II. Основы магнитных методов контроля качества Виды магнитных преобразователей

По виду полезадающей системы, по типу индикаторов маг­нитного поля, решаемым задачам, магнитные методы клас­сифицируются так, как показано на рис. 16.

К информативным параметрам в магнитном контроле относятся: коэрцитивная сила Н_с; намагниченность J; ос­таточная магнитная индукция В_r; магнитная проницаемость μ (начальная либо максимальная); параметры петли гисте­резиса В(Н) или гармонический состав ЭДС индуктивного преобразователя; параметры скачков Баркгаузена; пара­метры магнитооптического эффекта, оптомагнитные, магнитопорошковые индикаторные изображения.

Рис. 16. Условная классификация способов получения первичной информации при магнитном контроле: МП — магнитопорошковый; МГ — магнитографический, ФЗ — феррозондовый; ГМ — гальваномагнит­ный; И — индукционный; МА — магнитоакустический; МР — магниторезисторный; МО — магнитооптический; ПМ — пондемоторный.

Все эти методы позволяют решать названные задачи магнитного контроля и их применение к этим задачам ил­люстрируется диаграммой, приведенной на рис. 16.

Часто название метода происходит от физических основ детекторов поля. Каждый из методов имеет свои разновид­ности, например, МП может быть в нескольких исполнениях: порошок может наноситься непосредственно на поверхность исследуемого изделия или располагаться в специальных лин­зах (рис. 17) над поверхностью намагниченного изделия.

Магнитные линзы представляют собой плоский замк­нутый сосуд, заполненный магнитной суспензией и имею­щий одну прозрачную стенку и дно, выполненное из зеркальной тонкой пленки. Используется такой детектор обычно только в приложенном поле для грубых дефектов.

Принципиальным различием в системах регистрации является наличие илиотсутствие каких-либо механических или электрических элементов, позволяющих получить из­менение магнитного потока и ЭДС в соответствии с законом электромагнитной индукции t. Такие измере­ния не проводятся при статических методах регистрации, например, с помощью магнитных сопротивлений, датчиков Холла, магнитного порошка, магнитных диодов и т.п.

Рис. 17. Некоторые преобразователи для регистрации магнитных по­лей рассеяния: а — феррозонд; б — магнитная линза; в — магнито-акустический преобразователь; г — датчик Холла.

Принцип действия датчиков Холла основан на том, что если пластина с током (рис. 17, г) помещена в магнитное поле, то на каждый электрон, движущийся внутри пласти­ны, действует сила F₁, пропорциональная заряду электрона е₀ и векторному произведению его скорости v на магнитную индукцию В, эта сила F_x=e_o[vB].

Под действием силы F₁ электроны отклоняются к од­ному краю пластины, создавая там избыток электронов. Так появляется поперечная составляющая поля Е_х, что при­водит, в свою очередь, к возникновению силы F₂ = е₀Е_x. В установившемся состоянии силы F₁ и F₂ равны и противо­положны по направлению, следовательно Е_х = vB_O. На практике удобнее пользоваться выражением ЭДС Холла через ток I и геометрические размеры датчика:

Е_х = R_xB₀/d,

где B_O — измеряемая индукция; d — толщина пластины; R_x = 1/l_On — постоянная Холла, зависящая от природы вещества, концентрации в нем носителей зарядов.

Относительное измерение удельного сопротивления в слабых магнитных полях:

,

где и — подвижность носителей зарядов. Наиболее чувс­твительны к магнитным полям преобразователи из арсенида индия, относительное изменение сопротивления которых равно 10 при изменении индукции от 0 до 1 Тл.

Чувствительность магнитных диодов в десятки раз превосходит чувствительность преобразователей на основе маг­нитных сопротивлений, но для целей измерения такие детекторы неудобны из-за нелинейности градуировочной кри­вой. Оба эти вида детекторов имеют близкую природу и применяются при автоматизированном магнитном контроле.

В дефектоскопии используется и магнитоакустический метод (рис. 17, в), при котором измерительная катуш­ка 1 наклеивается на пластину 2 из ферромагнетика с сильно развитым магнитострикционным эффектом. В пластине возбуждаются излучателем 3 колебания, которые переда­ются измерительной катушке. Наводимая ЭДС имеет час­тоту указанных колебаний и пропорциональна постоянному магнитному полю рассеяния дефекта, которое подмагничивает пластину. Дефект регистрируется обычным УЗ дефек­тоскопом, с помощью которого возбуждаются колебания в пластине. Этот метод легко поддается автоматизации, но при­меним для относительно грубых дефектов. Измерение проис­ходит в зоне локального насыщения пластины с развитым магнитострикционным эффектом, который сильно изменяется от степени подмагничивания. Известно много вариантов по­добных датчиков, в конструкции которых имеются постоян­ные магниты, различным образом расположенные дополнительные катушки [2]. На основе этого метода разработаны и внедрены автоматы для контроля гильз цилиндров дизельных двигателей.

Элементы статических и ди­намических систем измерения постоянных магнитных полей несет в себе магнитографи­ческий (МГ) метод контроля (рис. 18) [6 и др.].

Рис. 18. Схема МГ контроля (а) и изображение на экране МГ дефектоскопа (б): 1 — намагничивающее устройство; 2 — МГ лента; 3 — деталь с дефектом; 4-6 — импульсы от дефекта, края шва и края пленки.

На поверх­ность намагниченной детали нак­ладывается ферромагнитная лента, которая намагничивается тангенциальной составляющей магнитного поля дефекта. Далее лента протягивается в дефектос­копе, где информация считывается магнитными головками, представляющими собой феррозондовые датчики. Недостатком метода является двукратное преобразование информации и реакция только на тангенциальную составляющую поля рассе­яния дефекта [2, 6].

На рис. 18 изображено сварочное соединение, подвер­гаемое намагничиванию с магнитной лентой, и сигналы МГ дефектоскопа, соответствующие дефекту, кромке свароч­ного шва и краям ленты.

Магнитография нашла применение при строительстве магистральных трубопроводов.

При магнитографии, как и при радиационном контроле, часто под чувствительностью метода подразумевают отно­шение вертикального размера минимального выявляемого дефекта к толщине металла:

Чувствительность зависит от глубины залегания дефекта. Чем глубже залегает дефект, тем при прочих равных условиях должна быть больше величина и, следователь­но, ниже чувствительность.

На отношение А₄/А₅₆ амплитуд полезного сигнала и шума оказывают влияние высота, форма и флуктуация раз­меров валика усиления. Хорошие результаты получают при МГ, если высота усиления сварных швов не превышает 2,5 % от толщины металла и имеются плавные переходы шва к основному металлу, чешуйчатость шва не превыша­ет 20 % высоты валика усиления. МГ применяется при кон­троле сварных соединений толщиной до 20 мм. При снятом валике усиления чувствительность метода составляет 3...4 %, без снятого усиления — 8...15 %. Качество получаемой информации во многом зависит от степени прилегания ленты к поверхности шва. Прижим должен быть плотным и равномерным.

В [6] получена зависимость:

максимума величины напряженности H_g поля над дефектом от отношения l/l_О расстояния до центра дефекта (от поверхности изделия) к глубине залегания, при которой напряженность убывает в два раза. Через H_g' обозначена ве­личина поля дефекта, выходящего на поверхность. С рос­том толщины металла, покрывающего дефект, маг­нитное поле H_g убывает по экспоненте.

В зависимости от плот­ности прилегания ленты, ее расстояния d до изделия (рис. 19, а) сигнал довольно быстро убывает на первых 1...3 мм и мало зависит от магнитной проницаемости среды, разделяющей ленту и изделие. Первая кривая, характеризующая среду с μ » 1, фактически пока­зывает, как убывает сигнал с увеличением глубины его залегания. Кривые рис. 19 получены при испытании образца толщиной 3 мм с искусственным дефектом в ви­де фрезеровки с его обратной от ленты стороны.

Изменение сигнала от величины напряженности магнитного поля, намагни­чивающего образец, видно на рис. 19, б, в.

Рис. 19. Зависимость амплитуды сигнала от: а — расстояния между лентой и изделием; б, в — от вели­чины намагничивания.

Из этих за­висимостей следует, что имеется вполне определен­ное значение намагничива­ния, мало зависящее от глубины залегания дефекта, при котором амплитуда сигнала максимальна. Повышенное намагничивание не увеличивает регистрируемый сигнал. В преобразователе Холла возникает ЭДС в результате искривления пути носителей тока в полупроводниках, на­ходящихся в магнитном поле под действием силы Лоренца.

Напряжение на выходе преобразователя U_у при попе­речном эффекте Холла:

где R_h — постоянная Холла, ; h — толщина холловской пластины, м; I_х — управляющий ток преобразо­вателя Холла, А; В — магнитная индукция, Тл.

Выпускают кремниевые, германиевые и арсенид-галлиевые преобразователи Холла, основные данные которых приведены в табл. 3. В магниторезисторах происходит изменение электрического сопротивления при IIнесении их в магнитное поле.

Магниторезисторы изготовляют из антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs), эвтектических сплавов типа InSb-NiSb и InSb-GaSb, а также германия (Ge), теллура (HgTe) и селенида ртути (HgSe), антимонида и арсенида галлия (GaSb, GaAs).

Технические характеристики магниторезисторов

Параметр	Материал для изготовления
	InSb	InAs
Сопротивление, Ом: при отсутствии магнитного поля в магнитном поле RВ при В=1 Тл	0,5…200 50…4000	0,5…200 1…400
Относительное изменение сопротивления при В, Тл: 0,1 0,5 1,0	0,2…0,5 5…8 10…16	0,03…0,5 0,5…1,0 2…3
Габаритные размеры, мм: наименьшие наибольшие	5х3х0,2 8х6х0,5	5х3х0,2 8х6х0,5

Приращение удельного электрического сопротивления ∆ρ магниторезистора равно:

где А — коэффициент пропорциональности. В малых полях зависимость А от Б квадратичная. Размеры магниторезис­тора типа МД-130 фирмы «Сони» равны 0,4х0,6 мм, а чувствительность 2 мВ/(А/см).

Коэффициент передачи преобразователей Холла (табл. 3) при полях с индукцией меньше 0,1 Тл изменяется по квадратичному закону, а в области больше 1,0 Тл он нес­колько увеличивается. Магниторезисторы имеют более высо­кий коэффициент передачи в полях с индукцией выше 0,2 Тл, поэтому ими следует пользоваться при измерении силовых магнитных полей.

Магнитные порошки по составу, физическим свойс­твам и назначению подразделяются на четыре вида:

1. железные порошки, получаемые термическим разло­жением пентакарбонида железа Fe(Co)₅ или диспергиро­ванием железа электрической дугой в керосине;

2. порошки, получаемые в шаровых мельницах измель­чением окалины, возникающей при горячей обработке стали;

3. порошки технического и синтетического магнетика;

4. порошки ферромагнитной окиси железа, получаемые окислением магнетика.

Наибольшее распространение получили черный маг­нитный порошок, представляющий собой измельченную окись-закись железа Fe₃O₄ и буровато-красный порошок — γ-окись железа (γ-Fe₂O₃).

Для контроля деталей с темной поверхностью используют светлые порошки (с добавлением алюминиевой пудры ПАК-3), либо люминесцентные магнитные порошки. Распространенный люминесцетиый магнитный порошок в 100 г Fe₂O₃ содержит 15 г люминофора-люмогена светложелтого цвета.

Таблица 3. Технические характеристики датчиков Холла

Люминесцетные порошки используют при контроля как по тем­ным, так и по светлым поверхностям, но при этом место контроля должно быть оборудовано ультрафиолетовым осве­щением.

Большое значение имеет размер частиц порошка. Сред­ний размер одного зерна 0,1...60 мкм. Магнитные пасты, предназначенные для разведения в жидкости, кроме по­рошков содержат различные смачивающие, антикоррозион­ные и другие присадки.

Для улучшения условий осаждения порошка над де­фектом применяют водные и масляные магнитные сус­пензии. Наиболее распространенные составы водных магнитных суспензий (в граммах):

1. Черный магнитный порошок или люминесцентный магнитный порошок	25±5 4±1
Хромпик калиевый (К2СrО7)	4±1
Сода кальцинированная	10±1
Эмульгатор ОП-7 или ОП-10	5±1
Вода	1л
2. Черный магнитный порошок или люминесцентный магнитный порошок	25+5 4+1
Нитрит натрия (химически чистый)	15±1
Эмульгатор ОП-7 или ОП-10	5±1
Вода	1л
3.Черный магнитный порошок или люминесцентный магнитный порошок	25+5 4±1
Мыло хозяйственное	1±0,5
Сода кальцинированная	12±2
Вода	1
Применяют масляные и керосино-масляные суспензии следующих составов:
1. Черный магнитный порошок, г или люминесцентный магнитный порошок, г	25+5 4±1
Масло РМ, л	1
Стабилизирующая присадка Акор-1, % от массы порошка	0,5...5
2. Черный магнитный порошок, г	25+5
Масло трансформаторное, л	0,5
Керосин, л	0,5
Стабилизирующая присадка Акор-1, % от массы порошка	0,5...5

В зависимости от объекта контроля применяют сус­пензии с концентрацией порошков, начиная с 5 г/л и выше. Низкие концентрации используют при контроле резьбы, деталей со структурной полосчатостью и т.п.

Магнитные ленты применяют для записи магнитных нолей, в том числе и при магнитографической дефектос­копии. Двухслойные ленты состоят из ацетилцеллюлозы, ноливинилхлорида, лавсана и магнитоактивного слоя — порошков окиси железа, взвешенного в лаке, обеспечива­ющего хорошую адгезию с основой. Для изготовления рабо­чего слоя используют гамма-оксиды железа (γ-Fe₂O₃), железо-кобальтовый феррит (CoFe₂0₃), двуокись хрома (СrО₂). В однослойных лентах магнитный порошок вводится непосредственно в основу (резина, полиамидные смолы).

Лента МКУ создана специально для контроля сварных соединений и содержит два рабочих слоя с различной коэрци­тивной силой, что позволяет работать и в средних, и в больших намагничивающих полях. Эти ленты успешно применялись при магнитографии строящихся нефте-газопроводных магистра­лей, при автоматизации наблюдений за развивающимися уста­лостными трещинами при циклических испытаниях образцов сварных соединений и т.п. Недостатком магнитографии явля­ется многократное преобразование информации и реакция толь­ко на тангенциалыгую составляющую поля.

Для автоматизации индентификации поверхностных де­фектов на ферромагнитных деталях были созданы [2] авто­маты на основе магнитоакустических преобразователей.

Если сила электрического тока в обмотке возбуждения изменяется по синусоидальному закону, то ЭДС, наводи­мую в измерительной катушке, которая находится над де­фектом, определяют по формуле

где w — число витков в катушке; S — сечение ка­тушки; Н_т — максималь­ная напряженность маг­нитного поля; ω — круго­вая частота. Для повыше­ния чувствительности па­раллельно измерительной катушке включают конденсатор. Образуется резонансный контур, который настраивают на определенную частоту. Для измерения постоянных магнитных полей цепь из­мерительной катушки должна периодически размыкаться. Этот метод не нашел широкого применения в дефектос­копии. Эффективным оказался магнитоакустический метод (рис. 20), при котором измерительная катушка наклеива­ется на пластину из ферромагнетика с сильно развитым магнитострикционным эффектом [2].

Рис. 20. Магнитоакустический датчик: 1 — излучатель колебаний; 2 — фер­ромагнитная пластина с развитым магнитострикционным эффектом; 3 — измерительная катушка; 4 — контро­лируемая деталь с дефектом.

В пластине возбуж­даются колебания, которые передаются наклеенной на нее измерительной катушке. Наводимая ЭДС имеет частоту указанных колебаний и пропорциональна постоянному маг­нитному полю дефекта, которое подмагничивает пластину. На рис. 20 показан один из вариантов магнитоакустического датчика. Этот метод удобен для автоматизации процесса обнаружения относительно поверхностных дефектов. Измерение происходит в зоне локального насыщения плас­тины с развитым магнитострикционным эффектом, кото­рый сильно изменяется от степени подмагничивания.

Колебания структуры пластины создает пьезопреобразователь, подключенный к обычному УЗ-дефектоскопу. ЭДС, наводимая в катушке 3, зависит от поля рассеяния дефекта.

Таким образом информация о результатах магнитного контроля принимается и анализируется с помощью ультразвукового дефектоскопа.

Все магнитные преобразователи могут быть разделены на две категории: полемерные и градиентометрические, в которых измеряемый сигнал равен:

В свою очередь полемерные подразделяются на модуль­ные и компонентные. Модульные полемерные преобразо­ватели позволяют вести измерения независимо от ориентации магнитного поля, так как:

Для компонентных преобразователей возможны изме­рения по каждой координате:

Если ось преобразователя направлена к соответствующей оси поля (например, ОХ) под углом α, то сигнал будет меньше:

U_х = f(Hcosα) и т.д.

Модульные полемерные преобразователи позволяют измерять магнитную индукцию в воздухе, или, что прак­тически то же самое, напряженность Н = B/μ_O магнитного ноля независимо от направления. Таким образом, выходной сигнал модульного преобразователя не зависит от ориен­тации последнего в пространстве.

Для компонентных преобразователей существуют три передаточные функции:

Выходной сигнал такого преобразователя определяется одним из компонентов напряженности. И если вектор нап­ряженности направлен под некоторым углом а к соответс­твующему направлению, то выходной сигнал U = f(Hcosa). Отсюда вытекает понятие диаграммы направ­ленности компонентного магнитного преобразователя. Если такой преобразователь помещен в плоскопараллельное магнитное поле, то поворачиваясь вокруг оси, ортогональной век­тору напряженности магнитного поля, он описывает окружность.

Градиентометрические преобразователи позволяют оценивать неоднородность магнитных полей по значению соответствующей производной. Две разновидности таких преобразователей — продольные и поперечные — позволяют оценивать скорость изменения одного из компонентов вектора магнитной индукции в ортогональных направлениях.

Каждый из этих преобразователей (индукционные, феррозондовые, гальваномагнитные, магниторезистивные, магнитооптические, магнитные ленты и магнитные порош­ки) находится в зоне поля рассеяния дефекта отдельных его компонентов.

В основу принципа действия индукционных преобразова­телей положен закон электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, наведенная в замкнутом контуре L, пропор­циональна изменению во времени магнитного потока.

Можно показать, что в том случае, когда размеры кон­тура L, охватывающего площадь S, остаются неизменными и он не изменяет положения относительно вектора В, по­является так называемая трансформаторная ЭДС:

возникающая только за счет изменения индукции во вре­мени, т.е. в случае переменных полей.

Если же магнитная индукция постоянна, то изменить магнитный поток во времени можно, поворачивая контур вокруг оси, перпендикулярной вектору В. При этом возни­кает так называемая ЭДС движения:

Преобразователи, использующие трансформаторную ЭДС Е_тр , называют пассивными, и они могут применяться только в переменных магнитных полях. Магнитные преобразователи, использующие ЭДС движения Е_дв, называют активными, они могут использоваться для измерения пос­тоянных магнитных полей.

Пассивные индукционные преобразователи в простей­шем случае представляют катушку. Это, как правило, ко­роткие однослойные катушки, намотанные тонким проводом, чтобы можно было пренебречь толщиной намот­ки по сравнению с диаметром катушки.

В том случае, когда ось катушки в процессе измерений составляет с направлением вектора магнитной индукции угол α, мгновенная трансформаторная ЭДС будет:

где S — площадь одного витка катушки; w — число ее витков. При измерении в слабых полях может оказаться, что ЭДС весьма мала. Тогда для ее увеличения помещают внут­ри катушки ферромагнитный сердечник и магнитная ин­дукция в сердечнике увеличится в ,

где — магнитная проницаемость тела; N_р — коэффици­ент размагничивания, определяемый геометрическими па­раметрами сердечника. В литературе приводится следующее выражение для магнитной проницаемости цилиндрического сердечника длиной l и диаметром d:

Выходной сигнал пассивного преобразователя с сердеч­ником:

Коэффициент преобразования, равный множителю перед производной dH/dt, зависит от N_p, т.е. в конечном счете от размеров и формы сердечника.

Кроме однокатушечных пассивных магнитных преоб­разователей для оценки изменений магнитной индукции в пространстве применяют двухкатушечные дифференциаль­ные преобразователи. При встречном включении катушек выходной сигнал такого преобразователя:

Хотя преобразователи и одинаковые, но напряженность поля в области, где размещен каждый из них, может быть различной.

Существует два основных типа активных индукцион­ных преобразователей (рис. 21). В одном из них ЭДС воз­никает за счет изменения скалярного произведения , т.е. практически за счет изменения площади S, а в другом — за счет изменения магнитной проницаемости μ_т.

Рис. 21. Классификация индукционных преобразователей.

Простейшим примером первого типа преобразователя является катушка (рис. 22), вращающаяся с помощью дви­гателя. При угловой частоте ω напряжение, снимаемое со скользящих контактов, равно:

Отсюда видно, что чувствительность можно повысить, увеличивая частоту вращения. Если измеряется только модуль выходного напряжения, то преобразователь является модульным.

Рис. 22. Измерение поля рассеяния с помощью вращающейся катуш­ки (а) и измерительного трансформатора (б).

Электрические шумы, возникающие в скользящих кон­тактах, можно устранить, применяя для снятия выходного сигнала трансформатор (см. рис. 22). Первичная обмотка трансформатора закреплена на валу индукционного преоб­разователя и вращается вместе с ним, а вторая неподвижна. Такие преобразователи позволяют проводить измерения в слабых магнитных полях (порядка 10^-4 Тл) при погреш­ности не более единиц процентов.

Во втором типе активных индукционых преобразовате­лей изменяется магнитное сопротивление за счет изменения положения ферромагнитного сердечника.

Обычно подвижна средняя часть сердечника, которая может вращаться вокруг поперечной оси. В этом случае измеряется коэффициент размагничивания. В результате выходной сигнал изменяется дважды за один оборот сер­дечника. При измерении второй гармоники можно отфиль­тровать наводки, создаваемые двигателем на основной частоте.

Магнитная индукционная го­ловка — это обычный пассивный индукционный преобразователь (рис. 23), представляющий собой кольцевой магнитопровод 1 с зазо­ром 2. На магнитопроводе размеще­на катушка 3. Контроль осу­ществляется путем перемещения магнитопровода вблизи объекта контроля 4, причем участок зазора соприкасается с повер­хностью предварительно намагниченной детали.

Рис. 23. Магнитная индук­ционная головка.

Магнитный поток Ф_r, встречая трещину 5, частично оги­бает ее, а частично проходит по магнитопроводу. Часть этого потока Ф_раб проходит через сердечник и может соз­давать ЭДС в катушке, другая же часть создает поток рас­сеяния Ф_раб. Магнитная головка применяется как для считывания информации с магнитных лент, так и для не­посредственных измерений на поверхности детали (см. рис. 23). Эффективность магнитной головки может быть оценена соотношением рабочего потока и потока рассеяния:

где l_з — средняя длина магнитных силовых линий в зазоре; S_з — средняя площадь сечения, сквозь которое проходят эти линии; l_с и S_c — длина и площадь сечения магнитопровода; μ_c — относительная магнитная проницаемость ма­териала сердечника.

Для повышения эффективности магнитных головок сердечник изготовляют из материала с большой магнитной проницаемостью, например, из пермаллоя или феррита.

Выходной сигнал магнитной головки определяется гра­диентом магнитного поля вблизи зазора и скоростью пере­мещения головки. Это следует непосредственно из закона электромагнитной индукции. Применение магнитных ин­дукционных головок эффективно при постоянной скорости перемещения. При изменении скорости изменяются коэф­фициент преобразования головки и спектр сигнала, что зат­рудняет ее применение.

При магнитографии, когда отпечаток магнитного рельефа вначале записывается на магнитную лешу, а затем считывается, скорость движения должна быть строго постоянна.

Действие феррозондового преобразователя основано на нелинейности кривых намагничивания сердечников. В зависимости от взаимной ориентации векторов напряжен­ности внешнего магнитного поля и магнитного поля возбуждения преобразователя различают феррозонды с продольным и поперечным возбуждением.

Феррозонд с продольным возбуждением состоит из двух идентичных полузондов, каждый из которых содержит сер­дечник из магнитомягкого материала с размещенными на нем двумя катушками. Одна катушка — возбуждающая — подключается к источнику переменного тока, другая — измерительная. Схема подключения обмоток в феррозонде-полемере показана на рис. 24. Здесь обмотки возбуждения соединены встречно, измерительные — согласно. Синусо­идальный ток возбуждения i_В = I_msinωt создает в сердечни­ке магнитное поле возбуждения H_B(t) = H_msinωt, вектор напряженности которого параллелен оси сердечника. Без внешнего поля очевидно, что характер изменения индукции в каждом сердечнике одинаков и значения индукций отли­чаются только знаком. Следовательно, выходной сигнал, равный сумме ЭДС в измерительных катушках, равен ну­лю.

Рис. 24. Схема соединения обмоток феррозонда-полемера.

При воздействии постоянного магнитного поля H₀ напря­женность в первом сердечнике H₁(t) = H_Bsinωt + Н₀ а во вто­ром H₂(t) = H_Bsinωt + Н₀. В этом случае вследствие нелинейности кривой намагничивания значения индукции в стержнях становятся различными. Выходной сигнал несину­соидальной формы имеет период Т_и вдвое меньше периода Т_в возбуждающего тока. Это означает, что постоянное внешнее подмагничивающее по­ле H₀ обусловливает по­явление второй гармо­ники в выходном сигнале феррозонда. Эта вторая гармоника и является информатив­ной, по ней судят о напряженности пос­тоянного магнитного поля. При H₀ = 0 вы­ходной сигнал ферро­зонда равен нулю. Рабочая часть характе­ристики этого преобра­зователя близка к линейной. Действу­ющее значение второй гармоники U₂ пропорционально напряженности Н₀.

Для оценки неоднородности постоянного во времени магнитного поля используется феррозонд-градиентометр, который по устройству аналогичен феррозонду-полемеру и отличается от него соединением обмотки (рис. 25).

Рис. 25. Схема соединения обмоток фер­розонда-градиентометра.

Обмотки возбуждения соединены так, что в однородном поле, т.е. при Н₀' = H₀", напряженность, а следовательно, и индукция в каждом сердечнике одинаковы в любой момент времени. Измерительные катушки w_и' и w_и" включены встречно, поэ­тому выходное напряжение этого феррозонда, равное разнос­ти ЭДС е₁ и е₂ в измерительных катушках, равно нулю. Если же напряженность поля изменяется в направлении, ортого­нальном направлению вектора H₀, то напряженность магнит­ного поля Н₀' не равна Н₀". Это приводит к тому, что индукция в каждом сердечнике не будет одинаковой и появится выход­ной сигнал U_вых = e₁(t) - e₂(t). Амплитуда выходного сиг­нала пропорциональна степени неоднородности внешнего поля, т.е. величине ∆Н = Н₀' – Н₀".

Магнитодоменпый преобразователь представляет собой однородную магнитную среду определенной толщины, в ко­торой домены (однородные области, обладающие одинаковой намагниченностью), ориентируются в зависимости от маг­нитного поля рассеяния, создаваемого дефектами в изделиях из ферромагнитных материалов. Действие преобразователя основано на магнитооптическом эффек­те [32].

Применяемые в настоящее время магнитодоменные пре­образователи основаны на визуализации топографии магнит­ного поля с помощью феррит-гранатовой магнитной пленки. Нa рис. 26 показана доменная структура такой пленки, раз­мещенной на бездефектном участке ферромагнитного объекта, а на рис. 27 — доменные структуры пленки, находящейся над дефектом типа «трещина».

Рис. 26. Магнитодоменная структура Рис. 27. Магнитодоменная структура

на бездефектном участке детали. размещенной на участке детали c трещиной.

Изменение доменной струк­туры происходит под влиянием магнитных полей рассеяния. Оценка этих изменений производится так, как показано на рис. 28.

Рис. 28. Измерительная установка с магнитодоменным преобразователем.

Здесь световой поток от источника света 1 прохо­дит через поляризатор 2 и с помощью полупрозрачного зеркала 3 освещает магнитную пленку 4 плоскополяризованным светом. При про­хождении плоскополяризованного света через магнит­ную пленку направление поворота поляризации света зависит от направления намагниченности пленки. Прой­дя через пленку и отразившись от зеркального покры­тия 5, световой поток вторич­но проходит через нее, что приводит к удвоению угла по­ворота плоскости поляри­зации.

После этого через полупрозрачное зеркало 3 свет попадает на анализатор 6,

изображение на выходе которого зависит от плоскости по­ляризации света и, следовательно, определяется доменной структурой. Доменная структура определяется свойствами ферромагнитного образца 7 и, кроме того, может изменяться с помощью электромагнита 8.

Устройство магнитодоменного преобразователя иллюст­рирует рис. 29.

Рис. 29. Магнитный преобразователь.

Рис. 30. Схема (а) магнитооптического [35] визуализатора (б), его использования (в) для обнаружения мелких трещин (г).

Основным элементом преобразователя явля­ется висмутсодержащая феррит-гранатовая магнитная пленка 1, выращенная на подложке 2 из галлий-гадолиниевого гра­ната. На пленку нанесен отражающий слой 3, закрытый пре­дохраняющим слоем 4. Для управления доменной структурой служит катушка 5, по которой может быть пропущен ток.

Информативным параметром магнитодоменного преоб­разователя является видимое изображение доменной структуры магниточуствительной пленки. Под влиянием внеш­него подмагничивающего поля доменная структура пленки изменяется. Междоменные границы занимают положение, соответствующее минимуму магнитной энергии пленки.

На работу магнитодоменного преобразователя влияют два основных фактора: параметры пленки и положение до­менных границ в зависимости от напряженности поля подмагничивания.

Чувствительность используемых пленок составляет 10 А/см и определяется коэрцитивной силой доменных границ, характеризующейся напряженностью магнитного поля, при которой доменная граница начинает изменяться. Наряду с магнитными важную роль играет оптическая характеристика пленки — магнитооптическая добротность Ψ.

В дефектоскопии используют висмутсодержащие феррит-гранатовые эпитаксимальные пленки с низкой коэрцитивной силой и намагниченностью насыщения M_s = 1... 12 мТл. Тол­щина пленки 6 мкм, магнитооптическая добротность более 40°, ширина доменной структуры 10 мкм.

Для регистрации магнитных полей рассеяния от дефек­тов используются различные типы рассмотренных выше преобразователей, однако наибольшее применение нашли магнитные порошки, обеспечивающие достаточно высокую чувствительность, если чистота обработки поверхности соответствует 6...7-му классу шероховатости.

На рис. 30 показано применение магнитооптических приборов в авиации [34].