Датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде.

C:\Users\Юля\Desktop\1\11_2_8 Феррозондовые ПМП.mht
11.2.8 Феррозондовые преобразователи магнитного поля
Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для
измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов.
Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под
воздействием двух магнитных полей разных частот. На рис.
схематически показаны некоторые
варианты конструкций феррозондов.
В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на
нем двух катушек: катушки возбуждения ωв, питаемой переменным током, и измерительной
(сигнальной) катушки ωи.
Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью.
На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с
частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора).
В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного
магнитного поля Н∽ , создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается
по
симметричному циклу. Изменение магнитного поля. вызванное перемагничиванием сердечника по
симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющемуся по гармоническому
закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно
меняющееся магнитное поле Н0, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и
становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в
сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина
которых
пропорциональна
симметричном
цикле
напряженностиизмеряемого
перемагничивания.
Феррозонды
поля
и
которые
подразделяются
отсутствуют
на
при
стержневые
одноэлементные (рис11.48а), дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.11.48б) и
дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.11.48 в).
Дифференциальный феррозонд (рис.11.48 б, в), как правило, состоит из двух сердечников с
обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические оставляющие практически
компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность
феррозонда.
Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю. Они
способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до10-4 - 10-5 (∽10 -10 - 10 -11 Тл).
Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью. Объем феррозонда,
которым комплектуются изготавливаемые в РФ магнитометры Г73, составляет менее 1 см3, а
трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм.
сердечник
в)
Рис.11.48.Варианты конструкций феррозондов: а - одноэлементный стержневой; б дифференциальный с разомкнутым сердечником; в - дифференциальный с замкнутым сердечником.
В качестве примера на рис.11.49. приведена конструкция и габариты миниатюрного
стержневого феррозонда. Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых
пояснений. Его сердечник изготовлен из пермаллоя.
Рис11.49.Конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда
За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда,
что позволяет снизить погрешности схемы формирования
сигнала «время-импульс».
Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции оставляет
±50...±100 А/м (±0,06...±0,126 мТл). Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для
феррозондов со стержневыми сердечниками составляет 30 - 40 мкА/м (м Ч Гц1/2) в зависимости от
поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность
шума оказывается в 3-3,5 раза выше. При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов
установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми
сердечниками.
Феррозонды широко применяются в аппаратуре, предназначенной для измерения параметров
магнитного поля Земли и его вариаций (в частности, при поиске полезных ископаемых, создающих
локальные аномалии магнитного поля); для измерения магнитного поля Луны, планет,
межпланетного
пространства;
для
обнаружения
ферромагнитных
предметов
и
частиц
в
неферромагнитной среде (например, в хирургии); в системах контроля за качеством выпускаемой
продукции (в магнитной дефектоскопии и др.).
В феррозондах обнаружены существенные недостатки, ограничивающие их применение. Это
невысокая геометрическая разрешающая способность, значительная зависимость основных
параметров от воздействия климатических и механических факторов. Процесс изготовления
феррозондов трудоемкий, и, следовательно, стоимость их довольно высокая. Значительной
сложностью отличается и аппаратура, в которой используются феррозонды .
В феррозондах обнаружены существенные недостатки, ограничивающие их применение.
Это невысокая геометрическая разрешающая способность, значительная зависимость основных
параметров от воздействия климатических и механических факторов. Процесс изготовления
феррозондов трудоемкий, и, следовательно, стоимость их довольно высокая. Значительной
сложностью отличается и аппаратура, в которой используются феррозонды .
C:\Users\Юля\Desktop\1\Датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде.htm
Одностержневой феррозонд
Датчик магнитного поля на одностержневом феррозонде.
Наша Земля — огромный постоянный магнит, полюсы которого лежат в приполярных
областях.
В
районе
магнитных
перпендикулярен
полюсов
земной
вектор
напряженности
поверхности,
а
на
естественного
экваторе
магнитного
параллелен
поля
ей.
В наших широтах угол между этим вектором и поверхностью Земли составляет 40...60 град, а
напряженность
естественного
магнитного
поля
—
около
50
А/м.
Приборы для измерения магнитного поля называют магнитометрами и строят на основе феррозондов
— элементов, чувствительных к внешнему постоянному или медленно изменяющемуся магнитному
полю.
Одностержневой феррозонд содержит ферромагнитный магнитопровод и намагничивающую
катушку
в
форме
охватывающего
магнитопровод
соленоида
[1].
Напряженность Н магнитного поля внутри соленоида при протекании по нему тока I рассчитывают
по
формуле:
H=I*N/L
где
L
—
—
N
длина
число
соленоида,
витков
м,
в
нем.
Размерность напряженности поля — А/м, а произведение I*N принято называть числом ампервитков.
Магнитное
поле
в
веществе
характеризуют
магнитной
индукцией,
равной:
B=µ0*µ*H
Произведение
называют
=
µ0
µ
µ0*µ
абсолютной
4π*10-7
—
магнитной
—
относительной
проницаемостью
магнитная
магнитной
среды;
постоянная;
проницаемостью
среды.
У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость µ не только очень велика (у
железа — 5000. .10000, у пермаллоя 79НМ — до 100000...300000), но и зависит от напряженности
намагничивающего
поля.
При увеличении напряженности от нуля она быстро возрастает, достигает максимума, а затем (в
очень
сильных
полях)
падает
и
приближается
к
единице.
В результате этого катушка с ферромагнитным магнитопроводом обладает сильно выраженной
нелинейностью
—
зависимостью
индуктивности
от
напряженности
магнитного
поля.
Если такую катушку включить в колебательный контур автогенератора, при изменении внешнего
магнитного поля будет изменяться не только частота, но и скважность генерируемых колебаний.
Последнее объясняется тем, что в одном полупериоде внешнее поле складывается с внутренним,
создаваемым протекающим по обмотке током, а в другом (после смены направления тока)
вычитается из него. В результате индуктивность катушки в соседних полупериодах автоколебаний
становится
различной
и
они
приобретают
неодинаковую
длительность.
В генерируемом напряжении образуется постоянная составляющая зависящая от напряженности
внешнего
магнитного
поля.
Несложный датчик магнитного поля может быть изготовлен как для познавательных целей, так и для
решения
различных
прикладных
задач.
Он может быть использован в различных системах охраны, сигнализации и регистрации — везде, где
требуется обнаруживать перемещение ферромагнитных предметов относительно датчика либо
перемещение его самого в магнитном поле Земли или в поле, специально созданном постоянными
магнитами.
Конструкция феррозонда, использованного в описываемом датчике, показана на рис. 1.
На цилиндрическом каркасе 1 из текстолита или стеклотекстолита намотана обмотка 2. Она состоит
из 640 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,125 мм, уложенного в два слоя. Длина обмотки — 50 мм.
индуктивность без магнитопровода — 200...250 мкГн, активное сопротивление — 15. .17 Ом.
Магнитопровод 3 представляет собой отрезки ленты из аморфного магнитного сплава толщиной 25
мкм
и
шириной
1
мм,
уложенные
в
щель,
пропиленную
вдоль
каркаса
1.
Такие сплавы сегодня широко используются при производстве тороидальных магнитопроводов [2].
Важное обстоятельство, способствующее их широкому внедрению, — необязательность отжига
после
механической
обработки.
Число витков обмотки, толщина и ширина ленты могут меняться в широких пределах.
Магнитопровод можно изготовить также из пермаллоя 79НМ или подобного материала с высокой
относительной магнитной проницаемостью, однако отжечь его в среде водорода в любительских
условиях
вряд
ли
удастся.
Схема датчика изображена на рис. 2.
Колебательный контур автогенератора на ОУ DA1.1 образован феррозондом L1 и
конденсатором
С1.
Резистор
R2
подбирают,
добиваясь
максимальной
чувствительности
датчика.
В изготовленном автором устройстве измеренный коэффициент преобразования магнитного поля —
отношение приращения среднего значения напряжения на выходе DA1.1 к вызвавшему его
изменению
внешнего
магнитного
поля
—
достигал
4000
В/Тл.
Полосовой фильтр R4R5C2C3 пропускает лишь медленные изменения напряжения на выходе
автогенератора, подавляя составляющие с частотой генерации (около 20 кГц) и ее гармоник.
АЧХ этого фильтра показана на рис. 3
Коэффициент усиления ОУ DA1.2 устанавливают подстроечным резистором R7. Чем больше этот
коэффициент, тем при меньшем изменении магнитного поля будут вспыхивать светодиоды HL1 и
HL2.
Соответствие между вспыхнувшим светодиодом и направлением изменения поля устанавливают
экспериментально.
Оно
зависит
например,
от
направления
намотки
обмотки
феррозонда
L1.
Сдвоенный ОУ КР1446УД11А можно заменить другим (например, TL072) с высоким входным
сопротивлением.
Конденсаторы С1—СЗ — пленочные, например, К73-16. Заменять их керамическими не следует изза
недостаточной
термостабильности
последних.
Оксидные конденсаторы С4 и С5 могут быть отечественными или импортными любого типа.
Корпус датчика должен быть изготовлен
из пластмассы или другого немагнитного
материала.
Связать
датчик
с
внешними
исполнительными устройствами можно
через
оптронную
гальваническую
развязку,
как
показано
на
рис.
4.
Излучающие диоды сдвоенного оптрона подключают вместо светодиодов HL1 и HL2. Сигнал
тревоги (открывание одного из соединенных параллельно фототранзисторов) будет подаваться при
любом знаке изменения магнитного поля. Оптрон АОТ101АС можно заменить на АОТ101БС (при
этом допустимый ток нагрузки возростает с 10 до 20 мА) или зарубежным аналогом TLP504A.
После сборки и монтажа датчик подключают к источнику питания и проверяют работу
автогенератора. Для этого осциллографом контролируют форму напряжения на выходе ОУ DA1.
При перемещении феррозонда из горизонтального в вертикальное положение должно наблюдаться
изменение
скважности
и
частоты
генерируемых
колебаний.
Далее к точке соединения резистора R4 с конденсаторами С2 и СЗ подключают милливольтметр
постоянного напряжения с высокоомным входом, например, мультиметр DT830. При совпадении
продольной оси феррозонда с направлением вектора естественного магнитного поля Земли (в наших
широтах
около
милливольтметр
50
град,
должен
относительно
показать
горизонта
приблизительно
в
240
плоскости
мВ
по
магнитного
меридиана)
абсолютному
значению.
Полярность зависит от того, как ориентирована продольная ось магнитопровода феррозонда, — по
полю
или
против
него.
С увеличением сопротивления резистора R2 это напряжение должно возрастать. Оно может
достигать плюс или минус 500 мВ, однако стабильность работы автогенератора при этом
ухудшается.
Быстрое изменение ориентации феррозонда должно приводить к включению светодиодов.
Через некоторое время после прекращения движения, зависящее от нижней частоты среза
полосового
фильтра,
вспыхнувший
светодиод
гаснет.
Далее, закрепив феррозонд неподвижно, проверяют чувствительность датчика к приближению и
удалению различных ферромагнитных предметов, обладающих остаточной намагниченностью.
Можно проверить зависимость чувствительности датчика от его положения относительно вектора
естественного
магнитного
поля
и
от
скорости
перемещения
объектов.
Значительное влияние на работу датчика. построенного по рассмотренной схеме, оказывает
температурный дрейф нуля ОУ DA1.2. Чтобы уменьшить это влияние, можно заменить усилитель,
построенный по схеме УПТ, двумя-тремя ступенями усиления переменного напряжения (с
разделительными конденсаторами между ними). Для этого можно заменить сдвоенный ОУ
счетверенным.
например,
TL074.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Афанасьев
Ю.
Феррозонды
—
Л.:
Энергия,
1969
2. Сидоров И. и др. Малогабаритные маг-нитопроводы и сердечники: Справочник — М.: Радио и
связь,
1989.
Источник: Радио №11 2010 Автор: Е. Уляшев, г. Томск
C:\Users\Юля\Desktop\1\Дефектоскопия - Физическая энциклопедия.mht
дефектоскопия
ДЕФЕКТОСКОПИЯ (от лат. defectus - недостаток, изъян и греч. skopeo - рассматриваю,
наблюдаю) - комплекс физ. методов и средств неразрушающего контроля качества материалов,
заготовок и изделий с целью обнаружения дефектов их строения. Методы Д. позволяют полнее
оценить качество каждого изделия без его разрушения и осуществить сплошной контроль, что
особенно важно для изделий ответств. назначения, для к-рых методы выборочного разрушающего
контроля недостаточны.
Несоблюдение заданных технол. параметров при обработке материала сложного хим. и
фазового состава, воздействие агрессивных сред и эксплуатац. нагрузок при хранении изделия и в
процессе его работы могут привести к возникновению в материале изделия разл. рода дефектов нарушений сплошности или однородности, отклонений от заданного хим. состава, структуры или
размеров, ухудшающих эксплуатационные характеристики изделия. В зависимости от величины
дефекта
в
зоне
его
расположения
изменяются
физ.
свойства
материала
-
плотность,
электропроводность, магнитные, упругие характеристики и др.
Методы Д. основаны на анализе вносимых дефектом искажений в приложенные к
контролируемому изделию физ. поля разл. природы и на зависимости результирующих полей от
свойств, структуры и геометрии изделия. Информация о результирующем поле позволяет судить о
наличии дефекта, его координатах и размере.
Д. включает в себя разработку методов неразрушающего контроля и аппаратуры дефектоскопов, устройств для проведения контроля, систем для обработки и фиксации полученной
информации. Применяются оптич., радиац., магн., акустич., эл--магн. (токовихревые), электрич. и др.
методы.
Оптическая Д. основана на непосредств. осмотре поверхности изделия невооружённым глазом
(визуально) или с помощью оптич. приборов (лупы, микроскопа). Для осмотра внутр. поверхностей,
глубоких полостей и труднодоступных мест применяют спец. эндоскопы - диоптрийные трубки,
содержащие световоды из волоконной оптики, оснащённые миниатюрными осветителями, призмами
и линзами. Методами оптич. Д. в видимом диапазоне можно обнаруживать только поверхностные
дефекты (трещины, плены и др.) в изделиях из материалов, непрозрачных для видимого света, а
также поверхностные и внутр. дефекты - в прозрачных. Мин. размер дефекта, обнаруживаемого
визуально невооружённым глазом, составляет 0,1-0,2 мм, при использовании оптич. систем - десятки
мкм. Для контроля геометрии деталей (напр., профиля резьбы, шероховатости поверхности)
применяют проекторы, профилометры и микроинтерферометры. Новой реализацией оптич. метода,
позволяющей существенно повысить его разрешающую способность, является лазерная Д., в к-рой
используется дифракция когерентного лазерного луча с индикацией при помощи фотоэлектронных
приборов. При автоматизации оптич. метода контроля применяют телевиа. передачу изображения.
Радиационная Д. основана на зависимости поглощения проникающего излучения от длины
пути, пройденного им в материале изделия, от плотности материала и атомного номера элементов,
входящих в его состав. Наличие в изделии нарушений сплошности, инородных включений,
изменения плотности и толщины приводит к разл. ослаблению лучей в разл. его сечениях.
Регистрируя распределение интенсивности прошедшего излучения, можно получить информацию о
внутр. структуре изделия, в т. ч. судить о наличии, конфигурации и координатах дефектов. При этом
могут использоваться проникающие излучения разл. жёсткости: рентг. излучение с энергиями 0,010,4 МэВ; излучение, полученное в линейном (2-25 МэВ) и циклич. (бетатрон, микротрон 4-45 МэВ)
ускорителях или в ампуле с
-активными радиоизотопами (0,1-1 МэВ); гамма-излучение с
энергиями 0,08-1,2 МэВ; нейтронное излучение с энергиями 0,1-15 МэВ.
Регистрация интенсивности прошедшего излучения осуществляется разл. способами фотографич. методом с получением изображения просвечиваемого изделия на фотоплёнке
(плёночная
радиография),
(электрорадиография);
флуоресцирующем
на
визуально,
экране
многократно
наблюдая
(радиоскопия); с
используемой
изображения
помощью
ксерорадиографич.
просвечиваемого
электронно-оптич.
пластинке
изделия
на
преобразователей
(рентгенотелевидение); измерением интенсивности излучения спец. индикаторами, действие к-рых
основано на ионизации газа излучением (радиометрия).
Чувствительность методов радиац. Д. определяется отношением протяжённости дефекта или
зоны, имеющей отличающуюся плотность, в направлении просвечивания к толщине изделия в этом
сечении и для разл. материалов составляет от 1 до 10% его толщины. Применение рентг. Д.
эффективно для изделий ср. толщин (сталь до ~80 мм, лёгкие сплавы до ~250 мм). Сверхжёсткое
излучение с энергией в десятки МэВ (бетатрон) позволяет просвечивать стальные изделия толщиной
до ~500 мм. Гамма-Д. характеризуется большей компактностью источника излучения, что позволяет
контролировать труднодоступные участки изделий толщиной до ~250 мм (сталь), притом в условиях,
когда рентг. Д. затруднена. Нейтронная Д. наиб. эффективна для контроля изделий небольшой
толщины из материалов малой плотности. Один из новых способов рентгеноконтроля - вычислит.
томография, основанная на обработке радиометрич. информации с помощью ЭВМ, получаемой при
многократном просвечивании изделий под разными углами. При этом удаётся послойно
визуализировать изображения внутр. структуры изделия. При работе с источниками ионизирующих
излучений должна быть обеспечена соответствующая биол. защита.
Радиоволновая Д. основана на изменении параметров эл--магн. волн (амплитуды, фазы,
направления
вектора
поляризации)
сантиметрового
и
миллиметрового
диапазона
распространении их в изделиях из диэлектрических материалов (пластмассы, резина, бумага).
при
Источником излучения (обычно - когерентного, поляризованного) является генератор СВЧ
(магнетронный, клистронный) небольшой мощности, питающий волновод или спец. антенну (зонд),
передающую излучение в контролируемое изделие. Та же антенна при приёме отражённого
излучения или аналогичная, расположенная с противоположной стороны изделия,- при приёме
прошедшего излучения подаёт полученный сигнал через усилитель на индикатор. Чувствительность
метода позволяет обнаруживать в диэлектриках на глубине до 15-20 мм расслоения площадью от 1
см2, измерять влажность бумаги, сыпучих материалов с погрешностью менее
металлич. листа с погрешностью менее
1%, толщину
0,1 мм и т. д. Возможны визуализация изображения
контролируемой зоны на экране (радиовизор), фиксация его на фотобумаге, а также применение
голографич. способов фиксации изображения.
Тепловая (инфракрасная) Д. основана на зависимости темп-ры поверхности тела как в
стационарных, так и в нестационарных полях от наличия дефекта и неоднородности структуры тела.
При этом используется ИК-излучение в низкотемпературном диапазоне. Распределение темп-р на
поверхности контролируемого изделия, возникающее в проходящем, отражённом или собственном
излучении, представляет собой ИК-изображение данного участка изделия. Сканируя поверхность
приёмником излучения, чувствительным к ИК-лучам (термистором или пироэлектриком), на экране
прибора (тепловизора) можно наблюдать светотеневое или цветное изображение целиком,
распределение темп-р по сечениям или, наконец, выделить отд. изотермы. Чувствительность
тепловизоров позволяет регистрировать на поверхности изделия разность темп-р менее 1 оC.
Чувствительность метода зависит от отношения размера d дефекта или неоднородности к глубине l
его залегания примерно как (d/l)2, а также от теплопроводности материала изделия (обратно
пропорциональная зависимость). Применяя тепловой метод, можно контролировать изделия,
нагревающиеся (охлаждающиеся) во время работы.
Магнитная Д. может применяться только для изделий из ферромагн. сплавов и реализуется в
двух вариантах. Первый основан на анализе параметров магн. полей рассеяния, возникающих в зонах
расположения поверхностных и подповерхностных дефектов в намагниченных изделиях, второй - на
зависимости магн. свойств материалов от их структуры и хим. состава.
При контроле по первому способу изделие намагничивается с помощью электромагнитов,
соленоидов, путём пропускания тока через изделие или стержень, продетый сквозь отверстие в
изделии, либо индуцирова-ния тока в изделии. Для намагничивания используются постоянные,
переменные и импульсные магн, поля. Оптим. условия контроля создаются при ориентировке
дефекта перпендикулярно направлению намагничивающего поля. Для магнитно-твёрдых материалов
контроль осуществляется в поле остаточной намагниченности, для магнитно-мягких - в
приложенном поле.
Индикатором магн. поля дефекта может служить магн. порошок, напр. магнетит высокой
дисперсности (метод магн. порошка), к к-рому иногда добавляются окрашивающие (для контроля
изделий с тёмной поверхностью) или флуоресцирующие (для повышения чувствительности)
компоненты. Частицы порошка после посыпания или поливки суспензией намагниченного изделия
оседают на краях дефектов и наблюдаются визуально. Чувствительность этого метода высока обнаруживаются трещины глубиной ~25 мкм и раскрытием -2 мкм.
При магнитографич. методе индикатором служит магн. лента, к-рая прижимается к изделию и
намагничивается вместе с ним. Выбраковка производится по результатам анализа записи на магн.
ленте. Чувствительность метода к поверхностным дефектам такая же, как у порошкового, а к
глубинным дефектам выше - на глубине до 20-25 мм обнаруживаются дефекты протяжённостью по
глубине 10-15% от толщины.
В качестве индикатора поля дефекта могут использоваться пассивные индукционные
преобразователи. Изделие, движущееся с относит. скоростью до 5 м/с и более, после прохождения
через намагничивающее устройство проходит через преобразователь, индуцируя в его катушках
сигнал, содержащий информацию о параметрах дефекта. Такой способ эффективен для контроля
металла в процессе прокатки, а также для контроля железнодорожных рельсов.
Феррозондовый метод индикации использует активные преобразователи - феррозонды ,в крых на тонкий пермаллоевый сердечник намотаны катушки: возбуждающая, поле к-рой
взаимодействует с полем дефекта, и измерительная, по эдс к-рой судят о напряжённости поля
дефекта или о градиенте этого поля. Феррозондовый индикатор позволяет обнаружить в изделиях
простой формы, движущихся со скоростью до 3 м/с, на глубине до 10 мм дефекты протяжённостью
(по глубине) ~10% от толщины изделия. Для индикации поля дефекта применяются также
преобразователи на основе Холла эффекта и магниторезисторные. После проведения контроля
методами магнитной Д. изделие должно быть тщательно размагничено.
Вторая группа методов магн. Д. служит для контроля структурного состояния, режимов
термич. обработки, механич. свойств материала. Так, коэрцитивная сила углеродистой и
низколегиров. стали коррелируется с содержанием углерода и, следовательно, с твёрдостью,
магнитная проницаемость - с содержанием ферритной составляющей (ос-фазы), предельное
содержание к-рой лимитируется из-за ухудшения механич. и технологич. свойств материала. Спец.
приборы (ферритометры, a-фазометры, коэрцитиметры, магн. анализаторы), использующие
зависимость между магн. характеристиками и др. свойствами материала, также позволяют
практически решать задачи магн. Д.
Методы магн. Д. используются также для измерения толщины защитных покрытий на
изделиях из ферромагн. материалов. Приборы для этих целей основаны либо на пондеромоторном
действии - в этом случае измеряется сила притяжения (отрыва) пост. магнита или электромагнита от
поверхности изделия, к к-рой он прижат, либо на измерении напряжённости магн. поля (с помощью
датчиков Холла, феррозондов) в магнитопроводе электромагнита, установленного на этой
поверхности. Толщиномеры позволяют производить измерения в широком диапазоне толщин
покрытий (до сотен мкм) с погрешностью, не превышающей 1-10 мкм.
Акустическая (ультразвуковая) Д. использует упругие волны (продольные, сдвиговые,
поверхностные, нормальные, изгибные) широкого частотного диапазона (гл. обр. УЗ-диапазона),
излучаемые в непрерывном или импульсном режиме и вводимые в изделие с помощью
пьезоэлектрич. (реже - эл--магнитоакустич.) преобразователя, возбуждаемого генератором эл--магн.
колебаний. Распространяясь в материале изделия, упругие волны затухают в разл. степени, а
встречая
дефекты
(нарушения
сплошности
или
однородности
материала),
отражаются,
преломляются и рассеиваются, изменяя при этом свою амплитуду, фазу и др. параметры. Принимают
их тем же или отд. преобразователем и после соответствующей обработки сигнал подают на
индикатор или записывающее устройство. Существует неск. вариантов акустич. Д., к-рые могут
применяться в разл. комбинациях.
Эхо-метод представляет собой УЗ-локацию в твёрдой среде; это наиб. универсальный и
распространённый метод. Импульсы УЗ-частоты 0,5-15 МГц вводят в контролируемое изделие и
регистрируют интенсивность и время прихода эхо-сигналов, отражённых от поверхностей изделия и
от дефектов. Контроль эхо-методом ведётся при одностороннем доступе к изделию путём
сканирования его поверхности искателем с заданной скоростью и шагом при оптим. угле ввода УЗ.
Метод обладает высокой чувствительностью, к-рая ограничивается структурными шумами. В оптим.
условиях могут быть обнаружены дефекты размерами в неск. десятых долей мм. Недостаток эхометода - наличие неконтролируемой мёртвой зоны у поверхности, протяжённость к-рой (глубина)
определяется гл. обр. длительностью излучаемого импульса и обычно составляет 2-8 мм. Эхометодом эффективно контролируются слитки, фасонное литьё, металлургич. полуфабрикаты,
сварные, клеёные, паяные, заклёпочные соединения и др. элементы конструкций в процессе
изготовления, хранения и эксплуатации. Обнаруживаются поверхностные и внутр. дефекты в
заготовках и изделиях разл. формы и габаритов из металлов и неметаллич. материалов, зоны
нарушения однородности кристаллич. структуры и коррозионного поражения металлич. изделий.
Может быть с высокой точностью измерена толщина изделия при одностороннем доступе к нему.
Вариант эхо-метода с использованием Лэмба волн, обладающих полноводным характером
распространения,
позволяет
осуществлять
контроль
листовых
полуфабрикатов
большой
протяжённости с высокой производительностью; ограничением является требование к постоянству
толщины контролируемого полуфабриката. Контроль с применением Рэлея волн позволяет выявлять
поверхностные и приповерхностные дефекты; ограничением является требование к высокой
гладкости поверхности.
Теневой метод предусматривает ввод УЗ с одной стороны изделия, а приём - с
противоположной. О наличии дефекта судят по уменьшению амплитуды в зоне звуковой тени,
образующейся за дефектом, либо по изменению фазы или времени приёма сигнала, огибающего
дефект (временной вариант метода). При одностороннем доступе к изделию используется
зеркальный вариант теневого метода, при к-ром индикатором дефекта является уменьшение сигнала,
отражённого от дна изделия. По чувствительности теневой метод уступает эхо-методу, однако
преимуществом его является отсутствие мёртвой зоны.
Резонансный метод используется гл. обр. для измерения толщины изделия. Возбуждая в
локальном объёме стенки изделия УЗ-колебания, модулируют их по частоте в пределах 2-3 октав, по
значениям резонансных частот (когда по толщине стенки укладывается целое число полуволн)
определяют толщину стенки изделия с погрешностью ок. 1%. При возбуждении колебаний во всём
объёме изделия (интегр. вариант метода) можно по изменению резонансной частоты судить также о
наличии дефектов или об изменении упругих характеристик материала изделия.
Метод свободных колебаний (интегральный вариант) основан на ударном возбуждении
упругих колебаний в контролируемом изделии (напр., бойком НЧ-вибратора) и последующем
измерении с помощью пьезоэлемента механич. колебаний, по изменению спектра к-рых судят о
наличии дефекта. Метод успешно применяется для контроля качества склейки низкодобротных
материалов (текстолит, фанера и др.) между собой и с металлич. обшивкой.
Импедансный метод основан на измерении локального механич. сопротивления (импеданса)
контролируемого изделия. Датчик импедансного дефектоскопа, работающий на частоте 1,0-8,0 кГц,
будучи прижат к поверхности изделия, реагирует на силу реакции изделия в точке прижима. Метод
позволяет определять расслоения площадью от 20-30 мм2 в клеёных и паяных конструкциях с
металлич. и неметаллич. заполнением, в слоистых пластиках, а также в плакированных листах и
трубах.
Велосиметрический метод основан на изменении скорости распространения изгибных волн в
пластине в зависимости от толщины пластины или от наличия расслоений внутри многослойной
клеёной конструкции. Метод реализуется на НЧ (20-70 кГц) и позволяет обнаруживать расслоения
площадью 2-15 см2 (в зависимости от глубины), залегающие на глубине до 25 мм в изделиях из
слоистых пластиков.
Акустико-топографич. метод основан на наблюдении мод колебаний, в т. ч. "фигур Хладни", с
помощью тонкодиоперсного порошка при возбуждении в контролируемом изделии изгибных
колебаний с модулируемой (в пределах 30-200 кГц) частотой. Частицы порошка, смещаясь с
участков поверхности, колеблющихся с макс. амплитудой, к участкам, где эта амплитуда
минимальна, обрисовывают контуры дефекта. Метод эффективен для контроля изделий типа
многослойных листов и панелей и позволяет обнаруживать дефекты протяжённостью от 1 - 1,5 мм.
Метод акустич. эмиссии (относящийся к пассивным методам) основан на анализе сигналов,
характеризующих волны напряжения, излучаемые при возникновении и развитии трещин в изделии
в процессе его механич. или теплового нагружения. Сигналы принимаются пьезоэлектрич.
искателями, расположенными на поверхности изделий. Амплитуда, интенсивность и др. параметры
сигналов содержат информацию о зарождении и развитии усталостных трещин, коррозии под
напряжением и фазовых превращениях в материале элементов конструкций разл. типов, сварных
швах, сосудах высокого давления и т. д. Метод акустич. эмиссии позволяет обнаруживать
развивающиеся, т. е. наиб. опасные, дефекты и отделить их от обнаруженных др. методами дефектов,
неразвивающихся, менее опасных для дальнейшей эксплуатации изделия. Чувствительность этого
метода при использовании спец. мер защиты приёмного устройства от воздействия внешних
шумовых помех достаточно высока и позволяет обнаруживать трещины на нач. стадии их развития,
задолго до исчерпания ресурса изделия.
Перспективными направлениями развития акустич. методов контроля являются звуковидение,
в т. ч. акустич. голография, акустич. томография.
Вихретоковая (электроиндуктивная) Д. основана на регистрации изменений электрич.
параметров датчика вихретокового дефектоскопа (полного сопротивления его катушки или
эдс), вызванных взаимодействием поля вихревых токов, возбуждённых этим датчиком в
изделии из электропроводящего материала, с полем самого датчика. Результирующее поле
содержит информацию об изменении электропроводности и магн. проницаемости из-за
наличия в металле структурных неоднородностей или нарушений сплошности, а также о
форме и размерах (толщине) изделия или покрытия.
Датчики вихретоковых дефектоскопов выполняются в виде катушек индуктивности,
помещаемых внутрь контролируемого изделия или окружающих его (проходной датчик) либо
накладываемых на изделие (накладной датчик). В датчиках экранного типа (проходных и
накладных) контролируемое изделие располагается между катушками. Вихретоковая Д. не
требует механич. контакта датчика с изделием, что позволяет проводить контроль на высоких
скоростях их относит. перемещения (до 50 м/с). Вихретоковые дефектоскопы разделяются на
след. осн. группы: 1) приборы для обнаружения нарушений сплошности с проходными или
накладными датчиками, работающими в широком частотном диапазоне - от 200 Гц до
десятков МГц (повышение частоты увеличивает чувствительность к протяжённости трещин,
поскольку можно применять малогабаритные датчики). Это позволяет выявлять трещины,
плены неметаллич. включений и др. дефекты протяжённостью 1-2 мм при глубине их
залегания 0,1-0,2 мм (накладным датчиком) или протяжённостью 1 мм при глубине 1-5% от
диаметра изделия (проходным датчиком). 2) Приборы для контроля размеров - толщиномеры,
с помощью к-рых измеряют толщину разл. покрытий, нанесённых на основание из разл.
материалов. Определение толщины неэлектропроводящих покрытий на электропроводящих
основаниях, представляющее собой по существу измерение зазора, производится на частотах до
10 МГц с погрешностью в пределах 1-15% от измеряемой величины.
Для определения толщины электропроводящих гальванич. или плакиров. покрытий на
электропроводящем
основании
используются
вихретоковые
толщиномеры,
в
к-рых
реализуются спец. схемы подавления влияния изменения уд. электропроводности материала
основания и изменения величины зазора.
Вихретоковые толщиномеры применяются для измерения толщины стенки труб,
баллонов из неферромагн. материалов, а также листов и фольг. Диапазон измерений 0,03-10
мм, погрешность 0,6-2%.
3)
Вихретоковые
структуромеры
позволяют,
анализируя
значения
уд.
электропроводности и магн. проницаемости, а также параметры высших гармоник
напряжения, судить о хим. составе, структурном состоянии материала, величине внутр.
напряжений, сортировать изделия по маркам материала, качеству термич. обработки и т. д.
Можно выявлять зоны структурной неоднородности, зоны усталости, оценивать глубину
обезуглероженных слоев, слоев термич. и хим--термич. обработки и т. д. Для этого в
зависимости от конкретного назначения прибора используются либо НЧ-поля большой
напряжённости, либо ВЧ-поля малой напряжённости, либо двух- и многочастотные поля В
структуромерах для увеличения объёма информации, снимаемой с датчика, как правило,
используются многочастотные поля и осуществляется спектральный анализ сигнала.
Приборы для контроля ферромагн. материалов работают в НЧ-диапазоне (50 Гц-10 кГц), для
контроля неферромагнитных - в ВЧ-диапазоне (10 кГц-10 мГц), что обусловлено зависимостью
скин-эффекта от значения магн. проницаемости.
Электрическая Д. основана на использовании слабых пост. токов и эл--статич. полей и
осуществляется эл--контактным, термоэлектрич., трибоэлектрич. и эл--статич. методами. Эл-контактный метод позволяет обнаружить поверхностные и подповерхностные дефекты по
изменению электросопротивления на участке поверхности изделия в зоне расположения этого
дефекта. С помощью спец. контактов, расположенных на расстоянии 10-12 мм один от другого
и плотно прижатых к поверхности изделия, подводится ток, а на др. паре контактов,
расположенных на линии тока, замеряется напряжение, пропорциональное сопротивлению на
участке между ними. По изменению сопротивления судят о нарушении однородности строения
материала или о наличии трещины. Погрешность измерения составляет 5-10%, что
обусловлено нестабильностью сопротивления токовых и измерит. контактов.
Термоэлектрич. метод основан на измерении термоэлектродвижущей силы (ТЭДС),
возникающей в замкнутой цепи при нагреве места контакта двух разнородных металлов. Если
один из этих металлов принять за эталон, то при заданной разности темп-р горячего и
холодного контактов величина и знак ТЭДС будут определяться свойствами второго металла.
Этим методом можно определить марку металла, из к-рого изготовлены заготовка или элемент
конструкции, если число возможных вариантов невелико (2-3 марки).
Трибоэлектрич. метод основан на измерении трибоЭДС, возникающей при трении
разнородных металлов друг о друга. Измеряя разность потенциалов между эталонным и
испытуемым металлами, можно различить марки нек-рых сплавов. Изменение хим. состава
сплава в пределах, допустимых по техн. условиям, приводит к разбросу показаний термо- и
трибоэлектрич. приборов. Поэтому оба этих метода могут быть применены лишь в случаях
резкого различия свойств сортируемых сплавов.
Э л.- стати ч. метод основан на использовании пондеромоторных сил эл--статич. поля, в
к-рое помещают изделие. Для обнаружения поверхностных трещин в покрытии металлич.
изделия его опыляют тонким порошком мела из пульверизатора с эбонитовым наконечником.
Частицы мела при трении об эбонит заряжаются положительно за счёт трибоэлектрич.
эффекта и оседают на краях трещин, поскольку вблизи последних неоднородность эл--статич.
поля выражена наиб. заметно. Если изделие изготовлено из неэлектропроводящих материалов,
то оно предварительно смачивается ионогенным пенетрантом и после удаления избытка его с
поверхности изделия припудривается заряж. частицами мела, к-рые притягиваются
жидкостью, заполняющей полость трещины. В этом случае возможно обнаружение трещин, не
выходящих на поверхность, подвергающуюся осмотру.
Капиллярная Д. основана на искусств. повышении цвето- и светоконтрастности участка
изделия, содержащего поверхностные трещины, относительно окружающей поверхности.
Осуществляется гл. обр. люминесцентным и цветным методами, позволяющими обнаружить
трещины, выявление к-рых невооружённым глазом невозможно из-за малых размеров, а
использование
оптич.
приборов
неэффективно
из-за
недостаточной
контрастности
изображения и малого поля зрения при требуемых увеличениях.
Для обнаружения трещины полость её заполняется пенетрантом - индикаторной
жидкостью на основе люминофоров или красителей, проникающим в полость под действием
капиллярных сил. После этого поверхность изделия очищается от излишков пенетранта, а из
полости трещины индикаторная жидкость извлекается с помощью проявителя (сорбента) в
виде порошка или суспензии и изделие осматривается в затемнённом помещении в УФ-свете
(люминесцентный метод). Люминесценция индикаторного раствора, поглощённого сорбентом,
даёт чёткую картину расположения трещин с мин. раскрытием 0,01 мм, глубиной 0,03 мм и
протяжённостью 0,5 мм. При цветном методе не требуется затемнения. Пенетрант, содержащий
добавку красителя (обычно ярко-красного), после заполнения полости трещины и очистки
поверхности от его излишка диффундирует в белый проявляющий лак, нанесённый тонким
слоем на поверхность изделия, чётко обрисовывая трещины. Чувствительность обоих методов
примерно одинакова.
Преимущество капиллярной Д.- её универсальность и однотипность технологии для
деталей разл. формы, размеров и материалов; недостаток - применение материалов,
обладающих высокой токсичностью, взрыво- и пожароопасностью, что предъявляет особые
требования к технике безопасности.
Значение Д. Методы Д. применяются в разл. областях народного хозяйства, способствуя
совершенствованию технологии изготовления изделий, повышению их качества, продлению
срока службы и предотвращению аварий. Нек-рые методы (гл. обр. акустические) позволяют
при периодич. контроле изделий в процессе их эксплуатации оценивать повреждаемость
материала, что особенно
ответственного
важно для прогнозирования остаточного ресурса изделий
назначения.
В
связи
с
этим
непрерывно
повышаются
требования,
предъявляемые к достоверности информации, получаемой при использовании методов Д., а
также к производительности контроля. T. к. метрологич. характеристики дефектоскопов
невысоки и на их показания влияет множество случайных факторов, оценка результатов
контроля может быть только вероятностной. Наряду с разработкой новых методов Д., осн.
направление совершенствования существующих - автоматизация контроля, применение
многопараметровых методов, использование ЭВМ для обработки получаемой информации,
улучшение метрологич. характеристик аппаратуры в целях повышения достоверности и
производительности контроля, использование методов визуализации внутр. структуры и
дефектов изделия.
Лит.: Шрайбер Д. С., Ультразвуковая дефектоскопия, M., 1965; Неразрушающие
испытания. (Справочник), под ред. Д. Мак-Мастера, пер. с англ., кн. 1-2, M.- Л., 1965;
Фалькевич А. С., Xусанов M. X., Магнитографический контроль сварных соединений, M.,
1966; Дорофеев А. Л., Электроиндуктивная (индукционная) дефектоскопия, M., 1967; Румянцев
С. В., Радиационная дефектоскопия, 2 изд., M., 1974; Приборы для неразрушающего контроля
материалов и изделий, под ред. В. В. Клюева, [т. 1-2], M., 1976; Неразрушающий контроль
металлов и изделий, под ред. Г. С. Самойловича, M., 1976. Д. С. Шрайбер.
C:\Users\Юля\Desktop\1\Компания Анкер - Статьи.mht
Составы
магнитных
суспензий
Правила
АЭУ.
ПНАЭ
Г-7-008-89.
"Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварка и наплавка. Основные
положения.
ПНАЭ
Г-7-009-89".
Настоящие Правила контроля устанавливают требования по контролю сварных соединений и
наплавленных деталей (сборочных единиц, изделий) оборудования и трубопроводов атомных
электростанций, станций теплоснабжения, теплоэлектроцентралей, опытных и исследовательских
ядерных
реакторов
ПРИЛОЖЕНИЕ
1
(рекомендуемое)
и
к
установок.
ПНАЭ
Г-7-010-89
СОСТАВЫ
МАГНИТНЫХ
СУСПЕНЗИЙ
Состав1
:
Порошок
магнитный
Хромпик
Сода
калиевый
К2
С2
кальцинированная,
Вещество
Вода
черный,
ГОСТ
«Сульфанол»,
водопроводная,
О7
ТУ
ГОСТ
ТУ
,
6-14-1009-79
ГОСТ
5100-73
.
6-01-1043-79
2874-73
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Состав
.
4220-75
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
25+
.
.
.
.
.
.
.
5
г
5+
1
г
.10+
1
г
0,5
г
.
2
+
.
.до
1000
2
Порошок
магнитный
черный,
ТУ
мл
:
6-14-1009-79
.
.
.
.
.
25+
5
г
Нитрит натрия, ГОСТ 19906-74 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15+ 2 г
Вещество
Вода
«Сульфанол»,
водопроводная,
ТУ
ГОСТ
6-01-1043-79
2874-73
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
+
2
.
.до
1
1000
Состав
г
мл
3:
Порошок
магнитный
черный,
ТУ
6-14-1009-79
.
.
.
.
.
25+
5
г
Мыло хозяйственное . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1+ 0,5 г
Сода
кальцинированная,
Вода
водопроводная,
ГОСТ
ГОСТ
5100-73
2874-73
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.12+
.до
2
1000
Состав
мл
4:
Порошок
Керосин
Масло
магнитный
черный,
осветительный,
ОСТ
трансформаторное,
ТУ
6-14-1009-79
38.01-407-86
ГОСТ
982-80
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
25+
.
.
.
.
.
500
мл
.
.500
мл
.
.
.
.
.
5
Состав
г
5:
Порошок
Масло
магнитный
черный,
нелюминесцирующее
ТУ
6-14-1009-79
(Марки
РМ)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
25+
.до
5
1000
Состав
г
мл
6:
Порошок
Паста
Вода
г
магнитный
(присадка)
водопроводная,
Состав
черный,
ТУ
МК-1,
МК-2,
ГОСТ
2874-73
6-14-1009-79
.
ТУ
.
.
.
.
.
.
6-14-26-363-81
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
25+
.
.
.до
5
28
1000
г
г
мл
7:
Концентрат
магнитной
суспензии
«Диагма»,
ТУ 88УССР-191.017.86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45+ 5 г
Вода
водопроводная,
ГОСТ
2874-73
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.до
1000
мл
Примечание:
1.
В водных суспензиях вместо вещества «Сульфанол» можно использовать вещество
вспомогательное ОП-7 (ОП-10), ГОСТ 8433-81 в количественном соотношении 5+1 г на 1 л
суспензии.
2.
Для получения однородной по составу суспензии необходимо вначале все компоненты
тщательно смешать с небольшим количеством воды, после чего, не прекращая перемешивания,
довести
3.
ее
объем
до
требуемого.
Способ приготовления мыльно-водной суспензии (состав3) осуществляется в следующем
порядке: мелко измельченное (наструганное) мыло хозяйственное в количестве 1+ 0,5 г растворить в
100 мл горячей воды (при Т = 50-60 0С). Полученный раствор перелить в содовый раствор с
последующим добавлением недостающего количества воды.
Магнитный порошок в начале
тщательно перемешивают с небольшим количеством полученного раствора, а затем добавляют
оставшуюся
жидкость
до
полного
4. При магнитно-люминесцентном контроле в составах 1, 3, 5 и 6
объема.
вместо черного магнитного
порошка применяются магнитно- люминесцентные порошки (Люмагпор-3Б, ТУ 5-5020-82 или
Люмагпор-5, ТУ 6-09-26-438-83) в количественном отношении 4+1 г на 1 литр суспензии.
5. Вязкость дисперсионной среды состава 5, содержащего масло трансформаторное, ГОСТ 982-80,
при температуре окружающей среды 20 0С не превышает 30 -10-6 м2с (до 30 сСт). Вязкость
дисперсионной среды, содержащие керосин, воду, не превышает 3 -10-6 м2с (3 сСт) при
температуре
6.
окружающей
среды
20
0С.
Пасту МК-1, МК-2, черный и магнитно-люминесцентный порошки изготавливает ПО
«Краситель»
по
адресу:
349870,
г.Рубежное,
Ворошиловградской
обл.
пл.Химиков,
2.
Разработчик пасты «Диагма» ВИАМ по адресу: 107005, г.Москва, ВИАМ, Заместитель начальника
тов.А.Ф.
В
состав
Петракову.
пасты
«Диагма»
входит
черный
магнитный
порошок.
Вещество «Сульфанол» выпускает Сумгаитское ПО «Химпром».
Дефекто
скопия
Дефектоскопия (от лат. defectus — недостаток и ... скопия), комплекс методов и
средств неразрушающего контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов.
Дефектоскопия включает: разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.); составление
методик контроля; обработку показаний дефектоскопов.
Вследствие несовершенства технологии изготовления или в результате эксплуатации в
тяжёлых условиях в изделиях появляются различные дефекты — нарушения сплошности или
однородности материала, отклонения от заданного химического состава или структуры, а также от
заданных
размеров.
Дефекты
изменяют
физические
свойства
материала
(плотность,
электропроводность, магнитные, упругие свойства и др.). В основе существующих методов
дефектоскопии лежит исследование физических свойств материалов при воздействии на них
рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых и гамма-лучей, радиоволн, ультразвуковых
колебаний, магнитного и электростатического полей и др.
Наиболее простым методом дефектоскопии является визуальный — невооружённым глазом
или с помощью оптических приборов (например, лупы). Для осмотра внутренних поверхностей,
глубоких полостей и труднодоступных мест применяют специальные трубки с призмами и
миниатюрными осветителями (диоптрийные трубки) и телевизионные трубки. Используют
также лазеры для контроля, например, качества поверхности тонкой проволоки и др. Визуальная
дефектоскопии позволяет обнаруживать только поверхностные дефекты (трещины, плёны и др.) в
металлических изделиях и внутренние дефекты в изделиях из стекла или прозрачных для видимого
света пластмасс. Минимальный размер дефектов, обнаруживаемых невооружённым глазом,
составляет 0,1—0,2 мм, а при использовании оптических систем — десятки мкм.
Рентгенодефектоскопия основана на поглощении рентгеновских лучей, которое зависит от
плотности среды и атомного номера элементов, образующих материал среды. Наличие таких
дефектов, как трещины, раковины или включения инородного материала, приводит к тому, что
проходящие через материал лучи ослабляются в различной степени. Регистрируя распределение
интенсивности проходящих лучей, можно определить наличие и расположение различных
неоднородностей материала.
Интенсивность лучей регистрируют несколькими методами. Фотографическими методами
получают снимок детали на плёнке. Визуальный метод основан на наблюдении изображения детали
на флуоресцирующем экране. Более эффективен этот метод при использовании электроннооптических
преобразователей.
металлических
пластинках,
При
ксерографическом
покрытых
слоем
методе
вещества,
получают
поверхности
изображения
которого
на
сообщён
электростатический заряд. На пластинах, которые могут быть использованы многократно, получают
контрастные
снимки.
Ионизационный
метод
основан
на
измерении
интенсивности
электромагнитного излучения по его ионизирующему действию, например, на газ. В этом случае
индикатор можно устанавливать на достаточном расстоянии от изделия, что позволяет
контролировать изделия, нагретые до высокой температуры.
Чувствительность методов рентгенодефектоскопии определяется отношением протяжённости
дефекта в направлении просвечивания к толщине детали в этом сечении и для различных материалов
составляет 1—10%. Применение рентгенодефектоскопии эффективно для деталей сравнительно
небольшой толщины, т.к. проникающая способность рентгеновских лучей с увеличением их энергии
возрастает незначительно. Рентгенодефектоскопию применяют для определения раковин, грубых
трещин, ликвационных включений в литых и сварных стальных изделиях толщиной до 80 мм и в
изделиях из лёгких сплавов толщиной до 250 мм. Для этого используют промышленные
рентгеновские установки с энергией излучения от 5—10 до 200—400 кэв (1 эв = 1,60210 · 10-19 дж).
Изделия большой толщины (до 500 мм) просвечивают сверхжёстким электромагнитным излучением
с энергией в десятки Мэв, получаемым вбетатроне.
Гамма-дефектоскопия имеет те же физические основы, что и рентгенодефектоскопия, но
используется излучение гамма-лучей, испускаемых искусственными радиоактивными изотопами
различных металлов (кобальта, иридия, европия и др.). Используют энергию излучения от
нескольких десятков кэв до 1—2 Мэв для просвечивания деталей большой толщины. Этот метод
имеет существенные преимущества перед рентгенодефектоскопией: аппаратура для гаммадефектоскопии сравнительно проста, источник излучения компактный, что позволяет обследовать
труднодоступные участки изделий. Кроме того, этим методом можно пользоваться, когда
применение рентгенодефектоскопии затруднено (например, в полевых условиях). При работе с
источниками рентгеновского и гамма-излучений должна быть обеспечена биологическая защита.
Радиодефектоскопия основана
на
проникающих
свойствах радиоволнсантиметрового
и
миллиметрового диапазонов (микрорадиоволн), позволяет обнаруживать дефекты главным образом
на
поверхности
изделий
обычно
из
неметаллических
материалов.
Радиодефектоскопия
металлических изделий из-за малой проникающей способности микрорадиоволн ограничена. Этим
методом определяют дефекты в стальных листах, прутках, проволоке в процессе их изготовления, а
также измеряют их толщину или диаметр, толщину диэлектрических покрытий и т.д. От генератора,
работающего в непрерывном или импульсном режиме, микрорадиоволны через рупорные
антенны проникают в изделие и, пройдя усилитель принятых сигналов, регистрируются приёмным
устройством.
Инфракрасная дефектоскопия использует инфракрасные (тепловые) лучи для обнаружения
непрозрачных для видимого света включений. Так называемое инфракрасное изображение дефекта
получают в проходящем, отражённом или собственном излучении исследуемого изделия. Этим
методом контролируют изделия, нагревающиеся в процессе работы. Дефектные участки в изделии
изменяют тепловой поток. Поток инфракрасного излучения пропускают через изделие и
регистрируют его распределение теплочувствительным приёмником. Неоднородность строения
материалов можно исследовать также методом ультрафиолетовой дефектоскопии.
Магнитная
дефектоскопия основана
на
исследовании
искажениймагнитного
поля,
возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов. Индикатором может
служить магнитный порошок (закись-окись железа) или его суспензия в масле с дисперсностью
частиц 5—10 мкм. При намагничивании изделия порошок оседает в местах расположения дефектов
(метод магнитного порошка). Поле рассеяния можно фиксировать на магнитной ленте, которую
накладывают на исследуемый участок намагниченного изделия (магнитографический метод).
Используют также малогабаритные датчики (феррозонды), которые при движении по изделию в
месте дефекта указывают на изменения импульса тока, регистрирующиеся на экране осциллоскопа
(феррозондовый метод).
Чувствительность метода магнитной дефектоскопии зависит от магнитных характеристик
материалов, применяемых индикаторов, режимов намагничивания изделий и др. Методом
магнитного порошка можно обнаруживать трещины и др. дефекты на глубине до 2 мм,
магнитографическим методом контролируют главным образом сварные швы трубопроводов
толщиной до 10—12 мм и обнаруживают тонкие трещины и непровар. Феррозондовый метод
наиболее целесообразен для обнаружения дефектов на глубине до 10 мм и в отдельных случаях до
20мм в изделиях правильной формы. Этот метод позволяет полностью автоматизировать контроль и
разбраковку. Намагничивание изделий производится магнитными дефектоскопами, создающими
магнитные поля достаточной напряжённости. После проведения контроля изделия тщательно
размагничивают.
Методы магнитной дефектоскопии применяют для исследования структуры материалов
(магнитная структурометрия) и измерения толщины (магнитная толщинометрия). Магнитная
структурометрия основана на определении основных магнитных характеристик материала
(коэрцитивной силы, индукции, остаточной намагниченности, магнитной проницаемости). Эти
характеристики, как правило, зависят от структурного состояния сплава, подвергаемого различной
термической обработке. Магнитную структурометрию применяют для определения структурных
составляющих сплава, находящихся в нём в небольшом количестве и по своим магнитным
характеристикам значительно отличающихся от основы сплава, для измерения глубины цементации,
поверхностной закалки и т.п. Магнитная толщинометрия основана на измерении силы притяжения
постоянного магнита или электромагнита к поверхности изделия из ферромагнитного материала, на
которую нанесён слой немагнитного покрытия, и позволяет определять толщину покрытия.
Электроиндуктивная (токовихревая) дефектоскопия основана на возбуждении вихревых токов
переменным магнитным полем датчика дефектоскопа. Вихревые токи создают своё поле,
противоположное по знаку возбуждающему. В результате взаимодействия этих полей изменяется
полное сопротивление катушки датчика, что и отмечает индикатор. Показания индикатора зависят от
электропроводности и магнитной проницаемости металла, размеров изделия, а также изменений
электропроводности из-за структурных неоднородностей или нарушений сплошности металла.
Датчики токовихревых дефектоскопов выполняют в виде катушек индуктивности, внутри
которых помещают изделие (проходные датчики), или которые накладывают на изделие (накладные
датчики). Применение токовихревой Д. позволяет автоматизировать контроль качества проволоки,
прутков, труб, профилей, движущихся в процессе их изготовления со значительными скоростями,
вести непрерывное измерение размеров. Токовихревыми дефектоскопами можно контролировать
качество термической обработки, оценивать загрязнённость высокоэлектропроводных металлов
(меди, алюминия), определять глубину слоёв химико-термической обработки с точностью до 3%,
рассортировывать
некоторые
материалы
по
маркам,
измерять
электропроводность
неферромагнитных материалов с точностью до 1%, обнаруживать поверхностные трещины глубиной
в несколько мкм при протяжённости их в несколько десятых долей мм.
Термоэлектрическая
дефектоскопия основана
на
измеренииэлектродвижущей
силы (термоэдс), возникающей в замкнутой цепи при нагреве места контакта двух разнородных
материалов. Если один из этих материалов принять за эталон, то при заданной разности температур
горячего и холодного контактов величина и знак термоэдс будут определяться химическим составом
второго материала. Этот метод обычно применяют в тех случаях, когда требуется определить марку
материала, из которого состоит полуфабрикат или элемент конструкции (в том числе и в готовой
конструкции).
Трибоэлектрическая
дефектоскопия основана
на
измерении
электродвижущей
силы,
возникающей при трении разнородных материалов. Измеряя разность потенциалов между
эталонными и испытуемыми материалами, можно различить марки некоторых сплавов.
Электростатическая дефектоскопия основана на использованииэлектростатического поля, в
которое
помещают
изделие.
Для
обнаружения
поверхностных
трещин
в
изделиях
из
неэлектропроводных материалов (фарфора, стекла, пластмасс), а также из металлов, покрытых теми
же материалами, изделие опыляют тонким порошком мела из пульверизатора с эбонитовым
наконечником (порошковый метод). При этом частицы мела получают положительный заряд. В
результате неоднородности электростатического поля частицы мела скапливаются у краёв трещин.
Этот метод применяют также для контроля изделий из изоляционных материалов. Перед опылением
их необходимо смочить ионогенной жидкостью.
Ультразвуковая дефектоскопия основана на использовании упругих колебаний, главным
образом ультразвукового диапазона частот. Нарушения сплошности или однородности среды влияют
на распространение упругих волн в изделии или на режим колебаний изделия. Основные методы:
эхометод, теневой, резонансный, велосимметрический (собственно ультразвуковые методы),
импедансный и метод свободных колебаний (акустические методы).
Наиболее универсальный эхометод основан на посылке в изделие коротких импульсов
ультразвуковых колебаний и регистрации интенсивности и времени прихода эхосигналов,
отражённых от дефектов. Для контроля изделия датчик эходефектоскопа сканирует его поверхность.
Метод позволяет обнаруживать поверхностные и глубинные дефекты с различной ориентировкой.
Созданы промышленные установки для контроляразличных изделий. Эхосигналы можно наблюдать
на экране осциллоскопа или регистрировать самозаписывающим прибором. В последнем случае
повышаются
надёжность,
воспроизводимость контроля.
объективность
Чувствительность
оценки,
эхометода
производительность
весьма
высока:
в
и
оптимальных
условиях контроля на частоте 2—4 Мгц можно обнаруживать дефекты, отражающая поверхность
которых имеет площадь около 1 мм2.
При теневом методе ультразвуковые колебания, встретив на своём пути дефект, отражаются в
обратном направлении. О наличии дефекта судят по уменьшению энергии ультразвуковых
колебаний или по изменению фазы ультразвуковых колебаний, огибающих дефект. Метод широко
применяют для контроля сварных швов, рельсов и др.
Резонансный метод основан на определении собственных резонансных частот упругих
колебаний (частотой 1—10 Мгц) при возбуждении их в изделии. Этим методом измеряют толщину
стенок металлических и некоторых неметаллических изделий. При возможности измерения с одной
стороны точность измерения около 1%. Кроме того, этим методом можно выявлять зоны
коррозионного
поражения.
Резонансными
дефектоскопами
осуществляют контроль ручным
способом и автоматизированным с записью показаний прибора.
Велосиметрический метод эходефектоскопии основан на измерении изменения скорости
распространения упругих волн в зоне расположения дефектов в многослойных конструкциях,
используется для обнаружения зон нарушения сцепления между слоями металла.
Импедансный метод основан на измерении механического сопротивления (импеданса)
изделия датчиком, сканирующим поверхность и возбуждающим в изделии упругие колебания
звуковой частоты. Этим методом можно выявлять дефекты в клеевых, паяных и др. соединениях,
между тонкой обшивкой и элементами жёсткости или заполнителями в многослойных конструкциях.
Обнаруживаемые дефекты площадью от 15мм2 и более отмечаются сигнализатором и могут
записываться автоматически.
Метод
свободных
колебаний
основан
на
анализе
спектра
свободных
колебаний
контролируемого изделия, возбуждённого ударом; применяется для обнаружения зон нарушения
соединений между элементами в многослойных клеёных конструкциях значительной толщины из
металлических и неметаллических материалов.
Ультразвуковая дефектоскопия, использующая несколько переменных параметров (частотный
диапазон, типы волн, режимы излучения, способы осуществления контакта и др.), является одним из
наиболее универсальных методов неразрушающего контроля.
Капиллярная
дефектоскопия основана
на
искусственном
повышении
свето-
и
цветоконтрастности дефектного участка относительно неповреждённого. Методы капиллярной
дефектоскопии позволяют обнаруживать невооружённым глазом тонкие поверхностные трещины и
др. несплошности материала, образующиеся при изготовлении и эксплуатации деталей машин.
Полости
поверхностных
трещин
заполняют
специальными
индикаторными
веществами
(пенетрантами), проникающими в них под действием сил капиллярности. Для так называемого
люминесцентного метода пенетранты составляют на основе люминофоров (керосин, нориол и др.).
На очищенную от избытка пенетранта поверхность наносят тонкий порошок белого проявителя
(окись магния, тальк и т.п.), обладающего сорбционными свойствами, за счёт чего частицы
пенетранта извлекаются из полости трещины на поверхность, обрисовывают контуры трещины и
ярко светятся в ультрафиолетовых лучах. При так называемом цветном методе контроля пенетранты
составляют на основе керосина с добавлением бензола, скипидара и специальных красителей
(например, красной краски). Для контроля изделий с тёмной поверхностью применяют магнитный
порошок,
окрашенный
люминофорами
(магнитнолюминесцентный
метод),
что
облегчает
наблюдение тонких трещин.
Чувствительность капиллярной дефектоскопии позволяет обнаруживать поверхностные
трещины с раскрытием менее 0,02 мм. Однако широкое применение этих методов ограничено из-за
высокой токсичности пенетрантов и проявителей.
Дефектоскопия — равноправное и неотъемлемое звено технологических процессов,
позволяющее повысить надёжность выпускаемой продукции. Однако методы дефектоскопии не
являются абсолютными, т.к. на результаты контроля влияет множество случайных факторов. Об
отсутствии дефектов в изделии можно говорить только с той или иной степенью вероятности.
Надёжности контроля способствует его автоматизация, совершенствование методик, а также
рациональное сочетание нескольких методов. Годность изделий определяется на основании норм
браковки, разрабатываемых при их конструировании и составлении технологии изготовления.
Нормы браковки различны для разных типов изделий, для однотипных изделий, работающих в
различных условиях, и даже для различных зон одного изделия, если они подвергаются различному
механическому, термическому или химическому воздействию.
Применение дефектоскопии в процессе производства и эксплуатации изделий даёт большой
экономический эффект за счёт сокращения времени, затрачиваемого на обработку заготовок с
внутренними дефектами, экономии металла и др. Кроме того, дефектоскопия играет значительную
роль в предотвращении разрушений конструкций, способствуя увеличению их надёжности и
долговечности.
Лит.: Трапезников А. К., Рентгенодефектоскопия, М., 1948; Жигадло А. В.,Контроль деталей
методом магнитного порошка, М., 1951; Таточенко Л. К., Медведев С. В., Промышленная гаммадефектоскопия, М., 1955; Дефектоскопия металлов. Сб. ст., под ред. Д. С. Шрайбера, М., 1959;
Современные методы контроля материалов без разрушения, под ред. С. Т. Назарова, М., 1961; Кифер
И. И., Испытания ферромагнитных материалов, 2 изд., М. — Л., 1962; Гурвич А. К., Ультразвуковая
дефектоскопия сварных соединений, К., 1963; Шрайбер Д. С., Ультразвуковая дефектоскопия, М.,
1965; Неразрушающие испытания. Справочник, под ред. Р. Мак-Мастера, пер. с англ., кн. 1—2, М. —
Л., 1965; Дорофеев А. Л., Электроиндуктивная (индукционная) дефектоскопия, М., 1967.
Д. С. Шрайбер, БСЭ
Магнитно-порошковый
метод
контроля
Сущность метода магнитопорошкового контроля (МПК).
Магнитопорошковый
метод
-
один
из
самых
распространённых,
надёжных
и
производительных методов неразрушающего контроля поверхностей изделий из ферромагнитных
материалов в их производстве и эксплуатации.
МПК - один из четырех классических методов неразрушающего контроля, а также один из
наиболее старых методов НК, связанных с применением приборов и дефектоскопических материалов
для НК.
Первые опыты описали феномен полей магнитного рассеяния и объяснили их значение.
Впоследствии были предприняты попытки найти применение этому явлению и ввести его в
техническую практику. В 1868 году англичанин Саксби применил компас для определения дефектов
в пушечных стволах. В 1917 году американец Хок применил железные опилки для обнаружения
трещин в стальных деталях.
Суть метода такова: магнитный поток в бездефектной части изделия не меняет своего
направления; если же на пути его встречаются участки с пониженной магнитной проницаемостью,
например дефекты в виде разрыва сплошности металла (трещины, неметаллические включения и
т.д.), то часть силовых линий магнитного поля выходит из детали наружу и входит в нее обратно,
при этом возникают местные магнитные полюсы (N и S) и, как следствие, магнитное поле над
дефектом. Так как магнитное поле над дефектом неоднородно, то на магнитные частицы, попавшие в
это поле, действует сила, стремящаяся затянуть частицы в место наибольшей концентрации
магнитных силовых линий, то есть к дефекту. Частицы в области поля дефекта намагничиваются и
притягиваются друг к другу как магнитные диполи под действием силы так, что образуют цепочные
структуры, ориентированные по магнитным силовым линиям поля.
Метод магнитопорошкового контроля предназначен для выявления тонких поверхностных и
подповерхностных нарушений сплошности металла – дефектов, распространяющихся вглубь
изделий. Такими дефектами могут быть трещины, волосовины, надрывы, флокены, непровары, поры.
Наибольшая вероятность выявления дефектов достигается в случае, когда плоскость дефекта
составляет
угол 90грд. с направлением намагничивающего поля (магнитного потока). С
уменьшением этого угла чувствительность снижается и при углах, существенно меньших 90грд.
дефекты могут быть не обнаружены.
Чувствительность МПД определяется:
<!--[if
!supportLists]-->
<!--[endif]--> магнитными
материала контролируемого изделия (магнитной индукцией (В),
характеристиками
<!--[endif]-->остаточной намагниченностью (Br ),
<!--[if !supportLists]-->
<!--[if
!supportLists]-->
магнитной
<!--[endif]-->максимальной
проницаемостью (µmax ),
<!--[endif]-->коэрцитивной силой (Н0),
<!--[if !supportLists]-->
<!--[if
!supportLists]-->
поверхности
<!--[endif]-->шероховатостью
контроля,
<!--[endif]-->напряженностью намагничивающего
<!--[if !supportLists]-->
поля, его ориентацией по отношению к плоскости дефекта,
<!--[if
!supportLists]-->
дефектоскопических
<!--[endif]-->качеством
средств и освещенностью контролируемой поверхности.
Магнитопорошковый
метод
находит
применение
практически
во
всех
отраслях
промышленности:
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]-->металлургия
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]-->машиностроение
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]-->авиапромышленность
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]-->автомобильная промышленность
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]-->судостроение
<!--[if
!supportLists]-->
<!--[endif]-->строительство
(стальные
и
химическое
конструкции, трубопроводы)
<!--[if
!supportLists]-->
<!--[endif]-->энергетическое
машиностроение
<!--[if
!supportLists]-->
(авиация,
<!--[endif]-->транспорт
железнодорожный, автотранспорт)
Магнитопорошковый метод является самостоятельным технологическим процессом и
включает в себя:
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]--> подготовку поверхностей изделий к
контролю
<!--[if !supportLists]-->
<!--[if
!supportLists]-->
<!--[endif]-->намагничивание деталей
<!--[endif]-->обработку
поверхности
детали
суспензией (порошком)
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]-->осмотр деталей
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]-->размагничивание
<!--[if !supportLists]-->
<!--[endif]-->контроль качества процесса
<!--[if
персонала
!supportLists]-->
<!--[endif]-->тренировку
и
сертификацию
Капиллярный
метод
контроля
Капиллярный метод неразрушающего контроля (ГОСТ 18442-80) основан на капиллярном
проникновении внутрь дефекта индикаторной жидкости, хорошо смачивающей материал объекта
контроля (ОК) с последующей регистрацией индикаторных следов.
Данный метод пригоден для выявления несплошностей с поперечными размером 0,1 - 500
мкм, в том числе сквозных, на поверхности черных и цветных металлов, сплавов, керамики, стекла и
т.п. Широко применяется для контроля целостности сварного шва. Красящий пенетрант наносится на
поверхность ОК. Благодаря особым качествам, которые обеспечиваются подбором определенных
физических свойств пенетранта: поверхностного натяжения, вязкости, плотности, он, под действием
капиллярных сил, проникает в мельчайшие дефекты, имеющие выход на поверхность объекта
контроля. Проявитель, наносимый на поверхность объекта контроля через некоторое время после
осторожного удаления с поверхности пенетранта, растворяет находящийся внутри дефекта краситель
и за счет диффузии “вытягивает” оставшийся в дефекте пенетрант на поверхность объекта контроля.
Имеющиеся дефекты видны достаточно контрастно. Индикаторные следы в виде линий указывают
на трещины или царапины, отдельные точки - на поры.
Процесс обнаружения дефектов капиллярным методом разделяется на 5 стадий.
1 стадия – предварительная очистка поверхности. Чтобы краситель мог проникнуть в дефекты
на поверхности, ее предварительно следует очистить водой или органическим очистителем. Все
загрязняющие вещества (масла, ржавчина, и т.п.) любые покрытия (ЛКП, металлизация) должны
быть удалены с контролируемого участка. После этого поверхность высушивается, чтобы внутри
дефекта не оставалось воды или очистителя.
2 стадия – нанесение пенетранта Пенетрант, обычно красного цвета, наносится на
поверхность путем распыления, кистью или погружением ОК в ванну, для хорошей пропитки и
полного покрытия пенетрантом. Как правило, при температуре 5-50 0 С, на время 5-30 мин.
3 стадия - удаление излишков пенетранта Избыток пенетранта удаляется протиркой
салфеткой, промыванием водой. Или тем же очистителем, что и на стадии предварительной очистки.
При этом пенетрант должен быть удален с поверхности, но никак не из полости дефекта.
Поверхность далее высушивается салфеткой без ворса или струей воздуха. Используя при этом
очиститель есть риск вымывания пенетранта и неправильной его индикации.
4 стадия – нанесение проявителя. После просушки сразу же на ОК наносится проявитель,
обычно белого цвета, тонким ровным слоем. Наиболее удобны распылители, например аэрозольные
баллоны. Можно наносить проявитель и окунанием. Сухие проявители наносятся в вихревой камере,
либо электростатически. После нанесения проявителя следует выждать время от 5 мин для крупных
дефектов, до 1 часа для мелких дефектов. Дефекты будут проявляться, как красные следы на белом
фоне.
5 стадия - контроль. Инспектирование ОК начинается непосредственно после окончания
процесса проявки и заканчивается согласно разным стандартам не более, чем через 30 мин.
Интенсивность окраски говорит о глубине дефекта, чем бледнее окраска, тем дефект мельче.
Интенсивную окраску имеют глубокие трещины.
После проведения контроля проявитель удаляется водой или очистителем. Сквозные трещины
на тонкостенных изделиях можно обнаруживать, нанося проявитель и пенетрант с разных сторон
изделия. Прошедший насквозь краситель будет хорошо виден в слое проявителя. Согласно ГОСТ
18442-80 класс чувствительности контроля определяется в зависимости от размера выявляемых
дефектов. В качестве параметра размера дефекта принимается поперечный размер дефекта на
поверхности объекта контроля – так называемая ширина раскрытия дефекта.
Нижний порог чувствительности, т.е. минимальная величина раскрытия выявленных дефектов
ограничивается тем, что весьма малое количество пенетранта; задержавшееся в полости небольшого
дефекта, оказывается недостаточным, чтобы получить контрастную индикацию при данной толщине
слоя проявляющего вещества.
Существует также верхний порог чувствительности, который определяется тем, что из
широких, но неглубоких дефектов пенетрант вымывается при устранении излишков пенетранта на
поверхности.
Установлено 5 классов чувствительности ( по нижнему порогу) в зависимости от размеров
дефектов.
1 класс чувствительности - ширина раскрытия дефекта (мкм) менее 1.
2.- от 1 до 10.
3.- от 10 до 100.
4.- от 100 до 500.
Технологический.- не нормируется.
За рубежом установлены другие шкалы чувствительности пенетрантов. Например, в
немецком промышленном стандарте DIN 54 152, чувствительность пенетрантов также разделяется на
четыре класса, но шкала чувствительности обратная .
Класс чувствительности Ширина раскрытия дефекта, мкм (±20%) Толщина никелевого
покрытия, мкм (±10%)
I - низкий
4
100
II - средний
2
60
III - высокий
1
60
IV – очень высокий
0,6
50
Чувствительность дефектоскопических материалов определяется на контрольных образцах,
т.е. на пластинах определенной шероховатости с заранее нанесенными на них нормированными
трещинами. Это, как правило, стальные, алюминиевые или титановые пластины. С помощью
контрольных образцов можно судить о возможностях того, или иного набора; степени ухудшения
свойств с течением времени; правильности применяемых методик
Визуально-оптический
метод
контроля
Принцип действия и основной результат - осмотр с помощью оптических средств
поверхностей объекта контроля на наличие дефектов и аномалий; осуществляется независимо и в
сочетании с другими методами контроля.
Физические основы метода.
Зондирующая среда и/или источник энергии - видимая область спектра (длинноволновая
ультрафиолетовая область спектра с флуоресцирующими материалами).
Характер сигнала и/или информационные характеристики - отраженное, прошедшее,
рассеянное и индуцированное излучение.
Способ детектирования и/или воспритятия - оптические средства, увеличительные стекла,
бороскопы, видео- и пленочные фотокамеры.
Способ индикации и/или регистрации - визуальное изображение.
Метод расшифровки - анализ изображения; используется в сочетании с другими методами
для непосредственной расшифровки (капиллярный, фильтрующихся частиц, магнитопорошковый).
Цели использования.
Выявление дефектов типа нарушения сплошности - трещины, раковины, поры и включения.
Измерение размеров и метрология - измерения механическими средствами.
Определение физико-механических свойств - шероховатость, зерно и пленка.
Определение компонентного и химического состава.
Определение динамических характеристик - видимые реакции напряженности слоя.
Области использования.
Контролируемые материалы - неограниченный круг материалов.
Объекты контроля и технологические операции - поверхности, слои, пленки, покрытия,
целые объекты, контроль и регулирование в производственной линии и вне ее.
Диагностика - все виды технологических операций и испытаний.
Примеры - механически обработанные детали, внутренние поверхности, объекты контроля,
элементы изделий, узлы и системы.
Ограничения.
По технологичности - визуальный доступ. Обычно требуются специальные оптические
средства.
По расшифровке - требуется дополнительное применение других методов контроля для
различения, выявления и измерения дефектов.
По чувствительности и/ или разрешению - различные кратности увеличения.
Родственные
методы
контроля
-
бороскопия,
рефрактометрия,
дифрактометрия,
интерферометрия, рефлектометрия, микроскопия, телескопия, радиометрия в видимой области
спектра, фазово-контрастный и шлирен-методы.
Выдержки из статьи "Визуально-оптический метод". Энциклопедия "Машиностроение".
C:\Users\Юля\Desktop\1\МАГНИТНАЯ ПЛЕНКА.mht
МАГНИТНАЯ ПЛЕНКА
Перевод
МАГНИТНАЯ ПЛЕНКА
- слой магн. вещества (обычно ферро- или ферримагнетика) толщиной от долей нанометра до
неск. микрометров с рядом особенностей атомно-кристаллич. структуры, магн., электрич. и др.
физических свойств, отличающих плёнку от массивных магнетиков.
М. п.- удобный объект исследования свойств твёрдого тела (в т. ч. магнетизма), а также
важный материал совр. техники (интегральной электроники, СВЧ-техни-ки и др. отраслей).
Плёнки получают электролитич. осаждением металлов и сплавов, вакуумным испарением и
конденсацией вещества на подложке, катодным распылением мишени, выращиванием из растворарасплава, методами газотранспортных реакций и др. методами.
Структура и свойства плёнок в сильной степени зависят от темп-ры испарения материала и
темп-ры подложки, степени вакуума, чистоты подложки, скорости конденсации и угла падения
молекулярного (атомного) пучка на подложку. В частности, состояние и чистота поверхности
подложки определяют адгезию и прочность М. п.
При большом переохлаждении и пересыщении твёрдого раствора в М. п. возникают фазовая,
структурная и субструктурная неравновесности: реализуются мета-стабильные состояния (см.
Аморфные магнетики, Металлические стёкла), высокотемпературные модификации и фазы, сильно
пересыщенные растворы, создаются большие макро- и микронапряжения (деформации), в
поликристаллич. плёнках возникает очень высокая дисперсность кристаллитов и блоков, сильная
разорнентация блоков, избыточная концентрация дефектов решётки (вакансий, дислокаций и др.).
Большое влияние на свойства плёнок оказывают разномасштабные поры. Монокристаллич. плёнки с
совершенной структурой получают выращиванием на монокристаллич. подложках с решёткой
близкого структурного типа и с близкими значениями параметра решётки (молекуляр-но-лучевая
эпитаксия, газофазная, жидкофазная эпитаксия и др.).
При исследованиях М. п. из-за малого объёма магн. вещества обычно приходится применять
высокочувствит. приборы и методы [феррозонд, вибрац. магнитометр, магнитометр на эффекте
Джозефсона (см. Сквид), торсионный анизометр, методы магнитного резонанса на СВЧ и др.]. В то
же время малая толщина М. п., их прозрачность или зеркальная поверхность позволяют применять
для исследования плёнок оптич. и магнитооптич. методы (основанные на Керра эффекте и Фарадея
эффекте),
эллипсометрию,
а
также
методы
просвечивающей
электронной
микроскопии,
обладающие высоким пространств. разрешением.
Принципиальным вопросом физики тонких плёнок является изучение т. н. размерных
эффектов (изменение физ. свойств при уменьшении толщины плёнок по сравнению со свойствами
массивного магнетика). Изучение температурной зависимости спонтанной намагниченности Ms
сверхтонких М. п. позволяет проверять квантовую теорию обменного взаимодействия электронов в
двумерных атомных решётках, выявлять поверхностный магнетизм, поверхностную магн.
анизотропию. Прямое и косвенное обменное взаимодействие электронов изучается на специально
приготовленных плёнках с "модулированной" атомной структурой (система чередующихся магн. и
немагн. слоев толщиной в один или неск. нанометров).
Эксперименты показали, что заметное уменьшение М
менее десятка атомных слоев (
s
наступает лишь в М. п. толщиной
нм) и у этих же плёнок обнаруживается век-рое снижение темп-
ры Кюри. С области низких темп-р Т наблюдается переход от известного Блоха закона
,
выполняющегося для толстых ферромагн. плёнок, к почти линейному спаду намагниченности с
темп-рой в сверхтонких М. п. Правда, такие "олигатомные" плёнки чаще всего уже не являются
однородными, а имеют островковую структуру.
Спонтанная намагниченность Ms М. п. определяется не только хим. составом, но и фазовым
состоянием конденсата, зависящим от условий осаждения.
Фундам. свойством М. п. является магнитная анизотропия, характеризуемая типом
симметрии, ориентацией осей лёгкого намагничивания, энергетич. константами или напряжённостью
Н
А
эффективного поля анизотропии. Наряду с магнитостатич. анизотропией формы и естеств.
кристаллографич. магн. анизотропией в монокристаллич. М. п., в текстурированных поликристаллич. плёнках (Со, MnBi и др.) может существовать значит. наведённая анизотропия разл.
природы:
магнитоупругая
(магнитострикционная)
анизотропия;
анизотропия
направленного
упорядочения атомов, осуществляющегося в процессе роста и термообработки М. п.; анизотропия
направленного роста зёрен; ориентация вытянутых пор; анизотропия распределения магн. и немагн.
примесей по границам зёрен и др. При осаждении плёнок после термич. испарения в вакууме в М. п.
возникает анизотропия, вызванная наклонным падением атомов на подложку с образованием
цепочек кристаллитов (механизм самозатенения), с наклонной столбчатой структурой. При
эпитаксиальном росте М. п. из жидкой фазы со сложным ионным составом, напр. плёнок
редкоземельных ферритов-гранатов, возникает ростовая анизотропия, обусловленная избират.
осаждением разл. ионов в "открытые" додекаэдрич. позиции определённой плоскости роста.
Результирующая анизотропия определяет тип магнитной доменной структуры и характер
процессов намагничивания М. п. В плёнках с преобладающей анизотропией формы (фактор качества
) спонтанная намагниченность лежит в плоскости образца, и в этом случае образуются
вытянутые т. н. плоские магн. домены (ПМД). Осн. процессом перемагничивания таких М. п. вдоль
оси лёгкого намагничивания является движение доменных стенок, наблюдается прямоугольная
петля гистерезиса с коэрцитивной силой Н с, равной полю старта необратимого смещения стенок
(границ).
В плёнках с преобладающей перпендикулярной анизотропией (фактор качества
) ось
лёгкого намагничивания (ОЛН) ориентирована по нормали к поверхности. В таких М. п. образуются
круглые цилиндрические магнитные домены (ЦМД), плотная полосовая или лабиринтная доменная
структура. В чистых, практически бездефектных плёнках петля гистерезиса очень узкая (
) и наклонённая. В определённом интервале значений внеш. поля H, приложенного
вдоль ОЛН, наблюдаются равновесные ЦМД, к-рые легко передвигаются по плёнке под действием
неоднородного магн. поля. Эти подвижные ЦМД в феррит-гранатовых М. п. используются в
качестве носителей информации в магн. запоминающих устройствах (ЗУ).
К концу 1980-х годов достигнут значит. прогресс в эксперим. и теоретич исследовании М. п.их магн. микроструктуры, статики и динамики доменной структуры и структуры междоменных
стенок. Обнаружено сильное влияние тонкой структуры стенок ("скрученности", наличия в них т. н.
Блоха линий и Блоха точек )на их поведение в импульсном и высокочастотном магн. поле.
Присутствие линий Блоха, разделяющих разнопо-лярные участки стенки, во-первых, заметно
снижает подвижность стенки из-за дополнит. рассеяния эл.-магн. энергии, а во-вторых, вызывает
рост эффективной массы "жёсткой" стенки вследствие накопления кинетич. энергии в линиях Блоха,
перемещающихся вдоль движущейся стенки (см. Доменной стенки динамика). Разрабатываются
запоминающие устройства со сверхвысокой плотностью записанной информации, в к-рых битом
является пара вертикальных линий Блоха, продвигающаяся вдоль замкнутой стенки полосового
домена в феррит-гранатовых плёнках.
Тонкие М. п. нашли широкое применение в вычислит. технике и автоматике, в
оптоэлектронике и интегр. оптике. На базе М. п. возникла новая отрасль науки и техники - магн.
микроэлектроника. Плёночная (интегральная) технология позволяет решать актуальные задачи
микроминиатюризации элементной базы и схемотехники ЭВМ.
М. п. пришли на смену таких дискретных магн. элементов логич. и запоминающих устройств,
как ферритовые сердечники, трансфлюкторы и пластины с отверстиями. Вместо них было
предложено использовать матрицы из пермаллоевых пятен толщиной ~100 нм или цилиндрич. М. п.
(бронзовые проволоки, покрытые слоем пермаллоя толщиной ок. 1 мкм) с кольцевыми замкнутыми
по окружности магн. доменами.
Созданы т. н. доменные ЗУ, в к-рых элементом памяти является магн. домен с определённой
поляризацией спонтанной намагниченности. К ним относятся: устройства на плоских магн. доменах,
продвигающихся в низкокоэрцитивных каналах; ЗУ на подвижных ЦМД диаметром ок. 1 мкм, на
решётках ЦМД. Помимо записи, продвижения, хранения и считывания цифровой информации
доменные устройства на М. п. обеспечивают производство осн. логич. операций (т. е. обработку
информации). Твердотельные ЗУ на ЦМД обладают высокой надёжностью, компактностью,
энергонезависимостью и малой чувствительностью к неблагоприятным внеш. воздействиям.
Огромная информац. плотность и ёмкость ЦМД-микросхем делает их конкурентоспособными с ЗУ
на магн. дисках и барабанах.
Др. перспективное направление развития информационно-вычислит. систем состоит в
разработке магнитооптич. памяти на М. п. (магнитооптич. диски). Это направление предполагает
использование лазеров, записи информации термомагн. способом, а считывание - с помощью
магнитооптич. эффектов Керра или Фарадея. В качестве реверсивной среды - носителя информации
служат М. п. из соединений типа TR (Т - переходный металл, В - редкоземельный элемент),
обеспечивающие высокую плотность записи (
бит/см
2
) и надёжное магнитооптич.
считывание. Плёнки с высокой магнитооптич. добротностью (напр., Bi-содержащие ферритгранатовые плёнки) используются в оптич. дефлекторах и модуляторах, вентильных и переключат.
устройствах волоконно-оптич. линий связи.
Магнитно-мягкие (пермаллоевые) плёнки используются при создании магнитопроводов,
полюсных наконечников с узким зазором в многоканальных интегр. магн. головках для записи и
индукц. считывания информации, для магниторезистивного считывания.
В СВЧ-технике М. п. применяются в виде фильтров поглощения и пропускания,
фазовращателей и вентилей в интегр. исполнении. В этих устройствах используются такие явления,
как ферромагн. резонанс, спин-волновые эффекты и магнитоакустич. колебания.
Лит.: Тонкие ферромагнитные пленки, пер. с нем., М., 1964; Физика тонких плёнок, пер. с
англ., т. 1-8, М., 1967-78; Суху Р., Магнитные тонкие пленки, пер. с англ., М., 1967; Колотов О. С.,
Погожев В. А., Телеснин Р. В., Методы и аппаратура для исследования импульсных свойств тонких
магнитных пленок, М., 1970; Ильюшенко Л. Ф., Электролитически осажденные магнитные пленки,
Минск, 1972; Палатник Л. С., Фукс М. Я., Косевич В. М., Механизм образования и субструктура
конденсированных пленок, М., 1972; Сухвало С. В., Структура и свойства магнитных пленок железоникель-кобальтовых сплавов, Минск, 1974; Лесник А. Г., Наведенная магнитная анизотропия, К.,
1976; Мочалов В. Д., Магнитная микроэлектроника, М., 1977; Балбашов А. М., Червоненкис А. Я.,
Магнитные материалы для микроэлектроники, М., 1979; Иванов Р. Д., Магнитные металлические
пленки в микроэлектронике, М., 1980; Малоземов А., Слонзуски Дж., Доменные стенки в материалах
с цилиндрическими магнитными доменами, пер. с англ., М., 1982; Элементы и устройства на
цилиндрических магнитных доменах. Справочник, М., 1987. А. Г. Шишков.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор
А. М. Прохоров. 1988.
C:\Users\Юля\Desktop\1\Патент на изобретение №2368872.mht
РОССИЙСКАЯ
ФЕДЕРАЦИЯ
(
R (
2
19) U 11) 368872 13) 1
(
C
(51) МПК
G01C21/08 (20
06.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ
СЛУЖБА
ПО
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬН
ОЙ
СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ
И
ТОВАРНЫМ
ЗНАКАМ
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К
ПАТЕНТУ
Статус: по данным на 18.08.2010 действует
(21), (22) Заявка:
(72)
2008127069/28, 04.07.2008 Соборов
Автор(ы):
Григорий
(24) Дата началаИванович
отсчета
срока
действияСхоменко
патента:
Николаевич
04.07.2008
Линко
(RU),
Александр
(RU),
Юрий
(46) Опубликовано:Ромуальдович (RU)
(73)
27.09.2009
(56)
СписокПатентообладатель(и):
документов,
ОТКРЫТОЕ
цитированных в отчете о АКЦИОНЕРНОЕ
поиске: RU 2302615 C1,ОБЩЕСТВО
10.07.2007. RU 2236029"Раменское
C1,
10.09.2004.
RUприборостроительное
2210060 C2, 10.08.2003.конструкторское бюро"
RU
2130588
C1,(RU)
20.05.1999. US 4539760 A,
10.09.1985.
Адрес
для
переписки:
140103, Московская обл.,
г.
Раменское,
Гурьева,
2,
ул.
ОАО
"Раменское
приборостроительное
конструкторское бюро"
(54)
БОРТОВОЕ
УСТРОЙСТВО
ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ ЗЕМЛИ
(57) Реферат:
Изобретение
относится
к
магнитным
измерениям на подвижных объектах, в частности к
приборам,
предназначенным
для
измерения
компонент и полного вектора индукции магнитного
поля Земли, а также магнитному курсоуказанию и
навигации на транспортных средствах. Техническим
результатом
изобретения
является
повышение
точности магнитных измерений на подвижном
объекте исключением влияния электромагнитных
помех
от
приемо-обрабатывающего
магнитоизмерительного
прибора.
устройства
Устройство
содержит последовательно соединенные и взаимно
близко расположенные трехкомпонентный датчик
магнитного поля, жестко связанный с осями объекта,
и
приемо-обрабатывающее
устройство,
расположенное в фиксированном положении на
объекте, включающее последовательно соединенные
коммутатор, аналоговое запоминающее устройство,
блок
аналого-цифрового
микроЭВМ.
преобразования
2
и
ил.
Изобретение
относится
к
магнитным
измерениям на подвижных объектах, в частности к
приборам,
предназначенным
для
измерения
компонент и полного вектора индукции магнитного
поля
Земли
(МПЗ),
курсоуказанию
и
а
также
навигации
на
магнитному
транспортных
средствах.
Широко
известно
применение
датчиков
магнитного поля земли в бортовых навигационных
системах,
в
которых
преобразования
и
информации
измерительные
обработки
содержат
каналы
геомагнитной
усилительно-
преобразовательные устройства и вычислительные
блоки многофункциональной обработки сигналов,
требующие
высокого
энергопотребления,
а
следовательно, являющиеся источником излучения
электромагнитных помех, влияющих на точность
измерения
датчиков
Непредсказуемый
потребляемых
магнитного
характер
токов
сильного
значительно
поля.
изменения
усложняет
проблему измерения этих помех, а следовательно,
исключается возможность их компенсации.
Так, например, известны бортовые магнитные
компасы [1-3], содержащие многофункциональный
канал преобразования и обработки информации и
подключенный к его входам трехосный датчик
магнитного поля, причем канал преобразования и
обработки
информации
содержит
устройства
преобразования, вычислитель с портами приема и
выдачи
информации,
измеритель
углов
и
компенсатор магнитной девиации.
Магнитным
компасом
определяется
магнитный курс подвижного объекта по результатам
измерения датчика магнитного поля и измерителя
углов соответственно компонент вектора индукции
МПЗ
и
углов
вычислителе
магнитного
и
тангажа
осуществляется
курса
эквивалентов
угловых
крена
при
преобразования.
В
вычисление
использовании
компонент
величин,
объекта.
вектора
кодовых
индукции
формируемых
и
устройствами
Компенсатором
девиации
исключается влияние постоянных магнитных и
электромагнитных помех объекта и помех от
собственного оборудования.
Содержание энергопотребляемых устройств в
канале преобразования и обработки информации,
значительно увеличивающих его потребляемый ток,
создает большие проблемы помехозащищенности,
обусловленные
переменным
электромагнитным
влиянием оборудования на магниточувствительный
датчик.
Широко применяемым способом устранения
влияния перечисленных помех при построении
магнитоизмерительных
разнесенное
приборов
пространственное
является
взаимное
расположение магниточувствительного датчика и
влияющего оборудования, в частности приемообрабатывающего оборудования, используемого для
приема и обработки выходных сигналов датчика.
Обеспечивая высокую помехозащищенность,
данный способ измерения значительно усложняет
магнитоизмерительный прибор в целом ухудшением
весогабаритных
характеристик,
необходимостью
применения
обусловленных
соединительного
жгута и разъемных соединений для связи датчика и
измерительно-преобразовательного
блока.
Кроме
того,
для
удаления
необходимость
датчика
применения
часто
появляется
выносных
штанг
специальной конструкции. Эти проблемы особенно
заметно проявляются при осуществлении магнитных
измерений на малых подвижных объектах (микро- и
наноспутниках,
беспилотных
самолетах,
малогабаритных подводных аппаратах и т.д.).
Частичным
устранением
указанного
недостатка является обеспечение возможности и
условий
конструктивного
магниточувствательного
совмещения
датчика
и
приемо-
обрабатывающего оборудования путем уменьшения
электромагнитного
последнего
на
и
магнитного
датчик.
влияния
Способами
устранения
указанного влияния являются уменьшение в составе
оборудования ферромагнитных масс, уменьшение
потребляемых
токов,
реализация
бифилярной
проводки токоведущих цепей. Создание новых
материалов, развитие и возможность применения
гибридно-пленочной или интегральной технологий
при
изготовлении
магнитометров
обеспечивают
возможность изготовления миниатюрных датчиков
магнитного
поля
и
возможность
применения
бескорпусной элементной базы, сокращающей или
исключающей наличие ферромагнитных масс, а
возможность
применения
элементной
базы
с
микромощным потреблением обеспечивает заметное
снижение потребляемой мощности. Перечисленные
обстоятельства обеспечивают в настоящее время
возможность разработки и широкую перспективу
применения
малогабаритных
моноблочной
магнитометров,
конструкции
основанных
на
принципе конструктивного совмещения датчика
магнитного
поля
и
измерительно-
преобразовательной части магнитометра. Примером
известных и широко применяемых на подвижных
объектах моноблочных магнитометров являются
разработки ОАО Раменского приборостроительного
конструкторского бюро [4], а также разработки
зарубежных фирм [5].
Общим недостатком этих устройств является
низкий функциональный ресурс, обусловленный
отсутствием возможности применения в их составе
мобильных
вычислительных
средств,
из-за
ограниченной помехоустойчивости.
Известно устройство для измерения модуля
вектора индукции МПЗ [6 (с.145), 7] выполненное в
виде
феррозондовой
системы
ориентации
платформы по направлению вектора индукции
магнитного поля, содержащей три ортогонально
ориентированных феррозонда, измерительную цепь
и
исполнительные
двигатели,
которые
устанавливаются на той же платформе, что и
феррозонды
так,
что
взаимное
расположение
феррозондов и двигателей остается неизменным,
причем в качестве исполнительных двигателей
применены контуры с током.
Ориентация платформы осуществляется с
помощью исполнительных двигателей, управляемых
выходными
сигналами
феррозондов,
третий
ориентируется
двух
ориентирующих
измерительный
параллельно
феррозонд
вектору
индукции
измеряемого поля, то есть показания измерительного
феррозонда являются результатом измерения модуля
вектора индукции МПЗ. В данном случае возможно
сильное влияние магнитного поля контуров с токами
на
феррозонды,
заметно
снижающее
точность
измерения. Во избежание влияния магнитного поля
контуров на феррозонды последние включаются в
измерительную цепь в моменты, когда ток в
упомянутых контурах отсутствует. То есть в данном
устройстве
разделения
реализован
процессов
способ
измерения
сигналов рассогласования.
временного
и
отработки
Тем не менее, данный принцип реализации
временного разделения не исключает возможности
влияния
токопотребляющих
измерения
на
феррозонды.
устройств
цепи
Вынужденная
их
установка вдали от феррозондов за пределами
платформы вызывает потребность дополнительных
разъемных соединений и жгута связи, что усложняет
устройство в целом.
Потребностью современных и перспективных
средств
магнитных
измерений
на
подвижных
объектах является обеспечение функциональной
автономности, расширение их функционального
ресурса,
а
также
обеспечение
и
расширение
возможности магистрально-модульного принципа
информационного
обмена
унифицированного
на
основе
в
бортовой
интерфейса
информационно-измерительной
системе.
потребность
необходимостью
обусловлена
функционально-автономной
обработки
Эта
сигналов
датчиков магнитного поля (усиление, аналоговое и
аналого-цифровое преобразование, фильтрация и
пр.),
необходимостью
определения
параметров,
функционально зависимых от компонент вектора
измеряемой индукции МПЗ (углы ориентации и
магнитный курс объекта, модуль вектора магнитной
индукции,
производные
компонент
вектора
индукции, пространственные градиенты магнитного
поля
и
пр.),
а
информационного
также
необходимостью
обеспечения
потребителей
информационно-измерительной системы с помощью
средств
передачи
реализация
перспективных
информации. Обеспечение и
перечисленных
средств
возможностей
магнитных
измерений
вызывает потребность значительного увеличения их
потребляемых токов, создающих большие проблемы
помехозащищенности, обусловленные переменным
электромагнитным
влиянием
приемо-
обрабатывающего
оборудования
на
магниточувствительный датчик.
Наиболее близким по технической сущности
к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа
является устройство для измерения полного вектора
магнитного поля [8], содержащее последовательно
соединенные, жестко связанные с объектом и
взаимно близко расположенные трехкомпонентный
векторный датчик магнитного поля и приемообрабатывающее
устройство,
включающее
последовательно соединенные коммутатор, входы
которого подключены к соответствующим выходам
датчика магнитного поля, устройство обработки
сигналов, выполненное, например, в виде блока
аналого-цифрового преобразования и микроЭВМ,
управляющий выход которой подключен к входу
управления коммутатора.
Устройство работает следующим образом.
С
помощью
трехкомпонентного
датчика
магнитного поля осуществляется преобразование
компонент вектора магнитной индукции в выходные
напряжения, подаваемые на входы коммутатора
приемо-обрабатывающего
устройства,
который
пропускает их поочередно в устройство обработки
сигнала, в данном случае выполненное в виде блока
аналого-цифрового преобразования, где происходит
выделение полезного информативного сигнала и
преобразование
его
в
код,
поступающий
на
микроЭВМ, в которой происходит окончательная
обработка информативного сигнала и в общем
случае
операции
могут
осуществляться
реализации
математические
алгоритма
определения
различных функционально зависимых от компонент
вектора индукции МПЗ параметров (модуль вектора
индукции МПЗ, углы ориентации и др.). МикроЭВМ
также
управляет
работой
коммутатора
и
осуществляет связь с внешними потребителями с
помощью собственного интерфейса через порты
ввода и вывода.
Работа известного устройства сопровождается
большим
потреблением
тока
приемо-
обрабатывающим устройством, а также переменным
и непредсказуемым характером его изменения,
вызванным изменениями режимов работы блока
аналого-цифрового преобразования, периферийных
устройств,
то
информации
есть портов приема и
и
других
внутренних
выдачи
устройств.
Случайный характер изменения и большая величина
потребляемого
тока
являются
источниками
электромагнитных помех, влияющих на датчик
магнитного поля, а следовательно, снижающих
точность магнитных измерений.
Техническим
результатом
изобретения
является повышение точности магнитных измерений
на
подвижном
объекте
электромагнитных
исключением
помех
от
влияния
приемо-
обрабатывающего
устройства
магнитоизмерительного прибора.
Указанный результат достигается тем, что в
предлагаемое бортовое устройство для измерения
параметров магнитного поля Земли, содержащее
последовательно соединенные и взаимно близко
расположенные
трехкомпонентный
датчик
магнитного поля, жестко связанный с осями объекта,
и
приемо-обрабатывающее
устройство,
расположенное в фиксированном положении на
объекте, включающее коммутатор, входы которого
подключены к соответствующим выходам датчика
магнитного поля, последовательно соединенные
блок
аналого-цифрового
микроЭВМ,
подключен
управляющий
к
входу
преобразования
выход
управления
и
которой
коммутатора,
дополнительно введено аналоговое запоминающее
устройство, вход которого подключен к выходу
коммутатора, а выход - к входу блока аналогоцифрового
преобразования,
вход
управления
которого подключен к первому входу управления
(входу управления режимом потребления) и второму
управляющему
выходу
микроЭВМ,
третий
управляющий выход которой подключен к входу
управления аналогового запоминающего устройства,
а
второй
вход
управления
подключен
к
управляющему выходу блока аналого-цифрового
преобразования.
Сущность
предлагаемого
изобретения
поясняется графическими материалами. На фиг.1
изображена структурная схема бортового устройства
для измерения параметров магнитного поля Земли, а
на фиг.2 показаны временные диаграммы его
работы.
Устройство
содержит
последовательно
соединенные жестко связанные с объектом и
взаимно близко расположенные трехкомпонентный
датчик магнитного поля 1 (ДМП) и приемообрабатывающее устройство 2 (ПОУ), включающее
последовательно
соединенные
коммутатор
3,
аналоговое запоминающее устройство 4 (АЗУ), блок
аналого-цифрового преобразования 5 (БАЦП) и
микроЭВМ
6,
управляющий
выход
которой
подключен ко входу управления коммутатора 3,
входы которого подключены к соответствующим
выходам ДМП 1, вход
управления БАЦП 5
подключен
управления
к
входу
режимом
потребления и второму управляющему выходу
микроЭВМ 6, третий управляющий выход которой
подключен к входу управления АЗУ 4, а второй вход
управления подключен к управляющему выходу
БАЦП 5.
Подавление
устройстве
временного
основано
помех
на
разделения
в
предложенном
реализации
процесса
принципа
аналогового
преобразования
результата)
(с
и
последующим
процессов
запоминанием
аналого-цифрового
преобразования и обработки сигналов. Причем
процесс аналогового преобразования осуществляется
при фиксированном потреблении тока ПОУ 2, а
процессы
аналого-цифрового
преобразования
и
обработки сигналов осуществляются в рабочем
режиме потребления тока этим устройством.
Устройство работает следующим образом.
С помощью трехкомпонентного ДМП 1
осуществляется преобразование компонент Вx, Ву, Вz
вектора магнитной индукции по связанным с
объектом осям X, Y, Z в выходные напряжения,
подаваемые на входы коммутатора 3, который
пропускает
их
Управление
поочередно
коммутатором
на
вход
АЗУ
4.
3
осуществляется
последовательностью управляющих кодов Nki(i=x, у,
z), формируемых в микроЭВМ 6. При этом процесс
их
формирования
формированием,
сопровождается
там
последовательности
же
синхронным
в
сигналов
микроЭВМ,
управления
С1,
подаваемых на входы управления БАЦП 5 и
микроЭВМ 6, и сигналов управления C2, подаваемых
на вход управления АЗУ 4 (фиг.2). Сигналы C1
переключают БАЦП 5 и микроЭВМ 6 в режим
фиксированного
или
малого
постоянного
потребления тока, что приводит к исключению
наводимых
и
воздействующих
на
ДМП
1
переменных помех от БАЦП 5 и микроЭВМ 6. В
режиме
фиксированного
составляющие
Вxэ,
Вyэ,
потребления
тока
Вzэ вектора магнитной
индукции электромагнитной помехи, наводимой
ПОУ 2, являющиеся функциями потребляемого тока
(I) источника помех, можно представить скалярными
выражениями в виде
Bxэ=fx(I)=Pэ(Io),
Bуэ=fу(I)=Qэ(Io),
Bzэ=fz(I)=Rэ(Io),
при I=Io, где Io и Рэ(Io), Qэ(Io), Rэ(Io) постоянные значения соответственно потребляемого
тока и наводимых этим током помех по связанным с
объектом осям X, Y, Z. На интервалах времени
присутствия сигналов C1 формируются сигналы С2, с
помощью которых осуществляется запись в АЗУ 4 iго
аналогового
эквивалента
преобразуемой
компоненты Вi вектора магнитной индукции. По
окончании сигналов
С1 с моментов появления их заднего фронта
БАЦП 5 и микроЭВМ 6 переходят в рабочий режим
и, следовательно, в режим рабочего потребления
токов. В данном режиме потребляемый ток ПОУ 2
имеет переменный и непредсказуемый характер
изменения и может заметно, то есть на несколько
порядков, превышать значение тока в режиме его
фиксированного
составляющие
потребления.
Вхэ,
Вуэ,
При
этом
Вzэ вектора магнитной
индукции электромагнитной помехи, наводимой
ПОУ 2, влияя на данном интервале времени на ДМП
1, тем не менее не искажают результат измерения,
предварительно записанный в АЗУ 4. С моментов
появления заднего фронта сигналов С1 в БАЦП 5
осуществляется преобразование хранимого в АЗУ 4
выходного напряжения в код Ni, подаваемый на вход
микроЭВМ
6.
Процесс
окончания
цифрового
преобразования
аналого-
фиксируется
в
микроЭВМ 6 появлением сигнала
С3 (фиг.2) на управляющем выходе БАЦП 5.
По этому сигналу в микроЭВМ 6 осуществляется
запись этого кода в память по соответствующему iму
адресу,
формируемому в
задаваемому
самой
кодом
микроЭВМ
адреса,
6. Таким
образом, в предлагаемом устройстве аналоговое
преобразование компонент Вi и последующая запись
выходных напряжений коммутатора 3 в АЗУ 4
сопровождаются
отсутствием
переменных
магнитных помех от наиболее энергопотребляемых
устройств, то есть от БАЦП 5 и микроЭВМ 6,
обеспечиваемым режимом постоянного потребления
тока в последних.
На интервалах времени отсутствия сигналов
С1 (фиг.2), то есть на интервалах времени режима
рабочего потребления токов БАЦП 5 и микроЭВМ 6,
осуществляются
процессы
аналого-цифрового
преобразования и последующая цифровая обработка
результатов
преобразования
в
микроЭВМ
6,
происходящие при отсутствии искажений помехами,
обусловленными изменяемым током потребления.
Результаты преобразования компонент содержат
постоянные
погрешности
представленных
от
влияния
вышеуказанными
помех,
выражениями,
вызванные влиянием постоянного тока потребления
Io,
которые
предварительно
определяются
известными способами при калибровке устройства
или учитываются при проведении девиационных
работ на объекте, а затем записываются в память
микроЭВМ 6. Эти погрешности устраняются в
процессе
цифровой
обработки
измеряемых
компонент. Там же осуществляется компенсация
погрешностей
обусловленных
от
влияния
магнитных
содержанием
помех,
фиксированно
распределенных ферромагнитных масс объекта и, в
том числе, ферромагнитных масс ПОУ 2. По
результатам измерения компонент в микроЭВМ 6
осуществляется также вычисление параметров МПЗ,
функционально
зависимых
от
измеряемых
компонент, а также обмен данными с внешними
потребителями через порты приема и передачи
данных. Множество решаемых задач с помощью
микроЭВМ 6 определяет функциональный ресурс и
сложность
структуры,
энергопотребление,
а
следовательно
которое,
в
свою
ее
очередь,
определяет уровень наводимых помех, подлежащих
подавлению.
Реализация
режима
фиксированного
потребления БАЦП 5 осуществляется, например,
установкой
его
в
начальное
(«предстартовое»)
состояние сигналом С1. Неизменяемость
этого
состояния на интервалах существования сигналов C1
определяет постоянство энергопотребления на этих
интервалах. В известных современных микроЭВМ
или
микроконтроллерах
имеется
возможность
внешнего управления режимами потребления по
специально предусмотренному для этого входу
управления. В данном случае имеется также и режим
микромощного потребления тока, переходом в
который достижимо уменьшение потребляемого
тока в микроЭВМ на несколько порядков по
сравнению с рабочим режимом, а следовательно,
достижимо практически полное исключение даже
постоянных помех.
В
предложенном
устройстве
возможны
различные варианты исполнения схем АЗУ 4 или так
называемых
устройств
выборки
хранения,
достаточно полно представленные в известной
литературе, например в [9, 10].
Вариантами исполнения датчика магнитного
поля являются, например, использование обоймы с
тремя
ортогонально
ориентированными
магниточувствительными
феррозондами
элементами.
элементами
или
В
-
магниторезистивными
первом
варианте
необходимы
усилители с фильтрами для выделения четногармонических
устанавливаемые,
полезных
например,
в
сигналов,
самом
датчике
магнитного поля 1 [5]. В данном случае возможен
также вариант их установки и в составе АЗУ 4. В
варианте
применения
магниторезистивных
элементов, выходные сигналы датчика магнитного
поля 1 формируются в виде напряжений постоянного
тока без модуляционного преобразования.
Таким образом, в предложенном устройстве
обеспечивается
высокая
точность
магнитных
измерений при малых дополнительных аппаратных
затратах. Повышается возможность моноблочного
изготовления
изделия,
а
микроминиатюризации
прибора
поля
возможность
магнитоизмерительного
совмещенным
магнитного
также
и
расположением
датчика
приемо-обрабатывающего
устройства на общей технологической подложке на
основе
применения
Расширяется
интегральной
возможность
технологии.
применения
вычислительных средств в составе моноблочного
магнитометра, в значительной степени повышающих
его функциональный ресурс и широкие возможности
применения в технике прецизионных измерений, в
частности, на малогабаритных подвижных объектах.
Целесообразность
очевидна
при
переносных
применения
изобретения
изготовлении
портативных
моноблочных
магнитометров
с
автономным питанием. Кроме того, применение
изобретения на объекте со сложным блочным
магнитоизмерительным
обеспечить
оборудованием
компактное
размещение,
обеспечивающее
его
позволит
совмещенное
экономию
места,
сокращение веса и габаритов, а также исключение
жгутовых и разъемных соединений.
Следовательно, предлагаемое изобретение,
обладая новизной, полезностью и реализуемостью,
может
найти
широкое применение в технике
магнитных измерений.
Литература
1.
Способ
электромагнитной
цифровой
девиации
для
компенсации
магнитного
электронного
компаса
и
осуществления. Патент РФ
устройство
для
его
2210060, МПК 7 G01С
17/38, 2001 г.
2. Безмаятниковый магнитный компас. А.с.
СССР
790917, М. Кл.3 G01С 17728, 1979 г.
3.
Способ
измерения
магнитного
подвижного объекта. Патент РФ
курса
2130588, МПК 6
G01С 21/08, 1998 г.
4. Схоменко А.Н., Соборов Г.И., Линко Ю.Р.
Магнитометр аналоговый МА-3 для ориентации
подводного аппарата. VII Междунар. Научн.-техн.
конференция «Современные методы и средства
океанологических
конференции.
исследований».
РАН
НИИ
Материалы
специального
машиностроения МГТУ им. Н.Э.Баумана. М., 2001.
5. Материалы фирмы Aplied Physics Systems.
Three
Axis
Fluxgate
Magnetometer.
aps@appliedphysics.com/web:www,
E-Mail:
appliedphysics.
Com.
6. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. "Энергия",
Ленинградское отделение, 1969.
7. Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. Управление
космическим
летательным
аппаратом,
"Машиностроение", 1964.
8.
Способ
измерения
полного
вектора
магнитного поля, а также устройство для его
осуществления. Патент РФ
2218577, МПК G01R
33/02, 2001 г.
9.
П.Хоровиц,
У.Хилл.
Искусство
схемотехники: в 2-х томах. Пер. с англ. - М.: Мир,
1983. - Т.2.
10. В.С.Гутников. Применение операционных
усилителей в измерительной технике. Л.: Энергия,
1975.
Формула изобретения
Бортовое
устройство
для
измерения
параметров магнитного поля Земли, содержащее
последовательно соединенные и взаимно близко
расположенные
трехкомпонентный
датчик
магнитного поля, жестко связанный с осями объекта,
и
приемообрабатывающее
устройство,
расположенное в фиксированном положении на
объекте, включающее коммутатор, первый, второй и
третий входы которого подключены соответственно
к первому, второму и третьему выходам датчика
магнитного поля, последовательно соединенные
блок
аналого-цифрового
микроЭВМ,
управляющий
преобразования
выход
и
которой
подключен ко входу управления коммутатора,
отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено
аналоговым
запоминающим
устройством,
вход
которого подключен к выходу коммутатора, а выход
- ко входу блока аналого-цифрового преобразования,
вход управления которого подключен к первому
входу управления (входу управления режимом
потребления) и второму управляющему выходу
микроЭВМ, третий управляющий выход которой
подключен
ко
входу
запоминающего
управления
-
управления
устройства,
к
а
второй
вход
управляющему выходу
блока
аналого-цифрового преобразования.
РИСУНКИ
C:\Users\Юля\Desktop\1\Патент на изобретение №2382376.mht
РОССИЙСКАЯ
ФЕДЕРАЦИЯ
(
R (
2
19) U 11) 382376 13) 1
(
C
аналогового
(51) МПК
G01R33/02 (20
06.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ
СЛУЖБА
ПО
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬН
ОЙ
СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ
И
ТОВАРНЫМ
ЗНАКАМ
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К
ПАТЕНТУ
Статус: по данным на 27.10.2010 действует
(21), (22) Заявка:
(72)
2008145468/28, 19.11.2008 Соборов
Автор(ы):
Григорий
(24) Дата началаИванович
отсчета
срока
действияСхоменко
патента:
(RU),
Александр
Николаевич (RU)
(73)
19.11.2008
(46) Опубликовано:Патентообладатель(и):
Открытое акционерное
20.02.2010
(56)
Списокобщество
документов,
"Раменское
приборостроительное
цитированных в отчете о конструкторское бюро"
поиске: RU 2153682 C1,(RU)
27.07.2000. RU 2316781
C1,
10.02.2008.
RU
2124737 C1, 10.01.2007.
RU
2352954
C2,
20.04.2009.
Адрес
переписки:
для
140103, Московская обл.,
г.
Раменское,
Гурьева,
ул.
2,
ОАО
"Раменское
приборостроительное
конструкторское бюро"
МОНОБЛОЧНЫЙ
(54)
ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
(57) Реферат:
Изобретение
относится
к
магнитным
измерениям на подвижных объектах, в частности к
измерениям компонент и полного вектора индукции
магнитного
поля
курсоуказанию.
расширение
Земли
Задачей
и
магнитному
изобретения
функциональных
является
возможностей
и
повышение точности магнитометра исключением
влияния
электромагнитных
результат
достигается
феррозондовый
помех.
тем,
что
магнитометр
Указанный
моноблочный
содержит
три
феррозонда с взаимно ортогональными магнитными
осями и последовательно соединенными выходными
обмотками
и
соединенными
с
обмотками
возбуждения,
соответствующими
выходами
коммутируемого блока возбуждения, усилительнопреобразовательный
блок,
подключенный
к
выходной обмотке первого феррозонда, генератор,
первый выход которого подключен к частотному
входу
коммутируемого
блока
возбуждения,
микроЭВМ с аналоговым входом, подключенным к
выходу усилительно-преобразовательного блока, и
входом управления режимом потребления тока,
подключенным к ее первому управляющему выходу,
и устройство управления демодулятором, первый и
второй
выходы
соответственно
управления
к
которого
первому и
подключены
второму входам
фазочувствительного
демодулятора
усилительно-преобразовательного блока, первый и
второй
входы
подключены
соответственно
ко
второму и третьему выходам генератора, а третий
вход подключен ко второму управляющему выходу
микроЭВМ,
вход
тактовой
частоты
которой
соединен с четвертым выходом генератора, а третий
управляющий выход подключен к входу управления
коммутируемого
блока
Изобретение
измерениям,
в
предназначенным
возбуждения.
2
ил.
относится
к
магнитным
частности
к
приборам,
для
измерений
компонент
и
полного вектора индукции магнитного поля Земли
(МПЗ).
Известны
магнитометры
конструкции
[1-3],
моноблочной
характеризуемые
конструктивным совмещением трехкомпонентного
магниточувствительного датчика и измерительнопреобразовательного
устройства
в
едином
конструктивном модульном исполнении (моноблоке)
при обеспечении в них условия магнитной и
электрической совместимости, исключающей их
взаимное влияние. В подобных устройствах важным
способом
исключения
магнитного
влияния
измерительно-преобразовательного устройства на
магниточувствительный
датчик
является
обеспечение минимально возможного содержания в
измерительно-преобразовательном
ферромагнитных
элементов
устройстве
и
материалов,
искажающих измеряемое магнитное поле, а также
снижение
потребляемых
токов,
являющихся
источниками электромагнитных помех. Способами
эффективного устранения ферромагнитных масс в
подобных
устройствах
является
применение
гибридно-пленочной и интегральной технологий,
исключающих
необходимость
металлосодержащих
корпусов
применения
и
материалов.
Применение микромощной элементной базы заметно
снижает
уровень
магнитных
помех
от
токопотребляемых цепей и нагрузок в моноблочном
магнитометре.
Невозможность или сложность применения в
подобных
магнитометрах
цифрового
преобразования
устройств
и
аналого-
вычислительных
микропроцессорных средств, требующих заметно
большого потребляемого тока, сильно ограничивает
функциональные
возможности
известных
моноблочных магнитометров.
Наиболее близким по технической сущности
к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа
является
феррозондовый
содержащий
три
магнитометр
феррозонда
ортогональными
магнитными
последовательно
соединенными
обмотками
и
соединенными
обмотками
с
с
[4],
взаимно
осями
и
выходными
возбуждения,
соответствующими
выходами
коммутируемого
блока
возбуждения,
последовательно
соединенные
усилительно-
преобразовательный
выходной
обмотке
блок,
первого
подключенный
к
феррозонда
и
измерительно-преобразовательный блок, генератор,
первый выход которого подключен к частотному
входу коммутируемого блока возбуждения, второй
(прямой) и третий (инверсный) - к входу управления
демодулятора
усилительно-преобразовательного
блока, а четвертый и пятый - к входам управления
измерительно-преобразовательного блока с первого
по
четвертый
управляющие
выходы
которого
подключены к соответствующим входам управления
коммутируемого блока возбуждения.
С
помощью
данного
устройства
осуществляется измерение компонент и модуля
вектора магнитной индукции.
Устройство работает следующим образом.
Генератор вырабатывает на первом выходе
напряжение частотой, равной частоте возбуждения
феррозондов, которое через коммутируемый блок
возбуждения
поступает
возбуждения
поочередно
в
соответствующих
Переключение
обмоток
феррозондов.
возбуждения
формирование
сигналов
осуществляются
коммутируемым
возбуждения,
сигналами
преобразовательного
возбуждения
блока.
сигналов
на
блоком
выходными
измерительноПоследовательность
феррозондов
последовательностью
и
возбуждения
управляемого
управляющими
обмотки
определяется
появления
управляющих
соответствующих
выходах
измерительно-преобразовательного блока.
Измеряемая
индукция
магнитного
поля,
воздействуя одновременно на три феррозонда,
вызывает появление напряжения полезного сигнала
второй гармоники на выходной обмотке того
феррозонда, на обмотку возбуждения которого в
данное
время
выходные
подано
обмотки
последовательно,
преобразовательного
напряжение.
феррозондов
на
вход
блока
в
Поскольку
включены
усилительно-
данное
время
поступает напряжение полезного сигнала второй
гармоники,
амплитуда
которого
определяется
составляющей (компонентой) вектора индукции
магнитного поля, измеряемой соответствующим
феррозондом. В усилительно-преобразовательном
блоке напряжение усиливается на переменном токе,
детектируется, усиливается на постоянном токе, а
затем
подается
на
выход
усилительно-
преобразовательного блока и выход обратной связи,
создавая ток обратной связи в выходных обмотках
феррозондов.
С
выхода
усилительно-
преобразовательного
блока
напряжение,
пропорциональное соответствующей составляющей
вектора индукции магнитного поля, поступает в
измерительно-преобразовательный блок. С помощью
обратной связи в возбужденном в данный момент
феррозонде
создается
магнитное
поле,
компенсирующее соответствующую составляющую
измеряемого магнитного поля.
Управление
демодулятором
блока
фазочувствительным
усилительно-преобразовательного
осуществляется
импульсами
напряжения,
подаваемого со второго (прямого) и третьего
(инверсного)
выходов
генератора
на
входы
управления усилительно-преобразовательного блока,
а с помощью импульсов напряжений, подаваемых с
четвертого и пятого выходов генератора на входы
управления
блока,
измерительно-преобразовательного
осуществляется
синхронизация
работы
последнего и коммутируемого блока возбуждения.
После
окончания
переходного
процесса,
вызванного переключением обмоток возбуждения и
воздействием
внешнего
поля
на
феррозонды,
измерительно-преобразовательный блок, с момента
появления сигнала признака окончания переходного
процесса
формируемого
осуществляет
процессы
в
этом
же
формирования
блоке,
кодовых
эквивалентов компонент и модуля вектора индукции
магнитного поля. В данном магнитометре в основу
построения
преобразовательного
схемы
блока
формирования неявных функций.
измерительноположен
метод
Мультиплексный
измерительного
феррозондов
режим
канала
и
обеспечивают
и
цепей
способ
простоту
работы
возбуждения
построения
схемной
схемы
реализации
устройства и сравнительно малую потребляемую
мощность. Однако при моноблочном исполнении
магнитометра достаточно большой потребляемый
ток
измерительно-преобразовательного
наводит
в
области
блока
размещения
близко
расположенных к нему феррозондов магнитное поле,
тем самым сильно снижая помехозащищенность
моноблочного магнитометра, заметно ухудшая его
точностные характеристики, что в свою очередь
ограничивает возможность применения подобных
моноблочных
магнитометров
в
технике
прецизионных измерений. Кроме того, потребность
решения
большого
круга
задач,
например
геофизических и космических исследований, задач
навигации и ориентации подвижных объектов в
свою очередь вызывают потребность расширения
функциональных
возможностей
магнитометра,
например для определения угловых параметров,
вычисления
производных,
контроля
коррекции
инструментальных
работы,
погрешностей
и
различного рода других задач магнитометрических
измерений. Следовательно, другим недостатком
известного
магнитометра
является
низкий
его
функциональный ресурс.
Техническим результатом, достигаемым при
использовании
решения,
предлагаемого
является
расширение
повышение
функциональных
технического
точности
и
возможностей
моноблочного магнитометра.
Указанный результат достигается тем, что в
моноблочный
содержащий
феррозондовый
три
ортогональными
феррозонда
магнитными
магнитометр,
с
взаимно
осями
и
последовательно
обмотками
соединенными
и
соединенными
выходными
обмотками
с
возбуждения,
соответствующими
выходами
коммутируемого блока возбуждения, усилительнопреобразовательный
блок,
подключенный
к
выходной обмотке первого феррозонда, генератор,
первый выход которого подключен к частотному
входу коммутируемого блока возбуждения, причем
усилительно-преобразовательный
последовательно
усилитель,
блок
соединенные
содержит
избирательный
фазочувствительный
демодулятор
и
интегратор, выход которого через резистор обратной
связи подключен к входу выходной обмотки первого
феррозонда, дополнительно введены микроЭВМ с
аналоговым
входом,
подключенным
к
выходу
усилительно-преобразовательного блока и входом
управления
режимом
потребления
тока,
подключенным к первому управляющему выходу и
устройство управления демодулятором, первый и
второй
выходы
соответственно
управления
к
которого
первому и
подключены
второму входам
фазочувствительного
демодулятора,
первый и второй входы подключены соответственно
ко второму и третьему выходам генератора, а третий
вход подключен ко второму управляющему выходу
микроЭВМ,
вход
тактовой
частоты
которой
соединен с четвертым выходом генератора, а третий
управляющий выход подключен к входу управления
коммутируемого блока возбуждения.
На
фиг.1
показана
структурная
схема
предлагаемого устройства, а на фиг.2 показаны
временные диаграммы его работы.
Моноблочный магнитометр содержит три
феррозонда 1, 2, 3 (Ф3Х, Ф3Y, Ф3Z) с взаимно
ортогональными
магнитными
осями,
состоящие
каждый из сердечника 4, 5, 6, обмотки возбуждения
7
(WBX),
8(WBY),
9(WBZ),
соединенной
с
соответствующими
выходами
коммутируемого
блока возбуждения 13 и выходной (измерительной)
обмотки 10 (WИX), 11 (WИY), 12 (WИZ), генератор 15,
первый выход которого подключен к частотному
входу коммутируемого блока возбуждения 13,
усилительно-преобразовательный блок 14 (УПБ),
подключенный к выходной обмотке 10 первого
феррозонда
1
соединенные
и
содержащий
избирательный
последовательно
усилитель
17,
фазочувствительный демодулятор 18 и интегратор
19, выход которого через резистор обратной связи 20
подключен ко входу выходной обмотки 10 первого
феррозонда 1, микроЭВМ 16, аналоговый вход
которой
подключен
к
выходу
усилительно-
преобразовательного блока 14, а вход управления
режимом потребления тока подключен к ее первому
управляющему
выходу,
устройство
управления
демодулятором 21, первый и второй выход которого
подключены соответственно к первому и второму
входам
управления
демодулятора
18,
фазочувствительного
первый
и
второй
входы
подключены соответственно к первому (прямому) и
второму (инверсному) выходам генератора 15, а
третий вход подключен ко второму управляющему
выходу микроЭВМ 16, вход тактовой частоты
которой соединен с четвертым выходом генератора
15,
а
третий
(кодовый)
управляющий
выход
подключен к входу управления коммутируемого
блока возбуждения 13.
В
предлагаемом
микроЭВМ
16
устройстве
осуществлено
введением
повышение
его
функциональных возможностей. В то же время
микроЭВМ,
устройство,
как
наиболее
энергопотребляемое
вынужденно расположенное вблизи
феррозондов 1, 2, 3 в моноблочной конструкции
прибора,
является
электромагнитных
источником
помех,
переменных
воздействующих
на
феррозонды. В данном случае исключается влияние
этих помех реализацией принципа временного
разделения процесса аналогового преобразования (с
последующим
запоминанием
результата)
и
процессов аналого-цифрового преобразования и
обработки сигналов в микроЭВМ 16. Причем
процесс аналогового преобразования осуществляется
при фиксированном или малом потреблении тока
микроЭВМ
16, а процессы
преобразования
и
аналого-цифрового
обработки
сигналов
осуществляются в рабочем режиме потребления
тока.
Устройство работает следующим образом.
Генератор 15 осуществляет синхронизацию
работы всех узлов предлагаемого устройства. На
четвертом
его
выходе
формируется
последовательность импульсов рабочей частоты
микроЭВМ 16, подаваемых на ее вход тактовой
частоты. На первом своем выходе генератор 15
вырабатывает напряжение U
B
частотой
B,
равной
частоте возбуждения феррозондов 1-3, которое с
первого
выхода
подается
на
частотный
вход
коммутируемого блока возбуждения 13. В нем
осуществляется
обмоток
последовательное
возбуждения
7-9
переключение
феррозондов
1-3
и
формирование импульсов сигналов возбуждения по
мощности
и
форме.
коммутируемого
Управление
блока
коммутацией
возбуждения
13
осуществляется выходным управляющим кодом Ni
(i=x, y, z) микроЭВМ 16. При нулевом значении кода
(Ni=0)
с
помощью
коммутируемого
блока
возбуждения 13 осуществляется отключение подачи
напряжения
возбуждения
во
все
обмотки
возбуждения 7-9 феррозондов 1-3. Таким образом,
напряжение U
B,
пройдя через коммутируемый блок
возбуждения 13, возбуждает поочередно феррозонды
1, 2, 3. Так, например, на интервале времени подачи
кода NX, фиг.2 возбуждается феррозонд 1 (ФЗХ), на
интервале времени подачи кода NY - феррозонд 2
(Ф3Y), а на интервале времени подачи кода NZ феррозонд 3 (Ф3Z)
Измеряемая
индукция
магнитного
поля,
воздействуя одновременно на три феррозонда 1-3,
вызывает появление напряжения полезного сигнала
частотой 2
B
на выходной обмотке того феррозонда,
на обмотку возбуждения которого в данное время
подано напряжение возбуждения U
B.
Поскольку
выходные обмотки 10-12 феррозондов 1-3 включены
последовательно,
на
вход
усилительно-
преобразовательного блока 14 на интервале времени
подачи кода Ni поступает напряжение второй
гармоники (частотой 2
пропорциональна
B),
амплитуда которого
соответствующей
i-й
составляющей результирующего вектора магнитной
индукции, воздействующего на феррозонды.
На каждом интервале присутствия кода Ni
(i=x, y, z) УПБ 14 работает в двух режимах,
задаваемых выходным управляющим сигналом С2
микроЭВМ
16.
Первый
режим
-
режим
преобразования УПБ 14 осуществляется при подаче
логического потенциала высокого уровня сигнала С2
с
выхода
микроЭВМ
устройством
16.
управления
(реализованного,
например,
В
данном
случае
демодулятором
с
помощью
21
двух
логических элементов "и") разрешается прохождение
выходных импульсов генератора 15 на входы
управления
фазочувствительного
двухполупериодного демодулятора 18. С помощью
ключей К1 К2, противофазно управляемых в каждом
полупериоде
полезного
сигнала,
и
дифференциального усилителя ДУ демодулятора 18
осуществляется
фазочувствительное
двухполупериодное выпрямление полезного сигнала
на частоте второй гармоники сигнала возбуждения
феррозондов (2
B).
Таким образом, в режиме
преобразования в УПБ 14 входное напряжение
частотой 2
усиливается на переменном токе
B
избирательным
усилителем
17,
детектируется
фазочувствительным демодулятором 18 и далее
усиливается интегрированием на постоянном токе
интегратором 19, а затем подается на выход и в
обратную связь. Выходной сигнал с помощью
сопротивления 20 (R) преобразуется в ток обратной
связи, подаваемый в выходные обмотки 10-12
феррозондов 1-3. С помощью обратной связи в
возбужденном
создается
в
данный
магнитное
момент
поле,
феррозонде
компенсирующее
соответствующую составляющую воздействующего
внешнего магнитного поля. На выходе УПБ 14
формируется
напряжение
U14,
равное
на
соответствующих интервалах времени напряжениям,
пропорциональным
соответствующим
составляющим воздействующего на феррозонды 1, 2,
3 результирующего вектора магнитной индукции. На
интервале присутствия кода NX (фиг.2) таким
интервалом является (t0, t2). В данном случае
преобразование измеряемой компоненты ВХ вектора
индукции МПЗ на интервале времени (t0, ti)
осуществляется
с
погрешностью,
вызванной
влиянием электромагнитных помех от наиболее
энергопотребляемого источника помех, то есть от
микроЭВМ
логического
16.
Подача
уровня
высокопотенциального
сигнала
Ci
с
первого
управляющего выхода микроЭВМ 16 на ее вход
управления режимом потребления тока переводит ее
на
интервале
фиксированного
времени
(t1,
постоянного
t3)
или
в
режим
малого
(микромощного) потребления тока по цепи питания,
что
приводит
к
исключению
воздействия
на
феррозонды переменных помех. Следовательно, на
интервале
(t1
t2)
одновременного
присутствия
высокопотенциальных уровней сигналов C1, С2
осуществляется преобразование компоненты Вх в
напряжение UX при отсутствии искажающих помех.
Появлением
на
интервале
времени
(t2,
t4)
низкопотенциального уровня сигнала С2 на входе
устройства
управления
осуществляется
запрет
демодулятором
прохождения
21
выходных
импульсов генератора 15 на входы управления
демодулятора 18. В данном случае разомкнутое
состояние
ключей
К1
К2
демодулятора
18
прекращает прохождение выходного напряжения
избирательного
усилителя
дифференциальный
усилитель
17
(ДУ)
через
на
вход
интегратора 19. Таким образом, в интеграторе 19 на
интервале времени (t2, t4) хранится напряжение,
являющееся
результатом
безпомехового
преобразования на интервале времени (t1, t2).
Следовательно, УПБ 14 с момента времени t2 из
режима преобразования переходит в режим хранения
результата
преобразования
компоненты
ВХ.
С
момента появления низкопотенциального уровня
сигнала C1 в микроЭВМ 16 на интервале времени (t3,
t4 )
осуществляется
аналого-цифровое
преобразование выходного напряжения УПБ 16, а
затем запись его кодового эквивалента в память
микроЭВМ 16 по адресу Nx. Процесс формирования
кодовых эквивалентов результатов измерения на
интервалах присутствия управляющих кодов NY и Nz
осуществляется аналогичным образом.
Результаты преобразования компонент могут
содержать постоянные погрешности, вызванные
влиянием
интервалах
постоянного
присутствия
тока
потребления
сигналов
C 1.
на
Эти
погрешности определяются известными способами
при калибровке магнитометра, записываются в
память микроЭВМ 16 и устраняются там же из
результатов преобразования в процессе их цифровой
обработки. По результатам измерения компонент в
микроЭВМ 16 осуществляется также вычисление
параметров вектора индукции МПЗ (модуль вектора
индукции,
углы
ориентации,
градиенты,
производные и т.д.) функционально зависимых от
измеряемых компонент, а также обмен данными с
внешними потребителями через порты приема и
передачи данных.
Режим
фиксированного
или
малого
постоянного потребления тока микроЭВМ, как
известно, реализуется прерыванием ее основной
работы
и
работы
аналого-цифрового
преобразователя, устройств внутреннего и внешнего
интерфейса, то есть портов ввода и вывода данных и
т.д. Неизменяемость их заданного состояния на
интервалах
появления
сигналов
C1
определяет
постоянство энергопотребления на этих интервалах.
В
известных
современных
микроЭВМ
или
микроконтроллерах имеется возможность внешнего
управления режимами потребления по специально
предусмотренному для этого входу управления. В
данном случае возможно существование также
режима микромощного потребления, в котором
достижимо
уменьшение
потребляемого
тока
микроЭВМ на несколько порядков по сравнению с
рабочим
режимом,
что
позволяет
практически
полностью исключить даже постоянные помехи.
Таким образом, предложенное устройство
обеспечивает возможность его миниатюризации
моноблочным исполнением конструкции, а также
достигаются
высокая
точность
магнитных
измерений и широкие функциональные возможности
эффективным
средств
использованием
микроЭВМ.
Кроме
вычислительных
того,
расширяется
возможность изготовления портативных переносных
моноблочных
магнитометров
с
автономным
питанием.
Следовательно, предлагаемое изобретение,
обладая новизной, полезностью и реализуемостью,
может
найти
широкое применение в технике
магнитных прецизионных измерений.
Литература
1. Материалы фирмы Applied Physics Systems.
Three
Axis
Fluxgate
Magnetometer.
E-
Mail:aps@appliedphysics.com/web:www,
appliedphysics/Com/.
2. Материалы фирмы Bartington Instruments.
Fluxgate Magnetometer for Aerospace Applications.
Mag-03MRN Three Axis Fluxgate Magnetometer.
http:/www.bartington. Com/mag 033.htm.
3. Схоменко A.H., Соборов Г.И., Линко Ю.Р.
Магнитометр аналоговый МА-3 для ориентации
подводного
аппарата.
VII
Междунар.
Научно-
техническая конференция «Современные методы и
средства
океанологических
исследований».
Материалы конференции. РАН НИИ специального
машиностроения МГТУ им. Н.Э.Баумана. М., 2001.
4. Патент на изобретение РФ
2153682.
Феррозондовый магнитометр. 7 G01R 33/02, 1998.
Формула изобретения
Моноблочный феррозондовый магнитометр,
содержащий
три
феррозонда
ортогональными
магнитными
последовательно
соединенными
обмотками
соединенными
и
с
обмотками
с
взаимно
осями
и
выходными
возбуждения,
соответствующими
выходами
коммутируемого блока возбуждения, усилительнопреобразовательный
блок,
подключенный
к
выходной обмотке первого феррозонда, генератор,
первый выход которого подключен к частотному
входу коммутируемого блока возбуждения, причем
усилительно-преобразовательный
последовательно
усилитель,
блок
соединенные
содержит
избирательный
фазочувствительный
демодулятор
и
интегратор, выход которого через резистор обратной
связи подключен к входу выходной обмотки первого
феррозонда, отличающийся тем, что дополнительно
введены
микроЭВМ
подключенным
с
к
аналоговым
выходу
входом,
усилительно-
преобразовательного блока, и входом управления
режимом потребления тока, подключенным к ее
первому
управляющему
управления
выходу,
демодулятором,
и
устройство
первый
и
второй
выходы которого подключены соответственно к
первому
и
второму
фазочувствительного
второй
входы
входам
демодулятора,
подключены
управления
первый
и
соответственно
ко
второму и третьему выходам генератора, а третий
вход подключен ко второму управляющему выходу
микроЭВМ,
вход
тактовой
частоты
которой
соединен с четвертым выходом генератора, а третий
управляющий выход подключен к входу управления
коммутируемого блока возбуждения.
РИСУНКИ
C:\Users\Юля\Desktop\1\Феррозонд.mht
Феррозонд, феррозондовый магнитометр, прибор для измерения и индикации магнитных
полей (в основном постоянных или медленно меняющихся) и их градиентов. Действие Феррозонд
основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных
полей разных частот. В простейшем варианте Феррозонд состоит из стержневого ферромагнитного
сердечника и находящихся на нём двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным
током, и измерительной (сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магнитного поля
сердечник под действием переменного магнитного поля, создаваемого током в катушке
возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного потока,
вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной
катушке эдс, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует
измеряемое постоянное или слабо меняющееся магнитное поле, то кривая перемагничивания
изменяет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и
гармонический состав эдс индукции в сигнальной катушке. В частности, появляются чётные
гармонические составляющие эдс, величина которых пропорциональна напряжённости измеряемого
поля
и
которые
отсутствуют
при
симметричном
цикле
перемагничивания.
Как правило, Феррозонд состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что
нечётные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается
измерительная аппаратура и повышается чувствительность Феррозонд Наиболее распространённые
феррозондовые установки имеют следующие основные узлы: генератор переменного тока,
питающий обмотку возбуждения, фильтр для нечётных гармонических составляющих эдс,
подключенный на выходе измерительной катушки, усилитель чётных гармоник и выходной
измерительный прибор. Феррозонд обладают очень высокой чувствительностью к магнитному полю
(до
10-4–10-5
а/м).
Феррозонд применяют для измерения земного магнитного поля и его вариаций (в частности, при
поисках полезных ископаемых, создающих локальные аномалии геомагнитного поля); для измерения
магнитных полей Луны, планет, межпланетного пространства; для обнаружения ферромагнитных
предметов и частиц в неферромагнитной среде (в частности, в хирургии); в системах контроля за
качеством
выпускаемой
продукции
(магнитная
дефектоскопия
и
др.).
Лит.: Афанасьев Ю. В., Феррозонды, Л., 1969; Афанасьев Ю. В., Студенцов Н. В., Щелкин А. П.,
Магнитометрические преобразователи, приборы, установки, Л., 1972; Кифер И. И., Испытания
ферромагнитных материалов, 3 изд., М., 1969; Чечурина Е. Н., Приборы для измерения магнитных
величин,
М.,
И. И. Кифер.
C:\Users\Юля\Desktop\1\ФЕРРОЗОНД1.mht
ФЕРРОЗОНД
1969.
прибор для измерения напряжённости магнитных полей (в осн. постоянных или медленно
меняющихся) и их градиентов. Действие Ф. основано на смещении петли перемагничивания
магнитно-мягких материалов под влиянием внеш. магн. полей. В простейшем варианте Ф. состоит из
стержневого ферромагн. сердечника и находящихся на нём двух катушек: катушки возбуждения,
питаемой перем. током, и измерит. (сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магн. поля
сердечник под действием перем. магн. поля, создаваемого током в катушке возбуждения,
перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магн. потока в сигнальной катушке,
вызванное перемагничиванием сердечника по симметричному циклу, индуцирует в сигнальной
катушке эдс, изменяющуюся по гармонич. закону. Если одновременно на сердечник действует
измеряемое пост. или слабо меняющееся магн. поле, то кривая перемагничивания сдвигается и
становится несимметричной. При этом изменяются величина и гармоничность эдс индукции в
сигнальной катушке. В частности, появляются чётные гармонич. составляющие эдс, величина к-рых
пропорциональна напряжённости измеряемого поля (они отсутствуют при симметричном цикле
перемагничивания). Как правило, Ф. состоит из двух сердечников с обмотками, к-рые соединены так,
что нечётные гармонич. составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается
измерит. аппаратура и повышается чувствительность Ф. Наиболее распространённые феррозондовые
установки включают: генератор перем. тока, питающий обмотку возбуждения; фильтр для нечётных
гармонич. составляющих эдс, подключённый на выходе измерит. катушки; усилитель чётных
гармоник и выходной измерит. прибор. Ф. обладают очень высокой чувствительностью к магн. полю
(до 10-4 —10-5 А/м). Ф. применяют для измерения магн. поля Земли и его вариаций (в частности,
при поисках полезных ископаемых, создающих локальные аномалии геомагн. поля); для измерения
магн. полей Луны, планет и межпланетного пространства; для обнаружения ферромагн. предметов и
ч-ц в неферромагнитной среде (в частности, в хирургии при извлечении металлич. осколков), в магн.
дефектоскопии и т. д.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А.
М. Прохоров. 1983.
ФЕРРОЗОНД
- прибор для измерения напряжённости магн. полей (в осн. постоянных или медленно
меняющихся) и их градиентов. Действие Ф. основано на смещении петли перемагничивания магн.мягких материалов под влиянием внеш. магн. полей. В простейшем варианте Ф. состоит из
стержневого ферромагн. сердечника и находящихся на нём двух катушек: катушки возбуждения,
питаемой перем. током, и измерит. (сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магн. поля
сердечник под действием перем. магн. поля, создаваемого током в катушке возбуждения,
перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магн. потока в сигнальной катушке,
вызванное перемагничиванием сердечника по симметричному циклу, индуцирует в сигнальной
катушке эдс, изменяющуюся по гармонич. закону. Если одновременно на сердечник действует
измеряемое постоянное или слабо меняющееся магн. поле, то кривая перемагничивания сдвигается и
становится несимметричной. При этом изменяются величина и гармоничность эдс индукции в
сигнальной катушке. В частности, появляются чётные гармонич. составляющие эдс, величина к-рых
пропорц. напряжённости
измеряемого
поля
(они
отсутствуют
при
симметричном
цикле
перемагничивания). Как правило, Ф. состоит из двух сердечников с обмотками, к-рые соединены так,
что нечётные гармонич. составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается
измерит. аппаратура и повышается чувствительность Ф. Наиб. распространённые феррозон-довые
установки включают: генератор перем. тока, питающий обмотку возбуждения; фильтр для нечётных
гармо-нич. составляющих эдс, подключённый на выходе измерит. катушки; усилитель чётных
гармоник; выходной измерит. прибор. Ф. обладают очень высокой чувствительностью к магн. полю
(до 10-4-10-5 А/м). Ф. применяют для измерения магн. поля Земли и его вариаций (в частности, при
поисках полезных ископаемых, создающих локальные аномалии геомагн. поля); для измерения магн.
поля Луны, планет и межпланетного пространства; для обнаружения ферромагн. предметов и частиц
в неферромагн. среде (напр., в хирургии при извлечении металлич. осколков), в магн. дефектоскопии
и т. д.
Лит.: Афанасьев Ю. В., Феррозонды, Л., 1969; Афанасьев Ю. В., Студенцов Н. В., Щелкин А.
П., Магнитометрические преобразователи, приборы, установки, Л., 1972.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор
А. М. Прохоров. 1988.
Синонимы:
тесламетр
C:\Users\Юля\Desktop\1\Феррозондовые преобразователи магнитного поля.htm
Феррозондовые
принцип действия, конструкция.
преобразователи
магнитного
поля,
Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для
измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов.
Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под
воздействием
двух
магнитных
полей
разных
частот.
На рис. схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.
В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на
нем двух катушек:

катушки возбуждения, питаемой переменным током

и измерительной (сигнальной) катушки.
Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью.
На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой
от
1
до
300
кГц
(в
зависимости
от
уровня
параметров
и
назначения
прибора).
В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля
Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу.
Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой,
индуцирует
в
сигнальной
катушке
ЭДС,
изменяющуюся
по
гармоническому
закону.
Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся
магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и стано- вится
несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной
катушке.
В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых
пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном
цикле перемагничивания.
Феррозонды подразделяются на:

стержневые одноэлементные (рис. а)

дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.б)

дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.в).
Дифференциальный феррозонд (рис. б, в), как правило, состоит из двух сердечников с
обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически
компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность
феррозонда.
Феррозонды
отличаются
очень
высокой
чувствительностью
к
магнитному
полю.
Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10-4-10-5 А/м (~10-10—10-11 Тл).
Современные
конструкции
феррозондов
отличаются
компактностью.
Объем феррозонда, которым комплектуются отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1
см3, а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм.
В качестве примера на рис. приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого
феррозонда.
Конструкция феррозонда достаточно проста
и
не
требует
Его
сердечник
особых
изготовлен
пояснений.
из
пермаллоя.
Он имеет переменное по длине поперечное
сечение, уменьшающееся примерно в 10 раз в
центральной
намотаны
измерительная
обмотка
и
части
сердечника,
обмотка
на
которую
возбуждения.
Такая конструкция обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную
проницаемость (1, 5x105) и малое значение напряженности поля насыщения в центральной части
сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной чувствительности феррозонда. За счет
этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет
снизить
погрешности
схемы
формирования
сигнала
«время-импульс».
Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет ±50... ±100
А/м
(±0,
06...
±0,
126
мТл).
Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми
сердечниками составляет 30 - 40 мкА/м (м x Гц1/2) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с
увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3 - 3,5 раза выше.
При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов установлено, что уровень шума у них
на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми сердечниками.
C:\Users\Юля\Desktop\1\Физические
характеристики
Удмуртская
Республика
-
prour_ru.mht
Физические характеристики
1
Лабораторная работа № МИФВ-3
Исследование
статической
характеристики
феррозондового
магнитомодуляционного преобразователя
1. Цель работы
Изучение конструкции и принципов
действия
феррозондового
магнитомодуляционного
преобразователя
(ФМП)
и
методики
исследования
характеристики при его работе в слабых
магнитных полях.
2. Краткие теоретические сведения
Феррозондами
чувствительные
к
называют
воздействию
внешних
магнитных полей устройства, содержащие
ферромагнитные сердечники и охватывающие
Рис. 1. Устройство магнитного усилителя
(а) и феррозонда (б):
1 — ферромагнитные сердечники; 2 —
входная обмотка; 3 — обмотка переменного тока;
их обмотки, в одну из которых подают
переменный ток, а с другой снимают ЭДС, по
которой и судят об измеряемом значении
параметров полей (например, напряжённости
или индукции). Феррозонды относятся к
4 — выходная (измерительная) обмотка
магнитомодуляционным
В феррозонде (рис.1, б) внешнее поле
напряженности Но непосредственно воздействует
на ферромагнитные сердечники. На эти же
сердечники действует и переменное поле H1(t),
создаваемое
током
напряженностей
i1(t).
Но и
Преобразование
H1(t)
в
преобразователям,
обладающим диаграммой направленности.
По принципу действия феррозонды
близки к магнитным усилителям.
На
рис.1
показано
устройство
магнитного усилителя и феррозонда.
переменную
В магнитном усилителе (рис.1, а) ток iо,
магнитную индукцию B(t)= В[H1(t), Но], а затем и
поступая во входную обмотку, преобразуется
в ЭДС e(t) = e[B(t)], появляющуюся в выходной
сначала
(измерительной) обмотке, осуществляется так же,
магнитного поля Hо(iо), a уже затем вместе с
как в магнитном усилителе.
напряженностью
в
напряженность
переменного
циркулярного
поля
H1(t),
Существует довольно много типов и
создаваемой током i1(t), преобразуется в
модификаций феррозондов. Они отличаются друг
ферромагнитных сердечниках в переменную
от друга по режиму работы, способу наложения
индукцию B(t)=B[H1(t), Hо] и наводимую в
вспомогательного поля, выбранной схеме и
выходной обмотке усилителя ЭДС е(t) =
конструктивному
e[B(t)].
феррозондам
исполнению.
присущи
и
некоторые
Однако
общие
3
свойства.
Рассмотрим эти свойства на примере
дифференциального феррозонда (Рис.2).
Рис.2.
Двухстержневой
дифференциальный феррозонд
4
Дифференциальный
феррозонд
содержит два одинаковых ферромагнитных
сердечника, выполненных в виде тонких
стержней, уложенных в специальные каркасы
параллельно друг другу. Поверх каркасов
нанесены
первичные
обмотки
WB,
включенные последовательно и образующие
цепь возбуждения феррозонда. Эту цепь
питают
переменным
током.
Поверх
первичных обмоток укладывается вторичная
WC, охватывающая оба сердечника, в которой
наводится
ЭДС,
пропорциональная
измеряемому параметру магнитного поля.
В
дифференциальном
первичные
обмотки
феррозонде
соединены
таким
образом, что протекающий в них ток создает в
объеме
сердечников
напряженности
H1,
равные по величине, но противоположные по
направлению. При наличии внешнего поля
напряженностью Но, направленного вдоль
сердечников,
в
объеме
одного
из
них
действует разность напряжённостей (Hо–H1), в
объеме другого – сумма (Hо+H1). Если
сердечники идентичны, то:
,
где В' и В" – индукции или плотности
магнитных потоков в сердечниках.
ЭДС
во
охватывающей
вторичной
оба
обмотке,
сердечника,
будет
определяться следующей формулой:
,
где
сердечников,
s
–
WС
поперечное
–
количество
сечение
витков
вторичной обмотки.
Появление ЭДС во вторичной обмотке
дифференциального
феррозонда
с
идентичными полуэлементами возможно при
нелинейности характеристик В = f(H).
Общее выражение наводимой ЭДС во
вторичной обмотке имеет вид:
,
из которого следует выражение для
ЭДС четных гармоник:
,
где n – номер гармоники, E2n –
амплитудное
ЭДС.
5
Наиболее широко используется второй
режим работы дифференциального феррозонда с
выходом на второй гармонике.
Изменение амплитуды выходной ЭДС в
зависимости
от
ориентации
отношению
к
вектору,
феррозонда
по
характеризующему
магнитное поле, свидетельствует о свойстве
направленности.
Рис.3.
Диаграммы
направленности
феррозонда. HH – горизонтальная составляющая
геомагнитного
поля;
HZ
–
вертикальная
составляющая поля; HТ – полный вектор поля.
Диаграммы направленности феррозонда в
геомагнитном поле в двух различных плоскостях
изображены на рис.3. Они представляют собой
правильные «восьмерки». Максимумы диаграмм
соответствуют направлению продольной оси
чувствительности
феррозонда,
минимумы
–
значение
четной
гармоники
направлению, перпендикулярному этой оси.
Таким
образом,
феррозондовые
магнитомодуляционные
характеризуются
конструкцией
преобразователи,
не
и
чувствительностью,
непосредственного
только
простой
достаточно
высокой
но
и
измерения
возможностью
составляющих
вектора магнитного поля (обеспечивая тем самым
получение полной информации о структуре поля
и его источниках), пригодностью для работы в
очень слабых магнитных полях.
3. Задание к лабораторной работе
1.Изучить
принцип
действия
и
конструкцию дифференциального феррозонда.
2.Ознакомиться с методикой исследования
и контроля метрологических характеристик.
6
3.Смакетировать
схему
ФМП,
проверить её работоспособность.
4.Снять статическую характеристику
дифференциального феррозонда в опорном
геомагнитном
поле
с
помощью
горизонтируемой поворотной платформы.
5.Провести
обработку
результатов
измерения, построить график статической
характеристики
феррозонда
и
систематической погрешности.
4. Порядок выполнения задания
1. Собрать схему для
исследований
(рис.4)
и
проведения
убедиться
в
ее
работоспособности, о которой можно судить
по форме напряжения и сигнальной обмотке
дифференциального
феррозонда
и
её
изменению при вращении горизонтируемой
поворотной платформы.
Рис.4.
Схема
включения
дифференциального феррозонда:
Г – генератор сигналов низкочастотный
Г3–118; U – вольтметр В7–38;
–
F
дифференциальный
двухстержневой феррозонд; nU – селективный
нановольтметр type–237; Ос – осциллограф
С1–77; 1-4 – клеммы
2.
Для
характеристики
снятия
феррозонда
статической
необходимо
подать с генератора Г переменное напряжение
U=10В
и
частотой
селективный
f=2кГц.
нановольтметр
При
этом
следует
настроить на удвоенную частоту f =4кГц.
3. Зарисовать диаграммы напряжений
на
выходе
ФМП
при
максимальном
и
минимальном уровнях и измерить амплитуды
данных сигналов.
4.
Вращая
горизонтируемую
поворотную платформу с исследуемым ФМП,
изменяя тем самым величину напряженности
геомагнитного поля на ось чувствительности
ФМП, выполнить измерения амплитудных
значений уровня второй гармоники на выходе
ФМП при равномерном шаге дискретизации
угла 15° в диапазоне 0 – 360°.
7
5. Результаты измерений и вычислений
занести в табл.1.1. При этом учесть, что
максимальные значения сигнала с феррозонда
соответствуют
величине
горизонтальной
составляющей
напряженности
геомагнитного
поля Hm = cos?Т, где Т = 0,47 Э, ? – магнитное
наклонение, равное 72° для данной широты
местности,
а
систематические
погрешности
определяются следующим образом:
Таблица 1.1
?
,
0 1
5
0
3
4
6
7
9
0
3
5
0
5
60
Построить
и
проанализировать
град.
U
2fизм,
мВ
?
U2f,
мВ
6.
следующие графики:
1) U2f = f(?);
2) ?U2f = f(?).
7. Определить динамический диапазон,
изучить характер распределения по диапазону
измерения
систематической
погрешности
и
провести оценку погрешности по модулю.
5. Контрольные вопросы
1.Что такое феррозонд?
2.Объясните
принцип
действия
дифференциального феррозонда.
3.Почему в качестве информационного
сигнала используется вторая гармоника?
4.Какова форма сигнала на выходе ФМП?
5.Каков
выходного
характер
сигнала
ФМП
распределения
по
диапазону
измерения при его вращении на горизонтируемой
поворотной платформе?
6.Как
диапазон ФМП?
определяется
динамический