专利名称：表面裂纹扩展参量测定仪的制作方法
技术领域：
本发明属于测量技术，具体地说，是一种测量表面裂纹参量的仪器。
发明可能广泛应用于结构试验中或结构运行中得以自动测定表面裂纹扩展参量和取得便于进一步处理的信息。它们对研究机器的关键零、部件，以及结构本身，诸如飞机的机翼和机身，火箭的机壳，煤气管道，海船船身，储存各种气体和液体的压力容器等使用的新的结构材料的抗裂性能是非常必须的，就是说，在那些要求准确地、自动地测定表面裂纹长度和裂纹扩展轨迹，并为下一步加工取得这这些参量成比例的电信号的情况下是非常必要的。
已知的表面裂纹参量测定仪有数种类型，有应用光学的、超声波的、电流的，以及应用一些贴在构件上并与构件一起在试验时同时破裂的特殊的变换器。
例如，已知的有一种是采用电视技术测量表面裂纹的仪器(GB，A，2057124)，使用这种仪器进行试验之前，要在测试样品上可能扩展表面裂纹的部位涂上一层专门的漆，然后将样品夹在试验机的夹子上。借助显微镜将样品表面裂纹将要扩展的部位投影到电视摄象机。之后，表面裂纹的图象在专门的电路中转换成电信号，这些信号是由与每个瞬间产生的表面裂纹长度成比例的脉冲序列组成的。仪器具备一些机械调整部件用以移动与电视摄象机相接的光学器件，测量仪还具有一些电子转换器和一些脉冲计数器。
使用这些仪器时，在样品的制备和仪器调整方面都有很大难度，而且为购置价格昂贵的专用设备支付很大。
已知的还有一种测定表面裂纹参量的仪器(DE，A，2745244)，它应用的是一小条导电材料带作的敏感元件，并通过绝缘层固定在试样上。当样品试验时，敏感元件与样品同时在表面裂纹扩展的部位破坏，随着裂纹的扩展，敏感元件的电阻改变，随之测量出它们的阻值。敏感元件有一个复盖住表面裂纹扩展区域的测量区，选择测量区的形状，应当是使它的电阻随表面裂纹加大，以近似线性的关系而增加。测量区对称地对着表面裂纹可能扩展的方向，而进入敏感元件的电流应是流径表面裂纹周围整个测量区的电流。测量敏感元件两个量测电极之间的电压计算出表面裂纹的参量。为了提高输出电压与表面裂纹长度的线性关系，调节决定于辅助电极电压的直流供电电流的数值。
上述仪器使用时必须带有专门的装置，而且当表面裂纹呈直线扩展时，它的线性测量范围约为敏感元件测量区的70%。此外，这种类型的仪器很难直观地监察样品表面上裂纹扩展的情况，而这一点在某些情况下往往是必要的。
有一种最简单，从技术上最接近实际的仪器，为了得到与表面裂纹扩展成比例的电信号，它应用了一种敏感元件，这种敏感元件是一排平行配置的电阻带，其末端连在一起并与测量电路相接(US，A，2986928)。将这种类型的敏感元件贴在试验样品表面可能萌发并进一步扩展表面裂纹的部位。当表面裂纹产生和随着表面裂纹扩展的时候，电阻带连续断裂并导致敏感元件的总电阻改变。测量电阻变化值，就可决定表面裂纹的参量。
但是这种仪器测定表面裂纹参量的精确度很低，这是由于敏感元件电阻的增量小，而且是非线性的，并且在表面裂纹长度大的情况下，由于电阻带过早地损坏，可靠性小了。
本发明的任务是制造这样一种测定表面裂纹扩展参量的仪器，它靠敏感元件设计的实现及其电性能大幅度地提高测量精度，并扩大测量正在扩展的表面裂纹参量的测量范围。
这项任务是这样解决的表面裂纹参量测量仪包括一个敏感元件，它蒸镀在介质衬底上并固定在表面裂纹可能扩展的部位，它由一列电导片组成;测量仪还包括一个与敏感元件电气相接的测量电路。按照发明要求，敏感元件中的电导片的末端由主要连接片电气串联在一起，除此之外，敏感元件还附有辅助连接片，每个辅助连接片直接接在与其对应的主要连接片的对面。
这样就保证了高精度地测量表面裂纹扩展的参量，而且还扩大了它的测量范围。
可以将敏感元件的导电片配置在相同的距离上。
这样就能保证输出电信号的参量与表面裂纹的长度在下一次记录时的正比关系。
可以将导电片之间的距离安排成单调变化的距离。
这样就可以利用敏感元件的形状得到指定的输出信号随表面裂纹长度变化的规律，从而大幅度地简化了下一步的处理工作，并提高了表面裂纹实际长度的测量精度。
最好的办法是单调地变化电导片的宽度。
这样有可能提高敏感元件的可靠性。
使电导片的宽度与电导片之间的距离之比呈一常数值是适宜的。
这样可以提高敏感元件和仪器整体在表面裂纹呈各种长度时的可靠性。
单调地改变电导片的宽度与电导片之间的距离之比是适宜的。
这种办法可以保证敏感元件的电导片在各种长度的表面裂纹时的最佳机械性能。
朝着表面裂纹扩展的方向单调地改变电导片的长度是适宜的。
这样可以降低表面裂纹在扩展时可能超出敏感元件的范围的几率。
在一系列的情况下最好将偶数电导片相对奇数电导片转一个给定的角度。
这样可以测定表面裂纹的顶端在与敏感元件有关的计算系统中的坐标。
主要连接片的电阻与它对面的辅助连接片电阻之差保持一个常数是适宜的。
这样可以大大地提高测量的精度。
基本连接片和其对面的辅助连接片的电阻值差最好是单调变化的值。
这样做可为提出一个输出电信号随表面裂纹长度变化的规律提供了可能性。
对应朝着表面裂纹扩展方的最后一个电导片可以作成具有长臂和短臂形式的分压器。
这样可以提高当它接入测试电路的测量精度。
相对表面裂纹扩展方向的第一个电导片最好接上一个辅助电阻器，而且当电导片的总数为偶数时，辅助电阻器接在分压器的短臂一侧，而当电导片的总数为奇数时，电阻器接在分压器的长臂一侧。
当采用电桥作为测量电路时，靠上述接法，可以保证电桥具有更为精确的平衡条件。
可以用敏感元件一侧的辅助连接片将偶数的电导片的端部连接在一起，而用敏感元件另一侧的辅助连接片将奇数电导片的末端连接在一起。
这样可以提高电信号电平。
下面用具体的实施例子和提供的图纸解释本发明。提供的图纸有
图1概括地表示表面裂纹参量测定仪的一个实施方案，按照发明明，它有一个固定在样品表面上的敏感元件和一个测量电路;
图2是按照发明要求的敏感元件一个实施方案，和敏感元件与用作测量电路的电桥相接的情况;
图3概括地表示，按照发明，敏感元件接入电桥时的输出电信号;
图4是按照本发明要求，带电导片的敏感元件一个实施方案，其中电导片的长度在表面裂纹扩展的方向单调地加长;
图5是按发明要求，测定正在扩展的表面裂纹坐标的敏感元件的一个实施方案;
图6是按照发明，在测定正在扩展的表面裂纹的坐标时，测量仪输出电信号的参量变化;
图7是按发明要求，当敏感元件的主要连接片和辅助连接片的电阻值差增大的情况下，输出电信号参量的变化;
图8概括地表示按发明要求敏感元件内电导片的总数为奇数时，辅助电阻器连接方案之一;
图9概括地表示按发明要求当敏感元件的电导片总数为偶数时，辅助连接片、主要连接片和辅助电阻器的连接方案之一;
图10概括地表示按发明要求当敏感元件的电导片总数为奇数时时，主要连接片、辅助连接片和辅助电阻器连接的方案之一。
表面裂纹参量测定仪(图1)包括一个蒸镀在介质衬底2上的敏感元件1和一个与敏感元件1电气相接的测量电路3。敏感元件1是由一列电导片4主要连接片5和辅助连接片6串联组成的。敏感元件1有数个电接点7，8，9和10，并靠它们与测量电路3相接。为了测定表面裂纹11的参量，将敏感元件1通过介质衬底2固定在试验样品12，或者直接固定在所使用的机构上，这些样品和机构，在负载P的作用下，表面裂纹11顺着箭头A指示的方向扩展。固定敏感元件1时，应当使裂纹11能垂直通过主要连接片5和与其对应的辅助连接片6之间的电导片4。
电导片4的尺寸和形状可能是任意的，如直线，园圈式园圈的一部分，折线，卵形线，宽度变化的线等等。
敏感元件1的组成部分，电导片4，主要连接片5，辅助连接片6，以及其它一些必要的元件都可用已知的任意一种方法制备。
敏感元件1用大家知道的一种方法，比方说用过渡胶以符合这种胶的操作工艺固定在试样12的表面上，然后将业与测量电路3相接。
测量电路3可以按照任何一种已知的测量电阻和电阻增值的方法建立起来。为了简化对该发明的理解，下面用电桥作为测量电路3(图2)，电桥桥臂由相应的电阻器R1，R2和R3，R4组成。
如图2所示，敏感元件1和包含电阻器R1，R2和R3，R4的电桥电路、电源13，以及记录器件14相接的情况。依靠接点7和8，敏感元件1和组成电桥的两个邻近的桥臂-电阻器R1和R2相接，测量仪的输出电信号在电桥的测量对角线的B点和C点之间形成，并由记录器14记录下来。电源13在D点和C点之间与电桥的第二对角线相接。
测量仪工作过程如下。
当表面裂纹11朝着箭头A所指的方向扩展时，第一个电导片4′破裂，电阻为r1的主要连接片5′与电桥的一个臂，即电阻器R1相接;而电桥的另一个臂即电阻器R2与电阻为r2的辅助连接片6′相接通。
由于电阻r1与电阻r2的阻值不相等，所以，电桥的平衡条件遭到破坏。电阻r1和r2之间的差值越大，输出的电信号U0的幅值Ua(图3)也就越大。表面裂纹的进一步扩展，使第二个电导片破坏(图2)，此时，电阻为r1的主要连接片5″接向电桥的一个臂即电阻器R2，而电阻为r2的辅助连接片6″与电桥的另一臂电阻器R1接通。这时电桥达到平衡状态，而测量的的输出电信号U0突变到相反的方向(图3)。当表面裂纹11继续扩展时，敏感元件1上的后面的一些电导片4将依顺序遭到破坏，从而引起输出电信号U0的幅值Ua跳跃式的变化。
因此，测量仪输出的电信号U0(图3)是一连串的矩形电脉冲，它们的特征是上升前沿数为F1，下跌前沿数为F2，前沿数的总和为K＝F1+F2，波幅为Ua。
它们可以判定表面裂纹的有关参量，如裂纹产生的时间，裂纹扩展的长度和速度。
可以利用测量敏感元件1的接点7，8，9和10上的电位测量电路(图中未表示)作为测量电路3进行参量测量，这种电路在专利DE，A，3513005中详细的描述。
还可以利用在7至8;7至10等等的接点上直接量测敏感元件1电阻值的变化作为仪器的测量电路3。随着导片因表面裂纹而损坏的过程，用欧姆计测出它们的电阻(图中未示出)。
当采用电桥作为测量电路时(图2)表面裂纹11长度的现行值li可由下式计算li＝(K-1)(a+b)+l0(1)式中K为图3中表示的输出电信号U0的上升前沿数F1和下降前沿数F2的总和，它与被表面裂纹11破坏的电导片的数量有关。
a为已知的电导片4的宽度;
b为已知的相邻电导片之间的距离;
l0为在第一个电导片4′破坏之前的表面裂纹11的初始长度。
因此，按发明要求，用上述仪器测定正在扩展的表面裂纹11的长度li时，必须在敏感元件1与电桥相接的情况下，从它固定在表面裂纹11可能扩展的部位(图2)时开始计算输出电信号U0(图3)的上升前沿数F1和下降前沿数F2的总和。
为使正在扩展的表面裂纹的长度参量li与式(1)中K值之间的关系为正比例关系，电导片4之间的总距离(a+b)选定为一常数。电导片4相互间的距离为以预先配置的非常精确，正是它决定着表面裂纹11的长度li的测量精度。大家知道，在许多情况下，表面裂纹11扩展的速度，由其物理本性决定，一般都随着裂纹的扩展而加快。在表面裂纹扩展的初期阶段〔当电导片4之间(a+b)为等距离时〕，第一个电导片4′和第二个电导片4″破坏的间隔时间比最后一个电导片4n与倒数第二个电导片4n-1破坏间隔的时间大的多，在这种情况下，测定长度li较小的表面裂纹11的参量，其相对误差可能达到不能允许的数值。所以，在大概知道表面裂纹如何继续扩展的情况下(加速或减速)，根据本发明，电导片4应配置在沿敏感元件1的长度L单调变化的距离(a+b)上(距离逐渐增大或逐渐缩短)，也就是说，其距离(a+b)＝f(L)。
在许多研究表面裂纹扩展的实际工作中，试验现代结构材料的抗裂性时，在正在扩展的表面裂纹11的顶部前面形成一个可塑区，在这个区内的形变值可能达到使敏感元件1的电导片4在其下面不存在裂纹11的情况下遭到破坏。而且可塑区的范围一般随着表面裂纹11长度li的增长而加大。为了减少敏感元件1上的电导片4过早损坏的几率，也就是说，为提高敏感元件1的可靠性，在表面裂纹11的端部存在材料塑性形变的情况下，根据本发明，可以沿着敏感元件1的长度方向改变电导片4的宽度a。无论在电导片4相间距离(a+b)不变的情况下，还是在电导片的相间距离(a+b)沿着敏感元件1的长度方向由于b值的变化而改变的情况下，都可以改变电导片4的宽度a。
由上所述得出结论，由导片4的宽度a与电导片4边界间的距离b的相互关系还可能有其它一些方案。根据本发明，可以将每一个电导片4的宽度a与到下一个电导片4的边界的距离b的比值指定为一常数，或者可以单调地变化电导片4的宽度a与到下一个电导片4的边界的距离b的比值。
研究实际构件的表面裂纹11的扩展时，表面裂纹扩展的轨迹常常不是直线，并且其偏离数值随着裂纹的延伸而加大。这时必须使表面裂纹11不要超过敏感元件1复盖的范围。按照发明，为此目的，要单调地增长电导片4的长度(见图4)。
除此之外，常常有必要监视表面裂纹扩展的轨迹。在表面裂纹11非直线延伸的情况下(图5)，表面裂纹11的长度li除在箭头A方向的投影Xi外，还必须要有由于表面裂纹11非直线延伸而产生的偏离值Yi。
为了测定敏感元件在坐标系x、y中的这两个参量，按发明要求，将偶数电导片相对奇数电导片4旋转一个角度α。假定表面裂纹11在相邻的偶数电导片4″，4Ⅳ之间，或者在相邻的奇数电导片4′、4″′之间的扩展速度实际上没有变化，表面裂纹的参量可按下列关系式计算(见图6)Xi＝(K-1)(a+b)+l0Y= (Xi)/(1+m/n)式中a是电导片的宽度;
b是相邻的两个电导片4之间的距离;
K是输出电信号U0上升前沿数F1和下降前沿数F2之总和;
m是表面裂纹11自奇数电导片(4′)扩展到偶数电导片(4″)的时间;
n是表面裂纹11自偶数电导片(4″)扩展到奇数电导片(4″′)的时间;
l0是表面裂纹11到敏感元件1的第一个电导片4之间的初始长度。
按照发明，当主要连接片5和辅助连接片6的电阻差值r1-r是一不变的数值时，测量电路(不包括电桥)的输出信号U0的幅值Ua与表面裂纹的长度li遵守正比例关系。
当敏感元件接入电桥时，主要连接片5和辅助连接片6的电阻之差r1-r2决定着输出信号U0的幅值Ua(图3)，也就是说，决定着电桥失调的数值。增加或者减少这一差值，可以改变仪器的灵敏度。
在检查的情况下，同时测定几个正在扩展的表面裂纹11的参量时，可以采用一个电桥，将依顺序一会儿接在这一个、一会儿接在另一个敏感元件1上。
为此，按照发明，单调地改变主要连接片5的阻值r1和辅助连接片6的电阻值r2。同时地还可以单调地改变主要连接片5和辅助连接片6的电阻差值r1-r2。图7表示出测量仪输出的电信号Ui的变化。
在这种情况下，计算表面裂纹长度li，不必计算输出电信号U0的上升前沿数F1和下降前沿数F2的总和，只要测出输出电信号U0的幅值Ua就足够了，并根据幅值计算出表面裂纹11的长度lili＝|Ui｜·s式中的｜Ui｜是输出电信号波幅的绝对值;
s是比例(尺)系数。
采用电桥作为测量电路，要在表面裂纹扩展过程中接通的电阻r1和r2上加上一些条件，这是因为，此时主要连接片5和辅助连接片6与电阻器R1和R2(图2)接通。随着表面裂纹11的扩展测量电路的线性关系不应遭到破坏。为此，按照发明，将最后一个电导片4n作为有长臂和短臂的分压器。按照发明，采用电桥作为测量电路时，另外一种保证输出信号Ua线性的辅助方法是，当电导片4的总数为偶数时，第一电导片4′在RG分压器短臂一侧接一辅助电阻器R7(见图8)，而当电导片的总数为奇数时，辅助电阻器R7接在RG分压器长臂一侧(见图10)。
还有一种提高仪器灵敏度的方法，即敏感元件1内的位于一侧的辅助连接片6，将偶数电导片4″，4Ⅳ，……的末端连结在一起，而位于另一侧的辅助连接片将奇数电导片4′，4Ⅲ，……的末端连结在一起。由于上述联法，当电导片的总数为偶数时(图9)，或电导片的总数为奇数时(图10)，与主要连接片5的电阻r相比，加大了辅助连接片的电阻r2，与此同时，主要连接片5(见图9和图10)的电阻r1与辅助连接片6(见图1)的电阻相等。因为与主要连接片5和辅助连接片6(图1)的电阻差值r1-r2相比，辅助连接片6和主要连接片5(图9和10)的电阻差值r2-r1增大了，所以，输出电信号U0(图3)的幅值Ua在这种情况下将要大些，这样也就提高了整个仪器的灵敏度。
无论是在实验室内，还是直接在操作现场，试验特殊的样品和构件时，应用本发明可能是最有效的。实验室内，影响表面裂纹扩展的因素有单个的，也有它们综合的因素。借助本仪器可在特别重要的结构正在运行、并处于外界条件作用下的情况，测定其表面裂纹的各种参量，目的是暴露影响表面裂纹扩展的最严重的因素，诸如负荷量，腐蚀环境，温度等等。
对实验室的样品和构件进行试验时，主要的问题是记录正在扩展的表面裂纹的各种参量与负荷条件的关系。直接监视表面裂纹的扩展是很费力的，而且由于考虑到构件突然破坏时危险常常是不允许的。所以，在使用的设备具有必要的精度和合理的价格的条件下，使试验过程中表面裂纹扩展的参量测量自动化是当前一个迫切的问题。
权利要求
1.表面裂纹扩展参量测定，包括一个蒸镀在介质衬底上并固定在裂纹可能扩展的部位的敏感元件1，它由一列电导片组成，还包括一个与敏感元件电气相联的测量电路，其特征在于，敏感元件1内的电导片(4′，4″，……4n)的末端用主要连接片(5′，5″，……5n-1)依次电气串联在一起，此外，敏感元件还附有辅助连接片(6′，6″，……6n-1)，每个辅助连接片接在与其对应的主要连接片(5′，5″，……5n-1)的对面。
2.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，电导片(4′，42……4n)之间的距离是一个常数值。
3.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，电导片(4′，4″，……4n)之间的距离是单调变化的数值。
4.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，电导片(4′，4″，……4n)的宽度是单调变化的值。
5.根据权利要求1或2或3中任一项所述的仪器，其特征在于，电导片(4′，4″，……4n)的宽度与电导片之间的距离之比是一常数。
6.根据权利要求1或2或3中的任意一项所述的仪器，其特征在于，电导片(4′，4″……4n)的宽度与电导片之间的距离之比是单调变化的量。
7.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，电导片(4′，4″，……4n)的长度是一单调变化的量。
8.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，偶数电导片(4″，4Ⅳ，……)相对奇数电导片(4′，4′″……4n)旋转一个已知角度。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的仪器，其特征在于，主要连接片(5′，5″)和位于对面的辅助连接片(6′，6″)的电阻差值为一常量。
10.根据权利要求1至8中任意一项所述的仪器，其特征在于，主要连接片(5′，5″，……5n-1)和位于对面的辅助连接片(6′，6″，……6n-1)的电阻差值是一单调变化的量。
11.根据权利要求9所述的仪器，其特征在于，相对表面裂纹(11)折展方向的最后一个电导片(4n)用作具有长臂(R5)和短臂(R6)的分压器。
12.根据权利要求11所述的仪器，其特征在于，当电导片(4′，4″，……4n)的总数为偶数时，辅助电阻器(R7)与分压器短臂(R6)一侧的第一电导片(4′)相接。
13.根据权利要求11所述的仪器，其特征在于，当电导片(4′，4″，……4n)的总数为奇数时，辅助电阻器(R7)与分压器长臂(R5)一侧的第一电导片(4′)相接。
14.根据权利要求11至13中任意一项所述的仪器，其特征在于，配置在敏感元件(1)一侧的辅助连接片(6′，6″，……6n-1)将偶数电导片(4″，4Ⅳ，……)的末端连接在一起，而配置在敏感元件(1)另一侧的辅助连接片将奇数电导片(4′，4″′，……)的末端连接在一起。
全文摘要
表面裂纹扩展参量测定仪包括一个蒸镀在介质衬底2上并置于表面裂纹11可能扩展的部位的敏感元件1，它由一列电导片4′，4″……文档编号G01N27/20GK1049056SQ8910610
公开日1991年2月6日 申请日期1989年7月25日 优先权日1989年7月25日
发明者尤里·米哈依诺维奇·巴齐因, 费娜·阿历克山大诺大娜·戈尔蒂娃, 阿历克山大·依凡诺维奇·阿历克谢夫, 尼古拉·凡来丁诺维奇·茨古诺夫, 阿历克山大·阿依西伏维奇·赫拉科夫斯基, 丽蒂雅·斯坦泼诺夫娜·库兹涅卓娃, 阿历克山大·维克多诺维奇·西洛夫, 阿那托里·库兹米奇·贝比西夫, 弗拉德米尔·克立诺维奇·莱比德夫, 鲍力士·阿那托里维奇·费德哥 申请人:苏联乌克兰科学院“巴通”电焊研究所, 莫斯科“伊兹梅里特”科研生产联合公司, 基辅“维达”生产联合公司