無損檢測技術(shù)在壓電元件裂紋檢測上的應(yīng)用研究

謝程鋒 陳衛(wèi)華 楊碩 徐匡

（第七一五研究所，杭州，310023）

彎曲振動壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕，常用作空氣超聲換能器和水聲換能器[1]。某型彎曲振動壓電陶瓷換能器因設(shè)計(jì)需要，將壓電元件（0.8 mm壓電陶瓷片及雙面涂覆表面銀電極≤10 μm）與金屬墊片（厚度1 mm）粘結(jié)在一起構(gòu)成彎曲振子。在大批量生產(chǎn)時，因組成彎曲振子的零件較薄、抗彎強(qiáng)度較低、受粘接劑厚薄不均、加力時受力不均、固化時內(nèi)應(yīng)力等多重因素影響，時常有壓電元件出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[2]；如果呈現(xiàn)整體開裂的貫穿傷，在粘接及后期處理過程中膠粘劑等污漬易進(jìn)入到裂縫中，靠人工目檢挑揀效率低，易誤判。

無損檢測技術(shù)[3]是在不損傷被檢對象的條件下，利用聲、光、磁和電等技術(shù)檢測其是否存在缺陷或不均勻，并給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量。常用的無損檢測技術(shù)有射線、渦流、滲透、超聲波和磁粉等。

基于各類無損檢測技術(shù)的檢測原理，結(jié)合彎曲振子的結(jié)構(gòu)組成，對壓電元件裂紋開展無損檢測應(yīng)用研究。壓電元件由壓電陶瓷及表面銀電極組成，若整體開裂（即開裂時壓電陶瓷及表面銀電極均斷裂），可進(jìn)行滲透、渦流和機(jī)器視覺等檢測技術(shù)的適用性研究。若開裂的壓電元件與金屬墊片粘接后整體較薄，可進(jìn)行射線檢測技術(shù)適用性研究。因元件上無鐵磁性材料，無法開展磁粉檢測技術(shù)的適用性研究。超聲波檢測技術(shù)的反射脈沖寬度大、盲區(qū)大，對測量對象的厚度有較大限制，壓電元件過薄，難以檢測，因此也無法適用。

1 渦流檢測技術(shù)

渦流檢測技術(shù)是利用電磁感應(yīng)原理，當(dāng)交變電流的激勵線圈靠近導(dǎo)電材料時，由于導(dǎo)體中發(fā)生了磁通變化，在導(dǎo)體中將產(chǎn)生渦流（渦旋電流），如圖1所示。渦流的大小、相位和分布與材料的導(dǎo)電性能、磁性能相關(guān)，因此也必然與存在的缺陷相關(guān)；同時，渦流產(chǎn)生的電磁場，又會作用于檢測線圈，使其阻抗發(fā)生變化。因此測定檢測線圈阻抗的變化就可檢測導(dǎo)電材料存在的缺陷。

圖1 渦流產(chǎn)生示意圖

壓電元件非粘接面的表面銀電極（導(dǎo)體）中產(chǎn)生的渦流存在集膚效應(yīng)，導(dǎo)體中渦流電流密度隨深度增加而減小。根據(jù)渦流衰減特性，渦流標(biāo)準(zhǔn)滲透深度δ（距表面深度）滿足[4]：

式中，f為激勵線圈交流電的頻率；μ為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率；σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率。本次試驗(yàn)對象的導(dǎo)體材料為銀，是非鐵磁性材料，故μ=μ0=4.7×10-7H/m；銀的電導(dǎo)率σ=63×106S/m。而在渦流檢測中，一般認(rèn)為有效檢測深度不超過2.6δ，因?yàn)樵谠撎帟r渦流密度一般已衰減了約90%，而2.6δ以外的總量為10%的渦流對線圈產(chǎn)生的效應(yīng)是可以忽略不計(jì)的。

作為檢測對象的壓電元件，其表面銀電極厚度≤10 μm、壓電陶瓷0.8 mm，為充分檢測表面銀電極的物理狀態(tài)，又防止壓電元件粘接面導(dǎo)體（銀電極及金屬墊片）對渦流檢測的影響，故渦流的檢測限定條件分別表示為代入式（1）進(jìn)行計(jì)算，可得激勵線圈交流電的頻率 4.23×104Hz ≤f≤ 4.02×107Hz，即激勵線圈交流電的頻率在此范圍可滿足檢測需求。選取f=2.5×106Hz作為激勵線圈交流電頻率，利用渦流檢測技術(shù)獲取彎曲振子上壓電元件裂紋情況圖，如圖2所示。

圖2 渦流檢測技術(shù)用于壓電元件裂紋檢測效果圖

由圖2可知，渦流檢測技術(shù)可直觀地反映表面銀電極的信息，通過渦流信號時基圖可觀察、記錄渦流線圈在壓電元件上遍歷掃描檢測時線圈阻抗和時間的關(guān)系。通過阻抗圖可完成閾值的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)表面銀電極斷層識別的自動化。阻抗圖在信號輸出過程中，通過調(diào)節(jié)軟件增益的大小，可實(shí)現(xiàn)輸出渦流信號幅度的改變。隨著軟件增益增大，輸出的渦流信號幅度也隨之增大，在阻抗圖中的輸出渦流信號越接近甚至大于閾值。當(dāng)表面銀電極存在斷裂時，渦流探頭的檢測線圈阻抗會發(fā)生明顯的變化；當(dāng)表面銀電極不存在斷裂時，渦流探頭的檢測線圈阻抗無明顯的變化。渦流檢測技術(shù)的缺點(diǎn)是得到的檢測信號是檢測線圈阻抗變化的電信號，難以確定缺陷的形狀，并且受渦流線圈尺寸及檢測原理限制，小于渦流線圈的裂紋和沿著渦流線圈軌跡方向（圓周方向）的裂紋難以檢出。實(shí)際檢測中，只需將開裂的壓電元件予以剔除，對裂紋形貌無檢測要求。壓電元件開裂的形貌與分布情況呈現(xiàn)整體開裂的貫穿傷，無圓周方向開裂情況，即渦流檢測技術(shù)滿足實(shí)用需求。利用渦流檢測對彎曲振子進(jìn)行批量檢測，并與人工目檢對比，詳見表1。

表1 彎曲振子壓電元件裂紋檢測效果對比情況表

由表1可知，當(dāng)設(shè)備參數(shù)≥35 dB時漏檢率為0，當(dāng)設(shè)備參數(shù)≥40 dB時誤檢率大幅增加；因此將設(shè)備參數(shù)調(diào)整為37.5 dB可有效完成彎曲振子的裂紋檢測工作，且此時裂紋檢出率高，誤檢率、漏檢率低。

2 射線檢測技術(shù)

被檢工件由于密度、厚度、缺陷等不同，對射線產(chǎn)生不同的吸收與散射的特性，可據(jù)此實(shí)現(xiàn)對工件中存在缺陷的檢驗(yàn)。利用射線檢測技術(shù)（X射線）獲取彎曲振子上壓電元件裂紋情況圖，如圖3所示。

圖3 射線檢測技術(shù)用于壓電元件裂紋檢測效果圖

由圖3可知，射線檢測技術(shù)可獲得相應(yīng)檢測圖像，直觀顯示出彎曲振子上壓電元件裂紋的形貌和分布，并可判定裂紋的性質(zhì)和尺寸。射線檢測技術(shù)的缺點(diǎn)有：（1）速度慢、成本高、設(shè)備體積大，不適合在線原位檢測；（2）射線對人體有害；（3）受限于射線的頻率、功率及彎曲振子的結(jié)構(gòu)組成，記錄透射射線強(qiáng)度的膠片黑度差別較小、較難區(qū)分，在實(shí)際檢測應(yīng)用中裂紋檢出率較低、漏檢率較高。

3 機(jī)器視覺檢測技術(shù)

機(jī)器視覺檢測技術(shù)[5]，采用線性光源的反射和折射原理，利用反射光和折射光的色差進(jìn)行模式識別，通過數(shù)字化處理技術(shù)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別，以此實(shí)現(xiàn)缺陷的識別。利用機(jī)器視覺檢測技術(shù)獲取彎曲振子上壓電元件裂紋情況圖，如圖4所示。

圖4 機(jī)器視覺檢測技術(shù)用于壓電元件裂紋檢測效果圖

由圖4可知，機(jī)器視覺檢測技術(shù)可獲得彎曲振子表面清晰的圖像，根據(jù)壓電元件裂紋的形貌和分布，可判定裂紋的尺寸。機(jī)器視覺檢測技術(shù)的缺點(diǎn)有：（1）對材料表面平整度及潔凈度要求較高，否則將影響壓電元件裂紋的檢出概率（如圖 4所示，表面劃痕、凹槽、污漬均被視為缺陷點(diǎn)）；（2）因彎曲振子裝配、運(yùn)輸過程的相互碰撞和粘接劑的涂覆殘留，壓電元件表面存在較多劃痕及多余的膠粘劑，難以保證表面平整度及潔凈度；（3）在實(shí)際檢測應(yīng)用中前期誤檢率較高，需積累數(shù)量較多的壓電元件表面圖像數(shù)據(jù)，并對表面圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，以獲取裂紋、劃痕、凹槽和污漬數(shù)據(jù)信息的差別。利用機(jī)器智能 AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化才能區(qū)分壓電元件裂紋、劃痕、凹槽和污漬。

4 滲透檢測技術(shù)

根據(jù)分子運(yùn)動論，分子的無規(guī)則運(yùn)動和分子間的作用力，產(chǎn)生了液體的毛細(xì)現(xiàn)象，毛細(xì)現(xiàn)象使液體能夠滲入工件表面開口缺陷。滲透檢測技術(shù)基于液體毛細(xì)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對表面開口缺陷檢驗(yàn)。利用滲透檢測技術(shù)獲取彎曲振子上壓電元件裂紋情況圖，如圖5所示。

圖5 滲透檢測技術(shù)用于壓電元件裂紋檢測效果圖

由圖5可知，滲透劑滲透到裂紋中，再利用顯像劑將裂紋中的滲透液顯示出來，從而將壓電元件裂紋的形貌、分布及尺寸直觀地呈現(xiàn)出來。滲透檢測技術(shù)缺點(diǎn)有：（1）只能檢出表面開口缺陷，被污染物堵塞的缺陷不能被有效檢出；（2）清洗劑難以將滲透液和顯像劑完全清洗干凈，對彎曲振子后期的使用有一定影響；（3）檢測結(jié)果與檢測人員的操作和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系比較密切，檢測過程較難控制；（4）在實(shí)際檢測應(yīng)用中裂紋檢出率較低、漏檢率較高。

5 結(jié)語

目前，無損檢測技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，而國內(nèi)外無損檢測技術(shù)在換能器方面研究較少，本文簡單介紹了幾種無損檢測技術(shù)在換能器壓電元件無損檢測中的應(yīng)用，并對渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。針對換能器生產(chǎn)過程中彎曲振子的壓電元件開裂問題，結(jié)合彎曲振子結(jié)構(gòu)組成及裂紋形貌特征，采用多種無損檢測技術(shù)對缺陷進(jìn)行檢測。通過在彎曲振子的壓電元件上的檢測應(yīng)用，采用渦流檢測技術(shù)可明顯提高檢出率、降低漏檢率，取得了良好的檢測效果，可推廣應(yīng)用于其他類型彎曲振子的壓電元件開裂的檢測，彌補(bǔ)了現(xiàn)有各類彎曲振子目檢的局限性。