Модель и условия компенсации ложных сигналов дифференциальных магнитомодуляционных преобразователей

2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.............................................................. 6
Глава 1. Анализ существующих решений проблем устранения ложных сигналов дифференциальных магнитомодуляционных преобразователей (обзор)....................................................... 16
1.1. Принцип действия первичных магнигомодуляционных преобразователей ............................................................ 16
1.2. Решения проблемы устранения ложных сигналов, обусловленных не-идентмчностью коэффициентов преобразования элементов магнитомодуляционного преобразователя.......................................... 23
1.3. Решения проблемы устранения ложных сигналов, обусловленных не-коллинеарностью магнитных осей дифференциального магннтомоду-ляционного преобразователя............................................ 28
1.4. Постановка задачи............................................... 35
Глава 2. Теоретическое и экспериментальное исследование модели компенсации ложных сигналов, обусловленных неИДС1ГГИЧНОСТЬЮ коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов дифференциального магнитомодуляционного преобразователя ................................................................... 40
2.1. Влияние технологических факторов на обеспечение взаимной идентичности магниточувствитсльных элементов преобразователя.......... 40
2.2. Определение условий появления максимального ложного сигнала при ориентации преобразователя относительно продольной Ну компоненты поля Земли............................................................ 42
2.3. Раечбт компенсирующих магнитных полей ферромагнитных элементов в модели дипольного приближения при влиянии продольной Ну компоненты поля Земли...................................................... 44
2.4. Расчбт компенсирующих магнитных полей в модели аксиально-симметричного распределения магнитных зарядов но поверхности элементов при влиянии продольной Ну компоненты поля Земли................. 50
3
2.5. Оценка зависимости компенсирующего поля АНу от различной магнитной восприимчивости формы компенсационного элемента при линейной характеристики намагничивания материала элемента.............. 56
2.6. Влияние магнитного ноля рассеяния компенсационного элемента на второй магниточувствитсльный элемент преобразователя.............. 59
2.7. Влияние суммарного магнитного поля компенсационного и первого магниточувствигельных элементов на второй элемент преобразователя... 62
2.8. Определение компенсирующих магнитных полей методом конечных элементов в модели аксиально-симмегричного объемного распределения магнитных зарядов.................................................. 64
2.9. Экспериментальное исследование влияния магнитной проницаемости материала компенсационного элемента на компенсацию ложных сигналов от продольной компоненты поля.................................... 70
2.10. Экспериментальное исследование влияния различной магнитной восприимчивости формы и диаметра компенсационного элемента на компенсацию ложных сигналов от продольной компоненты поля 76
2.11. Влияние компенсационного элемента при его несоосном установлении в плоскости компенсации к торцевой части мапжточувствитсльного элемента на компенсацию ложных сигналов преобразователя................ 79
2.12. Экспериментальное изучение зависимости компенсирующего поля от длины компенсационного элемента при влиянии Н, компоненты поля ... 82
2.13. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследования модели компенсации при влиянии Ну компоненты поля................................................................... 83
2.14. Выводы........................................................... 88
Глава 3. Теоретическое и эксперимен тальное исследование модели компенсации ложных сигналов, обусловленных неколлинеарностью магнитных осей дифференциального магнитомодуляционного преобразователя......................................................... 91
3.1. Влияние технологических факторов на обеспечение коллинеарности
4
магнитных осей магнитомодуляционного преобразователя............. 91
3.2. Определение условий появления максимального ложного сигнала при ориентации преобразователя относительно поперечной Н, компоненты поля Земли............................................................ 95
3.3. Расчёт компенсирующих магнитных полей ферромагнитных элементов в модели дипольного приближения при влиянии поперечной Н* компоненты поля Земли...................................................... 98
3.4. Расчёт компенсирующих магнитных полей в модели аксиально-симметричного распределения магнитных зарядов по поверхности элементов при влиянии поперечной Н* компоненты поля Земли.................. 104
3.5. Зависимость компенсирующего поля АН* от компенсационного расстояния при линейной характеристики намагничивания материала компенсационного элемента................................... 111
3.6. Опенка 'зависимости компенсирующего поля АН*от различной магнитной восприимчивости формы компенсационного элемента при линейной характеристики намагничивания материала элемента........ 113
3.7. Оценка зависимости компенсирующего поля АНг от установленного вне плоскости компенсации компенсационного элемента при линейной характеристики намагничивания материала элемента..................... 115
3.8. Экспериментальное исследование влияния различной магнитной проницаемости материала компенсационного элемента на компенсацию ложных сигналов от поперечной компоненты поля........................ 120
3.9. Экспериментальное исследование влияния различной магнитной восприимчивости формы и диаметра компенсационного элемента на компенсацию ложных сигналов от поперечной компоненты поля 125
3.10. Влияние компенсационного элемента при неортогональном его установлении в плоскости компенсации к концевой части магнито-чувствительного элеме»гга, или при ортогональном - но вне неё, на компенсацию ложных сигналов преобразователя.......................... 128
3.11. Определение геометрического положения компенсационного элемента
5
относительно концевой части магниточувствительного элемента при влиянии Н2компоненты поля.................................... 131
3.12. Экспериментальное изучение зависимости компенсирующего поля от длины компенсационного элемента при влиянии Н2 компоненты поля ... 133
3.13. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследования модели компенсации при влиянии Н, компоненты поля................................................................... 134
3.14. Выводы........................................................... 137
Глава 4. Прикладное решение проблем компенсации ложных сигналов
магнитомодуляционного преобразователя.......................... 139
4.1. Влияние магнитных полей рассеяния компенсационных элементов друт на друга и на компенсацию ложных сигналов преобразователя 139
4.2. Влияние гистсрезисных явлений материала компенсационного элемента на компенсирующее поле......................................... 142
4.3. Комплексные методик}! компенсации ложных сигналов преобразователя от Hv и Н, компонент геомагнитного поля........................ 144
4.4. Измерительные средства для реализации модели компенсации ложных сигналов.......................................................... 149
4.5. Результаты апробации компенсационной модели и измерительных средств при диагностике инородных ферромагнитных гел.............. 154
4.6. Выводы............................................................ 157
Заключение............................................................. 158
Литература............................................................. 162
6
ВВЕДЕНИЕ
Научно-технический прогресс в разных областях науки, техники, медицины неразрывно связан с повышением эффективности существующих и разработкой новых, более чувствительных и точных средств измерения физических характеристик и технических параметров различных объектов. К таким средствам относится и феррозондовая аппаратура, характеризующаяся достаточно высокой чувствительностью и точностью, экономным потреблением энергии, высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, низкой себестоимостью и другими положительными качествами.
Среди феррозондовых измерительных средств особое место занимают дифференциальные магнитометры (градиентометры), предназначенные для обнаружения и измерения неоднородности магнитного поля (его градиента). Они используются, например, для неразрушающего контроля материалов и изделий, а также в поисковой обычной и специальной технике, в метрологии, для предоперационной диагностики и в операционной хирургии.
Необходимость в такой аппаратуре вызвана тем, что при поиске или локализации намагниченных предметов (материалов или примесных включений) по их магнитному полю рассеяния эффективнее измерять или индицировать не само магнитное иоле, а его градиент. Обусловлено это тем, что поиск приходится вести на фоне магнитного поля Земли, напряженность которого обычно намного превосходит напряженность магнитного поля рассеяния искомого предмета и тем самым препятствует его обнаружению. Высокая пространственная однородность геомагнитного поля (градиент мснес 25 гамм/км) (1) и неоднородность магнитного ноля рассеяния искомого предмета, делают поиск или локализацию его по градиенту' поля рассеяния наиболее успешным.
Однако эффскгивность применения высокочувствительной феррозондо-вой аппаратуры существенно ограничивается помехами выходного сигнала, появляющимися при изменении пространственной ориентации первичного магнитомодуляционного преобразователя (ММП) относительно вектора на-
7
пряженности однородного поля (в частности, геомагнитного Нг). Для дифференциального преобразователя, работающего но схеме градиен тометра, помехи характеризуются ложными сигналами, которые имитируют неоднородность магнитного поля, отсутствующую в действительности. Для преобразователя, работающего по схеме полемера, - квадратурной составляющей, приводящей к нежелательной загрузке избирательного усилителя (особенно при больших коэффициентах усиления) и дополнительным погрешностям измерения маг нитных полей.
Одна из причин появления помех выходного сигнала связана с нсиден-тичностью коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов (МЧЭ) дифференциального преобразователя, в результате чего он оказывается чувствительным к влиянию продольной Ну компоненты (или горизонтальной составляющей) геомагнитного поля Нх. Другая причина связана с не-коллинеарностью (непараллельностью) магнитных осей (сердечников) магни-точувствитсльньтх элементов относительно измерительной оси преобразователя, в результате чего магнитомодуляционный преобразователь оказывается чувствительным к влиянию поперечной Н, компоненты (или вертикальной составляющей) геомагнитного поля //, .
Проведенный анализ современного состояния вышеизложенных проблем показывает, что ист единой концепции их устранения. Существующие публикации в основном отражают узкоспецифические подходы к решению рассматриваемых проблем, связанные с технологическими, техническими и методическими рекомендациями снижения и устранения помех первичного магнитомодуляционного преобразователя. Судя по опубликованным исследованиям, наибольшее распространение получили технические решения. В том числе: механическая юстировка магниточувствительных элементов преобразователя; их магяитостатическос экранирование; напыление ферромагнитного покрытия на керамическую подложку-, стержень, струпу; электрические методы, а также модуляция ложног о сигнала за счет- вращения с определённой уг-
8
ловой частотой магнигомодуляционного преобразователя вокруг собственной измерительной (продольной) оси и другие.
Известные в настоящий момент решения рассматриваемых проблем
снижения и устранения ложных сигналов первичного дифференциального
«
преобразователя сложны в техническом исполнении, трудоемки, а в некоторых случаях, например, в медицине, а также в поисковой технике - малоэффективны или практически не реализуемы.
Таким образом, устранение ложных сигналов дифференциальных магнитомодуляционных преобразователей остаётся весьма актуальной задачей, обеспечивающей, наряду с решением самой проблемы, повышение чувствительности феррозондовой аппаратуры, точность локализации и измерения слабомагнитных постоянных полей, а также расширение её функциональных и технических возможностей за счет создания новых конструкций феррозон-довых преобразователей.
Для решения изложенных проблем предлагается модель компенсации ложных сигналов первичных магнитомодуляционных преобразователей напряженности магнитного поля, основанная на изменении магнитного состояния одного из магниточувствительных элементов дифференциального преобразователя на величину ложного сигнала путем воздействия на него магнитного поля рассеяния компенсационного элемента (КЭ), изготовленною из ферромагнитного материала, индуцированного одной из компонент геомагнитного поля Нг.
Однако теоретически проблематично с достаточной точностью определить параметры компенсационных элементов, а следовательно, и точно рассчитать их магнитные поля рассеяния в произвольной точке, поскольку даже решение общей физической задачи намагничивания цилиндров конечной длины (?*<250) в однородном магнитном поле имеет приближенный характер, не говоря уже об оценке параметров и полей рассеяния коротких (Х.< 10) неоднородно намагничивающихся элементов, реализуемых в представляемой модели компенсации.
9
Поэтому для достаточно точного решения данной задачи и более полного понимания особенности физической картины намагничивания относительно коротких элементов цилиндрической формы, в работе предпринята попытка её рассмотреть в рамках различных физических моделей интерпретирующих распределение магнитных зарядов в ферромагнитном элементе. Очевидно, что такой системный подход дает возможность на новом качественном уровне получить теоретические результаты, провести их сравнительный анализ, обобщить и путём экспериментальных исследований их проверить, оценить влияние различных факторов на точность аппроксимации расчетных моделей, расширить представление о применимости моделей в решении проблем теории и практики электромагнетизма.
Цель и задачи диссертационной работы.
Цель работы состоит: в теоретическом и экспериментальном исследовании ложных сигналов дифференциального магнитомодуляционного преобразователя и возможности их устранения; в частности, в определении основных физических условий и факторов, влияющих на компенсацию; в изучении применимости физических моделей дипольного, аксиально-симметричного поверхностного и объёмного распределения маг нитных зарядов для расчётов параметров и магнитных полей рассеяния неоднородно намагничивающихся компенсационных элементов конечной длины (А.^10) и их зависимостей от различной магнитной проницаемости ц материала элемента, маг нитной восприимчивости его формы аеф и других факторов; в прикладном решении проблемы, связанном с разработкой на основании полученных теоретических и экспериментальных результатов комплексных методик компенсации, а также измерительных средств для практической апробации представленной компенсационной модели.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
- исследовать технологические факторы, влияющие на формирование ложных сигналов при изготовлении дифференциальных магнитомодуляцион-
10
ных преобразователей, и условия снижения и устранения этих сигналов технологическим путём;
- определить условия появления наибольших и наименьших по величине ложных сигналов при изменении пространственной ориентации магнитомодуляционного преобразователя относительно продольной Ну и поперечной Яг компонент геомагнитного поля //т;
- рассчитать зависимости компенсирующих полей от длины неоднородно намагничивающихся компенсационных элементов (Х<10) в моделях дипольного приближения, аксиально-симметричного поверхностного и объёмного распределения магнитных зарядов и исследовать полученные результаты экспериментально;
- исследовать влияние магнитного поля рассеяния компенсационного элемента на второй магниточувствительный элемент преобразователя, а также влияние на этот элемент суммарного магнитного поля рассеяния компенсационного и первого магниточувствитсльного элементов в аппроксимации линейной характеристики намагничивания материала компенсационного элемента (//=сож/);
- теоретически и экспериментально изучить зависимости компенсирующего поля от различной магнитной проницаемости р материала компенсационного элемента, его диаметра, различной магнитной восприимчивости формы агф элемента, 1-еомстрического положения относительно концевой части магниточувствитсльного элемента, компенсационного расстояния и других факторов;
- провести сравнительный анализ применимости рассматриваемых физических моделей, интерпретирующих распределение магнитных зарядов в ферромагнитном элементе конечной длины, для расчетов параметров и магнитных полей рассеяния неоднородно намагничивающихся элементов, а также полученных в рамках этих моделей теоретических результатов с экспериментальными, оценить влияние различных факторов на точность аппроксимации расчетных моделей;
11
- исследовать влияние магнитных полей рассеяния компенсационных элементов друг на друга и на один из магниточувствительных элементов дифференциального преобразователя при одновременной компенсации его ЛОЖНЫХ сигналов ОТ воздействия продольной Ну и поперечной Нг компонент геомагнитного поля Ят;
- определить влияние гистсрезисных явлений, проходящих в материале компенсационного элемента, на точность и стабильность компенсации ложных сигналов магнитомодуляционного преобразователя;
- разработать на основании полученных теоретических и экспериментальных результатов комплексные методики компенсации, а также измерительные средства для реализации рассматриваемой модели;
- исследовать модель компенсации ложных сигналов магнитомодуляционного преобразователя и разработанные измерительные средства в практических условиях: в частности, при медицинской диагностике и локализации инородных ферромагнитных тел.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определена теоретически и экспериментально зависимость компенсирующего поля от длины, диаметра, различной магнитной проницаемости р материала компенсационного элемента, геометрического положения относительно магниточувствительного элемента, гистерезисных явлений, взаимного влияния магнитных полей элементов друг на друга, компенсационного расстояния и других факторов;
- определены параметры компенсационного элемента, при которых компенсирующее поле становится в большей степени зависимым от магнитной проницаемости формы рф элемента, чем от магнитной проницаемости р его материала;
- показано, что максимальная величина компенсирующего поля определяется при неидснтичности коэффициентов преобразования магниточувствительных элементов минимальным компенсационным расстоянием, а при
12
неколлинеарности магнитных осей преобразователя - оптимальностью этого расстояния;
- установлено, что основным условием эффективной компенсации ложных сигналов является точное определение компенсационных плоскостей и расположение в них определенным образом компенсационных элементов, а именно: для компенсации влияния поперечной Н7 компоненты геомагнитного поля Я, компенсационный элемент устанавливается в найденной компенсационной плоскости ортогонально к измерительной оси преобразователя и к одной из концевых частей одного из его сердечников с учетом полярности этой части; для компенсации влияния продольной Ну компонента поля компенсационный элемент устанавливается в своей плоскости компенсации соосно к торцу магниточувствительного элемента с меньшим коэффициентом преобразования; причем точное установление компенсационного элемента в плоскости компенсации одновременно исключает влияние его магнитного поля рассеяния на этот магниточувствительный элемент, вызывающее возрастание величины ложного сигнала в момент воздействия на элемента преобразователя уже другой компоненты геомагнитного поля, продольной Ну или поперечной Нг;
- выявлено, что воздействие суммарного магнитного поля рассеяния одного из магниточувствительных и компенсационного элементов на другой магниточувствительный элемент преобразователя приводит к значительному уменьшению компенсирующего поля, особенно при установлении компенсационного элемента вплотную к торцевой части магниточувствительного элемента. поэтому для снижения и устранения этого эффекта необходимо тщательно подбирать параметры компенсационного элемента и компенсационное расстояние или увеличивать рабочую базу магниточувсгвительных элементов;
- установлено, что при малых длинах компенсационного элемента компенсирующее поле существенно зависит от его различной магнитной восприимчивости <38ф обусловленной различием формы концевой части, поэтому для
13
уменьшения этой зависимости необходимо использовать элементы с нескошенной концевой частью;
- показано, что расчеты параметров и магнитных полей рассеяния неоднородно намагничивающихся компенсационных элементов в модели ди-польного взаимодействия магнитных зарядов дают весьма приближенные результаты. Расчеты же в моделях аксиально-симметричного поверхностного и объемного распределения магнитных зарядов позволяют наиболее полно выявить и качественно оценить физические условия и факторы, определяющие компенсацию ложных сигналов;
- разработаны оригинальная конструкция магнитомодуляционного преобразователя и дифференциальный магнитометр, позволяющие реализовать предтоженными методическими рекомендациями представленную модель компенсации ложных сигналов преобразователя непосредственно на электронной схеме прибора без дополнительных технических затрат и изменений его рабочих параметров;
Новизна результатов работы подтверждена тремя патентами Российской Федерации.
Практическая ценность работы заключается в следующем. Разработаны комплексные методики для независимой друг от друга или одновременной компенсации ложных сигналов дифференциального магнитомодуляционного преобразователя от влияния продольной Я, и поперечной Н, компонент геомагнитного поля Я,. Теоретические и экспериментальные результаты, представленные в графической форме, можно использовать в качестве справочного материала для эффективного определения параметров компенсационного элемента.
Результаты апробации компенсационной модели и конструкции преобразователя показали наряду с эффективным устранением ложных сигналов повышение чувствительности феррозондовой аппаратуры, точности локализации и измерений слабомагнитных постоянных полей, а также расширение её функциональных и технических возможностей за счет создания новых кон-
14
струкций магнитомодуляционных преобразователей, например, для медицины, в частности, для общей хирургии и малоинвазивных операций - трехкомпонентных зондов-игл длиной 150-200 мм, для скрытого поиска огнестрельного и холодного оружия, выявления специальной аппаратуры прослушивания и записи - однокомпонентных миниатюрных датчиков в виде ручек, для неразрушающего контроля материалов, в частности, локального определения и измерения а-фазы аустенитпых сталей в изделиях толщиной до 4-5 мм и для метрологии - высокочувствительных измерительных средств и так далее.
Основные результаты, выносимые на защиту-:
- результаты исследования технологических факторов и условий, влияющих на формирование ложных сигналов дифференциального магнитомодуляционного преобразователя, а также причины, объясняющие невозможность их устранения технологическим путем;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости компенсирующего поля от длины, диаметра различной магнитной проницаемости ц материала компенсационного элемента, различной магнитной восприимчивости а?$ элемента, обусловленной различием формы концевой части, геометрического положения относительно магниточувствительного элемента, компенсационного расстояния и других факторов влияющих на компенсацию;
- выявленные условия эффективной компенсации ложных сигналов преобразователя, связанные с точным определением компенсационных плоскостей и расположением в них определенным образом компенсационных элементов;
- результаты исследования влияния магнитного поля рассеяния компенсационного элемента на второй магниточувствительный элемент дифференциального преобразователя, а также влияния на этот элемент суммарного магнитного поля рассеяния компенсационного и первого магниточувствительного элементов;
15
- результаты исследования взаимного влияние магнитных полей рассеяния компенсационных элементов друг на друга и на один из магниточувствительных элементов дифференциального преобразователя при одновременной компенсации его ложных сигналов от воздействия продольной Ну и поперечной Иг компонент геомагнитного поля //,;
- комплексные методики и устройства для осуществления независимой друг от друга или одновременной компенсации ложных сигналов магнитомодуляционного преобразователя, обусловленных воздействием продольной Ну и поперечной Ну компонент геомагнитного поля Ят;
- практические результаты апробации модели компенсации и разработанных измерительных средств при медицинской диагностике и локализации инородных ферромапштных тел.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на: XVII Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами», Екатеринбург, 1997; Уральской региональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы офтальмологии», Екатеринбург, 1997; Научной сессии Института физики металлов УрО РАН по итогам 1997 года, Екатеринбург, 1998; XV Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999; XIX Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами», Уфа, 2000.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 научные работы в том числе получены три патента Российского агентства по патентам и товарным знакам.
Объём работы. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы, включающий 102 наименования. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.