5.2. Электромагнитные локационные системы

Принцип работы электромагнитных локационных систем (ЭЛС) основан на взаимодействии электромагнитного поля преобразователя с металлическими объектами. ЭЛС чаще всего выполняют функции информационных средств параметрического контроля и дефектокопов, реже - измерителей расстояний, вибраций и др. В качестве ЧЭ ЭЛС используются дроссели и трансформаторы различной формы.

В зависимости от типа преобразователя и частоты магнитного поля ЭЛС разделяются на 3 группы:

• магнитные ЛС (индуктивные и индукционные) - в них применяется постоянное или низкочастотное магнитное поле;

• вихретоковые - возбуждение осуществляется пере­менным магнитным полем частотой  2 10² ... 5 10⁶ Гц;

• радиоволновые - основаны на использовании электромагнитных излучений СВЧ диапазона (длина волны  0,1 ... 10 мм).

5.2.1. Магнитные локационные системы

Магнитные ЛС широко используются в дефектоскопии для выявления нарушений сплошности предметов из ферромагнитных материалов, обнаружения мелких трещин (размером 3 … 10 мкм) на их поверхности, определения толщины немагнитных покрытий на магнитной основе и толщины стенок изделий из магнитных и немагнитных материалов. Принцип магнитной дефектоскопии иллюстрирует рис.5.16. Если ферромагнитный объект помещен в однородное магнитное поле, то при отсутствии дефектов в материале объекта магнитный поток Ф практически не выходит за пределы объекта, т.к. магнитная индукция в воздухе B_в в  раз меньше, чем в металле B_м: B_м =  B_в. Следовательно, магнитное сопротивление R_, например, трещины шириной h_д будет намного выше, чем участка материала ферромагнетика. Использование магнитных ЛС в задачах дефектоскопии требует создания достаточно высоких уровней магнитной индукции в материале объекта. Поэтому, определяющее значение приобретают собственно магнитные характеристики объекта, для оценки которых, наряду с рассмотренным ранее параметром - величиной остаточной индукции B_ост, используются также намагниченность  и магнитная восприимчи­вость материала . Намагниченность предста­в­ляет собой векторную величину, характеризующую состояние вещества при воздействии на него магнитного поля напряженностью H:

где V - объем вещества, m_ - элементарный магнитный момент. Индукция в намагниченном материале определяе­т­ся формулой: B_м = ₀ (H + ), где ₀ = 4 10^-7 Гн/м. Напомним, что остаточной индукцией B_ост называется та ее часть, которая остается в намагниченном до насыщения ма­териале после снятия с него магнитного поля.

Второй важной характеристикой вещества (магне­тика), учитывающей его способность намаг­­ничиваться в магнитном поле является магнитная восприимчивость , равная:  = /H. Для всех металлов  зависит от :  = 1+ , причем для диамагнетиков  < 0, а для парамагнетиков  > 0. Поскольку, в обоих случаях  не зависит от напряженности магнитного поля H и мало отличается от еди­ницы, значения магнитной восприимчивос­ти для этих материалов весьма малы.   10^-6 … 10^-4 - для диамагнетиков, и 10^-7 … 10^-6 - для парамагнетиков.

Магнитные дефектоскопы позволяют обна­руживать подповерхностные трещины и ра­­ковины на глубине до 20 мм.

Другой областью применения магнитных ЛС являетсяизмерение зазоров в магнитных цепях. В системах этого типа используются как индуктивные, так и индукционные датчики (рис. 5.15). В первых - вариации ма­г­нитного сопротивления зазора R_ вызывает изменение индуктивности катушки L, во втором под действием того же фактора изменяется ЭДС индукции Е. В простейших магнитных ЛС возбуждение катушки внешним источником питания не производится; при этом выходной сигнал U_с возникает только при движении объекта относительно датчика. На этом принципе построены магнитные головки разных типов, использующиеся в системах магнитной записи сигналов (рис. 5.15а). Для повышения эффективности магнитных головок их сердечник выполняется из материала с большой магнитной проницаемостью (фе­ррита, пермаллоя и др.). В системах измерения зазоров или малых расстояний (рис. 5.15б) головка содержит две катушки - первичная запитывается от внешнего источника питания U_п, а вторая является сигнальной.

Пример использования индукционной го­ловки наведения для управления подвижным мобильным средством приведен на рис. 5.17а. Головка была включена в состав навигационной системы транспо­рт­ной тележки, перемещающейся внутри це­ха вдоль уложенных в подповерхностном слое металлических шин. Катушка возбуждения создает вы­сокочасто­т­ное электромаг­ни­т­ное поле, которое на поверхности метал­ли­ческой шины наводит со­ответству­ющее магнитное поле, под действием которого во вторичных (сигнальных) катушках генерируются переменные напряжения. Обмотки кату­шек соединены дифференциально, в результате че­го их суммарный сигнал соответствует разности напряжений в каждой катушке. Угловое рассогласование  вы­зывает на выходе фазочувствительного выпрямителя ФЧВ сигнал U_вых, ам­плитуда которого пропорциональна напряжению U_диф, а знак соответствует фазе  (рис. 5.17б).

Магнитные ЛС на базе индуктивных датчиков расстояния широко используются в робототехнике. На рис. 5.18 представлена функция преобразования и схема включения индуктивного датчика в контур управления сварочным роботом. Выходные сигналы поступают в регулятор привода, который перемещает горелку по соответствующей оси до тех пор, пока не будет до­стигнуто требуемое расстояние L_раб между эле­ктродом и поверхностью за­­готовки. Это расстояние, оп­ределяемое эмпирически, со­ставляет в среднем 6, 4 и 3 мм соответственно для черных металлов, алюминия и меди. Точность отслеживания траектории достигает  0,4 мм.

В качестве первичных преобразователей магнитных ЛС также служат фер­­розонды (по­ле­меры), преобразователи Хол­ла и др.

Магнитные ЛС являются основными средствами неразрушающего контроля в литьевом и прокатном производстве. К их достоинствам относятся: простота конструкций, большая глубина зоны контроля, высокая надежность (на показания датчика практически не влияют климатические факторы, загрязнения поверхности). Недостатками магнитных ЛС являются низкая разрешающая способность и нелинейность функции преобразования.