測定金屬和合金的近表層內的結構相不均勻性的方法
2023-06-19 13:27:16
專利名稱：測定金屬和合金的近表層內的結構相不均勻性的方法
技術領域：
本發明屬於材料缺陷試驗法，該方法可以應用在機械製造，航空，運輸，微電子，金屬加工和其它技術領域，以便檢測出金屬和合金表層內的結構相的不均勻性，以及測定出這一不均勻性的特徵數據。
對金屬和合金的無損檢測的渦流一熱電偶檢測，X射線照相檢測、毛細管顯微控制、聲學顯微檢測和光學顯微檢測等方法及其所有的變換裝置是現代無損檢測技術領域專業人員所熟知的。已有的這些方法能測定出金屬和合金表面或內部的不均勻性(微裂紋，氣孔，夾雜物等等)以及進行定量分析評估(Gus′，A.N.等編輯Gus′，A.N..Kiew，Naukovadumka，1981，第5-58及115-145頁)。
但是已有的方法和裝置卻不能測定出在金屬和合金表面下5-10μ深處的表層內的結構相的不均勻性，也就是說，不均勻性表徵了承載的金屬和合金零件上表面損壞之前所呈現的狀態在從前的診斷中不能預報這些零件缺陷的狀態。
一種相關的測定在金屬和合金表近層內結構相的不均勻性的公知方法是用聲波探測待檢查的表面，測量出反射的聲信號的強度，然後同已預先給定的閥值的強度相比較，並且記錄就這個表明現存的不均性的特徵超過的閥值強度(參見「無損傷試驗」第5卷，卷2中「聲學檢測方法」實習用書/I.N.Briolov及M，Vyss.skola，1991年第5頁)。
上述方法不能精細地探測直至金屬和合金10μ厚度表層內由晶格的微應變引起的不均勻性。由於在金屬或合金內聲信號的阻尼係數增至很大，而使聲信號的振動傳播的路程減小，因而該方法不可能實現上述要求。
此外，還有一種檢查金屬和合金表面層內不均勻性的裝置，它包括超聲波發射器反射信號的接收器，反射信號的強度分析器，閥元件和指示器(參見蘇聯1260851號發明人證書MKIGOI1986年4月29日)。
與前述的方法一樣，該裝置在探測濃度和識別不均勻性的大小方面均有局限性。
更相關的現有技術是已申請專利的一種確認金屬和合金的表層內結構相的不均勻性特徵數據的方法，及其有關的實用轉換裝置(「材料缺陷試驗法」，1987年第9其第45-52頁)。
上述的這個方法包括，屏蔽那個受外加激勵的待檢查的表面。用離子射線束對那個屏蔽的表面進行輻射，測出勢壘的接觸電位差，根據該電位差值判斷所述不均勻性。
實現這一方法的裝置包括一個帶有屏蔽罩的測量電極和位於兩者之間的屏蔽網，一個位於屏蔽罩下面的離子的射線源和一個指示器。
由於公知的測定不均勻性特徵數據的方法及其所用的變換裝置存在一系列的缺點，因而使其不能在承載零件表面破壞之前提供關於組成這些零件的金屬或合金的表面和表近層內的結構相不均勻性方面的有用信息。
本發明的方法用於測定金屬和合金的近表層中結構相的不均勻性特徵數據，通過一個裝置完成其所需的變換，從而保證檢測不均勻性(缺陷)時具有高可靠性，並且對深度從5至10μ的表面層內的不均勻性特徵數據給出一個準確的定量的評價。
為達到上述目的，屏蔽受外加激勵的待檢測表面，這個激勵作用可以引起該待測表面發射電荷;用離子源輻射已屏蔽的表面，在待檢測表面上任選的n個區域內的電流載流子電荷的濃度由固有的發射和次級發射(由輻射引起的)決定;使測量電荷濃度的實際值轉換成同待檢測表面的區域總數相對應的n個局部信號可以獲得不均勻性的特徵數據;這裡的n≥2。
通過使對屏蔽表面的輻射過程和電流載流子電荷濃度的測量穩定化，以及在該方法中增加了一個作用於輻射範圍和測量範圍的電場，該電場的強度同所接收的那些局部信號的算術平均值成正比例，從而提高了本方法的識別金屬和合金表層內不均勻性的可靠性和測定不均勻特徵數據的精確性。
由於對要檢查的表面的屏蔽，對其有關的輻射和測量在發射流中的電荷濃度都是根據一個預定的程序在對待檢查的表面掃描過程中實現的。
而使測定的準確性和精度提高，過程的持續時間縮短。
不均勻性特徵數據可以根據各種不同的方式來確定，特別是通過將「n」個局部電信號轉變成一個色碼，繼而通過所收到的色彩標度的顯示，將其顏色分量與預先給定的值加以比較後確定該特徵數據。
不均勻性的特徵數據也可以按下述方式測定將「n」個局部電信號中的任一個與一個經過計算出的預定的值Uoi(t，△a)相比較，該值是代表在從查的表面的可能存在的不均勻性的特徵值，然後根據比較的結果推斷出差異信號的最小值minδε＝δUki(t，△a)-δU′vi(t，△a)通過一個具有分離的低頻和高頻信號分量的網絡使有效的信號分離，並將分離後的有效信號乘以可變的權重係數K，計算關係參見下列等式
式中，б-相對於各種金屬和合金的經驗計算係數;
G(t)-已知的在相間邊界外的變形增長的擴散係數;
N-1(t)-電過程檢測的噪聲矩陣的逆陣。
不均勻性增量的實際值可用下列等式計算得出δ △ a =δ △ a2x + δ △a2y]]>△ax，△ay-變形增長的大小和通過計算值與給定值的比較來確定不均勻性特徵數據的分量。
為了獲得所期望的特徵值，可以採用一種帶有初級變換器的裝置，它由「n」個相互電絕緣的固定配置的傳感器組成，這些傳感器用於探測在電荷載流子電流中的電荷密度，該初級變換器包括由導電材料構成的一屏蔽罩的敏感元件和一個電離射束源，它在屏蔽區域內並配置在與敏感元件等距離的位置上，還包括一個位於轉換器的輸出端、並與局部電信號相連接的電腦程式塊，為了提高檢測不均勻性的可靠性和判斷其參數的精確性，在該裝置的屏蔽罩下面裝有屏蔽網以及一個測量穩定化電路，穩定化電路的輸入端接到轉換器的輸出端，並與局部電信號相連，其輸出連到所述屏蔽網上。
為了提高可靠性和精確性和為了縮短過程持續時間，該裝置裝有一個帶有驅動器的並使初級變換器沿待檢測的表面移動的裝置的控制臺，控制臺上配有程序塊，驅動器同上述控制臺相連接。
電腦程式塊的具體實施方式
可以具有不同的裝置的變型。
在一種變更方案中，該裝置包括一個帶程序塊的控制臺和一個指示器，計算機單元可以作為色彩信號的發送器，它的輸入端連接到局部電信號的轉換器的輸出端和控制臺的輸出端，而它們輸出端與指示器相連。
在另一種裝置的變換實例中，該計算機單元可順次由比較器、差異信號計算器，有用信號發送單元，乘法單元和變形增長計算器以及權重係數計算器構成，權重係數19的第一輸入端連接到差異信號計算器的第二輸出端，而其第二輸入端連接到變形增長計算器的輸出端，其兩個輸出端又連接到乘法單元的輸入端。此外該裝置還具有一個電信號的調製器和一個基準信號發生器，基準信號發生器連接到電信號調製器的輸入端，進一步還包括一個期望特徵值發生器，期望特徵值發生器的輸出端則連接到電信號調製器的信息輸入側。信號調製器的輸出端接至比較器的輸入側，此外該裝置還帶有一個識別不均勻性的單元和一個指示器，指示器的第二輸入端與變形增長計算器的輸出端相連，該識別不均勻性單元同指示器串聯後同期望參數發生器的第二輸出端相連接。
一個進一步的裝置改變方案可將兩個計算單元的實施例組合而成。
該裝置裝有帶程序塊的控制臺和顯示器。計算機單元可採用兩子系統的形式，並通過一個轉換開關連接到局部電信號轉換器的輸出端和控制臺。其中第一子系統作為色彩信號的發送器，其輸出與第一顯示器相連接，其控制輸入與控制臺相接。第二子系統包括(每一個依次開斷)比較器差異信號計算器分離有用信號的單元乘法器變形增長的計算器和一個權重係數的計算器，權重係數計算器的第一輸入端連接到差異信號計算器的第生輸出端，其第二輸入端連接到變形增長計算器的輸出端，其兩個輸出端連接到乘法器的控制輸入端。此外第二子系統包括一個電信號的調製器和一個連接到電信號調製器輸入端的基準信號發生器，第二子系統控制一個期望的特徵值發生器，其輸入端連接到變形增長計算器的輸出端，並且它的輸出端連接到電信號調製器的信息輸入端。調製器的輸出同比較器的輸入側相連。第二子系統還控制一個識別不均勻性的單元，它連接到期望的不均勻性的發生器的第二輸出端，變形增長計算器和識別不均勻性單元的輸出端均連接到第二指示器上。
眾所周知，金屬和合金的表面在正常條件下輻射帶電粒子(離子、電子)，它們的發射由於自然條件(如溫度和本底輻射的變化)受到限制，在不均勻性(變形，夾雜物)範圍內來自表面的發射電荷發生量變。然而在生產條件下實際上不可能為了識別分子平面上的微應變而定量確定出固有輻射過程中發射電荷的變化。
前述方法用於確定金屬和合金表層內結構相不均勻性的特徵數據，實現該方法變換的裝置不僅可以實現不均勻性的識別，而且可定量評價其特徵值。實現的方法是增強待檢測表面固有發射的電荷過程，利用其輻射和利用統計學的概率分布方法，並根據該表面的帶電粒子發射的適當的參數計算出不均勻性特徵數據。
附圖清楚地描述了本發明的基本內容，
圖1是根據本發明方法對金屬和合金表層的結構相不均勻性的特徵數據加以確定的裝置的功能圖。
圖2、3和4表示電腦程式塊實施例的可供選擇的方案。
該裝置包括一個由屏蔽2，用於測量在載流子中電荷濃度的敏感元件3和一個電離射線源4組成的初級轉換器1，屏蔽2由導電材料，例如有銅，或能保證待檢測表面屏蔽在一定區域內的任何材料製成。敏感元件3被屏蔽2包圍，二者之間保持電絕緣，並且分別固定配置在待檢測表面的附近。離子射線源4位於屏蔽2下方，與敏感元件3等距離配置，初級轉換器1還包括一個位於屏蔽2下面並包圍住敏感元件3的保護網5，敏感元件的數量在本例中總計為4個。
初級變換器1帶有一個使其沿待檢測表面移動的裝置6，驅動器同控制臺7相連接。
控制臺7帶有一個程序包(圖中未示出)，它保證了該系統既可手動操作，也可根據一個預先給定的程序自動操作。
局部電信號Wi的變換器8用於將敏感元件3接收到的信號轉換成連續的電信號。
局部電信號轉換器的輸出連接到計算機單元11和測量操作的穩定裝置10。穩定裝置10的輸出端還同屏蔽網5相連接。
可以把一個函數變換器用作穩定裝置10，它在輸出端將來自轉換器8輸出的局部電信號變換為算術平均值。
計算機單元根據所量測和轉換的局部電信號確定(計算)表層內結構相的不均勻性的特徵數據。
在圖2所示的第一變換方案中，計算單元11由色彩信號的發送器12組成，發送器12的兩個輸入端分別連接到局部電信號的轉換器8的一個輸出端和控制臺7的一個輸出端，而其輸出端連接到指示器13。
在本發明的第二個變更方案(見附圖3)中，計算機單元11串接有一個比較器14，一個差異信號計算器15，一個分離有用信號的單元16，它由高頻和低頻濾波器組成，一個乘法器17和變形增長的計算器18，以及一個權重係數計算器19，一個基準信號發生器20，一個電信號調製器21，一個期望特徵值發生器22，一個識別缺陷的單元23和一個顯示器24，其中乘法器17的控制輸入連接到權重係數的計算器19的輸出端，計算器19的兩個輸入端連接到差異信號計算器15的第二輸出端和變形增長計算器18的輸出端，計算器18的輸出端又連接至期望參數值發生器22和指示器24的輸入端。期望特徵值發生器22的輸出又與電信號調製器21的輸入側及缺陷識別單元23的輸入端相連。該單元的輸出進一連接到顯示器24的第二輸入側。電信號調製器21的第二輸入側連接到電基準信號發生器20的輸出端，調製器21的輸出端則連接到比較器14的第二輸入端。
本發明的第三個(也是最佳的)變換方案中的計算機模塊11由兩個子系統構成，其中第一個子系統完全按上述第一上述變換方案實現，而第二個子系統則按上述第二個變換方案製成。
在這種情況下，計算模塊附加一個轉換開關25，它的信息輸入連接到局部電信號8的變換器的輸出端。其控制輸入連接到控制臺7，輸出端分別連接到電信號的發送器12的輸入端及比較器14的輸入端。
本裝置的工作原理如下初級變換器1運動經過要檢測的表面，這個表面的一個合適的部分被屏蔽罩2所屏蔽，並且受到來自射線源4的電離輻射。
敏感元件3測出電流中的電荷的濃度，該電流是由被屏蔽的和受到輻射後的表面上的那些區域中電子的發射而產生的，敏感元件3位於其表面上方。
所量測的信號將從敏感元件3傳送到局部電信號變換器8的輸入端。該轉換器8產生一個局部電信號輸出VMi(t，△a)，該信號的大小隨待檢測表面在測量範圍內結構相的不均勻程度的不同而不同。
局部電信號轉換器8輸出信號經穩定測量裝置10轉換成算術器平均值。該裝置10的輸出端同屏蔽網5相連，以便抵消發射過程中的偶然因素的影響。
從轉換器8的輸出端輸出的局部電信號傳送到計算模塊11的輸入側，該模塊確定出不均勻性的存在及其特徵數據。對不均勻性的測定可以在對待檢測表面掃描時進行，並且將初級變換器1按照命令(一個程序指令)移動經過金屬和合金的表面，所述命令從控制臺7發出，用於驅動級變換器1的運動機構。
在第一個變換方案中，局部電信號送至顏色信號發送器的輸入端，相應的從控制如7手動地或自動地發出一個指令，變換器12把接收的局部電信號轉換為一個色碼，並在顯示器17中給出，該顯示器產生一個色彩標度，其顏色與待檢測表面的距離相匹配。
根據這些待測金屬和合金的不同特性和由各種已知因素所確定的不均勻性的預測，所以修改控制臺7的程序，以便對在金屬和合金的待測表面的色彩信號變換器12的工作進行必要的校正。
在該裝置的第二種變換方案中，來自轉換器8輸出端的局部電信號VMi(t，△a)輸送至比較器14的輸入端，在比較器中每個信號與每個給定的值Uoi(t，△
)比較，這些預定值表徵了待檢測表面的各個區域可能存在的不均勻性特徵值。
預定值Uoi(t，△
)按如下方式產生藉助於期望的特徵值22發生器按照物理意義設定不均勻性特徵值的概率值△
(t)，從以前得到的關於待測金屬或待測合金的不均勻性的可能的參數值的經驗結論或統計結果出發進行分析。
使發生器22產生電信號形式的信號△
(t)，並輸送到調製器21的輸入側，在其另一個輸入側接收來自發生器20輸出的基準信號Uoi(t)。這些信號將通過調製器21被信號△
(t)調製。
基準信號的值是常數。它是對一個或其它待測金屬的不均勻性參數評估預測的給定試驗值中選擇得出的。
比較器14的輸出端上給出下列差異信號i＝UHi(t，△a)-Uoi(t，△
)在一個帶有四個傳感元件的初級轉換器實例中，差異信號εi形成在比較器14的輸出端，它可用下列矩陣形式表示ε11＝UH1(t，△a)-Uo1(t，△
)ε12＝UH1(t，△a)-Uo2(t，△
)……ε14＝UH1(t，△a)-Uo4(t，△
)ε21＝UH2(t，△a)-Uo2(t，△
)……ε44＝UH4(t，△a)-Uo4(t，△
)[ε11ε22ε33ε44]或者將差異信號輸送到差分信號15的計算器輸入端，該計算器成對地計算出比較結果的差異程度△Vx＝(ε1+ε2)-(ε3+ε4)△Vy＝(ε1+ε3)-(ε2+ε4)計算結果從計算器15的第一輸出端輸出，經過鑑別有效信號的單元16輸送到乘法器17的第一輸入端。
識別有效信號的單元16包括依次斷開的高頻和低頻信號濾波器，這些濾波器確保將噪聲分量從接收的信號中分離出去。
在成對地計算比較結果的差異信號△Vx，△Vy的同時，在差異信號計算器15的第二輸出端分離出差異信號εi的最小值，該信號又輸入到權重係數計算器的輸入側(ε11ε22ε33ε44)。
所計算得到的權重係數的實際值從計算器19輸出到乘法器17的控制輸入端，乘法計算器將信號△Vx，△Vy與權重係數Kij(t，△a)的計算值相乘，將相乘的結果△Vx·Kij(t，△a)N△Vy·Kij(t，△a)輸送到變形增長計算器18的輸入端δ△a。
計算器18由等式δ △ a =δ △ a2x + δ △a2y]]>計算出變形δ△a的增加量。
將變形增長的計算值輸送至顯示器24的輸入端及輸入到期望的變形值發生器22內，該發生器校正所期望的變形值△
(t)，上述變形增長計算值還輸入到權重係數計算器19中。
權重係數的實際值Kij(t，△a)可由下列微分等式計算出
根據變形增長的大小，並且考慮前述要檢測金屬或要檢測合金的性能的說明，缺陷識別單元23確定出不均勻性的類型及其特徵數據的值。這些特徵數據以一種相應的代碼形式輸入到顯示器24。
根據第三種變換方案所造成的設備其特殊性在於將上述兩個實施方案組合在一起，從而使不均勻性特徵數據由一個子系統加以確定一次，又由另一子系統確定一次，這兩個子系統相互獨立工作，關於這類子系統操作的說明完全同上述的實施方案中的裝置的操作相一致。
利用控制臺7可選擇手動或自動完成計算不均勻性特徵數據的操作。
轉換開關25接收從控制臺7發來的指令，並根據該指令轉換變換器8的輸出或者連接到顏色信號發送器12的輸入端，或是連接到比較器14的輸入端，接著根據上述描述的方法測定出不均勻性的特徵數據。
權利要求
1.一種用於測定在金屬和合金的近表層內結構相不均勻性特別是微應變的特徵數據的方法，包括從外部包圍待檢查一表面的屏蔽，採用離子射線輻射所屏蔽的表面產生發射電荷，並且測量出表徵所屏蔽表面電離過程的電參量，其特徵在於把電流載流子電荷作為測量的電參數，這些電荷是在待測表面的n個任選的區域中由故有的或激勵的(由輻射引起的)載流子電荷的發射引起的，將測量出的電荷濃度的n個實際值轉換成「n」個局部的電信號(對應於那個屏蔽表面的區域的數目)，根據這些信號測定出不均勻性的特徵值，這裡的「n」≥2。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於對所屏蔽表面輻射和量測電流載體中電荷濃度的過程是穩定化的過程，並且利用電場對輻射和量測範圍的作用實現這一穩定性，由場的強度與「n」個局部的電信號的算術平均值成比例，這些局部電信號是通過使電荷濃度轉換成實際測量值而獲得的。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述對待檢測表面的屏蔽和相應的輻射，以及通過掃描所檢查表面對在發射電流載體中電荷濃度的測量，均是由一個預先給出的程序所實現的。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於不均勻特徵數據的測定是將「n」個局部電信號轉換成一個顏色代碼，利用所收到的色彩標度的顯示，通過顏色分量與給定值相比較來測定不均勻性的特徵數據。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於不均勻性特徵數據測定是通過將「n」個局部電信號中的每一個與計算出的各自預定值相比較而獲得的，這些預定值表徵了待檢查表面可能存在的不均勻性的特徵，從而估算出差異信號的最小值，並分離出具有高頻和低頻分量的有效信號，將這個有效信號與變換的權重係數相乘，其計算如下
式中6-相對於各種金屬和合金的經驗計算的係數;G(t)-已知的在相間邊界外的變形增長的擴散係數;N-1(t)-電過程檢測的噪聲矩陣的逆陣;不均勻性增量的實際值可用下列等式計算得出δ △ a =δ △ a2x + δ △aay]]>△αX，△αy-變形增長的大小的分量，通過計算值與給定值的比較來確定不均勻性參數。
6.一種裝置，包括一個初級轉換器1，它由一個導電的屏蔽2，一個電離射線源4和一個慢參數測量器3組成，該測量器裝在被屏蔽的範圍內，其特徵在於該裝置還具有一個計算模塊11和一個局部電信號轉換器8，電參數的測量器是「n」個電氣絕緣且相互分開固定配置的用於測量在載流子中電荷的濃度的敏感元件;輻射源相對於各敏感元件以相同的距離配置，這些敏感元件通過局部電信號的轉換器同計算模塊11相連。
7.權利要求6所述的裝置，其特徵在於還具有在屏蔽下面安裝的屏蔽網5和測量過程穩定裝置10，它的輸入端連接到局部電信號轉換器8的輸出端，其輸出端同保護網5相連接。
8.所述設備其特徵在於還裝有一個使初級變換器1沿著待檢查表面移動運行的驅動器機構6和帶有一個程序模塊的控制臺7，機構6的驅動裝置連接到控制臺7上。
9.所述裝置其特徵在於還裝有一個帶計算分程序的控制臺7和顯示器13，該計算分程序11採用色彩信號發送器12形式，該發送器12的輸入端連接到局部電信號轉換器8的輸出端及控制臺7臺上，而其輸出端與顯示器13相連。
10.所述設備其特徵在於所述計算分程序採用(依次開關的)比較器14，差異信號的計算器15有效信號識別裝置16，乘法器17，變形增長計算器18和權重係數器19，它的第一輸入端連接到差異信號計算器15的第二輸出端，而第二輸入端連接到變形計算器18的輸出側，計算器19輸出連接同乘法器17的控制輸入相連，計算分程序還包括一個電信號調製器21，一個基準信號發生器20，基準信號發生器同電信號調製器21的輸入端相連接，一個特徵期望值發生器22，它的輸入連接到變形增長計算器18的輸出端，它的輸出同電信號調製器21的信息輸入端相連，調製器21的輸出與比較器14的輸入接口，此外該計算分程序還包括識別不均勻性的裝置23和一顯示器24顯示器24的第二輸入端與變形增長計算器18的輸出相連接，發生器23和顯示器24串連後同特徵期望值發生器22的第二輸出端相連。
11.所述裝置其特徵在於它裝有一個控制臺7包括程序塊和顯示器13，24，計算模塊採用兩個子系統形式，它們通過一個轉換開關25接到局部電信號轉換器8的輸出端，並且與控制臺7相連，第一於系統採用色彩信號發送器12的形式，其輸出連接到第一顯示器13上，其控制輸入還接到控制臺7上。第二子系統包括下列串聯的裝置比較器14，差異信號計算器15，有效信號分離器16，乘法器17，變形增長計算器18和權重係數計算器19，計算器19的第一輸入接至差異信號計算器15的第二輸出端，而其第二輸入接至變形增長計算器18的輸出，計算器19輸出端同乘法器17的控制輸入端相連。第二子系統還包括電信號調製器21和其準信號發生器20基準信號發生器20同電信號調製器21的輸入端相連，還包括一個期望特徵值發生器22，其輸入端連接到變形增長計算器的輸出端，其輸出端則連接到電信號調製器21的信息輸入端，控制器21的輸出又連接比較器14的輸入端，此外第二子系統還包括一個識別不均勻性的單元23，它接在特徵期望值發生器22的第二輸出端，變形增長計算器18的輸出和識別不均勻性單元23的輸出端均連接到第二指示器上。
全文摘要
本發明涉及確定和測量金屬和合金近表層內結構相的不均勻性參數的方法，包括用電離射線射輻屏蔽後的待檢查表面，量測在載流子中電荷的濃度，同時將那些對應屏蔽表面任選的「n」電荷轉化成局部的電信號，它們通過信號處點的差值而確定，處理接收到的信號，從而確定不均勻性參數。
文檔編號G01N23/22GK1096876SQ9310954
公開日1994年12月28日 申請日期1993年6月22日 優先權日1992年6月22日
發明者瓦勒裡·S·康德拉特株, 阿克帝·桑尼寇, 維克託·E·沙特尼庫 申請人:地產經營和信託公司