Модель и условия компенсации ложных сигналов дифференциальных магнитомодуляционных преобразователей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Анализ существующих решений проблем устранения ложных сигналов дифференциальных магнитомодуляционных преобразователей (обзор).

1.1. Принцип действия первичных магнитомодуляционных преобразователей

1.2. Решения проблемы устранения ложных сигналов, обусловленных неидентичностью коэффициентов преобразования элементов магнитомо-дуляционного преобразователя.

1.3. Решения проблемы устранения ложных сигналов, обусловленных неколлинеарностью магнитных осей дифференциального магнитомоду-ляционного преобразователя.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. Теоретическое и экспериментальное исследование модели компенсации ложных сигналов, обусловленных неидентичностью коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов дифференциального магнитомодуляционного преобразователя

2.1. Влияние технологических факторов на обеспечение взаимной идентичности магниточувствительных элементов преобразователя.

2.2. Определение условий появления максимального ложного сигнала при ориентации преобразователя относительно продольной Ну компоненты поля Земли.

2.3. Расчёт компенсирующих магнитных полей ферромагнитных элементов в модели дипольного приближения при влиянии продольной Ну компоненты поля Земли.

2.4. Расчёт компенсирующих магнитных полей в модели аксиально-симметричного распределения магнитных зарядов по поверхности элементов при влиянии продольной Ну компоненты поля Земли.

2.5. Оценка зависимости компенсирующего поля ЛНУ от различной магнитной восприимчивости формы компенсационного элемента при линейной характеристики намагничивания материала элемента.

2.6. Влияние магнитного поля рассеяния компенсационного элемента на второй магниточувствительный элемент преобразователя.

2.7. Влияние суммарного магнитного поля компенсационного и первого магниточувствительных элементов на второй элемент преобразователя.

2.8. Определение компенсирующих магнитных полей методом конечных элементов в модели аксиально-симметричного объемного распределения магнитных зарядов.

2.9. Экспериментальное исследование влияния магнитной проницаемости материала компенсационного элемента на компенсацию ложных сигналов от продольной компоненты поля.

2.10. Экспериментальное исследование влияния различной магнитной восприимчивости формы и диаметра компенсационного элемента на компенсацию ложных сигналов от продольной компоненты поля.

2.11. Влияние компенсационного элемента при его несоосном установлении в плоскости компенсации к торцевой части магниточувствительного элемента на компенсацию ложных сигналов преобразователя.

2.12. Экспериментальное изучение зависимости компенсирующего поля от длины компенсационного элемента при влиянии Ну компоненты поля

2.13. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследования модели компенсации при влиянии Ну компоненты поля.

2.14. Выводы.

Глава 3. Теоретическое и экспериментальное исследование модели компенсации ложных сигналов, обусловленных неколлинеарностью магнитных осей дифференциального магнитомодуляционного преобразователя.

3.1. Влияние технологических факторов на обеспечение коллинеарности магнитных осей магнитомодуляционного преобразователя.

3.2. Определение условий появления максимального ложного сигнала при ориентации преобразователя относительно поперечной Hz компоненты поля Земли.

3.3. Расчёт компенсирующих магнитных полей ферромагнитных элементов в модели дипольного приближения при влиянии поперечной Hz компоненты поля Земли.

3.4. Расчёт компенсирующих магнитных полей в модели аксиально-симметричного распределения магнитных зарядов по поверхности элементов при влиянии поперечной Hz компоненты поля Земли.

3.5. Зависимость компенсирующего поля AHZ от компенсационного расстояния при линейной характеристики намагничивания материала компенсационного элемента.

3.6. Оценка зависимости компенсирующего поля AHzot различной магнитной восприимчивости формы компенсационного элемента при линейной характеристики намагничивания материала элемента.

3.7. Оценка зависимости компенсирующего поля AHZ от установленного вне плоскости компенсации компенсационного элемента при линейной характеристики намагничивания материала элемента.

3.8. Экспериментальное исследование влияния различной магнитной проницаемости материала компенсационного элемента на компенсацию ложных сигналов от поперечной компоненты поля.

3.9. Экспериментальное исследование влияния различной магнитной восприимчивости формы и диаметра компенсационного элемента на компенсацию ложных сигналов от поперечной компоненты поля.

3.10. Влияние компенсационного элемента при неортогональном его установлении в плоскости компенсации к концевой части магнито-чувствительного элемента, или при ортогональном - но вне неё, на компенсацию ложных сигналов преобразователя.

3.11. Определение геометрического положения компенсационного элемента относительно концевой части магниточувствительного элемента при влиянии Н2 компоненты поля.

3.12. Экспериментальное изучение зависимости компенсирующего поля от длины компенсационного элемента при влиянии Н2компоненты поля

3.13. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследования модели компенсации при влиянии Н2 компоненты поля.

3.14. Выводы.

Глава 4. Прикладное решение проблем компенсации ложных сигналов магнитомодуляционного преобразователя.

4.1. Влияние магнитных полей рассеяния компенсационных элементов друг на друга и на компенсацию ложных сигналов преобразователя.

4.2. Влияние гистерезисных явлений материала компенсационного элемента на компенсирующее поле.

4.3. Комплексные методики компенсации ложных сигналов преобразователя от Ну и Н2 компонент геомагнитного поля.

4.4. Измерительные средства для реализации модели компенсации ложных сигналов.

4.5. Результаты апробации компенсационной модели и измерительных средств при диагностике инородных ферромагнитных тел.

4.6. Выводы.

Научно-технический прогресс в разных областях науки, техники, медицины неразрывно связан с повышением эффективности существующих и разработкой новых, более чувствительных и точных средств измерения физических характеристик и технических параметров различных объектов. К таким средствам относится и феррозондовая аппаратура, характеризующаяся достаточно высокой чувствительностью и точностью, экономным потреблением энергии, высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, низкой себестоимостью и другими положительными качествами.

Среди феррозондовых измерительных средств особое место занимают дифференциальные магнитометры (градиентометры), предназначенные для обнаружения и измерения неоднородности магнитного поля (его градиента). Они используются, например, для неразрушающего контроля материалов и изделий, а также в поисковой обычной и специальной технике, в метрологии, для предоперационной диагностики и в операционной хирургии.

Необходимость в такой аппаратуре вызвана тем, что при поиске или локализации намагниченных предметов (материалов или примесных включений) по их магнитному полю рассеяния эффективнее измерять или индицировать не само магнитное поле, а его градиент. Обусловлено это тем, что поиск приходится вести на фоне магнитного поля Земли, напряженность которого обычно намного превосходит напряженность магнитного поля рассеяния искомого предмета и тем самым препятствует его обнаружению. Высокая пространственная однородность геомагнитного поля (градиент менее 25 гамм/км) [1] и неоднородность магнитного поля рассеяния искомого предмета, делают поиск или локализацию его по градиенту поля рассеяния наиболее успешным.

Однако эффективность применения высокочувствительной феррозондо-вой аппаратуры существенно ограничивается помехами выходного сигнала, появляющимися при изменении пространственной ориентации первичного магнитомодуляционного преобразователя (ММП) относительно вектора на7 пряженности однородного поля (в частности, геомагнитного #х). Для дифференциального преобразователя, работающего по схеме градиентометра, помехи характеризуются ложными сигналами, которые имитируют неоднородность магнитного поля, отсутствующую в действительности. Для преобразователя, работающего по схеме полемера, - квадратурной составляющей, приводящей к нежелательной загрузке избирательного усилителя (особенно при больших коэффициентах усиления) и дополнительным погрешностям измерения магнитных полей.

Одна из причин появления помех выходного сигнала связана с неидентичностью коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов (МЧЭ) дифференциального преобразователя, в результате чего он оказывается чувствительным к влиянию продольной Ну компоненты (или горизонтальной составляющей) геомагнитного поля Нт. Другая причина связана с неколлинеарностью (непараллельностью) магнитных осей (сердечников) магниточувствительных элементов относительно измерительной оси преобразователя, в результате чего магнитомодуляционный преобразователь оказывается чувствительным к влиянию поперечной Нг компоненты (или вертикальной составляющей) геомагнитного поля #х.

Проведенный анализ современного состояния вышеизложенных проблем показывает, что нет единой концепции их устранения. Существующие публикации в основном отражают узкоспецифические подходы к решению рассматриваемых проблем, связанные с технологическими, техническими и методическими рекомендациями снижения и устранения помех первичного магнитомодуляционного преобразователя. Судя по опубликованным исследованиям, наибольшее распространение получили технические решения. В том числе: механическая юстировка магниточувствительных элементов преобразователя; их магнитостатическое экранирование; напыление ферромагнитного покрытия на керамическую подложку, стержень, струну; электрические методы, а также модуляция ложного сигнала за счет вращения с определённой уг8 ловой частотой магнитомодуляционного преобразователя вокруг собственной измерительной (продольной) оси и другие.

Известные в настоящий момент решения рассматриваемых проблем снижения и устранения ложных сигналов первичного дифференциального преобразователя сложны в техническом исполнении, трудоемки, а в некоторых случаях, например, в медицине, а также в поисковой технике - малоэффективны или практически не реализуемы.

Таким образом, устранение ложных сигналов дифференциальных маг-нитомодуляционных преобразователей остаётся весьма актуальной задачей, обеспечивающей, наряду с решением самой проблемы, повышение чувствительности феррозондовой аппаратуры, точность локализации и измерения слабомагнитных постоянных полей, а также расширение её функциональных и технических возможностей за счет создания новых конструкций феррозон-довых преобразователей.

Для решения изложенных проблем предлагается модель компенсации ложных сигналов первичных магнитомодуляционных преобразователей напряженности магнитного поля, основанная на изменении магнитного состояния одного из магниточувствительных элементов дифференциального преобразователя на величину ложного сигнала путем воздействия на него магнитного поля рассеяния компенсационного элемента (КЭ), изготовленного из ферромагнитного материала, индуцированного одной из компонент геомагнитного поля #т.

Однако теоретически проблематично с достаточной точностью определить параметры компенсационных элементов, а следовательно, и точно рассчитать их магнитные поля рассеяния в произвольной точке, поскольку даже решение общей физической задачи намагничивания цилиндров конечной длины (А,<250) в однородном магнитном поле имеет приближенный характер, не говоря уже об оценке параметров и полей рассеяния коротких (Х<10) неоднородно намагничивающихся элементов, реализуемых в представляемой модели компенсации. 9

Поэтому для достаточно точного решения данной задачи и более полного понимания особенности физической картины намагничивания относительно коротких элементов цилиндрической формы, в работе предпринята попытка её рассмотреть в рамках различных физических моделей интерпретирующих распределение магнитных зарядов в ферромагнитном элементе. Очевидно, что такой системный подход дает возможность на новом качественном уровне получить теоретические результаты, провести их сравнительный анализ, обобщить и путём экспериментальных исследований их проверить, оценить влияние различных факторов на точность аппроксимации расчетных моделей, расширить представление о применимости моделей в решении проблем теории и практики электромагнетизма.

Цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы состоит: в теоретическом и экспериментальном исследовании ложных сигналов дифференциального магнитомодуляционного преобразователя и возможности их устранения; в частности, в определении основных физических условий и факторов, влияющих на компенсацию; в изучении применимости физических моделей дипольного, аксиально-симметричного поверхностного и объёмного распределения магнитных зарядов для расчётов параметров и магнитных полей рассеяния неоднородно намагничивающихся компенсационных элементов конечной длины (А,<10) и их зависимостей от различной магнитной проницаемости ц материала элемента, магнитной восприимчивости его формы аэф и других факторов; в прикладном решении проблемы, связанном с разработкой на основании полученных теоретических и экспериментальных результатов комплексных методик компенсации, а также измерительных средств для практической апробации представленной компенсационной модели.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

- исследовать технологические факторы, влияющие на формирование ложных сигналов при изготовлении дифференциальных магнитомодуляцион

10 ных преобразователей, и условия снижения и устранения этих сигналов технологическим путём;

- определить условия появления наибольших и наименьших по величине ложных сигналов при изменении пространственной ориентации магнито-модуляционного преобразователя относительно продольной Ну и поперечной Нг компонент геомагнитного поля Нт;

- рассчитать зависимости компенсирующих полей от длины неоднородно намагничивающихся компенсационных элементов (А,<10) в моделях дипольного приближения, аксиально-симметричного поверхностного и объёмного распределения магнитных зарядов и исследовать полученные результаты экспериментально;

- исследовать влияние магнитного поля рассеяния компенсационного элемента на второй магниточувствительный элемент преобразователя, а также влияние на этот элемент суммарного магнитного поля рассеяния компенсационного и первого магниточувствительного элементов в аппроксимации линейной характеристики намагничивания материала компенсационного элемента (//=сош*);

- теоретически и экспериментально изучить зависимости компенсирующего поля от различной магнитной проницаемости ц материала компенсационного элемента, его диаметра, различной магнитной восприимчивости формы аэф элемента, геометрического положения относительно концевой части магниточувствительного элемента, компенсационного расстояния и других факторов;

- провести сравнительный анализ применимости рассматриваемых физических моделей, интерпретирующих распределение магнитных зарядов в ферромагнитном элементе конечной длины, для расчетов параметров и магнитных полей рассеяния неоднородно намагничивающихся элементов, а также полученных в рамках этих моделей теоретических результатов с экспериментальными, оценить влияние различных факторов на точность аппроксимации расчетных моделей;

11

- исследовать влияние магнитных полей рассеяния компенсационных элементов друг на друга и на один из магниточувствительных элементов дифференциального преобразователя при одновременной компенсации его ложных сигналов от воздействия продольной Ну и поперечной Нх компонент геомагнитного поля Ят;

- определить влияние гистерезисных явлений, проходящих в материале компенсационного элемента, на точность и стабильность компенсации ложных сигналов магнитомодуляционного преобразователя;

- разработать на основании полученных теоретических и экспериментальных результатов комплексные методики компенсации, а также измерительные средства для реализации рассматриваемой модели;

- исследовать модель компенсации ложных сигналов магнитомодуляционного преобразователя и разработанные измерительные средства в практических условиях: в частности, при медицинской диагностике и локализации инородных ферромагнитных тел.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определена теоретически и экспериментально зависимость компенсирующего поля от длины, диаметра, различной магнитной проницаемости ц, материала компенсационного элемента, геометрического положения относительно магниточувствительного элемента, гистерезисных явлений, взаимного влияния магнитных полей элементов друг на друга, компенсационного расстояния и других факторов;

- определены параметры компенсационного элемента, при которых компенсирующее поле становится в большей степени зависимым от магнитной проницаемости формы Цф элемента, чем от магнитной проницаемости ц его материала;

- показано, что максимальная величина компенсирующего поля определяется при неидентичности коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов минимальным компенсационным расстоянием, а при

12 неколлинеарности магнитных осей преобразователя - оптимальностью этого расстояния;

- установлено, что основным условием эффективной компенсации ложных сигналов является точное определение компенсационных плоскостей и расположение в них определенным образом компенсационных элементов, а именно: для компенсации влияния поперечной Я2 компоненты геомагнитного поля #т компенсационный элемент устанавливается в найденной компенсационной плоскости ортогонально к измерительной оси преобразователя и к одной из концевых частей одного из его сердечников с учетом полярности этой части; для компенсации влияния продольной Ну компоненты поля компенсационный элемент устанавливается в своей плоскости компенсации соосно к торцу магниточувствительного элемента с меньшим коэффициентом преобразования; причем точное установление компенсационного элемента в плоскости компенсации одновременно исключает влияние его магнитного поля рассеяния на этот магниточувствительный элемент, вызывающее возрастание величины ложного сигнала в момент воздействия на элементы преобразователя уже другой компоненты геомагнитного поля, продольной Ну или поперечной Я2;

- выявлено, что воздействие суммарного магнитного поля рассеяния одного из магниточувствительных и компенсационного элементов на другой магниточувствительный элемент преобразователя приводит к значительному уменьшению компенсирующего поля, особенно при установлении компенсационного элемента вплотную к торцевой части магниточувствительного элемента, поэтому для снижения и устранения этого эффекта необходимо тщательно подбирать параметры компенсационного элемента и компенсационное расстояние или увеличивать рабочую базу магниточувствительных элементов;

- установлено, что при малых длинах компенсационного элемента компенсирующее поле существенно зависит от его различной магнитной восприимчивости аэф обусловленной различием формы концевой части, поэтому для

13 уменьшения этой зависимости необходимо использовать элементы с неско-шенной концевой частью;

- показано, что расчеты параметров и магнитных полей рассеяния неоднородно намагничивающихся компенсационных элементов в модели ди-польного взаимодействия магнитных зарядов дают весьма приближенные результаты. Расчеты же в моделях аксиально-симметричного поверхностного и объемного распределения магнитных зарядов позволяют наиболее полно выявить и качественно оценить физические условия и факторы, определяющие компенсацию ложных сигналов;

- разработаны оригинальная конструкция магнитомодуляционного преобразователя и дифференциальный магнитометр, позволяющие реализовать предложенными методическими рекомендациями представленную модель компенсации ложных сигналов преобразователя непосредственно на электронной схеме прибора без дополнительных технических затрат и изменений его рабочих параметров;

Новизна результатов работы подтверждена тремя патентами Российской Федерации.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Разработаны комплексные методики для независимой друг от друга или одновременной компенсации ложных сигналов дифференциального магнитомодуляционного преобразователя от влияния продольной Ну и поперечной Нг компонент геомагнитного поля Нт. Теоретические и экспериментальные результаты, представленные в графической форме, можно использовать в качестве справочного материала для эффективного определения параметров компенсационного элемента.

Результаты апробации компенсационной модели и конструкции преобразователя показали наряду с эффективным устранением ложных сигналов повышение чувствительности феррозондовой аппаратуры, точности локализации и измерений слабомагнитных постоянных полей, а также расширение её функциональных и технических возможностей за счет создания новых кон

14 струкций магнитомодуляционных преобразователей, например, для медицины, в частности, для общей хирургии и малоинвазивных операций - трехком-понентных зондов-игл длиной 150-200 мм, для скрытого поиска огнестрельного и холодного оружия, выявления специальной аппаратуры прослушивания и записи - однокомпонентных миниатюрных датчиков в виде ручек, для неразрушающего контроля материалов, в частности, локального определения и измерения а-фазы аустенитных сталей в изделиях толщиной до 4-5 мм и для метрологии - высокочувствительных измерительных средств и так далее.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- результаты исследования технологических факторов и условий, влияющих на формирование ложных сигналов дифференциального магнито-модуляционного преобразователя, а также причины, объясняющие невозможность их устранения технологическим путем;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости компенсирующего поля от длины, диаметра, различной магнитной проницаемости ц материала компенсационного элемента, различной магнитной восприимчивости ®ф элемента, обусловленной различием формы концевой части, геометрического положения относительно магниточувствительного элемента, компенсационного расстояния и других факторов влияющих на компенсацию;

- выявленные условия эффективной компенсации ложных сигналов преобразователя, связанные с точным определением компенсационных плоскостей и расположением в них определенным образом компенсационных элементов;

- результаты исследования влияния магнитного поля рассеяния компенсационного элемента на второй магниточувствительный элемент дифференциального преобразователя, а также влияния на этот элемент суммарного магнитного поля рассеяния компенсационного и первого магниточувствительного элементов;

15

- результаты исследования взаимного влияние магнитных полей рассеяния компенсационных элементов друг на друга и на один из магниточувст-вительных элементов дифференциального преобразователя при одновременной компенсации его ложных сигналов от воздействия продольной Ну и поперечной Нг компонент геомагнитного поля #т;

- комплексные методики и устройства для осуществления независимой друг от друга или одновременной компенсации ложных сигналов магнитомо-дуляционного преобразователя, обусловленных воздействием продольной Ну и поперечной Нг компонент геомагнитного поля #т;

- практические результаты апробации модели компенсации и разработанных измерительных средств при медицинской диагностике и локализации инородных ферромагнитных тел.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на: XVII Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами», Екатеринбург, 1997; Уральской региональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы офтальмологии», Екатеринбург, 1997; Научной сессии Института физики металлов УрО РАН по итогам 1997 года, Екатеринбург, 1998; XV Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999; XIX Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами», Уфа, 2000.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 научные работы в том числе получены три патента Российского агентства по патентам и товарным знакам.

Объём работы. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы, включающий 102 наименования. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Показано, что существующая в настоящий момент технология изготовления, например, пятимиллиметровых магниточувствительных элементов преобразователя не позволяет устранить ложные сигналы, поскольку погрешности, обусловленные различием длин пермаллоевых сердечников порядка 10 мкм или такой же величины технологическим допуском, предусмотренным ГОСТом на соответствующий диаметр выпускаемой магнитомягкой проволоки, формируют ложные сигналы при напряженности геомагнитного поля Нт = 0,5 Э (40 А/м) порядка 400 гамм.

2. Установлена теоретически и экспериментально зависимость компенсирующего поля от длины, диаметра, различной магнитной проницаемости

159 материала компенсационного элемента, геометрического положения относительно магниточувствительного элемента, гистерезисных явлений, взаимного влияния магнитных полей элементов друг на друга, компенсационного расстояния и других факторов; при этом:

- выявлено, что при диаметрах компенсационных элементов более 1,5 мм компенсирующее поле становится в большей степени зависимо от магнитной проницаемости формы щ, элемента, чем от высокой магнитной проницаемости \х его материала;

- выявлено, что максимальная величина компенсирующего поля определяется при неидентичности коэффициентов преобразования магниточувст-вительных элементов минимальным компенсационным расстоянием, а при неколлинеарности магнитных осей преобразователя - оптимальностью этого расстояния.

3. Установлено, что основным условием эффективной компенсации ложных сигналов является точное определение компенсационных плоскостей и расположение в них определенным образом компенсационных элементов, а именно: для компенсации влияния поперечной Нг компоненты геомагнитного поля Нт компенсационный элемент устанавливается в найденной компенсационной плоскости ортогонально к измерительной оси преобразователя и к одной из концевых частей одного из его сердечников с учетом полярности этой части; для компенсации влияния продольной Яу компоненты компенсационный элемент устанавливается в своей плоскости компенсации соосно к торцу магниточувствительного элемента с меньшим коэффициентом преобразования; причем точное установление компенсационного элемента в плоскости компенсации, одновременно исключает влияние его магнитного поля рассеяния на этот магниточувствительный элемент, вызывающее возрастание величины ложного сигнала в момент воздействия на элементы преобразователя уже другой компоненты геомагнитного поля Нг, продольной #у или поперечной Я2;

160

4. Выявлено, что при воздействии суммарного магнитного поля рассеяния одного из магниточувствительных и компенсационного элементов на другой магниточувствительный элемент преобразователя значительно уменьшается компенсирующее поле, но особенно существенно оно изменяется при установлении компенсационного элемента вплотную к торцу магниточувстви-тельного элемента, поэтому для снижения и устранения этого эффекта необходимо тщательно подбирать параметры элемента и компенсационное расстояние или увеличивать рабочую базу магниточувствительных элементов, например, до 20 мм.

5. Выявлено, что при выборе компенсационного элемента длиной менее четырех миллиметров, компенсирующее поле существенно зависит от различной магнитной восприимчивости щ элемента, обусловленной различием формы его концевой части, поэтому для уменьшения этой зависимости необходимо использовать компенсационные элементы с нескошенной концевой частью.

6. Показано, что расчеты параметров и магнитных полей рассеяния неоднородно намагничивающихся компенсационных элементов конечной длины и их различных зависимостей в рамках модели дипольного взаимодействия магнитных зарядов дают весьма приближенные результаты, что связано с несовершенством расчётных формул для аппроксимации магнитной восприимчивости формы аэф элементов в интервале X от 1 до 10, поэтому для оценки более тонких закономерностей компенсации ложных сигналов модель недостаточно эффективна; расчеты же в моделях аксиально-симметричного поверхностного и объемного распределения магнитных зарядов, позволяют наиболее полно выявить и качественно оценить физические условия и факторы, определяющие компенсацию ложных сигналов, определять из графиков с учетом экспериментальных результатов требуемые для эффективной компенсации параметры компенсационных элементов, использовать полученные результаты в качестве справочного материала; в то же время при определенных длинах компенсационного элемента они дают результаты, отличающиеся от

161 экспериментальных, что связано с недостатками расчетных моделей и экспериментальной погрешностью.

7. Установлено, что материал компенсационного элемента необходимо отжигать, а его магнитная проницаемость должна соответствовать по возможности магнитной проницаемости материала, из которого изготовлены сердечники магниточувствительных элементов.

8. Предложены комплексные методики для осуществления независимой друг от друга или одновременной компенсации ложных сигналов магнитомо-дуляционного преобразователя, обусловленных воздействием продольной Яу и поперечной Нг компонент геомагнитного поля #т.

9. Разработаны оригинальная конструкция магнитомодуляционного преобразователя и переносной дифференциальный магнитометр, позволяющие реализовать методики компенсации непосредственно на электронной схеме прибора без дополнительных технических затрат.

10. Показано, что предложенная модель компенсации и разработанные с учетом её рекомендаций измерительные средства, кроме эффективного устранения ложных сигналов первичного магнитомодуляционного преобразователя повышают чувствительность феррозондовой аппаратуры и точность локализации неоднородностей магнитного поля.

162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований ложных сигналов дифференциальных магнитомодуляционных преобразователей, обусловленных наличием продольной и поперечной компонент геомагнитного поля, неидентичностью коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов и неколлинеарностью их магнитных осей относительно измерительной оси преобразователя, и изучения возможности их устранения в представленной модели компенсации, определены основные физические условия и факторы влияющие на механизм явления ложных сигналов и их компенсацию; изучена применимость физических моделей ди-польного, аксиально-симметричного поверхностного и объёмного распределения магнитных зарядов для расчетов параметров и магнитных полей рассеяния неоднородно намагничивающихся компенсационных элементов конечной длины и их зависимости от различной магнитной проницаемости материала элемента, его различной магнитной восприимчивости аэф обусловленной различием формы концевой части и других факторов; на основании полученных результатов разработаны комплексные методики компенсации, а также оригинальные измерительные средства для практической апробации рассматриваемой компенсационной модели.

1. Магниторазведка. Справочник геофизика. Под ред. Никитского В.Е. и Глебовского Ю.С. - М.: Недра, 1980, 368 с.

2. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. Часть I. Постоянное электрическое и магнитное поле М.- Л.: ОНТИ, 1934, 230 с.

3. Aschenbrenner Н. u. Goubau G. Hochfrequenztechnik и. Elektroakustik, 1936, 47, 6, с. 177.

4. Feldkeller R. Stuttgarter Arbeitsgemeinschaft 1943, 42; Schriften der Deutschen Akademie der Luftfahztforschung, Heft 1067/43 g.

5. Wurm M. Zs. f. Angew. Phys., 1950,2, № 5, c. 210.

6. Розенблат M.A. Радиотехника, 1956, 11, № 8, с. 36.

7. Янус Р.И., Фридман Л.А., Дрожжина В.И. К теории дифференциальных феррозондов с продольным возбуждением. Сборник трудов ИФМ АН СССР. - Свердловск, 1959, вып. 21, с. 313-325.

8. Веденев М.А., Дрожжина В.И., Фридман Л.А. К вопросу о расчете феррозондов. Сборник трудов ИФМ АН СССР. - Свердловск, 1965, в. 24, с. 110.

9. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л.: Энергия, 1969, 165 с.

10. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л. Энергоатомиздат, 1986, 188 с.

11. И. Бенклевская Н.П., Щербинин В.Е., Бурцев Г.А. и др. О работе феррозондовых преобразователей в сильнонеоднародном магнитном поле. Дефектоскопия, 1988, № 5, с. 43-47.

12. Афанасьев Ю.В., Афанасьев А.Ю. Информационные возможности квантовых (прецессионных) приборов, помещенных в сильное дополнительное поле. Геофизическая аппаратура. - Л.: Недра, 1981, вып. 73, с. 45-58.

13. Беркман Р.Я., Федоров В.М. Анализ влияния несимметрии сердечника на уход нуля магнитного модулятора во внешнем магнитном поле. Вопросы теории электрических цепей для преобразования измерительной информации. - Киев: Наукова Думка, 1967, с. 59.163

14. Беркман Р.Я., Тымчук X.K. Ложные сигналы и погрешности феррозондо-вых измерительных устройств. Геофизическая аппаратура. - Л.: Недра, 1971, вып. 47, с. 45 - 54.

15. Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Щелкин А.П. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л.: Энергия, 1972, 223 с.

16. Дрожжина В.И., Реутов Ю.Я. Феррозондовый полюсоискатель на транзисторах ПФТ-1. Дефектоскопия, 1971, №2, с. 33 - 36.

17. Грицевский Ю.Р., Сергеева М.Г., Муляров М.Я. Улучшение качества катушек феррозондовых преобразователей. Труды НИКИМП. Неразру-шающий контроль качества изделий. - М.: 1974, вып. 6, с. 98 - 104.

18. Ильичев В.Я., Шнырев П.Д. Новый способ изготовления сердечников для феррозондов. Дефектоскопия, 1975, № 6, с. 126 - 127.

19. Ильичев В.Я., Шнырев П.Д., Трескин С.А. Повышение качества сердечников к феррозондовым преобразователям. Труды НИКИМП. Неразру-шающий контроль качества изделий. - М.: 1974, вып. 6, с. 96 - 98.

20. Чернова Г.С., Табачник В.П., Фридман В.Я. Нарезка идентичных сердечников феррозонда. Дефектоскопия, 1981, № 8, с. 109 -112.

21. Афанасьев Ю.В., Горобей В.И., Прищепа В.А. Способ балансировки феррозонда. А. с. СССР № 785809. Бюл. изобр., 1980, № 45.

22. Шнырев П.Д., Ильичев В.Я. Вопросы технологии изготовления феррозондов градиентометров. - Дефектоскопия, 1980, № 11, с. 111 - 112.

23. Obenschain A.W., Spring S.M. Способ уменьшения ошибок магнитометра и устройство для его реализации. Патент США № 4194150, 1980, т. 992, № 3.

24. Климов K.M. О методе определения составляющих сигнала небаланса выходных преобразователей магнитных градиентометров. Дефектоскопия, 1968, №6, с. 93-95.

25. Ефремов В.Ф., Люлик В.П. Методы компенсации аппаратурной погрешности дифференциального феррозондового магнитометра. Геофизическая аппаратура. - Л.: Недра, 1970, вып. 43, с. 26-34.164

26. Афанасьев Ю.В., Гольдреер И.Г., Долгинов С.Ш. Вопросы проектирования феррозондовых магнитометров. Сборник производственно - технической информации по геофизическому приборостроению. - Л.: 1960, вып. 5, с. 40-57.

27. Абзианидзе В.М. Автоматическая компенсация выходного сигнала феррозонда. Геофизическая аппаратура. — Л.: Недра, 1972, вып. 49, с. 27-29.

28. Черный А.М. Дифференциальный феррозонд. А. с. СССР № 960677. Бюл. изобр., 1982, № 35.

29. Пудов В.И. Реутов Ю.Я., Корзунин Г.С., Коротких С.А. Локализация инородных ферромагнитных тел с помощью феррозондового полюсоискателя ПФ-02. Медицинская техника, 1996, № 6, с. 28-33.

30. Афанасьев Ю.В., Ефремов В.Ф., Канторович B.JT. и др. Способ юстировки магниточувствительного блока трёхкомпонентного магнитометра. А. с. СССР № 205324. Бюл. изобр., 1966, № 23.

31. Schönstedt Е.О., Spring S.M. Магнитная компенсация несоосности датчиков магнитного градиометра. Патент США №3487459,1969, том 869, № 5.

32. Смирнов Б.М. Приборы для измерения параметров неоднородности магнитного поля. Труды метрологических институтов СССР. - JL: Энергия, 1978, вып. 215 (275) с. 34-36.

33. Förster F. Способ обеспечения параллельности магнитных осей двух датчиков в устройстве измерения разности магнитных полей. Патент США № 4384253, 1983, т. 1030, № з.

34. Förster F. Прибор для определения градиента магнитного поля с устройством для установки датчиков параллельно друг другу. Патент США № 3982179, 1976, т. 950, №3.

35. Förster F. Детектор градиента магнитного поля. Заявка Великобритании № 1445063, 1976, № 4548.

36. Ефремов В.Ф., Люлик В.П., Алексеева Г.Д., Виноградов В.М. Феррозондо-вый градиентометр. A.c. СССР № 297014. Бюл. изобр., 1971, № 9.165

37. Ефремов В.Ф. Характеристики и погрешности МЧЭ феррозондового гради ентометра. Геофизическая аппаратура. - JL: Недра, 1972, в. № 50, с. 42-47.

38. Жукова Г.А., Шкарлет Ю.М. Способ изготовления феррозондов. А. с. СССР № 725050. Бюл. изобр., 1980, № 12.

39. Афанасьев Ю.В. О квадратурной составляющей выходной э.д.с. феррозонда. Геофизическое приборостроение. - JL: 1960, вып. 7, с. 17 - 24.

40. Афанасьев Ю.В., Скрынников Р.Г. Учет угловых погрешностей при компенсации вариаций геомагнитного поля. Труды метрологических институтов СССР. - Л.: Энергия, 1972, вып. 140 (200) с. 64 - 68.

41. Бушуев Л.Я. Погрешность автокомпенсации индукции магнитных полей в феррозондовой системе. Труды метрологических институтов СССР. - Л.: Энергия, 1972, вып. № 140(200), с. 69-73.

42. Патент США № 3488579, кл. 324-43, 1970.

43. Смирнов Б.М. Градиентометр. А. с. СССР № 687425. Бюл. изобр., 1979, 35.

44. Хвостов О.П., Аверкиев В.В., Бебекин В.А. и др. Автоматический компенсатор магнитных помех. А. с. СССР № 811179. Бюл. изобр., 1981, № 9.

45. Kerry West В., Kretzschnar John L. Схема магнитометра с насыщенным сердечником, имеющая устройство для компенсации земного поля. Патент США №4293815, 1981, т. 1011, №1.

46. Burbank Мах В., Ridge Maple, Lomnes Randy. Способ и устройство для компенсации градиометра, имеющего нежелательные компоненты сигнала. -Патент США № 4386318, 1983, т.ЮЗО, № 5.

47. Устройство магнетометра с компенсацией магнитного поля земли. Заявка ФРГ № 3129733,1982, № 36.

48. Способ и устройство для автоматической компенсации механических ошибок магнитного градиентометра. Заявка Франции № 2558599, 1985, № 30.

49. Brenner L.C., Church F.V. Магнитная измерительная система с цифровой компенсацией. Патент США № 3697870, 1972, т. 903, № 2.166

50. Афанасьев Ю.В., Алексеев Ю.В., Смирнов Б.М. Градиентометрический блок градиентометра. А. с. СССР № 1221623. Бюл. изобр., 1986, № 12.

51. Yamato Hajime Н., Yokohama Yutaka I. Градиентометр с компенсационными обмотками для измерения магнитных полей. Патент США № 5113136, 1990, т. 1138, №2.

52. Афанасьев Ю.В., Алексеев Ю.В. Устройство для измерения градиента магнитного поля. А. с. СССР, № 160596. Бюл. изобр., 1964, № 4.

53. Гриньков Э.Д., Литкенс Е.С., Митинков В.В. и др. Компенсация погрешностей феррозондового градиентометра. Геофизическая аппаратура. - Л.: Недра, 1965, вып. № 26, с. 26 - 28.

54. Смирнов Б.М., Бобков Ю.Н. Устройство для измерения параметров магнитного поля. А. а. СССР № 1656349. Бюл. изобр., 1991, № 22.

55. Афанасьев Ю.В., Алексеев Ю.В. Устройство для измерения градиента магнитного поля. А. а. СССР № 232533. Бюл. изобр., 1969, № 1.

56. Пономарев Ю.Ф. Исследование электромагнитных явлений в магнитных модуляторах. Кандидатская диссертация. Свердловск. 1966, 180 с.

57. Абрамзон Г.В., Обоишев Ю.П. Индукционные измерительные преобразователи переменных магнитных полей. Л.: Энергоатомиздат, 1984, 118 с.

58. Сплавы прецизионные магнито-мягкие. ГОСТ 10160-75. М.: Госстандарт СССР, 68 с.

59. Реутов Ю.Я., Пудов В.И. Разделение технологических факторов, обусловливающих влияние однородного поля на точность феррозондового градиентометра. Дефектоскопия, 1998, № 1, с. 28-33.

60. Реутов Ю.Я., Литвиненко A.A. Об эффективности борьбы с помехами путем градиентометрического соединения магниточувствительных элементов. -Дефектоскопия, 1989, № 3, с. 76-82.

61. Пудов В.И., Корзунин Г.С., Реутов Ю.Я. Физическая модель компенсации коэффициентов неидентичности МЧЭ дифференциального преобразовате167ля. Тезисы докладов XVII Региональной научно-технической конференции. Екатеринбург, 1997, II часть, с. 109-110.

62. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965, 848 с.

63. Реутов Ю.Я., Пудов В.И. О компенсации ложных сигналов градиентомет-рического феррозонда. Дефектоскопия, 1998, № 2, с. 18-22.

64. Пудов В.И. О компенсации неидентичности коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов феррозонда. Дефектоскопия, 1999, №1, с. 19-31.

65. Раевский Е.И., Жаков C.B., Гасс В.Г., Коробейников А.Ю. Применение магнитомягких ферромагнетиков для оптимизации магнитных систем из постоянных магнитов. Электротехника, 1995, № 6, с. 5-8.

66. Пудов В.И., Жаков C.B. Определение возможности компенсации ложного сигнала, обусловленного неидентичностью коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов градиентометрического феррозонда. -Дефектоскопия, 2000, № 9, с. 36-49.

67. Норри Д., де Фриз Ж. Ведение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1981,304 с.

68. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров электриков. - М.: Мир, 1986, 230 с.

69. Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник под редакцией Пятина Ю.М. М: Машиностроение, 1982, 528 с.

70. Osborn J. A. Phys. Rev., 1945, 67, № Ц-12, с. 351.

71. Чечерников В. И. Магнитные измерения. М.: МГУ, 1963, 284 с.168

72. Постоянные магниты. Справочник. Под ред. Пятина Ю.М. М.: Энергия, 1980,488 с.

73. Бурцев ГЛ. Исследование статических и динамических характеристик ферромагнитных стержней конечной длины при их циклическом перемаг-ничивании. Автореферат кандидатской диссертации. Свердловск, 1969.

74. Бурцев Г.А. Расчет коэффициента размагничивания цилиндрических стержней. Дефектоскопия, 1971, № 5, с. 20-30.

75. Warmuth К. Arch. Electrotech., 1937,31,2,124.

76. Warmuth К. Arch. Electrotech., 1939, 33,12, 747.

77. Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Куликов В.А. Устройство для локализации инородного ферромагнитного тела в полости глаза и орбиты. Патент RU № 2090138, 1997, Бюл. изобр., № 26, с. 285.

78. Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Хорев В.Н. и др. Средства измерений параметров магнитного поля. JL: Энергия, 1979, 320 с.

79. Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Корзунин Г.С. Физическая модель компенсации несоосности дифференциального преобразователя. Тезисы докладов XVII Региональной научно-технической конференции. Екатеринбург, 1997, II часть, с. 107-108.

80. Пудов В.И. О компенсации ложного сигнала обусловленного неколлинеарностью магнитных осей дифференциального магнитомодуляционного преобразования. Теоретическая часть (I). Дефектоскопия, 2000, №4, с. 18-27.

81. Афанасьев Ю.В., Люлик В.П., Алексеева Г.Д. Магнитометрическая аппаратура космических станций "Луна-10", "Венера-4". Космические исследования, 1968, том 6, № 5, с. 772-781.

82. Афанасьев Ю.В. О погрешностях трёхкомпонентного магнитометра. -Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1968, вып. 38, с. 15-25.

83. Заборовский А.И. Земной магнетизм. М. - Л.: НКТП СССР, 1932, 180 с.

84. Ангенхейстер Г., Бартельс Ю. Магнитное поле земли. М.- Л.: НКТП СССР, 1936, 152 с.169

85. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. M.-JL: Госэнерго-издат, 1962, с. 171.

86. Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982, 520 с.

87. Пудов В.И., Жаков C.B. Определение возможности компенсации ложного сигнала, обусловленного неколлинеарностью магнитных осей дифференциального магнитомодуляционного преобразователя. Теоретическая часть (II). Дефектоскопия, 2000, №> 7, с. 15-28.

88. Пудов В.И. О компенсации ложного сигнала обусловленного неколлинеарностью магнитных осей дифференциального магнитомодуляционного преобразователя. Экспериментальная часть. Дефектоскопия, 2000, № 4, с. 28-36.

89. Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Веденёв М.А., Куликов В.А. Устройство для локализации инородного ферромагнитного тела в полости глаза и орбиты. -Патент RU № 2090137, Бюл. изобр., №> 26, 1997, с. 285.

90. Пономарев Ю.Ф. Обобщенный подход к гармоническому анализу намагниченности ферромагнитных тел. Докторская диссертация. Екатеринбург, 1992.

91. Реутов Ю.Я., Пудов В.И. Гистерезисные явления при компенсации сигналов феррозондов градиентометров. - Дефектоскопия, 2000, № 4, с. 15-17.170

92. Пудов В.И. Метод балансировки дифференциального преобразователя градиентометра. Тезисы докладов XVII Региональной научно-технической конференции. Екатеринбург, 1997, II часть, с. 111-112.

93. Пудов В.И. К вопросу балансировки дифференциального феррозондового преобразователя. Дефектоскопия, 1997, № 11, с. 33-36.

94. Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Веденев М.А., Куликов В.А. Способ балансировки феррозонда с двумя соосно расположенными чувствительными элементами. Патент 1Ш № 2053712. Бюл. изобр., № 4,1996, с. 143.

95. Пудов В.И. Методы компенсации ложных сигналов магнитомодуляцион-ных преобразователей. Тезисы докладов XIX Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами». Уфа, 2000, с. 42-43.

96. Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Коротких С.А., Веденев М.А.Ярименение универсального феррозондового полюсоискателя ПФ-01 в медицине. Медицинская техника. 1992, № 4, с. 19-23.

97. Пудов В.И., Реутов Ю.Я., Коротких С.А. Феррозондовая диагностика инородных ферромагнитных тел. Сборник статей «Актуальные вопросы офтальмологии». Под ред. профессора Коротких С.А. УГМА, Екатеринбург, 1997, с. 38-39.

98. Пудов В. И., Реутов Ю. Я., Корзунин Г. С. Применение феррозондовых полюсоискателей в медицине. Тезисы докладов 15 Российской научно -технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». -Москва, 1999, т. 2, с. 342.

99. Пудов В.И., Ригмант М.Б. Применение трехкомпонентного феррозондового датчика при малоинвазивных операциях. Тезисы докладов 15 Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». Москва, 1999, т. 1, с. 410.