Применение электрошумового метода для оценки степени поврежденности электропроводных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

1. Актуальность разработки и развития методов и средств шумовой диагностики материалов и конструкций

2. Методы и средства шумовой диагностики технических объектов.

2.1. Задачи, связанные с разработкой и развитием методов и средств шумовой диагностики физических объектов.

2.2. Методы и средства шумовой диагностики технических объектов.

2.3. Особенности эксплуатации технических объектов и их диагностики, на примере объектов топливно-энергетического комплекса.

2.4. Получение диагностической информации о состоянии физических объектов при исследовании шумовых процессов различных видов.

2.5. Фликкер-шумовая спектроскопия

3. Методические вопросы низкочастотной и инфранизкочастотной шумовой диагностики материалов и конструкций.

3.1. Цели и задачи работы.

3.2. Математическое моделирование и анализ параметров шумовых процессов.

4. Установка для исследования низкочастотных и инфранизкочастотных шумов материалов и конструкций.

4.1. Особенности проектирования установки.

4.2. Регистратор инфранизкочастотных и низкочастотных электрических сигналов для диагностики материалов шумовыми методами.

4.2.1. Принцип действия, устройство и технические характеристики регистратора.

4.2.2. Принципиальная электрическая схема регистратора.

4.2.3. Шумовые характеристики регистратора.

4.3. Программно-математическое обеспечение установки для исследования низкочастотных и инфранизкочастотных шумов материалов и конструкций.

5. Исследование низкочастотных и инфранизкочастотных шумов коррозионно-механических процессов в материалах и конструкциях.

5.1. Методика оценки погрешностей измерений.

5.2. Регистрация электрических шумов при упругопластическом деформировании электропроводных материалов.

5.3. Исследование электрических шумов при усталостных испытаниях материалов.

5.4. Исследования электрохимических шумов коррозионных процессов материалов.

6. Обсуждение результатов.

7. Выводы.

В настоящей диссертационной работе рассмотрены вопросы оценки степени поврежденности электропроводных материалов с помощью электрошумового метода, разработана аппаратура для регистрации и анализа шумовых (случайных) процессов различной физической природы, связанных с существованием (функционированием) объекта контроля.

Проведены серии экспериментов по исследованию низко- и инфра-низкочастотных электрических шумов в материалах, подвергающихся знакопеременному упругопластическому изгибу, показывающие возможность диагностики усталостного разрушения на основе анализа параметров шумового процесса. Предложены соответствующие математические зависимости.

Кроме того, проведено исследование электрохимических шумов коррозионных процессов стали 20. Показано, что параметры электрохимических шумовых процессов также несут информацию о течении коррозионного процесса.

1. Актуальность разработки и развития методов и средств шумовой диагностики материалов и конструкций

Функционирование физических объектов различной природы, как правило, является причиной (либо следствием) существования соответствующих шумовых процессов. Электромеханические системы, например, порождают электрические, электромагнитные, магнитные и акустические шумы, коррозионные процессы металлов являются источниками электрохимических шумов.

До настоящего времени в диагностике наибольшее распространение получили методы, основанные на подавлении и фильтрации шумов с целью выделения постоянной составляющей процесса («полезного сигнала»). Игнорирование шумов приводило к потере информации о состоянии исследуемого объекта и, как следствие, уменьшению надежности метода в целом и достоверности конкретного диагноза в частности. Более того, диагностические методы, основанные на регистрации шумов, являются пассивными и, таким образом, могут использоваться для неразрушающего контроля, не нарушающего нормального функционирования исследуемых объектов.

Другим преимуществом шумовых диагностических методов является отсутствие в ряде случаев необходимости непосредственного контакта с объектом контроля, который может быть трудно доступен или вовсе не доступен.

Отдельные диагностические методы, основанные на регистрации шумовых (случайных) процессов развиты и достаточно широко применяются. В частности, методы, основанные на регистрации и анализе параметров акустической эмиссии (случайного процесса), используются для диагностики состояния материалов и конструкций, испытывающих коррозионные воздействия.

Таким, образом актуальность разработки методов и средств шумовой диагностики физических объектов, в частности, материалов и конструкций как технических объектов, заключается в создании унифицированной методики шумовой диагностики с целью повышении надежности и достоверности диагностики путем увеличения ее информативности за счет исследования шумовых характеристик при сохранении текущего режима функционирования исследуемого физического объекта. Такая методика должна предусматривать возможности исследования шумовых процессов различной физической природы, обеспечивать анализ информационной ценности шумовых процессов и выбор оптимального для исследования одного или нескольких шумовых процессов, связанных с конкретным объектом контроля. Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач, изложенных ниже.

7. Выводы

1. Определена возможность и целесообразность применения электрошумового метода для оценки степени поврежденности электропроводных материалов.

2. Разработан метод получения информации о возникновении и накоплении повреждений в электропроводящих материалах, подвергающихся механическим воздействиям, основанный на анализе избыточного низко- и ин-франизкочастотного электрического шума, порождаемого дополнительным слабым гармоническим электрическим воздействием на материал;

3. Спроектирована и изготовлена установка для регистрации низко- и инфранизкочастотных электрических шумовых процессов в материалах. Установка позволяет осуществлять одновременную регистрацию до четырех электрических шумовых процессов в частотном диапазоне от 0 до 500 Гц и характеризуется высокой чувствительностью и разрешающей способностью в диапазоне низких (1 - 200 Гц) и инфранизких частот (менее 1 Гц).

4. Создано программно-математическое обеспечение для обработки результатов исследований шумовых процессов, позволяющее обрабатывать результаты наблюдений с применением корреляционного, регрессионного, спектрального, кепстрального и вейвлетного анализа, причем проведение некоторых из видов анализа возможно в режиме реального времени.

5. Разработана методика испытаний материалов в режиме малоцикловой усталости с одновременной регистрацией деформационных электрических шумов, дающая возможность оценить возникающие и накапливающиеся в материале повреждения. Методика позволяет при малых затратах времени моделировать и анализировать накопление структурных повреждений в материале.

6. Проведены исследования электрических шумов при упругопластиче-ском деформировании различных материалов (сталь, алюминиевый сплав, медь, свинец), в которых образуются повреждения в результате механических воздействий.

7. Показано, что с помощью анализа низко- и инфранизкочастотных компонент избыточного электрического шума выявляется переход материала, подвергающегося знакопеременному упругопластическому изгибу, в стадию пластического течения перед образованием макротрещины и определяется момент образования магистральной трещины в материале.

Получены обобщающие зависимости, которые отражают взаимосвязь параметров нагружения (деформирования) электропроводных материалов с характеристиками деформационных электрических шумов.

8. Перспективными областями применения результатов данной работы являются: диагностика состояния металлоконструкций и исследовательские работы в области материаловедения; исследование различных видов коррозионных и механических воздействий на материалы.

1. Баранов В.М., Карасевич A.M., Кудрявцев Е.М. и др. Диагностика материалов и конструкций топливно-энергетического комплекса. — М.: Энергоатомиздат, 1999. - 360 с.

2. Багоцкий B.C. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988. - 400 с.

3. Тягай В.А. Электрохимические шумы. «Электрохимия» (Итоги науки и техники), 1975, 11, с.109-175.

4. Кораблёв В.П. Исследование взаимосвязи электрического и электромагнитного шума электродвигателей. //Научная сессия МИФИ 98. Сборник научных трудов в 13 частях. Ч. 10. - М.: МИФИ, 1999, с.61 - 63.

5. Мужицкий В.Ф., Карпов С.В., Карабчевский В.А. Дефектоскоп для обследования участков поверхности труб магистральных газопроводов на наличие стресс-коррозионных повреждений. //Дефектоскопия, 1999, № 3, с. 68 -77.

6. Фурса Т.В., Хорсов Н.Н., Романов Д.Б. Взаимосвязь качества контакта элементов композиционных материалов с параметрами электромагнитного отклика на ударное возбуждение. //Дефектоскопия, 2001, № 9, с. 23 26.

7. Филинов В.В. Методы и приборы контроля механических напряжений на основе использования магнитно-акустических шумов. — М.: Машиностроение, 2000. — 154 с.

8. Глухов Н.А., Колмогоров В.Н., Шерстобитов А.В. Акустические шумы перемагничивания. — Изд. института прикладной механики УрО РАН, 1997.-30 с.

9. Филинов В.В., Соколик А.И., Шатерников В.Е. и др. Магнитный структуроскоп, основанный на эффекте Баркгаузена. //Дефектоскопия, 1985, № 12, с. 21-25.

10. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М.: Энергия, 1972. - 456 с.

11. Гришаков С.В., Ковалев А.И. Оценка напряжений и повреждений в ферромагнитных материалах методом магнитных шумов. Киев: Наука думка, 1991.-168 с.

12. Баранов В.М., Гриценко А.И., Карасевич A.M. и др. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса. М.: Наука, 1998. - 304 с.

13. Защита металлических сооружений от подземной коррозии: Справочник/ Стрижевский И.В., Зиневич A.M., Никольский К.К. и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981,- 293 с.

14. Ван дер Зил А. Шум (источники, описание, измерение). Пер. с англ. под ред А.К. Нарышкина. М.: «Сов. радио», 1973, 228 с.

15. Спектор С.А. Электронные измерения физических величин. Методы измерений. Учебное пособие для вузов. JL: Энергоатомиздат, 1987. - 320 с.

16. Van Vliet К.М., Johnson R.R. Appl. Phys., 1964, v.35, p. 2039-2047.

17. Mc Whorter A.L. 1//'Noise and Related Surface Effects in Germanium. MIT, Lincoln Lab, Rept. May 1955, № 80.

18. Fonger W.H. Noise in Transistors I. RCA Laboratoties, Princeton, NJ, 1956.

19. Plumb J.L., Chenette E.R. IEEE, Trans., 1964, E-10, p 304-308.

20. Бударин А.Г. Материалы I междунар. Конф. Цифровая обработка сигналов и ее применение. Москва, 1998, т.2, с. 203 —205.

21. Бударин А.Г. Общий механизм генерации Mf шума. // Доклады академии наук, 2000, т. 372, № 3, с. 326-329.

22. Гуревич B.JI. Кинетика фононных систем. М.: Наука, 1981. — 430 с.

23. Hartler G. Statistical explanation for the observation of Mf noise from basicaly discrete fluctuations. //Fluctuations and Noise Letters, 2001, v. 1, № 3, L139-L146.

24. Gruneis F. Mf noise, intermittency and clustering poisson process. //Fluctuations and Noise Letters, 2001, v. 1, № 2, R119 -R130.

25. Коверда В.П., Скоков В.Н., Скрипов В.П. //ЖЭТФ, 1998, т. 113, в. 5. С. 1748- 1757.

26. Коверда В.П., Скоков В.Н. //ДАН, 1999, т .366, в. 6. С. 752-754.

27. Скоков В.Н., Коверда В.П., Решетников В.П. //Письма в ЖЭТФ, 1999, т. 69, в. 8. С. 739-742.

28. Mf шум в колебательных режимах горения. А.В. Решетников, В.П. Коверда, В.Н. Скоков и др. // Доклады академии наук, 2000, т. 374, № 4, с. 481-483.

29. Врачев А.С. Старение и шумовые свойства полупроводниковых приборов. //Мат-лы научно-техн. Семинара НТО им А.С. Попова. М., 1971, с. И - 19.

30. Пряников B.C. О возможности прогнозирования отказов транзисторов по их внутренним шумам. // Изв. вузов. Радиотехника, 1969, т. 12, № 10. С. 1198-1201.

31. Балим Г.М., Левина М.Г. Оценка времени безотказной работы полупроводниковых приборов и микросхем по ожидаемому уровню фликкер-шума. // Известия вузов. Электроника, 2001, № 3, с. 43-51.

32. Балим Г.М. Флуктуации мощности и низкочастотные шумы. //Изв. вузов. Электромеханика, 1999, № 2. С. 22 — 25.

33. Коган Ш.М. Низкочастотный токовый шум со спектром Mf в твердых телах. //УФН, 1985, т. 145, вып. 2. С. 285 328.

34. Попов В.П. Основы теории цепей. М.: Высш. Шк., 1998 г. - 575 с.

35. Горин Б.М., Кив А.Е., Плотников А.Г. и др. Механизмы естественного старения и вынужденной деградации полупроводниковых приборов. //Обзор по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 1983, вып. 8 (967).-38 с.

36. Machlup SJ. Appl. Phys., 1954, v. 25, p. 341.

37. Jaeger R.C., Broderses A.J., Chenette E.R. Record of 1968. Region III IEEE Convention, 1968, p. 58.

38. Hassel A.W., Lohrengel M.M. // Elechtrohim. Acta., 1997, V. 42, P. 3327.

39. Fraunhoffer K. //J.Electrochim. Soc., 1996, V.143, P. 1482.

40. Тимашев С.Ф. // Рос. хим. журнал, 1997, Т.41, с. 17.

41. Пархутик В.П., Тимашев С.Ф. Информационная сущность шума: новые данные о электрохимии кремния. // Электрохимия, 2000, т.36, № 11, с. 1378-1394.

42. Баранов В. М. Кудрявцев Е. М. Обработка и анализ случайных процессов в информационно-измерительных системах. М.: МИФИ, 1993. -48 с.

43. Hladky К., Dawson J. L. The Measurement of Localized Corrosion Using Electrochemical Noise. Preprint of Corrosion and Protection Centre, UMIST, Manchester, England, 1997.

44. Дещеревский А. В., Журавлев В.И. Тестирование методики оценки параметров фликкер-шума. М.: ОИФЗ РАН, 1996. - 12 с.

45. Скворцов А. А., Орлов А. М., Насибов А. С. и др. Акустическая эмиссия в сульфиде кадмия при токовых и тепловых воздействиях. // Письма в ЖТФ, 2000, т. 26, вып. 22.

46. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. — 232 с.

47. Гришаков С. В., Ковалев А. И. Оценка напряжений и повреждений в ферромагнитных материалах методом магнитных шумов. Киев: Наука думка, 1991.-168 с.

48. Графов Б. М. Теория всплеск-анализа электрохимического шума в пространстве Лапласа с применением двух операционных частот. //Электрохимия, 2000, т. 36, № 11, с. 1315-1322.

49. Якубович Б. И. Электрические флуктуации в неметаллах. — СПб: Энергоатомиздат.С.-Петербург, отд-ние, 1999.-208 с.

50. Гришаков С. В., Ковалев А. И. Оценка напряжений и повреждений в ферромагнитных материалах методом магнитных шумов. — Киев: Наука думка, 1991.-168 с.

51. Графов Б. М. Теория всплеск-анализа электрохимического шума в пространстве Лапласа с применением двух операционных частот. //Электрохимия, 2000, т. 36, № 11, с. 1315-1322.

52. Баранов В. М. Акустические измерения в ядерной энергетике. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 319 с.

53. Битюцкая JI. А., Селезнев Г. Д. Тепловой фликкер-шум в диссипа-тивных процессах предплавления кристаллических веществ. // Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, № 14, с. 24-27.

54. Surin V. I., Evstjukhin N. A., Grisha S. G. Electrical resistance and thermoelectric power of sintered uranium carbonitride during primary creep // Journal of Nuclear Materials, № 232, 1996. p. 69-74.

55. Попов Ю. А. Электрохимическая теория развития питтингов // Защита металлов, 2001, т. 37, № 5, с. 504-510.

56. Дыхне А. М., Зосимов В. В. Рыбак С. А. Аномальный избыточный шум в неоднородных упругих телах. // ДАН, 1995, т. 345, № 4, с. 467-471.

57. Тимашев С. Ф., Г. В. Встовский. Фликкер-шумовая спектроскопия в анализе хаотических временных рядов динамических переменных: проблема отношения сигнал-шум. //Электрохимия, 2003, т. 39, № 12, с. 1418-153.

58. Дьяконов В. П. Вейвлеты. От теории к практике.-М.: СОЛОН-Р, 2002.-448 с.

59. Васильков Ю.В., Василькова Н.Н. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании. Учебн. пособие. — М.: Финансы и статистика, 1999. 256 с.

60. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование.— М.: Мир, 1975.-536 с.

61. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. — 382 с.

62. Шелухин О.И., Беляков И.В. Негауссовские процессы.-Спб.: Политехника, 1992.-312 с.

63. Добротин Д.Д., Паврос С.К. Обработка и анализ случайных сигналов. /Учебн. пособие. Изд-во СПбГЭТУ (ЛЭТИ), СПб, 1998 г. 84 с.

64. Миллер Б.М., Панков А.Р. Случайные процессы в примерах и задачах. М.: Изд-во МАИ, 2001 г.-316 с.

65. Ильченко В.Д. Измерение и анализ случайных процессов. /Учебн. пособие. Изд. центр ДГТУ, Ростов н/Д, 2002 г. 58 с.

66. Веселова Г.П., Грибанов Ю.Н. Стохастическое квантование и статистический анализ случайных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1991 г. — 152 с.

67. Переход Н.Г. Измерение параметров фазы случайных сигналов. Томское отделение изд-ва «Радио и связь», Томск, 1991 г. -310 с.

68. Кузенков В.Д. Цифровые методы обработки случайных сигналов. /Учебн. пособие. Куйбышев, 1990 г. — 66 с.

69. Решетников Ф.Г., Бибилашвили Ю.К., Головнин И.С. и др. Разработка, производство, и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. В 2 кн. М.:Энергоатомиздат, 1995. - 336 с.

70. Евстюхин Н.А., Кульбах А.А., Сурин В.И. и др. Исследование деформационного упрочнения в металлах по электрическим эффектам. //Научная сессия МИФИ-2001: Сб. научных трудов в 14 т. М.: МИФИ, 2001, т. 9, с. 71-72.

71. Баранов В.М., Евстюхин Н.А., Сурин В.И. К теории ЭДС, наведенной деформацией металлов и сплавов. //Научная сессия МИФИ-2003: Сб. научных трудов в 14 т. М.: МИФИ, 2001, т. 9, с. 122 124.

72. Баранов В.М., Кудрявцев Е.М., Сарычев Г.А. и др. Акустическая эмиссия при трении. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 256 с.

73. Баранов В.М., Капралов Е.Ю., Капралов Ю.А. О деформационном электрическом шуме при знакопеременном упругопластическом деформировании стали. //Письма в ЖТФ, 2004, т. 30, вып. 2, с. 38 42.

74. Баранов В.М., Капралов Е.Ю., Карасевич В.А. Применение акустического и электрохимического шумовых методов при усталостных испытаниях материалов в экстремальных условиях. //Измерительная техника, № 10, 2003, с. 56-60.

75. Семененко М.Г. Введение в математическое моделирование. — М.: «Солон», 2002. 112 с.i

76. Баранов В.М., Капралов Е.Ю., Капралов Ю.А. Регистратор инфра-низкочастотных и низкочастотных электрических сигналов для диагностики материалов шумовыми методами. //Заводская лаборатория, № , 2003, с. 36 — 39.

77. Баранов В. М., Губина Т. В. Электрохимическая шумовая диагностика коррозии//Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Мат-лы 13-й научно-техн. конф. М.: МГИЭМ, 2001. С. 159— 160.

78. Баранов В.М., Губина Т.В., Капралов Е.Ю. и др. Акустическая и электрохимическая шумовая диагностика коррозии // Научная сессия МИФИ 2002. Сборник научных трудов. Т. 8. - М.: МИФИ, 2002. С. 75 - 76.

79. Капралов Е.Ю. Исследование инфранизкочастотных электрохимических шумов коррозионных процессов. //Научная сессия МИФИ 99. Сборник научных трудов в 13 частях. Ч. 10. -М.: МИФИ, 1999, с.131 - 132.

80. Фрейман Л.И., Левин В.И. Некоторые проблемы расчета катодной защиты городских газораспределительных сетей. //Защита металлов, 2000, Т. 36, №5. С. 552-555.

81. Краснов К.С. Физическая химия. Кн. 2: Электрохимия. Химическая кинетика и катализ. -М.: Высшая школа, 2001. 319 с.

82. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1980. 208 с.

83. Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. Пер. с англ. М.: Мир, 1970. - 444 с.

84. Баранов В.М., Капралов Е.Ю. Электрический шум при усталостном повреждении материалов. //Научная сессия МИФИ 2003. Сборник научных трудов. Т. 9. - М.: МИФИ, 2003. С. 165 - 166.

85. Боровиков В.П. Популярное введение в программу STATISTIC А. -М.: КомпьютерПресс, 1998. 267 с.

86. Кеннеди А. Дж. Ползучесть и усталость в металлах. Пер. с англ. -М.: Металлургия, 1965.-312 с.

87. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. Пер с англ. — М.: Наука, 1975.-576 с.

88. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. Пер. с англ. — М.: Мир, 1972.-498 с.

89. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. -М.: Наука, 1987. —520 с.

90. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твёрдого тела. — М.: Наука, 1979.-744 с.

91. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть 2. Учебник для вузов.— М.: МИСиС, 1997.-527 с.

92. Хеллан К. Введение в механику разрушения. Пер. с англ. М.: Мир, 1988.-366 с.

93. Блок-схема программы управляющего микроконтроллера.I

94. Экспериментальные значения параметров исследуемых шумовых процессов. Табл. П2.1. Параметры шумовых моделей, полученные из экспериментальных данных для усталостных испытаний электротехнической меди.

95. Табл. П2.2. Параметры шумовых моделей, полученные из экспериментальных данных для усталостных испытаний стали 20.

96. Табл. П2.3. Параметры шумовых моделей, полученные из экспериментальных данных для усталостных испытаний сплава АМЦ.

97. Табл. П2.4. Параметры шумовых моделей, полученные из экспериментальных данных для усталостных испытаний отожженной электротехническоймеди.

98. Табл. П2.5. Параметры шумовых моделей, полученные из экспериментальных данных для усталостных испытаний свинца.

99. Характеристики нагружения образцов материалов при усталостных испытаниях

100. Табл. П3.1. Характеристики нагружения измеренные при усталостных испытаниях электротехнической меди.

101. N/NDa30 Р., Н Р. о,Н Р+о, Н0,14 18,0 8,0 10,0 2,00,29 8,0 4,0 6,0 4,00,43 10,0 8,0 8,0 4,00,57 4,0 2,0 4,0 3,00,71 4,0 6,0 6,0 4,00,86 8,0 3,0 9,0 2,01,00 2,0 1,0

102. Табл. П3.2. Характеристики нагружения измеренные при усталостных испытаниях стали 20.

103. N/Noain Р., н Р. о,Н Р+о, Н0,14 8,0 6,0 7,0 8,00,29 10,0 6,0 5,0 6,00,43 8,0 6,0 6,0 5,00,57 8,0 5,0 6,0 4,00,71 6,0 4,0 5,0 3,00,86 4,0 2,0 2,0 1,01,00 2,0 1,0

104. Табл. ПЗ.З. Характеристики нагружения измеренные при усталостных испытаниях сплава АМЦ.

105. N/Npajn Р., Н Р-о, Н Р+о, Н0,14 3,0 6,0 8,0 2,00,29 6,0 4,0 6,0 2,00,43 8,0 6,0 8,0 6,00,57 7,0 6,0 7,0 3,00,71 6,0 4,0 6,5 4,00,86 6,0 4,0 6,0 2,01,00 5,0 3,0 2,0 1,0

106. Табл. П3.4. Характеристики нагружения измеренные при усталостных испытаниях отожженной электротехнической меди.