Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 5

Другим примером использования ВТ ЛС является задача слежения за сварочным швом (рис. 5.23). Четырехкомпонентный матричный ВТ датчик включается в состав системы управления сварочного робота. Каждый из информационных каналов предназначен для измерения сво­его влияющего фактора - в данном случае, параметров взаимного положения свариваемых деталей и сварочной головки. Например, каналы, связанные с катушками 1 и 4 предназначены для измерения высоты расположения датчика над объектами сварки h₁, h₂, h, а катушки 2 и 3 входят в канал измерения ширины шва x и контроля базы r (расстояния от центра датчика до линии шва). Указанные параметры, в конечном счете, позволяют контролировать поперечное смещение электрода относите­льно линии шва, длину дуги и уп­рав­лять скоростью подачи проволоки.

Существенным недостатком всех матричных ВТ датчиков является высокий коэффициент влияния информационных каналов ⁱ_j, составляющий  12 … 20%.

Весьма важной областью применения ВТ ЛС, является область неразрушающего контроля изделий металлургической промышлен­ности. Поскольку структурное состояние металлов влияет на их электрические и магнитные свойства, оказывается возможным контролировать не только спло­шность материала, но и его химический состав, а также качество термической обработки и состояние повер­хнос­тного слоя после механической обработки. Схема такой системы для автоматизации процесса контроля сплошности отливок, представлена на рис. 5.24. Система включает несколько разнотипных ВТ датчиков, что позволяет детерминировать различные дефекты и их параметры: наружные царапины и их глубину H, длину l и глубину залегания  трещин и раковин. Выходным сигналом ВТ датчика является изменяющаяся частота генерации, которая с помощью частотного дискри­минатора преобразуется в аналоговый амплитудный сигнал, пропорциональный измеряемому параметру. Усилитель и нормализатор несколько выравнивают функцию преобразования, хотя она все равно остается нелинейной.

В табл. 5.1 представлены некоторые характеристики ВТ систем.

Таблица 5.1. Примеры промышленных ВТ ЛС

Примечания.

1. Массо-габаритные показатели включают блок электроники. Масса катушки ДСМ-0,1/1  50 г, ее размеры   20х28

2. На точность датчика в режиме измерения малых расстояний (зазоров) влияет шероховатость поверхности.

3. Система МТП-01 представляет собой маг­нитный толщиномер.

ВТ метод в настоящее время является одним из основных методов неразрушающего контроля металлических объектов разных габаритов и формы. Его достоинства: простота конструкций, высокая разрешающая способность, малогабаритность и надежность позволяют производить контроль качества объектов сложной формы, таких, например, как лопатки турбин. В то же время недостатки ВТ ЛС, связанные с малой глубиной зоны контроля, существенной нелинейностью и невысокой точностью (  3…5 %) требуют применения в диагностических комплексах и других локационных методов.

5.2.3. Электромагнитные локационные системы специ­ального назначения

В последнее время все чаще электромагнитные принципы применяются для решения специальных задач экстремальной робототехники, а также связанных с обеспечением безопасности, контролем доступа и т.п. Первые разработки в этой области датируются 20-ми годами ХХ века, когда в США были созданы устройства, позволяющие обнаруживать выносимые с заводов детали. К середине века в СССР появились приборы, способные различать изделия из черных и цветных металлов, которые были установлены на Монетном дворе. Во время Второй мировой войны активно развивались средства поиска мин, и к концу ХХ века было разработано большое количество различных схем миноискателей, позволяющих обнаруживать мины всех типов, включая пластиковые. В зависимости от области применения ЭЛС специального назначения можно разделить на две группы:

• детекторы металлов;

• электромагнитные антенны.

Иногда, не вдаваясь в детали, их объединяют общим термином - металлоискатели, понимая под этим локационные активные или пассивные ЭЛС для обнаружения металлических предметов из чер­ных и цветных металлов в непроводящих и слабо проводящих средах (дерево, одежда, пластмасса). Да­ль­ность обна­ружения металличес­ких объектов со­с­­тавляет 20 ... 200 мм.

Рассмотрим некоторые базовые принципы построения металлоискателя. Его основой является специальная катушка - антенна, регистри­рую­щая пас­­сивные ме­таллосодержащие объ­екты в зоне обнаружения или определяющая наличие электромагнитных полей в этой зоне. Существует несколько базовых схем построения подобных ЭЛС, основанных на использовании методов биений, мостовых схем и «передатчика-при­емника» [ ].

Самым простым является метод биений, заключающийся в сравнении значений частоты колеба­ний двух генераторов: образцового и перестраиваемого, частота которого изменяется под воздействием на его колебательный контур искомого металлического пре­дмета. По сравнению с ним мостовой метод (схема включает индуктивный мост) более точен и чувствителен, но сложнее и капризнее в эксплуатации. Наиболее распространены схемы «передат­чика-приемника» , в которых используются две катушки - излучающая (передающая) и приемная. Также как и в вихретоковых ЭЛС здесь необходимо «развязывать» сигналы катушек, так, чтобы поле излучающей катуш­ки не наводило сигнал в приемной в отсутствии металлических предметов. Простейшие конструкции датчиков основаны на использовании катушек с перпендикулярными (рис. 5.25а) и скрещивающимися осями (рис. 5.25б). Однако, возможны и другие кон­структивные схемы. Так, получили распространение более сложные, но и более точные конструкции ЭЛС, антенны которых построены по дифференциальной (рис. 5.25в) и компланарной схемам (рис. 5.25г, д ). Данный подход позволяет максимально при­близить датчик к поверхности земли. В компланарной схеме приемная катушка может быть выполнена в виде «восьмерки» и помещена внутрь излучающей. В этом случае, ЭДС в каждой половинке «вось­мерки» при отсутствии объекта компенсируются. Дру­­гим решением является такое расположение катушек («обручальное»), при котором суммарный поток вектора магнитной индукции через поверхность приемной катушки равен нулю.

Р ассмотрим вкратце один из методов расчета металлоискателей. Для простоты ограничимся схемой антенны, состо­ящей из двух катушек с перпенди­ку­лярными осями. Примем, что, каждая катушка представляет собой круглую бесконечно тонкую рамку [ ]. В этом случае, вектор магнитного момента P_m при протекании тока I равен: P_m = I n_s, где $ - площадь рамки, n_s - вектор нормали. Если эта катушка используется в качестве излучающей, то ток через нее на некотором большом, по сравнению с собственными размерами расстоянии r создаст вектор магнитной индукции B, с компонентами B_n и B_:

B = (₀/2) (P_m/r³),

B_n = (₀/2) (P_m/r³) cos

B_ = (₀/2) (P_m/r³) sin

где индексы n и  обозначают соответственно нормальную и тангенциальную составляющие вектора магнитной индукции и r >> $. Взаимодействие излучаю­щей, приемной катушек антенны и объекта можно представить следующим образом. Магнитный поток излучающей катушки попадает на объект и переизлучается от него на приемную катушку. Следовательно, объект апроксимируется эквивалентной рамкой, магнитный момент которой P_m* зависит от тока, т.е. проводимости объекта, его размеров и т.д. Таким образом, модель взаимодействия антенны металлоискателя с объектом представляется взаимодействием трех рамок с током (рис. 5.26). Расчет этой модели, приведенный в [ ] для r и L >> $, где L - база датчика, показывает, что величину отраженного от объекта сигнала можно оценить значением наведенной в приемной катушке индукции B’. Составляющая B’ в направлении нормали n_s’ B₀ вызывает в приемной катушке ЭДС индукции U₀ = B₀$₀N₀ p. Здесь $₀ и N₀ - площадь сечения приемной катушки и ее число витков, p - оператор Лапласа.

Для индукции B₀ справедливо выражение:

B₀ = (₀/2) (P_m*/r’³) sin 2(+).

Магнитный момент эквивалентной рамки в значительной степени определяется формой объекта. Для случая шарового однородного объекта имеем , где B - индукция магнитного поля излучающей катушки,  - магнитная проницаемость материала, R - радиус объекта-шара.

Существенно, что функция преобразования металлоискателя, использующего метод «передатчика-при­ем­ника» зависит от ориентации на объект (параметры  и ). Этот недостаток отсутствует у индукционных металлоискателей, в антеннах которых излучающая и приемная катушки совпадают. Наведенное в объекте магнитное поле воспринимается той же катушкой, при этом к индукции возбуждения добавляется составляющая пропорциональная величине магнитного момента P_m*.

Характеристиками металлоискателей являются чувствительность и селективность. Под селективностью понимается способность металлоискателя детектировать объекты из разных металлов и сплавов. Значения этих параметров в значительной степени определяются рабочей частотой прибора. Для определения рабочей частотой применяется универсальную за­­висимость, где в качестве константы используется размер монеты R. Оптимальная частота сигнала излучателя f приблизительно равна: , где  - удельное сопротивление материала. Например, для медной монеты диаметром 25 мм - оптимальная частота составит около 1 кГц, хотя в промышленных металлоискателях са­мым распространенным диапазоном является 5 … 15 кГц. (Во­­­об­ще говоря, работа на высоких частотах  90 кГц ... 1 МГц обеспечивает более высокую чувствительность, в том числе при детектировании металлов со слабыми ферромагнитными свойствами - медь, серебро). Ис­пользование же в схемах низких частот обеспечивает, с од­ной стороны, слабую реакцию на не­желательные сигна­лы (мокрый песок, мелкие объекты, ти­па стружки), а с другой - хорошую чувствительн ость при поиске скрытых предметов малого и среднего размера (метал­ли­ческих коробок, труб, монет и пр.).