Устройство для контроля качества поверхности изделий из электропроводящих материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N27/90 

Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение конструкции.

Указанная цель достигается благодаря тому, что в устройстве для контроля качества поверхности изделий из электропроводящих материалов, содержащем высокочастотный генератор прямоугольных импульсов тока, подключенный к нему преобразователь, выполненный в виде четы- рехплечего моста с дифференциальным трансформаторным выходом, в смежные плечи которого включены-, идентичные измерительный и компенсационный элементы, общая точка которых является входом моста, а средняя точка первичной обмотки трансформатора соединена с шиной нулевого потенциала, экранирующий электропроводящий элемент, взаимодействующий с измерительным и компенсационным элементами, а также подключенные к вторичной обмотке транс форматора последовательно соединенные синхронный детектор, синхронизирующий вход которого подключен к выходу генератора, и регистрирующий блок, экранирующий элемент выполнен в виде плоской пластины с сквозным отверстием, соединен с шиной нулевого потенциала и является рабочей поверхностью преобразователя, измерительный, компенсационный элементы и первичная обмотка трансформатора выполнены в виде двух параллельных линейных проводников, расположенных в плоскости, параллельной экранирующей пластине, вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде двух параллельных линейных проводников, расположенных в плоскости, параллельной пластине и содержащих участки, параллельные линейным проводникам первичной обмотки трансформатора, одни концы проводников вторичной обмотки объединены и соединены с экранирующим элементом, а отверстие пластины расположено под измерительным элементом.

На чертеже приведена схема устройства для контроля качества поверхности изделий из электропроводящих материалов.

Устройство для контроля качества поверхности изделий из электропроводящих материалов содержит высокочастотный генератор 1 прямоугольных импульсов тока, подключенный к нему преобразователь 2, выполненный в виде четырехплечего моста с дифференциальным полосковым трансформатором 3 на выходе и с включенными в смежные плечи измерительным 4 и компенсационным 5 элементами, выполненными в виде двух параллельных проводников, общая точка которых является входом преобразователя, а концы соединены с первичной обмоткой 6 трансформатора 3. средняя точка которой соединена с шиной нулевого потенциала, а вторичная обмотка 7 трансформатора является выходом преобразователя, экранирующий электропроводящий элемент 8, выполненный в виде плоской пластины, параллельной плоскости преобразователя 2, с сквозным отверстием 9,

0 расположенным под измерительным элементом 4, синхронный детектор 10, информационные входы которого соединены с выходом преобразователя 2, а синхронизирующий вход - с выходом генератора 1, и

5 регистрирующее устройство 11, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, а выход является выходом устройства, контролируемая проводящая поверхность 12 располагается непосредст0 венно под экранирующей проводящей пластиной 8.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 формирует прямоугольные

5 импульсы тока с крутыми передними и задними фронтами, Выходной ток генератора распределяется между проводниками измерительного 4 и компенсационного 5 элементов, расположенными на минимальном

0 удалении от экранирующей пластины 8, пропорционально их индуктивности, величина которой определяется отношением магнитного поля, связанного с указанными проводниками, к протекающему по ним

5 току. Магнитное поле проводников 4 и 5 формируется током генератора 1 и индуцированными токами, протекающими по экранирующей проводящей поверхности 8. Благодаря вычитанию полей токов провод0 никое 4 и 5 и полей индуцированных токов в проводящей поверхности магнитное поле локализуется вблизи проводников при условии, что они проходят на малом расстоянии по сравнению с толщиной проводника от

5 этой поверхности. Поскольку индуцированные токи возбуждаются импульсами магнитного поля с крутыми фронтами, то глубина их проникновения в поверхность 8 мала, . магнитное поле под проводящей поверхно0 стью 8 отсутствует и не взаимодействует с исследуемой проводящей поверхностью 12. Такое взаимодействие имеет место только под отверстием 9, где между проводником 4 и исследуемой проводящей поверхность 12

5 отсутствует экранирующая проводящая поверхность 8.

Импульсное поле, воздействующее на исследуемую проводящую поверхность 12, формируется за счет вычитания полей токов, протекающих по проводнику 4 и экрапирующей поверхности вокруг отверстия 9. Его интенсивность падает при условии увеличения расстояния между проводящими поверхностями 8 и 12, а именно вблизи проводника 4 и пропорционально квадра- ту расстояния в удаленной зоне от проводника.

Поле, локализуемое отверстием 9, воздействует на исследуемую проводящую поверхность 12, вызывая в ней индуцированные токи, которые также создают магнитное поле, направленное встречно полю тока излучаемого проводника, что проявляется в увеличении индуктивности проводни- ка 4 на участке пересечения им отверстия 9. Если однородность проводящей поверхности 12 будет нарушена в зоне отверстия 9, то величина индуцированных токов изменится, что проявляется в модуляции величи- ны индуктивности проводника 4.

Модуляция индуктивности вызывает модуляцию величины тока в проводниках 4 и 5 за счет перераспределения тока генера- тора 1 между ними. Появление разности токов между проводниками 4 и 5 приводит к появлению разностного сигнала, индуцируемого на индуктивно связанных участках проводников первичной обмотки б транс- форматора 3 и проводников вторичной обмотки 7. Разность напряжений, пропорциональная величине модуляция тока, усиливается синхронным детектором 10. Его особенность состоит в том, что усиленное напряжение формируется в результате суммирования напряжений, которые индуцируются в проводниках 7 на переднем и заднем фронтах импульсов, тока возбуждения проводников 4 и 5. Суммирование обеспечива- ется благодаря синхронизации детектора 10 генератором 1 импульсов тока. Усиленное напряжение отображается в регистрирующем устройстве 11, выполненном, например, в виде аналого-цифрового преоб- разователя.

Рассчитаем чувствительность устройства контроля в функции пространственного разрешения. Предположим, что локализую- щее отверстие 9 имеет диаметр d 20 мкм, амплитуда тока возбуждения в каждом из проводников 4 и 5 IB 1 А, фронт импульса тока Тф 10 не, при расстоянии между проводящими поверхностями 8 и 12, равном 20 микрон, коэффициент модуляции индуктивности 5i 0,2, погонная индуктивность проводника над отверстием 9 Lo 0,35-109 Гн/мм.

Амплитуда индуцированного импульсного напряжения на входе усилителя равна

и„

U d 1а д

Тф

140 мкВ.

Порог чувствительности синхронных детекторов A U 2,5 мкВ. При этом порог чувствительности устройства контроля к неоднородностям проводящей поверхности равен

dnop 2,7 мкм. . Um

.

Это на три порядка ниже чем порог чувствительности известных устройств. Следовательно, предлагаемое устройство может быть использовано для обнаружения нео- днородностей проводимости с размерами до нескольких микрон, а минимальные размеры измеряемых неоднородностей с погрешностью в несколько микрон составляют десятки микрон.

Кроме высокой чувствительности обнаружения неоднородностей проводящих поверхностей предлагаемое устройство контроля имеет следующие преимущества перед аналогичными устройствами.

Простота изменения конфигурации зондируемого участка исследуемой поверхности, которое осуществляется посредством изменения формы отверстия в экранирующей проводящей поверхности.

Простота конструкции, высокая точность изготовления и повторяемость конструктивных элементов, благодаря возможности применения интегральной планарной технологии фотолитографии для изготовления устройства контроля.

Возможность работы в дифференциальном режиме, когда локализующие отверстия в экранирующей поверхности располагаются под обойми излучающими проводниками, а выходной сигнал чувствительного элемента пропорционален разности величин неоднородностей.

Возможность применения матриц зондирующих отверстий и чувствительных элементов с целью повышения скорости контроля проводящих поверхностей.

Возможность контроля толщины проводящих поверхностей, если она не превышает глубины проникновения индуцированных токов на фронтах излучаемого магнитного поля.

Контроль неоднородностей проводящих поверхностей с диэлектрическим равномерным покрытием, что упрощает также позиционирование чустройства относительно исследуемой поверхности.

Технико-экономические характеристики предлагаемого устройства контроля проводящих поверхностей позволяют определить преимущественные области его применения. К ним относятся диагностика и контроль материалов и изделий. В области диагностики становится практически разрешимой задача контроля в рабочем режиме сильно нагруженных трущихся поверхностей, например, валов подшипников скольжения. В области контроля предлагаемое устройство целесообразно использовать для обнаружения поверхностных дефектов лопаток турбин, размерного контроля проводящих элементов печатных плат, бесконтактного измерения и сортировки шариков для подшипников.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Устройство для контроля качества поверхности изделий из электропроводящих материалов, содержащее высокочастотный генератор прямоугольных импульсов тока, подключенный к нему преобразователь, выполненный в виде четырехплечего моста с дифференциальным трансформаторным выходом, в смежные плечи которого включены идентичные измерительный и компенсационный элементы, общая точка которых является входом моста, средняя точка первичной обмотки трансформатора соединена с шиной нулевого потенциала, экранирующий электропроводящий элемент, взаимодействующий с измерительным и

компенсационными элементами, а также подключенные к вторичной обмотке трансформатора, последовательно соединенные синхронный детектор, синхронизирующий вход которого подключен к выходу генератора, и регистрирующий блок, отличающееся тем. что, с целью повышения чувствительности и упрощения конструкции, экранирующий элемент выполнен в виде плоской пластины со сквозным отверстием,

соединен с шиной нулевого потенциала и является рабочей поверхностью преобразователя, измерительный, компенсационный элементы и первичная обмотка трансформатора выполнены в виде параллельных линейных проводников, расположенных в плоскости, параллельной экранирующей пластине, вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде двух параллельных линейных проводников, расположенных в

плоскости, параллельной пластине и содержащих участки, параллельные линейным проводникам первичной обмотки трансформатора, одни концы проводников вторичной обмотки объединены и соединены с экранйрующим элементом, а отверстие пластины расположено под измерительным элементом.