автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Программное обеспечение и алгоритмы контроля параметров тонких электропроводящих покрытий

ГТЗ О Л 1 1 НОЯ 1886

На правах рукописи

Чинь Суан Жао

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И АЛГОРИТМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОМ ТОНКИХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ НОКРЫ 1'ИЙ.

Специальность: 05.1 1.05 - Приборы и методы измерения

•»лектрических и млгнитпых исличин. Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля нс-ществ. материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1996

Работа выполнена на кафедре электроюхники и интроскопии Московского тнергетического инештута. (технический униперситст)

Научный руководитель : к.т.п.. доцент Л.Л.Чернов

Официальные оппоненты : д.т.н.. профессор П.Н.Шкатов.

к.т.п.. доцсш И.И.Карано».

Ведущая организация ВЭИ. г.Москва.

juii(m i a cut щи i см /3 "HofifJt -I iiu шссдппии

диссертационного совета К.053.16.10 в МЭИ по адресу: I I 1 250. москпп. КрПСИОКП ШрМСПНН н vii д. 1-1. и «уд »5

Отзывы. заверенные печатью, просим присылать по адресу : 111250. Москва. Красноказарменная ул., д.14. Ученый Cobci МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться н библиотеке МЭИ. Автореферат разослан "

7¿> "ÜvjÍS/Я I 996г.

Ученый секретарь диссертационного совета К.053.16.10 к.т.н.. доцент

оыцля характеристика работы

Актуальность. Научно-технический прогресс требует непрерывного совершенствования средств и методов контроля качества и диагностики материалов, продукции на всех стадиях промышленного производства, эксплуатации и ремонта этой продукции. Одной из задач, довольно часто встречающихся в электронной технике, машиностроении и других отраслях науки и техники является задача контроля тонких поверхностных слоев.

!>то может быть задача контроля структурного состояния гонких (до Ю-=-15мкм) поверхностных слоев, в которых наблюдается концентрация напряжений, развитие микродефектов, задача контроля отслоений защитных латунных покрытий толщиной (50-гЮ0мкм) на обеих сторонах стальных листов типа ТАМПАК. контроль фольгиронанных материалов, тонких покрытий на изделиях микроэлектроники и т.д.

В настоящее время эти задачи контроля решаются недостаточно удовлетворительно. как с точки зрения надежности существующих методов и устройств. гак и с метрологической точки зрения. Акустические методы являются контактными, что в некоторых случаях нежелательно, кроме того, наличие "мертвой зоны" акустических пьезопреобразователей препятствует надежному измерению малых толщин. Радиационные методы надежны и имеют хорошие метрологические характеристики, но требуют биологической защиты, кроме того они мало чувствительны к узким дефектам типа расслоений.

Предлагаемый для решения этой задачи вихретокотепловой метод и разработанные алгоритмы вполне работоспособны и показали удовлетворительные результаты.

В диссертационной работе Ю.Л.Плотникова показана принципиальная возможность и изложены общие соображения о реализации способа раздельною кощроля удельной элскфичсской пронодимоои и юлщины юнких (до ЮОмкм) покрытий. Однако в работе не предложены инженерные способы и программное обеспечение для реализации вышеупомятого способа раздельного контроля.

Целью данной работы является разработка алгоритмов функционирования и программного обеспечения приборов для контроля параметров топких по-крьпий мн основе вихрегоковмх и лиловых методов и решения возникающих при этом теоретических задач.

В соответствии с этим в диссертационной работе поставлены следующие задачи :

- Создать приборы и установки для структуроскопии и толщинометрии, поиска участков общения тонких электропроводящих покрытий на изоляционном основании.

- Провести анализ распределения импульсных вихревых токов и расчет нестационарной тепловой волны (НТВ) тонкого -электропроводящею покрытия на изоляционном (или электропроводящем) основании, исследование параметров НТВ в зависимости от электро- и теплофизических характеристик покрытия и основания и режима контроля.

- Проанализировать характеристики НТВ при наличии дефектов отслоения покрытий от основания и разработать алгоритм выделения сигналов от дефектов.

- Составить программное обеспечение алгоритмов раздельного контроля толщины, электропроводимости и структурного состояния тонких покрытий.

- Провести экспериментальные исследования для подтверждения и дополнения теоретических положений.

Методы исследования . Теоретический анализ задач диссертационной работы сделан с привлечением методов решения дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности, преобразований Лапласа и Бесселя, функций Грина. Экспериментальные исследования проводились как для подтверждения теоретических выводов, так и для выяснения положений, которые трудно анализируются теоретически. Программное обеспечение предложенных способов контроля базируется на алгоритмических языках высокого уровня.

Научная новизна работы заключается в следующем.

- Впервые проанализировано распределение вихревых токов в тонкой проводящей пластине, возбуждаемых гармоническим током витка радиуса и покачано, чт и диипазопс рабочих значений зазора 11ц между объектом контроле и преобразователем радиус максимальной плотности вихревых токов Км^Кн что уючняет принятые ранее значения (Км«1?п'0.75Н).

- Впервые проведено аналитическое решение задачи возбуждения неста ционирной 1еиловой полны (НТВ) импульсными вихревыми юкими, являю щееся основой численного расчета параметров НТВ.

- Предложен метод кощроля оснспи сцепления топкого проводящего по крытия с изоляционным основанием и обнаружения участков отслоения по

крытия от основания.

Положения выносимые на защиту:

- Комплексное использование нихретокового и теплового методов позволяет реализовать способ определения степени сцепления проводящего покрытия с изоляционным основанием и определения участков отслоения покрытия от основания.

-Программное обеспечение алгоритма выявления участков отслоения тонкого проводящего покрытия от изоляционного основания обеспечивает работу автоматизированного прибора.

- Метод и программное обеспечение контроля структурного состояния немагнитных покрытий пугем оперативного определения коэффициента температуропроводности.

- Программное обеспечение инженерного алгоритма раздельного контроля удельной электрической проводимое™ и толщины тонких покрытий.

- Радиус Ям контура максимальной плотности вихревых токов, возбуждаемых гармоническим током кругового витка радиуса Ив, в проводящем покрытии Им^Кп в диапазоне зазора 11 н ~~ (О,1 -Ю.б)!^ между плоскостью витка и покрытием.

Практическая значимость заключается в разработке теплового дефектоскопа покрытий ТДП-1 для ВЭИ им. Ленина, что позволило отработать технологию производства полупроводниковых резисторов (варисторов).

Для проведения учебных и научно-исследовательских работ на кафедру передана моделирующая программа для исследования на ПК основных характеристик и особенностей вихретокотеплового метода неразрушающего контроля и алгоритмов, предложенных в диссертационной работе.

На основе патента на изобретение разработана структурная схема индикатора качества сцепления тонкого покрытия с изоляционным основанием.

Достоверность результатов, изложенных в диссертации. Основные научные положения и алгоритмы полученные в работе, подтверждены результатами экспериментальных исследований, проведенных в лаборатории кафедры, и результатами моделирования. Результаты внедрения прибора ТДП-1 и моделирующей программы подтверждены актами, приложенными к диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

- VI межвузовская конференция стран СНГ "Современные методы и сред-

сша электромагнитного контроля и их применения н промышленности (Могилев, республика Беларусь, 1995).

- XIV Российской научно-технической конкуренции " Псразру тающий контроль и диагностика " (Москва, 1996).

Публикации.Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Основная часть диссертации составляет 172 страниц машинописного текста, из которых 79 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 113 наименования использованных источников. Приложение содержит 17 страниц приложения.

содержание диссертации

В первом разделе проведено рассмотрение основных методов, способов и устройств для контроля параметров тонких (до 200 мкм) покрытий : толщины, структурного состояния, степени сцепления и отслоения покрытий от основания.

Контроль структурного состояния производится путем измерения удельной электрической проводимости, коэффициента температуропроводности и (или) других электро- и геплофизических характеристик, величина которых коррелирует с параметрами структурного состояния.

Для контроля поверхностных слоев и очень тонких покрытий (до 10-г15мкм) используется разрушающие и неразрушающие методы. Основная сложность измерения толщины таких покрытий заключается в неопределенности понятия толщины для таких покрытий. В связи с этим вводится понятие весовой, оптической, электрической толщины. Электрическая проводимость покрытия сильно отличается от проводимости массивного металла и раздельный контроль толщины и проводимости таких покрытий затруднен.

Применение комбинированных методов - электрического и теплового, например. позволяв! осуществить раздельное измерение толщины и электропроводимости тонких покрытий, по реализация меюда сопряжена с трудностями изготовления и использования контактного измерительного устройства и получе шя удовлетворительных метрологических характеристик.

'['силовой неразрушающий контроль используется в основном для дефектоскопии многослойных конструкций (обнаружение расслоений, непроклесв и

т.п) в композиционных материалах. Широко используются тепловизиониые системы с обработкой результатов на ЭВМ, что повышает надежность, метрологические и сервисные характеристики приборов и устройств. Однако применение этих систем для контроля отслоений, например, фольги в фольгиро-ванных материалах сопряжено со значительными трудностями организации процесса импульсного нагрева при активном тепловом контроле (ЛТК).

И.В.Сергеевой предложено использовать ЛТК для целей толщиномерии. проведенные экспериментальные исследования показали удовлетворительные рсчулмшм.

Тепловые меюды исполыукпся для измерения тоилофизичсских величин, а 1акжс для оценки структурного состояния, мерой которого может служить величина коэффициента температуропроводности. Необходимо отмстить, что су-щес|иую|цис меюдм и приборы используют для шких измерений образцы специальной формы и требуют большого времени для проведения измерений.

Контроль степени адгезии или и простейшем случае отслоения покрытий может производиться различными методами, наиболее употребительными из которых являются акустический, тепловой, механический или, что наиболее перспективно, комбинированные. Дли многослойных изделий со слоями до-сшючной толщины хорошие метрологические кирактсрисшки имени акуеш-чсскис методы и приборы с использованием зеркального или зеркально-теневого методов. Однако все эти методы встречают значительные трудности при контроле отслоений или степени адгезии тонких поверхностных покрытий.

На основании проведенного анализа наиболее употребительных методов и средств контроля параметров гонких электропроводящих покрытий выявлена ■енденция перепективности комбинированных (в частности, вихрстокотсплово-о) методов, сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе проведен общий анализ вихретокотеплового прсобра-юватсля (ВТТП), состоящего из токовой (радиуса Кц) (индуктор) и располо-кенной соосно измерительной катушек, образующих вихретоковый преобразо-1атель (ВТП) и расположенного по их оси (или смещенного) теплового датчика ТП), преобразующего изменение температуры в электрический сигнал. По то-говой катушке циркулируют мощные радиоимпульсы тока ¡в длительностью ти 0,1-Я),2с), которую выбирают намного меньшей характеристического времени еплового процесса (тн "К'ге'а. где а - температуропроводность металла порытая).

Линии юка на поверхности юнкой пласшны. нал которой на высоте 11ц находится ВТТ1 I. представляют собой концептрические окружности. центр которых находится на оси симметрии ВТП. Па некотором расстоянии ог оси юковой катушки плотность вихревых юков достигает максимального значения .1м. уменьшаясь до нуля на оси и при удалении ог оси дальше Км. За ширину контура вихревых юков ( юны нагрева) принимают кольцевую область шириной Ь 1^2-1^1 с границами К, и (IV К.^). где плотность вихревых токов убывает до величины ]м'\12 » 0,84.1М.

Тепловая волна о| быстрого ( за время 1ц) ширена начинает распространиться наружу и пнуфь кольцевой облает, и юмнература облает покрытия, над которой расположен ТП достигает максимальною значения. чему соответствует максимальное напряжение "м па выходе 111 Зависимость напряжения III от времени 11(т) образует \ронол<ч ичсскую 1ермо1 рамму (XII )

Совокупность сигналов ВТТН - вихретоковый ПШ| и тепловой И(х), причем "ни "ппШ.сг.гп.Ни). Амплитудные характеристики тепловою сит пала зависят <н параметре« ОК (В,а), режима контроля (Нв и го) и теплофизических характеристик материала покрытия ( удельной теплоемкости Си. коэффициентов |см-псра1\ропроводпос1и ап. теплопроводности Лц). временные характеристики тепловою си1 пила при малой нипциие определяется только величинами Сц. ап. и Я.,,.

Таким образом, проводя совместную обработку сигналов ВТТП можно определить параметры покрытия а и В и режима контроля - зазора Нн.

Для анализа распределения вихревых токон в тонкой проводящей пластине (покрытии) в качестве модели токовой катушки был выбран виток радиуса с током ¡н 1(| ¿2 NIп о)1 (()<!< хн, У|, 2л/со<' Гц). Анализ проводится при следующих допущениях: а) - толщина покрытия В пренебрежимо мала по сравнению с характерными размерами системы (радиусом витка Кв, глубиной проникновения вихревых токов 6: б) - переходными процессами установления электромагнитного поля при включении и выключении индуктора можно пренебречь; в) - система обладает аксиальной симметрией в цилиндрической системе координат (г, /., ф).

Плотность вихревых токов } определяется выражением :

Д - -|01стА - -|о)а(Ао + Ани). (1)

где Ао - векторный потенциал поля витка в отсутствии ОК, Анн - векторныт потенциал, обусловленный наличием (Ж.

л л , л ,1",«к» fí,. »

Д An 1 Af,ii 2 J1

d'il XH

1 крс J,(x)J,(xr.HK (2)

о

для примятых допущений имеем:

3RBI5fOfi0fT _ . (RBIVrt[i„a)' 9 + ( R в 13f..ft0n)' 9 + ( R „ 1Ц10а)'

-.1

(3)

Из (3) следует известный иывод о невозможности раздельного контроля толщины И и удельной электрической проводимости п, т.к. они входя i " О) 11 виде произведения.

На основе вт,|ражет1ий (I). (2) была составлена программа КМТ для расчета радиальной и осевой сосмвляющих вектора магнитной индукции, вноси-мот'о напряжения НТП UIIM (ддч любых толщин), расчета распределения плот-нос i и вихревых юкон .1 па поверхности OK (/."<)). чю используется татем в про-ipüMMc расчета Hceiaiiiiniiapumi тепловой волны для определения начального (t Хм) распределения поля темт-рагур п покрытии.

1>ыли рассчишны зависимыми радиуса и ширины контура максимальной плотности вихревых токов в зависимости от высоты Пв. (Нп-"Нц<Кц) для различных значений обобщенною параметра контроля и толщины Л покрытия, /[ля !!„- ()ч-2 величина Км- меняется от Км*а1 (для Нп*=0-г0.8) до RM-«I.6. что сильно расходится с приближенной формулой Ю.М.Шкарлета (RM-=I 1 0.7511н-) I (олученные. расхождение можно обьяспить тем, что Ю.М.Шкарлет заменил пространственное распределение вихревых токов сосредоточенным контуром, радиус Им которого определяется из условия максимальной магнитной связи с контуром возбуждающей катики. Данные выводы были подтверждены жс-перименгальными исследованиями. Ширит1а контура вихревых токов изменяется в пределах Ь- 0.2-нО.б (при Il(). 0-S-2.0). Анализ распределения вихре-iii,ix токов важен не только при расчете -м|)фскта нагрева покрытия, по и для бо-лсс обоснованною выбора пнрамефои Hill (определение зоны кош роля. выбор радиуса и высоты расположения измерительной катушки и т.д).

UjI^ÍU'V.M-EL'-yi^iP проведено решение задачи возбуждения нестационарной тепловой волны вихревыми юками п тонком проводящем покрыши на изоляционном основании с параметрами: а() 0, ?ч>. С0. ао. Отношение коэффициентов теплопроводности основания и покрытия - малая величина: А., Дм • - I 1'емпсратурнос иоле 0(1). возникающее в покрытии 0|(г, /.. t) и основании 0;(г. /. t) за счет джоулевых потерт, вихревых токов п покрытии описывается

дифференциальными уравнениями : 1 г"Ю,

V о, - — ^

ап а

( у'О, - —^ = о

" а„ а

При условии свободной (термогравитационной) конвекции теплообмен между покрытием и воздухом очень мал. поэтому счшаем, что тепловой поток через верхнюю поверхность, контактирующую с во (духом равен нулю. Из этого условия следует,что г)©,/«)'/ 0 при и па поверхности раздела покрытие -

основание температура и поток через эту поверхность непрерывны, т.е

, до,

(У/.

дг

О, =(),!.,

(5)

Функцию Г в (4) можно представить как

1 ап("!10,В-)21д(г)Г,(1). Г,(1) " (Сох2;й/Тв)2 где 1Л(г) |Л-(У)|2 следует из (2) при угО,

Уравнение (4) с граничными условиями (5) можно с учетом малой толщины ГЗ свести к виду

1 д ( Л) г дт ч дг

Л 1 дО, ап(ощв1п)2 ,)Гп), I (50 2 ) ап ' д1 ' .....4л,, А< , ' Н>.,Л<>.

1 д ( Л) Л <П)2

г—- + — г От \ дг / дт.

1 сЧ),

0

. г€(0,°о). 7.€(-00.-В).

ге(0,оо) (6)

(7)

а„ Л

Вводя функции Грина I) и g2(r. 7., I) для уравнений (6) и (7) можно получить интегральные представления для 0|. 02. через g2. Уравнение (6) и (7) определены в области те(0,°о), 1е(0,оо).

0,(г,О = в0(г.О-—|10(г0Л0)81(г.г0,1-10)г0с1г0с110.

02(г.7.л)= и

в2(г0И())&2(т.г0,7..0,1-10)-()2(г0Л„)

где :

<>„(гЛ) =

4Я.„

[|1'д(г„)Г1Оо)81(г.г,)Л-1о)г()(1г0(110

(X) (9)

(10)

Таким образом, (|х>рмулы для ()|(т,1) (К): (10) и 0;(гД) (9) позволяют рассчитывать поле температур в покрытии, при ">том соотношение (10) соответ-овует 1смисри|урпому полю теплоизолированного покрытия. Для использования этих формул функции Грина gl и определяюкя с помощью

преобразований Ьссссля по г (!) - прямое, I)*1- обратное) и Лапласа по 1 (I, и !,"') •по лает:

17' <">

где 1„(х) - 1(х)е\ (13)

Функция ^((о) в (10) отлична от нуля на интервале нагрева 0-Кц. Не нару-пая общности можно принять Тн=НТв=М(2л/гов (ЭД »1- число периодов Тв тога возбуждения индуктора). Интервалы времени, интересующие нас при рас-:мотрении тепловых процессов, существенно превосходят Хн- Поэтому процесс юзбуждения НТВ с этих позиций может рассматриваться как 5-возбуждение, 1сходя из этого для (8Ж10) можем составить приближенные выражения :

во

о0(г.и.) = ом ||л.(г9..о)|28|(г.> г^лкл^ (14)

и

Г!1

«о I.

Oa(r.,t.) = М- I ! l(r(,.tft.)gIi(r.,r0i.t-t0.)r0dr0dt0., (i6)

о о

П _ qnNiTn(wMoIB)2

8СП ' (,7)

г- - r/RB. z- - /.'Кн. t- - t/т. irRVari. t2 = КУа„

В (17) использусгся величина о,7 и при этом не учитывается зависимость юкгричсской проводимости металла покрытия от температуры (0 =ЛТ)

о«)) ~ ' ' = (18)

р(0) р0(1+«ЛТ) 1 КхЛТ 1 ;

где р. а - удельное электрическое сопротивление и его температурный ко->фиписнт, п0- 1/ро, р„ - значение при О "С, а для чистых металлов имеет знание а* 1/273(1 ГС)

Таким образом, если (хЛТ ' ■ I (О-ьО, 1) то (т(0) = Оо( 1 —осДТ) Показано, что если АТ«10°С. то погрешность за счет пренебрежения зави-мостыо (18) составляет ~ 3%. Если температура нагрева полосы покрытия, с циркулируют вихревые токи, составляет 30-f40 °С, то погрешность при рас-

чете по приведенным формулам можег быть значик'льной. Для уменьшена данной погрешности можно разбить иигервал нагрева на несколько частег (2-4-5) и для вюрого интервала начальное значение температуры будет соответствовать рассчитанному к концу первого интервала, а значение удельной электрической проводимости для первого интервала соответствует температур« 0(())~0. т.е aMf:<7(1. Значение удельной электрической проводимости для второй интервала рассчитывается в соответствии с () 8) и т д. Полученные интегральные представления температурной волны в пространственно-временной области используются в программе КМТ расчета параметров Х'ГГ в различны? точках поверхности .

Вся область ОК разбивается сет кой по координатам г и 7.. для покрытия г силу cid тонкости координата z считается постоянной (/. 0). По координате i область интегрирования (г < 3RB) разбивается на 90 шагов. Интервал ише |рироваиия но времени также ограничивается временем не больше 5 секунд т разбивается на 100 шагов.

По упомянутой выше программе ЕМТ рассчитывается распределение вих рсвых токов в покрытии. Согласно этому распределению, определяется темпе ратурнос поле в покрытии при у. : 0 для различных моментов времени строится Х'ГГ и производная (Х'ГГ)' == dO/dt. 13 качестве информативных пара метров программа определяет максимальное значение температуры и момен времени Тм достижения температурой максимальною значения и аналогичны! параметры для производной. При этом тм ~ R"M';in и соответствует аналити ческому решению, что показывает правомерность основных положений, состав ляютцих основу расчетной модели КМ'Г при анализе НТВ.

Одним из основных допущений при расчетах в разделе 3 является выбо| интервала нагрева тн такого, что тц''т0 - характеристического времени НТВ. Дл: проверки этю положения и определения степени влияния тн на параметр!-Х'ГГ были произведены расчеты зависимости тм(тц). Оказалось, что увеличение tu почти линейно увеличивает тм. как это отмечалось ранее другими авторами Использование программы Г.М'Г показало, что она даст удовлетвори тельные ре зулыаты при расчете НТВ для теплоизолированной пластины. Наличие оси» вания ведет к расхождению вычислительной процедуры и для расчета НТВ системе покрыше - основание применялась программа. разработанная ка федрой И'ГФ МГ)И.

В четвертом разделе рассмотрены структурные схемы и алгоритмы раз

.'(слмюю контроля удсш.нои >лск1ричсскои проводимости и толщины ipiikhx покрытий, а шкжс контроль его структурною сосюяния. Разработанная струк-гурнля схема содержит блок управления БУ. генератор радиоимпульсов юка юзбуждепия i|(. В'ГГП такой, что на его выходе имеются только вносимое на-тряжение. зависящее от параметров ОК, и тепловой сигнал, блок обработки жхретокового сигнала, содержащий фазовые детекторы для выделения ReUi,M и mU|,n. блок обраГннки iciuioiiom сигнала и блоки выделения и хранения ип-1>ормации. Полагаем, что при проведении измерений расстояние IiH or вих-теткового датчика ;к> ОК ос1ае1ся неизменным, а теплообменом между мс-ИППИЧССКИМ покрытом и изоляционным оспош1нисм прспсбрсшсм. ')><> возможно в случае теплоизолированной пластины, либо при смещении теплового цкобразонагсля оси ВТП (г 0) ближе к точкам пластины, где максимальная иютность вихревых токов (Км -г -О). При этом сокращается интервал времени :м. в течение которого происходят потери тепла за счет наличия основания.

Как видно из (3) сигнал вихреюкового датчика зависит от произведения ?а. Блок деления Д2 осушссшляст операцию делеиия ImUnn un КсЦ,м и ни сто исходе получаем :

Ил2 ¡mL'B"-K;l2RItIkon<1a. (19)

UeyHI

где Кдг - коэ<}х})иииент передачи блока деления Д2. Как видно, это напряжение линейно зависит от произведения Ва. Напряжение на выходе теплового |реобразователя Uni прямо пропорционально энергии возбуждения тепловой олны и обратно пропорционально толщине. Блок деления Д) осуществляет деяние сигнала RcUbh на сигнал U-m:

иЛ1 -= - К,в. (20)

«гп

К| зависит от режима контроля и может быть определен экспериментально. Видно, что напряжение (20) пропорционально толщине В. Блок деления Д, сущесгвляет деление (19) на (20)

ид2 Кдг!*вВ<»ц0ет

u;l, к,в (21>

це Кг -(Кд2кпВсоЦо)/К|. что дает сигнал пропорциональный а. Была разрабо-ана программа, реализующая вышеописанный алгоритм.

Контроль структурного состояния немагнитных металлов возможно осу-(ествить путем измерения зависящих от его структурного состояния удельной

электрической проводимости и коэффициента темперагуронроводносги. Вих-рстокотепловой метод позволяет быстро определить коэффициент температуропроводности а и получить для немагнитных металлических покрытий еще одну структурночувствительную величину.

Метод измерения реализуется, как и метод "вспышки" (В.Паркер, Р.Дженкипсон. К.Ьатлер). путем использования цилиндрической тепловой волны, но не расходящейся, а сходящейся, с помощью индуктора, возбуждающею вихревые токи. Как отмечено выше, температура в точке расположения 'П1 (г z- 0) достигает максимальною значения через интервал времени тм :

R;,

Т" 4а ' (22>

откуда:

^ L м

Таким образом, для определения коэ(|>фицисп1а ам необходимо зпшь Rm и Величина тм определяется из анализа ХТГ, величина RM записи! oí параметров (Ж (В, а) и режима контроля (RB, Н, со). В первом приближении (с ошибкой не более ±1,5%) в диапозоне изменения относительного зазора Нв» 0,1 0,7 можно считать Rm-«0,975 для широкого диапазона значений параметра (а<а)2В. Для более точного определения RM необходимо использовать таблицы, составленные на основании экспериментов с известными покрытиями или рассчитанные по разработанным программам. Так как RM. зависит от Нв и Во был составлен алгоритм определения этих параметров по сигналу ВТП. Для реализации работы алгоритма с помощью программы ЕМТ рассчитывается двумерная таблица (комплексная плоскость значений ReUBH- и 1тЦвн- Для различных значений обобщенного параметра (ЯвВоо)ц<г 0.1-ь4) при изменении зазора Нв» (0,05-г0,5). При использовании этой таблицы для конкретного преобразователя проверяется ряд значений и вводится поправочный коэффициент для учета реальных конструктивных размеров ВТП.

Для реализации работы алгоритма от аналогового блока прибора вводятся ReUjin. ImUjíH и U0. Для этих значений программа рассчитывает нормированные значения ReUBH- и IitiUbh» и определяет соответствующие им значения Hg. и (ом)х.

Вышеупомянутая структурная схема реализует линеаризованный алгоритм обработки информации, наличие блоков деления и устройств хранения

(»формации в аналоговой форме (УВХ) определяет значительную погреш-locib. Ныл разработан автоматизированный вариант установки для раздельног о сонтроля удельной электрической проводимости и толщины тонких покрытий. 1ри этом можно реализовать алгоритм нелинейной обработки сигналов, ис-юльзуя в качестве исходных кривых зависимости, являющиеся результатом «счета, можно использовать в качестве исходных экспериментально получение градуировочные кривые для объектов контроля с известными параметрами ) и о. Наиболее значительная составляющая погрешности имеет место при из-<снении зазора. Данная задача (раздельный контроль Вист) является трехпа->аметровой. т.к. необходимо иметь в виду изменение зазора II вследствие 1срекосов (Ж, шероховатости поверхности и т.п. Чтобы свести задачу к двух-[араметровой, был выбран метод механической стабилизации зазора. Пред-сматривается вихретокотепловой преобразователь, в котором измерительный лок (BTII и ТП) подпружинен и снабжен устройством фиксации зазора Н. Таим образом можно изменять зазор II и фиксировать его на определенном ровне. Изменение зазора происходит с помощью устройства вариации зазора (ТП и измеряется по вышеописанной программе обработки на ПК. Программы еализации вышеописанных алгоритмов написаны на диалекте языка Pascal на-ываемым Delphi и выполняют сбор, обработку данных и визуализацию резуль-атов измерения. Использовать программы можно на любой из следующих латформ : Windows 3.1, Windows 3.11. Windows NT 3.51, Windows 95. Работа рограмм проверена с помощью контрольного массива данных, результаты

довлс! вори i cjii.1ii.ic.

В пятом разделе рассмотрен алгоритм определения степени сцепления тон-г>го металлическою покрытия с изоляционным основанием и поиска отслое-ий. Предлагаемый метод основан на естественном предположении, что аличис хорошего механического сцепления улучшает теплообмен покрытия с снованием и обратно, отсутствие механического сцепления ведет к ухудшению лиюобмена покрьпия с основанием. В отличии от струкрурной схемы раздела , данная содержит блок измерения энергии Он, передаваемой от генератора в 'К и состоящий из псрсмножитсля и интегратора, так что на выходе интеграфа получаем :

"и KhQh. (24)

где Кн - коэффициент передачи интегратора.

НТВ распространяется вдоль покрытия и к основанию, при этом основной

поток (}() направлен к основанию (ввиду тонкости покрытия) и согласно принятой гипотезе пропорционален степени сцепления покрытия с основанием. Черсч некоторый интервал времени количество тепла Оп, характеризующее осты-вакмцсс покрытие, будет равно:

Оп = 0н-0о=0н-кс0о=0н0-М. (25)

где Кс - коэффициент, характеризующий количество тепла, которое прг распространении тепловой волны перешло в основание, и который пропорционален степени механического сцепления покрытия с основанием.

На выходе блока вычитания (24)-(25) имеется напряжение: и. =К (Ц,-ип) = К [КиОи-КгО^О-Кг)]

= К.О„(Ки-Кт ■ КтКс). (26)

где К , Кт - коэффициенты передачи блока вычитания и канала теплового сиг нала. Ксли подобрать Кт таким образом, ЧТО Кт Кц то г

и_ = К К.тКгОц . (27)

Ксли поделить (27) на (24), то на выходе блока деления: .и , К КТКГ

"д КЛ ,у " - - -, КдКс, (28)

и ^-и

. К. К.т

где Кд - коэффициент передачи блока деления. Кд К д -- -

и

Таким образом имеется сигнал, пропорциональный коэффициенту сцепле пия покрытия с основанием. Практическая реализация условия Кт=Кц произ водится экспериментально с использованием ОК с известной или номинально! степенью оцепления, с отслоением, бездефектною и т.н.

Определения отсл(х;ний производится по указанному алгоритму, для еп реализации была составлена нротрамма, входные данные которой находятся I двух файлах: а) - традуировочпый (с известными радиусами дефекта), б) - фай. данных измерений ( нужно онрсдслшь размер дс<|нжта). Судить о дефект можно по напряжению па делителе Ид. При считывании файла градуировк! оп|Кделяю1ся коэффициснил пе|>сдичи ишегриюри и блока 1спловой обрибот ки таким образом, чтобы при бездефектном ОК (пет отслоения) напряжение н выходе блока вычитания равнялось нулю, напряжение интегратора Ии постоям но для заданных параметров контроля (В.ст) и задается при начальной I радуй ровкс

г>ги коэффициенты фиксируются, затем но результатам расчета (или экс перимента) строится зависимость Уд от радиуса де<)>екта Нд и эта кривая хрз

1ится в памяти ПК. По этой кривой определяется размер дефекта при контроле гтслоения. Возможно определить отслоение с радиусом дефекта 1^*^0.2, что [ает ири минимальном Яв=7мм, Ид"-1.4мм.

В разделе б изложены результаты экспериментальной проверки некоторых юложений теории, результатов расчета по разработанным алгоритмам и опи-ание аппаратуры, работа которой основана на вихретокотепловом метоле.

Непосредственное измерение плотности вихревых токов 1(г,г), пропорцио-альных векторному потенциалу Л(г„/) (1) затруднительно, поэтому было ре-юно измерять Л(г. /.) использовав для этого условие непрерывности векторного отенциала А на границе раздела Н~0 (поверхность объекта ко1ггроля, обра-(енная к ВТП).

Таким образом если измерять значение А вблизи поверхности объекта онгроля Н<*0, то оно соответствует значению А ( т.е 2 ) при Н О, что было одтверждено расчетом по ЕМ'Г.

Для измерения векторного потенциала А используется измерительная ка-ушка. расположенная вблизи поверхности ОК и напряжение которой :

Ц - ММ>У„ 2лИцА (Ин. Р, Ни, Нв) = jKA А(Ки,Р,Н„,Нв). (29)

где \УВ - число витков возбуждающей катушки (ВК), - число витков змерительной катушки (ИК), Иц - радиус измерительной катушки. Ни - высота К над ОК, А- векторный потенциал (2), КА^ г>>1)^н\*/и2яКц.

Таким образом напряжение и пропорционально значению А с точностью э коэффициента КА, а значит плотности вихревых токов (1). Использовался тхрегоковый преобразователь с возбуждающей катушкой, располагающейся 1 разных расстояниях Нв от поверхности объекта контроля и системой концен-)ических измерительных катушек, расположенных в плоскости Нц- " 0,1 -г0,2 и чеющих радиусы И|,-г(0.2+().3)+{ 1.5-^2,0). На основании экспериментальных шпых получены зависимости Км. Г(Н-) (радиуса контура максимальной ин-:нсивности векторного потенциала, т.е радиуса контура максимальной плот-хгги вихревых токов) для различных зазоров Нв* между возбуждающей пушкой и поверхностью объекта контроля. Расчетные (по ЕМТ) и экспери-;нгалы!ые данные удовлетворительно совпадают (расхождение не более -11%). полностью подверждают выводы раздела 2. значительно отличаясь (на ;-г60°о) от приближенной формулы 1*м-=1 т(),75Нв., использовавшейся ранее, эгрепшость экспериментальной установки составляет 5-г9 % .

Еыли проведены экспериментальные исследования по определению стс-

пени сцепления тонкого покрытия (10-г-50мкм из алюминиевой фольги) с основанием. Изменение степени сцепления имитировалось (в рамках принятой мо дели) изменением тенлофизических свойств основания от оргсгеюи (Хо=0,18Вт/м "С, ао10"7м2/с) до оксидноцинковой керамики (Ао=24,5Вт/м "С ао=12,5.10"7м2/с). Проводились измерения количества энергии переданной по крытию из цепи возбужения ВТП К|Он, количество энергии, характеризующе< остывающее покрытие, вследствие перехода тепла в основание КгОн, рассчиты валась разность этих сигналов и отношение З-^^Он-КгОпУЬмОн'О-КгОп/^Оц величина которого определяется в основном теплофизическими свойствами основания.

Полученные зависимости соответствуют основным положениям теории I позволяют измерять теплопроводность основания (что по принятой модели со ответствует степени сцепления покрытия с основанием) при небольших вария циях толщины покрытия (±15%). Погрешность экспериментальной установка 5,6% (для К,Оц) и 6,25% (для К20и), погрешность измерений (4% и 4,7%).

Разработан и изготовлен тепловой дефектоскоп покрытий ТДГ1-1, ре™ стрирующий основные параметры Х'ГГ (Им и Хм). По значениям этих пара метров можно выделить варисторы с участками отслоения покрытия о основания, пользуясь массивом значений (им и хм) для нормальных изделий Прибор успешно использовался в В')И для отработки технологии производств! варисторов. Испытания, проведенные на большом количестве образцов показа ли, что использование прибора увеличивает выход ютовых изделий на 12ч-] 8% после повторного нанесения покрытий на бракованные варисторы.

Основные результаты

1. На основе вихретокового и теплового методов впервые предложен спо соб и структурная схема прибора для определения сгснсни сцепления и уча стков отслоения тонкою проводящего покрытия на изоляционном основании.

2. Разработан прибор ТДН-1 для определения участков отслоения электро дов от тела варистора.

Прибор ТДП-1 внедрен и успешно использовался во Всесоюзном электро техническом институте (ВЗИ) для совершенствования технологии производств! варисторов.

3. Разработано программное обеспечение алгоритма контроля степеш сцепления и определения участков отслоения тонкого покрытия от изоляцион ною основания.

4. Для проведения учебных и научно-исследовательских работ разработана ia базе предложенных методов и программ моделирующая лабораторная усга-овка для исследования на ПК вихретокогеплового преобразователя, алгорит-юв раздельного контроля удельной электрической проводимости и толщины эпких покрытий и отслоения покрытия от изоляционного основания.

5. Проанализировано распределение вихревых токов, возбуждаемых крутым витком с гармоническим током в тонком проводящем покрытии, уточне-ы закономерности распределения, имеющее важное значение при нхреюконом кош роле и возбуждении iсиловой волны.

6. Уточнен алгоритм и разработано программное обеспечение способа раз-глыюго контроля электропроводимости и толщины тонкого покрытия.

7. Предложен алгоритм и разработано программное обеспечение способа жгроля структурного состояния гонких электропроводящих покрытий путем |мсрсния коэффициента температуропроводности материала покрытия.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Чинь Суан Жао. Кош роль с|рукгурного состояния тонких покрытий шульсным вихретоковым методом.// VI Межвузовской научно-технической шференции стран СНГ " Современные методы и средства электромагнитного mi роля и их нриме1тения в промышленности". Тезисы докладов - Могилев '95i.-c.99.

2. Хасксльберг МА Чернов JI.А, Чинь Суан Жао. Алгоритм обработки к|юрмации при контроле тонких покрытий.// VI Межвузовской научно-хнической конференции стран СНГ " Современные методы и средства элек-омагнитного контроля и их применения в промышленности". Тезисы докла-в - Могилев 1995г. - с.94.

3. Добренко A.M. Чернов Л.А, Чинь Суан Жао. Вихретоковый индуктор к источник нестационарной тепловой волны.// VI Межвузовской научно-сничсской конференции стран СНГ " Современные методы и средства элек-1мат мигного контроля и их применения в промышленности". Тезисы докла-в - Могилев 1995г. - с.78.

4. Останин Ю.Я, Чернов Л.А, Чинь Суан Жао. Раздельный контроль тол-1ны и электрической проводимости тонких покрытий.// Наука и технология. -)6г. - № 6. - с.46-52. (па вьетнамском языке).

5. ЧерновЛ.А., Чинь Суан Жао. Контроль отслоения тонкого электропро-

водящего покрытия па изоляционном основании вихретокотепловым методом./. Паука и технология. - 1996г. - №7. - с.26-31. (на вьетнамском языке).

6. Сухотин Д.В. Чернов Л.А, Чинь Суан Жао. Кошроль отслоений покрытий. XIV Российской научно-технической конференции " Неразрушающий контроль и диагностика". Тезисы докладов - Москва 1996.

7. Пятышин АЛ'., Сухотин Д.В, Чернов Л.А, Чинь Суан Жао и др. Способ контроля степени сцепления металлического покрытия с изоляционным основанием. Патент на изобретение № 2065600. Б.И. №23. - 1996г.

Подписало к печати Л— //)/) >С*Э J

Псч. л. /¡Я,*) Тираж /С/С/ Заказ О К 7

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.