Снос зданий:
ecosnos.ru
Главная  Микромагнитоэлектроника: направление технологии 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 [ 103 ] 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122

Мапштное поле рассе

Преобразователь магнитного ноля

Рис. 6.71. Характер изменения магнитного поля в районе трещины


Обычно магнитное поле рассеяния в районе дефектов для большинства практических применений составляет приблизительно от 0,001 до 20 мТл. Для регистрации таких полей требуются высокочувствительные магнитоэлектронные приборы с высоким геометрическим разрешением. В таких приборах, как правило, в качестве МЧЭ в основном используются элементы Холла, магнитотранзисторы или тонкопленочные магниторезисторы, вмонтированные в специальные магнитные системы, так как приборы с преобразователями магнитного поля иных типов обладают существенньп*ш недостатками.

Феррозондовые магнитометры, например, представляют собой очень чувствительные устройства для измерения нолей, напряженность которых одного порядка с магнитным нолем Земли. Однако размер практических чувствительных феррозондов, как правило, в значительной степени превышает аномалии потока рассеяния остаточного магнитного ноля, которые необходимо выявить. В связи с этим пространственное разрешение приборов оказывается неудовлетворительным.

В протонных магнитометрах на ядерном магнитном резонансе со свободной прецессией спинов, которые широко используются для проведения геомагнитных исследований, существует та же самая проблема, поскольку, несмотря на великолепную чувствительность этих приборов, их чувствительный элемент может иметь объем, доходяпрш до 1 литра. Следовательно, этими магнитометрами можно пользоваться в относительно однородных нолях.

Пиже приводится описание нескольких магнитоэлектронных устройств, используемых для дефектоскопии изделий из ферромагнитных материалов.

6.6.1. МЭУ для неразрушающего контроля изделий

Магнитоэлектронное устройство для дефектоскопии стальных труб, реализованное с

применением элементов Холла

В работе [6] дано описание магнитоэлектронного устройства для дефектоскопии стальных труб. К прибору предъявлялись следующие требования:

измерение разностей магнитных полей от дефектов с размерами, доходящими до 1 см;

разрешение разностей магнитных полей до 4x10 Тл при наличии внешних полей с напряженностью до 10 Тл;

хорошее подавление шумов;

малая потребляемая мощность, что необходимо для работы от автономных источников питания.

Исходя из перечисленных требований, в основу прибора положен метод измерения индукции рассеянного магнитного поля. В качестве ПМП бьша предложена дифференциально соединенная пара элементов Холла с питанием по переменному току и с применением синхронного детектирования при обработке сигнала.

Матрица с магнитотранзисторами может реализовываться в разных вариантах: ячейки с двумя МОП транзисторами, которые, взаимодействуя, образуют логическую схему, и ячейки с тремя МОП транзисторами. Применение матричного преобразователя на основе магнитодиодов или магнитотранзисторов дает возможность на 1-2 порядка повысить чувствительность преобразователя магнитного поля, по сравнению с традиционньп*а1 преобразователями на элементах Холла (см. главу 4).

При контроле больпшх поверхностей применение магниточувствительных матричных преобразователей магнитного поля позволяет одновременно использовать электронное и механическое сканирование. Это значительно сокращает время обзора кадра и повьппает разрешающую способность аппаратуры.

6.6. МЭУ в аппаратуре для неразрушающего контроля изделий

В последние годы все большее распространение находят магнитоэлектронные устройства, предназначенные для диагностики состояния изделий, изготовленных из ферромагнитных материалов: стальных листов, труб, резервуаров и др.

Принцип действия таких устройств заключается в обнаружении аномальных изменений напряженности магнитного поля рассеяния вблизи дефектов. При этом объект контроля, как правило, подмагничивается магнитным полем постоянной величины. Таким образом могут обнаруживаться трещины, раковины, немагнитные вкрапления и другие дефекты.

Па рис. 6.71 показан характер изменения магнитного поля в районе трещины.



Принцип действия магнитного топографа (рис. 6.68) не требует особых пояснений. Система сканирования CMC обеспечивает последовательное построчное перемещение линейки ПМП параллельно контролируемой поверхности по оси y с контролем координат перемещения. Информация о координатах линейки вырабатывается специальным датчиком положения. Сигнал с линейки МЧЭ поканально усиливается предусилителями (ПУ), формируется компараторами и поступает на схему сопряжения, а затем визуализируется устройством обработки и отображения информации. Схема (рис. 6.68) обладает высоким быстродействием.


Рис. 6.69. Функциональная схема матричного преобразователя магнитного поля: 1 - объект контроля; 2 -магнитоприемное устройство; 3 - блок развертки; 4 - амплитудный селектор; 5 -видеоконтрольное устройство (ВКУ)

В работах [2, 10] дано описание матричного преобразователя магнитных полей к структуроскопу, а на рис. 6.69 приводится его функциональная схема.

Преобразователь состоит из магнитоприемного устройства 2, блока развертки 3, амплитудного селектора 4, выход которого соединен с входом видеоконтрольного устройства 5, и адресных шин X и У. Магнитоприемное устройство 2 вьшолнено в виде матрицы магнитодиодов с параллельно подключенными к ним накопительными конденсаторами (рис. 6.70.а).

Принцип действия преобразователя заключается в следующем. Подвергающийся контролю объект 1, создающий неоднородное магнитное поле, устанавливается вблизи магнитоприемного устройства 2. Под действием магнитного поля происходит изменение напряжения на магнитодиодах, определяемое величиной индукции магнитного поля.

К коммутатору столбцов а) Y Y


К коммутатору столбцов Y У


Рис. 6.70. Матричное магнитоприемное устройство: а - на магнитодиодах; б-на

магнитотранзисторах

Для получения максимальной чувствительности устройства используется принцип накопления. В этом случае ток видеосигнала, поступающий от каждого магнитодиода, пропорционален полному магнитному потоку, действующему на магнитодиод за полный период между коммутациями, то есть за время кадра. Каждый конденсатор, шунтирующий магнитодиод, в момент коммутации заряжается максимально, а между коммутациями начинает разряжаться до напряжения, зависящего от индукции магнитного поля, действующего на магнитодиод, и, следовательно, от сопротивления магнитодиода (см. главу 4).

Блок развертки 3 с помощью адресных шин X и У последовательно через амплитудный селектор 4 подключает магнитодиоды к входу видеоконтрольного устройства 5. В то же время блок 3 проводит синхронную развертку луча на экране видеоконтрольного устройства 5, яркость светового пятна которого регулируется с помощью амплитудного селектора 4. Полученная на экране ВКУ картина будет соответствовать магнитному рельефу исследуемого объекта и характеризовать его структуру [2].

Магнитоприемное устройство может быть вьшолнено и в виде матрицы из магнитотранзисторов (рис. 6.70.6), обеспечивающих более высокую амплитуду сигнала на выходе.



Упрощенная функциональная схема дефектоскопа приведена на рис. 6.72, а принципиальная электрическая схема - на рис. 6.73.

Генератор


Фазосдви-

Ti~\TT¥l СТ

Синхронный

гающая цепь

детеетор

Выход

Рис. 6.72. Упрощенная функциональная схема прибора для диагностики состояния стальных труб

Функциональная схема прибора (рис. 6.72) не требует особых пояснений. В этом приборе производится измерение разностей индукции магнитных полей двумя элементами Холла, разнесенньп*а1 на расстояние 1,5 см. В зависимости от выбранной чувствительности полный размах сигнала на выходе прибора составляет ±5 В, что соответствует разности магнитных полей в точке контроля ±2, ±5 или ±20 мТл в зависимости от установленного диапазона.

Элементы Холла В1 и В2 питаются переменньпи током. При наличии магнитного поля формируется синусоидально изменяющееся напряжение Холла, которое измеряется с помощью дифференциальных усилителей 0У1 и 0У2. Разность между двумя напряжениями Холла определяется с помощью дифференциального усилителя ОУЗ, имеющего большой коэффициент усиления. С помощью синхронного детектора этот сигнал переменного тока преобразуется в выходной сигнал постоянного тока и может измеряться соответствующими приборами.

Рабочая частота описьтаемого прибора составляет 10 кГц. Эта частота дает возможность обеспечить фильтрацию выходного уровня постоянного тока без уменьшения чувствительности устройства в отношении небольших дефектов при типовой скорости сканирования 15 км/час (4,2 м/с).

Для рассматриваемого прибора были использованы элементы Холла типа ВН700 фирмы F.W.Bell, отобранные из одной и той же технологической партии, с минимальньпии напряжениями рассогласования. При этом небольшое напряжение рассогаасования (U, < 350 мкВ) для каждого ЭХ бьшо одинаковьпи по величине и по фазе, благодаря чему при нулевом поле на выходе присутствовал крайне незначительный сигнал.

Необходимо отметить, что напряжение рассогласования может быгь синфазньпи с током, протекающим через ЭХ, и сдвинутьпи относительно этого тока на 180°.

В зависимости от требуемой чувствительности и допустимого смещения нуля в конкретном случае может потребоваться либо тщательная подборка элементов Холла, либо компенсация напряжения рассогласования на дифференциальном усилителе. При использовании элементов Холла с неодинаковыми напряжениями рассогласования и при отсутствии каких-либо мер, направленных на компенсацию напряжения рассогаасования электронньпй способом, результатом бьша бы нестабильность выходного напряжения постоянного тока.

Рабочий ток элементов Холла определяется параметрами согласующего трансформатора. Выбор этого трансформатора требует компромисса между приведением к максимуму импеданса с выходной стороны генератора (с целью увеличения эффективности возбуждения) и тока управления элементов Холла (с целью увеличения чувствительности ЭХ).

Увеличение импеданса с выходной стороны генератора ведет к тому, что в нагрузку поступает большая мощность генератора. Увеличение импеданса с выходной стороны генератора эквивалентно увеличению коэффициента трансформации согаасующего трансформатора, поскольку входной импеданс преобразователя Холла есть величина постоянная. При увеличении коэффициента трансформации согаасующего трансформатора уменьшается рабочий ток элементов Холла, что приводит к уменьшению магнитной чувствительности последних. Следовательно, оптимальный коэффициент трансформации определяется с учетом указанных противоречивых требований.

Электрическая схема дефектоскопа (рис. 6.73) содержит источник переменного тока для питания ЭХ, который состоит из кварцевого генератора, объединенного в одном корпусе с DDI кварцем и КМОП интегральной схемой), полосового фильтра и согласующего трансформатора. Частота колебаний кварцевого генератора составляет 1 МГц. Благодаря имеющейся в интегральной схеме КМОП логике эта частота уменьшается до 10 кГц.

Основная составляющая этих прямоугольных колебаний с частотой 10 кГц выделяется с помощью полосового фильтра (на элементах DА1.1, DА1.2 и DA1.3) с центральной частотой 10 кГц и полосой пропускания 800 Гц. Этот фильтр обеспечивает усиление возбуждающего сигнала и позволяет избежать проблем, возникающих при возбуждении индуктивной нагрузки с помощью КМОП генератора. Поскольку элементы Холла имеют низкое входное сопротивление - около 4 Ом, - согласующий трансформатор Т1 обеспечивает высокоомную нагрузку для генератора.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 [ 103 ] 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122