CN101278193B - 电化学疲劳传感器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定基板中生长裂缝的疲劳状况的方法。提供了一种电化学传感器装置，该装置包括由不锈钢网形成的电极。所述电化学装置具有与基板接触的下表面。在下表面上涂敷了粘合剂层，隔离纸粘附在该粘合剂层上。使所述隔离纸与粘合剂层分离，从而使粘合剂层暴露。通过使粘合剂层与基板接触而将电化学传感器装置固定在基板上，从而形成部分由基板界定的电解质空腔。所述粘合剂将装置的下表面密封到基板上，以防止电解质从空腔中泄漏。向空腔中注满电解质。在基板承受循环负载时，根据参比电极和基板之间测量的电流确定基板中生长裂缝的疲劳状况。

Description

电化学疲劳传感器系统和方法
发明领域
本发明一般涉及电化学疲劳传感器装置以及使用这种装置的系统和方法。 
发明背景
现在参看图1，显示了依据现有技术的电化学疲劳传感器(EFS)装置10的示意图。EFS装置10可用于实施非破坏性疲劳裂缝的检查方法，以确定所检查的疲劳裂缝是否在活跃地生长。例如，可以将EFS装置10放置到待检查的实验室样品或结构的疲劳临界位置上。EFS装置10由电解质12、传感器14和用于在结构(基板16)和传感器14之间施加恒定的极化电压的稳压器(20)组成。 
EFS装置10根据电化学原理工作。该结构发生阳极极化，在待测试的表面上产生保护性钝化膜。所述结构和电极之间的极化电压在电池中产生DC基电流。如果受EFS探测的结构承受周期应力，则在电池中流动的电流发生波动，其波动情况与机械应力状态的变化呈现非常复杂的关系。因此，AC电流叠加在DC基电流上。根据所述结构的材料和负载的情况以及结构中疲劳损害的状况，电池的瞬时电流提供疲劳损害状况的信息。 
对在EFS探测所述结构的过程中施加的电化学条件进行设计，以在材料表面形成稳定的惰性氧化物膜。在循环施加负载的过程中，疲劳过程会导致非常微小的微塑性和应变局部化。循环滑移和钝化过程的相互作用导致钝化膜暂时且反复的变更。这些变更，包括分解和再钝化过程，导致瞬时电流。 
EFS瞬时电流是复杂的，涉及在金属和EFS电解质的界面处的电双层中的周期性变化，一般具有与机械应力相同的频率，但是它们之间具有复杂的相位关系，具体取决于受探测的特定金属。另外，循环滑移对金属表面上氧化物膜的破坏会进一步增加已经使弹性电流的频率翻倍的瞬时电流，这是因为在循环的拉伸部分和压缩部分都发生了塑性效应。随着循环次数的增加，疲劳损害 加剧，形成裂缝，这些裂缝导致疲劳循环的一些部分产生局部化塑性，这些部分不同于那些已经产生背景微塑性但是还没有形成裂缝的部分。因此，裂缝诱导的塑性将更高的谐波分量引入瞬时EFS电流中。这些不同的电流分量的分析和校准可以用来测定疲劳裂缝的生长态势。 
已有的EFS装置(例如图1所示的EFS装置)有许多缺陷。例如，将已知的KFS装置附着到基板上以及装填电解质的操作都非常麻烦。而且已知的EFS装置的灵敏性较差，对这类装置产生的EFS信号进行分析的信号处理技术似乎也不完善。本发明解决了现有技术中的这些缺点。 
发明概述
本发明涉及一种确定基板中生长裂缝的疲劳状况的方法。提供了一种电化学传感器装置，该装置包括由不锈钢网形成的电极。所述电化学装置具有接触基板的下表面。该下表面涂敷了粘合剂层，在该粘合剂层上附着有隔离纸。将隔离纸与粘合剂层分离，从而使粘合剂层暴露。通过使粘合剂层与基板接触而将电化学传感器装置固定在基板上，从而形成部分被基板界定的电解质空腔。粘合剂将装置的下表面密封到基板上，以防止电解质从空腔中泄漏。用电解质填充空腔。当基板承受循环负载时，根据参比电极和基板之间的测量电流确定基板中生长裂缝的疲劳状况。 
依据另一方面，本发明涉及一种用于确定基板中生长裂缝的疲劳状况的电化学传感器装置。该系统包括由基本对电解质不具有渗透性的不锈钢网材料形成的参比电极。该参比电极具有面对基板的底部和背对基板的上部。在网材料中设置至少一个开口，所述至少一个开口的尺寸足以允许电解质流过参比电极。在基板和参比电极的底部之间形成第一电解质空腔。在参比电极的上部和装置盖之间形成第二电解质空腔。在第一电解质空腔的腔壁中形成电解质进入口。在第二电解质空腔的腔壁中形成排出口。一种传感器在基板承受循环负载时测量参比电极和基板之间的电流。 
依据另一方面，本发明涉及一种确定在基板上待检疲劳位置的生长裂缝的疲劳状况的方法。提供包括第一参比电极的第一电化学传感器装置。还提供包括第二参比电极的第二电化学传感器装置。将第一电化学传感器装置设置在基 板上的待检疲劳位置，当基板承受循环负载时，测量第一参比电极和基板之间的第一电流信号。将第二电化学传感器装置设置在基板上不可能产生疲劳裂缝的位置，在基板承受循环负载时，测量第二参比电极和基板之间的第二电流信号。通过比较第一电流信号和第二电流信号得到的信息，估计在待检疲劳位置的生长裂缝的疲劳状况。 
附图简要说明
图1是依据现有技术的电化学疲劳传感器装置的示意图。 
图2A是依据本发明的EFS装置的等距视图。 
图2B是图2A所示的EPS装置的分解图。 
图2C是图2B所示的EFS装置的俯视图。 
图3是说明裂缝引发过程的早期阶段的示意图。 
图4说明了依据本发明的0.01英寸生长裂缝的EFS数据的FFT。 
图5说明了依据本发明的差分EFS技术，参考EFS装置和裂缝控制EFS装置的EFS信号的比较。 
优选实施方式的详述
现在参见图2A-2C，它们显示了依据本发明的EFS装置100。该传感器包括参比电极110，在一个实施方式中，该参比电极是由不锈钢制成的网。传感器还包括部件120和130，在一个实施方式中，这些部件都由已经在两侧涂敷了压敏粘合剂的泡沫材料制成。在一个实施方式中，部件120和130的表面积都等于或小于2x 2平方英寸。将隔离纸(未示出)粘附在部件120的底部122上。在部件120的壁中形成电解质进入口150。电解质进入口150与进料管160(例如，塑料吸管)连通。在部件130的壁中形成排出口170。排出口170与排出管180(例如，塑料吸管)连通。EPS装置100还包括透明盖板190。通过以下方式组装EFS装置100：使部件130的上表面134上的粘合剂与盖板190接触；使部件130的下表面132上的粘合剂与电极110的上表面114接触；使部件120的上表面124上的粘合剂与电极110的下表面接触。 
在组装后，就可以将EFS装置100施加到基板上，以监控基板中生长裂 缝的疲劳状况。如上所述，在部件120的下表面122上涂敷粘合剂层，将隔离纸粘附在粘合剂层上。为了将EFS装置100施加到基板上，将隔离纸与部件120的下表面122上的粘合剂层分离，从而使部件120的下表面122上的粘合剂层暴露。然后通过使粘合剂层与基板接触而将EFS装置100固定在基板上，形成由基板下表面、部件120的壁面、参比电极110的上表面界定的下部电解质空腔。用粘合剂密封部件120的下表面122与基板，以防止电解质从下部电解质空腔中泄漏。EFS装置100还包括由参比电极110的下表面、部件130的壁表面和透明盖190的上表面界定的上部电解质空腔。在一个实施方式中，用于形成电极110的不锈钢网基本对电解质不具有渗透性。网材料中至少具有一个开口116(见图2C)，开口116的尺寸足以允许电解质流过参比电极110。 
将如上所述将EFS装置100固定到基板上后，通过进料管160向装置中注入(例如泵送)电解质。首先将电解质注入下部电解质空腔中。在下部电解质空腔注满后，继续通过进料管160提供电解质，从而导致电解质通过开口116从下部电解质空腔流入上部电解质空腔。该过程继续，直到上部电解质空腔也充满(例如，当电解质开始从排出管180流出时)。在进料过程完成后，立即夹紧管160和180，电极110的两侧都被电解质覆盖。在进料过程中，可以通过透明盖190用肉眼监控EFS装置100的内部，以确保该装置装满电解质，并且没有气泡存在。在一个实施方式中，用于装满EFS装置100的电解质是： 
[0025] 1.2M H3BO3+0.3M Na2B4O7·10H2O+0.24M Na2MoO4·2H2O 
本领域技术人员应理解也可以使用其它电解质制剂。 
在如上所述安装和装填了EFS装置100后，将稳压器(未示出)与参比电极110和基板连接，以测量电极110和基板之间的电流。当基板经历循环负载时，可以根据测量的参比电极110和基板之间的电流(EFS信号)确定基板中生长裂缝的疲劳状况。 
与其它非破坏性测量方法相比，本发明的EFS技术具有以下一些优点：本发明方法有可能用于检测疲劳裂缝生长，还能检测极小的裂缝(0.005英寸)。图3说明了位错累积形成侵入(intrusions)和挤出(extrusions)的过程。可以用依据本发明的电化学疲劳传感器检测这些侵入和挤出以及在裂缝生长早期的裂 缝的形成。 
在实验室中，已经发现当纯正弦负载用于疲劳样品时，在EFS信号中包含两个主要的频率。如图4所示，对于具有0.01英寸生长裂缝的样本，EFS数据的快速傅立叶变换(FFT)同时显示了1赫兹和2赫兹频率分量(frequencycomponent)。1赫兹频率分量是由弹性形变引起的，2赫兹频率分量是由局部塑性形变引起的。随着裂缝生长和裂缝生长速率的增加，2赫兹的第二谐波的幅度增加。在高负载下，在疲劳开裂发生之前，由施加的高负载导致的局部塑性产生了相似的二次谐波。为了区分分别由破裂和负载导致的塑性，使用次参比传感器。主传感器和次传感器一起使用称为差分EFS(differential EFS)。 
依据本发明的差分EFS使用两个EFS传感器100，一个称为参比(R)传感器，另一个称为裂缝测量(M)传感器，以测量在基板上待检疲劳位置的生长裂缝的疲劳状况。将第一EFS装置100(例如M传感器装置)设置在基板上的待检疲劳位置，当基板承受循环负载时，测量C传感器装置中的参比电极与基板之间的第一电流信号。将第二EFS装置100(例如R传感器装置)设置在基板上不可能发生疲劳开裂的位置，在基板承受循环负载时，测量参比传感器装置中参比电极与基板之间的第二电流信号。然后通过比较第一和第二电流信号提供的信息，评估待检疲劳位置的生长裂缝的疲劳状况。更具体地，通过信号处理，可以比较两种信号，以确定是否存在裂缝。观察图5，可以发现M测量传感器提供比参比传感器幅度更高的信号，表示存在裂缝。 
最后，本领域技术人员应理解，在不背离本发明广义概念的情况下，可以改变上述实施方式。因此，应理解，本发明不限于所揭示的具体实施方式，而是旨在覆盖在所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改。 

Claims (9)

1.一种确定导电基板中裂缝的疲劳状况的电化学疲劳传感器系统的传感器组件，其包括：
具有内和外表面的体；
在所述体内限制电解液的电解质空腔；
置于所述空腔内的电极，将其构造成使电解质在电极的两侧上；
将所述体的内表面粘附到基板上的粘合剂和将盖板粘附到所述体的外表面上的第二粘合剂；和
在将传感器组件粘附到基板上之后将电解质填充到空腔中的装置。
2.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述体还包括多个层，可将所述层装配在基板的表面上。
3.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述电极选自导电金属的网或片。
4.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述电极是不锈钢。
5.一种确定基板中裂缝的疲劳状况的方法，该方法包括：一组两个如权利要求1所述的传感器组件，通过比较由两个传感器组件测得的电流来确定裂缝的疲劳状况。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将各传感器组件耦合到稳压器上，在基板循环负载的过程中将恒定电压施加到基板上时所述稳压器用来测量流过传感器组件的电流。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将一个传感器组件设置在基板上待检疲劳位置，另一个传感器组件设置在不可能发生疲劳开裂的位置，通过测量两个传感器组件之间的第一和第二电流信号的差异来评估基板的疲劳状况。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将在循环负载过程中对来自传感器组件的电流的稳压器测量的数据转移到处理信号的计算机上，以确定基板的疲劳状况。
9.一种确定基板中裂缝的疲劳状况的方法，该方法包括：一组两个如权利要求1所述的传感器组件，其中
将一个传感器组件设置在基板上待检疲劳位置，另一个传感器组件设置在不可能发生疲劳开裂的位置，
通过测量来自各传感器组件的电流来确定裂缝的疲劳状况，其中各测量来自稳压器，在基板循环负载的过程中将恒定电压施加到基板上时所述稳压器用来测量流过传感器组件的电流；和
进行稳压器电流测量的信号分析，以确定基板的疲劳状况。
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