Электрические и магнитные методы контроля РЭСИ

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

на тему:

«Электрические и магнитные методы контроля РЭСИ»

МИНСК, 2008

Электрические методы

Электрические методы неразрушающего контроля (ЭМНК) основаны на созда-нии в контролируемом объекте электрического поля либо непосредственным воздействием на него электрическим возмущением (например, электростати-ческим полем, полем постоянного или переменного тока), либо косвенно с по-мощью воздействия возмущениями неэлектрической природы (например, теп-ловым, механическим и др.). В качестве информативного параметра ис-пользуются электрические параметры объекта контроля (емкость, тангенс угла потерь, проводимость).

Рисунок 1 - Номограмма для определения толщины эпитаксиальной плен-ки (d) и концентрации электронов в подложке (N) в структуре nn+ GaAs при л = 10,6 мкм,

- линии равной концентрации

- линии равной толщины

По назначению ЭМНК делятся по определению исследуемых характери-стик состава и структуры материала на электроемкостные, электропотенциаль-ные и термоэлектрические.

1. Электроемкостной метод контроля (ЭМК) предусматривает введение объ-екта контроля или его исследуемого участка в электростатическое поле опре-деление искомых характеристик материала по вызванной им обратной реак-ции на источник этого поля.

Информативность ЭМК определяется зависимостью первичных парамет-ров емкости, тангенса угла потерь от характеристик объекта контроля, (ди-электрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь (см. рис. 2). Косвенным путем с помощью ЭМК можно определить и другие фи-зические и структурные характеристики материала: плотность, содержание компонентов, механические параметры, радиопрозрачность, толщину, прово-дящие и диэлектрические включения и т.п.

Примеры значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла ди-электрических потерь электроизоляционных материалов на высоких частотах 105-108 Гц приведены в приложении.

2. Электропотенциальные методы.

Работа электропотенциальных приборов основана на прямом пропускании тока через контролируемый участок и измерении разности потенциалов на определенном участке.

Рисунок 2 - Схема воздействия характеристик объекта

контроля на электриче-ские параметры

При пропускании через электропроводящий объект электрического тока в объекте создается электрическое поле. Геометрическое место точек с одинако-вым потенциалом составляет эквипотенциальные линии (рис. 3). На рисун-ке показано распределение эквипотенциальных линий при отсутствии (рис. 3,а) и наличии дефекта (рис. 3,6). Разность потенциалов зависит от трех факторов: удельной электрической проводимости а, геометрических размеров (например, толщины) и наличия поверхностных трещин. При пропускании переменного тока разность потенциалов будет зависеть и от магнитной про-ницаемости м.

Рисунок 3 - Распределение эквипотенциальных линий

В приборах имеется четыре электрода. С помощью двух из них (токопрово-дящих) к контролируемому участку подводится ток, а два других измеритель-ные измеряют разность потенциалов на определенном расстоянии (обычно не более 2 мм), по которой судят о глубине обнаруженной трещины.

Электропотенциальные приборы применяют для измерения толщины сте-нок деталей, для изучения анизотропии электрических и магнитных свойств, обусловленной приложенными к объекту контроля механическими напряже-ниями, но основное назначение этих приборов - измерение глубины трещин, обнаруженных другими методами неразрушающего контроля. Электропотен-циальный метод с использованием четырех электродов, является единствен-ным методом, который позволяет осуществить простое измерение глубины (до 100 - 120 мм ) поверхностных трещин.

В этом смысле характерным представителем таких приборов является при-бор - измеритель глубины трещин типа ИГТ - 10НК позволяющий контроли-ровать глубины трещин от 0,5 до 20 мм в ферромагнитных, аустенитных ста-лях с 10% относительной погрешностью.

Применение измерителей глубины трещин совместно с другими методами, например, магнитопорошковым или капиллярным, позволяет повысить эф-фективность обнаружения трещин.

Помимо контроля трещин электропотенциальные методы используются при контроле удельного сопротивления полупроводниковых структур.

3. Термоэлектрические методы.

Приборы неразрушающего контроля, основанные на термоэлектрическом ме-тоде, находят применение при контроле деталей по маркам сталей, при контроле полупроводниковых пластин по типам проводимостей и т.д.

а) Контроль деталей по маркам сталей.

Источником информации о физическом состоянии материала при термо-электрическом методе неразрушающего контроля является термо-ЭДС, возни-кающая в цепи, состоящей из пары электродов (горячего и холодного) и на-личие контролируемого металла или полупроводника.

Обработка информации может проводиться или путем прямого преобразо-вания или дифференцированным методом (рис. 4,а и рис. 4,б).

Сущность работы приборов по схеме прямого преобразования заключается в следующем. Контролируемый образец 1 помещают на площадку холодного электрода 3. К контролируемой поверхности прикасаются горячим электро-дом 2, нагреваемым элементом 4. В месте контакта горячего электрода возникает термо-ЭДС, и ток начинает протекать в цепи, в которую включен индикаторный прибор V.

При работе прибора по дифференцированной схеме к холодным электро-дам, на которых размещены: образец 5 из известной марки стали и контроли-руемая деталь 1, подключен индикаторный прибор V. К этим деталям одно-временно прикасаются горячим электродом - щупом 2 и, наблюдая за показа-ниями индикаторного прибора V, судят о принадлежности контролируемой детали к марке стали образца.

Регистрация результатов контроля возможна тремя способами: по углу от-клонения стрелки индикаторного прибора, по измерению знака термо-ЭДС и по индикации нулевого показания.

В таблице 1. приведены значения термо-ЭДС для некоторых сталей.

Контроль типа проводимости монокристаллических слитков и пластин

Для (кремния или арсенида галлия) n - типа горячий токоподвод имеет положительную полярность, а холодный - отрицательную. При нагреве токоподвода скорость электронов в нем становится больше, чем в холодном, по-этому они диффундируют от горячего токоподвода к холодному до тех пор, пока горячий токоподвод, отдавший электроны, не окажется заряженным по-ложительно а холодный токоподвод получивший избыток, зарядится отрица-тельно (рис.5,а) (в кремнии или арсениде галлия), дырки диффундируют от горячего токоподвода к холодному и горячий токоподвод заряжается отрица-тельно (рис.5,б).

Таблица 1

Значения термо-ЭДС для марок сталей.

Рисунок 4 - Схемы контроля путем прямого преобразования (а) и диф-ферен-цированным методом(б)

Рисунок 5 - Контроль типа проводимости полупроводников по знаку термо-ЭДС: а) n-тип; б) р-тип.

Магнитные методы

Методы основаны на взаимодействии магнитного поля с контролируемым объектом.

Контролируемый объект помещается в магнитное поле. Встретив на своем пути препятствия в виде дефектов - (трещин, расслоений, газовых пузырей, раковин и др.) с меньшей магнитной проницаемостью, часть магнитных сило-вых линий выходит на поверхность объекта, образуя вокруг этого дефекта по-ля рассеяния (рис.6). Для регистрации полей рассеяния над дефектами применяют несколько методов: магнитопорошковый; магнитографический и магнитоферрозондовый.

Возможность применения магнитных методов и конкретные параметры контроля изделий зависят от магнитных свойств материала. Если в магнитное поле поместить тело из ферромагнитного материала, то после удаления источ-ника намагничивания тело сохранит некоторую остаточную намагниченность.

Рисунок 6 - Схема магнитного контроля при расположении дефекта поперек (а) и вдоль (б) магнитных силовых линий

1. Магнитопорошковый метод.

Магнитопорошковый метод регистрации полей рассеивания при неразрушающем контроле основан на явлении притяжения частиц магнитного порошка в местах вы-хода на поверхность контролируемого изделия магнитного потока, связанного с на-личием нарушений сплошности. В намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов нарушения сплошности (дефекты) вызывают перераспределение магнит-ного потока и выход части его на поверхность (магнитный поток дефекта). На по-верхности изделия создаются локальные магнитные полюсы, притягивающие части-цы магнитного порошка, в результате чего место дефекта становится видимым.

Метод служит для выявления дефектов типа тонких поверхностных и под-поверхностных нарушений сплошности: трещин, расслоений, непроваров сварных соединений и т. п.

Метод позволяет контролировать изделия любых размеров и форм если их магнитные свойства дают возможность намагничивания до степени, достаточ-ной для создания магнитного поля дефекта необходимого для притяжения частиц магнитного порошка.

Чувствительность метода определяется магнитными характеристиками ма-териала контролируемого изделия, его формой и размерами, чистотой обра-ботки поверхности, напряженностью намагничивающего поля, способом кон-троля, взаимным направлением намагничивающего поля дефекта, свойствами применяемого магнитного или магнитно- люминесцентного порошка спосо-бом нанесения суспензии (или сухого порошка), а также освещенностью ос-матриваемого участка изделия.

В зависимости от размеров выявляемых поверхностных дефектов устанавли-ваются три условных уровня чувствительности указанные в таблице 2

Таблица 2

Уровни чувствительности магнитопорошковых методов.

Магнитопорошковый метод контроля предусматривает следующие техноло-гические операции:

- подготовку изделия к контролю;

- намагничивание изделия;

- нанесение на изделие магнитного порошка или суспензии;

- осмотр изделия;

- разбраковку;

- размагничивание.

Изделия, подаваемые на намагничивающие устройства, должны быть очи-щены от покрытий, мешающих их смачиванию или их намагничиванию (мас-ла, грязь, иногда изоляционные покрытия и т. п.).

В зависимости от магнитных свойств материала, размеров и формы кон-тролируемого изделия, а также оборудования, используемого для намагничи-вания, применяют два способа контроля:

- способ приложенного магнитного поля СПМП;

- способ остаточной намагниченности (СОН).

Контроль СПМП характеризуется образованием валика порошка над дефектом за время действия на контролируемое изделие внешнего магнитного поля. При контроле СПМП намагничивание должно начинаться раньше или одновременно с моментом прекращения полива суспензией или нанесения сухого порошка на контролируемое изделие. Окончание намагничивания должно происходить после прекращения стекания основной массы суспензии с контролируемого участка.

Во избежание перегрева изделия после прекращения нанесения суспензии при длительном времени стекания последней, намагничивающий ток может периодически выключаться. Время действия тока 0,1 - 0,5 с с перерывами между включениями 1 - 2 с.

Осмотр изделия производят по окончании стекания суспензии. В отдель-ных случаях, оговариваемых технической документацией, осмотр изделия мо-жет производиться во время действия намагничивающего тока (поля).

Контроль СОН заключается в предварительном намагничивании контроли-руемого изделия и последующем нанесении на него суспензии или сухого магнитного порошка. Промежуток времени между намагничиванием и ука-занной выше обработкой должен быть не менее 1 ч. При этом оседание по-рошка в зоне дефекта образуется в отсутствии внешнего намагничивающего поля. Наибольшая чувствительность СОН имеет место, когда величина оста-точной индукции в изделии соответствует предельному гистерезисному циклу.

При магнитопорошковом методе контроля применяют три вида намагничи-вания: циркулярное, продольное (полюсное) и комбинированное; Комбинированное намагничивание может быть выполнено только СПМП. Основные способы на-магничивания и схемы их осуществления приведены в табл. 3.

Таблица 3

Способы и схемы намагничивания изделий.

В зависимости от ориентации дефектов, подлежащих обнаружению, приме-няют намагничивание в одном, двух или в трех взаимно перпендикулярных на-правлениях (или применяют комбинированное намагничивание).

Нанесение магнитного порошка на контролируемое изделие может произво-диться двумя способами: сухим и мокрым. В первом случае для обнаружения дефектов применяют сухой магнитный порошок, во втором - магнитную сус-пензию (взвесь магнитного порошка в дисперсионной среде). В качестве дис-персионной среды могут применяться вода, масло, керосин, смесь масла с керо-сином и др.

Разбраковка изделий проводится путем визуального осмотра поверхности изделия на наличие отложений магнитного порошка в местах дефектов. При необходимости расшифровка результатов контроля может проводиться с приме-нением оптических средств, тип и увеличение которых устанавливаются техни-ческой документацией на контроль конкретных изделий.

2. Магнитографический метод.

Этот метод основан на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами с применением в качестве индикатора ферро-магнитной пленки. В этом методе контролируемый участок объекта намагничи-вают, затем плотно прижимают к нему магнитную ленту аналогичную лентам, применяемым для магнитной звуко- и видеозаписи. Намагниченность ферро-магнитных частиц ленты определяется напряженностью основного магнитного поля и магнитными полями рассеяния над дефектами. Информация о дефекте считывается при помощи магнитографического дефектоскопа, имеющего лен-топротяжное устройство, чувствительную головку типа магнитофонной и осциллографический индикатор. Для воспроизведения записи взаимно перемеща-ют ленту или головку с постоянной скоростью. Возникающий в головке элект-рический сигнал пропорционален величине остаточного магнитного потока от-печатков полей рассеяния дефектов, зафиксированных на ленте.

Отечественные серийные магнитографические дефектоскопы МД-9, МД-11, МКГ имеют электродвигатель, приводящий во вращение барабан с несколь-кими магнитными головками. Головки перемешаются поперек магнитной лен-ты. Электрический сигнал с головки усиливается и подается на электроннолуче-вую трубку. Горизонтальная развертка трубки синхронизирована с вращением магнитных .головок.

Чувствительность магнитографического метода сравнительно высока - на изделиях с ровной поверхностью выявляются дефекты глубиной 0,3 мм при шероховатости поверхности 0,15 мм. Преимущество данного метода - докумен-тальность контроля и возможность количественной оценки. Магнитографичес-кий метод дефектоскопии получил широкое распространение для контроля ка-чества сварного шва, соединений трубопроводов и листовых конструкций.

Магнитоферрозондовый метод. Этот метод основан на выявлении феррозон-довым преобразователем магнитных полей рассеяния над дефектами в намагни-ченном изделии и преобразовании их в электрические сигналы. Содержание метода устанавливается ГОСТ 21104-75.

Феррозонд представляет собой ферритовый или пермаллоевый сердечник длиной не более 2-6 мм с двумя обмотками, из которых первая - возбуждающая, питаемая переменным током от генератора, а вторая - измерительная, дающая информацию о наличии и изменениях внешних магнитных полей. Фер-розондовые преобразователи имеют очень высокую чувствительность (до 10^-6 эВ), что позволяет обнаруживать мельчайшие дефекты, способные создать поле рассеяния. Обеспечив перемещение преобразователя по поверхности объекта, осуществляют автоматический или полуавтоматический контроль наличия де-фектов.

В зависимости от магнитных свойств, размеров и формы контролируемого изделия применяют два способа контроля:

- приложенного магнитного поля;

- остаточной намагниченности.

Контроль первым способом осуществляют намагничиванием изделия и од-новременной регистрацией напряженности магнитных полей рассеяния дефек-тов феррозондовым преобразователем в присутствии намагничивающего поля, вторым - после снятия намагничивающего поля.

Для неразрушающего контроля при помощи феррозондов созданы и по-лучают все больше промышленное применение различные дефектоскопы. Используются, например, переносной импульсный феррозондовый дефек-тоскоп ДИФ-1К, позволяющей обнаружить в сталях различные дефекты. При помощи установок ФДУ-1, УФКТ-1, УФСТ-61, МД-10Ф производится авто-матизированный скоростной контроль цилиндрических труб, прутков и дру-гих изделий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. - М.: Высш. школа., 2001 - 335 с

2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 - 272 с.

3. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 - 567 с 2003

4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 200

5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств - Техносфера, 2005. - 504с.