Лабораторная работа 6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 6«Исследование вихретокового датчика накладного типа»Цель работы: ознакомление с принципом действия преобразователей вихретоковых локационных системи способами построения на их основе датчиков близости.1. Теоретическая частьРабота вихретокового датчика основана на взаимодействии внешнего магнитного поля с электромагнитным полем вихревых (замкнутых) токов, наводимых возбуждающей катушкой в любом электропроводящем объекте. Синусоидальный или импульсный ток, действующий в катушке возбуждения датчика, создает электромагнитное поле, которое вызывает вихревые токи в материале объекта. Электромагнитное поле этих токов воздействует на сигнальную катушку, наводя в ней ЭДС. В простейших схемах вихревые токи воздействуют непосредственно на катушку возбуждения.

Сила I вихревых токов, возбужденных1 dBв изделии, определяется уравнением Максвелла rot I  и зависит от частоты тока обмотки возбуж dtдения, материала объекта (его удельного электросопротивления  и магнитной проницаемости ), а такжерасстояний между катушками и объектом. Она максимальна на поверхности объекта в контуре, диаметр которого близок к диаметру катушки возбуждения (рис.

6.1).В настоящее время выпускают большое количество различных вихретоковых датчиков, размером от долей миллиметра до 0,5 м в диаметре и массой от нескольких граммов до сотен килограммов. В зависимостиот взаимного положения катушек датчика и объекта контроля вихретоковые датчики разделяют на три типа:проходные, накладные и комбинированные.Катушки проходного датчика устанавливают с двух сторон объекта (например, катушку возбуждениявнутри, а сигнальную снаружи трубы). Накладной датчик может содержать как одну, так и две катушки, ноих размещают с одной стороны объекта.

Наконец, в комбинированном датчике используют несколько катушек, расположенных с двух сторон объекта.Во всех случаях между катушками возникает взаимовлияние. Так, наводимая в сигнальной катушке ЭДС вызывается не только полем вихревых токов в объекте, но инепосредственно полем катушки возбуждения, а, в свою очередь, ток в сигнальной катушке вызывает противоЭДС в катушкевозбуждения. Для уменьшения взаимноговлияния катушек часто используют несколько дифференциально включенныхсигнальных катушек — так называемые катушки с восьмеркообразной намоткой, атакже схемы с коаксиальным и ортогональным расположением катушек.

В первомслучае ЭДС в каждой половинке восьмерки Рис. 6.1. Схема образования и эпюра вихревых токов:при отсутствии объекта компенсируются. 1 — генератор; 2 — катушка возбуждения; 3 — сигнальная катушка;Во втором случае при коаксиальном распо- 4 — измеритель; 5 — металлический объектложении катушек выходной сигнал в сигнальной катушке образуется совместным действием потока возбуждения и вихревых токов объекта контроля, что требует устранения постоянной составляющей, обусловленной катушкой возбуждения.

При ортогональном же расположении катушек ток в сигнальной катушкенаводится только вихревыми токами, однако и уровень выходного сигнала при этом будет ниже, чем в первом и втором случаях.Расчет вихревых токов достаточно сложен, поэтому в большинстве случаев используют эмпирическиезависимости, полученные для разных частных случаев. Например, для вихретокового датчика с накладнымпреобразователем глубину  проникновения вихревых токов определяют по приближенной формуле2,в0где в  2 f — круговая частота тока возбуждения;  — удельное электросопротивление материала.Значение  глубины проникновения вихревых токов тем ближе к реальному, чем больше диаметр катушки возбуждения. При работе в диапазоне частот 0,1…10 кГц для большинства металлов   0,5...5 мм иуменьшается с увеличением частоты.В дефектоскопии с помощью вихревых токов удается обнаружить трещины наружного и внутреннегозалегания длиной 1...2 мм и глубиной 0,1...0,3 мм, раковины с глубиной залегания до 6 мм, неметаллические включения.

Вихретоковые датчики позволяют измерять толщину покрытий в диапазоне 0,001...1,0 мм.Для увеличения глубины проникновения вихревых токов применяют специальные меры. Например, создавая в материале магнитное насыщение (уменьшая его магнитную проницаемость), увеличивают глубинупроникновения вихревых токов до 10 мм.Особенностью вихретоковых датчиков является их многопараметричность, так как ЭДС преобразователязависит от разных характеристик объекта контроля и окружающей среды, неявно влияющих на выходной сигнал.Это обстоятельство определяет как достоинства, так и недостатки таких систем.

Существенным недостатком всехмногокомпонентных вихретоковых датчиков является высокий коэффициент влияния информационных каналов( ij  12…20 %). Для компенсации интегрального влияния внешних факторов, вызывающих дополнительнуюпогрешность системы, в ее состав включают компенсационную катушку, на которую действуют те же факторы,что и на рабочие катушки, кроме непосредственно измеряемого параметра. Суммируя сигналы с катушек с помощью дифференциального усилителя можно существенно уменьшить дополнительную погрешность.2. Практическая частьВ практической части необходимо построить функцию преобразования вихретокового датчика.2.1. Лабораторная установкаЛабораторная установка включает в себя:1.

вихретоковый датчик с чувствительным элементом, закрепленным в струбцине,2. набор испытуемых образцов материала,3. микрометр,4. цифровой вольтметр В7-27,5. источник питания +15 В.Схема вихретокового датчика представлена на рис.6.2.УсилительнормализаторГенераторЧастотныйдискриминаторДетекторныйфильтрЧувствительныйэлемент (катушка)Рис. 6.2.Функциональная схема вихретокового датчикаЧувствительным элементом является катушка индуктивности, которая включена в LC цепь и образуетрезонансный контур.

Резонансному режиму соответствует минимальное значение индуктивности системы«чувствительный элемент – металлический объект», что соответствует максимальному удалению катушкиот поверхности материала.При приближении катушки к проводящему материалу электромагнитное поле катушки начинает взаимодействовать с электромагнитным полем наведенных в материале вихревых токов, в результате чего, приведенная индуктивность катушки увеличится, параметры контура отстроятся от резонанса и амплитуда наего выходе уменьшится пропорционально изменению расстояния. Пройдя через детекторный фильтр, сигнал принимает вид уровня напряжения, который подается на нелинейный усилитель-нормализатор, спрямляющий функцию преобразования в определенных пределах. Далее, нормализованный и усиленный сигналпоступает на следующий каскад или АЦП.2.2.

Порядок выполнения лабораторной работы1. Закрепить один из испытуемых образцов в струбцине напротив чувствительного элемента вихретокового датчика.2. Подключить вихретоковый датчик к цифровому вольтметру В7-27.3. Включить вольтметр и источник питания в сеть с напряжением 220 В 50 Гц.4.

Подать на датчик напряжение + 15 В от источника питания.5. Вращая микрометр и наблюдая изменение напряжения на вольтметре установить нулевое значениеотсчета.6. Увеличивая расстояние до образца наблюдать изменение выходного сигнала преобразователя.7. Заполнить табл. 6.1 для образцов из стали, меди и алюминия.Таблица 6.1.L, мм00,10,2Таблица записи результатов экспериментаUвых, B; сталь Uвых, В; медь Uвых, B; алюминий1,58.

Построить в одной системе координат графики функций преобразования датчика для трех образцов.9. Определить чувствительность датчика и погрешность для каждого типа образцов.10. Сделать выводы и ответить на контрольные вопросы.3. Контрольные вопросы1.2.3.4.Принцип действия и область применения вихретокового датчика.Тип датчика в данной работе.Структурная схема построения датчика.Влияние материала контролируемых образцов на показания датчика..