Разработка матричных преобразователей магнитного поля применительно к неразрушающему контролю ферромагнитных изделий и сварных соединений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

РГ6 од

г г

ШЛЕЕНКОВ Александр Сергеевич

РАЗРАБОТКА МАТРИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К НЕРАЗРУШАЮЩЕМУ КОНТРОЛЮ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

01.04.11 - физика магнитных явлений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 1998

Работа выполнена в Институте физики металлов УрО РАН

Официальные оппоненты: доктор технических наук, член-корреспоцдент РАН Горкунов Эдуард Степанович

доктор технических наук, профессор Мужицкий Владимир Федорович

доктор физико-математических наук Соколов Олег Борисович

Ведущая организация - Уральский научно-исследовательский институт трубной промышленности АО "Урал НИТИ", г. Челябинск

Защита состоится "20 "еи^гЛ&Р 1998 г. в /Я часов на заседании диссертационного совета Д 002.03.01 в Институте физики металлов УрО РАН по адресу: 620219, ГСП-170, ул. С. Ковалевской, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН

Автореферат разослан " 3 " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Магнитные и электромагнитные методы неразрушающего контроля (НК) находят широкое применение в различных отраслях промышленности, успешно конкурируя с ультразвуковыми и радиационными методами благодаря возможности бесконтактного съема информации, высокой скорости контроля и безопасности в радиационном отношении.

Эти достоинства особенно важны в нынешней ситуации, когда остро стоит вопрос о сплошной автоматизации НК, а условия проведения НК зачастую далеки от идеальных (агрессивная среда, высокая температура контролируемой поверхности, вибрация, скорость движения изделия в потоке и т.д.).

Применение в этих условиях миниатюрных одиночных датчиков с точной механической системой сканирования нереально. В связи с этим возникла идея создания систем с электронным сканированием, содержащих множество одиночных магниточувствительных элементов (МЭ), из которых формируются линейки и матрицы. Такие системы получили название "матричные преобразователи" (МП). Преимущества их очевидны, однако, несмотря на большое число публикаций проблема создания магнитных дефектоскопов с матричными преобразователями удовлетворительного решения до сих пор не получила. Разработано большое количество "гипотетических" МП, реально существуют единичные опытные образцы, и то их характеристики далеки от промышленных требований.

Анализ возникшей ситуации указывает, по крайней мере, на две причины, препятствующие промышленному применению матричных преобразователей. Это, во-первых, сложная технология их изготовления, основанная на применении ручного труда и связанная с ней сложность получения преобразователей с идентичными характеристиками (как в пределах самой матрицы, так и между матрицами), а, во-вторых, стремление разработчиков создавать матричные сенсоры на старой элементной базе - на основе известных ранее МЭ - с использованием традиционных для цифровой техники решений, без учета специфики магнитной дефектоскопии.

Для выявления микротрещин требуются МЭ с микронными размерами, высокой чувствительностью (сотые и тысячные доли А/см), широким диапазоном измерений (сотни А/см), высокой эксплуатационной надежностью и термостабильностью, а также стойкостью к рентгеновскому и радиоактивному излучениям. Преобразователей магнитного поля, в полной мере отвечающих перечисленным требованиям, в настоящее время не существует, а, следовательно, нет и соответствующих матричных преобразователей.

Все это тормозит дальнейшее развитие процесса автоматизации методов магнитной дефектоскопии. Устранение указанных недостатков требует разработки новых физических принципов измерения магнитного поля, которые позволили бы создавать твердотельные матричные преобразователи (сенсоры) с большим количеством МЭ субмикронных размеров на базе современных достижений полупроводниковой и магнитной микроэлектроники.

Актуальность работ в указанном направлении очевидна в связи с необходимостью решения важных научно-технических задач - организации высокоэффективного скоростного контроля нефтегазопроводных труб, а также насосно-компрессорных труб (НКТ), применяемых в нефтедобывающей промышленности, в технологическом потоке завода - изготовителя и в процессе эксплуатации.

До сих пор отечественной промышленностью не налажен выпуск приборов для магнитной дефектоскопии всего тела трубы, включая сварной шов и околошовную зону (в случае НК электросварных труб), обеспечивающих достаточную надежность, достоверность и информативность НК, а также высокие чувствительность и разрешающую способность, удовлетворяющие современным требованиям - стандартам ASTM, API, DIN, которые признаны во всем мире. Применение матричных преобразователей типа интеллектуальных сенсоров (ИС) делают эту проблему принципиально разрешимой.

Другой важной задачей машиностроения, металлургии, трубопроводного транспорта энергетики и других отраслей промышленности является оценка фактического состояния различных деталей, узлов и конструкций из ферромагнитных материалов, а также сварных соеди нений на основе расчета остаточного ресурса работоспособности поврежденных мест. Прове дение таких расчетов требует знания количественных характеристик геометрических парамет ров дефектов, что предполагает применение компьютерной томографии как метода диагноста ки внутренней структуры объектов контроля по измеренному над его поверхностью простран ственному распределению магнитного поля (то есть магнитной томографии).

Необходимо отметить, что при практической реализации концепции магнитной томе графиии есть серьезная опасность того, что даже удачные теоретические решения обратно задачи (03) магнитной дефектоскопии не смогут быть применены на практике из-за недостг точно высокой точности измерений. Иными словами, для исследования полей микродефектс необходимы МЭ микроминиатюрных размеров. Современные методы нанотехнологии Morj позволить изготовить матричные преобразователи с МЭ субмикронных размеров, если предш жить соответствующие физические принципы.

В связи с вышеизложенным проблема синтеза матричных преобразователей высоко) разрешения является актуальной.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является развитие ново-о научного направления - разработка новых физических принципов измерения напряженности [агнитного поля и теории магниточувствительных элементов, позволяющих изготавливать ме-одами интегральной технологии матричные преобразователи высокой разрешающей способ-юсти для создания систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики, основанных на [рименении методов восстановления магнитных полей рассеяния, а также создание быстро-[ействующих компьютерных и автоматизированных систем для объемно-шовной магнитной кфектоскопии электросварных и горячекатаных газонефтепроводных и насосно-:омпрессорных труб в технологическом потоке и в процессе эксплуатации, имеющих важное [ародно-хозяйственное значение.

Исходя из поставленной цели, в работе последовательно решались следующие задачи:

1. Изучение физики нестационарных процессов, происходящих в электрических цепях, »держащих нелинейную индуктивность, при ее помещении во внешнее магнитное поле, а так-ке процессов безгистерезисного перемагничивания тонкой ферромагнитной пленки попереч-1ым и продольным импульсными магнитными полями с целью создания новых физических 1ринципов их измерения.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование работы магниточувствительных шементов, работающих на основе нестационарных процессов в цепях с нелинейной индуктив-юстью, феррозондовых тонкопленочных преобразователей с поперечным импульсным возбуждением, а также магниточувствительных преобразователей, основанных на явлении анизотропии магнетосопротивления в тонкой ферромагнитной пленке.

3. Теоретическое исследование влияния угловой и амплитудной дисперсии анизотропии в ферромагнитной пленке, температурного воздействия внешней среды, выделения тепла в обмотках возбуждения и собственных шумов на чувствительность преобразователей.

4. Разработка рекомендаций по проектированию и конструированию магниточувствительных элементов, а также принципов построения матричных преобразователей магнитного поля; оптимизация их параметров и оценка магнитного взаимовлияния ферроэлементов на погрешность измерений.

5. Синтез матричных и многоэлементных преобразователей высокого разрешения с применением методов интегральной технологии и создание на их основе однокристальных интеллектуальных сенсоров и компьютерной системы визуализации рельефа магнитного поля (магнитного микроскопа).

6. Анализ возможностей методов восстановления магнитного поля применительно к магнитной дефектоскопии, выбор методики восстановления, определение возможности количественной оценки параметров дефектов по экспериментально измеренному пространственному

распределению магнитных полей рассеяния, разработка новых принципов построения систе] магнитной микроскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразс вателей высокого разрешения.

7. Создание быстродействующих автоматизированных установок для высокоскоростно объемно—шовной дефектоскопии электросварных газонефтепроводных труб, а также насосно компрессорных труб нефтяного сортамента в технологическом потоке и в процессе эксплуат! ции, отвечающих современным требованиям.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Результаты выполненных и следований являются новыми и на защиту выносятся:

1. Нетрадиционный подход к решению обратной задачи дефектоскопии, основаннь на представлении магнитных полей рассеяния в виде ряда гармонических полиномов. Методи! определения геометрических размеров поверхностных дефектов по коэффициентам разложен] в ряд скалярного потенциала магнитного поля. Методика восстановления магнитного по. внутри и за пределами матричного преобразователя, позволяющая значительно повысить е разрешающую способность. Анализ возможных принципов построения систем магнитной ми роскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразователей высоко разрешения.

2. Принцип измерения и теория преобразователя магнитного поля, основанного на ш лизе параметров переходных процессов, протекающих в электрических цепях, содержащ нелинейную индуктивность (катушка с ферромагнитным сердечником). Аналитические за£ симости, аппроксимирующие передаточные функции магниточувствительных элементов с х нейно и экспоненциально возрастающим активным сопротивлением, а также преобразова' лей на основе колебательного контура с нелинейной индуктивностью.

3. Принцип измерения и теория тонкопленочного феррозондового преобразователя с I перечным импульсным возбуждением (ФПВ). Аналитические зависимости выходной Э, преобразователя от геометрических параметров и магнитных свойств магнитной пленки, а т же от величины внешнего (измеряемого) магнитного поля для случаев толстой и тонкой ши ки, учитывающие размагничивающий фактор и импульсный режим перемагничиван обеспечивающие возможность оптимизации параметров ФПВ при разработке матричных п образователей. Рекомендации по расширению динамического диапазона и схемы их реалу ции.

4. Принцип измерения и теория тонкопленочного магниточувствительного элеме1 основанного на явлении анизотропии магнетосопротивления в ферромагнитной пленке. Рас полевых зависимостей выходного сигнала преобразователя, позволивший установить, положение их экстремумов не зависит от величины и направления суммарного магнитного

и, действующего на пленочный элемент, при любом наклоне оси легкого намагничивания [ОЛН) относительно направления протекания тока. Разработанные на этой основе метод и устройство раздельного измерения двух компонент вектора напряженности магнитного поля в плоскости пленки одним и тем же МЭ.

5. Принцип синтеза структурных схем матричных преобразователей, визуализирующих магнитный рельеф, с использованием разработанных МЭ и различных типов устройств возбуждения и приема сигнала в сочетании с микропроцессорными устройствами и персональным компьютером. Методика расчета взаимовлияния ферроэлементов, образующих матрицу, алгоритмы коррекции передаточных функций МЭ и восстановления утерянной информации.

6. Изготовленные на основе предложенных рекомендаций различные типы многоэлементных преобразователей, а также изготовленные по интегральной технологии 256-элементный преобразователь н высокочувствительный интеллектуальный сенсор для магнитной дефектоскопии. Компьютерная система визуализации магнитных полей рассеяния (на основе матричного преобразователя) с пространственным разрешением 200 мкм.

7. Автоматизированные установки для НК качества шва электросварных спирально-шовных и прямошовных газонефтепроводных труб в технологическом потоке (всего около 30 установок НК). Компьютерная автоматизированная система магнитной дефектоскопии тела насосно—компрессорных труб нефтяного сортамента в технологическом потоке и в линиях по восстановлению труб, бывших в эксплуатации, автоматизированные системы для объемно-шовной дефектоскопии всего тела электросварных труб (включая шов и околошовную зону) в технологическом потоке, установка НК сварных соединений нефтяных бурильных труб в процессе эксплуатации и другие приборы НК ферромагнитных изделий и сварных соединений, в которых применены упомянутые выше матричные и многоэлементные преобразователи (в том числе интеллектуальный сенсор).

Новизна технических решений подтверждается 9 авторскими свидетельствами СССР и патентом РФ.

Научная н практическая значимость работы состоит в следующем:

Установлено сходство в постановке обратных задач магнитной дефектоскопии и гравиметрии, что позволило для получения количественных оценок параметров дефектов предложить новый нетрадиционный подход, основанный на представлении потенциала магнитного поля в виде ряда гармонических полиномов.

Показана перспективность методов восстановления магнитных полей рассеяния дефектов для создания систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразователей интегрального исполнения.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан! новые принципы измерения и теория одно- и двухкомпонентных тонкопленочных магните чувствительных элементов, основанных на различных физических явлениях, которые могу быть синтезированы методами интегральной технологии.

Созданы принципы построения матричных преобразователей магнитного поля на тонки ферромагнитных пленках, и синтезирован 256-элементный однокристальный сенсор с уникал: ными метрологическими характеристиками, на основе которого изготовлено устройство визу; лизации магнитного рельефа от различных источников магнитного возмущения с наибольши пространственным разрешением 200 мкм (магнитный микроскоп).

Разработанные тонкопленочные МЭ применены для создания высокочувствительнь интеллектуальных сенсоров для магнитной дефектоскопии, характеристики которых наибол полно удовлетворяют промышленным требованиям.

С помощью разработанных тонкопленочных матричных и многоэлементных преобраз вателей решена крупная прикладная проблема создания средств магнитной дефектоскопии вс го тела электросварных и горячекатаных нефтегазопроводных и насосно-компресорных тр> в том числе движущихся в технологическом потоке.

Созданные матричные преобразователи могут представлять интерес для других облает науки и техники, например, в исследованиях топографии поля от абрикосовских вихрей н высокотемпературными сверхпроводниками, визуализации доменной структуры и магнитн текстуры на поверхности ферромагнитных тел, контроля полей записи на различных носител магнитной информации для вычислительной техники, магнитных считывающих устройс и т.д.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на:

7-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю (Копенгаген, 199 14-ой Всемирной конференции по неразрушающему контролю (Нью-Дели, 1996); 14 Росс) ской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Моек 1995); 1-ой Международной конференции "Компьютерные методы и обратные задачи в нер рушающих методах контроля и диагностики" (Минск, 1995); 13-ой Российской науч технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Сан Петербург, 1993); 12-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие ( зические методы контроля" (Свердловск, 1990); Российской с международным участием к ференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии - 94" (Москва, 1994); 2-ой Hau нальной конференции по диагностике машин и сооружений (Варна, 1990); Межотраслевой учно-технической конференции "Контроль и диагностика общей техники" (Москва, 19: 11-ой Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы и средства контре

^Москва, 1987); XVII Уральской региональной конференции "Контроль технологий, изделий и жружающей среды физическими методами" (Екатеринбург, 1997).

Публикации. Материал диссертации опубликован в 50 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, где цана общая характеристика работы, 7 глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений, изложена на 400 страницах, содержит 35 таблиц, 176 рисунков, список использованной литературы включает 290 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы, постановке целей и задач исследований.

Синтез матричных преобразователей высокого разрешения следует осуществлять с учетом необходимости практического решения обратной задачи (03) магнитной дефектоскопии.

В связи с этим вторая глава посвящена поиску нетрадиционных подходов к этому вопросу. Так как все известные методы решения 03, опирающиеся на решение прямой задачи (ПЗ), не дали пока положительных результатов, значительный теоретический и практический интерес представляет малоизученная промежуточная задача - восстановление магнитного поля рассеяния вблизи дефекта по измерениям в отдельных точках.

Если обратиться к другим областям науки, можно найти сходство в постановке обратных задач магнитной дефектоскопии и гравиметрии. Скалярный потенциал магнитостатического поля в воздухе, как и потенциал силы тяжести Земли, является гармонической функцией. Это позволяет рассмотреть применительно к магнитной дефектоскопии задачу восстановления гармонической функции по измеренным значениям ее производной, которая часто возникает при решении ОЗ гравиметрии.

Из-за специфики гравиразведочных работ измерения часто проводятся на отрезке прямой или на ограниченном участке поверхности (площадная съемка). В этом смысле имеется прямая аналогия с матричным преобразователем.

Для гравиметрии задача восстановления гармонической функции является классической некорректной задачей, которая решается, например, методом регуляризации. При восстановлении магнитостатического поля дефекта эти трудности могут быть преодолены, и задача восстановления сведена к решению корректной краевой задачи для заданной области.

_ да

В случае если нормальная производная —- от скалярного потенциала <р измерена по

дп

некоторому замкнутому контуру, то значение потенциала можно найти, решив соответствующую задачу Неймана

др = 0;

дп

= /.- О)

' г

Выбрав область, для которой известна функция Грина, потенциал поля можно записат! в интегральной форме

= У.) + (2)

} дп

где йы - функция Грина задачи Неймана.

Так, например, если измерить /, на границе круга, то значения потенциала внутри круга можт найти по формуле Дини

Я2 г 1

р(г, Р)=р(Г.,Г0)+— |1п—//пУг,. (з:

Я о Р

где г, у - полярные координаты точки внутри круга;

Я, у/, - полярные координаты точки на окружности радиусом И;

Тогда выражения для компонент вектора напряженности магнитного поля Н имеют вид " к ;(х-Ясо51//,У + (у-Л эту,)2'

и - к Г *

(4:

(x-Rcosy/,) +(y-/?sin¡/,)

Для того чтобы определить число датчиков 2N, необходимое для восстановления мг нитного поля внутри круга, был проведен численный эксперимент по восстановлению поля г верхностной трещины (рис.1). Для начала предполагалось, что значения функции изк

рены точно. В этом случае при 2N 2; 64 Нх или Ну могут быть восстановлены с погреш!

стью S <0.5% в сравнении с теоретическими значениями (расчет по формуле Зацепин Щербинина) в пределах круга радиусом г < 0.9Х. При измерениях с некоторой инструм* тальной погрешностью еи установлено, что в худшем случае уже при 2N > 144 суммарная ¡ грешность е» восстановления компонент поля Нж и И не превышает инструментальную

грешность, по крайней мере, в круге радиусом г < ^. Аналогичные результаты были получены для расположения датчиков на границе прямоугольного контура (смоделирована ситуация измерения магнитного поля с помощью матричного преобразователя).

* М(ё,-а)

Рис.1. Расположение МЭ на окружности.

Рис. 2. Расположение заряженной нити.

Таким образом, было показано, что восстановление магнитного поля дает существенные преимущества по сравнению с его непосредственным измерением. Одно из главных преимуществ состоит в том, что может быть получена чрезвычайно высокая дискретность восстановления магнитных полей дефектов. То есть разрешение, не доступное существующим преобразователям, достигается программными средствами. Этот результат имеет важное практическое значение, так как расширяет область применения матричных преобразователей.

Рассмотренные интегральные представления потенциала поля, хотя и выглядят очень компактно, малоинформативны в плане получения сведений о форме и геометрических параметрах дефекта. Гораздо большие возможности дает представление потенциала в виде отрезка ряда гармонических полиномов

<р(г,у/) = СОБПЦ/ + В„г" БШГЦ!/)

(5)

Такое представление очень удобно, потому что коэффициенты А„ и В„ содержат информацию об источнике магнитного возмущения, в частности, сведения о форме дефекта и могут рассматриваться как признаки при его идентификации. В то же время сами коэффициенты

А„ и В„ или некоторые функционалы от них могут зависеть только от одного из геометрических параметров дефекта, что дает возможность определения этого параметра.

В диссертации исследовано влияние числа датчиков и их пространственного расположения на погрешность восстановления в виде отрезка ряда на примере полей заряженной нити и диполя, а также модельных дефектов (модели Зацепина - Щербинина и других авторов).

Наибольший интерес представляет расположение датчиков на окружности. Для восстановления магнитного поля достаточно измерить его компоненты в 32 точках (Ы > 16). Коэффициенты отрезка ряда гармонических полиномов в этом случае рационально определять не из системы линейных алгебраических уравнений, а как решение задачи Неймана для круга в виде коэффициентов Фурье по измеренным значениям компонент поля на окружности

1

а„ =--г/ собяу/.

иМГ1 Ъ! дг

1 .

В„ ---г/ зшпи/. .

" лМГ1 ^ дг Г'

(6)

где 2И - количество датчиков, расположенных на окружности радиуса Я; у/, = — (г-1),

N

/=1,2,з......гы.

Для оценки эффективности методики рассмотрено представление потенциала поля заряженной нити (рис. 2) в виде ряда гармонических полиномов. При а, с1 £ 1 выражение для потенциала нити имеет вид

р = - И.е —1п[г - (с/ - ш)], (7)

где а - линейная плотность зарядов; ¡л0 - магнитная постоянная. Применив разложение в ряд Тейлора, можно записать

о" " 00 / \

¿ЯМо ».О |_ л-1

Коэффициенты разложения в этом случае

(8)

А - * ■ В = ° а • ^

1жц0 а2 + с!1 ' ' 2яг//, а2+<1г ' (>

д а <12 -а2 __ст__ай

1 = 2яц0'г (о2+с/!)2 ' 2~ 2яц„\аг +(1г)г '

Отсюда следует важный вывод о зависимости коэффициентов А„, В„ от взаимного ра< положения начала координат (обычно совпадает с центром окружности, на которой располаг;

ются датчики) и источника магнитного возмущения. Следовательно, А„ и В„ содержит информацию, необходимую для решения ОЗ. Например, при (1=0

а 1

А|=0;

_ст___1_

'Ъсц. 2а2

Я.

2 л-д, а В, = 0; и т.д.

Отсюда а = и сг = 2л//0 • а • В,. Таким образом, для восстановления поля нити

достаточно определить только коэффициенты 5, и Аг-

Аналогичным образом показана информативность параметров А„, В„ в отношении искомых параметров диполя или поверхностной трещины (рис. 3,4).

ш

ш /

и

и

V

и

1\ 1 V (1 и

\ \ \ \ и V

04 и а й т

I и (I к </ | и и

Рис.3. Сходимость ряда гармонических полиномов к тангенциальной составляющей магнитного поля диполя:

- - точные значения Нх;

-N=8; -------- -N=10;

-N=12 ------- -N=14

Рис. 4. Сходимость ряда гармонических по линомов к тангенциальной составляющей магнитного поля поверхностного дефекта согласно модели Зацепина-Щербинина: --точные значения;--------N=8;

-------- -N=16

Особенный интерес представляет нахождение при помощи А„, В„ функционалов, зависящих от геометрических параметров дефекта. Такие функционалы были обнаружены для

узких трещин. На рис. 5 и 6 показана их зависимость от глубины и ширины трещины.

д

Функционал (I =--■--1, где у0 - расстояние от центра системы датчиков до по-

УЛ

верхности ферромагнетика, при Ье[0.00;0.1_у0] зависит только от глубины дефекта А.

Функционал (¡, =——--1 в пределах И е[уа;10у1,] не зависит от А, то есть позволяет од-

У,А

позначно определить ширину трещины 2 Ь.

функционала с1: Рис. 6. Зависимость полуширины трещины Ь Уу =0,001,0,01; --------=0,1; от функционала с() при И е[0,7;10]

-=0,2; --------=0,3

При переходе к нелинейной модели поля дефекта можно определить И по формуле

2(^-0.0б)Уо

о о:

1-(*/-0.0б)'

которая дает наилучшие результаты при определении А по экспериментальным данньн (рис.7). Погрешность в этом случае не превышает 10%.

Рис. 7. Сравнение теоретической (1), восстановленной (2), экспериментально измеренной (3) тангенциальной составляющей поля трещины с к=6; Ь=0,5; уо=6мм, Но=150 А/см

т

1 1 1 1 1 1

й- «1 «' / 1»

1 1 1 1 1 1

1 1

1з~ и> 1

Рис. 8. Зависимость индуктивности от тока возбуждения а) Не=0 б) -Н,<Н,<0

Для внутренних дефектов удается определить заглубленность центра цилиндрического тверстия по формуле

Таким образом, представление потенциала магнитостатического поля в виде ряда гармо-ических полиномов можно рассматривать как новый нетрадиционный подход к решению 03 агнитной дефектоскопии, который может быть развит и использован в системах магнитной икроскопии и томографии. В отличие от известных методов решения 03, опирающихся на ешение ПЗ, такой подход имеет преимущество в том, что отсутствует жесткая ориентация на рименение той или иной аналитической модели магнитного поля дефекта.

Известно, что отличительной особенностью томографических методов является много-акурсное обследование объекта контроля (ОК). На первый взгляд организация многоракурсно-э обследования в случае магнитной томографии (МТ) при одностороннем доступе к объекту онтроля дело проблематичное. Однако, если использовать изложенные выше результаты, ожно показать, что значения коэффициентов А„, В„ существенно меняются при перемеще-ии центра наблюдения (центра круга с датчиками, всегда расположенного в воздухе) относи-ельно дефекта. Измерив с необходимой точностью и разрешением (с помощью матричного реобразователя, например) распределение Н в некоторой прямоугольной области (двумерная здача), расположенной в воздухе над ферромагнетиком с дефектом, можно смоделировать с омощью компьютера расположение "фиктивных" МЭ на круге нужного радиуса и определить 1„, Вп, зависящие' от формы и геометрических параметров дефекта, для множества положений ентра наблюдения, что приводит к многократному возрастанию объема измерительной ин-юрмации, а это увеличивает вероятность успешного решения задачи определения параметров ефекта.

В принципе, получающееся при этом многократное перемещение точек наблюдения со-тветствует многоракурсному обследованию ОК, свойственному лучевой томографии. Одна-о, вопрос выделения информативных признаков для случая магнитной томографии пока не-остаточно изучен.

Основной вывод, который следует из второй главы, - необходимость создания матрич-ых преобразователей максимально высокого разрешения. Для этого, как отмечалось выше, еобходимо разработать новые физические принципы измерения Н. Эти вопросы рассмотре-ы в 3, 4 и 5-й главах диссертации.

В третьей главе исследовано влияние внешнего магнитного поля на закономерности ротекания переходных процессов в электрических цепях, содержащих нелинейную индуктив-

(П)

ность. В приближении кусочно-линейной аппроксимации кривой намагничивания В(Н) мате риала сердечника зависимость индуктивности Ь от внешнего магнитного поля Не и тока пе реходного процесса I имеет вид

Н.+а-{

(12

tai1 vi1

где L — ¡л nd а- - величина индуктивности при насыщенном состоянии сердеч

4/

ника; п2 = - кратность изменения индуктивности; d,l - диаметр и длина сердечника

а - безразмерный параметр; w - число витков обмотки, которая нанесена на сердечник;

дифференциальная проницаемость сердечника в состоянии технического насыщения.

На рис. 8 приведены графики зависимости L(I) для значения внешнего поля Не = 0 (а): -H¡ < Нс < 0 (б). Характерные токи I* и 1~, соответствующие границам переходов в сс стояние технического насыщения, из (12) определяются как

„ (Я -Я,V (Я+Я.У „ -awt,t

/; =—-— и I, =-—-отсюда Я, =-(/; + /J, (13

aw ccw I

то есть линейным образом зависят от Я,.

Процесс установления тока в нелинейной индуктивности подчиняется дифференциал!

ному уравнению

Ul,H.)4L+rI = s., (14

at

где г - полное активное сопротивление цепи; е0 - ЭДС источника постоянного тока.

Из решения уравнения (14) следует, что при достижении током значения зависи мость I(t) имеет характерный излом, что может быть использовано для измерения поля Нс.

Другой нестационарный режим наблюдается при выключении тока. При этом в силу яе ления электромагнитной индукции невозможен режим "мгновенного" выключения. В качеств модели реального процесса выключения тока рассмотрена электрическая цепь с возрастающш во времени электрическим сопротивлением r(t).

Процесс в этом случае описывается уравнением

Щ,Н.)Ц- + г(*)1 = е. (15

at

Принцип действия МЭ с нелинейной индуктивностью и управляемым активным сопрс тивлением основан на изменении квазистационарного режима выключения на нестационарны при достижении током значения //, связанного линейным соотношением с полем Нс.

Решение уравнения (15) получено для 3-х законов возрастания активного сопротивления: а) скачкообразного; б) линейного г(г) = Я + р; в) экспоненциального г(1) = Яе'1. Из решения следует, что амплитудное значение е(1) не зависит от ЦНе) при скачкообразном изменении сопротивления. Наоборот, во втором и третьем случаях при достаточно большой кратности изменения индуктивности п2 и скорости возрастания сопротивления у ЭДС индуктивности после выхода сердечника из состояния технического насыщения характеризуется максимальным значением е2та, величина которого в первом приближении связана линейной зависимостью с измеряемым полем Не.

Крутизна преобразования при линейном законе нарастания сопротивления

^ехр (-Я), (16)

где V - объем сердечника.

При экспоненциальном законе нарастания сопротивления

« /¿„л2aw,S„fexp(-l), (17)

где S0 - поперечное сечение индуктивности.

Для обеспечения линейности передаточных характеристик необходимо обеспечить выполнение условий: R/1-> „ у-— « 1 _

/pyLs /2

Рассмотренные преобразователи по всем основным характеристикам не уступают феррозондам, а по диапазону регистрируемых полей существенно превосходит их. Кроме того, имеют более простую конструкцию. К сожалению, они довольно чувствительны к отклонению зависимости r(t) от заданной.

Для стабилизации параметров преобразователей был рассмотрен процесс выключения тока в колебательном контуре с нелинейной индуктивностью. В исходном состоянии в цепи

протекает ток возбуждения преобразователя ¡в= — . Энергия собственного магнитного поля

R

нелинейной индуктивности, обусловленная током 1В, равна

I.

WM{l„He)=\L{l,He)ldl (18)

о

Вычисление \VU с учетом (12) дает

Lsll при He > Hs

при H.e[-H„H,]

2ß

2ß

при He <-Hs,

где ß =

/

При выключении тока в нелинейном колебательном контуре наблюдается затухающий колебательный процесс. Первое экстремальное значение напряжения IIт на конденсаторе после выключения тока связано с энергией собственного магнитного поля индуктивности №м{1а,Не) соотношением

Се„ CUi

2 2

Передаточная функция МЭ в этом случае имеет вид

(20)

U =

"Ри > 2 , Л. 6 [-1,1]

(21)

где К-%; К=Н/Н-

Крутизна преобразования S,

- Ii«2-1 ky

aC

(22)

Графически соотношение (21) проиллюстрировано на рис. 9. Из анализа вида передаточ ной функции следует, что можно выделить два режима работы МЭ - линейный npi И, >2 и Aee[-l,l] и нелинейный при А, >2 и Л, е [-(й, -l),-l] В линейном режи ме (до 300 А/см) диапазон ограничен -Я,, Н, и определяется допустимой нелинейностьв передаточной функции и кратностью изменения индуктивности п2 . В нелинейном режим можно измерять поля напряженностью более 500 А/см.

Важно отметить, что в выражения (21) и (22) не входит число витков обмотки и иду к тивности. Поэтому его следует выбирать только из соображений обеспечения достаточного пс ля возбуждения . Это открывает широкие возможности в плане применения интегрально технологии для изготовления тонкопленочных МЭ данного типа.

is

ит.в

Рис. 9. Переходная характеристика преобразователя магнитного поля ит(Н/Н,);

1 - Н,=5Н,, п=50; 2 - Н,=5Н,,

Экспериментальные исследования проводились на специально изготовленных образцах нелинейных индуктивностей с сердечниками из пермаллоя 80 НХС различных типоразмеров. Исследовано влияние внешнего поля Не на величину индуктивности и параметры переходных процессов. Установлено, что характерное время Ъ также зависит от Н€ и что при выполнении ряда условий частота затухающих колебаний в контуре растет с увеличением Не. Это можно использовать для построения преобразователей магнитного поля. Исследовано влияние температуры на параметры МЭ. Показано, что имеют место два механизма влияния температуры -зависимость намагниченности насыщения М5(Т) и температурная зависимость сопротивления обмотки. Общая величина температурной нестабильности для всех образцов не превышала 0.1% на градус.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований даны рекомендации по конструированию МЭ на основе нестационарных электромагнитных процессов для .работы в линейном и нелинейном режимах.

Четвертая глава посвящена исследованию работы тонкопленочных феррозондов с поперечным импульсным возбуждением (ФПВ). Несмотря на то, что синусоидальный режим возбуждения таких феррозондов изучен достаточно хорошо, отсутствуют какие-либо сведения или рекомендации по расчету параметров ФПВ с импульсным возбуждением. А именно такой режим представляет наибольший интерес при создании тонкопленочных матричных преобразователей.

Для теоретической оценки уровня выходного сигнала феррозонда рассмотрена следующая модель. Пусть на пермаллоевый сердечник размерами а х Ь х ¡(Ь « а «/) плотно намотана измерительная обмотка из витков, сопротивлением которой можно пренебречь. Сердеч-

ник находится во внешнем поле Я, ||Ог. Через сердечник в направлении Ог пропускается импульсный ток I заданной формы. В результате уменьшается г - компонента его намагниченности, что приводит к изменению магнитного потока через измерительную обмотку и вследствие этого появлению ЭДС в ней. Необходимо найти зависимость е(1) от Не и тока 1(1)

е = -усФ ; Ф = ]Яг (х, у)скс!у. (23)

Для расчета Вг пренебрегали гистерезисом и запаздыванием в установлении намагниченности сердечника. Так как Ь«а,1 Н,х из-за большого размагничивающего фактора Ы* мало и не влияет на намагниченность. Дня данной геометрии задачи размагничивания вдоль оси

Оу нет (Ъ1у —>0). Поэтому в плоскости пленки N = N2 » « 1. Внутреннее поле Я, связано с Я, = (0, О, Я,) и Я, = (0,Ну,0) как Ни = Н,-ЫМ. и Н,у = Н,у = Ну. Величина

2Х [ . . Я =Я„—, где Я„ =— - поле на поверхности образца при х = %. Отсюда (23) можно о, 7л '

записать в виде

я.

С учетом В = ¡ла(Н1 +М) и М(Н1) = М, тш

. Я,

№ К н>;

(24)

для изотропного сердечника с

М = М(Н,) —'- величина В,(Я.,Я ) найдена как решение уравнения II

Яг/£0 =Ну + М тш

япяДч.

'Я,

(25)

где 0 - угол между Я, и осью Ох, М = ЫМ,.

В результате для предельных случаев (слабых и сильных полей Не) получено выражение для оценки максимальных значений ЭДС Я Я

" при п- + п:«м-

(26)

\vabB,

2 М

, при II] + Н] « М2

\

при Н] + Н] » М2

К":)

н (я

где г = —-, Я„ вычисляется при максимальном значении тока возбуждения, а /„—-

Я„ ,. I Я.

аппроксимируется аналитической функцией /(£).

mB

01234567S3 10

Рис. 10. Зависимость f(§ для толстой (I) и тонкой (2) плёнок

О 5 10 15 20 25 Н Мт Рис. 11. Экспериментальная зависимость £тах(Н) для образца №2

Для экспериментальной проверки исследовались образцы из листового пермаллоя 80 НХС (образец №1) размерами а = 1, Ь =0.1, / = Змм и пермаллоевая аппликация, выполненная на поликоровой подложке методом термического напыления в вакууме (образец № 2) размерами а = 0.5, Ь = 0.002, I = 2.5 мм. На рис. 10 показан график функции /(£) по результатам расчета, а на рис. 11 - экспериментально измеренная в полях Я.» Н, зависимость е^(Н) для образца № 2. Сопоставление численных величин чувствительности МЭ de

dH,

показало хорошее совпадение теоретических и экспериментальных значений (5-10" и

6-Ю"3 Ом-см для образца^ 1; 10-Ю"3 и 4-10"3 Ом-см для образца № 2).

Было установлено, однако, что тонкопленочные ФПВ обладают недостаточно широким диапазоном измерений. Для его расширения предложено использовать разность измерительных характеристиках^) и полученных при токах /'и 1прсд соответственно, которая в

отличие от обычно применяемой Еп/Хд(Н) имеет линейную зависимость от в полях Н„, существенно превышающих поле насыщения Н,, начиная с которого зависимость еп1Хд(Н) носит неоднозначный характер. В результате практической реализации предложенного алгоритма измерения удалось расширить динамический диапазон ФПВ до полей ± 100 А/см, что вполне приемлемо для магнитной дефектоскопии.

Рассмотренная конструкция тонкопленочного преобразователя обеспечивает наименьшее число слоев при его изготовлении методами интегральной технологии, а импульсный режим возбуждения ФПВ позволяет существенно расширить диапазон измерений без перегрева МЭ.

Экспериментальные исследования тонкопленочных МЭ на этой основе дали положи тельные результаты. Это позволило впервые синтезировать методами интегральной технологи! однокристальный 256-элементный преобразователь магнитного поля. Оптимизация геометри ческих и магнитных параметров составляющих его МЭ производилась с учетом результатов полученных при математическом моделировании.

Другой важный в плане использования интегральной технологии тонкопленочный М' рассмотрен в пятой главе. Принцип его действия основан на явлении анизотропии магнетосо противления.в ферромагнитных пленках. Магниточувствительный тонкопленочный элемен (МТЭ) представляет собой прямоугольную электропроводящую ферромагнитную пленку, охва ченную двумя плоскими взаимно перпендикулярными витками (рис. 12), которые создаю пропускаемыми через них токами 1Х и 1у соответственно взаимно ортогональные поля, рав

ные Я = -7 и Я, 2 Ъ '

21

; I» с1; Ь» с!, где <1 - толщина пленочного витка, / - длина, Ь

■ ширина ферромагнитной пленки. 3

Рис. 12. Магниточувствительный элемент, основанный на явлении анизотропии магне-тосопротивления в тонкой ферромагнитной плёнке: 1- ферромагнитная металлическая плёнка; 2 - плёночная обмотка X; 3 - плёночная обмотка У

Рис. 13. К теории работы магниточувстви-тельного элемента по модели однородного вращения

Через пленку пропускается ток /„. Анализируемым выходным сигналом является пад( ние напряжения 11^ = ■ 1т, здесь - Кт - электрическое сопротивление пленки, которое о] ределяется как

Л„=Л + лЛ„соз2^, (2'

где &}{„ - максимальное изменение электросопротивления пленки, Я - не зависящая от внешнего поля часть сопротивления пленки. Для нахождения зависимости сопротивления МТЭ от внешнего поля введены обозначения согласно рис. 13. Здесь ки - поле компенсации и смещения, создаваемое ортогональными обмотками; А, - внешнее поле; а - угол между ОЛН и осью Оу, вдоль которой протекает ток через пленку ; ф - угол между М и ОЛН; в - угол между М и осью Оу. Значения А,, и соответственно компоненты , Иг>, И^ выражены в

Н / Н /

относительных единицах поля анизотропии Н к тонкой пленки - Ле = у^ , Ъл = у^ .

Величина, характеризующая изменение электросопротивления в магнитном поле, обозначена как параметр р = сое2 в.

С помощью полей смещения и компенсации, которые создаются пленочными обмотками, обеспечивается монодоменное состояние ферромагнитной пленки. Для этого достаточно, чтобы ферромагнитная пленка находилась в поле, превышающем поле магнитной анизотропии Нк. На основе теории однородного вращения были получены следующие соотношения, связывающие электрическое сопротивление пленки с напряженностью магнитного поля

, „ (0.5-р)$т2а±л]1-рт[рсов2а±ку^1-р

= ^ : •

при в е. > втб = - р , соб 0 = у[р;

(28)

и ( Ч _ (^^-0.5)sin2a-V^-p(±Vp)cos2«±'1,^/p

"у\Р\ /т= •

Ах жсоил/ у 1 — р

при в е. [0,я-], 5тй = л]\-р соэв = ±*[р где йх = А„ + ; Ъу = Неу + Ь^.

На основе соотношения (28) построены зависимости с ^ и Р{Ьх)\к-саы для

различных значений угла а между направлением протекания тока и ОЛН (рис. 14 и 15). Из

ку, а положение минимума ^ не зависит от величины кх при любых значениях угла

х и определяется из (28) выражением = = -0.5зт2а:. Это обстоятельство использовано 1ля измерения поля независимо от величины ортогональной компоненты Иу и, наоборот, 1ля измерения поля И независимо от .

шализа зависимостей видно, что положение максимума р(п )\ не зависит от величины

Принцип измерения поля А, может быть основан на поочередной компенсации его составляющих Иа и /ге/ магнитным полем, создаваемым обмоткой, ориентированной вдоль со ответствующей компоненты, по признаку максимального сопротивления пленки в случае, когда компенсируется Л„, и по признаку минимального сопротивления пленки в случае, когд; компенсируется к^. При компенсации поля обмоткой одной из координат на ортогональнук обмотку в этот момент подается поле смещения заданной величины, обеспечивающее в пленк< однородную намагниченность и безгистерезисное перемагничивание вдоль направления ком пенсирующего поля.

Рис. 14. Расчётные зависимости относительного электросопротивления плёнки от величины поля Их, при постоянных значениях ортогональной составляющей Иу 1- V1 ; 2 - 5 ;3 - 10 ; а)сс = 0 ; б)а = 45°С;в) а = 90°С

Рис. 15. Расчётные зависимости относительного электросопротивления плёнки от величины поля ку при постоянных значениях ортогональной составляющей Их 1-/1,-1 ; 2 - 5 ;3 -10 ; а)а = 0 ; б) а = 45°С; в) <х = 90°С

Таким образом, данным МТЭ можно измерять компоненты вектора напряженности маг нитного поля в плоскости пленки без его механического перемещения. Если преобразовател должен работать в диапазоне полей ±й™" и ± А , то необходимое поле смещения должн бьггь равным для направления У и X соответственно

/С=й„+1. (29

В МТЭ с измерением обеих компонент нужно делать угол а = 45°, при котором они будут измеряться с одинаковой точностью. Если измерять только одну компоненту, например, hy, го наибольшая точность достигается при а = 0° (острый минимум), наоборот, для hx при х = 90°.

Компенсация поля вдоль направлений X и Y происходит на основе метода последовательных приближений, широко распространенного в измерительной технике. Поскольку функция магнетосопротивления от магнитного поля четная, то компенсация измеряемого поля производится подачей 2N импульсов чередующейся полярности, начиная с наибольшего. Если подача импульсов поля приводит к увеличению сопротивления данное пробное значение принимается, если уменьшается, то данное пробное значение не принимается. В результате

L max /

устанавливается компенсирующее поле, отличающееся от измеряемого на ± а / v . На втором этапе производят измерение hty, аналогичное измерению ha, только пробное значение принимается, если подача импульса в обмотку Y приводит к уменьшению . Процесс опреде-пения изменения сопротивления происходит по фазе переменной составляющей напряжения на МТЭ. В случае увеличения R„ фаза будет на 180° отличаться от фазы для случая уменьшения R„, что фиксируется фазовым детектором (или синхронным).

Присутствующие в поликристаллических магнитных пленках деформационно-чагнитострикционные напряжения, магнитокристаллическая анизотропия отдельных зерен и неоднородный химический состав приводит к вариации магнитной анизотропии как по величине (амплитудная дисперсия), так и по направлению (угловая дисперсия). Наличие дисперсии приводит к зависимости положения экстремумов от внешнего поля. Для МТЭ пригодны пленки : небольшим значением дисперсии (угловая не более 3°, амплитудная не более 0.1 Нк), которые имеют более высокое магниторезистивное отношение и малую коэрцитивную силу Я,.

Наибольшая погрешность, связанная со смещением максимума зависимости магнитной составляющей электрического сопротивления от Я, при Яуб[Я^,°о] и а = 0°или 90°.

AHi.

К1 =

Нкьа(4ьа1)-

(30)

где да,, - среднеквадратическое отклонение локальных ОЛН от среднего значения а = а + на (угловая дисперсия); дНКа - среднеквадратическое отклонение локальных значений поля анизотропии Як от среднего значения Нк (амплитудная дисперсия); да - угол скоса.

Установлено, что для максимума и минимума й(р) при а = 45° отсутствует влияни амплитудной дисперсии ьНКо. Расчеты по уточненным формулам для а = 45 дЯ„ = 0.1Нк Нк=1А/см, да =0.052 рад (3°) дают значения |#„| < 10"* А/см, а для а «87° \Н„\<, 4-Ю-4 А/см.

Для определения наименьшего измеряемого поля был проведен анализ составляющи погрешности в определении электрического сопротивления пленки, которая состоит из сш дующих частей:

где - погрешность, обусловленная изменением во времени температуры внешней сред (момент контакта датчика с относительно холодным или горячим объектом); дЛтло - погреи ность, обусловленная выделением джоулева тепла в пленочных обмотках; - погрешност вызванная тепловыми шумами в резистивных элементах и дробовым шумом электрическо) тока вследствие дискретности электрического разряда. Наименьшее измеряемое поле для а = 45°

С учетом того что лДш» дйтпс+ дЛтао и составляет по оценкам 1.83-10"5 Ом для пермалло вой пленки №(80%)Ре(20%) размерами 100 х 100 мкм, #*■= 1 А/см, да, = 0.052 величи наименьшего измеряемого поля в худшем случае составляет 5-10"3 А/см

Наибольшее измеряемое поле ограничено допустимой плотностью тока в пленочной с мотке, которая для меди составляет _/™=10'0А/м2

ИТ = НТ

Следовательно, при с1«26,2/ (¿/=10 мкм) , 5а « 1 наибольшее измеряемое поле составл! 1000 А/см.

Экспериментальные исследования проводились на пленочных образцах из спл: №(80%)Ре(20%), которые наносились методом термического испарения в вакууме при налич магнитного поля величиной до 150 А/см на оптически полированные поликоровые и ситал. вые подложки, нагретые до температуры 300°С. ОЛН ориентирована вдоль длинной сторо прямоугольника. Токоподвод к ферромагнитным пленкам осуществляли через напылено медные проводники, причем угол а »да< 6°. Толщина пленки составляла от 10 до 20 ! Исследования проводились для оценки температурного коэффициента и определения магн ных и магниторезистивных характеристик магнитных пленок во взаимно ортогональных .V

итных полях с целью последующей корректировки или совершенствования технологии изго-овления МТЭ.

Полученные экспериментальные зависимости показали, что всегда наблюдается безгис-ерезисное перемагничивание пленки при превышении ортогональной составляющей поля оп--гделенного значения, и положение максимума (минимума) полевой зависимости не зависит от еличины соответствующей ортогональной составляющей поля в пределах погрешности, обу-ловленной угловой и амплитудной дисперсией анизотропии пленок с а ф 0.

Установлено также, что величина температурного коэффициента составляет I + 5) •10"' 1/°К (необходима для расчета временных параметров сигналов возбуждения МТЭ). [ля пленок на поликоровых подложках Hк »2 А/см, для ситалловых - 1.5 А/см. Последние бладают наименьшими значениями и ьНКа . Важно отметить, что с уменьшением толщи-ы пленки наблюдается рост угловой и амплитудной дисперсии.

В шестой главе рассматриваются оптимальные с точки зрения применения различных ипов вновь разработанных МЭ конструкции матричных преобразователей магнитного поля, а акже учет взаимовлияния ферромагнитных элементов друг на друга. Приводятся рекоменда-,ии по выбору размеров МЭ в матрице, обеспечивающих заданный уровень погрешности изме-ений. Рассматриваются блок-схемы устройств возбуждения и приема сигналов матричных реобразователей, а также вопросы сопряжения матричных преобразователей с ЭВМ.

Чтобы не пропустить мелкие дефекты, необходимо сканирование поверхности осущест-лять достаточно плотно, а это возможно в том случае, если сердечники МЭ матричного преоб-азователя располагаются достаточно близко друг от друга. В реальной ситуации на расстоянии :е более 1 мм. При этом возникает магнитное взаимодействие между ферроэлементами, кото-ое может существенно искажать их показания при измерении магнитных полей и их градиен-ов. В связи с этим предлагается произвести коррекцию показаний матричного преобразовате-:я на основе учета магнитного взаимодействия ферроэлементов.

В расчетах исходили из предположений: ) j-й сердечник находится в поле Я, = HJt + ^HJk ;

) Поле I! Jk, создаваемое к- м сердечником на у-ом, слабо отличается от поля двух точеч-[ых зарядов -q и +q, расположенных на расстоянии / друг от друга (вдоль длинной стороны ердечника). Это приближение хорошо выполняется при D > I, где D - расстояние между геями j - го и к -то сердечников.

Внешнее поле Hje на каждом из ферроэлементов определяется выражением

к

где ßJk=UJk-ak\ UJk-.

при j*k и 1; Р^0/ ■

4p[\ + p2 + pJ\ + p2)

Выражение (31) позволяет по показаниям ht датчиков вычислить внешнее поле Н Je не каждом из датчиков. Для этого необходимо знать матрицу , которая определяется из уравнения (31) с учетом того, что *£UJkak = 1 и Нjk = -Ujk, а = )jk (всегда выполняет-

к к

ся при градуировке в однородном поле). Для иллюстрации на рис. 16 приведены графики зависимости Я„ (х), измеренной одиночным датчиком, многоэлементным преобразователем бе: коррекции и многоэлементным преобразователем с коррекцией по 15 ферроэлементам. Можнс видеть положительный эффект от применения процедуры коррекции.

Н„ А/ст ♦200 ■

-200- -

Рис. 16. Зависимость Нп(х), измеренная одиночным

датчиком (-----) , многоэлементным преобразователем (-) и многоэлементным

преобразователем с коррекцией по пятнадцати ферроэлементам (.......................).

Намагничивающие поле 115 А/см

На основе полученных результатов разработана структурная схема электронной системь сканирования, содержащей в зависимости от задачи контроля от 8 до 64 МЭ на переходные процессах, которая нашла широкое промышленное применение.

В разделе также рассматривается конструкция высокотехнологичного в изготовлен»! матричного преобразователя на основе феррозондовых МЭ с поперечным импульсным возбуж дением. Такая матрица, содержащая 256 МЭ, была синтезирована методами планарной техно логии с применением фотолитографии. Эта технология обеспечивает высокую идентичносп физических характеристик феррозондов и соответственно высокую точность измерений, чт<

позволяет включить их в состав изделий микроэлектроники, так как они отвечают современным требованиям миниатюризации такого рода техники (размеры МЭ матричного преобразователя составляют 0.3 х 0.2 х 0.002 мм, расстояние между МЭ - 0.5 мм). Измерительная обмотка содержит всего 5 витков, что приводит к потере чувствительности. Это скомпенсировано накоплением информации за несколько циклов возбуждения сердечника, то есть улучшением показателя сигнал/шум для слабых полей.

Следует учитывать, что специфика создания матричных феррозондовых преобразователей по описываемой технологии предполагает создание чрезвычайно многослойной структуры, которая не требуется при создании обычных электронных микросхем. Это приводит к значительным неровностям рельефа и, следовательно, необходимо напыление выравнивающих слоев.

Рассмотрим далее конструкцию матрицы, образованную из МТЭ, принцип работы которой основан на явлении анизотропии в тонких ферромагнитных пленках. Обычно в матричных преобразователях одиночные элементы располагаются в узлах прямоугольной решетки с шагом по горизонтали - с10, по вертикали - с0, количеством элементов по горизонтали - т, по вертикали - п. Таким образом, координаты каждого элемента можно охарактеризовать двумя числами, соответствующими строке с номером / и столбцу с номером j подобно обозначениям в математической матрице. Выборка (/, ]) элемента матрицы должна осуществляться как с использованием общих одновитковых обмоток, так и гальванически соединенных между собой пленочных элементов.

Реализация двухкомпонентного магниторезистивного матричного преобразователя представлена на рис. 17. Выборка одного МЭ осуществляется подачей тока в соответствующую цепь из ферромагнитных пленочных элементов, созданием поля смещения в обмотке, перекрывающей заданный элемент, и подачей пробных импульсов в обмотку, ортогональную первой, которая также перекрывает выбранный элемент. Такой матричный преобразователь позволяет получить 2-мерную картину распределения вектора Н в плоскости пленки.

Более простая в технологическом плане конструкция (осуществлена на практике) позволяет измерить только одну компоненту #еу (рис. 18). В ней имеется только обмотки У, на которые подаются пробные импульсы. Обмотками X являются обратные проводники, через которые протекают токи /„, от ферромагнитных элементов и которые одновременно создают магнитные поля смещения вдоль направления Ох. Данная конструкция матричного преобразователя не позволяет измерять Нгу с наибольшей точностью, так как вторая компонента не измеряется, следовательно, ее нельзя скомпенсировать.

1Г

г

Пйг

г

п

гд

5 в

Рис.17. Организация матрицы с магниточувствильными элементами, измеряющими две компоненты напряжённости магнитного поля: 1 - выводы цепей последовательно-соединённых ферромагнитных плёночных элементов; 2 - выводы плёночных обмоток «У» 3 - выводы плёночных обмоток «X»; 4 - общий вывод ферромагнитных плёночных элементов; 5 - общий вывод плёночных обмоток

2 X -1 Г а 1 л г J

г 1 1 г л

Ч 1 1 | —1 Iм

* £

Г

Рис. 18. Организация матрицы с магниточувствительными элементами, измеряющими одну компоненту напряжённости магнитного поля

Учет взаимовлияния ферромагнитных пленок в пределах матрицы произведен на основе представления МЭ как системы взаимно перпендикулярных ленточных диполей с плотностью магнитных зарядов 8г и 8у. В результате численных расчетов при допустимой погрешности

взаимовлияния 0.05 А/см определены при разрешающей способности са- 500 мкм и <10- 500 мкм оптимальные размеры МТЭ, которые составили: длина I = 35.7 мкм, ширина Ь = 35.7 мкм, толщина /3 = 50 мкм (толщина одного слоя не должна превышать 30 нм).

Седьмая глава посвящена вопросам практической реализации и применения разрабо-анных матричных преобразователей.

При ручной технологии изготовления многоэлементных преобразователей очень сложно >беспечить идентичность его МЭ, поэтому они имеют значительный разброс передаточных ха->актеристик. Эти недостатки позволяет устранить перепрограммируемый микропроцессорный (ефектоскоп МД-07, который может быть использован в программно-управляемых системах шзуализации рельефа пространственно неоднородных магнитных полей, а также в системах КСУ ТП магнитной дефектоскопии сварных швов в технологическом потоке. Без внешней ЭВМ дефектоскоп МД-07 с многоэлементными преобразователями на переходных процессах «пользуется как самостоятельный прибор широкого применения. Универсальность МД-07 состоит в возможности контроля нескольких разнотипных изделий, что достигается путем уста-ювки ПЗУ с необходимым для каждого конкретного случая программным обеспечением.

Задача визуализации топографии магнитного поля с высокой разрешающей способно-:тью требует применения матричных преобразователей с большим количеством МЭ. Обработать и графически представить информацию с такого количества элементов под силу только :овременным вычислительным средствам. Поэтому работа МП всегда подразумевает применение компьютера и соответствующих устройств сопряжения.

Для регистрации топографии магнитного поля рассеяния от микронесплошностей в ферромагнитных изделиях был изготовлен матричный преобразователь с 25б-ю тонкопленочными МЭ (количество строк п = 8, столбцов т - 32). Конструкция матрицы магниточувствитель-ных тонкопленочных элементов изображена на рис. 18. Ферромагнитный элемент изготовлен из нескольких слоев сплава Ni(80%)Fe(20%) прямоугольной формы 400 х 100 мкм, разделенных изолирующими слоями из моноокиси кремния SiO. Многослойный ферроэлемент нанесен на хромовый подслой. Диапазоны измеряемых полей (0.1 * 1 А/см), а также (0.5 + 100) А/см. Расстояние между МЭ по горизонтали d0 = 200 мкм, по вертикали с„ - 400 мкм. Размеры всей матрицы 9.4 х 6 мм. Матрица изготовлена последовательным напылением слоев через маски в вакуумной установке методом термического испарения материалов с вольфрамового катода и представляет собой тонкопленочную плату с четырьмя уровнями металлизации, разделенными диэлектриком с переходами из слоя в слой.

С помощью программы, составленной на языке "турбо С", считанный матричным преобразователем магнитный рельеф представляется виде двухмерного и трехмерного изображения fia экране компьютера.

На основе 256-элементного однокристального матричного преобразователя создана компьютерная система для визуализации магнитных полей рассеяния с наибольшим пространственным разрешением 200 мкм (по существу - магнитный микроскоп).

На рис. 19 показаны полученные с ее помощью изображения магнитных полей естест венных и модельных дефектов микронных размеров.

Рис.19

Большой интерес представляет также разработка интеллектуальных сенсоров (ИС). И представляет собой кристаллическую подложку, на которую напылены МЭ толщиной 20 нм i сплава Fe(20%)Ni(80%). Этими МЭ управляет гибридная микросхема, в которой совмещен функции измерения поля и оптимальной обработки сигнала на фоне помех. С помощью И могут решаться самые разнообразные задачи НК и магнитометрии от визуализации магнитно рельефа до магнитной дефектоскопии электросварных нефтегазопроводных труб в технолог ческом потоке.

Контроль в технологическом потоке осуществляется следующим образом. Труба с вых да трубоэлектросварочного агрегата непрерывным потоком поступает в зону контроля, г, происходит ее намагничивание и одновременно электронное сканирование шва многоэлемеи ным преобразователем. Информация о качестве шва поступает на дефектоотметчик и одновр менно на пульт сварщика, который оперативно меняет режим сварки до получения качестге ного шва. Дефектоскоп встраивается непосредственно в линию ТЭСА на расстоянии (5 -н 10) от узла сварки, поэтому температура шва достаточно высокая и может достигать (100 + 150)° Было показано, что при таких температурах магнитный контроль приемлем.

С применением МП на переходных процессах были созданы 2 модификации установ магнитной дефектоскопии (УМД) для НК прямошовных и спирапьношовных электросварн] труб - УМД -32 и УМД-64. В настоящее время в промышленности работают около 20 так установок. По заключению специалистов Альметьевского и Северского трубных заводов э установки надежны и просты в обращении. Среди других заводов, где применяются установ УМД, наиболее известны Первоуральский новотрубный завод, Магнитогорский металлур) ческий комбинат, ОАО "УралЛУКтрубмаш" и др.

С появлением интеллектуальных сенсоров были существенно улучшены метрологиче-:ие показатели установок УМД (применены для модернизации установки УМД-32 на Аль-гтьевском и Северском трубных заводах).

С помощью ИС была решена важная народнохозяйственная задача по созданию ¡ъемно-шовного дефектоскопа, который обеспечил возможность магнитной дефектоскопии :его тела трубы, включая сварной шов и околошовную зону. В результате промышленной :сплуатации на Магнитогорском металлургическом комбинате установлено, что чувстви-яьность дефектоскопа соответствует требованиям стандартов ASTM, API и DIN, а надеж-5сть достаточна для его промышленной эксплуатации в цеховых условиях.

Применение ИС также позволило создать компьютеризированную систему магнитной ¡фектоскопии насосно-компрессорных труб (НКТ), применяемых в нефтедобывающей про-ышленности. Система предназначена для встраивания в технологические линии по восстанов-:нию НКТ, бывших в эксплуатации на предприятиях нефтяной компании "ЛУКОЙЛ". Работа неет важное практическое значение, поскольку задача организации непрерывного или перио-¡ческого контроля труб НКТ известными средствами НК (в том числе зарубежными) удовле-¡орительного решения до сих пор не получила.

Для контроля режимов намагничивания и исследования топографии магнитных полей иработан широкодиапазонный , (0.1 + 500) А/см, магнитометр ИФМ/Ф-2М, в котором изме-:ние напряженности магнитного поля производится на основе анализа параметров переходных роцессов в цепи возбуждения датчика.

ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в настоя-(ей работе, решена важная научно-техническая задача - разработаны новые физические принты измерения напряженности магнитного поля и теория магниточувствительных элементов ЛЭ), на основе которых изготовлены по интегральной технологии матричные преобразователи асокого разрешения, являющиеся базой для построения систем магнитной микроскопии, то-ографии и диагностики, основанных на применении методов восстановления магнитных по-гй рассеяния, а также созданы быстродействующие компьютерные и автоматизированные сис-гмы для объемно-шовной магнитной дефектоскопии электросварных и горячекатаных газо-ефтепроводных и насосно-компрессорных труб в технологическом потоке и в процессе экс-луатации.

1. Применение методов восстановления магнитных полей дефектов позволяет сущест-гнно повысить точность и информативность методов магнитной дефектоскопии, оптимизиро-ать расположение МЭ и одновременно дает возможность получать новые косвенные информа-

тивные признаки, содержащие сведения о параметрах источника магнитных возмущений. Д получения необходимой информации МЭ (реальные или "воображаемые") следует располага на окружности, а для восстановления полей рассеяния от дефектов внутри окружности целее образно пользоваться отрезком ряда гармонических полиномов

n

д>(г,у/) = -£(/4„г" COS Л ^ + B„r" sin ni//),

л-I

коэффициенты разложения которого А„ и В„ и их комбинации существенно зависят от фор;, и геометрических параметров дефектов.

2. Для повышения точности определения параметров дефекта оптимальной является ^ кая организация измерительного процесса, когда первичная информация, получаемая с пом щью микроминиатюрных матричных преобразователей высокого разрешения, в дальнейцц используется для многократного вычисления коэффициентов А„ и В„ при пространственн! перемещении "воображаемых" центров наблюдения относительно поверхности ферромагш ного изделия. В результате объем информации существенно возрастает, что увеличивает вер ятность успешного решения обратной задачи магнитной дефектоскопии и дает возможное рассмотреть в первом приближении возможные принципы построения систем магнитной mi роскопии, томографии и диагностики, основанных на методах восстановления магнитных г лей рассеяния.

3. Внешнее (измеряемое) магнитное поле влияет на нестационарные процессы, про-кающие в электрических цепях с нелинейной индуктивностью, таким образом, что его нап] женность может быть измерена с помощью МЭ, принцип работы которых основан на анал1 параметров переходных процессов. Получены аналитические зависимости, аппроксимируют передаточные характеристики МЭ с линейно и экспоненциально возрастающим активным < противлением, а также элементов на основе нелинейного колебательного контура, которые i казали их определенные преимущества по сравнению с ранее известными МЭ. По ochobhi параметрам они не уступают феррозондам, а по диапазону регистрируемых полей значителЕ превосходят их (до 300 А/см при работе в линейном режиме и более 500 А/см - в нелинейно При этом они более технологичны в изготовлении и удобны для объединения в матричные п образователи.

4. Предложена математическая модель процесса безгистерезисного перемагничива! тонкой ферромагнитной пленки поперечным импульсным полем в присутствии постояшп поля, которая доказывает возможность измерения напряженности магнитного поля с помош тонкопленочных МЭ, которые могут быть изготовлены по интегральной технологии. Получе аналитические выражения, описывающие ЭДС тонкопленочного феррозонда с поперечным i пульсным возбуждением от величины внешнего (измеряемого) магнитного поля, магнитны

■еометрических параметров магнитной пленки. Это позволило определить условия оптимиза-ши параметров МЭ для однокристальных матричных преобразователей. Показана возможность :ущественного расширения диапазона измерений магнитных полей, и разработаны конкретные ,хемы реализации МЭ на основе рассмотренной модели.

5. На основе явления анизотропии магнетосопротивления в ферромагнитных пленках юзданы высокочувствительные МЭ интегрального исполнения. Получены аналитические зави-:имости, связывающие выходной сигнал преобразователя с величиной внешнего (измеряемого) магнитного поля, которые позволили установить, что на положение экстремумов этих зависимостей не влияют величина и направление суммарного магнитного поля, действующего на пле-ючиый элемент при любом наклоне оси легкого намагничивания (ОЛН). Разработана методика )асчета тонкопленочного МЭ, позволяющая определить, исходя из заданного диапазона изме-)яемых полей и интервала рабочих температур, необходимые размеры пленочных обмоток, толщину подложки и изолирующих слоев, величины длительностей и амплитуд возбуждающих шпульсов.

6. С учетом результатов исследований и разработанных рекомендаций осуществлен синтез оптимальных с точки зрения применения различных типов МЭ (феррозондов с поперечным импульсным возбуждением, преобразователей на переходных процессах, а также основанных ta явлении анизотропии магнетосопротивления) конструкций матричных (многоэлементных) треобразователей и электронных схем, обеспечивающих их эффективную работу.

7. На основе 256-элементного матричного преобразователя, изготовленного по инте--ральной технологии, создана компьютерная система для визуализации магнитного рельефа от различных источников магнитного возмущения с наибольшим пространственным разрешением ЮО мкм (имеется в виду локализация магнитных полей рассеяния), которая позволяет в режиме зстаточной намагниченности получать изображение полей трещин микронных размеров. Применительно к магнитной дефектоскопии это соответствует уровню разрешения, принятому для ;истем магнитной микроскопии. Для повышения разрешающей способности предложена кон-:трукция двухкомпонентного матричного преобразователя с МЭ микронных размеров.

8. Осуществлена разработка, испытание и промышленное применение установок магнитной дефектоскопии (УМД) прямошовных и спиральношовных электросварных газонефте-проводных труб в технологическом потоке. В настоящее время в промышленности успешно работают около 20 установок типа УМД. По заключению специалистов Северского и Альметь-гвского трубных заводов, осуществляющих их промышленную эксплуатацию с 1987 года, эти установки надежны и просты в обращении. По оценкам специалистов немецкой фирмы "Тюф" и американской API установки УМД отвечают требованиям стандартов ASTM, API, DIN, и их

применение в технологическом потоке Северского трубного завода послужило основанием дл выдачи сертификата API на систему качества при производстве электросварных труб.

9. Создание интеллектуальных сенсоров, включающих в себя тонкопленочные МЭ специализированную микросхему, в которой реализована функция измерения поля и оптимаш ной обработки сигнала на фоне помех, позволило впервые применить на практике объемнс шовный дефектоскоп, обеспечивающий возможность магнитной дефектоскопии всего тела г: зонефтепроводных электросварных труб, включая сварной шов и околошовную зону, а так» компьютеризированную систему магнитной дефектоскопии насосно-компрессорных тру (НКТ), применяемых в нефтедобывающей отрасли.

В период с 1987 по 199? годы разработаны, испытаны и применены в различных отра лях промышленности более 30 установок и приборов НК. Практически все они и в настоящ< время эксплуатируются на таких крупных промышленных предприятиях как Первоуральска новотрубный завод, Альметьевский трубный завод, Магнитогорский металлургический komöi нат, АО "УралЛУКтрубмаш" и др.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шлеенков A.C., Мельник P.C., Кротов Л.Н., Щербинин В.Е. Анализ возможностей метода восстановления магнитного поля применительно к магнитной дефектоскопии. 1. —Дефектоскопия, 1991,№5, с. 33 — 38.

2. 'Кротов Л.Н., Шлеенков A.C., Мельник P.C., Щербинин В.Е. Анализ возможностей метода восстановления магнитного поля применительно к магнитной дефектоскопии. 11. —Дефектоскопия, 1991, №5,с. 38-46.

3. Кротов Л.Н., Шлеенков A.C., Мельник P.C., Щербинин В.Е Компьютерное моделирование магнитных полей дефектов. Двухмерная задача. — Дефектоскопия, 1995, № 9, с. 27 - 32.

4. Мельник P.C., Кротов Л.Н., Шлеенков A.C., Щербинин В.Е Определение глубины трещины малого раскрытия по значениям компонент магнитостати-ческог'о поля дефекта. — Дефектоскопия, 1991, № 7, с. 89 — 91.

5. Шлеенков A.C., Щербинин В.Е., Кротов Л.Н., Булычев O.A. О возможности ■ измерения внешних магнитных полей по параметрам переходных процессов

в цепях с нелинейной индуктивностью. — Дефектоскопия, 1988, № 12, с. 56 - 65

6. Шлеенков A.C., Кротов Л.Н., Щербинин В.Е., Копьев М.А. Многоэлементный преобразователь для магнитной дефектоскопии. — Дефектоскопия, 1987, № 9, с. 60 — 69.

7. Шлеенков А.С., Щербинин В.Е., Жолобов В.Е. Многоэлементные преобразователи на основе переходных процессов и их применение в магнитной дефектоскопии. — Межотраслевой научно—технический сборник "Научно-технические достижения", М.: ВИМИ, 1991, № 1, с. 52 - 54.

8. Шлеенков А.С., Кротов Л.Н., Щербинин В.Е., Копьев М.А. Многоэлементный преобразователь для магнитной дефектоскопии. - Сб. докл. Межотраслевой конф. "Контроль и диагностика общей техники", часть 2. — М.:ВИМИ, 1989, с. 64-73.

9. Scherbinin V.E., Schleenkov A.S. Multi - Element - Transducer Aided Magnetic Monitoring of Welding Seams. - Condition Monitoring and Diagnostic Technology, 1992, vol. 2, № 3, p. 91 - 95.

10. Винокуров B.E., Золотовицкий А.Б., Шлеенков A.C. К вопросу о применении многоэлементных феррозондовых преобразователей для измерения распределения неоднородных магнитных полей. - Дефектоскопия, 1992, № 8, с. 70 — 78.

11. Кротов Л.Н., Шлеенков А.С., Розенфельд Е.В, Щербинин В.Е, Копьев М.А. Анализ работы феррозонда с управляемым нелинейным электрическим сопротивлением в цепи возбуждения. - Дефектоскопия, 1987, № 7, с. 14 — 22.

12. Кротов Л.Н., Шлеенков А.С., Щербинин В.Е, Булычев О.А. Преобразователь магнитного поля на основе переходных процессов в цепи с нелинейной индуктивностью. —Дефектоскопия, 1989, № 1, с. 27 — 33.

13. Кротов Л.Н., Шлеенков А.С Экспериментальное исследование преобразователей магнитного поля на основе переходных процессов в цепях с нелинейной индуктивностью. — Дефектоскопия, 1990, № 10, с. 55 — 65.

14. Кротов Л.Н., Шлеенков А.С., Щербинин В.Е., Мельник P.C. Экспериментальное исследование алгоритмических методов повышения достоверности магнитного контроля. — Дефектоскопия, 1991, № 8, с. 45 — 49.

15. Мельник P.C., Кротов Л.Н., Шлеенков А.С., Щербинин В.Е Отстройка от зазора при магнитной дефектоскопии поверхностных трещин. - Дефектоскопия, 1991, №8, с. 45-49.

16. Жолобов В.В. Золотовицкий А.Б., Шлеенков А.С., Щербинин В.Е., Булычев О.А. Исследование работы тонкопленочного феррозонда с поперечным импульсным возбуждением. - Дефектоскопия, 1990,№ 10,с. 65 -73.

17. Булычев О.А., Шлеенков А.С. О магниточувствительном преобразователе, основанном на явлении анизотропии магнетосопротивления в тонкой ферро-

магнитной пленке. 1. Теория и принцип действия. — Дефектоскопия, 1996, № 4, с. 37-48.

18. Булычев O.A., Шлеенков A.C. О магниточувствительном преобразователе, основанном на явлении анизотропии магнетосопротивления в тонкой ферромагнитной пленке. 11. Исследование влияния температуры, дисперсии магнитной анизотропии и уровня шумов на чувствительность преобразователя. — Дефектоскопия, 1996, № 8, с. 12 - 20.

19. Щербинин В.Е., Шлеенков A.C., Копьев М.А., Булычев O.A., Рыдзевский С.И. Неразрушающий контроль качества сварных швов электросварных труб в технологическом потоке. — Дефектоскопия, 1990, № 12, с. 41 -47.

20. Щербинин В.Е., Шлеенков A.C., Сазонтов С.Д., Жолобов В.Е., Булычев O.A. Микропроцессорный магнитный дефектоскоп МД — 07. — Дефектоскопия, 1991, №9, с. 22-27.

21. ЩербининВ.Е., Шлеенков A.C., Сурков Ю.П., Рыбалко В.Г., Ваулин С.Л., Булычев O.A., Сандовский В.А., Куковенко A.B. О возможности определения размеров эксплуатационных трещин газопроводов методами магнитной дефектоскопии. - Дефектоскопия, 1993, № 2, с. 50 — 59.

22. Сурков Ю.П., Рыбалко В.Г., Малкова Л.Ф., Шлеенков A.C., Ваулин С.Л., Богданович Б.Н. Феноменологические аспекты разрушения газопровода и эффективность методов неразрушающего контроля. - Труды 2-й Национальной конференции по диагностике машин и сооружений — Болгария, Варна, 1990, с. 335-342.

23. Кротов Л.Н., Шлеенков A.C., Мельник P.C., Щербинин В.Е., Золотовицкий А.Б. Определение геометрических параметров дефектов по восстановленному магнитному полю рассеяния. - Дефектоскопия, 1991, № 10, с. 50 -55.

24. Щербинин В.Е., Шлеенков A.C., Булычев O.A., Мизгунов Ю.А. Тонкопленочный матричный преобразователь для систем магнитной микроскопии и томографии. — Тезисы докл. 14 — й российской научно— технической конф. "НК и диагностика", М., 1996, с. 218.

25. Щербинин В.Е., Шлеенков A.C., Булычев O.A., Мизгунов Ю.А. Неразрушающий контроль электросварных труб магнитными методами. — Сб. "Нераз-

• рушающий контроль в науке и индустрии - 94", М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1994, с. 102.

26. ЩербинииВ.Е., Шлеенков A.C., Булычев O.A., Востриков A.A. Объемно-шовный дефектоскоп для магнитного контроля качества электросварных труб в технологическом потоке. - Тезисы докл. XV11 Уральской региональной конференции "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами", Екатеринбург, 1997, с. 72 — 73.

27. Щербинин В.Е., Шлеенков A.C., Булычев O.A., Копьев М.А., Рыдзевский С.И., Оспенников В.Г. Магнитный дефектоскоп для контроля спиральношовных труб в технологическом потоке. — Тезисы докл. XII Всесоюзной научно-технической конф. "Неразрушающие физические методы контроля", Свердловск, 1990,11- 13 сентября,с. 115- 118.

28. Scherbinin V.E., Schleenkov A.S., Bulichov O.A. The Prospect of the Creation of Magnetic Tomography. — Proceedings International Conference "Computer Methods and inverse Problems in Nondestructive Testing and Diagnostics", 21-24 November 1995, Minsk, Belarus, DGZfP, Berlin, 1995, p. 145 - 147.

29. Щербинин B.E., Шлеенков A.C., Копьев М.А. Магнитный дефектоскоп

МД — 32. - Сб.: Фундаментальные науки народному хозяйству", М.: АН СССР, 1990.

30. Кротов Л.Н., Шлеенков A.C., Мельник P.C., Щербинин В.Е, Шмотин Ю.Н. Решение обратной задачи магнитной дефектоскопии при помощи функционалов от распределения полей рассеяния. — Тезисы докл. 13-й научно-техн. конф. "Неразрушающие физические методы и средства контроля"— С.—П., 1993, с. 11.

31. Кротов Л.Н., Шлеенков A.C., Мельник P.C., Щербинин В.Е, Каминский И.Р. Исследование магнитных полей рассеяния от трехмерных неоднородностей. — Тезисы докл. 13-й научно-техн. конф. "Неразрушающие физические методы и средства контроля"—С.-П., 1993, с. 12.

32. Кротов Л.Н., Шлеенков A.C., Щербинин В.Е, Булычев O.A. Многоэлементный преобразователь для магнитной дефектоскопии на основе переходных процессов. — Тезисы докл. XI Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" часть 2 — М., 1987, с. 131.

33. Жолобов В.В., Шлеенков A.C., Булычев O.A., Тулаев В.Б., Щербинин В.Е. О применении методов интегральной технологии для создания тонкопленочных матричных преобразователей магнитного поля. — Тезисы докл. XI1 Всесоюзной научно—техн. конф. "Неразрушающие физические методы контроля", Свердловск, 1990, с. 127 - 128.

34. Булычев O.A., Шлеенков A.C. О тонкопленочном магниточувствительном преобразователе, основанном на явлении анизотропии магнетосопротив-ления. — Тезисы докл. 14 Российской научно-^гехи. конф. "НК и диагностика".— М„ 1996, с. 233.

35. Щербинин В.Е., Копьев М.А.,Шлеенков A.C. Феррозондовый магнитометр Ф — 2. — Сб.: Фундаментальные науки народному хозяйству", М.: АН СССР, 1990.

36. Информационный листок о научно-техническом достижении № 91 — 0560. — М.: ВИМИ, 1991,2 с.

37. Шлеенков A.C., Щербинин В.Е., Булычев O.A. Магнитометр ИФМ/Ф-2М. — Межотраслевой научно—технический сборник "Научно-технические достижения", М.: ВИМИ, 1991, № 16, с.10-13.

38. Магнитометр ИФМ/ Ф-2М. - Дефектоскопия, 1991, № 7, с. 92.

39. Булычев O.A., Кротов Л.Н., Шлеенков A.C., Щербинин В.Е. Устройство для измерения напряженности магнитного поля. — Авт. свид. № 1521062.

40.'Булычев O.A., Шлеенков A.C., Сухова И.В., Жолобов В.В., Щербинин В.Е. Способ определения напряженности магнитного поля. — Авт. свид. № 1832946.

41. Булычев O.A., Шлеенков A.C., Жолобов В.В., Сухова И.В., Яковлева Н.В. Устройство для измерения напряженности магнитного поля. —

Авт. свид. № 1734470.

42. Копьев М.А., Шлеенков A.C., Розенфельд Е.В, Щербинин В.Е Устройство для измерения напряженности магнитного поля. - Авт. свид. № 1303951 -Бюлл. изобр., 1987, № 14.

43. Копьев М.А., Шлеенков A.C., Щербинин В.Е Феррозондовый дефектоскоп. -Авт. свид. № 1265586 - Бюлл. изобр., 1986, № 39.

44.-Булычев O.A., Шлеенков A.C., Щербинин В.Е., Мизгунов Ю.А. Преобразователь магнитного поля. — Патент РФ № 2073233 Зарегистр. в Госреестре изобретений 10.02.97, Бюлл. изобр., № 4.

45. Булычев O.A., Жолобов В.В., Шлеенков A.C., Щербинин В.Е., Сухова И.В., Преобразователь магнитного поля. — Авт. свид. № 1829627.

46. Булычев O.A., Шлеенков A.C., Щербинин В.Е. Способ определения ширины трещины в ферромагнитном изделии. — Авт. свид. № 1810809 — Бюлл. изобр., 1993, №15.

47. Шлеенков А.С., Кротов JI.H., Мельник Р.С., Щербинин В.Е. Анализ возможностей метода восстановления магнитного поля применительно к магнитной дефектоскопии. 111. - Дефектоскопия, 1991, № 6, с. 34—42.

48. Булычев О.А., Жолобов В,В., Шлеенков А.С., Щербинин В.Е. Феррозондовый магнитометр. - Авт. свид. № 1732303 - Бюлл. изобр., 1992, № 17

49. Копьев М.А., Шлеенков А.С., Щербинин В.Е Устройство для измерения .напряженности магнитного поля. — Авт. свид. № 1352426 — Бюлл. изобр., 1987, №42.

50. Sleenkov A.S., Bulichev О.А., Matveev A.V. Volume-Seam Flaw Detection for Magnetic Quality Inspection of Electric Welded Pipes in the Production Line. - 7th European Conferense on Non-Destructive Testing, Copenhagen, 1998, pp.344.

Отпечатано на Ризографе ИФМ УрО РАН тир.80 зак.68 объем 1,98 печ.л. формат 60x84 1/16

620219 г.Екатеринбург ГСП-170 ул.С.КовалевскойД 8

/и

яг 19 ;: , ,

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

/ ' На правах рукописи

/ /

ШЛЕЕНКОВ Александр Сергеевич

УДК 620. 179. 14

РАЗРАБОТКА МАТРИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К НЕРАЗРУШАЮЩЕМУ КОНТРОЛЮ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург — 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................. 6

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.................. 14

1.1. Характерные дефекты и методы их обнаружения.......................................... 14

1.2. Магнитное поле дефекта как источник информации для магнитной дефектометрии..................................................................................... 19

1.2.1. Решение прямой задачи магнитостатики................................................... 19

1.2.2. Определение параметров дефектов по экспериментальным данным................. 29

1.3. Методы восстановления магнитного поля и их применение в магнитной микроскопии, томографии и диагностике.................................................... 33

1.4. Основные методы регистрации магнитного поля........................................... 37

1.5. Сравнительный анализ матричных преобразователей магнитного поля.............. 50

1.6. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование матричных преобразователей

магнитного поля................................................................................... 55

1.6.1. Получение тонких ферромагнитных пленок и их магнитные свойства.............. 55

1.6.2. Проблема совершенствования магниточувствительных элементов

для матричных преобразователей............................................................ 63

1.7. Обзор методов автоматизации магнитного контроля...................................... 67

Цели и задачи....................................................................................... 69

2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ВОССТАНОВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МАГНИТНОЙ

ДЕФЕКТОСКОПИИ................................................................................. 73

2.1. Оптимизация расположения датчиков на примере восстановления магнитного поля заряженной нити.........................................

2.2. Исследование расположения МЭ на примере восстановления магнитного

поля диполя......................................................................................... 89

2.3. Восстановление магнитного поля дефекта................................................... 95

2.4. Исследование возможности определения параметров дефектов типа

нарушений сплошности ферромагнитных изделий........................................ 98

2.5. Определение параметров трещины по экспериментальным данным.................. 118

2.6. Восстановление магнитостатических полей рассеяния в ограниченной

области............................................................................................... 126

2.7. Анализ возможных принципов построения систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразователей высокого разрешения.............................................................................. 141

2.8. Заключение.......................................................................................... 145

3. МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ В ЦЕПЯХ С НЕЛИНЕЙНОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ..................... 147

3.1. Переходные процессы при переключении тока в цепи с нелинейной индуктивностью.................................................................................... 147

3.1.1. Линейный закон изменения сопротивления............................................... 159

3.1.2. Экспоненциальный закон изменения сопротивления.................................... 164

3.2. Переходные процессы в нелинейном колебательном контуре во внешнем магнитном поле.................................................................................... 172

3.3. Экспериментальное исследование преобразователей магнитного поля на основе нестационарных электромагнитных процессов в цепях с

нелинейной индуктивностью................................................................... 181

3.4. Анализ электрической схемы включения магниточувствительного

элемента............................................................................................. 200

3.5. Заключение.......................................................................................... 206

4. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ФЕРРОЗОНДЫ С ПОПЕРЕЧНЫМ

ИМПУЛЬСНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ.......................................................... 208

4.1. Моделирование процесса безгистерезисного перемагничивания тонкой ферромагнитной пленки поперечным импульсным полем в присутствии

постоянного поля....................................................................................................................................................................208

4.2. Анализ возможных схем включения тонкопленочных феррозондовых преобразователей....................................................................................................................................................................220

4.3. Заключение....................................................................................................................................................................................227

5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, ОСНОВАННЫЕ НА ЯВЛЕНИИ АНИЗОТРОПИИ МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

В ТОНКОЙ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛЕНКЕ................................................ 228

5.1. Теория магниточувствительного преобразователя с использованием модели однодоменного перемагничивания в тонкой ферромагнитной

пленке................................................................................................ 228

5.2. Исследование влияния различных факторов на работу тонкопленочного

элемента............................................................................................. 239

5.3. Экспериментальное исследование пленочных магниточувствительных

элементов............................................................................................ 243

5.4. Заключение.......................................................................................... 257

6. РАЗРАБОТКА И СИНТЕЗ МАТРИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ..................................................................... 258

6.1. Преобразователи на основе нестационарных процессов в цепях

с нелинейной индуктивностью................................................................. 258

6.1.1. Конструкция многоэлементного преобразователя магнитного поля и

его технические характеристики............................................................ 258

6.1.2. Особенности применения многоэлементных (матричных) преобразователей для измерения распределения существенно

неоднородных магнитных полей............................................................ 265

6.1.3. Исследование алгоритмических методов нормализации передаточных характеристик МЭ матричного преобразователя........................................ 277

6.2. Преобразователи на основе тонкопленочных феррозондовых МЭ

с поперечным импульсным возбуждением.................................................. 282

6.2.1. Конструкция тонкопленочного многоэлементного преобразователя

магнитного поля и технология его изготовления....................................... 282

6.2.2. Описание конструкции и работы однокристального матричного

феррозондового преобразователя........................................................... 288

6.3. Преобразователи, основанные на явлении анизотропии магнетосопро-

тивления в тонкой ферромагнитной пленке................................................ 292

6.3.1. Организация матрицы из одиночных МЭ................................................. 292

6.3.2. Выбор размеров ферромагнитного пленочного элемента матричного преобразователя................................................................................. 297

6.3.3. Описание конструкции и работы 256-элементного тонкопленочного матричного преобразователя.................................................................. 305

6.4. Заключение.......................................................................................... 317

7. РЕШЕНИЕ КОНКРЕТНЫХ ПРОБЛЕМ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ И СВАРНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ....................................................................................... 319

7.1. Создание автоматизированных систем визуализации магнитных полей рассеяния............................................................................................ 319

7.2. Неразрушающий контроль качества сварных швов нефтегазопроводных электросварных труб.............................................................................. 336

7.3. Объемно-шовный дефектоскоп для магнитного контроля качества нефтегазопроводных электросварных труб в технологическом потоке............... 350

7.4. Компьютеризированная система магнитной дефектоскопии насосно— компрессорных труб, применяемых в нефтедобывающей промышленности......... 354

7.5. К вопросу о возможности диагностики действующих газопроводов по

данным магнитной дефектоскопии............................................................. 356

7.6. Создание средств магнитометрии.............................................................. 366

7.7. Заключение.......................................................................................... 368

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................................... 371

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................... 375

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................ 399

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные и электромагнитные методы неразрушающего контроля (НК) находят широкое применение в различных отраслях промышленности, успешно конкурируя с ультразвуковыми и радиационными методами благодаря возможности бесконтактного съема информации, высокой скорости контроля и безопасности в радиационном отношении.

Эти достоинства особенно важны в нынешней ситуации, когда остро стоит вопрос о сплошной автоматизации НК, а условия проведения НК зачастую далеки от идеальных (высокие температуры контролируемой поверхности, вибрация, скорость движения изделий в потоке и т.д.).

В последнее время в магнитной дефектоскопии наметилась тенденция к использованию матричных (многоэлементных) преобразователей, позволяющих осуществлять визуализацию магнитного поля объекта контроля. Фактически речь идет о замене ненадежного механического сканирования зоны контроля электронным сканированием, преимущества которого очевидны.

Несмотря на большое число публикаций в области разработки систем визуализации магнитных полей (библиография дана, например, в [1]), практическое применение эти системы нашли только в магнитографии [2, 3]. Проблема же изготовления магнитоте-левизионных дефектоскопов с матричными преобразователями [1] удовлетворительного решения до сих пор не получила. Об этом говорит тот факт, что средства дефектоскопии с матричными преобразователями существуют пока лишь в одиночных экземплярах, и их технические характеристики далеки от промышленных требований [4].

Анализ возникшей ситуации указывает, по крайней мере, на две причины, препятствующие применению матричных преобразователей. Это, во-первых, сложная технология их изготовления, основанная на применении ручного труда, и связанные с ней сложности получения преобразователей с идентичными характеристиками (как в пределах самой матрицы, так и между матрицами), а во-вторых, стремление разработчиков создавать матричные сенсоры на старой элементной базе — на основе известных ранее магни-точувствительных элементов (МЭ) — с использованием традиционных для цифровой техники решений без учета специфики магнитной дефектоскопии.

Все это тормозит дальнейшее развитие процесса автоматизации методов магнитной дефектоскопии. Устранение указанных недостатков требует разработки новых

физических принципов измерения магнитного поля, которые позволили бы создавать твердотельные матричные и линейные преобразователи (сенсоры) на базе современных достижений полупроводниковой и магнитной микроэлектроники. Актуальность работ в указанном направлении очевидна в связи с необходимостью решения важных научно-технических задач — организации высокоэффективного скоростного контроля газонеф-тепроводных, а также насосно—компрессорных труб нефтяного сортамента в технологическом потоке завода — изготовителя и в процессе эксплуатации. До сих пор отечественной промышленностью не налажен выпуск приборов для магнитной дефектоскопии всего тела трубы, включая сварной шов и околошовную зону (в случае НК электросварных труб), обеспечивающих чувствительность контроля в соответствии с требованиями стандартов ASTM, API и DIN. Применение матричных преобразователей типа интеллектуальных сенсоров [5] делает эту проблему принципиально разрешимой.

Другой важной задачей машиностроения, металлургии, трубопроводного транспорта, энергетики и других отраслей промышленности является оценка фактического состояния различных деталей, узлов и конструкций из ферромагнитных материалов, а также сварных соединений на основе расчета остаточного ресурса работоспособности поврежденных мест. Проведение таких расчетов требует знания количественных характеристик геометрических параметров дефектов, что предполагает применение метода компьютерной томографии как метода диагностики внутренней структуры объектов контроля [6] по измеренному над его поверхностью пространственному распределению магнитного поля (то есть магнитной томографии). Необходимо отметить, что при практической реализации концепции магнитной томографии есть серьезная опасность того, что даже удачные теоретические решения обратной задачи (03) магнитной дефектоскопии не смогут быть реализованы на практике из—за недостаточно высокой точности измерений. Иными словами — для исследования магнитных полей микродефектов необходимы преобразователи микроминиатюрных размеров. Современные методы нанотехнологии могут позволить изготовить матричные преобразователи с магниточувствительными элементами субмикронных размеров, если предложить соответствующие физические принципы.

Прямым результатом создания твердотельных матричных преобразователей с необходимыми геометрическими параметрами и метрологическими характеристиками может быть создание компьютерных систем магнитной микроскопии и томографии, а также определение остаточного ресурса работоспособности изделий ответственного назначения.

Данная работа выполнена на стыке нескольких областей науки и техники: магнитной дефектоскопии, полупроводниковой и магнитной микроэлектроники, электротехники, вычислительной техники, математического моделирования.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и приложений.

В первой главе рассмотрены наиболее характерные дефекты, которые образуются в процессе производства и эксплуатации горячекатаных и электросварных труб, основные методы их обнаружения и применяемая аппаратура НК. Проанализированы существующие конструкции матричных преобразователей. Показана необходимость разработки новых физических принципов измерения напряженности магнитного поля, позволяющих создавать матричные преобразователи высокого разрешения с использованием методов интегральной технологии. Проведен анализ работ по решению прямой и обратной задач магнитной дефектоскопии, на основе которого установлена принципиальная возможность получения количественных оценок параметров дефектов. Показана перспективность методов восстановления магнитных полей рассеяния для магнитной дефектоскопии, а также для создания систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразователей интегрального исполнения.

Рассмотрены вопросы автоматизации магнитных методов НК, а также вопросы применения интеллектуальных сенсоров для создания высокоэффективных автоматизированных систем магнитной дефектоскопии электросварных и горячекатаных труб в технологическом потоке их производства и в процессе эксплуатации. На основании анализа литературных источников сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе исследуются возможности восстановления магнитного поля в виде ряда гармонических полиномов, определяется необходимое число МЭ и места их расположения. Анализируются различные варианты расположения МЭ на примере восстановления полей заряженных нити и диполя. Рассматривается задача восстановления магнитного поля произвольного дефекта, и исследуется возможность определения параметров поверхностной трещины по восстановленному магнитному полю. Показано, что с помощью коэффициентов разложения можно построить функционалы, устойчиво зависящие от определенного числа параметров дефекта и позволяющие определить эти параметры.

В третьей главе исследуется влияние внешнего измеряемого магнитного поля на закономерности протекания переходных процессов в цепях, содержащих нелинейную индуктивность (катушка с ферромагнитным сердечником). Показана возможность изме-

рения магнитных полей в широком диапазоне при помощи МЭ, созданных на этой основе. Получены аналитические зависимости, аппроксимирующие передаточные функции маг-ниточувствительных элементов с линейно и экспоненциально возрастающим активным сопротивлением, а также МЭ на основе нелинейного колебательного контура. Показаны определенные преимущества МЭ последнего типа для регистрации больших магнитных полей. Установлено, что по основным параметрам такие МЭ не уступают феррозондовым преобразователям, а по диапазону регистрируемых полей значительно их превосходят. При этом они значительно более технологичны в изготовлении. Даны рекомендации по конструированию МЭ на основе нестационарных электромагнитных процессов в колебательном контуре с нелинейной индуктивностью для работы в линейном и нелинейном режимах.

Четвертая глава посвящена изучению физики процессов безгистерезисного пе-ремагничивания тонкой ферромагнитной пленки поперечным импульсны