Способ щурова измерения магнитной эмиссии

Способ щурова измерения магнитной эмиссии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к магнитометрии, конкретно к неразрушающему магнитному контролю динамических параметров изделий из ферромагнитных материалов, используемых в различных отраслях техники и подвергающихся в процессе эксплуатации динамическим механическим воздействиям.

Известен способ электромеханического возбуждения напряженности магнитного поля магнитострикции в цепочке преобразования: входной электрический сигнал возбуждения - упругие колебания магнитопровода - выходной электрический сигнал (см. А.К.Лосев. Теория и расчет электромеханических фильтров. М.: Связь, 1965, с, 11, 12, 17, 21-24). В такой цепочке напряженность магнитного поля магнитострикции является связующим звеном в процессе преобразования электрической энергии возбуждения в механическую энергию упругих колебаний и обратно между напряженностями магнитных полей электрического сигнала тока возбуждения, подмагничивания и возникающими механическими натяжениями. Известный способ может быть использован для неразрушающего магнитного контроля, например на виброустойчивость характеристик электромеханических (магнитострикционных) преобразователей. Однако в связи с низким уровнем напряженности переменного магнитного поля сигналов магнитострикции по сравнению с сигналами возбуждения и их зависимостью от постоянного магнитного поля подмагничивания, известный способ не может быть использован для неразрушающего магнитного контроля других изделий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ измерения магнитной эмиссии посредством воздействия механическим усилием на изделие из ферромагнитного материала и измерения изменений его магнитных свойств (см. В.Б.Гинзбург. Магнитоупругие датчики. М.: Энергия, 1970, с.3, 20). Внешним усилием воздействуют на изделие через магнитоупругий датчик, который жестко крепят к поверхности изделия. Датчик состоит из магнитопровода и чувствительного элемента (ЧЭ) индуктивного типа. Воздействующее усилие вызывает деформацию и магнитную эмиссию ферромагнитного материала магнитопровода датчика. Напряженность собственного магнитного поля сигналов эмиссии (МЭС) в виде изменений магнитной проводимости ЧЭ датчика измеряют с помощью мостовой или компенсационной схем переменного тока. По величине и знаку измеряемых сигналов определяют величину и знак возникающей деформации и воздействующее усилие.

Недостатками известного способа являются: ограничение диапазона измерений статическими и знакопеременными низкочастотными деформациями, низкий уровень пороговой чувствительности, нелинейные искажения за счет потерь перемагничивания, влияние магнитных, тепловых и механических помеховых воздействий, вызванных наличием начальной намагниченности материала магнитопровода, магнитных и тепловых полей окружающей среды, а также контактным характером измерений и значительными габаритно-массовыми характеристиками датчика.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является бесконтактный неразрушающий магнитный контроль динамических параметров изделий и/или их конструктивных элементов из ферромагнитных материалов в широком диапазоне уровней, длительностей и частот внешних динамических механических воздействий.

Ожидаемый технический результат заключается в обеспечении измерений напряженности переменных магнитных полей сигналов МЭС с заданной пороговой чувствительностью.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерений магнитной эмиссии посредством воздействия механическим усилием на изделие из ферромагнитного материала и измерения изменений его магнитных свойств согласно изобретению в контролируемом изделии и/или его контролируемых конструктивных элементах возбуждают упругие колебания, в направлениях, нормальных к поверхностям контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов, измеряют эмиссию напряженности переменных магнитных полей в виде сигналов-откликов, измерения проводят на расстояниях от поверхностей контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов, превышающих в диапазоне частот возбуждения максимальные амплитудные значения колебаний, пороговую чувствительность измерений определяют в соответствии с соотношениями:

Н_эм(F_воз,ω_о,ζ,y',μ,λ,l,s)=H_воз(F_воз,μ,λ,l,s)-H_пд(ω,ω_о,ζ,y',μ,λ,l,s),

H_воз(τ_воз,ω,μ,λ,l,s)=1/MlF_воз(τ_воз,ω), M=λ/R_μ, R_μ=l/μs,

где Н_эм - напряженность переменного магнитного поля эмиссии, Н_воз, Н_пд - значения составляющих эмиссии за счет напряженности магнитных полей возбуждения и последействия соответственно, F_воз - возбуждающее усилие, М - коэффициент электромеханической связи, λ - магнитострикционная постоянная, μ - абсолютная магнитная проницаемость материала контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов, у′=dΔy/dt - скорость деформации, ζ, R_μ, l, s, τ_воз, ω, ω_о - значения величин демпфирования, магнитного сопротивления, линейного размера, поперечного сечения, длительностей и круговых частот возбуждения, а также собственных колебаний контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов соответственно.

Кроме того, в случае динамически чувствительных контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов, выполненных из неферромагнитных материалов, на них предварительно наносят пленку из ферромагнитных материалов.

По отношению к известному способу новым является обеспечение бесконтактного неразрушающего магнитного контроля динамических параметров изделий и/или их контролируемых конструктивных элементов из ферромагнитных материалов посредством измерения напряженности переменных магнитных полей сигналов МЭС с заданной пороговой чувствительностью в широком диапазоне уровней, длительностей и частот внешних динамических механических воздействий.

На фиг.1 показана блок-схема устройства, реализующего способ измерений.

На фиг.2 представлены временные зависимости сигналов-откликов МЭС при τ_воз<τ_эм<t и различных соотношениях между длительностями сигналов возбуждения и собственных колебаний контролируемого изделия. Обозначения: а) τ_воз<2π/ω_о, б) τ_воз=2π/ω_о, в) ω_о<2π/τ_воз=ω_н<ω_в, где τ_воз, τ_эм, t, - длительности сигналов возбуждения, эмиссии и продолжительности измерений соответственно, ω_о - собственная круговая частота контролируемого изделия, ω_н, ω_в - нижняя и верхняя круговые частоты широкополосного нестационарного случайного воздействия соответственно.

Согласно блок-схеме фиг.1 устройство, реализующее способ измерений, состоит из последовательно соединенных источника 1 внешнего возбуждающего усилия, контролируемого изделия 2 и/или контролируемых конструктивных элементов 3 изделия 2, датчика 4, усилителя-преобразователя 5, регистратора 6.

Отметим, что для неразрушающего контроля измерительные каналы, включающие датчик 4, усилитель-преобразователь 5 и регистратор 6, могут быть использованы одновременно или поочередно. Кроме того, в зависимости от упругих свойств контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3, направление распространения колебаний может отличаться от направления их возбуждения.

Будем предполагать, что в случае возбуждения упругих колебаний, направление распространения колебаний соответствует направлению возникающей деформации, измерения проводят в направлениях, нормальных к поверхностям контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3, при отсутствии внешнего возбуждающего усилия контролируемое изделие 2 и/или его контролируемые конструктивные элементы 3 характеризуются нулевой результирующей намагниченностью.

В соответствии с величиной пороговой чувствительности для заданного уровня возбуждающего усилия в заданном диапазоне частот устанавливают расстояния измерений между датчиком 4 и поверхностями контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3. С помощью источника 1 возбуждают упругие колебания изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3. Датчиком 4 измеряют сигналы-отклики МЭС. Выходное напряжение датчика 4 подают на вход усилителя-преобразователя 5. Напряжение выходных сигналов усилителя-преобразователя 5 измеряют регистратором 6.

В контролируемом изделии 2 и/или его контролируемых конструктивных элементах 3, под воздействием внешнего усилия и возбуждения упругих колебаний возникают внутренние напряжения и натяжения. Происходит перестройка доменной структуры используемых ферромагнитных материалов, которая сопровождается возникновением результирующей намагниченности и эмиссии напряженности собственного переменного магнитного поля в виде сигналов-откликов МЭС. Домены, направления векторов намагниченности которых совпадают с направлениями распространения упругих колебаний и ближайшего легкого намагничивания, начинают расти, увеличивая общую намагниченность и эмиссию сигналов МЭС. Однако при заданной величине воздействующего усилия в заданном диапазоне частот уровни общей намагниченности и эмиссии сигналов МЭС остаются неизменными, как за счет существования различных механизмов потерь при намагничивании, так и обменных сил между соседними атомами "правильно ориентированных" доменов. Дальнейшее увеличение общей намагниченности зависит от уровней возбуждения и отклика на него контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3, находящихся в напряженно-деформированном состоянии, а также наличия начальной намагниченности в направлении распространения упругих колебаний. После прекращения внешнего воздействия и по истечении некоторого времени последействия, определяемого потерями механического и магнитного характера, динамическая составляющая результирующей намагниченности (исключая постоянную составляющую за счет начальной намагниченности) исчезает и переменные сигналы МЭС затухают.

Оценим значения напряженности магнитных полей сигналов МЭС исходя из следующих функциональных зависимостей:

где Н, В, σ, ε - напряженность магнитного поля эмиссии, индукция и возникающие напряжения и натяжения в материале контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3 соответственно.

Предположим, что, при различных граничных условиях распространения упругих колебаний между источником 1 и контролируемым изделием 2 и/или его контролируемыми конструктивными элементами 3, уровень воздействующего усилия и возникающие напряжения и натяжения в заданном диапазоне частот характеризуются малыми амплитудными значениями, линейный размер контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3 значительно меньше длины волны упругих колебаний. Предположим также, что передаточная функция между источником 1 и контролируемым изделием 2 и/или его контролируемыми конструктивными элементами 3 отлична от единицы только на частоте ω=ω_о. При этих условиях зависимости (1) могут быть разложены в ряды по степеням малого параметра γ, характеризующего магнитострикционные свойства материала контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3:

Используя соотношения (1) и (2), результирующую величину напряженности магнитного поля сигналов МЭС можно представить в следующем виде:

где Н_эм - напряженность переменного магнитного поля эмиссии, Н_воз, Н_пд - значения составляющих эмиссии за счет напряженности магнитных полей возбуждения и последействия соответственно, F_воз - возбуждающее усилие, М - коэффициент электромеханической связи, λ - магнитострикционная постоянная, μ - абсолютная магнитная проницаемость материала контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3, y′=dΔy/dt - скорость деформации, ζ, R_μ, l, s, τ_воз, ω, ω_о - значения величин демпфирования, магнитного сопротивления, линейного размера, поперечного сечения, длительностей и круговых частот возбуждения, а также собственных колебаний контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3 соответственно.

В общем случае возбуждения неоднородных деформаций оценки пороговой чувствительности, выполненные с помощью соотношений (3), дают значения, совпадающие с экспериментальными, при линейном размере ЧЭ датчика 4, значительно меньшим целого числа полуволн колебаний контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3.

Из соотношений (3) видно, что уровни и частотный спектр сигналов МЭС определяются механическими и магнитными параметрами материала контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3, потерями энергии упругих колебаний в зависимости от условий их распространения, а также уровнем, длительностью и частотным диапазоном внешнего воздействия. Вклад составляющей напряженности магнитного поля последействия H_пд в зависимости от условий распространения и потерь энергии упругих колебаний определяется скоростью деформации, а также резонансными свойствами контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3. В диапазоне частот возбуждения ω₀<ω_н и ω₀>ω_в величина вклада составляющей H_пд пренебрежимо мала по сравнению с составляющей H_воз и с небольшим превышением расчетного значения можно считать H_эм≅H_воз, что и определяет нижнее значение пороговой чувствительности. С увеличением частоты возбуждения соотношение (3) меняет знак и при ω/ω₀→1 стремится к максимальному значению H_эм→H_пд≤H_с, что и определяет верхнее значение пороговой чувствительности, где H_с - величина коэрцитивной силы материала контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3.

Из анализа соотношений (3) следует, что заявленное техническое решение в отличие от известного, позволяет бесконтактным способом измерять напряженность переменного магнитного поля сигналов МЭС, по измеряемым сигналам определять динамические параметры контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3: частоты вынужденных и собственных колебаний, напряжения и натяжения, передаточные функции, формы колебаний, а также смещение, скорость, ускорение и внешнее воздействующее усилие, определять пороговую чувствительность измерений сигналов МЭС. В соответствии с величиной пороговой чувствительности выбирать расстояние и характеристики устройства, реализующего способ измерений, проводить неразрушающий магнитный контроль контролируемого изделия 2 и/или его конструктивных элементов 3 из ферромагнитных материалов в широком диапазоне уровней, длительностей и частот внешних динамических механических воздействий.

Для бесконтактного неразрушающего магнитного контроля динамически чувствительных изделия 2 и/или его конструктивных элементов 3, выполненных из неферромагнитных материалов, на них предварительно наносят пленку из ферромагнитных материалов.

Технический результат достигается за счет возбуждения упругих колебаний заданным уровнем воздействующего усилия в заданном диапазоне частот и проведения измерений с пороговой чувствительностью, определяемой на основе механизма эмиссии сигналов МЭС напряженно-деформированным состоянием контролируемого изделия 2 и/или его контролируемых конструктивных элементов 3, выполненных из ферромагнитных, а также из неферромагнитных материалов, путем нанесения на них пленки из ферромагнитных материалов.

Устройство, реализующее способ измерений, может быть выполнено из стандартных узлов и блоков. В качестве источника 1 возбуждающего усилия может быть использован возбудитель упругих колебаний любого типа, например, механический вибростенд ВУ68 (см. "Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара". Справочник т.2. М.: Машиностроение, 1978, с.264). В качестве датчика 4 напряженности переменных магнитных полей может быть использован датчик индукционного типа, в качестве усилителя-преобразователя 5 и регистратора 6 - измерительный канал на основе цифрового преобразования и регистрации, описанный в книге: Н.И.Яковлев. Бесконтактные электроизмерительные приборы для диагностирования электронной аппаратуры, Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.131-133, 166-167.

Полученные результаты подтверждаются расчетами и экспериментальными исследованиями. Для контролируемого изделия 2 массой 1 кг и параметрами ω_о=942 Гц, М=20 Тл·м, R_μ=5,6·10⁶1/Ом·м при воздействии усилием с уровнем перегрузки 15 g и длительностью импульса τ_воз≅1 mc расчетная пороговая чувствительность составляет величину H_эм≅1 А/м, что совпадает со значением, измеренным на расстоянии 10 мм от поверхности в точке возбуждения на частоте ω_н=2,2·10⁴ Гц.

Осциллограммы сигналов-откликов МЭС представлены на фиг.2. На фиг.2а показана выделенная аппаратно одна из реализаций сигнала-отклика МЭС, которая иллюстрирует затухание сигнала в течение времени эмиссии τ_эм. Из фиг.2а видно, что при длительностях (частотах) внешнего механического воздействия τ_воз˜2π/ω<2π/ω_о основной вклад в пороговую чувствительность измерений происходит за время t˜τ_воз. При τ_воз→2π/ω₀ сигналу-отклику МЭС соответствует осциллограмма, представленная на фиг.2б.

Использование вместо импульсного знакопеременного (вибрационного) возбуждения при тех же уровне, длительности (диапазоне частот) и параметрах контролируемого изделия 2 в пределах погрешностей измерений ±15% дает совпадающие результаты. На фиг.2в показана осциллограмма сигнала-отклика МЭС на выходе амплитудного детектора регистратора 6 при воздействии на изделие 2 нестационарным случайным процессом.

На основании вышеизложенного, заявленное техническое решение по сравнению с известным позволяет:

- измерять бесконтактным способом с заданной пороговой чувствительностью в широком диапазоне уровней, длительностей и частот внешних динамических механических воздействий напряженность собственного переменного магнитного поля в виде сигналов МЭС, как при наличии, так и отсутствии остаточной намагниченности используемых ферромагнитных материалов;

- выбирать в соответствии с заданной величиной пороговой чувствительности при заданном уровне воздействующего усилия в заданном диапазоне частот расстояние и параметры устройства, реализующего способ измерений;

- проводить неразрушающий магнитный контроль изделий и их конструктивных элементов, выполненных из ферромагнитных и неферромагнитных материалов путем нанесения на них пленки из ферромагнитных материалов;

- определять по измеряемым сигналам МЭС динамические параметры контролируемых изделий и/или их контролируемых конструктивных элементов: частоты вынужденных и собственных колебаний, передаточные функции, формы колебаний, напряжения и натяжения, а также смещения, скорости, ускорения и внешнее воздействующее усилие;

- обеспечить простоту и дешевизну неразрушающего магнитного контроля динамических механических параметров изделий, используемых в различных отраслях техники.

1. Способ измерений магнитной эмиссии посредством воздействия механическим усилием на изделие из ферромагнитного материала и измерения изменений его магнитных свойств, отличающийся тем, что в контролируемом изделии и/или его контролируемых конструктивных элементах возбуждают упругие колебания в направлениях, нормальных к поверхностям контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов, измеряют эмиссию напряженности переменных магнитных полей в виде сигналов-откликов, измерения проводят на расстояниях от поверхностей контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов, превышающих в диапазоне частот возбуждения максимальные амплитудные значения колебаний, пороговую чувствительность измерений определяют в соответствии с соотношениями:

Н_эм(F_воз,ω_о,ζ,y′,μ,λ,l,s)=Н_воз(F_воз,μ,λ,l,s)-Н_пд(ω,ω_о,ζ,y′,μ,λ,l,s),

Н_воз(τ_воз,ω,μ,λ,l,s)=l/MlF_воз(τ_воз,ω), М=λ/R_μ, R_μ=l/μs,

где Н_эм - напряженность переменного магнитного поля эмиссии,

Н_воз, Н_пд - значения составляющих эмиссии за счет напряженности магнитных полей возбуждения и последействия соответственно,

F_воз - возбуждающее усилие,

М - коэффициент электромеханической связи,

λ - магнитострикционная постоянная,

μ - абсолютная магнитная проницаемость материала контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов,

y′=dΔy/dt - скорость деформации,

ζ, R_μ, l, s, τ_воз, ω, ω_о - значения величин демпфирования, магнитного сопротивления, линейного размера, поперечного сечения, длительностей и круговых частот возбуждения, а также собственных колебаний контролируемого изделия и/или его контролируемых конструктивных элементов соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на динамически чувствительные контролируемое изделие и/или его контролируемые конструктивные элементы, выполненные из неферромагнитных материалов, предварительно наносят пленку из ферромагнитных материалов.