Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Неразрушающий контроль. В 2 частях. Ч.2. Неразрушающий контроль в управлении качеством с применением мехатронных систем. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
К. П. ЛАТЫШЕНКО, А. А. ЧУРИКОВ, С. В. ПОНОМАРЕВ,
Г. В. МОЗГОВА, Н. А. КОНЫШЕВА
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
В двух частях
Часть 2. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
В УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМ
С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия
для студентов бакалавриата направлений 27.03.02 «Управление качеством»,
15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и студентов магистратуры
направления 15.04.06 «Мехатроника и робототехника»
Учебное электронное издание
комплексного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2017
1
УДК 536.2(075.8)
ББК ж102.3я73+Á32я73
Н54
Рецензенты:
Доктор технических наук,
заведующий лабораторией № 10 ФГБНУ «ВНИИТиН»
А. И. Петрашев
Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «ТГТУ»
П. С. Беляев
Кандидат технических наук, ведущий математик АО «ТНИИР «Эфир»
С. Н. Мочалин
Н54
ISBN 978-5-8265-1679-9 (ч. 2)
ISBN 978-5-8265-1553-2 (общ.)
2
Неразрушающий контроль [Электронный ресурс] : учебное пособие
для студентов бакалавриата направлений 27.03.02 «Управление качеством», 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и студентов магистратуры
направления 15.04.06 «Мехатроника и робототехника» : в 2 ч. Ч. 2. Неразрушающий контроль в управлении качеством с применением мехатронных
систем / К. П. Латышенко, А. А. Чуриков, С. В. Пономарев, Г. В. Мозгова,
Н. А. Конышева. – Тамбов : Изд-во ФГБО
У ВО «ТГТУ», 2017. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса
Pentium II ; CD-ROM-дисковод ; 26,0 Mb RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. –
Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-1553-2.
Ч. 2: Неразрушающий контроль в управлении качеством с примене-
нием мехатронных систем. – 2017. – 100 экз.
ISBN 978-5-8265-1679-9
Описаны виды и методы контроля качества и испытаний промышленной продукции, приведены физические основы методов неразрушающего контроля, схемы
устройств и методы измерений. Изложены основные разделы дисциплин «Методы и
средства измерений, испытаний и контроля», «Информационно-сенсорные системы
и устройства в мехатронике и робототехнике», «Информационные системы в мехатронике», «Неразрушающий контроль» в соответствии с требован
ных государственных образовательных стандартов.
Предназначено для студентов бакалавриата направлений 27.03.02 «Управление качеством», 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и студентов магистратуры направления 15.04.06 «Мехатроника и робототехника».
УДК 536.2(075.8)
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
ББК ж102.3я73+Á32я73
иями Федера
ль-
ВВЕДЕНИЕ
В предлагаемой Вашему вниманию второй части учебного пособия
приведены сведения об электрических, вихретоковых, радиоволновых,
оптических и радиационных методах и средствах неразрушающего контроля (НК) и испытаний.
В первой главе «Электрические методы и средства контроля» рассмотрены теоретические и практические основы: электроёмкостного,
электропотенциального, термоэлектрического, электроискрового, трибоэлектрического и электрографического методов и средств нер
го конт
роля.
Во второй главе «Вихретоковые методы и средства контроля» приведены теоретические и практические аспекты принципа действия: источников электромагнитного поля в виде одной или двух индуктивных катушек и их взаимодействия с объектами контроля; вихретоковых дефектоскопов на основе абсолютных или дифференциально-трасформаторных
преобразователей (ВТП); проходных, погружных и экр
накладных ВТ
П с круглой катушкой; накладных локальных ВТП; схем
приборов, реализующих амплитудный, амплитудно-частотный и автогенераторный способы выделения информации; вихретоковых толщиномеров, структуроскопов и металлоискателей; импедансный метод, применяемый для выявления дефектов типа непроклея, расслоения и аномалии
плотности композиционных и сотовых материалов; ударный метод, используемый для э
кспресс-кон
троля больших площадей сотовых материалов.
В третьей главе «Радиоволновые методы и средства контроля» рассмотрены теоретические основы принципа действия и работы методов и
средств неразрушающего контроля, базирующихся на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний с частотами от нескольких герц и до 3⋅10
12
Гц (радиоволн) в процессе их взаимодействия с объ-
ектом контроля, в том числе: радиоволновый контроль по прошедшему
излучению, резонансный метод радиволнового контроля, амплитуднофазовый метод измерения толщины, импедансный метод СВЧ, частотный
фазовый метод, поляризационный метод дефектоскопии, метод поверхностных волн, радарные уровнемеры, принцип действия и технические
характеристики отечественных георадаров.
азрушающе-
анных ВТП;
3
В четвёртой главе «Оптические методы контроля» приведены теоретические и практические аспекты применения оптического излучения
(в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра) для решения задач НК показателей качества веществ, материалов и изделий.
В пятой главе «Радиационные методы и средства контроля» обсуждаются принципы действия методов и средств неразрушающего контроля,
основанных на рег
страции альфа-частиц, бета-частиц, гамма-излучения
и
и медленных нейтронов после взаимодействия радиоактивного излучения
с объектом контроля. Рассмотрены радиографический метод, электрорентгенографический метод, метод нейтронной радиографии, метод радиационной интроскопии, радиометрический метод радиационного НК,
рентгеновские и радиоактивные измерители толщины материалов, электронные микроскопы, рентгенофлуоресцентный метод анализа, метод
ядерного магнитного р
езонанса (ЯМР),
метод компьютерной томографии.
Учебное пособие будет полезно студентам бакалавриата, магистратуры, аспирантам, инженерам и специалистам промышленных предприятий, а также сотрудникам научно-исследовательских учреждений, специализирующимся в областях проектирования, разработки, практического
применения и исследования методов и средств, предназначенных для неразрушающего контроля (и испытаний) показателей качества материалов,
образцов и изделий.
4
Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ
Электрические методы НК основаны на регистрации электрических
полей и электрических параметров ОК.
Электрическое поле – частная форма проявления (наряду с магнитным полем) электромагнитного поля, определяющего действие на электрический заряд со стороны поля силы, не зависящей от скорости движения заряда.
По своим электрическим свойствам все вещества разделяют на про-
–14
рики.
S, молекулы или
2
6
–12
…10
См/м) (Сименс, E. Siemens – немец-
…108 См/м) и
водники, п
олупроводники и диэлект
В проводниках электрические заряды могут перемещаться под действием электрического поля.
В отличие от проводников вещества, плохо проводящие электрический ток, называют диэлектриками (англ. dielectric, от греч. δια – через,
сквозь и англ. electric – электрический). Термин «диэлектрик» был введён
Фарадеем (M. Faraday – английский физик, 1791 – 1867) для обозначения
веществ, в которые проникает электрическое поле. Под действием элек-
ого то
трическ
ка в диэлектриках происходит упругое смещение разно-
имённых зарядов, т.е. поляризация.
Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи. Например, в ионных кристаллах (NaCl и др.) поляризация является результатом сдвига ионов (от греч. ιον – идущий) друг относительно друга (ионная поляризация) и деформации электронных оболочек
х ионов (электронная поляризация).
отдельн
ы
В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз) поляризация
обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих
химическую связь.
В полярных диэлектриках, например твёрдый H
радикалы представляют собой диполи. Диполь (от греч. δι – приставка,
означающая дважды, двойной и πολοσ – полюс) – совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов.
Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками за-
упроводники. Полупроводники – обширный класс веществ, харак-
нимают по
л
теризующийся значениями удельной электрической проводимости (УЭП) χ,
промежуточными между проводимостью металлов (χ = 10
хороших диэлектриков (χ = 10
кий электротехник и промышленник, 1816 – 1892).
5
Различают следующие методы (ГОСТ 2535–82) электрического НК:
– термоэлектрический, регистрирующий величину термоЭДС, воз-
никающую при контакте нагретого образца известного материала с ОК;
– трибоэлектрический, основанный на регистрации величины элек-
трических зарядов, возникающих в ОК при трении разнородных материалов;
– электропотенциальный, регистрирующий распределение потен-
циалов по поверхности ОК;
– электроёмкостный, основанный на регистрации ёмкости участка ОК;
еский
– электростатич
порошковый, основанный на регистрации
электрических полей рассеяния с использованием в качестве индикатора
неэлектризованного порошка;
– электропараметрический, при котором регистрируют электриче-
ские характеристики ОК;
– электроискровой, основанный на регистрации возникновения
электрического пробоя и(или) изменений его параметров в окружающей
ОК среде или на его участке;
– рекомбинационного излучения, основанный на регистрации реком-
ионного излучения р-п-переходов в полупроводниковых изделиях;
ц
бина
– экзоэлектронной эмиссии, основанный на регистрации экзоэлектронов, эмитированных поверхностью контролируемого объекта при приложении к нему внешнего стимулирующего воздействия;
– контактной разности потенциалов, основанный на регистрации
контактной разности потенциалов на участках ОК, через который пропускается электрический ток.
р
Кроме того, известен метод визуализации и фотог
афирования
в электромагнитных полях высокой напряжённости.
В электрических методах НК изделие помещают в постоянное или
переменное электрическое поле, создаваемое между электродами, контактирующими с электропроводящим ОК (электропотенциальный метод),
либо между обкладками электрического конденсатора, диэлектриком которого служит изделие (электроёмкостный метод). Электрическое поле
в ОК может создаваться также путём электр
изации изделия тр
ением (трибоэлектрический метод). Фиксируя тем или иным способом параметры
электрического поля в ОК, либо параметры электрических цепей, включающих весь объект или его часть, можно судить о свойствах или состоянии изделия. Для регистрации параметров этого поля используют топографию электрического поля, например изменения эквипотенциальных
й электрический параметр, как раз-
поверхностей или линий, либо так
о
ность потенциалов между точками, находящимися на фиксированном расстоянии друг от друга.
В качестве регистрируемых при контроле электрических параметров
ОК применяют: электрическое сопротивление R, электрический ток I,
электрическую ёмкость С, относительную диэлектрическую проницаемость (ДП) ε
6
, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, термоЭДС Е.
r
Для контроля конкретных объектов выбирают один параметр или их
совокупность, коррелированных с контролируемыми параметрами объекта. Например, ДП ε
связана с соотношением компонентов гетерогенных
r
(от греч. ηετερογενεσ – разнородный) сред, что позволяет определять коэффициент армирования (укрепления) композиционного материала (КМ).
Электроёмкостный метод базируется на зависимости электрической ёмкости и(или) тангенса угла диэлектрических потерь первичного
измерительного преобразования (ПИП) в виде электрического конденсатора от информативного параметра ОК. Если ОК выполнен из диэлектрика (пластик, бумага, комп
озит и т
.д.), то электрическое поле в нём создаётся электроёмкостным преобразователем (конденсатором), обкладки
которого подключают к генератору переменного напряжения. Если же ОК
электропроводящий, например металлический, или содержит диэлектрические слои на электропроводящей основе, то одной из обкладок электроёмкостного преобразователя может служить само изделие либо его электропров
о
дящая основа. Возможно также размещение электропроводящего
ОК между обкладками конденсатора.
Информативными параметрами электроёмкостного ПИП являются
электрическая ёмкость С и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ.
С ними коррелируют различные характеристики ОК: относительная ДП ε
r
размеры и форма, плотность, состав, влажность, степень полимеризации и
старения полимерных материалов, наличие и размеры нарушений сплошности (пустот, включений), прочность, предел пластичности, внутренние
механические напряжения и т.д.
Степень корреляции информативных параметров емкостного ПИП С
и tgδ с перечисленными параметрами ОК всегда различна. Так, ёмкость С
сильно зависит от ε
, но в то же время значения С зависят от геометриче-
r
ских параметров, влажности, состояния поверхности, степени полимеризации и др. Очевидно, что ёмкость ПИП зависит и от неинформативных
параметров: состава и состояния ОС, например от давления, температуры
и влажности воздуха. Значение тангенса угла диэлектрических потерь
в значительной мере определяется составом и влажностью объ
кта, сте-
е
пенью полимеризации его материала. Поскольку выходные параметры
ПИП С и tgδ зависят от многих параметров ОК, необходимо принимать
меры для выделения информации об измеряемых параметрах.
В зависимости от расположения ОК и электродов ПИП их можно
разделить на накладные и проходные. Электроды накладных датчиков
расположены с одной стороны изделия, а элект
род
ы проходных охватывают его с разных сторон. Накладные преобразователи используют чаще
для контроля объектов с плоскими поверхностями, а проходные – для
,
7
контроля линейно протяжённых объектов (проволока, пряжа, волокна).
−
Обычно их выполняют в виде погружаемых в контролируемую среду
электродов либо в виде сосудов, заполняемых контролируемой средой.
Такие преобразователи используют для измерения состава, влажности,
дисперсности сыпучих материалов.
ДП и тангенс угла диэлектрических потерь материала ОК вычисляют
по формулам:
СС
12
1
=ε
м
r
= (tgδп2 – tgδп1)
tgδ
м
+
С
; (1)
0
⎛
⎜
⎝
⎞
1
, (2)
−
1
⎟
ε
⎠
м
r
где С0 – начальная ёмкость ПИП (без ОК); С1, С2 – ёмкости ПИП без ОК и
с ним (с учётом влияния паразитных ёмкостей); tgδ
диэлектрических потерь без ОК и с ним; ε
– ДП материала изделия.
rм
, tgδп2 – тангенс угла
п1
Для измерения размеров диэлектрических, полупроводниковых и
проводящих объектов применяют накладные и проходные ПИП.
Толщину диэлектрических линейно протяжённых объектов измеряют
бесконтактным способом с помощью двух электродов, между которыми
существует зазор h, куда вводят ОК. Тогда, зная параметры преобразователя S (площадь электродов) и h, а также ε
ренной ёмкости С можно определить толщину изделия
T
где
ε – ДП вакуума.
0
ε
ε=
r
C
Здесь учтено, что толщина воздушного слоя T
материала изделия, по изме-
r
−
ChS
0
, (3)
)ε1(
−
0
= h – T.
в
Аналогично можно определить толщину диэлектрика и в случае
электродов с цилиндрической поверхностью, используя формулы для
ёмкости цилиндрического конденсатора с двухслойным диэлектриком.
Электроёмкостные ПИП для измерения размеров находят применение для измерения диаметра тонкой (до нескольких микрометров) проволоки, текстильных нитей и волокон, толщины диэлектрических, полупроводниковых и проводящих пластин, лент, плёно
к. Во многих случа
ях они
успешно конкурируют с оптическими и вихретоковыми приборами.
Контролируя непрерывно значения параметров ε
и tgδ, можно сле-
r
дить за кинетикой (от греч. κινεσισ – движение) химических процессов,
кристаллизацией, полимеризацией (отверждением), старением, вулканизацией и др.
8
Плотность материала обусловлена его макроструктурой, которая
зависит от числа поляризуемых частиц в единице объёма, также связана
с его диэлектрическими параметрами. Радиопрозрачность как показатель
изменения амплитуды и фазы радиоволны, проходящей через слой материала, зависит от его состава, структуры и толщины. При этом tgδ определяет затухание волны, ε
раметра. По измеренным ε
– фазовый сдвиг, а толщина влияет на оба па-
r
композита можно определить характеристики
r
состава и структуры, например коэффициент армирования и диэлектрические параметры компонентов, используя формулы для вычисления среднего значения ДП гетерогенных систем.
Электроёмкостные ПИП широко применяют для измерения влажности различных материалов по значениям ε
, поскольку ДП воды εr и боль-
r
шинства пластмасс, композитов, текстиля, зерна, угля и других материалов различная. Для свободной (гигроскопической) воды ε
названных материалов ε
не превышает 10.
r
≈ 80, а для
r
ПИП электроёмкостных влагомеров имеют различную конструкцию,
определяемую состоянием контролируемого материала (твёрдый, сыпучий). Диапазон влажности также зависит от возможных значений ε
для
r
конкретных материалов (рис. 1, 2). Так, влажность зерна можно определить в диапазоне 8…35%, бумаги и текстиля – 5…30%, угля – 5…20%,
а диапазон измерений универсальных влагомеров составляет 0…80%.
Погрешность измерения равна 0,3…2,0%.
Электропотенциальный метод основан на регистрации распределения электрического потенциала по поверхности ОК. Распределение потенциала определяется свойствами ОК, проводящего электрический ток,
который создаётся внешним источником. Метод используют главным об-
м для дефектоскопии электропроводящих объектов, в частности, для
о
раз
измерения глубины трещин.
На рисунке 3 показаны электрические поля в электропроводящей
пластине при отсутствии и наличии в ней трещины. С помощью электродов 1 и 2, называемых токовыми и установленных по разные стороны
трещины, глубину которой необходимо измерить, к пластине по
электрически
й ток.
дводят
Рис. 1. Электроёмкостный
влагомер
Рис. 2. Контроль влажности
электроёмкостным влагомером
9
V
0 Vд
1 3 4 2 1 3 4 2
а) б)
Рис. 3. Картины поля в электропроводящем ОК:
а – без трещины; б – при наличии трещины
Вектор плотности тока J в пластине определяется вектором напря-
жённости электрического поля Е и совпадает с ним по направлению:
J = χE. На этом рисунке показаны линии равных значений плотности тока
(сплошные) и линии равных значений электрического потенциала (штри-
ховые), называемые эквипотенциалями, которые взаимно ортогональны.
Из сопоставления картин поля рис. 3, а, б следует, что тр
в пр
оводящей среде, ориентированная поперёк изолиний 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 h, по
циалов U между потенциальными электродами определяется значением h.
Разность потенциалов U зависит также от ширины трещины, тока источника, УЭП χ материала и геометрических параметров ОК. Влияние
ширины трещины проявляется при отношении её ширины к глубине,
большем 0,1. На практике это отношение обычно меньше 0,1, поэтому
влиянием изменения ширины тр
Электропотенциальные измерители глубины трещин позволяют
измерять глубину трещин от 0,1 до 120,0 мм с погрешностью 10…20%.
Они просты в устройстве и эксплуатации, имеют малые габариты, массу
(2…5 кг) и стоимость (рис. 4). Эти приборы почти вне конкуренции,
поскольку возможности УЗ-дефектоскопов в измерении глубины трещин
ограничены, а радиационные дефектоскопы сложнее и требуют би
ческой за
щиты.
На рисунке 5 показан электропотенциальный толщиномер на переменном токе с диапазоном измерений 0,2…100,0 мм.
10
ещины мо
этому разн
жно пренебречь.
ещина
ость потен-
ологи-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]