專利名稱：表面裂紋擴展參量測定儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于測量技術，具體地說，是一種測量表面裂紋參量的儀器。
發明可能廣泛應用于結構試驗中或結構運行中得以自動測定表面裂紋擴展參量和取得便于進一步處理的信息。它們對研究機器的關鍵零、部件，以及結構本身，諸如飛機的機翼和機身，火箭的機殼，煤氣管道，海船船身，儲存各種氣體和液體的壓力容器等使用的新的結構材料的抗裂性能是非常必須的，就是說，在那些要求準確地、自動地測定表面裂紋長度和裂紋擴展軌跡，并為下一步加工取得這這些參量成比例的電信號的情況下是非常必要的。
已知的表面裂紋參量測定儀有數種類型，有應用光學的、超聲波的、電流的，以及應用一些貼在構件上并與構件一起在試驗時同時破裂的特殊的變換器。
例如，已知的有一種是采用電視技術測量表面裂紋的儀器(GB，A，2057124)，使用這種儀器進行試驗之前，要在測試樣品上可能擴展表面裂紋的部位涂上一層專門的漆，然后將樣品夾在試驗機的夾子上。借助顯微鏡將樣品表面裂紋將要擴展的部位投影到電視攝象機。之后，表面裂紋的圖象在專門的電路中轉換成電信號，這些信號是由與每個瞬間產生的表面裂紋長度成比例的脈沖序列組成的。儀器具備一些機械調整部件用以移動與電視攝象機相接的光學器件，測量儀還具有一些電子轉換器和一些脈沖計數器。
使用這些儀器時，在樣品的制備和儀器調整方面都有很大難度，而且為購置價格昂貴的專用設備支付很大。
已知的還有一種測定表面裂紋參量的儀器(DE，A，2745244)，它應用的是一小條導電材料帶作的敏感元件，并通過絕緣層固定在試樣上。當樣品試驗時，敏感元件與樣品同時在表面裂紋擴展的部位破壞，隨著裂紋的擴展，敏感元件的電阻改變，隨之測量出它們的阻值。敏感元件有一個復蓋住表面裂紋擴展區域的測量區，選擇測量區的形狀，應當是使它的電阻隨表面裂紋加大，以近似線性的關系而增加。測量區對稱地對著表面裂紋可能擴展的方向，而進入敏感元件的電流應是流徑表面裂紋周圍整個測量區的電流。測量敏感元件兩個量測電極之間的電壓計算出表面裂紋的參量。為了提高輸出電壓與表面裂紋長度的線性關系，調節決定于輔助電極電壓的直流供電電流的數值。
上述儀器使用時必須帶有專門的裝置，而且當表面裂紋呈直線擴展時，它的線性測量范圍約為敏感元件測量區的70%。此外，這種類型的儀器很難直觀地監察樣品表面上裂紋擴展的情況，而這一點在某些情況下往往是必要的。
有一種最簡單，從技術上最接近實際的儀器，為了得到與表面裂紋擴展成比例的電信號，它應用了一種敏感元件，這種敏感元件是一排平行配置的電阻帶，其末端連在一起并與測量電路相接(US，A，2986928)。將這種類型的敏感元件貼在試驗樣品表面可能萌發并進一步擴展表面裂紋的部位。當表面裂紋產生和隨著表面裂紋擴展的時候，電阻帶連續斷裂并導致敏感元件的總電阻改變。測量電阻變化值，就可決定表面裂紋的參量。
但是這種儀器測定表面裂紋參量的精確度很低，這是由于敏感元件電阻的增量小，而且是非線性的，并且在表面裂紋長度大的情況下，由于電阻帶過早地損壞，可靠性小了。
本發明的任務是制造這樣一種測定表面裂紋擴展參量的儀器，它靠敏感元件設計的實現及其電性能大幅度地提高測量精度，并擴大測量正在擴展的表面裂紋參量的測量范圍。
這項任務是這樣解決的表面裂紋參量測量儀包括一個敏感元件，它蒸鍍在介質襯底上并固定在表面裂紋可能擴展的部位，它由一列電導片組成;測量儀還包括一個與敏感元件電氣相接的測量電路。按照發明要求，敏感元件中的電導片的末端由主要連接片電氣串聯在一起，除此之外，敏感元件還附有輔助連接片，每個輔助連接片直接接在與其對應的主要連接片的對面。
這樣就保證了高精度地測量表面裂紋擴展的參量，而且還擴大了它的測量范圍。
可以將敏感元件的導電片配置在相同的距離上。
這樣就能保證輸出電信號的參量與表面裂紋的長度在下一次記錄時的正比關系。
可以將導電片之間的距離安排成單調變化的距離。
這樣就可以利用敏感元件的形狀得到指定的輸出信號隨表面裂紋長度變化的規律，從而大幅度地簡化了下一步的處理工作，并提高了表面裂紋實際長度的測量精度。
最好的辦法是單調地變化電導片的寬度。
這樣有可能提高敏感元件的可靠性。
使電導片的寬度與電導片之間的距離之比呈一常數值是適宜的。
這樣可以提高敏感元件和儀器整體在表面裂紋呈各種長度時的可靠性。
單調地改變電導片的寬度與電導片之間的距離之比是適宜的。
這種辦法可以保證敏感元件的電導片在各種長度的表面裂紋時的最佳機械性能。
朝著表面裂紋擴展的方向單調地改變電導片的長度是適宜的。
這樣可以降低表面裂紋在擴展時可能超出敏感元件的范圍的幾率。
在一系列的情況下最好將偶數電導片相對奇數電導片轉一個給定的角度。
這樣可以測定表面裂紋的頂端在與敏感元件有關的計算系統中的坐標。
主要連接片的電阻與它對面的輔助連接片電阻之差保持一個常數是適宜的。
這樣可以大大地提高測量的精度。
基本連接片和其對面的輔助連接片的電阻值差最好是單調變化的值。
這樣做可為提出一個輸出電信號隨表面裂紋長度變化的規律提供了可能性。
對應朝著表面裂紋擴展方的最后一個電導片可以作成具有長臂和短臂形式的分壓器。
這樣可以提高當它接入測試電路的測量精度。
相對表面裂紋擴展方向的第一個電導片最好接上一個輔助電阻器，而且當電導片的總數為偶數時，輔助電阻器接在分壓器的短臂一側，而當電導片的總數為奇數時，電阻器接在分壓器的長臂一側。
當采用電橋作為測量電路時，靠上述接法，可以保證電橋具有更為精確的平衡條件。
可以用敏感元件一側的輔助連接片將偶數的電導片的端部連接在一起，而用敏感元件另一側的輔助連接片將奇數電導片的末端連接在一起。
這樣可以提高電信號電平。
下面用具體的實施例子和提供的圖紙解釋本發明。提供的圖紙有
圖1概括地表示表面裂紋參量測定儀的一個實施方案，按照發明明，它有一個固定在樣品表面上的敏感元件和一個測量電路;
圖2是按照發明要求的敏感元件一個實施方案，和敏感元件與用作測量電路的電橋相接的情況;
圖3概括地表示，按照發明，敏感元件接入電橋時的輸出電信號;
圖4是按照本發明要求，帶電導片的敏感元件一個實施方案，其中電導片的長度在表面裂紋擴展的方向單調地加長;
圖5是按發明要求，測定正在擴展的表面裂紋坐標的敏感元件的一個實施方案;
圖6是按照發明，在測定正在擴展的表面裂紋的坐標時，測量儀輸出電信號的參量變化;
圖7是按發明要求，當敏感元件的主要連接片和輔助連接片的電阻值差增大的情況下，輸出電信號參量的變化;
圖8概括地表示按發明要求敏感元件內電導片的總數為奇數時，輔助電阻器連接方案之一;
圖9概括地表示按發明要求當敏感元件的電導片總數為偶數時，輔助連接片、主要連接片和輔助電阻器的連接方案之一;
圖10概括地表示按發明要求當敏感元件的電導片總數為奇數時時，主要連接片、輔助連接片和輔助電阻器連接的方案之一。
表面裂紋參量測定儀(圖1)包括一個蒸鍍在介質襯底2上的敏感元件1和一個與敏感元件1電氣相接的測量電路3。敏感元件1是由一列電導片4主要連接片5和輔助連接片6串聯組成的。敏感元件1有數個電接點7，8，9和10，并靠它們與測量電路3相接。為了測定表面裂紋11的參量，將敏感元件1通過介質襯底2固定在試驗樣品12，或者直接固定在所使用的機構上，這些樣品和機構，在負載P的作用下，表面裂紋11順著箭頭A指示的方向擴展。固定敏感元件1時，應當使裂紋11能垂直通過主要連接片5和與其對應的輔助連接片6之間的電導片4。
電導片4的尺寸和形狀可能是任意的，如直線，園圈式園圈的一部分，折線，卵形線，寬度變化的線等等。
敏感元件1的組成部分，電導片4，主要連接片5，輔助連接片6，以及其它一些必要的元件都可用已知的任意一種方法制備。
敏感元件1用大家知道的一種方法，比方說用過渡膠以符合這種膠的操作工藝固定在試樣12的表面上，然后將業與測量電路3相接。
測量電路3可以按照任何一種已知的測量電阻和電阻增值的方法建立起來。為了簡化對該發明的理解，下面用電橋作為測量電路3(圖2)，電橋橋臂由相應的電阻器R1，R2和R3，R4組成。
如圖2所示，敏感元件1和包含電阻器R1，R2和R3，R4的電橋電路、電源13，以及記錄器件14相接的情況。依靠接點7和8，敏感元件1和組成電橋的兩個鄰近的橋臂-電阻器R1和R2相接，測量儀的輸出電信號在電橋的測量對角線的B點和C點之間形成，并由記錄器14記錄下來。電源13在D點和C點之間與電橋的第二對角線相接。
測量儀工作過程如下。
當表面裂紋11朝著箭頭A所指的方向擴展時，第一個電導片4′破裂，電阻為r1的主要連接片5′與電橋的一個臂，即電阻器R1相接;而電橋的另一個臂即電阻器R2與電阻為r2的輔助連接片6′相接通。
由于電阻r1與電阻r2的阻值不相等，所以，電橋的平衡條件遭到破壞。電阻r1和r2之間的差值越大，輸出的電信號U0的幅值Ua(圖3)也就越大。表面裂紋的進一步擴展，使第二個電導片破壞(圖2)，此時，電阻為r1的主要連接片5″接向電橋的一個臂即電阻器R2，而電阻為r2的輔助連接片6″與電橋的另一臂電阻器R1接通。這時電橋達到平衡狀態，而測量的的輸出電信號U0突變到相反的方向(圖3)。當表面裂紋11繼續擴展時，敏感元件1上的后面的一些電導片4將依順序遭到破壞，從而引起輸出電信號U0的幅值Ua跳躍式的變化。
因此，測量儀輸出的電信號U0(圖3)是一連串的矩形電脈沖，它們的特征是上升前沿數為F1，下跌前沿數為F2，前沿數的總和為K＝F1+F2，波幅為Ua。
它們可以判定表面裂紋的有關參量，如裂紋產生的時間，裂紋擴展的長度和速度。
可以利用測量敏感元件1的接點7，8，9和10上的電位測量電路(圖中未表示)作為測量電路3進行參量測量，這種電路在專利DE，A，3513005中詳細的描述。
還可以利用在7至8;7至10等等的接點上直接量測敏感元件1電阻值的變化作為儀器的測量電路3。隨著導片因表面裂紋而損壞的過程，用歐姆計測出它們的電阻(圖中未示出)。
當采用電橋作為測量電路時(圖2)表面裂紋11長度的現行值li可由下式計算li＝(K-1)(a+b)+l0(1)式中K為圖3中表示的輸出電信號U0的上升前沿數F1和下降前沿數F2的總和，它與被表面裂紋11破壞的電導片的數量有關。
a為已知的電導片4的寬度;
b為已知的相鄰電導片之間的距離;
l0為在第一個電導片4′破壞之前的表面裂紋11的初始長度。
因此，按發明要求，用上述儀器測定正在擴展的表面裂紋11的長度li時，必須在敏感元件1與電橋相接的情況下，從它固定在表面裂紋11可能擴展的部位(圖2)時開始計算輸出電信號U0(圖3)的上升前沿數F1和下降前沿數F2的總和。
為使正在擴展的表面裂紋的長度參量li與式(1)中K值之間的關系為正比例關系，電導片4之間的總距離(a+b)選定為一常數。電導片4相互間的距離為以預先配置的非常精確，正是它決定著表面裂紋11的長度li的測量精度。大家知道，在許多情況下，表面裂紋11擴展的速度，由其物理本性決定，一般都隨著裂紋的擴展而加快。在表面裂紋擴展的初期階段〔當電導片4之間(a+b)為等距離時〕，第一個電導片4′和第二個電導片4″破壞的間隔時間比最后一個電導片4n與倒數第二個電導片4n-1破壞間隔的時間大的多，在這種情況下，測定長度li較小的表面裂紋11的參量，其相對誤差可能達到不能允許的數值。所以，在大概知道表面裂紋如何繼續擴展的情況下(加速或減速)，根據本發明，電導片4應配置在沿敏感元件1的長度L單調變化的距離(a+b)上(距離逐漸增大或逐漸縮短)，也就是說，其距離(a+b)＝f(L)。
在許多研究表面裂紋擴展的實際工作中，試驗現代結構材料的抗裂性時，在正在擴展的表面裂紋11的頂部前面形成一個可塑區，在這個區內的形變值可能達到使敏感元件1的電導片4在其下面不存在裂紋11的情況下遭到破壞。而且可塑區的范圍一般隨著表面裂紋11長度li的增長而加大。為了減少敏感元件1上的電導片4過早損壞的幾率，也就是說，為提高敏感元件1的可靠性，在表面裂紋11的端部存在材料塑性形變的情況下，根據本發明，可以沿著敏感元件1的長度方向改變電導片4的寬度a。無論在電導片4相間距離(a+b)不變的情況下，還是在電導片的相間距離(a+b)沿著敏感元件1的長度方向由于b值的變化而改變的情況下，都可以改變電導片4的寬度a。
由上所述得出結論，由導片4的寬度a與電導片4邊界間的距離b的相互關系還可能有其它一些方案。根據本發明，可以將每一個電導片4的寬度a與到下一個電導片4的邊界的距離b的比值指定為一常數，或者可以單調地變化電導片4的寬度a與到下一個電導片4的邊界的距離b的比值。
研究實際構件的表面裂紋11的擴展時，表面裂紋擴展的軌跡常常不是直線，并且其偏離數值隨著裂紋的延伸而加大。這時必須使表面裂紋11不要超過敏感元件1復蓋的范圍。按照發明，為此目的，要單調地增長電導片4的長度(見圖4)。
除此之外，常常有必要監視表面裂紋擴展的軌跡。在表面裂紋11非直線延伸的情況下(圖5)，表面裂紋11的長度li除在箭頭A方向的投影Xi外，還必須要有由于表面裂紋11非直線延伸而產生的偏離值Yi。
為了測定敏感元件在坐標系x、y中的這兩個參量，按發明要求，將偶數電導片相對奇數電導片4旋轉一個角度α。假定表面裂紋11在相鄰的偶數電導片4″，4Ⅳ之間，或者在相鄰的奇數電導片4′、4″′之間的擴展速度實際上沒有變化，表面裂紋的參量可按下列關系式計算(見圖6)Xi＝(K-1)(a+b)+l0Y= (Xi)/(1+m/n)式中a是電導片的寬度;
b是相鄰的兩個電導片4之間的距離;
K是輸出電信號U0上升前沿數F1和下降前沿數F2之總和;
m是表面裂紋11自奇數電導片(4′)擴展到偶數電導片(4″)的時間;
n是表面裂紋11自偶數電導片(4″)擴展到奇數電導片(4″′)的時間;
l0是表面裂紋11到敏感元件1的第一個電導片4之間的初始長度。
按照發明，當主要連接片5和輔助連接片6的電阻差值r1-r是一不變的數值時，測量電路(不包括電橋)的輸出信號U0的幅值Ua與表面裂紋的長度li遵守正比例關系。
當敏感元件接入電橋時，主要連接片5和輔助連接片6的電阻之差r1-r2決定著輸出信號U0的幅值Ua(圖3)，也就是說，決定著電橋失調的數值。增加或者減少這一差值，可以改變儀器的靈敏度。
在檢查的情況下，同時測定幾個正在擴展的表面裂紋11的參量時，可以采用一個電橋，將依順序一會兒接在這一個、一會兒接在另一個敏感元件1上。
為此，按照發明，單調地改變主要連接片5的阻值r1和輔助連接片6的電阻值r2。同時地還可以單調地改變主要連接片5和輔助連接片6的電阻差值r1-r2。圖7表示出測量儀輸出的電信號Ui的變化。
在這種情況下，計算表面裂紋長度li，不必計算輸出電信號U0的上升前沿數F1和下降前沿數F2的總和，只要測出輸出電信號U0的幅值Ua就足夠了，并根據幅值計算出表面裂紋11的長度lili＝|Ui｜·s式中的｜Ui｜是輸出電信號波幅的絕對值;
s是比例(尺)系數。
采用電橋作為測量電路，要在表面裂紋擴展過程中接通的電阻r1和r2上加上一些條件，這是因為，此時主要連接片5和輔助連接片6與電阻器R1和R2(圖2)接通。隨著表面裂紋11的擴展測量電路的線性關系不應遭到破壞。為此，按照發明，將最后一個電導片4n作為有長臂和短臂的分壓器。按照發明，采用電橋作為測量電路時，另外一種保證輸出信號Ua線性的輔助方法是，當電導片4的總數為偶數時，第一電導片4′在RG分壓器短臂一側接一輔助電阻器R7(見圖8)，而當電導片的總數為奇數時，輔助電阻器R7接在RG分壓器長臂一側(見圖10)。
還有一種提高儀器靈敏度的方法，即敏感元件1內的位于一側的輔助連接片6，將偶數電導片4″，4Ⅳ，……的末端連結在一起，而位于另一側的輔助連接片將奇數電導片4′，4Ⅲ，……的末端連結在一起。由于上述聯法，當電導片的總數為偶數時(圖9)，或電導片的總數為奇數時(圖10)，與主要連接片5的電阻r相比，加大了輔助連接片的電阻r2，與此同時，主要連接片5(見圖9和圖10)的電阻r1與輔助連接片6(見圖1)的電阻相等。因為與主要連接片5和輔助連接片6(圖1)的電阻差值r1-r2相比，輔助連接片6和主要連接片5(圖9和10)的電阻差值r2-r1增大了，所以，輸出電信號U0(圖3)的幅值Ua在這種情況下將要大些，這樣也就提高了整個儀器的靈敏度。
無論是在實驗室內，還是直接在操作現場，試驗特殊的樣品和構件時，應用本發明可能是最有效的。實驗室內，影響表面裂紋擴展的因素有單個的，也有它們綜合的因素。借助本儀器可在特別重要的結構正在運行、并處于外界條件作用下的情況，測定其表面裂紋的各種參量，目的是暴露影響表面裂紋擴展的最嚴重的因素，諸如負荷量，腐蝕環境，溫度等等。
對實驗室的樣品和構件進行試驗時，主要的問題是記錄正在擴展的表面裂紋的各種參量與負荷條件的關系。直接監視表面裂紋的擴展是很費力的，而且由于考慮到構件突然破壞時危險常常是不允許的。所以，在使用的設備具有必要的精度和合理的價格的條件下，使試驗過程中表面裂紋擴展的參量測量自動化是當前一個迫切的問題。
權利要求
1.表面裂紋擴展參量測定，包括一個蒸鍍在介質襯底上并固定在裂紋可能擴展的部位的敏感元件1，它由一列電導片組成，還包括一個與敏感元件電氣相聯的測量電路，其特征在于，敏感元件1內的電導片(4′，4″，……4n)的末端用主要連接片(5′，5″，……5n-1)依次電氣串聯在一起，此外，敏感元件還附有輔助連接片(6′，6″，……6n-1)，每個輔助連接片接在與其對應的主要連接片(5′，5″，……5n-1)的對面。
2.根據權利要求1所述的儀器，其特征在于，電導片(4′，42……4n)之間的距離是一個常數值。
3.根據權利要求1所述的儀器，其特征在于，電導片(4′，4″，……4n)之間的距離是單調變化的數值。
4.根據權利要求1所述的儀器，其特征在于，電導片(4′，4″，……4n)的寬度是單調變化的值。
5.根據權利要求1或2或3中任一項所述的儀器，其特征在于，電導片(4′，4″，……4n)的寬度與電導片之間的距離之比是一常數。
6.根據權利要求1或2或3中的任意一項所述的儀器，其特征在于，電導片(4′，4″……4n)的寬度與電導片之間的距離之比是單調變化的量。
7.根據權利要求1所述的儀器，其特征在于，電導片(4′，4″，……4n)的長度是一單調變化的量。
8.根據權利要求1所述的儀器，其特征在于，偶數電導片(4″，4Ⅳ，……)相對奇數電導片(4′，4′″……4n)旋轉一個已知角度。
9.根據權利要求1至8中的任意一項所述的儀器，其特征在于，主要連接片(5′，5″)和位于對面的輔助連接片(6′，6″)的電阻差值為一常量。
10.根據權利要求1至8中任意一項所述的儀器，其特征在于，主要連接片(5′，5″，……5n-1)和位于對面的輔助連接片(6′，6″，……6n-1)的電阻差值是一單調變化的量。
11.根據權利要求9所述的儀器，其特征在于，相對表面裂紋(11)折展方向的最后一個電導片(4n)用作具有長臂(R5)和短臂(R6)的分壓器。
12.根據權利要求11所述的儀器，其特征在于，當電導片(4′，4″，……4n)的總數為偶數時，輔助電阻器(R7)與分壓器短臂(R6)一側的第一電導片(4′)相接。
13.根據權利要求11所述的儀器，其特征在于，當電導片(4′，4″，……4n)的總數為奇數時，輔助電阻器(R7)與分壓器長臂(R5)一側的第一電導片(4′)相接。
14.根據權利要求11至13中任意一項所述的儀器，其特征在于，配置在敏感元件(1)一側的輔助連接片(6′，6″，……6n-1)將偶數電導片(4″，4Ⅳ，……)的末端連接在一起，而配置在敏感元件(1)另一側的輔助連接片將奇數電導片(4′，4″′，……)的末端連接在一起。
全文摘要
表面裂紋擴展參量測定儀包括一個蒸鍍在介質襯底2上并置于表面裂紋11可能擴展的部位的敏感元件1，它由一列電導片4′，4″……文檔編號G01N27/20GK1049056SQ8910610
公開日1991年2月6日 申請日期1989年7月25日 優先權日1989年7月25日
發明者尤里·米哈依諾維奇·巴齊因, 費娜·阿歷克山大諾大娜·戈爾蒂娃, 阿歷克山大·依凡諾維奇·阿歷克謝夫, 尼古拉·凡來丁諾維奇·茨古諾夫, 阿歷克山大·阿依西伏維奇·赫拉科夫斯基, 麗蒂雅·斯坦潑諾夫娜·庫茲涅卓娃, 阿歷克山大·維克多諾維奇·西洛夫, 阿那托里·庫茲米奇·貝比西夫, 弗拉德米爾·克立諾維奇·萊比德夫, 鮑力士·阿那托里維奇·費德哥 申請人:蘇聯烏克蘭科學院“巴通”電焊研究所, 莫斯科“伊茲梅里特”科研生產聯合公司, 基輔“維達”生產聯合公司
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