ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 102-106
ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 620.179.147
СВЕРХМИНИАТЮРНЫЕ ТОКОВИХРЕВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДОВ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК © 2014 г. C. Ф. Дмитриев, А. В. Ишков, В. Н. Маликов, А. М. Сагалаков
Алтайский государственный университет Россия, 646049, Барнаул, просп. Ленина, 61 E-mail: osys11@gmail.com Поступила в редакцию 22.07.2013 г. После доработки 13.04.2014 г.
На основе вихретокового преобразователя (в.т.п.) трансформаторного типа разработан датчик, позволяющий исследовать структуры типа металл—диэлектрик—металл. Приведена структурная схема датчика и указаны основные технические сведения (число обмоток 10—130 витков, значение начальной магнитной проницаемости сердечника ^max = 500). Рассмотрена схема использования компьютера в качестве генератора и приемника сигналов с обмоток. Описана методика измерений, позволяющая с высокой точностью проводить контроль дефектов в слоистых композитах. Преобразователь тестировался на слоистой структуре, состоящей из слоев бумаги и алюминия толщиной по 100 мкм, в которую помещался модельный дефект. Приведены зависимости сигнала в.т.п. от дефекта в данной структуре.
DOI: 10.7868/S0032816214060032
Разработан сверхминиатюрный вихретоковый преобразователь [1] для контроля физических параметров при исследовании свойств переходов металл—диэлектрик. Контролируемыми параметрами являются величина электропроводности материала и ее распределение по поверхности и толщине исследуемого объекта. Вихретоковый преобразователь (в.т.п.) подключен к звуковой плате персонального компьютера, работающего под управлением специального программного обеспечения. Программное обеспечение управляет подачей напряжения на генераторную обмотку преобразователя, а также считывает значения напряжения с измерительной обмотки в условных единицах, которые далее, с учетом предварительной калибровки, переводятся в значения электропроводности.
Возбуждающая обмотка сверхминиатюрного преобразователя состоит из 10 витков, а ее диаметр составляет 0.13—0.12 мм. Измерительная обмотка состоит из 130 витков и имеет диаметр 0.05—0.08 мм. С целью минимизации влияния возбуждающей обмотки на получаемый сигнал в схему включена компенсационная обмотка, подключенная к измерительной обмотке таким образом, чтобы вычесть напряжение возбуждающей обмотки. Она состоит из 20 витков. Для намотки витков используется медная проволока, имеющая толщину в 5 мкм. Обмотки наматываются на сердечник пирамидальной формы. Сердечник изготовлен из феррита 2000 НМ3 со значением начальной магнитной проницаемости 500. Схема
сверхминиатюрного вихретокового преобразователя представлена на рис. 1. Характеристики разработанных преобразователей позволяют эффективно локализовать магнитное поле в пределах 2500 мкм2 и обеспечивать значительную глубину его проникновения в исследуемый объект [2].
В.т.п. подключен к звуковой плате персонального компьютера ПК, работающего под управлением специального программного обеспечения ПО (рис. 2). Разработка ПО осуществлялась на языке С++ под операционные системы Windows. Используя микшерную подсистему Windows, ПО управляет подачей напряжения на возбуждающую обмотку преобразователя, задавая уровень и частоту синусоидального цифрового сигнала виртуального генератора.
Цифровой сигнал от виртуального генератора поступает на вход цифроаналогового преобразователя ЦАП звуковой карты, после которого уже аналоговый сигнал через усилитель мощности У подается на возбуждающую обмотку (В) преобразователя. Проходя по возбуждающей обмотке в.т.п., синусоидальный сигнал создает электромагнитное поле, которое наводит э.д.с. в измерительной обмотке (И) в.т.п. Это напряжение поступает на микрофонный вход звуковой карты и затем через предусилитель ПУ на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП звуковой карты. Аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой и передается в блок обработки и управления ПО. Блок обработки и управления фиксирует уровень цифрового сигнала в условных еди-
Рис. 1. Схема вихретокового преобразователя. ¿1 — измерительная обмотка, ¿2 — возбуждающая обмотка, Ьз — компенсационная обмотка.
ПК
Рис. 2. Схема датчика.
ницах, соответствующих значениям напряжения на измерительной обмотке.
Этот уровень принимается за уровень нуля, соответствующий уровню напряжения на измерительной обмотке без объекта контроля, т.е. при отсутствии объекта контроля индикатор показывает нуль, соответствующий нулевому значению электропроводности.
Использование звуковой платы компьютера дает возможность осуществлять во время сканирования варьирование частоты электромагнитного поля, создаваемого возбуждающей обмоткой преобразователя, в пределах от 20 Гц до 2 кГц.
Разработанный в.т.п. позволяет эффективно исследовать переходы металл—диэлектрик в миниатюрных слоистых металлополимерных композитных объектах. Подобные композиты могут содержать несколько металлических слоев, разде-
ленных тонкими полимерными диэлектрическими прослойками [2]. К типичным дефектам таких материалов относятся, например, нарушения сплошности слоев, образование перемычек между слоями. Для исследования слоистых структур металл—диэлектрик—металл использовался прибор ИЭНМ-5ФА (измеритель электропроводности неферромагнитных материалов), разработанный ранее [3], а для снятия амплитудно-частотной характеристики применялся специальным образом модифицированный фурье-анализатор.
Для демонстрации работоспособности предлагаемого метода использовалась структура, представляющая собой чередование алюминиевой фольги толщиной 100 мкм и бумаги, также имеющей толщину 100 мкм. В качестве модельного дефекта между слоями помещался полый параллелепипед с толщиной стенок 300 мкм.
Вносимое напряжение, мВ
Рис. 3. Картина, возникающая при перемещении датчика вдоль слоистой среды с дефектом. Частота преобразователя 1000 Гц. 1, 2 — стенки параллелепипеда, 3 — бездефектная часть образца.
На рис. 3 представлена картина, наблюдающаяся при перемещении датчика над слоистой средой, внутри которой находится дефект. Уровень сигнала с измерительной обмотки характеризует значения электропроводности на исследуемом участке. Для основной рабочей частоты 1000 Гц уровень вносимого в измерительную обмотку напряжения составлял 130 ± 2 мВ. Области 1 и области 2 на графике, в которых происходит падение уровня напряжения до 115 мВ, соответствуют стенкам параллелепипеда. Данное изменение амплитуды сигнала составляет 11% от уровня сигнала, соответствующего бездефектной области образца. При этом колебания амплитуды сигнала на бездефектном участке не превышают 4 мВ, что составляет 3% от уровня сигнала, соответствующего бездефектной области образца.
Из графиков, представленных на рис. 4, хорошо заметны изменения амплитуды при тестировании преобразователя на других частотах. Данные изменения в случае увеличения частоты обусловлены меньшей глубиной проникновения вихревых токов в глубину слоистой структуры и увеличением влияния различных небольших трещин на поверхности слоистой структуры. В случае уменьшения частоты поле вихревых токов более глубоко проникает в исследуемый объект. При этом влияние модельного дефекта практически не прослеживается.
При частоте измерений, равной 6000 Гц (рис. 4а), модельный дефект по-прежнему хорошо заметен, однако колебания амплитуды на без-
дефектном участке образца уже превышают 7% от уровня сигнала, соответствующего бездефектной части образца. При исследовании объекта контроля с неизвестными дефектами подобные изменения амплитуды могут ошибочно интерпретироваться в качестве дефектов. На частоте зондирования, равной 500 Гц (рис. 4б), колебания амплитуды на бездефектном участке незначительны. Однако изменение амплитуды в зоне самого дефекта не превышает 3% от уровня сигнала, соответствующего бездефектной части образца. При лабораторных и производственных измерениях подобное колебание амплитуды может быть вызвано внешними воздействиями, не обусловленными наличием дефектов.
При выходе рабочей частоты прибора за указанные пределы результаты измерений будут искажены колебаниями амплитуды, вызванными микротрещинами на поверхности образца или уменьшением локализации поля внутри слоистой структуры. На рис. 5 представлены результаты измерения образца на частоте 7000 Гц. Как видно из графика, изменения амплитуды, вызванные в данном случае микротрещинами на поверхности образца, значительно выше, чем изменения амплитуды, вызываемые непосредственно дефектом.
Дефект находился на расстоянии 600 мкм от датчика в глубине слоистой структуры. Вплоть до глубины расположения дефекта, равной 1400 мкм, прослеживалась явная зависимость отклика преобразователя от положения преобразователя над дефектом. Фиксируя изменение ампли-
Вносимое напряжение, мВ
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
190 г
Положение датчика, мм
Рис. 4. Картина, возникающая при перемещении датчика вдоль слоистой среды с дефектом. Частота преобразователя 6000 Гц (а), 500 Гц (б).
Вносимое напряжение, мВ
75 г
74-
61 -
60'_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Положение датчика, мм
Рис. 5. Картина, возникающая при перемещении датчика вдоль слоистой среды с дефектом. Частота преобразователя 7000 Гц.
туды отклика преобразователя, обусловленное дефектом, можно изменить частоту тока в возбуждающей обмотке так, чтобы вихревые токи концентрировались в слоях композита, расположенных выше дефекта. Решение обратной задачи позволяет определить глубину залегания дефекта. После калибровки фурье-анализатора по типичным дефектам можно использовать прибор ИЭНМ-5ФА для диагностики композитных многослойных материалов толщиной от 1 до 1400 мкм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дмитриев С.Ф., Маликов В.Н., Ишков А.В. // Изв. вузов. Физика. 2012. № 9/2. С. 292.
2. Сагалаков А.М., Дмитриев С.Ф., Тарусин Д.Ю., Ишков А.В. // Контроль. Диагностика. 2011. № Sp. С. 102.
3. Дмитриев С.Ф., Ишков А.В., Маликов В.Н., Сагалаков А.М. // Датчики и системы. 2013. № 3. С. 22.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.