Естественные и точные науки Вестник БНТУ, № 3, 2011 42 УДК 620.130-179 УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОБЪЕКТОВ ИЗ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ Инженеры ПАВЛЮЧЕНКО В. В., ДОРОШЕВИЧ Е. С. Белорусский национальный технический университет Распространение электромагнитного поля в электропроводящую среду рассмотрено в ряде теоретических работ [1, 2]. Изучению распро- странения импульсного магнитного поля и раз- работке способов и устройств неразрушающего контроля электрических и магнитных свойств материалов посвящен ряд экспериментальных работ [3, 4]. Однако все эти работы требуют своего дальнейшего развития с точки зрения повышения качества неразрушающего кон- троля. Целью работы является повышение точ- ности определения пространственно- временных распределений напряженности им- пульсного маг-нитного поля Н и точности не- разрушающего контроля физических свойств Естественные и точные науки Вестник БНТУ, № 3, 2011 43 материалов и изделий и дефектов сплошности в них. Поставленная цель достигается разработкой и созданием новой экспериментальной уста- новки, новых, более совершенных способов и устройств контроля электрических и магнит- ных свойств объектов в импульсных и магнит- ных полях, а также компьютерным обеспечени- ем процесса нахождения пространственно-вре- менных распределений составляющих напря- женности импульсного магнитного поля Н вбли- зи поверхности объектов из электропроводя- щих и магнитных материалов. Были проведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования взаимодействия импульсного маг- нитного поля с электропроводящими и магнит- ными материалами. Для проведения измере- ний разработана экспериментальная установка (рис. 1), которая работает следующим образом. Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследо- вания распространения импульсных магнитных полей: 1 – излучатель импульсного магнитного поля; 2 – источник питания; 3, 4 – формирующие линии; 5, 6, 7 – тиристоры; 8 – блок управления; 9, 10 – накопительные конденсато- ры; 11 – измерительный прибор; 12 – измерительное со- противление; 13 – электрический ключ; 14 – источник постоянного напряжения; 15 – электронная схема; 16, 17 – трансформаторы запуска тиристоров; 18 – электронная схема; 19 – трансформатор запуска тиристора; 20 – элек- тронная схема; 21 – потенциометр; 22 – датчик магнитно- го поля; 23 – металлический образец; 24 – линия синхро- низации Зарядив накопительные конденсаторы 9 ти- ристора 5 от источника питания, переключают тумблер его управления в блоке управления и коммутации в положение «разряд» и замыкани- ем электрического ключа осуществляют разряд этих конденсаторов на источник импульсного магнитного поля через тиристор 5 и формиру- ющую линию 3. При этом параметры импульса тока источника импульсного магнитного поля определяются величиной напряжения на источ- нике питания, величиной электроемкости нако- пительных конденсаторов 9, ве- личинами индуктивности, электроемкостей и активных сопротивлений потенциометров фор- мирующей линии 3, а также линейными разме- рами, числом витков, толщиной и электриче- ским сопротивлением провода источника поля. С помощью цепи тиристора 5 можно формиро- вать синусоидальные импульсы тока в полвол- ны, импульсы тока, по форме близкие к тре- угольнику, а также квазилинейно нарастающие импульсы с экспоненциальным спадом. Цепь тиристора 6 служит для формирования импуль- сов тока более сложной формы следующим об- разом. Задают параметры формирующей ли- нии 4 тиристора 6 и время задержки t3 его ли- нии задержки в схеме 18, коммутируют цепь заряда накопительных конденсаторов 10 из по- ложения «заряд» в положение «разряд». Затем замыкают ключ, осуществляя разряд конденсаторов 9 на источник поля и с момента времени t3 – разряд конденсаторов 10 через ти- ристор 6 и линию задержки 4. Цепь тиристора 6 позволяет формировать среднюю часть и зад- ний фронт импульса тока. С помощью тиристо- ра 7 осуществляют формирование заднего фронта импульса тока I на источнике. Момент его срабатывания задают временем задержки его линии задержки в схеме 20. Время спада тока в источнике поля определяется величиной активного сопротивления 21 в цепи тиристо- ра 7, включенного параллельно излучателю по- ля 1. Знак «×» означает направление вектора напряженности магнитного поля Н. В качестве измерительного прибора, подключенного к счи- тывающему устройству с датчиков магнитно- го поля, использовали осциллограф с послесве- чением С8–13, откалиброванный с помощью генератора стандартных сигналов, цифровой осциллограф С8–38 и цифровой USB-ос- циллограф, подключенный к компьютеру. Установка позволяет производить измерения в диапазоне напряженности магнитного поля 1⋅102–1⋅105 А/м при минимальном времени нарастания напряженности магнитного поля 1⋅10–6 с. 8 2 9 20 18 15 14 22 23 4 21 10 1 7 6 3 24 13 16 17 19 12 11 Н× Естественные и точные науки Вестник БНТУ, № 3, 2011 44 Для измерения величины напряженности магнитного поля Н из магнитного носителя (МН) (магнитной ленты) изготавливали датчи- ки магнитного поля в виде одиночных полос разной ширины или набора параллельных по- лос равной ширины, укрепленных на жесткой подложке из немагнитного материала на одина- ковом удалении друг от друга (дискретный дат- чик). На датчик магнитного поля производили запись величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля Нτm. Путем последующего сканирования датчика магнитного поля магнитной головкой, подклю- ченной к входу измерительного прибора, нахо- дили величину индуцированного головкой элек- трического напряжения U, по которой в соответ- ствии с градуировочными характеристиками МН определяли величину Нτm. Результаты использования импульса магнит- ного поля с выбросом противоположного направления для контроля электрических свойств материалов и дефектов сплошности в них представлены на рис. 2, где показана зави- симость амплитуды электрического напряже- ния U, сни- маемого с индукционной магнитной головки при сканировании ею дискретного датчика маг- нитного поля, от расстояния х. Точка проекции оси излучателя поля на плоскость измерения соответствует координате х = 8⋅10–3 м. Величи- на максимальной напряженности магнитного поля импульса Нτ0 = 4,1⋅104 А/м, выброс в про- тивоположном направлении – 0,33Нτ0. Рис. 2. Зависимость амплитуды электрического напряже- ния U, снимаемого с индукционной магнитной головки при сканировании ею дискретного датчика магнитного поля, от расстояния х По величине электрического напряжения U и форме получающихся фигур можно опреде- лять величину удельной электропроводности σ и наличие дефектов в объекте под каждой точ- кой его поверхности. Зависимость, представ- ленная на рис. 2, получена для однородного материала. Если в каком-то участке материа- ла электропроводность σ будет отличаться от электропроводности σ остального материала, то и величина электрического напряжения U, снимаемого с преобразователя магнитного поля над этим участком, будет также другой. При проведении измерений на тиристорной установке авторами обнаружен эффект возник- новения колебаний напряженности магнитного поля H вблизи линейных источников импульс- ного магнитного поля при пропускании через них одиночного импульса тока. На рис. 3 изоб- ражена зависимость амплитуды электрического сигнала U, считываемого с дискретного маг- нитного носителя от времени t. Излучатель магнитного поля выполнен в виде катушки и установлен так, что его плоскость перпенди- кулярна плоскости поверхности находящейся под ним пластины из алюминия толщиной d = = 6,7⋅10–4 м. 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Рис. 3. Изображение на экране индикатора зависимости напряжения U, снимаемого с дискретного носителя от вре- мени t, полученное в результате воздействия на датчик с пластиной из алюминия толщиной d = 6,7⋅10–4 м импуль- сом магнитного поля со временем нарастания tmax = 1,1⋅10–5 с Использовали синусоидальный импульс то- ка в полволны с временем нарастания tmax = = 1,1⋅10–5 с. Время развертки t пропорциональ- но расстоянию х до проекции оси излучате- ля поля на плоскость датчика так, что 1⋅10–3 с соответствует 1,32⋅10–2 м, причем проекции оси излучателя соответствует момент времени t = = 1,25⋅10–3 с. На датчик воздействовали одним импульсом поля. Поэтому на экране индикато- ра должна была появиться зависимость U(x) с одной огибающей в виде синусоиды. Однако форма сигнала U(x) содержит три огибающие с чередующейся полярностью. Исходя из полу- ченных экспериментальных данных, сделан вывод о том, что при размыкании цепи разряда емкости на индуктивность в момент времени, когда ток разряда, пройдя максимум, становит- 2 4 6 8 10 12 14 16 30 20 10 0 –10 –20 –30 U ⋅1 0– 3 , м В х⋅10–3, м 40 30 20 10 0 –10 –20 –30 –40 U ⋅1 0– 3 , м В t⋅10–3, с Естественные и точные науки Вестник БНТУ, № 3, 2011 45 ся равным нулю, на индуктивности и в иссле- дуемом объекте продолжаются затухающие электромагнитные колебания, амплитуда кото- рых тем больше, чем ближе форма кривой раз- ряда к форме идеальной синусоиды. Эффект может быть использован при контроле элек- трических и магнитных свойств материалов. Разработанные способы и устройства конт- роля электрических и магнитных свойств материалов объектов и дефектов сплошно- сти в них. Устройство контроля качества изде- лий из магнитных электропроводящих матери- алов [5] разработано с целью повышения точ- ности контроля за счет увеличения контрастности изображений доменной структу- ры маг- нитооптической пленки (МОП) и компенсации изображения источника света. Наличие ребри- стой поверхности зеркала из белого металла в форме концентрических окружностей с ори- ентацией оптических осей падающего и отра- женного света, проходящих через центр этих окружностей, а также компенсаторов, располо- женных между линзами соответствующих изображениям источников оптических помех, и за счет покрытий на них со стороны приемника излучений, позволяет получать на экране ви- деоконтрольного устройства равномерно осве- щенное распределение доменной структуры всей МОП без оптических помех и оптических изображений источников излучения. По рас- пределению доменной структуры МОП опре- деляют наличие внутренних дефектов в изде- лии, электромагнитные свойства материала изделия и его толщину. При этом участкам с дефектами соответствуют локальные неодно- родности доменной структуры МОП. Электро- магнитные свойства (удельная электропровод- ность σ, магнитная проницаемость µ) и толщи- ну изделия определяют по величине танген- циальной составляющей напряженности маг- нитного поля Нτ, измеренной с помощью МОП, в зависимости от параметров, воздействующих на изделие с МОП электромагнитных полей. Применение устройства позволяет повысить точность контроля на 10 % и более за счет уве- личения контрастности изображения доменной структуры магнитооптической пленки в 2 и бо- лее раз и увеличения интенсивности отражен- ного подложкой света более чем в 2 раза. При осуществлении магнитооптического спо- соба контроля электропроводящего материала [6] на контролируемый материал периодически воздействуют импульсными магнитными по- лями, визуализируют их взаимодействие со структурой материала и по полученным изоб- ражениям идентифицируют физико-механиче- ские свойства материала по заранее выявлен- ным корреляционным зависимостям. Для визу- ализации используют МОП, которую прикла- дывают к контролируемому материалу и воз- действуют на него одиночными импульсами магнитного поля Н0 в полволны, характеризу- ющимися разными временами нарастания им- пульсов timax и разными максимальными вели- чинами напряженности магнитного поля Нi0m. Способ магнитоимпульсного контроля де- фектности, электрических и магнитных свойств объекта из магнитного или немагнитного элек- тропроводящего материала [7] позволяет нахо- дить распределения свойств объекта по глу- бине. Воздействуют на объект импульсами магнитного поля Н0 в полволны со временами нарастания timax, находят распределение макси- мальной тангенциальной составляющей напря- женности магнитного поля Hiτm по выбранной линии замера и для каждого импульса на по- верхности объекта формируют полосу растра, из которых затем формируют полный растр. При этом ширину каждой полосы устанавли- вают прямо пропорциональной эффективной глубине проникновения магнитного поля в объект Δ. Способ магнитного контроля дефектности и электрических свойств изделия из электро- проводящего материала [8] позволяет вести контроль свойств объекта в прошедшей элек- тромагнитной полуволне линейно нарастаю- щим магнитным полем Н0 за время не более 1⋅10–5 с до постоянной величины напряженно- сти 1⋅102 А/м и более. Такое время нарастания позволяет определять свойства изделия в слоях толщиной 1⋅10–4 м и меньше. Одновременно с прохождением электромагнитного поля через изделие считывают информацию с датчика и получают распределения напряженности маг- нитного поля на поверхности изделия в разные моменты времени t. Устройство для контроля качества изделий из магнитных и электропроводящих материа- лов содержит источник света [9] со светофиль- тром, объектив с устройством изменения фо- кусного расстояния, преобразователь оптиче- ского изображения в электрический сигнал, предварительный усилитель, видеоусилитель, синхрогенератор, генераторы строчной раз- вертки и кадровой развертки с управляемым блоком задержки формирования напряжения, Естественные и точные науки Вестник БНТУ, № 3, 2011 46 электронный ключ, блок компараторов, блок управляемых усилителей, видеоусилитель ин- дикатора, монитор, процессор, а также преоб- разователь Холла, магнитооптическую пленку с поляризатором и анализатором, управляемые первичные источники магнитного поля и све- тодиодные индикаторы для учета простран- ственного расположения объектов и средств измерения. Устройство позволяет значительно повысить точность контроля магнитных и элек- трических свойств материалов объектов и де- фектов сплошности в них за счет оптимального управления параметрами магнитных полей первичных источников Н0 = Н0(t), получения информации об изменении во времени танген- циальной Нτ и нормальной Нn составляющих напряженности магнитного поля, разрешения электрических и магнитных свойств объектов и дефектов сплошности по глубине объекта, а также за счет значительного увеличения ин- формативной емкости о распределении им- пульсных магнитных полей на поверхности контролируемого объекта и ее компьютерной обработке. Компьютерное обеспечение измерения напряженности магнитного поля. Компью- терное обеспечение измерений осуществляли с помощью цифрового USB-осциллографа. Раз- рядность АЦП составляет 10 бит (1024 уровня). Рассмотрим распределения электрического напряжения U, получающиеся на экране мони- тора при сканировании индукционной магнит- ной головкой магнитного носителя, на кото- рый воздействовали импульсом магнитного поля с двумя выбросами поля противопо- ложной и прямой полярности. Максимальная величина напряженности магнитного поля им- пульса Н0m = 2,3·104 А/м, обратного выброса – 9·103 А/м и последующего прямого выброса – 2·103 А/м. Время нарастания tmax импульса по- ля – 8·10–6 с, а выбросов соответственно – 2·10– 6 и 5·10–7 с. Зависимости амплитуды электриче- ского напряжения U, снимаемого с индукцион- ной магнитной головки от времени t, при ска- нировании ею дискретного магнитного носите- ля МН с записями остаточных магнитных полей в результате воздействия на него указан- ным импульсом магнитного поля, показаны на рис. 4–7. Из рисунков следует, что точность определения свойств материала объекта при использовании дискретного магнитного носи- теля по сравнению со сплошным увеличивается в несколько раз. Если в случае сплошного маг- нитного носителя максимальная величина элек- трического напряжения Umax для пластины толщиной 7·10–5 м по сравнению с максималь- ной величиной электрического напряжения в отсутствие объекта увеличивается в 1,2 раза, а для пластины толщиной 3·10–3 м – в 1,8 раза, то при использовании дискретного магнитного носителя амплитуда центрального минимума U в отсутствие объекта составляет 0,05 В, а для пластины толщиной 3·10–5 м соответствую- щая ему амплитуда максимума U равна 0,35 В, т. е. происходит увеличение Umax в 7 раз. Кроме того, точность контроля значительно возраста- ет за счет получения дополнительной инфор- мации в виде разных геометрических фигур, получающихся благодаря выбросам магнитного поля, что видно из рис. 4–7. Рис. 4. Зависимость величины электрического напряже- ния, снимаемого с индукционной магнитной головки, от времени (объект отсутствует) Рис. 5. Зависимость величины электрического напряже- ния, снимаемого с индукционной магнитной головки, от времени (пластина толщиной 1,5·10–5 м) Рис. 6. Зависимость величины электрического напряже- ния, снимаемого с индукционной магнитной головки, от времени (пластина из алюминия толщиной 3·10–5 м) Естественные и точные науки Вестник БНТУ, № 3, 2011 47 Рис. 7. Зависимость величины электрического напряже- ния, снимаемого с индукционной магнитной головки, от времени (пластина толщиной 3·10–3 м) Компьютерное обеспечение измерения ве- личины напряженности магнитного поля пре- образователями магнитного поля с помощью цифрового USB-осциллографа позволяет зна- чительно повысить точность контроля электри- ческих и магнитных свойств объектов и дефек- тов сплошности в них за счет высокого уровня разрядности АЦП осциллографа, уменьшения погрешности установки нуля и погрешности, возникающей при калибровке осциллографа генератором стандартных сигналов, более пол- ного учета влияния помех и наводок в электри- ческих цепях, а также за счет высокой точности компьютерной обработки информации. В Ы В О Д Ы В результате проведенных теоретических расчетов, экспериментальных исследований и технических разработок авторами получены следующие результаты: 1. Разработана экспериментальная установ- ка для исследования распространения импульс- ных магнитных полей в электропроводящих и магнитных средах, позволяющая производить измерения в диапазоне напряженности магнит- ного поля 1⋅102–1⋅105 А/м при минимальном времени нарастания напряженности магнитно- го поля 1⋅10–6 с. 2. Получены экспериментальные зависимо- сти изменения величины электрического напряжения, снимаемого с индукционной маг- нитной головки, сканирующей магнитный но- ситель при воздействии на электропроводящий объект импульсным магнитным полем. Исполь- зование этих зависимостей свойств объектов значительно повышает точность и надежность контроля свойств объектов. 3. Осуществлено компьютерное обеспече- ние измерения величины напряженности маг- нитного поля преобразователями магнитного поля с помощью цифрового USB-осцилло- графа, позволяющее повысить точность кон- троля электрических и магнитных свойств ма- териалов и наличия в них дефектов сплош- ности. 4. Представлены разработанные магнитогра- фические, магнитооптические и холловские способы и устройства контроля физических свойств объектов из электропроводящих и маг- нитных материалов в импульсном магнитном поле, позволяющие значительно повысить точ- ность контроля. Разработанные способы и устройства дают возможность находить распре- деление электрических и магнитных свойств материалов объектов и дефектов сплошности в них в плоскости поверхности объектов и по глубине. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Поливанов, К. М. Ферромагнетики / К. М. Поли- ванов. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1957. 2. Кнопфель, Г. Сверхсильные импульсные поля / Г. Кнопфель. – М.: Мир, 1972. 3. Павлюченко, В. В. Взаимодействие импульсных электромагнитных полей с поверхностями металлических образцов / В. В. Павлюченко, Е. С. Дорошевич // Вестник БНТУ. – 2006. – № 4. – С. 89–95. 4. Павлюченко, В. В. Закономерности изменения напряженности прошедшего через электропроводящие объекты магнитного поля / В. В. Павлюченко, Е. С. Доро- шевич // Вестник БНТУ. – 2009. – № 2. – С. 76–82. 5. Устройство контроля качества изделий из магнит- ных или электропроводящих материалов: пат. 9872 Респ. Беларусь, МПК С2 BY, G 01 N 27/82 / Е. С. Дорошевич, В. В. Павлюченко; заявитель БНТУ. – № а 20050658; за- явл. 30.06.2005; опубл. 30.10.07 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. – 2007. – № 5. – С. 134. 6. Способ магнитооптического контроля магнитно- го электропроводящего материала: пат. 10440 Респ. Бе- ларусь, МПК С2 BY, G 01 N 27/00 / В. В. Павлюченко, Е. С. До-рошевич; заявитель БНТУ – № а 20060200; заявл. 09.03.2006; опубл. 30.04.08 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. – 2008. – № 2. – С. 97. 7. Способ магнитоимпульсного контроля дефектно- сти, электрических и магнитных свойств объекта из маг- нитного или немагнитного электропроводящего материа- ла: пат. 10464 Респ. Беларусь, МПК С2 BY, G 01 N 27/00 / В. В. Павлюченко, Е. С. Дорошевич; заявитель БНТУ – № а 20060201; заявл. 09.03.2006; опубл. 30.04.08 // Афі- цыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. – 2008. – № 2. – С. 97–98. 8. Способ магнитного контроля дефектности и элек- трических свойств изделий из электропроводящего мате- риала: пат. 11265 Респ. Беларусь, МПК С2 BY, G 01 N 27/84, G 01 R 33/82 / В. В. Павлюченко, Е. С. Дорошевич; за- явитель БНТУ – № а 20060244; заявл. 20.03.2006; опубл. 30.10.08 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. улас- насці. – 2008. – № 5. – С. 127–128. 9. Устройство для контроля качества изделий из маг- нитных и электропроводящих материалов: пат. 12743 Респ. Беларусь, МПК С1 BY, G 01 N 27/72 / В. В. Павлю- ченко, Е. С. Дорошевич; заявитель БНТУ. – № а 20071583;