Холловские и другие методы магнитной дефектоскопии

Методы магнитной дефектоскопии различаются по средствам преобразования магнитного поля дефекта в электрический или оптический сигналы. В последнее время появилось много новых преобразователей магнитного поля в электрический сигнал, которые отличаются принципом действия, чувствительностью, размерами, но имеют одну общую черту - используют процессы, происходящие в полупроводниках. Вследствие этого им присущи некоторые общие достоинства (высокая механическая прочность, надёжность, дешевизна при массовом производстве) и недостатки (сложность изготовления, значительный разброс параметров, чувствительность к вибрациям, радиации и колебаниям температуры).

Рис. 2.38. Датчик Холла

Датчики Холла. Если плоский проводник, по которому течет ток в продольном направлении, поместить в магнитное поле , перпендикулярное направлению тока (рис. 2.38), то на его боковых гранях возникает разность потенциалов , которая определяется следующим соотношением:

, (2.97)

где - толщина пластины, - постоянная Холла, зависящая от материала.

Материал датчиков Холла должен иметь: а) большую постоянную Холла, для того чтобы иметь достаточную величину при малых габаритах преобразователя; б) высокую электропроводность; в) малую зависимость постоянной Холла (и электропроводности) от температуры. Этим требованиям удовлетворяют, в частности, полупроводники типа индий-сурьма (InSb) и индий-мышьяк (InAs), а также такие материалы, как германий и кремний, имеющие высокую подвижность носителей заряда.

Достоинствами датчиков Холла являются малые размеры (рабочая площадь менее 1 мм²), линейность характеристики в очень широком интервале полей (до нескольких тесла), отсутствие в конструкции искажающих исследуемое поле ферромагнитных элементов. Чувствительность современных датчиков Холла позволяет измерять магнитные поля от земного и выше.

Магнитодиоды. Серийно выпускаемые магнитодиоды (например, КД 301) отличаются от обычных диодов очень длинной базой, порядка 2-3 мм, что намного больше средней длины диффузии носителей заряда с перехода. Вследствие этого основное падение напряжения приходится не на переход, а на базу. Если через диод пропускать ток в прямом направлении, то в отсутствие магнитного поля инжектированные в базу носители уменьшат её сопротивление; при включении поля, перпендикулярного току, сила Лоренца будет отклонять электроны и дырки на одну и ту же поверхность диода. Вследствие этого велика вероятность рекомбинации; кроме того, грани специально обрабатываются для катализации поверхностей рекомбинации. В итоге число носителей в базе резко падает, что увеличивает её сопротивление и добавочно уменьшает ток. Процесс уменьшения тока диода под действием магнитного поля идёт лавинообразно. Это обеспечивает гораздо более высокую по сравнению с датчиками Холла чувствительность в столь же широком интервале полей, однако характеристика магнитодиода нелинейна.

Как показал зарубежный опыт, магнитодиоды пригодны для магнитной дефектоскопии в условиях производства, несмотря на нелинейность характеристики, высокую температурную нестабильность и необходимость сложных схем выравнивания чувствительности для системы датчиков.

Магниторезисторы. В этих датчиках используется эффект Гаусса, суть которого заключается в изменении сопротивления проводника или полупроводника при изменении воздействующего на него магнитного поля, либо эффект гигантского магнитосопротивления (Giant magnetoresistance, GMR) - квантовомеханический эффект, наблюдаемый в тонких металлических плёнках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и проводящих немагнитных слоёв. Эффект состоит в существенном изменении электрического сопротивления такой структуры при помещении во внешнее поле. В основе эффекта лежит рассеяние электронов, зависящее от направления спина.

Прочие полупроводниковые датчики. Сейчас предложено большое количество других магниточувствительных элементов на полупроводниковой основе: биполярные магнитотранзисторы, магнитотиристоры, мадисторы и т.д. Однако по эксплуатационным характеристикам эти устройства значительно уступают рассмотренным.

Визуализация магнитной жидкостью. Магнитная жидкость представляет собой очень стойкую взвесь тонко измельчённых ферромагнитных частиц в среде такой вязкости, что при взаимодействии с магнитным полем перемещаются не только частицы, но и вся жидкость целиком. Соответственно на ровной поверхности жидкость в области дефекта будет деформироваться, что можно обнаружить по интерференционной картине или голограмме. Предполагается, что интерференционная картина будет зависеть от величины поля дефекта, однако были выполнены только качественные предварительные опыты, и судить о возможности практической реализации этих идей трудно.

Визуализация жидкими кристаллами. Известно, что некоторые жидкокристаллические вещества реагируют на магнитное поле изменением окраски. Это, в принципе, позволяет установить количественные критерии для оценки полей дефектов; кроме того, жидкие кристаллы немагнитны и при контроле сварных швов не будут стягиваться на края валика. Однако даже предварительных экспериментов применительно к неразрушающему контролю, насколько нам известно, пока не проводилось.

В настоящее время магниточувствительные преобразователи быстро совершенствуются.

Магнитная толщинометрия

Можно выделить 3 типа задач магнитной толщинометрии (рис. 2.39).

Определение толщины немагнитного изделия при двустороннем доступе (рис. 2.39а). В этом случае с одной стороны помещают источник поля, а с другой - измеритель поля. Величина сигнала будет тем меньше, чем больше толщина стенки изделия.

Определение толщины немагнитного покрытия на ферромагнитном изделии (рис. 2.39б-г). Односторонний доступ. О расстоянии до поверхности ферромагнетика судят по искажению поля некоторого источника (рис. 2.39б), причем искажения магнитного поля при приближении постоянного магнита или электромагнита к ферромагнетику регистрируются с помощью преобразователей, помещённых на различных расстояниях от поверхности изделия; по величине силы, с которой притягивается магнит (рис. 2.39в); по величине э.д.с. на выходе дифференциально соединенных измерительных катушек (рис. 2.39г). В последнем случае ферромагнитный сердечник возбуждается полем с частотой 100-200 Гц. В измерительных катушках, размещённых по обе стороны от катушки возбуждения, индуцируются э.д.с., одинаковые по величине, но противоположные по фазе, так что на их выходе

Рис. 2.39. Методы магнитной толщинометрии:

1 - немагнитное покрытие (или изделие); 2 - магнитная основа (изделие); 3 - источник поля; 4 - преобразователь; 5 - сердечник; 6 - генератор; 7 - измеритель; 8 – электромагнит.

суммарная э.д.с. . При приближении к ферромагнетику индуктивность левой катушки меняется быстрее, чем правой, так что появляется разностная э. д. с. , которая тем больше, чем ближе ферромагнетик, то есть чем меньше толщина покрытия.

Измерение толщины ферромагнетиков (рис. 2.39д). Плоские изделия (листы, стенки труб, сосудов и т.д.) намагничивают электромагнитом. Изменение толщины изделия приводит к изменению магнитного сопротивления, а, следовательно, и магнитного потока, который измеряется каким-либо способом (на схеме рис. 2.39д показано измерение с помощью датчика Холла).

Все толщиномеры должны калиброваться по специальным образцам.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: