63813 (Электрические и магнитные методы контроля РЭСИ)

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

на тему:

«Электрические и магнитные методы контроля РЭСИ»

МИНСК, 2008

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.

В зависимости от размеров выявляемых поверхностных дефектов устанавли­ваются три условных уровня чувствительности указанные в таблице 2

Таблица 2

Уровни чувствительности магнитопорошковых методов.

Магнитопорошковый метод контроля предусматривает следующие техноло­гические операции: