контакт по торцам трубки, что необходимо для снижения погрешности измерения, связанной с неоднородностью поля токов в зоне контактf потенциальных электродов. При неизменном токе I напряжение U прямопропорционально продольному сопротивлению R трубки L.
Метод электрического сопротивления (продолжение 3)
Для неразрушающего контроля применяют приборы, основанные на методе электросопротивления, которыми измеряют сопротивление трубки l из гальванической меди, полученной при металлизации отверстия в диэлектрической плате 2
(рис. 2.19). Пропуская ток вдоль трубки с помощью электрических пружинных контактов, устанавливаемых на ее торцах, измеряют электрическое сопротивление R трубки и, зная диаметр d отверстия, толщину l платы, удельное электрическое сопротивление рм меди, рассчитывают толщину Т. При этом влиянием тонкого слоя металлорезиста 4 на сопротивление трубки пренебрегают, так как удельное электрическое сопротивление этого слоя в несколько раз больше, чем у меди, а на торцевых частях трубки слой металлорезиста оказывает малое влияние на R, поскольку сопротивление этих слоев (толщиной не более 15 мкм) мало по сравнению с сопротивлением трубки, длина которой (не менее 0,5 мм) во много раз превышает толщину двух слоев металлорезиста. Тогда в соответствии с (2.10)
Метод электрического сопротивления (продолжение 2)
Если толщина Т медного слоя меньше 25 мкм, возрастает вероятность отказа электрического соединения, вызванного перегревом в результате прохождения тока при эксплуатации печатного узла, а также из-за постепенного окисления слоя. Слишком тонкий слой меди может быть также разрушен в процессе пайки выводов элементов в отверстии, из-за поперечных разрывов и трещин медного слоя, из-за отрыва от него контактных площадок. Увеличение толщины слоя меди сверх 25 мкм приводит к ухудшению его качества, а также к уменьшению диаметра отверстия. Таким образом, от значения Т зависят качество печатных плат, надежность печатных узлов и, следовательно, всего электронного устройства.
Метод электрического сопротивления (продолжение 1)
Из схемы следует, что переходные сопротивления
Rn и
RT2 токовых контактов 1 в. 2 не влияют на напряжение I/, пропорциональное измеряемому сопротивлению Rx-Очевидно, что
U не зависит от переходных сопротивлений Rпз и Rп4 потенциальных контактов 3 и 49
поскольку в измерительной цепи можно пренебречь током из-за высокого входного сопротивления измерителя напряжения U.
Метод электрического сопротивления (продолжение)
Методы измерения р при известных I и S давно и хорошо известны в физике и электротехнике. Однако значительную конкуренцию контактным методом измерения р составляют бесконтактные вихретоковые методы (см/ гл. 4). Поэтому здесь мы остановимся только на методах и средствах измерения геометрических параметров электропроводящих ОК.
Метод электрического сопротивления
Метод электрического сопротивления основан на регистрации значения электрического сопротивления участка объекта контроля. Этот метод по физическим основам близок электропотенциальному.
Электропотенциальный метод (продолжение 5)
Электропотенциальные приборы позволяют контролировать объекты из любых электропроводящих материалов: сталей, чугунов» цветных металлов и сплавов, графитов. Как уже указывалось, ширина трещины практически не "влияет на точность измерения. Однако ее длина должна не менее чем в три раза превышать глубину. В противном случае изменяется картина поля: заметное влияние оказывают составляющие тока, охватывающие края трещины» Поэтому не могут быть измерены геометрические параметры таких дефектов, как поры? раковины, объемные включения.
Электропотенциальный метод (продолжение 4)
Измерители глубины трещин, содержат источник стабилизированного постоянного, переменного или импульсного тока (обычно 0,3…20 А), усилитель, детектор (для переменного и импульсного тока) и индикатор (аналоговый или цифровой). Частота переменного тока или частота повторения импульсов тока 1… 1,5 кГц, диапазон измерения глубины трещин 0,1…120 мм. Погрешность измерения глубины трещин 10…20%. Метрологическое обеспечение базируется на применении аттестованных контрольных образцов с искусственными дефектами. Для поверки в некоторых приборах применяют также электрические имитаторы трещины в виде калибровочных электрических цепей, создающих образцовый сигнал приборы применяют для измерения глубины трещин, обнаруженных магнитопорошковыми, вихретоковыми и другими средствами НК, имеющими низкие пороги чувствительности, но не позволяющими достоверно судить о глубине дефектов. Поэтому измерители глубины трещин применяют обычно в сочетании с соответствующими дефектоскопами других видов. Ими пользуются для контроля состояния трубопроводов, работающих под давлением, энергетического и транспортного оборудования (рис, 2.16). Другая важная область применения — количественное изучение процесса роста трещин при усталостных, прочностных и других видах испытаний материалов и изделий.
Электропотенциальный метод (продолжение 3)
При контроле с помощью трех-электродных зондов используется и четырех-электродный зонд 1
(рис. 2.14), входящий в комплект
Электропотенциальный метод (продолжение 2)
Конструкции электродов (или щупов) разнообразны, что „позволяет выбрать наиболее подходящий вариант для контроля конкретных объектов. Обычно электроды размещаются в головке (зоне), соединенной кабелем с электронным блоком (рис. 2.14). Для хорошего контакта с поверхностью ОК электроды заостряют и подпружинивают. При установке зонда на поверхность ОК оператор сжимает пружину, надавливая на держатель зонда.
Электропотенциальный метод (продолжение 1)
В случае плоской электромагнитной волны толщина скин-слоя, определяется известным выражением
Электропотенциальный метод (продолжение)
На рис. 2.12 показаны линии равных значений плотности тока (сплошные) и линии равных значений электрического потенциала (штриховые), называемые эквипотенциалями, которые взаимно ортогональны, Из сопоставления картин поля рис. 2.12, а, б следует, что трещина в сплошной проводящей среде, ориентированная поперек изолиний плотности тока, вызывает искажение изолиний плотности тока и эквипотенциалей. Это можно обнаружить, измеряя разность потенциалов между двумя точками на поверхности с помощью потенциальных электродов 3 и 4 расстояние между которыми фиксировано. Очевидно, что степень искажения эквипотенциалей зависит от глубины трещины Л, поэтому разность потенциалов
U между потенциальными электродами определяется значением А. Разность потенциалов
U зависит также от ширины трещины, тока источника, удельной электрической проводимости а
материала и геометрических параметров ОК. Влияние ширины трещины проявляется при отношении ее ширины к глубине, большем 0,1. На практике это отношение меньше 0,1, поэтому влиянием изменения ширины трещины можно пренебречь. Если контроль осуществляется на переменном токе, то разность потенциалов зависит также от круговой частоты ω тока и абсолютной магнитной проницаемости μа материала ОК вследствие скин-эффекта. Последний проявляется в уменьшении глубины проникновения б электромагнитного поля в ОК с повышением частоты со. Это позволяет исключить влияние толщины ОК на показания прибора, так как контуры тока сосредоточиваются в поверхностном слое (скин-слой; от англ. sceen – шкура). Влияние скин-эффекта иллюстрирует рис. 2.13.
Электропотенциальный метод
Электропотенциальный метод основан на регистрации распределения электрического потенциала по поверхности ОК. Распределение потенциала определяется свойствами ОК, проводящего электрический ток, создаваемый внешним источником. Метод используется главным образом для дефектоскопии электропроводящих объектов, в частности для измерения глубины трещин.
Электроемкостный метод (продолжение 13)
Электроемкостные преобразователи широко применяют для измерения влажности различных материалов по значениям εг, поскольку диэлектрическая проницаемость воды отличается от диэлектрической проницаемости большинства пластмасс, композитов, текстиля, зерна, угля и других материалов. Так, для свободной (гигроскопической) воды
εг~80, а для названных материалов вг не превышает 10. Однако вода может содержаться в материале и в другом виде. Диэлектрическая проницаемость воды, абсорбируемой (поглощаемой) в виде монослоя, равна 2,5; при электрической поляризации влажной гетерогенной (однородной) среды значение εт этой среды может быть более 80, что необходимо учитывать при измерении влажности.
Электроемкостный метод (продолжение 12)
Для измерения ег и tg6n применяют приборы, разработанные в Институте механики полимеров АН Латвии под руководством . проф. И. Г. Матиса.
Электроемкостный метод (продолжение 11)
Электроемкостный метод эффективен для измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях в тех случаях, когда толщина основания мала и применение вихретокового или магнитного контроля затруднительно из-за влияния толщины основания на результаты измерения» Такие задачи возникают при контроле толщины лаков или пластиков на поверхности упаковочных банок и тюбиков. Электроемкостным методом можно также измерять параметры вибрации и смещения электропроводящих ОК относительно преобразователя.
Электроемкостный метод (продолжение 10)
Проходные преобразователи применяют для измерения диаметра тонкой металлической проволоки, толщины металлических лент, а также диэлектрических нитей, волокон и пленок [5]. Используются преобразователи, показанные на рис.. 2.6. Для примера приведем технические характеристики прибора ПИД-1 Барнаульского филиала ОКБ автоматики, имеющего преобразователь, типа рис. 2.6, б и автогенераторную схему.
Электроемкостный метод (продолжение 9)
Преобразователь типа представленного на рис. 2.8, а используется в толщинометре CL-230 японской фирмы «Ono Sokki», предназначенном для измерения толщины пластмасс, керамики, стекла и других диэлектриков в виде пленки, листов, полос и дисков диаметром более 6 мм. Прибор укомплектован набором преобразователей диаметром от 6 до 40 мм, позволяющих измерять толщину Т=0…5 мм. Погрешность измерения толщины ±0,25% предела измерения. Так, для преобразователя на диапазон 0…0,2 мм погрешность составляет ±0,5 мкм, а на диапазон 0…5 мм погрешность ±12,5 мкм. Работой прибора управляет микропроцессор.
Электроемкостный метод (продолжение 8)
Толщину диэлектрических линейно протяженных объектов измеряют бесконтактным способом с помощью двух электродов, между которыми существует зазор h, в который вводят ОК (рис. 2.8).
Электроемкостный метод (продолжение 7)
Электроемкостный метод (продолжение 6)
На рис. 2.6 показаны схемы расположения электродов проходных преобразователей. Схемы, в которых ОК 3 соединен электрически с одним из электродов или сам служит электродом (рис. 2.6, в, г), применимы только для контроля электропроводящих объектов, а остальные – для любых. Кроме двух основных электродов (высокопотенциального 1 и низкопотенциального 2) в некоторых случаях
Электроемкостный метод (продолжение 5)
Очевидно, что вблизи экстремума зависимость от величины
h выражена слабо, что позволяет соответствующим выбором геометрических параметров преобразователя значительно уменьшить его чувствительность к зазору или неровностям поверхности, влияющим на емкость преобразователя так же, как зазор.
Электроемкостный метод (продолжение 4)
Для изменения глубины зоны контроля, а также для ослабления влияния неровностей поверхности на результаты контроля применяют накладные преобразователи
с переключаемыми электродами.
На рис. 2.4 представлены схема расположения электродов такого преобразователя на поверхности ОК и силовые линии электрического поля, для двух вариантов соединения электродов. Коммутация электродов позволяет реализовать меньшую глубину зоны контроля в положении а
переключателя (сплошные силовые линии) и большую глубину в положении б переключателя (штриховые силовые линии). В первом случае получают три параллельно включенных конденсатора с малым расстоянием между электродами в каждом из них, во втором – один конденсатор с большим расстоянием между электродами. При этом каждый электрод измерительного конденсатора во втором случае состоит из трех соединенных между собой электродов конденсатора, соответствующего первому случаю. Следовательно, площадь электродов в обоих случаях неизменна, что обеспечивает одинаковую чувствительность преобразователя в обоих случаях.
Электроемкостный метод (продолжение 3)
Для реальных конструкций емкостных преобразователей при точном определении их параметров необходимо учитывать паразитные емкости выводов и элементов крепления электродов, соединительных проводов и др., что весьма затруднительно. Устранить влияние паразитных емкостей на результат измерения можно, сравнивая значения емкости преобразователя без ОК и с ОК. В первом случае полная емкость преобразователя
Электроемкостный метод (продолжение 2)
Электроемкостный метод (продолжение 1)
В накладных преобразователях
роль электродов выполняют прямоугольные, круговые и кольцеобразные металлические пластины, накладываемые на поверхность ОК. На рис. 2.2 показаны схематически расположение электродов накладных преобразователей на поверхности (Ж и силовые линии электрического поля в (Ж (штриховые линии). Преобразователь с гибкими электродами может быть выполнен на основе бумажной ленты с нанесенными на нее электродами в виде полос из металлической фольги толщиной 5… 10 мкм. В бумажной ленте сделаны отверстия для контактирования с электродами. Электроды с помощью вазелина притираются к поверхности ОК. Электрическая емкость между электродами определяется их геометрическими параметрами, диэлектрической проницаемостью материала ОК, а также диэлектрической проницаемостью окружающей среды (верхнего полупространства). При этом предполагается, что толщина ОК и размеры свободного пространства над электродами значительно превышают глубину зоны контроля, т. е. глубину области, в которой действует электрическое поле электродов. Тогда комплексная емкость первичного преобразователя, учитывающая не только реактивную, но и активную составляющую тока между электродами, обусловленную активными потерями в неидеальном диэлектрике.
Электроемкостный метод (продолжение)
Типы и конструкции первичных преобразователей» По взаимному расположению ОК и электродов все первичные преобразователи можно разделить на накладные и проходные. Электроды Накладных преобразователей расположены с одной стороны ОК, электроды проходных охватывают ОК с разных, сторон. Накладные преобразователи используют чаще всего для контроля объектов с плоскими поверхностями, а проходные – для контроля линейно протяженных объектов (проволока, пряжа, волокна). Особый тип представляют преобразователи для контроля жидких и сыпучих материалов. Обычно они выполняются в виде погружаемых в контролируемую среду электродов (рис. 2.1, а – в) либо в виде сосудов, заполняемых контролируемой средой (рис. 2.1, г). Такие преобразователи используют для измерения состава, влажности, дисперсности (степень раздробления на частицы) сыпучих материалов: формовочных смесей, зерна и др.
Электроемкостный метод
Физические основы. Метод базируется на регистрации электрической емкости и/или тангенса угла диэлектрических потерь первичного преобразователя в виде электрического конденсатора, в состав которого входит ОК или его часть. Если ОК диэлектрический (пластик, композит, бумага и т. д.), то электрическое поле в нем создается электроемкостным преобразователем (конденсатором), обкладки которого подключают к генератору переменного напряжения. Если же ОК электропроводящий, например металлическая проволока, или содержит диэлектрические слои на электропроводящей основе, то одной из обкладок электроемкостного преобразователя может служить сам ОК либо его электропроводящая основа. Возможно также размещение электропроводящего ОК между обкладками специального электроемкостного преобразователя.
Классификация методов электрического контроля (продолжение)
В качестве регистрируемых при контроле электрических параметров ОК используют электрическое сопротивление
R, электрический ток I, электрическую емкость С, относительную диэлектрическую проницаемость ε, тангенс угла диэлектрических потерь tg σ, . контактную термоэдс
Ei.
Классификация методов электрического контроля
Электрический неразрушающий контроль основан на регистрации электрических полей и электрических параметров объекта контроля. Обычно при этом виде НК объект контроля или его часть помещают в постоянное или переменное электрическое, поле, создаваемое между электродами, контактирующими с электропроводящим (Ж (электропотенциальный метод), либо между обкладками электрического конденсатора, диэлектриком которого служит ОК (электроемкостный метод). Электрическое поле в ОК может создаваться также путем электризации ОК трением (трибоэлектрический метод). Фиксируя тем или иным способом параметры электрических полей в ОК либо параметры электрических цепей, включающих ОК или их части, можно судить о свойствах или состоянии ОК. Для регистрации используют топографию электрического поля, например изменения эквипотенциальных поверхностей или линий, либо такой электрический параметр, как разность потенциалов между двумя точками, находящимися на фиксированном расстоянии одна от другой.
Метод высокочастотной фотографии (продолжение 2)
Применение разрядно-оптического преобразователя позволяет исключить длительный процесс получения фотоизображения. Дальнейшее совершенствование преобразователя привело С. Ф. Романия и В. В. Бурминова к созданию дефектоскопа ДИВ-ВИДЕО, в котором оптическое излучение, вызванное электрическим разрядом, воздействует на слой электролюминофора, нанесенный на стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим покрытием, которое подключено к высоковольтному генератору. Изображение, полученное с помощью слоя электролюминофора, передается по волоконно оптической линии на мишень видикона телекамеры, сигналы которой преобразуются в изображение на экране телевизора, увеличенное до шести раз. Диапазон толщин ОК 0,5… 5 мм, диаметр зоны контроля не менее 30 мм.
Метод высокочастотной фотографии (продолжение 1)
Предприняты попытки количественного анализа характеристик высокочастотного разряда между поверхностью ОК и электродами. Для этой цели С. Ф. Романием и В. А. Карамушко разработан опытный образец импульсного высокочастотного дефектоскопа ДИВ-1. Его основу составляет разрядно-оптический преобразователь, представляющий обкладку с прозрачным электродом и разрядным промежутком толщиной 50 мкм, сформированным со стороны проводящего слоя электрода. Возникающий электрический разряд между поверхностью ОК и прозрачным электродом сопровождается оптическим излучением, которое по световоду длиной 1 м передается на фотокатод фотоэлектронного умножителя, устанавливаемого в электронном блоке прибора. Сигнал с выхода умножителя усиливается и поступает на индикатор. Таким образом, возникает возможность количественной оценки интенсивности разряда при сканировании поверхности ОК преобразователем. По изменению показаний индикатора можно обнаружить зоны непроклея площадью 10 мм2 между металлом и стеклопластиком толщиной 6 мм, а также контролировать с погрешностью ±5% содержание каучука, пропитывающего органическую ткань.
Метод высокочастотной фотографии (продолжение)
На установке исследовалась возможность контроля различных диэлектрических объектов: многослойных пластин из стеклотекстолита, органических тканей с пропиткой каучуком. Исследования показали, что фотослой с разной степенью почернения выявляет воздушные включения размером 4 мм и более при. толщине ОК, равной 10 мм. .При уменьшении толщины ОК минимальные размеры обнаруживаемых включений снижаются до 1… 5 мм. При этом, если диэлектрическая проницаемость включения больше проницаемости OK, оно отображается более темной относительно фона областью, а если наоборот, то светлой. При контроле пропитанной каучуком ткани обнаруживается разная степень пропитки.