Формирование сигнала датчика

Подобно тому, как ток, протекающий по обмотке датчика, создает в пространстве магнитное поле, образуют маг­нитное поле над проверяемым участком детали и ВТ (рис. 5.6).

Значение потока ВТ Фв зависит от электропроводности, магнит­ной проницаемости и сплошности проверяемого материала. Он меньше, если меньше электропроводность (рис. 5.6, а, б):Ф <ФВї. Нормальная составляющая магнитного потока ВТ в любой момент направлена навстречу нормальной составляющей возбуждающего потока Ф0 датчика. При отсутствии несплошности в детали под дат­чиком пространственная картина магнитного поля ВТ имеет осе­вую симметрию. Если под датчиком есть трещина, то осевая сим­метрия нарушается, так как меняются траектории ВТ (рис. 5.6, в). Часть ВТ, обтекающих трещину с двух сторон в противопо­ложных направлениях, создает над ней дополнительное поле дефекта, нормальная составляющая которого направлена так же, как нормальная составляющая возбуждающего поля. Поток поля дефекта обозначен ДФ.

Магнитный поток ВТ является величиной, формирующей в датчике сигнал. Дополнительный поток ДФ вызывает приращение этого сигнала при наличии дефекта. Поток ВТ и его приращения тем больше, чем больше возбуждающий поток Ф0 и чем ближе к детали расположен датчик.

При протекании ВТ наблюдается, кроме образования магнит­ного поля Фв, и другое явление: превращение электрической энер­гии в теплоту. Это превращение происходит на электрическом со­противлении, которое ВТ испытывают со стороны материала де­тали. Энергия, превращающаяся в теплоту за единицу времени (потери мощности), обозначена Рп.

Если поток ВТ Фа с ростом элек — рв тропроводиости материала (в пре ф делах 0—со) растет, то потерн мощ — 0 пости па ВТ Рц вначале увеличива­ются, а затем падают до нуля (рис. 5.7). Аналогичные закономер­ности для Фв и Рв наблюдаются при увеличении частоты от нуля до бесконечности.

Энергия, превращающаяся вну — I три детали в теплоту, поступает из

I датчика, который можно рассмат­

ривать как генератор электриче­ской энергии. Поэтому потери мощ­ности на ВТ приводят к изменению параметров (активного сопротивле­ния) датчика и являются величиной, которая вместе с магнитным потоком ВТ формирует сигнал датчика. Потери мощности па ВТ тем больше, чем больше возбуждающий поток Ф0 н чем ближе к детали расположен датчик. Так как при контроле используют датчики небольшой мощности, нагревание детали за счет потерь на ВТ трудно зарегистрировать. При большой мощности индуктора (катушки индуктивности) происходит разогревание поверхност­ных слоев детали ВТ до высокой температуры. Этот эффект ис­пользуют для индукционной закалки при изготовлении де­талей.

Рассмотрим, как величины Фв и Рв трансформируются в сиг­нал параметрического датчика — индуктивное и активное сопро­тивление.

В режиме холостого хода активное сопротивление датчика Ро (рис. 5.8, г’) определяется через потери мощности в самом датчике Р0, а его индуктивность L0-~ через возбуждающий маг­нитный поток Ф0: Ро = Ро//2, Ро = Фо/7. В токовихревых дефекто­скопах / = const (/ — сила тока в обмотке), так как датчики под­ключают к электронному генератору с большим внутренним со­противлением. Вообще L ~ Ф. Отсюда видно, что измене­

ния сопротивления R или индуктивности L датчика вызовут про — / порцнональные изменения потерь мощности и потока, и наоборот, изменения Р и Ф вызовут пропорциональные изменения R — и L. Полное сопротивление датчика принято изображать на комплекс­ной плоскости, откладывая но мнимой оси индуктивное сопротив­ление о>/-, по вещественной оси — активное сопротивление R (рис. 5.8,2′). Точка а = 0 с координатами А?0 и ш/_0 определяет пол*

ное сопротивление датчика Zq в режиме холостого хода. Нго так­же изображают отрезком (вектором), соединяющим начало ко ординат и точку а = 0.

Проанализируем, что происходит с величинами шL и R при возбуждении ВТ (рис. 5.8, а, б, в). Через витки обмотки датчика, помещенного на деталь, у которой электропроводность материала равна, например аі (рис. 5.8, а), проходят два встречно направ­ленных потока — возбуждающий Ф0 и поток ВТ Фв. Результиру­ющий поток равен их разности: ф1 = ф0—фі^т В этом случае ин­дуктивность L датчика равна, т. е. будет меньше, чем его

индуктивность Т0 в режиме холостого хода: Lx = ■— —— Ц—

Фв Ф В

—- . Величина обусловлена ВТ; она появляется, когда

датчик установлен на деталь и как бы вносится деталью, поэтому называется вносимой индуктивностью ТвТаким обра­зом, в случае, рассматриваемом па рис. 5.8, a, L{~L0—LBn.

Как уже отмечалось, энергия, превращающаяся в детали в теплоту, поступает из датчика. Поэтому потери мощности в дат­чике состоят из потерь в обмотке (н сердечнике) датчика и по­терь ВТ в детали: Р{ = Р0— Рв^. В этом случае активное сопротив-

холостого хода: —— — yf Ф Цг =■= R0 Ф -^г-. Величина обус­

ловлена деталью и называется вносимым активным со­противлением /?вп. Таким образом, в случае, рассматрива­емом на рис. 5.8, a, Ri=Ro + RBul.

Видим, что при размещении датчика па детали его индуктив­ное сопротивление уменьшается на величину coLmi,, а активное сопротивление увеличивается па величину RUnit комплексное со­противление Z изменяется на величину ZQ1Il = Р1Ші—/аФВи,, кото­рая и является сигналом датчика.

Вычтя па комплексной плоскости (рис. 5.8, а’) из индуктив­ного сопротивления шТо датчика в режиме холостого хода вноси­мое индуктивное сопротивление uLmu и добавив к активному со­противлению Ro вносимое активное сопротивление Рвп„ получим точку Gi па плоскости, которая характеризует комплексное сопро­тивление датчика Zb помещенного на металл с электропровод­ностью сц.

При размещении датчика над металлом с большей электро­проводностью Q2 (рис. 5.8, б) поток ВТ увеличится по срав­нению с предыдущим случаем и будет равен Ф, м а потери мощ­ности на ВТ могут увеличиться или уменьшиться (см. рис. 5.7) до значения /V — Соответственно этому изменятся вносимая ин­дуктивность и вносимое активное сопротивление. Они будут ра­вны Lmi, и Ra„t. Для определения комплексного сопротивления датчика Z2 необходимо найти координаты точки а2 на плоскости: wLo—coLBlls и Ra + Rim, (рис. 5.8, б’). Переставляя датчик на ме­таллы с возрастающей электропроводностью, получим на комп­лексной плоскости ряд точек, определяющих полное сопротивле­ние датчика Z, а также полное вносимое сопротивление (сигнал датчика), соответствующее этим значениям а. Соединив все точки а линией, получим график зависимости Z датчика или Zaii от электропроводности. Такая же зависимость Z датчика и ZB! J получается при a = const, но при изменении частоты возбуждения ВТ от 0 до оо.

Графики Z (a, f и др.), показывающие зависимость сигнала датчика на комплексной плоскости от свойств материала детали, расстояния до датчика, формы детали, размеров дефекта и др., называют годографами.

Рассмотрим, что собой представляет сигнал датчика при на­личии под ним дефекта. Пусть в детали с электропроводностью материала ст2 под датчиком имеется трещина (рис. 5.8, в). Это приведет по сравнению со случаем, изображенным на рис. 5.8, б, к появлению дополнительного магнитного потока + АФ, а также к увеличению или к уменьшению потерь мощности на ■’ВТ на ±ДР (см. рис. 5.6, е). Результирующие поток и потери мощности дат­чика определяются выражениями Ф3 = Ф0—Фпа — гАФ, Рз = Ро +

+^>в,=ЬДР. Разделив первое из них на /, второе — на Г2, получим

Ls — Lq—+ Rz=’Rq+Rmi ±AR. Таким образом, при наличии трещины индуктивность датчика увеличивается, вносимая индук­тивность уменьшается, активное сопротивление датчика и вноси­мое активное сопротивление могут увеличиться, уменьшиться или не измениться — это зависит от того, при каких значениях про­изведения а/ выполняется контроль.

На рис. 5.8, в’ приращение сигнала, вызванное трещиной, изо­бражено вектором Д^-

Вектор Z3, соединяющий начало координат с точкой Т? ъ изображает полное сопротивление датчика, установленного на деталь с трещиной. На рис. 5.8, в’ показан также сигнал (вектор AZi) датчика, вызванный трещиной в материале с электропровод­ностью 01.

Для наблюдения изменений вносимого индуктивного и актив­ного сопротивлений датчика, обусловленных изменением ВТ, их преобразуют с помощью электрических схем в изменения напря­жения или тока.