1、汽车铝零件质量无损检测仪的研制与应用胡建华（嘉应学院电子信息工程系 广东 梅州， 514015）摘 要 随着铝合金在工业领域的广泛使用，而 涡流检测法成为目前铝合金质量检测较为广泛的方法。应用电涡流设计出新一代快速无 损检测仪。介 绍了仪表的工作原理、硬件电路设计和软件设计，对差动式传感器及检测机理 进行了重点介绍， 详细分析了各 电路功能模块。此仪表的应用，提高了检测速度和准确度，具有很好的 应用前景。关 键 词 铝合金、电导率、涡流 检测1概述铝合金多用于汽车关键部件，如气缸、活塞、车轮等。熔炼时应对其变质，改变其中硅的生长方式以提高合金力学性能。长期以来，炉前变质效果的好坏及是否长期有效
2、受到关注，其直接关系到批量产品生产时的整体水平。多元钠变质剂具有高效但不长效的双重特性，因此，同一炉次的合金熔液生产的铸件性能相差很大，试验表明，变质较好的试件抗拉强度达 20Mpa较差的为 230Mpa，显然对于与试件同一时间浇注的铸体，因冷却速度慢得多，其抗拉值极可能低于标准值。因此，对铝硅合金不仅能做到炉前预测，而且还需实现对产品作全部无损检测，研究并应用该技术，将有利于铝硅合金零件成批件成批整体性能的提高。2检测原理21 铝硅合金电导率的变化因素由金属的导电性可知,其导电能力取决于参与导电的有效电子数和散射率。一方面金属单位体积内有效电子数越多，则金属的电导率越高。另一方面散射率小，则
3、电导率高。对于铝合金，主要由其散射率来决定其导电能力的大小。合金在变质前的组织中，初晶 较少，其晶体中的共晶硅为长针状（实际为大片状） ，这是硅的形状不利于电子的顺利导通，客观上表现为导电性能差；合金液经过变质处理后，结晶组织发生了变化，初晶 发达、数量增多，导电性能接近纯铝，同时共晶硅变为点状（实际为分支较多的短杆状） ，这时就改变了材质的导电性能，使电子能顺利通过，电导率得到提高。铝零件质量无损检测仪就是利用合金电导率的变化来反映其金相组织变化，进而确定铝硅合金的强度。铝硅合金变质前后的电导率的试验结果见表 1表 1 铝硅合金电导率试验结果 试样编号 处理状态 电导率 K（m/mm 2）-
4、1-2-312345678未变质未变质未变质已变质变质 10min 后变质 20min 后变质 30min 后变质 35min 后变质 40min 后变质 45min 后变质 50min 后18.7016.6717.4323.9623.2425.5623.9621.3019.1718.7017.43从表 1 中的数据变化化规律可知,随着变质剂加入后,合金凝固后的电导率明显提高,并随停留时间延长,电导率上升。停留时间为 20 分钟电导率达最高值；时间再延长,电导率随时间加长而2下降,电导率这一变化规律与铝硅合金变质后的力学性能变化有着对应关系。即电导率上升阶段，合金的力学性能也提高；变质以后及更
5、长时间，由于变质衰退，电导率降低，与其相对应合金的力学性能也下降。由此可知，利用电导率的变化来判别合金的变质效果是可行。使测量铝合金的强度成为事实。22 利用电涡流检测原理检测铝 合金直接检测电导率工艺复杂、速度慢、因而不能适应炉前快速检测要求。经过分析试验，可以通过电涡流法对铝合金检测出相应的强度值来确定其质量。此方法具有快速、准确、稳定等无损检测的优点。金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，这种现象称为电涡流效应。电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器，电涡流传感器可分为高频式传感器和低频传感器，但它们都是基于法拉第电磁感应原
6、理。因此，不同电导率的铝合金置于磁场中将产生不同的电涡流成为采用涡流法检测铝合金质量强度根本依据。图 1 为电涡流式传感器线圈的原理，由传感器线圈和被测导体（铝硅合金）组成线圈导体系统。当传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 H1，使置于此磁场中的铝硅合金导体中感应电涡流 I2， I2 又产生亲的交变磁场 H2。根据愣次定律，H 2 的作用将反抗原磁场 H1，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化，即由于 H2 的产生，使线圈内磁场减弱，磁通量下降，如采用是变压器式线圈，该线圈中的感应电势将发生变化，电导率大的铝合金试样涡流大，反向磁场大，反向磁通量多，原磁场减小的
7、程度就大，则次级线圈的感应电势就小；反之电导率小的试样，感应电势就大。因此，从次级线圈的感应电势变化可以分析合金变质效果的差异，进而可以确定其质量的相对强度。由此可知，线圈阻抗的变化完全正确取决于铝硅合金导体的电涡流效应。但是电涡流效应既与被测物的电阻率 、磁导率 、以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激励电流频率有关，还与线圈与导体间的距离 x 有关。因此，传感器线圈受电涡流影响的等效阻抗 Z 的函数关系式为：Z=F（ ， ， ， f， x）从等效阻抗 Z 可知，有多个因素间接地影响次级线圈的感应电势，但涡流检测的灵敏度很大程度上依赖于试验频率。在对不同材质、形状和尺寸的试件进行涡流检
8、测时，都必须依据它们各自的特性选取。 图 1. 磁场与试样中涡流 图 2.差动变压器式1.次级线圈 2.初级线圈 3.试样 4 塑胶管 1.参比传感器 2.检测传感器23 实际应用变动式变压器涡 流传感器本装置采用了自制差动变压器式涡流传感器（图 2 所示） ，以克服温度升高、电源波动、激3励不稳定及其它电磁波的干扰。丙个变压器式传感器中分别插入试样和检测试样，当丙个传感器的次级感应电势相等时，差动连接输出电信号为零，说明检测试样与参比试样的材质相当；若输出电信号发生急剧变化，说明被检测试样与参比试样的金相组织有较大的差异，试样强度不符合标准。24 汽车铝零件质量无损检测仪 的工作原理由于传感
9、器产生的信号很弱，改变必须经过一系列的处理，才能以数字的形式直观地反映铝合金材料的质量强度。为此，经过多次试验，设计和研制了铝合金强度检测电路，见图 3 电路方框图。信号的流程为激励方波信号经过带通和功放形成 125Hz 正弦波送给传感器，传感器的检测信号经过放大、检波、比较后分别把信号输给模数转换电路和数字电压表，并进行强度和监测信号显示。图 3 汽车铝零件质量无损检测仪电路原理方框图3检测结果与分析通过设计有关程序以满足在实际应用中铝合金质量强度值范围。本仪表设置的强度显示值为：1931kg f /mm2，当所检测试件强度值在 2030 kg f /mm2 范围内是产品合格,此产品允许投入
10、使用,其对应的监测信号就在 2801100 之间；当强度值显示为：00 或 19 时，表示试件小于20，产品不符合要求；当强度值显示为：31 或 FF 时，表明强度过了，应调整生产方案。从金相组织与信号对应关系来看，强度值 2030 kg f /mm2 存在确定性的粗片状硅向短杆状硅直至细点状硅变化的规律，即电导率由低向高变化。经过多次检测试验如表 2、3、4、5 所示。表 2 六级试样检测结果 表 3 一级试样检测结果 时间min强度 kg f /mm2监测信号 mv 强度 kg f /mm2监测信号 mv206080100120140160 202020202021212802812822
11、81282281283303030303031311000100110021001100310041005表 4 不 合 格 试 样 检 测 结 果 表 5 不 合 格 试 样 检 测 结 果 4时间min强度 kg f /mm2监测信号 mv 强度 kg f /mm2监测信号 mv206080100120140160 3131FFFFFFFFFF11001101110211011103110411040000191919191900263265266266267由表 2、3 数据可看出， 检测一级、六级试件时，强度显示值历经两个多小时后仍为20、30。表明该仪表在相当长的一段时间内是处于稳定
12、，从监测信号还可以看出仪表的准确性，虽然数字电压表的数据不断的变化，但我们知道监测信号的单位是毫伏级的，即由于受到外界电磁波、机箱温度、和传感器与试件接触位置等因素的干扰，信号在不断地变化，但强度保持准确的强度值。当检测不合格试件时，强度值显示 00、19、31、FF。当传感器没有检测到任何东西时显示为 00，对应的监测信号也为 0；若检测到低于六级试样时，强度值为 19；如材质电导率过大，反磁通量大时，强度显示值为 31 或 FF。并保持良好的稳定性、准确性。参 考 文 献1 曾 辉 铝 硅 合 金 变 质 效 果 检 测 仪 的 研 制 与 应 用 铸 造 1997， 2： 41432 曾 辉 ZL108 合 金 变 质 效 果 的 涡 流 检 测 无 损 检 测 1999， 21（ 4)3 曾 辉 汽 车 铝 硅 合 金 变 质 效 果 的 三 种 检 测 方 法 武 汉 汽 车 工 业 大 学 学 报 1999， 21（ 1）4 曾 辉 涡 流 法 判 断 铝 硅 合 金 活 塞 变 质 效 果 的 方 法 内 然 机 工 程 2000， 35 罗明旭 铝合金质量双频涡流检测仪的研制哈尔滨理工大学大学学报 1999，4（6）
