Электрические методы

     Электрические методы 

     Электрические методы неразрушающего контроля (ЭМНК) основаны на создании в контролируемом объекте электрического поля либо непосредственным воздействием на него электрическим  возмущением (например, электростатическим полем, полем постоянного или  переменного тока), либо косвенно с  помощью воздействия возмущениями неэлектрической природы (например, тепловым, механическим и др.). В качестве информативного параметра используются электрические параметры объекта контроля (емкость, тангенс угла потерь, проводимость). 

     

 

     Рисунок 1 – Номограмма для определения толщины эпитаксиальной пленки (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 характеристик состава  и структуры материала на электроемкостные, электропотенциальные и термоэлектрические.

     1. Электроемкостной метод контроля (ЭМК) предусматривает введение объекта контроля или его исследуемого участка в электростатическое поле определение искомых характеристик материала по вызванной им обратной реакции на источник этого поля.

     Информативность ЭМК определяется зависимостью первичных  параметров емкости, тангенса угла потерь от характеристик объекта контроля, (диэлектрической проницаемости  и коэффициента диэлектрических  потерь (см. рис. 2). Косвенным путем с помощью ЭМК можно определить и другие физические и структурные характеристики материала: плотность, содержание компонентов, механические параметры, радиопрозрачность, толщину, проводящие и диэлектрические включения и т.п.

     Примеры значений диэлектрической проницаемости  и тангенса угла диэлектрических  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 электрические параметры

     При пропускании через электропроводящий  объект электрического тока в объекте  создается электрическое поле. Геометрическое место точек с одинаковым потенциалом составляет эквипотенциальные линии (рис. 3). На рисунке 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 проницаемости 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 измерительные измеряют разность потенциалов на определенном расстоянии (обычно не более 2 мм), по которой судят о глубине обнаруженной трещины.

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

     В этом смысле характерным представителем таких приборов является прибор – измеритель глубины трещин типа ИГТ – 10НК позволяющий контролировать глубины трещин от 0,5 до 20 мм в ферромагнитных, аустенитных сталях с 10% относительной погрешностью.

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

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

     3. Термоэлектрические методы.

     Приборы неразрушающего контроля, основанные на термоэлектрическом методе, 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 термоэлектрическом методе неразрушающего контроля является термо-ЭДС, возникающая в цепи, состоящей из пары электродов (горячего и холодного) и наличие контролируемого металла или полупроводника.

     Обработка информации может проводиться или путем прямого преобразования 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 электродом 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 электродам, на которых размещены: образец 5 из известной марки стали и контролируемая деталь 1, подключен индикаторный прибор V. К этим деталям одновременно прикасаются горячим электродом - щупом 2 и, наблюдая за показаниями индикаторного прибора V, судят о принадлежности контролируемой детали к марке стали образца.

     Регистрация результатов контроля возможна тремя способами: по углу отклонения 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, поэтому они диффундируют от горячего токоподвода к холодному до тех пор, пока горячий токоподвод, отдавший электроны, не окажется заряженным положительно а холодный токоподвод получивший избыток, зарядится отрицательно (рис.5,а) (в кремнии или арсениде галлия), дырки диффундируют от горячего токоподвода к холодному и горячий токоподвод заряжается отрицательно (рис.5,б). 

 

      Таблица 1

       Значения термо-ЭДС для марок сталей.

 

     

     Рисунок 4 – Схемы контроля путем прямого  преобразования (а) и диф-ференцированным 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 силовых линий  выходит на поверхность объекта, образуя вокруг этого дефекта  поля 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 источника 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 выхода на поверхность  контролируемого изделия магнитного потока, связанного с наличием нарушений  сплошности. В намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов нарушения сплошности (дефекты) вызывают перераспределение магнитного потока и выход части его на поверхность (магнитный поток дефекта). На поверхности изделия создаются локальные магнитные полюсы, притягивающие частицы магнитного порошка, в результате чего место дефекта становится видимым.

     Метод служит для выявления дефектов типа тонких поверхностных и подповерхностных 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, достаточной для создания магнитного поля дефекта необходимого для притяжения частиц магнитного порошка.

     Чувствительность  метода определяется магнитными характеристиками материала контролируемого изделия, его формой и размерами, чистотой обработки поверхности, напряженностью намагничивающего поля, способом контроля, взаимным направлением намагничивающего поля дефекта, свойствами применяемого магнитного или магнитно- люминесцентного порошка способом нанесения суспензии (или сухого порошка), а также освещенностью осматриваемого участка изделия.