基于趋肤效应电阻及电阻过剩噪声分析的无损检测

为解决导体材料整体老化的快速无损检测（NDT）问题，根据材料电阻和电阻过剩噪声与材料缺陷密切相关的理论，和高频下趋肤效应将电流强制集中在导体表面的物理规律，以及材料缺陷和裂纹更多更早出现在材料表面这一事实。用自制专用信号源、交流电桥和多档甚低源阻抗超低噪声微弱信号检测系统，配合谱分析和互谱分析等微弱信号检测技术的方法，对直接加载有不同强度和频率交流电的待测材料，测试趋肤作用下材料电阻和电阻的过剩噪声。分别用疲劳试验机疲劳周次、显微图像分析的裂纹统计分类分级数据等表征材料疲劳度。分析疲劳度和裂纹分布密度和深度与材料电阻、电阻过剩噪声、激发频率的关系，并揭示相关规律；尝试用改变频率、馈电方向、馈电位置并配合理论计算和计算机模拟的方法提取有关缺陷分布具体位置的信息。为发展出一套具有一定创新意义的NDT方法奠定基础，此方法有望成为现有众多NDT方法的重要补充，实现对材料整体老化的高效NDT。

金属材料的损伤关系到产品品质和生产成本，甚至关系到国家和人民生命财产安全。检测表面裂纹是评估金属损伤的重要途径。常用的无损检测方法有磁法、涡流、电位差、超声、射线等方法约上百种，这些方法各有所长，但基本都是针对局部区域具体一个裂纹进行测量，这难以把握材料的整体损伤程度，因此开发和研究能评估材料整体损伤程度的新的金属无损检测方法具有重要意义。.本项目采用一定频率的高频交流电激励待测金属样品，在趋肤效应作用下，金属表面的电流密度会大幅增强，凸显了易出现在金属表面的裂纹对材料电阻和过剩噪声的贡献，通过测量待测样品交流电阻随频率的变化以及高频激励下的低频过剩噪声可以获取样品的整体损伤程度等信息。.项目主要研究内容和成果有：..1、研究趋肤效应作用下材料的交流电阻与材料损伤程度的关系。结果表明：通过测量交流电阻随频率变化，并采用标样对比法或同一样品不同疲劳程度对照的方法，可快速表征材料的整体损伤程度。研究中还有2项较重要的意外发现：a.对钢铁材料的检测。原方案需充磁和退磁，相当麻烦，但研究发现该方法对钢铁等铁磁质材料损伤的检测不需要充磁和退磁，十分便利，而且相当灵敏。即使用输出5mA电流，50kHz的普通信号源激励样品，也可以分辨出约10次/m的弯折损伤！由于钢铁应用广泛，此项技术应具有可观的推广价值。b.发现该方法有新应用。可无损检测铁磁质材料表面的非铁磁质镀膜的整体平均厚度和品质！也可检测非铁磁质材料表面的铁磁质镀膜。该技术可广泛应用于镀锌、铬、锡、铜、铝等产业，应用前景良好。另，该方法还可无损检测熔断丝品质，评估其准确的熔断电流。..2、研究了高频激励下样品过剩噪声与损伤程度的关系。结果是：..a.确认高频电流同直流电流一样可激发电阻过剩噪声，而且过剩噪声的幅度的确与样品损伤正相关。此结论对相关科学研究有参考价值。. b.对直径3mm，长度0.5m的较短（难度大些）的铁样品采用50kHz，0.1A电流激励，在5Hz处测试过剩噪声，结果是弯折损伤100次/m的样品比无损伤样品过剩噪声密度大（2.0±0.1)μV/√Hz。..3、利用COMSOL有限元仿真等软件对实心圆柱、空心圆柱、方柱、板状、多股导线、弯折导线等的趋肤效应进行仿真模拟，揭示了不同频率交流电通过不同形状材料时电流密度的分布规律，这有助于相关测试条件的选取和测试结果的解释。