Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 4

где V - объем вещества, m_ - элементарный магнитный момент. Индукция в намагниченном материале определяе­т­ся формулой: B_м = ₀ (H + ), где ₀ = 4 10^-7 Гн/м. Напомним, что остаточной индукцией B_ост называется та ее часть, которая остается в намагниченном до насыщения ма­териале после снятия с него магнитного поля.

Второй важной характеристикой вещества (магне­тика), учитывающей его способность намаг­­ничиваться в магнитном поле является магнитная восприимчивость , равная:  = /H. Для всех металлов  зависит от :  = 1+ , причем для диамагнетиков  < 0, а для парамагнетиков  > 0. Поскольку, в обоих случаях  не зависит от напряженности магнитного поля H и мало отличается от еди­ницы, значения магнитной восприимчивос­ти для этих материалов весьма малы.   10^-6 … 10^-4 - для диамагнетиков, и 10^-7 … 10^-6 - для парамагнетиков.

Магнитные дефектоскопы позволяют обна­руживать подповерхностные трещины и ра­­ковины на глубине до 20 мм.

Д ругой областью применения магнитных ЛС является измерение зазоров в магнитных цепях. В системах этого типа используются как индуктивные, так и индукционные датчики (рис. 5.15). В первых - вариации ма­г­нитного сопротивления зазора R_ вызывает изменение индуктивности катушки L, во втором под действием того же фактора изменяется ЭДС индукции Е. В простейших магнитных ЛС возбуждение катушки внешним источником питания не производится; при этом выходной сигнал U_с возникает только при движении объекта относительно датчика. На этом принципе построены магнитные головки разных типов, использующиеся в системах магнитной записи сигналов (рис. 5.15а). Для повышения эффективности магнитных головок их сердечник выполняется из материала с большой магнитной проницаемостью (фе­ррита, пермаллоя и др.). В системах измерения зазоров или малых расстояний (рис. 5.15б) головка содержит две катушки - первичная запитывается от внешнего источника питания U_п, а вторая является сигнальной.

Пример использования индукционной го­ловки наведения для управления подвижным мобильным средством приведен на рис. 5.17а. Головка была включена в состав навигационной системы транспо­рт­ной тележки, перемещающейся внутри це­ха вдоль уложенных в подповерхностном слое металлических шин. Катушка возбуждения создает вы­сокочасто­т­ное электромаг­ни­т­ное поле, которое на поверхности метал­ли­ческой шины наводит со­ответству­ющее магнитное поле, под действием которого во вторичных (сигнальных) катушках генерируются переменные напряжения. Обмотки кату­шек соединены дифференциально, в результате че­го их суммарный сигнал соответствует разности напряжений в каждой катушке. Угловое рассогласование  вы­зывает на выходе фазочувствительного выпрямителя ФЧВ сигнал U_вых, ам­плитуда которого пропорциональна напряжению U_диф, а знак соответствует фазе  (рис. 5.17б).

Магнитные ЛС на базе индуктивных датчиков расстояния широко используются в робототехнике. На рис. 5.18 представлена функция преобразования и схема включения индуктивного датчика в контур управления сварочным роботом. Выходные сигналы поступают в регулятор привода, который перемещает горелку по соответствующей оси до тех пор, пока не будет до­стигнуто требуемое расстояние L_раб между эле­ктродом и поверхностью за­­готовки. Это расстояние, оп­ределяемое эмпирически, со­ставляет в среднем 6, 4 и 3 мм соответственно для черных металлов, алюминия и меди. Точность отслеживания траектории достигает  0,4 мм.

В качестве первичных преобразователей магнитных ЛС также служат фер­­розонды (по­ле­меры), преобразователи Хол­ла и др.

Магнитные ЛС являются основными средствами неразрушающего контроля в литьевом и прокатном производстве. К их достоинствам относятся: простота конструкций, большая глубина зоны контроля, высокая надежность (на показания датчика практически не влияют климатические факторы, загрязнения поверхности). Недостатками магнитных ЛС являются низкая разрешающая способность и нелинейность функции преобразования.

5.2.2. Вихретоковые локационные системы

В настоящее время весьма распространены ЭЛС, использующие вихретоковые первичные пре­обра­зо­ватели. Первое упоминание о датчике на основе вихревых токов (ВТ), по-видимому, датируется 1879 г., когда англичанин Д. Хьюз построил прибор для сравнения параметров металлических объектов. Системы этого типа работают в условиях активного воздействия внешней среды (при значительных перепадах температур и влажности, в агрессивных средах и т.д.), на транспорте, в прокатном и сварочном производстве. ВТ ЛС нашли применение в задачах измерения геометрических параметров быстропротекающих процессов движения.

Собственно ВТ метод основан на взаимодействии внешнего магнитного поля с электромагнит­ным полем ВТ, наводимых возбуждающей ка­тушкой в любом электропроводящем объекте. Принцип фор­мирования ВТ, открытый в 1825 г. Д. Араго и развитый впоследствии его учеником Л. Фуко пред­ставлен на рис. 5.19. Си­нусоидальный или импульсный ток, действующий в катушке возбуждения датчика, создает электромагнитное поле, которое вызывает ВТ в объекте. Электромагнитное поле этих токов, в свою очередь, воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. (В датчике может использоваться одна катушка или две - как на рисунке). Сила ВТ, возбужденных в изделии I зависит от частоты переменного тока, электрической проводимости 1/, абсолютной магнитной проницаемости _а =  ₀ материала изделия, а также величины зазора. ВТ подчиняются второму уравнению Максвелла: rot I = - 1/ (dB/dt). Плотность ВТ зависит от геометрических и элек­тромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения ВТ датчика и объекта. Она максимальна на поверхности объекта в контуре, ди­аметр которого близок к диаметру возбуж­да­ющей катушки. В отличие от индуктивных ЭЛС, системы на базе ВТ пригодны для работы с немагнитными материалами.

В настоящее время выпускается большое количество различных ВТ датчиков, отличающихся как назначением, так и конструктивными решениями. Так, толь­ко фирма «Institut F. Forster», Германия предлагает бо­лее 800 вариантов ВТ датчиков, размером от долей мм до 0,5 м в диаметре и массой от граммов до сотен килограмм. Принятым классификационным признаком является рабочее положение обмоток датчика относительно объекта контроля [ ]. В соответствии с ним преобразователи делятся на три группы: проходные, накладные и комбинированные.

Наиболее распространены накладные ВТ датчики, подводимые к поверхности контролируемого объ­екта. Большинство ВТ ЛС строятся на базе датчиков накладного типа с двумя катушками - возбуждающей и сигнальной. При расположении катушек преобразователя возникает та же проблема, что и в других индукционных системах: с одной стороны ЭДС, наводимая в сигнальной катушке должна быть максимальной, а с другой - взаимовлияние катушек необходимо свести к минимуму. Некоторые популярные схемы расположения катушек представлены на рис. 5.20. При коаксиальном расположении выходной сигнал в сигнальной катушке образуется совместным действием потока возбуждения и ВТ объекта контроля, что требует компенсации постоянной составляющей, обусловленной кату­ш­­кой возбуждения. При ортогональном поло­жении катушек ток в сигнальной наводится только ВТ, однако, и уровень выходного сигнала в этом случае ниже, чем в первом.

Расчет ВТ достаточно сложен и в большинстве случаев пользуются эмпирическими зависимостями, полученными для разных частных случаев. Так, например, для ВТ ЛС с накладным преобразователем глубина проникновения ВТ  определяется приближенным выражением:

Здесь  = 2f - круговая частота тока возбуждения. Размерности  и _а =  ₀ - составляют соответственно (Ом/м) и (Гн/м). Данное выражение дает завышенную оценку глубины проникновения ВТ, и для более точных измерений в расчет вводится обобщенный параметр , учитывающий размеры (ра­ди­ус R) ка­тушки возбуждения ВТ [ ]:

.

Следовательно, . Значение  тем ближе к реальному, чем больше величина параметра  и, в первую очередь, размер катушки возбуждения. При работе в диапазоне частот возбуждения 0, 1 … 10 кГц, значения  для большинства металлов не превышает  0,5 ... 5 мм и уменьшается с частотой.

В дефектоскопии с помощью ВТ удается обнаружить трещины наружного и внутреннего залегания длиной 1 ... 2 мм и глубиной 0,1 ... 0,3 мм, полости, ра­ковины залеганием до 6 мм, неметаллические включения и т.д. Вихретоковые ЭЛС позволяют измеря­ть толщину покрытий в пределах 0,001 ... 1,0 мм. Для увеличения глубины проникновения ВТ при­меняют специа­ль­ные меры. Например, уменьшение _а ма­тери­ала, путем соз­да­ния в нем магни­тного насыщения, уве­личивает  до 10 мм.

С ущественной осо­бенностью ВТ ЛС яв­ля­ется их многопа­раметричность, т.к. ЭДС преобразователя зависит от многих характеристик объ­екта контроля и окружающей среды, неявно влияющих на выходной сигнал. Это обстоятельство определяет как до­стоинства, так и не­достатки ВТ измерений. Для компенсации интегрального влияния внешних факторов в состав ВТ ЛС включают компенсационный контур (рис. 5.21) на который действуют те же факторы, что и на рабочий, кроме непосре­дственно измеряемого параметра.

В задачах многопараметрического контроля, когда приходится управлять сразу несколькими переменными, удобно использовать многокомпонентные ВТ датчики, получившие название матричных ВТ преобразователей. ЭЛС, построенные на ба­зе матричных преобразователей, широко используются для контроля ге­о­мет­рических па­раметров дви­жу­щи­хся уз­ко­про­фильных по­­ве­рх­но­стей с разрывами и уступами. В частности, в ряде стран (в том числе - России) разработаны ВТ ЛС для технической диагнос­тики рельсового пу­ти и контактного провода на железнодорожном транспорте [ ]. В этом случае, матричные ВТ датчики содержат не одну, а несколько (матрицу) си­гнальных ка­ту­шек. Обычно в задачах диагностики ре­льсов при­меняют шесть, а для кон­троля состояния провода две катушки. На рис. 5.22 показан пример такого ше­стикомпонентного ВТ датчика и схе­ма его установки. Матричный ВТ датчик накладного типа представляет собой две идентичные кату­шки «во­сьмеркообразной» намотки, име­ю­щие об­щую ось вертикальной симметрии Z. В горизонтальной плоскости XY катушки ортогональны друг другу. Каждая из катуш ек, в свою очередь, выполнена в виде двух секций (на рис. 5.22 они обозначены 1-2 и 3-4), так, что, в итоге получается 4 секционные сигнальные катушки. Датчик, работающий в диапазоне частот 0,1 … 1,0 МГц, располагают непосредственно под вагоном на фиксированном расстоянии над контролируемым рельсом. На рис. 5.22 обозначены контролируемые параметры пути: x и h - смещение оси рельса в боковом и вертикальном направлениях, r - боковой износ рельса, z и y - превышение рельсов и зазор в стыке, Н - рельсовая база. (Катушки 1 и 2 наиболее чувствительны к изменению параметров x и h, а также r, 3-4 - к параметрам z и y и r).

Рассмотренная система установлена в передвижной лаборатории комплексной диагностики пути, способной производить контроль со скорость передвижения вагона по железнодорожной магистрали - 80 км/час.