Мостовой вихретоковый преобразователь и анализ его экспериментальных частотных характеристик

В настоящее время в связи с развитием новых технологий формирования поверхностного модифицирования конструкционных материалов возрастает необходимость в оперативном неразрушающем контроле (НК) их параметров и характеристик. Решение подобных задач, позволяющих контролировать качество продукции без нарушения ее пригодности к использованию по назначению, базируется на использовании различных физических методов и средств, классифицируемых по ГОСТ 18353-73 МНК [1], как преобразователи, реализующие магнитные, электрические, радиоволновые, тепловые, оптические, радиационные, акустические и электромагнитные - вихретоковые методы.

Слой металла с измененными физико-механическими свойствами, структурой, фазовым и химическим составом называется поверхностным слоем. Эти изменения могут вноситься при механической обработке деталей, так как его поверхность и прилегающие слои металла подвергаются значительному воздействию переменных сил деформации и трения со стороны инструмента, неравномерному разогреванию до высоких температур и т.д. Одним из параметров состояния поверхностного слоя являются остаточные напряжения, которые можно сформировать, проведя, например, процедуру упрочнения (наклепа).

Деформационное упрочнение (наклеп) поверхностного слоя оценивается глубиной h_н, степенью U_H и градиентом наклепа U_гр. Определение этих параметров можно произвести, контролируя изменение микротвердости H_μ по Ворох Дмитрий Александрович, аспирант.

сечению детали, или рентгеноструктурным методом. Эти два метода, по сути, являются разрушающими вследствие того, что глубина наклепа может достигать 0,5 мм [2]. В первом случае для определения микротведрости подразумевается формирование косого среза на ОК, после чего с известным шагом по поверхности среза, вдавливается индентор, затем по площади и глубине отпечатка оценивают микротвердость. Во втором случае происходит измерение ширины дифракционной линии и последующее удаление части поверхностного слоя электролитическим путем на известную глубину.

Указанные процедуры определения параметров твердости поверхностного слоя могут производиться только на входном или выходном контроле, но не в период эксплуатации детали.

Для решения задач оперативного НК можно применять ВТП. Известно [3], что глубина проникновения поля в поверхностный слой объекта контроля (ОК) зависит от частоты питающего ВТП напряжения. Таким образом, для определения параметров поверхностного упрочненного слоя по его глубине, необходимо менять частоту питающего напряжения ВТП в широких пределах. В данной статье исследуется мостовой ВТП, который, в отличие от ВТП абсолютного типа, обладает рядом преимуществ, подробно рассмотренным в [4]. Принципиальная схема мостового преобразователя представлена в [5]. Целью данной статьи является экспериментальное исследование частотных свойств мостового ВТП.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Для экспериментального исследования частотных характеристик мостовых ВТП разработан и изготовлен лабораторный стенд, структурная схема которого представлена на рис. 1. Структурная схема содержит генератор качающейся

Рис.1. Структурная схема экспериментального стенда для исследования амплитудно-частотных характеристик ВТП

частоты 1, мостовой ВТП 2, дифференциальный амплитудный детектор 3, состоящий из блока коррекции 4 и усилителя-детектора 5, вольтметр постоянного тока 6 и осциллограф 7.

В конструкции стенда предусмотрена возможность установки ВТП на заданное расстояние относительно ОК, в качестве которого использовался лист фольгированного стеклотекстолита с толщиной медной фольги 0,35 мм. Экспериментальный образец ВТП содержит две обмотки по 15 и две обмотки по 14 витков провода ПЭЛ-0,3 для опорных и измерительных катушек, соответственно. Внутренний диаметр катушек равен 10 мм, внешний 18 мм, толщина катушек 1мм. Расстояние между опорными и измерительными катушками 12мм, экранирование катушек не применялось. Вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ВТП, напяти различных зазорах между информационными катушками ВТП и ОК, приведен на рис. 2.

Анализируя экспериментальные графики, на них можно выделить три характерных участка.

Области малой крутизны. Данные области находятся в разных частотных диапазонах. Первый диапазон (2…7) МГц. Второй диапазон принадлежит частотам (15…35) МГц. В этих частотных областях следует ожидать характеристику зависимости амплитуды выходного сигнала ВТП от зазора (рисунок 3), монотонной и с небольшой крутизной преобразования, что и подтверждается результатами эксперимента (рисунок 3).

Область частот вблизи значения 7,5 МГц, где зависимость выходного напряжения от зазора не существенно зависит от зазора

Область большой крутизны. Эта область находится в диапазоне частот (7,5…15) МГц. В данной

Рис. 2. Экспериментальные амплитудно-частотные характеристики ВТП

Рис. 3. Зависимость амплитуды выходного сигнала от зазора между ОК и ВТП в первой частотной области

Рис. 4. Зависимость амплитуды выходного сигнала от зазора между ОК и ВТП в третьей частотной области

области частот прогнозируемая характеристика зависимости амплитуды от зазора должна иметь немонотонный вид и обладать достаточно большой крутизной, т.к. на данном участке происходит совместное влияние на амплитуду выходного напряжения частотных свойств цепи и текущего значения зазора, что также подтверждается результатами эксперимента (рис. 4). К недостаткам этой области можно отнести температурную нестабильность параметров индуктивного моста вследствие последующего изменения геометрических размеров катушек. Температурное влияние сопровождается появлением в выходном полезном сигнале напряжения смешения порядка 5% от максимального выходного напряжения при нулевом зазоре.

В рамках данной статьи предполагается, что ОК изменяет параметры ВТП двумя путями. Первый путь это изменение индуктивной составляющей катушки, то есть добавление к базовому значению индуктивности L1 и L4 некоторой добавки ±∆L [3]. Второй путь - это изменение активной составляющей катушки, то есть добавление к базовому значению сопротивлений обмоток L1 и L4 некоторой добавки ∆R, которая отражает потери энергии от протекания вихревых токов в поверхностном слое ОК [3].

ВЫВОДЫ

• 1.    Анализ результатов экспериментальных исследований показывает, что существует сложная взаимосвязь между амплитудой выходного сигнала ВТП, частотой питающего напряжения ВТП и зазором между ВТП и ОК.

• 2.    Изменение частот питающих напряжений ВТП, позволяет управлять крутизной преобразования величины зазора между измерительными обмотками и ОК в выходное напряжение преобразователя.

• 3.    Эффект изменения крутизны преобразования иллюстрируется графиками, представленными на рисунках 3 и 4, когда протяженный участок зависимости «Амплитуда выходного сигнала – зазор» с низкой крутизной преобразования (рисунок 3), можно преобразовать в аналогичную зависимость с большей крутизной, но в меньшем диапазоне изменения зазоров.