7.3. Магнитные преобразователи

В подавляющем большинстве случаев при магнитном контроле приходится иметь дело с измерением или индикацией магнитных полей вблизи поверхности изделий. Для этого применяют различные магнитные преобразователи [2], из которых наиболее широкое рас­пространение получили индукционные, феррозондовые, холловские и магниторезисторные. В магнитолорошковых и магнитографиче­ских установках применяют различные порошки и ленты.

Индукционные преобразователи. Принцип действия индукцион­ного преобразователя основан на возникновении ЭДС, наведенной в замкнутом контуре, пропорциональной изменению во времени сцеп­ления этого контура с магнитным потоком (магнитный поток равен произведению напряженности поля Н на площадь поверхности, перпендикулярной вектору Н. Величина Н в пределах площади S мо­жет быть как постоянной (однородной), так и переменной). Про­стейший пассивный индукционный преобразователь представляет собой катушку (контур) с числом витков № w. При помещении катушки в переменное магнитное поле на ее концах возникает мгновенная электродвижущая сила, определяемая по формуле

Где - изменение сцепления магнитного потока за малый промежуток времени dt.

Полный магнитный поток, проходящий через катушку:

Где S – площадь катушки; - угол между осью катушки и вектором магнитной индукции B.

Отсюда

Из последней формулы следует, что для повышения чувствитель­ности измерения можно увеличить число витков или площадь ка­тушки. Однако размеры катушки должны быть достаточно малы чтобы магнитное поле в ней можно было считать однородным и не утратить точность измерений. Поэтому такие катушки наматывают тонким проводом в один слой, чтобы можно было пренебречь тол­щиной намотки по сравнению с диаметром катушки. В слабых полях для увеличения ЭДС внутри катушки помещают ферромагнитный сердечник для увеличения магнитной индукции В.

Вместе с тем при отсутствии градиента напряженности магнит­ного поля (при dН/dt = 0), т. е. для постоянных и однородных полей, пассивные индукционные преобразователи не могут быть использо­ваны.

Феррозонды. В отличие от пассивных индукционных преобразова­телей феррозондовые преобразователи (феррозонды) являются уст­ройствами активного типа. Происходящие в них процессы всегда свя­заны с воздействием двух полей - внешнего измеряемого поля и до­полнительного вспомогательного поля возбуждения, образуемого за счет тока, протекающего в одной из обмоток. Простейший феррозонд состоит из сердечника с двумя обмотками - возбуждения и индика­торной. Схема такого феррозонда аналогична схеме накладного транс­форматорного вихретокового преобразователя (см. рис. 8.1). С помо­щью первой обмотки создается поле возбуждения H_и(t), в сердечнике возникает индукция В(t), которая индуцирует магнитную ЭДС:

Где w_и – число витков измерительной обмотки; S – площадь сердечника.

Выбором размеров сердечника и максимальной напряженности поля возбуждения добиваются необходимой чувствительности либо необходимого диапазона измеряемых полей. При импульсном воз­буждении возбуждение и индикацию можно осуществить одной об­моткой.

Существуют феррозонды различных типов и модификаций, от­личающиеся количеством и расположением обмоток и конструкцией сердечника.

Магнитодоменные преобразователи. Действие магнитодоменных преобразователей основано на магнитооптическом эффекте Фарадея. Преобразователь представляет собой однородную магнитную среду определенной толщины, в которой существуют доменно-одно-родные области, обладающие одинаковой намагниченностью. В ка­честве такой среды применяют феррит-гранатовую пленку с зеркаль­ной подложкой. Информативным параметром магнитоломенного преобразователя является видимое изображение доменной структуры на пленке.

В исходном размагниченном состоянии домены на пленке рас­полагаются хаотично. При размещении пленки на поверхности кон­тролируемого изделия из ферромагнитного материала домены пере­мещаются в плоскости пленки в зависимости от магнитного поля рассеяния, создаваемого дефектами. Топография доменной структу­ры пленки визуализируется с помощью оптической установки под увеличением при подсветке пленки плоскополяризованным светом.

В настоящее время магнитодоменные преобразователи находят пока ограниченное применение.

Датчики Холла. Датчики Холла, которые иногда называют преоб­разователями или генераторами Холла, работают по принципу воз­никновения ЭДС в результате искривления пути носителей тока в металлах и полупроводниках. В 1879 г. американский физик Эдвин Г. Холл обнаружил, что в плоском проводнике, по которому в про­дольном направлении идет электрический ток, помещенном в маг­нитное поле, направление индукции которого перпендикулярно плоскости проводника, возникает разность потенциалов на его узких сторонах в точках Л и В (рис. 7.3). Эффект Холла объясняется дейст­вием силы Лоренца, возникающей при движении заряда в магнит­ном поле и направленной перпендикулярно векторам движения за­ряда и индукции магнитного поля.

Напряжение между точками А и В (на выходе датчика на рис. 7.1) определяют по формуле

Где R_н– постоянная материала, известная как постоянная Холла, Омм/Тл; I_x – управляющий ток, А; B_z – магнитная индукция, Тл; h – толщина пластины датчика, м.

Рис. 7.3. Схема работы датчика Холла

Для изготовления датчиков Холла применяют обычно полупро­водники, где величина R_н имеет максимальную величину. Отечест­венная промышленность серийно выпускает кремниевые, германие­вые и арсенид-галлиевые преобразователи Холла. Конструктивно датчики Холла представляют собой пластины прямоугольной или крестообразной формы. Толщина пластин около 0,2 мм, размеры ак­тивной части от 1,86 до 6 3 мм. Пластины помещают в защитную оболочку из слюды, при этом их габаритные размеры увеличиваются примерно вдвое.

Магниторезисторы. В магниторезисторах используется эффект изменения сопротивления проводника или полупроводника с элек­трическим током при действии на них магнитного поля соответст­вующей напряженности. Таким эффектом обладает ряд материалов: антимонид и арсенид индия и галлия (InSb, InAs, GаSb, GaAs), гер­маний (Gе), висмут (Вi, теллур (Те), селенид ртути (НgSе) и др. Чув­ствительность по напряжению магниторезисторов к слабым магнит­ным полям меньше, чем у датчиков Холла, поэтому их чаще исполь­зуют при измерении сильных магнитных полей с индукцией свыше 0,2 Тл.

Магнитные порошки. Магнитные порошки используют для визуа­лизации магнитных полей рассеяния на поверхности контролируе­мого объекта в зоне дефектов. На частицу ферромагнитного порош­ка, помещенного в такое поле, будет действовать сила, удерживаю­щая его в зоне дефекта. Эта сила прямо пропорциональна градиенту напряженности dH/dx магнитного поля рассеяния:

где - магнитная восприимчивость материала порошка; V — объем частицы порошка.

Во внешнем намагничивающем поле частицы порошка сущест­вуют не изолированно, а коагулируются и образуют цепочки, что со­ответственно увеличивает удерживающую силу F. Длина цепочки определяется рядом факторов: вязкостью порошка и размером его частиц, напряженностью магнитного поля, шероховатостью поверх­ности объекта контроля и др.

Магнитные порошки, используемые в магнитопорошковой де­фектоскопии, могут быть как сухие, так и мокрые, работающие в водной среде, среде керосина или масла с минимальной вязкостью. Для повышения подвижности частиц порошка и чувствительно­сти магнитопорошкового метода применяют магнитные суспен­зии, представляющие собой взвесь тонкоизмельченного порошка (0,1...60 мкм) в жидкой среде.

Магнитные порошки подразделяются на виды в зависимости от их назначения и технологии изготовления. Наибольшее распростра­нение нашли черный порошок измельченной окись-закиси железа (Fе₃О₄) и буровато-красный порошок гамма-окиси железа (-Fе₂О₃), обладающий большим цветовым контрастом на поверхности объекта контроля.

Для повышения цветового контраста в магнитный порошок до­бавляют или люминофор (контроль в этом случае производится при ультрафиолетовом излучении) или светлую алюминиевую пудру (при контроле объектов с темной поверхностью).

Магнитные ленты. Магнитные ленты применяют в магнитогра­фической дефектоскопии. Ленты бывают одно- и многослойными. Чаще применяют двухслойные ленты, состоящие из несущей немаг­нитной основы (лавсан, ацетилцеллюлоза и др.) и магнитоактивного слоя в виде порошков окиси железа, взвешенного в лаке, обеспечи­вающего хорошую адгезию с основой.

Магнитные ленты выпускают шириной 50 и 75 мм и применяют при контроле стыковых сварных соединений. Воспроизведение за­писанных на ленте магнитных полей рассеяния осуществляют с по­мощью магнитографических дефектоскопов. С помощью блока счи­тывания дефектоскопа, состоящего из двух магнитных головок (типа магнитофонных), записанная на ленте информация преобразуется в электрические сигналы, которые поступают в электронный блок для усиления и селекции. Визуализация записи производится с помо­щью электронно-лучевой трубки, на экране которой получается ви­димое (телевизионное) изображение дефекта.