一种基于趋肤效应电阻过剩噪声的无损检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及导体材料的无损检测技术领域，特别涉及一种基于趋肤效应电阻过剩 噪声的无损检测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 金属材料失效的问题关系到国家和人民生命财产安全;也关系到产品质量、生产 和服务水平。无论是空难、还是列车出轨，很多事故都由金属材料失效引起，要减少此类事 故，就必须采用有效手段掌控金属失效状况。
[0003] 金属的各种失效中断裂的危害最大，断裂大多由疲劳引起，疲劳的主要现象是裂 纹，而裂纹更容易出现在材料的表面。可见，观测"裂纹"特别是表面裂纹是研究金属失效的 重点。电子显微镜、金相显微镜等是普遍采用的研究金属裂纹的工具，但是它们都是有损检 测方法，除非是为了研究，对金属裂纹的检测只能是无损检测。
[0004] 目前常用的金属裂纹无损检测方法有渗透、磁粉、涡流、超声、射线等分析方法，进 展较快的正在完善中的无损检测方法有磁记忆、红外、声发射、激光等分析方法。但这些方 法都是针对样品局部区域的检测方法，不能把握材料的整体老化程度，因此，完善和研究新 的金属裂纹无损检测方法具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是提供一种基于趋肤效应电阻过剩噪声的无损检测系统及方法，解决 现有技术中存在的上述问题。
[0006] 电流通过电阻后会产生大于电阻白噪声的噪声，称为过剩噪声，过剩噪声的幅度 与频率成反比，也叫Ι/f噪声。过剩噪声与材料的缺陷有密切联系，因为材料不连续，将导致 导电颗粒之间或裂纹间微小放电，故材料不连续，如有裂纹时过剩噪声大;金属材料由于导 电晶粒密集且连续，过剩噪声会很小，但一旦出现了裂纹，特别是整体出现了大量裂纹，导 电不再连续，裂缝间放电的物理规律不可避免的会发生作用，过剩噪声必然变大。
[0007] 但由于大多数的疲劳裂纹起源于表面，而表层只占有效导电截面的很少部分，电 流容易从很大的内部截面流过，一般很难观测到过剩噪声异常。趋肤效应是指导体传输交 流电流时，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象，随着激励信号源频 率的提高，在趋肤效应作用下在样品外表面形成等效导电薄膜，样品表层损伤裂纹能导致 该等效导电薄膜的等效电阻的过剩噪声升高；因此，趋肤效应作用下的过剩噪声的大小能 够有效表征样品的裂纹损伤。
[0008] 电阻噪声包括白噪声和过剩噪声，由于过剩噪声的幅度与频率成反比；在低频段 过剩噪声大，电阻噪声成份大部分为过剩噪声;故，低频段测量所得的电阻噪声可近视为过 剩噪声。因此，本发明用低频过剩噪声表征样品的裂纹损伤。
[0009] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0010] -种基于趋肤效应电阻过剩噪声的无损检测系统，包括激励信号源、电流馈电点、 过剩噪声采样点和过剩噪声测量模块；
[0011] 所述电流馈电点，其分别设置在待测样品和比对样品的测试部位的两端；
[0012] 所述过剩噪声采样点，其设置在所述测试部分的两个电流馈电点内侧，每个过剩 噪声采样点与之同侧的电流馈电点之间间隔预设距离；
[0013] 所述激励信号源，其用于与电流馈电点电连接，分别为待测样品和比对样品提供 交流电；
[0014] 所述过剩噪声测量模块，其用于与过剩噪声采样点电连接，分别测量待测样品和 比对样品的低频过剩噪声；
[0015] 所述比对样品为与所述待测样品型号相同的工件。
[0016] 本发明的有益效果是:将激励信号源的频率设置为预设高频频率，通过过剩噪声 测量模块分别测量待测样品和比对样品的低频过剩噪声；比较待测样品和比对样品的低频 过剩噪声大小，如待测样品的低频过剩噪声大于比对样品的低频过剩噪声，则待测样品的 裂纹损伤较比对样品的裂纹损伤严重;反之，则待测样品的裂纹损伤较比对样品的裂纹损 伤轻。将激励信号源的频率分别设置为不同频率，测量一定强度，不同频率下待测样品和比 对样品的低频过剩噪声，分别生成待测样品和比对样品的低频过剩噪声与频率的关系曲 线，并比较两条关系曲线的二阶导数极大值点对应的频率大小，如待测样品关系曲线的二 阶导数极大值点对应的频率小于比对样品关系曲线的二阶导数极大值点对应的频率，则待 测样品的裂纹统计平均深度较比对样品的裂纹统计平均深度深;反之，则待测样品的裂纹 统计平均深度较比对样品的裂纹统计平均深度浅。本发明不仅可获知待测样品的裂纹损伤 程度情况，而且可获知待测样品的裂纹统计平均深度情况;并且，检测时直接将样品与电流 馈电点和过剩噪声采样点连接，不需要进行样品处理，不受样品形状和空间位置的限制，操 作快捷、方便;从整体全局上检测样品的疲劳程度，不需要逐点逐区检测，节约时间和成本。 并且，如果比对样品为待测样品上任一部位，待测样品的测试部位包含所述任一部位，如果 待测样品的低频过剩噪声较比对样品的过剩噪声有显著增大，可获知待测样品的测试部位 排除所述任一部位的区域存在较显著裂纹损伤。
[0017] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0018] 进一步，所述激励信号源为交流电流源或串联有大电阻的交流电压源;其中，所述 大电阻的阻值为所述测试部位的阻值的lOilO 7倍。
[0019] 进一步，所述过剩噪声测量模块为分析频率0 . ΙΗζ-Ι0Hz，时间常数0.3S-30S的锁 相放大器;为依次电连接的O.lHz-lOHz区间的带通滤波器、放大器和采样卡;为依次电连接 的0.1Ηz-10Ηζ区间的带通滤波器和交流伏特计;为依次电连接的0.1Ηz-10Ηζ区间的带通滤 波器和示波器;为依次电连接的O.lHz-lOHz区间的带通滤波器、放大器和交流伏特计，为合 并有0. ΙΗζ-Ι0Hz区间的带通滤波器的放大器;为依次电连接的0. ΙΗζ-Ι0Hz选频放大器和示 波器;为依次电连接的〇 . ΙΗζ-Ι0Hz选频放大器和记录仪;为依次电连接的0. ΙΗζ-Ι0Hz选频 放大器和交流伏特计;或为频谱仪。
[0020] 采用上述进一步方案的有益效果是，采用现有的实验仪器即可方便准确获知过剩 噪声的大小。
[0021] 进一步，所述锁相放大器的分析频率为5Hz，时间常数为1S。
[0022] 采用上述进一步方案的有益效果是，能够有效兼顾测试的灵敏度、稳定性和速度。
[0023] 进一步，所述电流馈电点和过剩噪声采样点分别采用电夹、冷压、螺钉或焊接方式 设置，所述预设距离的取值范围为O.lmm-lOmm。
[0024] 进一步，所述激励信号源还串联有薄膜电容，所述薄膜电容的电容值大于2.2yF， 耐压值大于50V。
[0025] 采用上述进一步方案的有益效果是，薄膜电容能够有效过滤激励信号源的低频过 剩噪声，以防激励信号源的低频过剩噪声对待测样品和比对样品的低频过剩噪声的测量准 确性的影响。
[0026]本发明的另一技术方案如下：
[0027] -种基于趋肤效应电阻过剩噪声的无损检测方法，采用上述一种基于趋肤效应电 阻过剩噪声的无损检测系统，包括如下步骤：
[0028] 步骤1，将激励信号源的频率设置为预设高频频率，通过过剩噪声测量模块分别测 量待测样品和比对样品的低频过剩噪声；
[0029] 步骤2,比较待测样品和比对样品的低频过剩噪声大小，如待测样品的低频过剩噪 声大于比对样品的低频过剩噪声，则待测样品的裂纹损伤较比对样品的裂纹损伤严重;反 之，则待测样品的裂纹损伤较比对样品的裂纹损伤轻。
[0030] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0031] 进一步，所述步骤1的具体实现中过剩噪声测量模块分别测量待测样品和比对样 品的低频过剩噪声是采用多次测量求平均值的方法，采样统计时间设置在10S-3000S之间。
[0032] 采用上述进一步方案的有益效果是，采用多次测量求平均值的方法，能够有效减 小测量误差，采样统计时间设置在10S-3000S之间，能够有效兼顾测试准确性和速度。
[0033] 进一步，所述过剩噪声测量模块分别测量待测样品和比对样品的低频过剩噪声的 测量过程中，保持温度变化小于1°C。
[0034] 采用上述进一步方案的有益效果是，有效避免温度变化所带来的低频过剩噪声测 量误差。
[0035] 进一步，还包括步骤3,将激励信号源的频率分别设置为不同频率，采用与步骤1相 同的测量方式测量所述不同频率下待测样品和比对样品的低频过剩噪声，分别生成待测样 品和比对样品的低频过剩噪声与频率的关系曲线，并比较两条关系曲线的二阶导数极大值 点对应的频率大小，如待测样品关系曲线的二阶导数极大值点对应的频率小于比对样品关 系曲线的二阶导数极大值点对应的频率，则待测样品的裂纹统计平均深度较比对样品的裂 纹统计平均深度深;反之，则待测样品的裂纹统计平均深度较比对样品的裂纹统计平均深 度浅;其中，所述不同频率的取值覆盖从低频到高频的一定范围。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明一种基于趋肤效应电阻过剩噪声的无损检测系统激励信号源为交流 电流源的电路示意图；
[0037] 图2为本发明一种基于趋肤效应电阻过剩噪声的无损检测系统激励信号源为串联 有大电阻的交流电压源的电路示意图；
[0038] 图3为本发明一种基于趋肤效应电阻过剩噪声的无损检测方法中低频过剩噪声与 频率的关系曲线不意图。
【具体实施方式】
[0039] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0040] 如图1和图2所示，一种基于趋肤效应电阻过剩噪声的无损检测系统，包括激励信 号源5,6、电流馈电点3、过剩噪声采样点4和过剩噪声测量模块；
[0041] 所述电流馈电点3,其分别设置在待测样品1和比对样品2的测试部位的两端；
[0042] 所述过剩噪声采样点4,其设置在所述测试部分的两个电流馈电点3内侧，每个过 剩噪声采样点4与之同侧的电流馈电点3之间间隔预设距离；
[0043] 所述电流馈电点3和过剩噪声采样点4分别采用电夹、冷压、螺钉或焊接方式设置， 所述预设距离的取值范围为〇. Imm-lOmm。
[0044] 所述激励信号源5,6,其用于与电流馈电点3电连接，分别为待测样品1和比对样品 2提供交流电；所述激励信号源5，6还串