Контроль динамических магнитных свойств пластин и лент из сплавов с высокой магнитной проницаемостью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РГб од

На правах рукописи

УДК 621.317.4

ВОДЕНИКОВ СЕРГЕЙ КРОНИДОВИЧ

КОНТРОЛЬ ДИНАМИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ПЛАСТИН И ЛЕНТ ИЗ СПЛАВОВ С ВЫСОКОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ

Специальность 01.04.01. - "Техника физического эксперимента, Физика приборов, автоматизация физических исследований по физико-математическим и техническим наукам"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Ижевск - 1997

Работа выполнена в Ижевском Государственном Техническом Университете

Научный руководитель: кандидат технических наук Г.Б.Ломаев

Официальные оппоненты : доктор технических наук Захаров В.А. кандидат технических наук, доцент Барсуков

Ведущая организация : НПО "Гамма" (г.Екатеринбург)

Защита состоится ^ 1997г. в _ ч

на заседании диссертационного совета К 064.47.07 при Удмуртском Государственном Университете С 426034, г.Ижевск, ул .Красногеройская,71).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УдГУ.

Автореферат разослан

Л 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат техн.наук

: Т.Ковнер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

В работе решается проблема контроля динамических магнитных свойств объектов разомкнутой формы в виде лент и пластин из сплавов с высокой магнитной проницаемостью (прецизионных сплавов и аморфных магнитных материалов), а именно, проблема отстройки в процессе контроля от магнитных свойств замыкающей цепи (ярма) и качества контакта между ярмом и контролируемым объектом. Актуальность работы обусловлена тем, что современное производство предъявляет повышенные требования к достоверности контроля, к возможности контроля свойств непосредственно на деталях и заготовках в Форме пластин, к возможности контроля связи магнитных и механических свойств, которые трудно осуществить на витых образцах свидетелях, наиболее часто используемых для подобного контроля в производстве. Свойства витых кольцевых образцов зависят от технологии изготовления, качества межвитковой изоляции и на них невозможно объективно исследовать влияние механических напряжений на магнитные свойства. Известные методы контроля разомкнутых объектов, например, потенциалометрический, разрабатывались, как правило, для контроля электротехнических сталей, отличающихся от рассматриваемого в настоящей работе объекта контроля более высокими полями перемагничивания, меньшей степенью нелинейности кривой намагничивания и большими размерами объектов контроля. При использовании их для контроля материалов с высокой магнитной проницаемостью возникают трудно решаемые технические проблемы. В частности, для потенциалометра это необходимость в априорной информации о Форме временной зависимости измеряемой разности магнитных потенциалов.

Цель работы - решение проблемы отстройки от влияния на результат измерений магнитных свойств замыкающего ярма и зазорон между ним и объектом контроля, представляющим собой лент«:

пластины с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения этой »

дели решались следующие задачи.

1.Разработка нового подхода на основе анализа известных методов контроля, позволяющего в большей мере решить проблему отстройки.

2.Разработка методов и устройств, реализующих новый подход.

3.Выявление факторов, определяющих погрешность разработанных методов, создание методик их учета и определение на основе этих методик предельных возможностей и граничных условий применения разработок.

4.Экспериментальная апробация разработанных методов и устройств.

5.Разработка методик расчета магнитных цепей .

* 6.Внедрение разработанных методов и устройств.

Научная новизна работы подтверждается следующими достижениями.

1.Предложен новый подход, заключающийся в использовании для контроля известной магнитной цепи пермеаметра (двух замыкающих с разных сторон контролируемый объект П-образных сердечников), но с синфазными потоками в замыкающих цепях, в том числе, и при компенсации измеряемой разности магнитных потенциалов.

2.Разработаны новые методы, являющиеся вариантами реализации выработанного подхода:

-сравнительный, реализующий контроль по распределению потоков;

-компенсационный, отличающийся от известных компенсацией в процессе контроля самой измеряемой разности магнитных потенциалов;

-комбинированный, включающий совместное использование компенсационного и сравнительного методов.

3.Предложены варианты реализации новых методов в приборах и устройствах.

4.Разработаны методики учета основных Факторов, влияющих на результат: фазовых сдвигов, потока рассеяния, качества контакта и не-

линейности характеристик замыкающих магнитопроводов, и на их основе выполнен анализ возможностей устройств.

5.Проведена экспериментальная апробация разработанных методов с анализом сходимости теоретических и экспериментальных результатов.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны новые методы и устройства контроля динамических магнитных свойств с отстройкой от параметров замыхающих магнитопроводов и зазоров, не требующие априорной информации о форме компенсируемой (измеряемой) разности магнитных потенциалов. Это позволяет решить ряд проблем при организации производственного контроля:

-возможность тиражирования устройств и использования датчиков различных размеров, при сохранении точностных характеристик; -возможность создания простых и дешевых средств контроля; -возможность организации контроля движущейся ленты, контроля магнитных свойств под действием растягивающих напряжений, контроля лент с покрытием (созданным например оксидированием), контроля влияния покрытий и склеивающих материалов на магнитные свойства, контроля анизотропии магнитных свойств и др.

В целом, перечисленные возможности позволяют осуществить переход от контроля на витых образцах свидетелях к контролю непосредственно на деталях, заготовках и исходном материале для материалов с высокой магнитной проницаемостью.

На защиту выносятся.

1.Новый подход,заключающийся в использовании замыкающей магнитной цепи пермеаметра, с синфазными потоками в замыкающих магнито-проводах, позволяющий сформировать необходимую для решения задачи систему уравнений и исключить необходимость в априорной информации о измеряемой разности магнитных потенциалов.

2!Новые методы контроля, реализующие выработанный подход:сравнительный, компенсационный и комбинированный и устройства их реализующие .

3.Результаты анализа возможностей разработанных методов и методики, разработанные для этого анализа.

4.Результаты экспериментальной апробации разработанных методов и устройств.

Публикации по теме.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 14-'ти печатных работах, в т.ч. в описаниях 10-ти авторских свидетельств на изобретения.

Опубликованные материалы получили апробацию на многих конфе-ренциях(научно - техническая конференция " Ученые ижевского механического института - производству", Ижевск,1992; 10-я Уральская научно-техническая конференция, Ижевск, 1985; Всесоюзная научно-техническая конференция "конструктивно - технологическое обеспечение микро и радиоэлектронной аппаратуры", Ижевск, 1988; 4-я Международная икола-семинар по эффекту Баркгаузена, Псков, 1995) и на научных семинарах в Ижевском государственном техническом университете и в физико-техническом институте УРО РАН.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из общей характеристики(введе-ние), пяти глав, заключения и списка литературы из 68-и наименований. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, в т.ч. 47 рисунков, расположенных в тексте.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ -

В первой главе дается анализ проблем, возникающих при контроле динамических магнитных свойств объектов разомкнутой формы в замкнутой магнитной цепи и рассматриваются известные методы , в той

или иной мере эти проблемы решающие. Простейшая магнитная цепь (рис.1а), имеющая эквивалентную схему, приведенную на рис.16 описывается в статике уравнением [1] Г = + йэ + йо), где Р - амплитуда магнитодвижущей силы (НДС), Ф - амплитуда магнитного потока, йм, Кэ и Но - магнитные сопротивления, соответственно, замыкающего магнитопровода, зазоров и объекта контроля (в рассматриваемом случае - ленты). При контролируемых величинах Р и Ф, определение Яо возможно только при очень жестких допущениях, например при йо >> Км + Из, что трудно достижимо на практике, особенно при конт-

1н

и~ Б

Рис.1 Простейшая замыкающая магнитная цепь(а) и схема ее замещения (б).

роле сплавов с высокой магнитной проницаемостью [23.

Из многих способов решения этой проблемы можно выделить наиболее существенные - коррекция намагничивающей обмотки преобразователя емкостью [ЛЗ] -и использование лотенциалометра [Л4]. Использование корректирующей емкости позволяет, при заданных параметрах ярма и зазора, устранить влияние последних на результат контроля, однако при переменном зазоре (качестве контакта) требуется измерение величины зазора и корректирование величины емкости по результатам этого измерения. Это значительно усложняет задачу [Л5].

Потенциалометрический метод, один из вариантов реализации [Л4] которого приведен на рис.2 основан на измерении разности магнитных потенциалов между точками а и б, расположенными под полюсами

магнитопровода потенциалометра, при известном магнитном потоке

1н

с а б д 5

Рис.2 Вариант реализации потенциалометрического метода контроля.

через этот участок. При установке величины МДС компенсации обеспечивающей равенство нулю потока в потенциалометре Фп=0, справедливо соотношение FK = fee, где fee - разность магнитных потенциалов между точками а и б. Сложность практической реализации потенциалометрического метода заключается в том, что форма компенсирующей МДС FK = f(t) должна совпадать с формой и фазой контролируемой разности магнитных потенциалов fas - f(t), которая априорно неизвестна. Огличие формы от синусоидальной тем больше, чем сильнее отличается от линейной кривая динамического намагничивания исследуемого сплава. Если на электротехнически сталях использование потенциалометра приемлемо, то при контроле сплавов с высокой магнитной проницаемостью степень нелинейности такова, что практически не удается обеспечить достаточной для контроля компенсации.

Имеющиеся способы получения априорной информации о форме контролируемой разности магнитных потенциалов по форме кривой зависимости от времени магнитного потока в потенциалометре (поток контролируется по встроенному датчику Холла [Л6] или интегрированием сигнала с индуктивной обмотки [Л7]) не решают полностью проблемы в связи с техническими трудностями работы с сигналом сложногармо-

нической формы, в том числе фазовыми сдвигами его.

Анализ известных методов позволил сформулировать требования к подходу, исключающему проблемы, а именно:

-система должна быть разветвленной, чтобы иметь возможность описать ее числом нетождественных уравнений не меньшим, чем число неизвестных;

-симметрия системы и способ компенсации должны быть такими, чтобы не было необходимости в априорной информации о форме измеряемой разности магнитных потенциалов.

Во второй главе развивается теория методов контроля, основанных на подходе, удовлетворяющем выработанным выше требованиям. Такой подход был реализован в магнитной цепи пермеаметра (два идентичных замыкающих магнитопровода с двух сторон объекта) с синфазными (относительно замыкающего контура) потоками в замыкающих магнито-проводах, в том числе и при использовании компенсационного метода.

1н -<-

и

Рн<£-Н • )

■ Фк®1 • )

ф2

1к

Ищ

На 2 »

5

На

а)

б)

Рис.3 Магнитная цепь (а) и схема ее замещения (б), используемые при решении задачи.

На рис.За приведена указанная магнитная цепь, на рис.36 -схема замещения этой цепи, на которой Ян и Рк - МДС намагничивания и компенсации, соответственно; йм, Р.эг и К.-. - "чтиитны«-

сопротивления замыкающего магнитопровода, зазоров и контролируемого образца, соответственно; 4>i, Фг и Фо - магнитные' потоки в первом, втором замыкающих магнитопроводах и контролируемом образце. Такая цепь при синфазных потоках Фг и Фг позволяет реализовать 3 новых варианта контроля.

1.Контроль компенсационным методом производится в два цикла [1],

в первом из которых Fk=C. В этом случае контур I описывается соот-• * •

ношением Fu = $i(RM + Rai) + fae. Во втором цикле МДС компенсации Fk устанавливается обеспечивающей эквипотенциальность точек а и б

(отсутствие потока Фо в образце). В этом случае контур I описыва-* • # •

ется уравнением FH' = <íx'(Rm •+ Rai), где Fh" и 4>i'-значения МДС и цотока в первом магнитопроводе после компенсации. Из уравнений, описывающих контур I в первой и втором циклах, следует выражение для искомой разности магнитных потенциалов

f«e = Fk - . (1)

Поскольку все величины в правой части этого соотношения измеряются в процессе контроля, то искомая разность магнитных потенциалов fas определяется с одновременной отстройкой от RM + Rai (от

параметров замыкающих магнитопроводов и зазора). При этом, в силу

» в

симметрии цепи, в момент компенсации формы МДС FH и Fk совпадают, что исключает необходимость в информации о форме измеряемой разности магнитных потенциалов íes.

2.Контроль сравнительным методом производится в один цикл при отсутствии МДС компенсации Fk, а система нетождественных уравнений получается за счет наличия двух контуров [2]. Контур I (рис.36) описывается уравнением FM = 4i(R« + Rai) + fee, а контур II - уравнением fas = 4>z(Rm + Rs2). При разных, в общем случае, магнитных сопротивлениях зазоров Rai и Raz система решается следующим образом

fas.= Фг/(Фг + КФх), (2)

где K=(RM + R3i)/(Rm + R32) - коэффициент, характеризующий асимметрию зазоров. Таким образом, для симметричных зазоров(ЯЭ1 = R32) от-' стройка осуществляется однозначно, а для асимметричных зазоров (К =1) требуется оптимизация параметров замыкающей магнитной цепи.

З.При использовании комбинированного метода [3], контроль производится сравнительным методом с использованием его расчетного соотношения (2), а коэффициент К определяется компенсационным

методом в процессе калибровки перед началом измерений. Действи-

* *

тельно в момент компенсации fяе = 0, а значит Fh = <$i(Rm + Rai) и Fk = 4i<Rm + R32) откуда следует, что К =FH/FK. Определенный таким образом коэффициент К и используется при последующих измерениях точек динамической кривой намагничивания.

Каждый из рассматриваемых методов обладает своими достоинствами и предельными возможностями. При анализе возможностей рассматриваются следующие факторы, влияющие на результат:

-фазовые сдвиги между напряженностью магнитного поля и магнитным потоком, определяющие правомочность использования основных расчетных соотношений (1) и (2) в скалярной Форме;

-наличие асимметричного зазора для сравнительного метода; -влияние рассеяния магнитного потока;

-влияние нелинейности магнитных характеристик замыкающих магни-топроводов.

Один из главных вопросов - переход от векторной формы основных расчетных соотношений (1), <2) к форме, в которой фигурируют аплитудные значения МДС и магнитных потоков, определяемые в процессе контроля по эффективным значениям тока в обмотке перемагни-чивания и по средним значениям ЭДС с измерительных обмоток соот-ветственно[Л8]. Известный подход [Л9], заключающийся в использовании вместо реальных несинусоидальных кривых F(t) и Фf t), сину-

соид, эквивалентных реальным кривым по действующим или средним значениям и имеющих амплитудные значения V и Ф в данном случае правомочен, поскольку параметры динамической кривой намагничивания, являющиеся предметом контроля, определяются именно таким образом.

ФгК

QlRm

0.9

0.8

Cosa,Cosg

Cosa

Cosg

d=45 .

0.5 1

1.5

Ф2/Ф0

а)

6)

Рис.4 Векторная диаграмма магнитной цепи (а) и зависимость косинусов углов й и а от режима работы магнитной цепи (6).

Переход от векторной формы к амплитудным значениям эквивалентных синусоид осуществляется с помощью векторных диаграмм в предположении отсутствия потерь на перемагничивание в замыкающих магнитопроводах, что можно обеспечить при изготовлении последних из феррита, имеющего малый угол потерь. На рис.4а приведена векторная диаграмма для сравнительного метода в предположении К =1, где d - угол потерь в контролируемом материале. С учетом этой диаграммы, соотношение (2) для сравнительного метода в Форме, где Фигурируют амплитудные значения эквивалентных синусоид приобретает вид = ЕнФгАФгСоБй +• ФхСоБа). Для заданного угла потерь d в контролируемом материале углы g и а однозначно связаны с режимом работы, в частности с отношением потоков Ф2/Ф0. Расчетные зависимости Cosg и Cosa для достаточно жесткого условия d=45rpafl. при-

ведены на рис.46. Анализ этой зависимости, с учетом того, что с уменьшением Фг вклад Согй в результат уменьшается позволяет для <3=45град.(угла потерь,реализуемого в пермаллоях на достаточно высоких частотах контроля [Л10]) определить граничное условие для использования соотношения (2) в скалярной форме, а именно Фг/Фо > 0.1. С учетом того, что с) = 45град, в свою очередь в силу жесткости является граничным, можно утверждать, что в широком диапазоне материалов и условий контроля можно использовать переход от векторной формы выражения <2) к скалярной простой заменой векторов на амплитудные значения.

Аналогичный анализ, проведенный для компенсационного метода дает более жесткие условия для правомочности использования соотношения (1) путем непосредственной замены в нем векторных величин на амплитудные значения эквивалентных синусоид. Так для угла потерь ч контролируемом материале 45град. таким условием является Фг/Фо > 1. Анализ проводился для двух вариантов реализации компенсационного метода: токовой компенсации [4], для которой значение МДС Им одинаково в обоих циклах - Рн') (векторная диаграмма приведена на рис.5а) и, соответственно, выражение для определяемой

Рн=Ф1'Ит

Фг

Ф^Ит-Рн4

Рис.5 Векторные диаграммы для компенсационного

метода в режиме токовой (а) и потенциальной (б) компенсации.

величины имеет вид fae - F«(l -Ф1/Ф1') и для потенциальной компенсации [5], при которой неизменным в обоих циклах остается поток в первом замыкающем магнитопроводе (векторная диаграмма приведена на рис.5б), а расчетное соотношение (1) приобретает вид foe = Fh - Fn',где Fk и FH'~ значения МДС намагничивания до и после компенсации, соответственно. Полученные для компенсационного и сравнительного методов ограничения в последующем использовались для определения возможностей соответствующих устройств в части отстройки от зазоров, поскольку последние в значительной мере определяют величину отношения Фг/Фо.

Построение моделей влияния асимметричного зазора и рассеяния магнитного потока проводилось при исследовании возможностей сравнительного метода, поскольку эти два фактора определяют возможность его оптимизации для снижения погрешности измерения. Учет влияния асимметричного зазора проводился в виде погрешности, обусловленной неучетом в соотношении (2) коэффициента К =(RM + Вз1.)/(Вь. + Яэг), характеризующего асимметрию замыкающих цепей, обусловленную наличием зазора. Тогда, относительная погрешность, обусловленная наличием зазора, определяется как П1 =[fae(K) - fa6(K=l)]/fae(K), где f*6 - разность магнитных потенциалов, определяемая по соотношению (2), и расчет дает для этой погрешности выражение Па = R3/(Rm + Rn), где =R3i - R=>2, a Rn -сопротивление параллельно соединенных Ro и R«. Из этого выражения видно, что с ростом Rm погрешность, обусловленная зазором, падает.

Для учета влияния потока рассеяния была создана модель, в которой вклад потока рассеяния учитывается с помощью поправок Fi и F2 [3] в уравнениях, описывающих контуры I и II (рис.36) и представляющих собой падения магнитного напряжения на замыкающих магнитопроводах от потока рассеяния, до ответвления его в

межполюсное пространство. Из рис.6 видно, что поток в основании магнитопровода Фп отличается от потока Ф1 у его полюсов (измеряемого в процессе контроля) на величину суммарного потока рассеяния Фр. При условии, что в соотношение, описывающее контур I входит поток измеряемый у полюсов, выражение описывающее контур I приобретает вид FM = <Ju<Rm + Raí) + f«e + Fx, где Fi учитывает падение магнитного напряжения от потока рассеяния. Аналогично второй контур II описывается соотношением f=6=í>2(Rw + R32)- F2. При таком подходе выражение (2) трансформируется в выражение fee =(Fm -Fx -ЯгФх/Фг)[Фг/(Фх Фг)] и величина относительной погрешности может быть определена, как относительная разность величин Ene, определенных с учетом Fx и Fa и без учета этих поправок. Величины Fx и F2 рассчитывались с учетом линейного изменения разности магнитных потенциалов между полюсами магни-топроводов при продвижении от их основания к полюсным поверхностям (рис.6) интегральным методом. Окончательное выражение для

Фх' - Фрм

0 - i i Д

Фх

Наб. F» F(X)

Рис.6 Модель учета влияния потока рассеяния

относительной погрешности Пг выглядит следующим образом [6] Пг = Им(2К'+ 1)/6КР, где К'= '£н/fae, -коэффициент, характеризующий изменение разности магнитных потенциалов между полюсами магнито-проводов по их длине, а ВР - суммарное магнитное сопротивление потоку рассеяния. Таким образом, с ростом магнитного сопротивления Rl< погрешность, обусловленная рассеянием, растет, а погрешность,

обусловленная асимметричным зазором, падает.

П1+П2,%

а)

Рис.7 Зависимость суммарной погрешности от магнитного сопротивления замыкающего магнитопровода.

На рис.7 приведен вий расчетной зависимости суммарной погрешности П =П1+П2 от магнитного сопротивления замыкающего магнитопровода (кривая 1).Видно, что существует область оптимальных значений Ям, где погрешность сведена к минимуму. Из использованной для расчета модели следует, что при сосредоточении магнитного сопротивления замыкающей цепи вблизи полюсных поверхностей ( например путем использования магнитопровода с малым магнитным сопротивлением и тонких немагнитных пленок на его полюсных поверхностях), погрешность, обусловленная рассеянием, существенно снижается и, соответственно, расширяется область, где обеспечивается минимальная погрешность [3].

Таким образом, использование сравнительного метода имеет предельные возможности, определяемые следующим ходом рассуждений. Правомочность использования в общем случае расчетных формул в скалярном виде задает условие Фг/Фо > п, где п зависит от угла потерь в контролируемом материале, это, в свою очередь, определяет максимально возможную величину симметричных зазоров (пленок на полюсах) и, как следствие, величину асимметричных зазоров, от

которых возможна эффективная отстройка с приемлемой погрешностью.

Для компенсационного метода, где отстройка от зазора осуществляется методически, нет необходимости в выборе больших величин йм и погрешностью, обусловленной потоком рассеяния можно пренебречь [6]. Тогда ограничение, накладываемое возможностью пренебрежения фазовыми сдвигами, а именно Фг/Фо >п - определяет предельные зазоры, от которых возможна эффективная отстройка. .Расчеты показывают, что это зазоры от 20мкм (для пермаллоев контролируемых на высоких частотах) до 200ккм для аморфных сплавов с малым углом потерь.

Важным вопросом, требующим технических решений, но не ограничивающим возможностей рассматриваемых методов, является вопрос линейности характеристик замыкающих магнитопроводов. В вышеприведенных рассуждениях магнитное сопротивление Е?м предполагалось постоянным, в то время как при нелинейной характеристике замыкающего магнитопровода оно будет зависеть от амплитуды магнитного потока в нем. Расчет погрешности, обусловленной нелинейностью, выполняется по следующей схеме. Для сравнительного метода учет нелинейности осуществляется использованием того же подхода, что % что и при учете зазоров, т.е., учете асимметрии замыкающих цепей с помощью коэффициента К + Кэ1)/(Вмг + йэг). Зависимость маг-

нитного сопротивления замыкающего магнитопровода от амплитуды магнитного потока Им = Км(Ф) задается с учетом характеристики используемого материала, при линейной апроксимации функции [Л]. Для компенсационного метода коэффициент К вводится в виде К =(НМ + Кзг)/(Им"+ Кэ1), где Км' - значение магнитного сопротивления в цикле компенсации. При этом расчетное соотношение (1) приобретает вид {ав = - Ф1/КФ1'). Выполненные расчеты показывают, что для обоих методов погрешность в % не превышает задаваемой в X

степени нелинейности характеристики материала замыкающего магни-топровода. Существуют по крайней мере следующие способы отстройки от этого фактора:

-использование для изготовления замыкающих магнитопроводов ферритов с линейной характеристикой;

-использование метода потенциальной компенсации [7], когда амплитуда магнитного потока остается неизменной в процессе измерений;

-использование полюсных наконечников, сникающих степень нелинейности характеристики замыкающих магнитопроводов; -использование компьютерных методов обработки результатов, когда характеристика материала замыкающего магнитопровода заложена в в памяти.

В качестве примеров реализации предложенных методов рассмотрим устройство контроля в автоматическом режиме методом токовой компенсации [8] и устройство контроля комбинированным методом [3]. Блок - схема первого приведена на рис.8.

Рис.8 Блок - схема устройства для реализации метода токовой компенсации в автомагическом режиме.

В цикле намагничивания для перемагничивания используется источник тока 8, в цикле компенсации подключается синхронизированный с ним источник тока 9. Ключ 12 пропускает сигнал только при заданной полярности напряжения на обмотке компенсации 5 (в положительные, например, полупериоды), в результате чего сигнал на управляющем входе источника тока 9, пропорциональный магнитному потоку в образце 6, меняет знак, проходя через нулевое значение, при изменении фазы потока Фо на 180 град. Это дает возможность автоматизированного регулирования тока компенсации, направленного на достижение нулевого потока в образце. Выпрямленный блоком 13 сигнал, пропорциональный $1 (в цикле намагничивания) запоминается пиковым детектором 15, а сигнал, пропорциональный потоку Фл.' <в цикле компенсации), проходит через первый канал управляемого усилителя 17, коэффициент передачи которого Кп устанавливается за счет дифференциального усилителя 16 из условия Ф1 = КпФз.', т.е. равным Кп =Ф1/Ф1-.На входы вычитающего блока 18 поступают сигналы, пропорциональные Рн и КпИн (коэффициент передачи блока 17 одинаков по обоим каналам), в результате чего на выходе Формируется сигнал пропорциональный Ри(1 - Ф1/Ф1'), пропорциональный, в соответствии с соотношением (1) измеряемой разности магнитных потенциалов.

На рис. 9 приведена блок схема устройства, реализующего комбинированный метод контроляГ3].

При калибровке устройства, после установки контролируемого образца, ключом 18 к генератору 7 переменного тока поключается обмотка компенсации 8 через балансировочный резистор 9, служащий для компенсации потока в образце. После достижения компенсации сигналы с резисторов 10 и 11, пропорциональные, соответственно, МДС Кн и Рк поступают: первый непосредственно, а второй после прохождения через второй канал управляемого усилителя 14 на б.т >>.

сравнения 16. Коэффициент передачи Кп блока 14 устанавливается

Рис.9 Блок- схема устройства,реализующего комбинированный метод контроля.

из условия КпБк = Рн, откуда Кп = Тсн/Як = Яг/Иг, где ¡и и йг магнитные сопротивления замыкающих цепей. Такую же величину имеет коэффициент передачи первого канала блока 14, в результате чего при последующем контроле сравнительным методом (при отключенной обмотке компенсации) с выходов выпрямителей 13 и 15 на вход блока обработки поступают сигналы, пропорциональные Фг, КпФх и с резистора 10 - сигнал, пропорциональный Блок обработки 19 реализует обработку этих сигналов в соответствии с соотношением (2), а именно ¡аб - ГнФг/ЧФг +• КпФз.), где Кг, выступает в роли коэффициента характеризующего асимметрию замыкающих цепей.

В третьей главе приводятся экспериментальные результаты, подтверждающие основные теоретические положения и результаты сравни-

тельных испытаний с другими методами контроля. Для проверки возможностей отстройки от качества контакта использовалось контактное приспособление из двух ферритовых магнитопроводов П-образной формы. Зазоры моделировались с помощью набора неметаллических пленок до максимальной величины 200 мкм. На рис.10 приведена зависимость МДС Рн, коэффициента К1 = (1 -Ф1/Ф1') и определяемой величины

= ?н(1 - Ф1/Ф1') при использовании метода токовой компенсации для контроля аморфной ленты 72КНСР на частоте 1 кГц от асимметричного зазора. При наличии зазора в контуре I (рис.3) отсутствовал зазор в контуре II, и наоборот. Положительные значения соответствуют зазорам в контуре I, отрицательные - зазорам в контуре 2. Видно, что определяемая величина £ае в пределах заданной погрешности (5%) не зависит от асимметричных зазоров в

пределах до 180 мкм. Уменьшение Fh с уменьшением зазора во вто-

мкм мкм

Рис.10 Зависимость основных пара- Рис.11 Зависимость основных метров от асимметричного зазора параметров от симметричного

для компенсационного метода зазора для сравнительного

метода.

ром контуре объясняется уменьшением степени шунтирования контролируемой ленты вторым сердечником.

При проверке возможностей сравнительного метода принципиально важно было убедиться в отстройке от симметричных зазоров (одинаковых с обоих сторон ленты), поскольку эта возможность лежит в основе отстройки от асимметричных зазоров за счет концентрации магнитного сопротивления замыкающего магнитопровода вблизи его полюсных поверхностей. На рис.11 приведена зависимость параметров Fh, Кг = Фг/(Фх + Фг) и определяемой разности магнитных потенциалов fae от симметричных зазоров для той же аморфной ленты, которая подтверждает такую возможность. Как и в предыдущем случае, коэффициент Кг, изменяющийся в обратной по отношению к Fh зависимости, обеспечивает независимость в заданных пределах контролируемой разности магнитных потенциалов от симметричных зазоров. Аналогично хорошая сходимость теоретических и экспериментальных результатов получена для метода потенциальной компенсации и комбинированного метода контроля.

При проведение сравнительных испытаний с другими методами контроля упор делался не на метрологические характеристики, а на функциональные возможности при решении конкретной задачи контроля динамических магнитных свойств сплавов с высокой магнитной проницаемостью. Так, исследовались возможности контроля тонких лент достаточно большой длины в разомкнутой магнитной цепи, как альтернативного метода контроля. Сравнительные результаты приведены на рис.12. При сравнительных измерения с потенциалометрическим методом использовался датчик потенциалометрического типа [JIJOj с прибором обеспечивающим его работу в автоматическом режиме[9]. Приведенные на рис.13 результаты показывают, что с повышением магнитной проницаемости увеличивается расходимость результатов.

В, Тл

В, Тл 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0.2

0.4

Рис.12 Зависимость В=Г(Н), снятая в разомкнутой цепи (указана длина) и компенсационным методом (1).

Н,А/см

0

0.1

0.2 Н, А/с

Рис.13 Кривые динамического намагничивания стали(1,1'), аморфной ленты (2,2') и пермаллоя 81НМА (3,3'), снятые разными методами

обусловленная неполной компенсацией при потенциалометрических измерениях. Из других результатов можно отметить влияние изгиба на свойства аморфной ленты, проявляющееся в существенной разнице свойств при изготовлении кольцевых образцов с разным направлением изгиба ленты, и подтверждающее, что в части однозначности результатов кольцо уступает контролю на разомкнутой ленте. * Таким образом результаты экспериментальных исследований подтверждают возможности разработанных методов как в части отстройки от качества контакта, так и в части новых функциональных возможностей .

В четвертой главе рассматриваются особенности магнитных систем и элементов электрических схем при реализации компенсационного метода в двух его разновидностях: токовой и потенциальной компенсации. На основе схем замещения магнитных цепей рассчитываются требования к элементам схем регулирования тока компенсации при заданном уровне свойств контролируемых материалов и ожидаемых

зазорах между контролируемой лентой и замыкающим ярмом.

В пятой главе рассмотрены перспективы распространения нового подхода на область контроля статических магнитных параметров и возможности использования его в некоторых областях неразрушающего контроля. Одним из перспективных направлений является использование сравнительного (комбинированного) метода при контроле статических магнитных характеристик материала [10]. Для технической реализации автоматизированного контроля требуется перемагничивание в периодическом импульсном режиме, которое может быть осуществлено на разработанных для этих целей устройствах [11,12]. Возможность использования разработанного подхода для неразрушающего контроля обусловлена тем, что методы отстройки от зазоров являются задачей, тесно связанной с отстройкой от магнитных свойств при контроле зазоров. Поэтому практически в такой же магнитной цепи, которая рассматривается в настоящей работе, можно контролировать толщину Ферромагнитных лент [13] или толщину покрытия [14].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Выполнен анализ перспективных направлений в области контроля динамических магнитных свойств объектов разомкнутой формы, на основе которого выработаны требования к подходу, позволяющему решить некоторые проблемы контроля сплавов с высокой магнитной проницаемостью.

2.Предложен подход, заключающийся в использовании разветвленной, симметричной относительно контролируемой ленты замыкающей магнитной цепи с синфазными потоками в замыкающих магнитопроводах и синфазной компенсацией, позволяющий исключить необходимость априорной информации о форме измеряемой разности магнитных потенциалов и получить систему уравнений, обеспечивающую отстройку

от качества контакта и параметров замыкающих магнитопроводов.

3. Разработаны методы реализации предложенного подхода: сравни- • тельный, компенсационный и комбинированный, варианты 6-устройств для реализации указанных методов, каждый из которых защищен авторским свидетельством на изобретение.

4. Поставлены и решены задачи исследования возможностей разработанных методов контроля на основе учета влияния фазовых сдвигов, рассеяния магнитного потока, зазоров и нелинейности характеристик замыкающих магнитопроводов, для чего разработаны соответствующие методики и выполнены расчеты.

5. Выполнены экспериментальные исследования, в ходе которых про^ верена сходимость теоретических и экспериментальных результатов. Выработаны -методические рекомендации к расчету магнитных цепей для'реализации вариантов компенсационного метода.

6. Полученные результаты позволяют решить ряд проблем в области контроля 1 динамических магнитных свойств объектов разомкнутой Формы:

-повысить объективность контроля;

-обеспечить возможность тиражирования устройств с сохранением основных метрологических характеристик;

-обеспечить решение ряда прикладных.

7. Результаты работ внедрены на АО "Ижевский мотозавод" для входного контроля материалов и технологического контроля заготовок и деталей при изготовлении магнитных головок и других изделий приборостроения. На разработанные и используемые в производстве приборы имеется полный комплект конструкторской документации.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

X. Водеников С.К. Контроль магнитных свойств пластин и лент компенсационным способом.-Сб.Физические методы и приборы неразру-

тающего контроля.По материалам X - Уральской научно-технической конференции,Ижевск,1985,с.15.

2. Водеников O.K. Устройство для контроля магнитных свойств

«

изделий.-А.с.СССР N 1691475,1989.

3. Водеников С.К. Устройство для контроля магнитных свойств изделий.-А.с.СССР N 1749858,1992.

4. Водеников С.К..Воробьев М.Д. Устройство для контроля магнитных свойств сердечников разомкнутой формы.-А.с.СССР N 1291910, 1987 .

5. Водеников С.К. Устройство для контроля магнитных свойств сердечников разомкнутой формы.-А-.с. СССР N 1562868,1989.

6. Водеников С.К. О некоторых возможностях использования разветвленных магнитных цепей для контроля магнитных свойств.-Тезисы докладов научно-технической конференции "Ученые Ижевского механического института производству..Ижевск,1992,с.41.

7. Водеников С.К. Устройство для неразрушающего контроля.-A.c. СССР N 1415043,1988.

8. Водеников С.К. Устройство для контроля магнитных свойств сердечников разомкнутой формы.-А.с.СССР N 1420563, 1988.

9. Водеников С.К. Прибор для контроля магнитных свойств.-Сб. Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления, Ижевск,1995, с.112.

10. Водеников С.К. Устройство для контроля магнитных свойств.-А.с.СССР N 1612744.

11. Водеников С.К. Устройство для измерения параметров предельной статической петли ггистерезиса. - А.с.СССР N 1465850,1988.

12. Водеников С.К. Устройство для измерения максимальной магнитной проницаемости. - А.с.СССР N 1636818,1990.

13. Водеников С.К.,Панин С.В. Устройство для контроля толщины ферромагнитных лент и листов.-А.с.СССР N 1732141,1992.

14. Водеников C.K. Стенд для контроля магнитных свойств.-Тезисы Всесоюзной научно технической конференции "Конструктивно-технологическое обеспечение микро и радиоэлектронной аппаратуры" .,Ижевск,1988,с.233.

Список цитируемой литературы.

Л1. Захаров Б.А. Магнитостатика систем с ферромагнетиками.-Свердловск,:УНЦ АН СССР,1986,с.

Л2. Сплавы прецизионные магнитномягкие.Технические условия.--ГОСТ 10160 -75,«.1986, 71с.

ЛЗ. Бибиков М.А..Селезнев Ю.В.,Маслов Ю.Н.,Рыжков Г.П. Измерение магнитных параметров магнитопроводов с воздушными зазорами.-Измерительная техника,N2,1963.

Л4. Кифер И.П. Испытания ферромагнитных материалов.-М.:Энергия, 1969,рис.5-28.

Л5. Селезнев Ю.В.,Маслов Ю.Н.,Рыжков Г.Л.,Бабиков М.А. Автоматический контроль магнитных параметров .-Уч. пособие ,М. -.Высшая школа, 1971, с. 232 .

Л6. Чернокоз А.Я.,Снегирев П.М.,Маслов Ю.Н. Устройство для конт-

*

роля свойств магнитомягких материалов.-А.с.СССР N 945836,1982.

Л7. Молчанов И.А.,Чернокоз А.Я.,Маслов Ю.Н..Савельев Ю.К. Устройство для контроля магнитных свойств сердечников разомкнутой формы.-А.с. СССР N 883820,1981.

Л8. Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники.-М.:Наука,1966,с.

Л9. Аркадьев В.К. Избранные труды.:изд.АН СССР, 1961