Метод высших гармоник и его применение в технике

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ СТРУКТУРОСКОПИИ И ДЕФЕКТОСКОПИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Учебное электронное текстовое издание

Подготовлено кафедрой «Физические методы и приборы контроля качества»

Научный редактор: чл.-кор. проф., д-р техн. наук В. Е. Щербинин

Ó ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007

Екатеринбург

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

МЕТОД ВЫСШИХ ГАРМОНИК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение методики и оборудования для контроля структуры ферромагнитных изделий методом высших гармоник.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Изучить физические основы метода высших гармоник.

2. Изучить работу измерителя высших гармоник (ИВГ-1).

3. Практически оценить возможность использования прибора ИВГ-1 для контроля качества закалки машиношвейных игл из стали У10А.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Физическая сущность метода высших гармоник (МВГ)

Известно, что ферромагнетики (например, железо, никель, кобальт и их сплавы) обладают магнитным гистерезисом. Явление гистерезиса заключается в том, что магнитная индукция (или намагниченность ) материала зависит не только от напряженности намагничивающего поля в данный момент времени, но и от магнитной «предыстории» образца, т. е. от характера и величины ранее воздействовавших на ферромагнетик магнитных полей. Явление магнитного гистерезиса связано с существованием и изменением под действием магнитного поля доменной структуры ферромагнетиков [1, 2].

Если ферромагнитный образец, находящийся в полностью размагниченном состоянии, поместить в магнитное поле, изменяющееся от 0

до некоторой величины, то магнитная индукция будет изменяться по кривой намагничивания (кривая 0- а на рис. 1).

На начальном участке кривой намагничивания, соответствующем слабым магнитным полям, намагничивание образца происходит путем смещения границ между доменами.

Рис. 1. Изменение магнитного состояния ферромагнитного образца

при его намагничивании переменным магнитным полем

При этом за счет уменьшения объема доменов, магнитные моменты которых направлены под большим углом к направлению внешнего поля , происходит рост тех доменов, моменты которых составляют небольшой угол с направлением вектора магнитного поля . По мере увеличения магнитного поля происходит смещение все большего числа доменных границ на все большие расстояния. Смещения доменных границ становятся необратимыми (т. е. при уменьшении магнитного поля магнитная индукция не возвращается к прежним значениям). Это вызывает увеличение интенсивности намагничивания (крутой участок кривой намагничивания на рис. 1).

При дальнейшем повышении напряженности магнитного поля намагничивание происходит преимущественно за счет процессов вращения, т. е. магнитные моменты всех доменов начинают поворачиваться в направлении поля. Когда эти направления совпадают, ферромагнетик достигает технического насыщения (точка а на рис. 1), т. е. намагниченность ферромагнетика достигает максимального значения, называемого намагниченностью насыщения . Магнитная индукция при этом принимает зна­чение , и в соответствии с формулой дальнейшее возрастание индукции может происходить только за счет увеличения поля . Поле, при котором достигается техническое насыщение, называется полем насыщения .

Если после достижения максимальной индукции уменьшать напряженность поля , то будет изменяться уже не по кривой 0- а, а по новой кривой abca'. При этом тем же самым значениям при движении в обратном направлении будут соответствовать другие значения индукции . При у ферромагнетика сохраняется остаточная индукция , определяемая отрезком 0 b.

Чтобы вызвать дальнейшее уменьшение , необходимо изменить направление поля на обратное. По мере увеличения обратного поля () индукция уменьшается и при некотором значении обратного поля становится равной нулю. Это поле получило название «коэрцитивная сила» и обозначается символом . При дальнейшем увеличении поля обратного направления появляется индукция обратного знака, которая в поле достигает максимального значения, равного (точка а' на рис. 1).

Если после достижения отрицательного насыщения поле снова уменьшить до нуля и увеличивать его в первоначальном (намагничивающем) направлении, то зависимость магнитной индукции от поля отобразится кривой a'b'c'a. Кривая, описывающая зависимость , станет замкнутой. Эта замкнутая кривая называется петлей магнитного гистерезиса. При последующих изменениях намагничивающего поля в указанных интервалах цикл снова повторится. Петля гистерезиса, которая получается при перемагничивании ферромагнетика от состояния до состояния и обратно, называется предельной петлей гистерезиса.

При циклическом перемагничивании материала магнитным полем, максимальное значение которого меньше, чем поле насыщения (), магнитное состояние ферромагнетика будет меняться по симметричным петлям гистерезиса, лежащим внутри предельной петли.

Если перемагничивание ферромагнетика производить переменным магнитным полем, изменяющимся по синусоидальному закону , то, как показано на рис. 1, за счет определяемой формой петли гистерезиса нелинейной зависимости от магнитная индукция будет изменяться во времени по несинусоидальному закону. Это значит, что и электродвижущая сила , наводимая в охватывающей ферромагнетик измерительной катушке и про­порциональная скорости изменения магнитного потока (, где – площадь, W – число витков катушки), также будет функцией несинусоидальной и как всякая периодическая несинусоидальная функция может быть разложена в ряд Фурье. Поэтому из общего сигнала измерительного преобразователя можно выделить высшие нечетные гармонические составляющие (3, 5, 7 и т. д.). При дополнительном подмагничивании ферромагнетика постоянным магнитным полем в ЭДС преобразователя появляются также четные гармоники (2, 4, 6 и т. д.).

Таким образом, высшие гармоники ЭДС непосредственно свя­заны с формой петли гистерезиса. В свою очередь параметры петли гистерезиса (коэрцитивная сила , остаточная индукция , максимальная индукция и т. д.) чувствительны как к химическому составу и к металлографической структуре ферромагнитного материала, так и к механическим воздействиям, термической обработке и другим видам воздействия на материал [1–3].

Следовательно, посредством измерения высших гармоник ЭДС преобразователя можно решить многие задачи, в частности, по контролю качества термической обработки и механических свойств ответственных деталей и изделий без разрушения. Этот метод, использующий для неразрушающего контроля анализ амплитуд и фаз гармонических составляющих измеряемой ЭДС, получил название метода высших гармоник (МВГ).

Для расчета высших гармонических составляющих ЭДС преобразователя необходимо знать аналитическую зависимость между магнитной индукцией и магнитным полем. Универсального аналитического выражения, описывающего петлю гистерезиса ферромагнетика, при современном состоянии теории не существует.

При решении прикладных задач петля гистерезиса описывается с помощью подобранных аппроксимирующих формул. В аппроксимирующих выражениях петель гистерезиса используются эмпирические коэффициенты, не имеющие прямой связи с параметрами самой петли ферромагнетика, что не позволяет установить связь высших гармоник со всеми параметрами петли гистерезиса и теоретически определить оптимальные режимы контроля. Таким образом, при контроле конкретных изделий требуется экспериментально определять возможность, а также оптимальные режимы (частота и амплитуда гармонического переменного магнитного поля) и параметры (номер используемой гармоники, разность фаз между измеряемой гармоникой и намагничивающим ферромагнетик переменным магнитным полем и т. д.).

Небольшие изменения технологии термообработки и свойств изде­лия значительно изменяют параметры высших гармоник. Методы высших гармоник обладают высокой информационной способностью и чувствительностью к контролируемым параметрам, быстродействием, относительной простотой исполнения.

Наибольшее преимущество метода высших гармоник состоит в том, что высшие гармоники измеряемой ЭДС более тесно связаны со структурно-чувствительными параметрами, нежели первая гармоника. На третью гармонику вторичной ЭДС в отличие от первой не влияет переменный магнитный поток в зазоре между изделием и измерительной обмоткой.

В некоторых случаях использование высших гармоник дает возможность определения важных магнитных параметров, таких как магнитная жесткость , параметры петли гистерезиса в области приближения к насыщению и т. д. Причем обычно амплитуды и фазы высших гармоник определяются не каким-либо одним из указанных параметров, а их комбинациями.

Наиболее широкое применение МВГ лежит в области контроля структуры (величина зерна, внутренние напряжения и т. д.), прочностных (например, твердость, предел прочности) и пластических (относительные значения удлинения, сужения) характеристик ферромагнитных материалов, а также контроля качества влияющих на структуру и фазовый состав материалов технологических обработок (закалка, отпуск, деформация и т. д.).

В используемом в настоящей работе приборе МВГ-1 контроль осуществляется по средневыпрямленному значению ЭДС 3-й гармоники и величине ее фазового сдвига по отношению к току возбуждения. Средневыпрямленное значение ЭДС 3-й гармоники регистрируется с помощью электронного блока, снабженного стрелочным прибором, а величина фазового сдвига – измерителем разности фаз. Более подробно устройство, принцип действия и методика работы с измерителем высших гармоник ИВГ-1 рассмотрены в инструкции пользователя.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

1. Изучить данное руководство, составить план по выполнению лабораторной работы и описать технику проведения измерений.

2. Изучить работу прибора ИВГ-1, предназначенного для контроля качества термообработки машиношвейных игл из стали У10А.

3. Показать эскизно первичный преобразователь.

4. По описанию составить структурную схему ИВГ-1.

5. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ НА ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ

1. Измеритель высших гармоник ИВГ-1.

2. Набор контрольных образцов.

3. Набор изделий, закаленных от различных температур и прошедших нормальный технологический отпуск.

4. Описание прибора ИВГ-1 и методики его использования.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Отчет по работе оформляется в соответствии с требованиями стандарта предприятия СТП-УПИ 1-85.

2. Структура отчета:

2. 1. Название и цель работы

2. 2. Физические основы метода высших гармоник (кратко).

2. 3. Приборы и устройства, используемые в работе (краткая техническая характеристика):

ü структурная схема измерителя высших гармоник (ИВГ-1), выполненная в соответствии с ГОСТ 2.702-75;

ü эскиз первичного преобразователя;

ü методика проведения измерений.

2. 4. Экспериментальные исследования:

ü таблицы экспериментальных результатов (ГОСТ 2.105-85);

ü экспериментально определенные зависимости показаний прибора от температуры закалки контролируемых изделий (ГОСТ 2.319-81);

ü анализ результатов измерений (расчет коэффициентов уравнения регрессии и коэффициента корреляции).

2. 5. 3аключение.

2. 6. Библиографический список.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Структурная схема и назначение функциональных узлов и элементов

ИВГ-1.

2. Методика контроля качества термообработки ферромагнитных изделий с помощью измерителя высших гармоник ИВГ-1.

3. Основные положения технического применения контроля изделий методом высших гармоник.

ПРИЛОЖЕНИЕ: техническое описание измерителя высших гармоник ИВГ-1.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИ СПИСОК

1. Вонсовский С. В., Шур Я. С. Ферромагнетизм. – М. – Л.: ОГИЗ – Гостехиздат, 1948. – 816 с.

2. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. Пер. с японского под ред. Р. В. Писарева. – М.: Мир, 1987. – 420 с.

3. Щербинин В. Е., Горкунов Э. С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1996. – 266 с.

4. Зацепин Н. Н. Метод высших гармоник в неразрушающем контроле. Минск: Наука и техника, 1980.

5. Ершов Р. Е. Метод высших гармоник в неразрушающем контроле. Новосибирск: Наука, 1979.

6. Покровский А. Д., Хвалебнов Ю. П. Метод высших гармоник в электромагнитной дефектоскопии. М.: Машиностроение, I980.

7. Дорофеев А. А., Ершов Р. Е. Физические основы электромагнитной структуроскопии. Новосибирск: Наука, 1985.