Магнитометрический метод неразрушающего контроля металлоконструкций

Веберметр -- прибор с градуированной шкалой для измерения магнитного потока. Существуют веберметры магнитоэлектрические, фото гальванометрические, аналоговые электронные и цифровые.

Магнитоэлектрический веберметр представляет собой разновидность гальванометра с противодействующим моментом, равным нулю и с большим моментом магнитоиндукционного успокоения. При отсутствии противодействующего момента, подвижная часть веберметра может занимать любое случайное положение. Это дает возможность произвести правильный отсчет измеряемой величины, так как указатель веберметра остается неизменным в положении первого максимального отброса. По точности и чувствительности он уступает баллистическому гальванометру. Диапазон измерений магнитоэлектрических микровеберметров -- 500.. .10 000 мкВб; Классы точности -- 1,0; 2,5; 4,0 (в зависимости от сопротивления Внешней цепи -- 10; 20; 30 Ом).

Фотогальванометрический веберметр представляет собой фотогальванометрический усилитель с отрицательной обратной связью, которая осуществляется с помощью RС-цепи. Диапазон измерений фотогальванометрических микровеберметров -- 2...2000 мкВб; классы точности -- 1,0; 2,5 (сопротивление внешней цепи 100... 1000 Ом).

Периодически изменяющиеся магнитные потоки измеряются индукционным методом, в основе которого лежит закон электромагнитной индукции. Измерению подлежит переменная ЭДС, индуцируемая в ИК, которая и является неподвижным индукционным преобразователем, охватывающим переменный поток. Концы ИК можно подключить к вольтметру среднего, действующего, амплитудного значения, к компенсатору, компаратору, в зависимости от требуемой точности и наличия СИ. В зависимости от СИ можно получить различные значения одного и того же потока, что особенно важно, когда кривая ЭДС несинусоидальная.

Измерение магнитной индукции и напряженности магнитного поля. Прямые измерения магнитной индукции В и напряженности магнитного поля Н в постоянных и переменных полях выполняются с помощью тесламетров с преобразователем Холла.

Преобразователь Холла. Преобразователь представляет собой пластину из полупроводникового материала, по которому пропускается постоянный или переменный ток. При помещении преобразователя в магнитное поле на боковых его гранях возникает ЭДС Холла. Выпускаемые промышленностью тесламетры с преобразователем Холла имеют следующие параметры: диапазон измерения -- 0,002...2 Т; классы точности -- 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон -- до 1000 МГц.

Достоинства: приборы просты и удобны в эксплуатации, имеют достаточно высокие метрологические характеристики.

Недостатки: показания приборов зависят от температуры внешней среды.

Ядерно-резонансные тесламетры. Это приборы, в которых в качестве преобразователя применяется разновидность квантового магнитоизмерительного преобразователя, действие которого основано на взаимодействии микрочастиц (атомов, ядер атомов) с магнитным полем. В качестве квантового преобразователя можно использовать ядерно-резонансный преобразователь, позволяющий измерить магнитную индукцию с высокой точностью. Диапазон измерений -- 0,01... 10 Т; классы точности -- 0,001 ...0,1.

Ферромодуляционные тесламетры. Они предназначены для измерения магнитной индукции В и напряженности Н в малых постоянных и низкочастотных переменных полях. Тесламетры, основанные на явлении сверхпроводимости, позволяют измерить параметры магнитного поля биотоков сердца и мозга человека.

2.3 Классификация магнитных преобразователей

Под первичным преобразователем магнитного поля понимается устройство, служащее для преобразования параметров магнитного поля в электрический сигнал. В первичных преобразователях, происходит изменение физической природы сигнала. Если входным сигналом служит сама физическая величина, подвергаемая преобразованию (Ф, В, Н), то выходным - уже другая физическая величина, функционально связанная с первой.

Для измерения магнитных величин могут быть использованы практически любые проявления магнитного поля. В соответствии с этим целесообразно в первую очередь преобразователи классифицировать по роду выходной величины. Тогда, если выходной величиной является, например, электрическая, такой группе преобразователей присваивается название магнитоэлектрических. Соответственно магнитомеханическими преобразователями будем называть преобразователи, в которых используется механическое проявление магнитного поля.

Рисунок 2.2 - Классификация магнитных преобразователей

Каждая из этих групп преобразователей разделяется на подгруппы -- в зависимости от того физического явления и закономерности, которые связывают входную и выходную величины. Например, индукционные преобразователи основываются на явлении электромагнитной индукции, и соответствующий закон связывает входную магнитную величину с выходной электрической величиной (количество электричества, импульс э.д.с, переменная э. д. с). Классификация охватывает преобразователи, применяемые для измерения параметров магнитного поля и при испытании магнитных материалов.

В современной практике магнитных измерений большое развитие получила группа магнитоэлектрических преобразователей. Наибольший интерес представляют входящие в эту группу преобразователи: индукционные, гальваномагнитные, феррозондовые, сверхпроводниковые и квантовые (использующие ядерные, электронные и атомные явления).

Индукционные преобразователи являются преобразователями пассивного типа. В них в качестве чувствительного элемента используется катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником или без него. При этом выходным сигналом является ЭДС движения, наводимая в катушке и пропорциональная скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку.

Гальваномагнитные преобразователи магнитного поля, в которых изменение внутренних параметров при воздействии внешних магнитных полей осуществляется за счет искривления траектории движения носителей заряда, изменения их концентрации и т. д. К ним относятся датчики Холла, магниторезистивные, гальваномагниторекомбинационые, магнитодиодные, магнитотриодные, z-элементные преобразователи, имеющие значительные перспективы практического использования.

Это объясняется тем, что подобные преобразователи микроскопических размеров можно изготовлять автоматизированным путем по интегральной технологии, что имеет большое значение при изготовлении многоэлементных матричных преобразователей для визуализации магнитных полей.

Отдельную группу составляют феррозондовые преобразователи, которые являются преобразователями активного типа и содержат ферромагнитные сердечники стержневого или кольцевого типа. Выходная ЭДС в них возникает за счет изменения во времени магнитных параметров сердечников при одновременном воздействии на них регистрируемого магнитного поля и переменного поля возбуждения. При этом регистрируемое магнитное поле осуществляет модуляцию какого-либо магнитного параметра сердечников (Ф, В, Н,мr). Феррозондовые преобразователи подразделяются на трансформаторные и однообмоточные.

Сверхпроводниковые преобразователи магнитного поля, используемые в диагностике, представляют собой сверхпроводящее кольцо с одним или двумя джозефсоновскими переходами. Джозефсоновский переход иначе джозефсоновский контакт -- твердотельный сверхпроводниковый наноэлемент, в котором через тонкую изолирующую или несверхпроводящую прослойку между двумя сверхпроводниками протекает туннельный ток. При помещении такого кольца в магнитное поле, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен плоскости кольца, имеет место интерференция критического тока в джозефсоновском переходе преобразователя, а при наличии двух джозефсоновских переходов происходит наложение интерференционных картин, соответствующих этим двум переходам. Под действием магнитного поля происходит осцилляция тока в кольце, значение которой и характеризует выходной сигнал преобразователя.

Широкое применение для измерения индукции постоянных магнитных полей получили квантовые преобразователи, в которых используются ядерные, электронные и атомные явления.

Магнитомеханическими называют такие магнитные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии постоянного магнита с магнитным полем. В зависимости от наличия или отсутствия противодействующего момента магнитомеханические приборы можно разделить на две группы. К первой группе относятся приборы, в которых магнит свободно поворачивается под действием магнитного поля и принимает положение, соответствующее направлению вектора магнитной индукции.

Индукционные преобразователи магнитных полей. Классическим представителем этого вида преобразователей, сохраняющим свое значение и в настоящее время, является преобразователь, которому в обобщенном смысле присвоено наименование «измерительная катушка» (ИК).

Индукционные или собственно индукционные преобразователи активного типа содержат в качестве чувствительного элемента катушку. При этом выходным сигналом является э. д. с. движения. Если измеряемое поле постоянно, то э. д. с. возникает за счет изменения во времени эффективной площади контура s и пропорциональна скорости этих изменений, т. е. производной ds/dt. Величину s можно назвать параметром контура. Вводимая в преобразователь дополнительная энергия как раз и расходуется на изменение этого параметра.

Простейший пассивный индукционный преобразователь представляет собой катушку (контур) с числом витков w. При помещении катушки в переменное магнитное поле на ее концах возникает мгновенная электродвижущая сила.

Пассивный индукционный преобразователь представляет собой катушку с сердечником или без сердечника, которая движется с некоторой скоростью v в неоднородном магнитном поле.

Принцип действия пассивных индукционных преобразователей основан на законе электромагнитной индукции Фарадея [4].

Конструктивно индукционные преобразователи магнитного поля представляют собой катушки соответствующих размеров и подходящей конфигурации, с сердечниками или без них, движущиеся с достаточной скоростью вблизи поверхности труб. К числу их достоинств относится возможность изготовления и использования преобразователей с очень большой шириной полосы, контролируемой одним преобразователем (рисунок 2.3), использующихся в магнитной диагностике труб и листов. Катушка преобразователя в этом случае должна располагаться, как можно ближе к поверхности трубы и иметь небольшую толщину. Чувствительность пассивного преобразователя выбирают, исходя из заданного рабочего диапазона измерительного устройства и шумов усилительного каскада, с которым непосредственно согласуется преобразователь.

Рисунок 2.3 ? Пассивный индукционный преобразователь

Наиболее эффективный способ повышения чувствительности ? увеличение числа витков катушки преобразователя и использование сердечников из высокопроницаемых материалов (феррита, пермаллоя и т. д.). Однако при этом необходимо помнить, что увеличение числа витков вызывает увеличение выходного индуктивного сопротивления; применение сердечников с высокой проницаемостью приводит к непостоянству чувствительности преобразователя и ее зависимости от воздействия постоянных магнитных полей. Улучшение параметров пассивных индукционных преобразователей возможно при изготовлении их печатным способом, методом фотографирования или вакуумного напыления. Получение необходимого числа витков достигается и в многослойных структурах, технология которых достаточно хорошо разработана, а процесс изготовления может быть автоматизирован.

Недостатком пассивных индукционных преобразователей является зависимость чувствительности от различных подмагничивающих полей, образующихся в установках магнитного поля, а также зависимость выходного сигнала преобразователя от скорости изменения напряженности изменяемого магнитного поля. Сигнал, получаемый от катушки, возрастает при введении в нее ферромагнитного сердечника. Размер сердечника в направлении вектора намагничивающего поля, обозначенный на рисунке 2.3 буквой b, будем называть шириной сердечника, размер а ? длиной сердечника. Длина сердечника а определяет ширину полосы контроля. Ширина b не должна превышать размеры области, на протяжении которой минимальный дефект создает заметное возрастание напряженности магнитного поля рассеяния. Длина сердечника а определяется требованиями к ширине полосы контроля.

Гальваномагнитные преобразователи. В гальваномагнитных преобразователях используются вторичные эффекты, возникающие в проводниках или полупроводниках с током при воздействии на них магнитного поля. Практическое применение получили эффект Холла, заключающийся в появлении э.д.с. между точками, эквипотенциальными при отсутствии магнитного поля, и эффект изменения электрического сопротивления. На первом эффекте основаны преобразователи Холла, на втором -- магниторезисторы и магнитодиоды.

Характеристики магнитных преобразователей, применяемых в магнитной дефектоскопии, должны удовлетворять следующим требованиям:

Таблица 1

Напряженность измеряемого поля, А/см:
наименьшая	10-3
наибольшая	103
Минимальная чувствительность, мВ•см/А	2
Инерционность, с	до 10-4
Наибольшие размеры, мм	10-3
Температурная погрешность, %	до 0.01
Рабочий диапазон температур, °С	?30 …..+150

Классификация гальваномагнитных преобразователей:

Преобразователи, основанные на эффекте Холла и эффекте Гаусса.

Наиболее широкое применение получили полупроводниковые гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла и эффекте Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины.

Эффект Гаусса проявляется в изменении электрического сопротивления пластины. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле под действием силы Лоренца ? = ?е [V, В].

Чувствительность преобразователя Холла к магнитной индукции Sb определяется при номинальном значении входного тока Iном = const как

Sb = RпхIномц1/d	(2.2)

где Rпх ? постоянная Холла;

ц1 - функция, зависящая от геометрии преобразователя;

d ? толщина пластины.

и для серийно выпускаемых преобразователей составляет 0,03 ... 1 В/Тл, или 0,04 ... 0,12 мВ•см/А. Значение Iном ограничено допускаемой температурой перегрева преобразователя. Диапазон измеряемых полей ? от 0,1 до 1000 А/см. Интервал рабочих температур также широк и для серийных отечественных преобразователей составляет от -30 до +150 °С. Инерционность элементов Холла - не более 10-10 с.

Схема включения преобразователя Холла показана на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Схема включения преобразователя Холла

При пропускании постоянного тока через датчик значение Ux определяется только напряженностью поперечного магнитного поля дефекта. Благодаря именно этому преобразователи Холла широко используются в магнитной диагностике. Так как основные параметры преобразователей Холла улучшаются с ростом подвижности носителей, то для их изготовления используются полупроводники с высокой подвижностью: германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия и др.

Быстрое распространение преобразователей Холла обусловливается их многочисленными преимуществами, важнейшие из которых следующие:

- преобразователь Холла является статическим элементом, что дает ему преимущество перед индукционным, измеряющим магнитное поля только в момент перемещения;

- малые размеры (10 х 10 мкм) и большая надежность в работе;

- линейная зависимость выходного напряжения от управляющего магнитного поля;

- передача сигналов без искажений.

К недостаткам холловских преобразователей относятся большой разброс параметров, зависимость чувствительности, сопротивления и коэфициента Холла от температуры.

Другой тип полупроводникового гальваномагнитного преобразователя основан на изменении электрического сопротивления под действием магнитного поля (эффект Гаусса). Увеличение электрического сопротивления под действием магнитного поля происходит как в случае, когда вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно к направлению протекания тока в полупроводниковой пластине (поперечный эффект магнитосопротивления), так и в случае, когда вектор магнитной индукции параллелен направлению тока (продольный эффект магнитосопротивления). Однако изменение сопротивления при продольном эффекте незначительно. Физически магниторезистивный эффект обусловлен искривлением траектории носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в магнитном поле под действием силы Лоренца относительно направления возбуждающего электрического поля.

Чувствительность достигает максимального значения в полях 0,15 ... 0,25 Тл (1200 ... 2000 А/см), а в области малых полей менее 10 мТл (80 А/см) чувствительность стремится к нулю. При этом магниторезистивный эффект нечувствителен к знаку магнитного поля. Диапазон рабочих температур магниторезисторов составляет -85 ... +60 °С.

Преимуществом преобразователей Гаусса можно считать простейшую конструкцию с минимально возможным числом электродов. Наименьшие размеры магниторезисторов составляют около 50 мкм.

К недостаткам следует отнести низкую чувствительность (меньшую, чем у преобразователей Холла), значительную нелинейность и температурную нестабильность; низкие метрологические показатели ограничивают применение полупроводниковых магниторезисторов в качестве прецизионных измерителей магнитного поля.

Гальваномагниторекомбинационные преобразователи.

Более чувствительными преобразователями являются гальваномагниторекомбинационные (ГМР). Их действие основано на магнитоконцентрационном эффекте в собственном полупроводнике, особенность которого состоит в том, что концентрация электронов равна концентрации дырок. В условиях термодинамического равновесия в полупроводнике наряду с генерацией пар электрон-дырка происходит и противоположный процесс ? рекомбинация носителей тока. Суть ГМР-эффекта заключается в изменении сопротивления полупроводника с током, помещенного в магнитное поле, в результате изменения средней по сечению полупроводника концентрации носителей заряда, возникающего при условии различных скоростей поверхностной рекомбинации носителей на его гранях.

Эти процессы происходят непрерывно, и для каждого значения температуры устанавливается соответствующая равновесная концентрация электронов. В отличие от магниторезистивного элемента ГМР?преобразователь обладает чувствительностью к знаку магнитного поля. Чувствительность таких преобразователей на два порядка превосходит чувствительность элементов Холла и составляет 80 В/Тл (10 мВ • см/А).

Чаще всего для изготовления ГМР?преобразователей используют германий, обладающий достаточно высокой подвижностью носителей заряда и длиной диффузионного смещения около 1 мм.

Схема включения ГМР?преобразователя приведена на рисунке 2.5. Значение нагрузочного сопротивления Rн определяет режим работы преобразователя. Если сопротивление Rн примерно в 10 раз превышает сопротивление ГМР?преобразователя при отсутствии магнитного поля Rг, то последний работает в режиме питания от источника тока (І1 = const).

Рисунок 2.5 - Схема включения ГМР?преобразователя

Схема обеспечивает режим максимальной магнитной чувствительности ГМР?преобразователя. Можно так подобрать значение сопротивления нагрузки

Rг=Rн.опт, что будет обеспечиваться режим работы схемы с минимальным значением температурного коэффициента магнитной чувствительности. При этом Rг/Rн.опт = 2,5. На рисунке 2.6 видно, что зависимость выходного напряжения от напряженности магнитного поля при І1 = const линейна.

Рисунок 2.6 - Зависимость выходного сигнала от напряженности магнитного поля ГМР?преобразователя

Преимуществом ГМР?преобразователей является линейность зависимости Uвых = f (Hд) слабых полях, что выгодно отличает их от преобразователей магнитосопротивления. Кроме того, чувствительность их значительно выше, чем у преобразователей Холла.

Однако, несмотря на это порог чувствительности ГМР-преобразователей в настоящее время имеет примерно тот же порядок, что и у холловских преобразователей, что объясняется значительной нестабильностью нулевого сигнала, связанной с изменением сопротивления.

Магнитодиоды.

В качестве магнитодиодов используют несимметричные р+?n- или n+ ?p- переходы с длинной базой, т.е. базой, длина которой больше длины диффузионного смещения неосновных носителей заряда.

В настоящее время применяют две конструкции магнитодиодов: торцевая (рисунок 2.7, а) и планарная (рисунок 2.7, б). При массовом производстве торцевых магнитодиодов трудно осуществить обработку поверхности только одной боковой грани, поэтому все грани обрабатывают одинаково. Сопротивление таких магнитодиодов при обоих направлениях магнитного поля растет одинаково. В планарной конструкции магнитодиодов целесообразно увеличивать скорость рекомбинации носителей заряда на стороне пластины, противоположной от контактов. В этом случае при полярности магнитного поля +Н инжектированные носители отклоняются к верхней грани пластины, сокращается их траектория движения и увеличивается время жизни.

а) торцевая конструкция

б) планарная конструкция

Рисунок 2.7 - Конструкция магнитодиодов

Оба эти эффекта приводят к уменьшению сопротивления магнитодиода. При направлении магнитного поля -Н сопротивление увеличивается. Это позволяет использовать магнитодиод для определения направления магнитного поля. Если же область с высокой скоростью рекомбинации расположена на верхней стороне пластины, то эффекты изменения длины траектории и времени жизни будут частично компенсировать друг друга и магниточувствительность значительно уменьшится.

Магнитотранзисторы.

Однопереходный транзистор состоит из стержня полупроводника с омическими контактами на концах и p-n-переходом между ними (рисунок 2.8). Любой однопереходной транзистор можно использовать в качестве магниточувствительного прибора.

Рисунок 2.8 - Схема включения однопереходного магнитотранзистора

Под действием электрического поля в базе, создаваемого напряжением Uб.б, инжектированные дырки уносятся в нижнюю часть базы, вследствие чего ее сопротивление еще больше уменьшается. Снижение сопротивления нижней части базы приводит к дальнейшему уменьшению напряжения U1 и увеличению Upn, в результате чего инжекция носителей и ток через p-n-переход продолжают расти. Такой самоускоряющийся процесс приводит к лавинному нарастанию тока через р-п-переход и уменьшению падения напряжения на последовательно включенных сопротивлениях р-n-перехода и нижней части базы, причем нагрузочный резистор во входной цепи должен быть больше входного сопротивления однопереходного транзистора.

Для увеличения чувствительности преобразователей Холла необходимо уменьшить их толщину. Однако при этом существуют ограничения, обусловленные как технологическими трудностями получения тонких образцов, так и тем, что при малых толщинах растет рассеивание носителей заряда на поверхности, а это приводит к снижению их подвижности. Эти трудности можно уменьшить путем применения полевого эффекта для изменения толщины полупроводника.

При помещении любого полевого транзистора в поперечное магнитное поле в его канале возникает электрическое поле Холла, как и в полупроводниковом стержне с двумя омическими контактами на концах. Полевой магнитотранзистор отличается от обычного лишь тем, что в его канале имеются дополнительные боковые омические контакты для вывода ЭДС Холла.

На рисунке 2.9 показана структура МДП-магнитотранзистора с каналом n-типа. При работе транзистора в режиме обеднения канала толщина канала d минимальна вблизи стока С, так как между затвором З и этой частью канала действует напряжение, равное сумме напряжений затвора Uз и стока Uc. Вблизи истока И напряжение между затвором и каналом равно U3, поэтому толщина канала здесь больше. Напряжение Холла Uх максимально в том месте, где d минимально. Следовательно, холловские контакты имеет смысл располагать вблизи стока. Увеличивая отрицательное напряжение на затворе, можно уменьшать d до очень малых значений и таким образом увеличивать Uх.



a) МДП - магнитотранзистор

б) полевой магнитотранзистор с p-n-переходом

Рисунок 2.9 - Виды полевых магнитотранзисторов

Чувствительность кремниевых МДП-магнитотранзисторов с каналом р-типа, при Іс = 0,1 мА равна 400 В/Тл, что в 5 ... 10 раз выше чувствительности преобразоваителей Холла из аналогичного материала. Несмотря на то, что их чувствительность на два порядка ниже чувствительности биполярных магнитотранзисторов, полевые магнитотранзисторы также находят практическое применение, поскольку имеют меньший уровень собственных шумов.

Z-Элементы.

Z-элемент представляет собой р-п-структуру с вольт-амперной характеристикой s-типа. Его изготовляют из кремния с включениями, например фосфора (проводимость n-типа). Алюминий вводят в структуру для создания зоны с проводимостью p-типа. Добавляют также медь, цинк.

Z-элемент подключается к схеме источника постоянного тока через нагрузочное сопротивление Rн, используемое для ограничения тока и регулирования выходного сигнала. При этом р-n-переход включается в прямом положительном направлении (рисунке 2.10).

Рисунок 2.10 - Схема включения Z-элемента

В начальной части вольт-амперной характеристики (интервал ОА на рисунке 2.11) сопротивление Z-элемента велико и ток, протекающий через него, мал. С увеличением напряжения сила тока постепенно возрастает. Напряжение, приложенное к z-элементу, падает в основном на участке газоны с высоким сопротивлением. В некоторые моменты времени напряжение достигает критического значения Uкр, при котором интенсивность электрического поля увеличивается до значения, соответствующего энергии активации носителей тока.

Рисунок 2.11 - Вольт-амперная характеристика Z-элемента

Таким образом, в z-элементе периодически изменяется проводимость в зоне шнурования тока и возникают самовозбужденные колебания. Если же число электронов, участвующих в рекомбинации возле границы шнурования тока, превышает число дырок в р-области, то шнур становится стабильным и колебания отсутствуют. Однако при использовании внешних воздействий (магнитного, механического, оптического и т.д.), достаточных для репроизводства эквивалентного числа дырок и электронов возле границы шнурования тока, начинается процесс, сходный с описанным выше, и колебания в z-элементе возникают вновь. В обоих случаях частота колебаний из-за шнурования тока зависит от значений параметров внешних воздействий, которые определяют скорость разрушения токового шнура.

Тонкопленочные магнитотранзисторы.

Другим типом преобразователей на тонких металлических ферромагнитных пленках являются магниторезистивные преобразователи магнитного поля. Их действие основано на анизотропии удельного электрического сопротивления относительно направления вектора намагниченности в пленке. Если поместить пленочный прямоугольный магниторезистивный элемент (рисунок 2.12) во внешнее поле Не, перпендикулярное к оси легкого намагничивания (ОЛН) и параллельное направлению протекания тока, то падение напряжения на нем будет определяться следующими выражениями:

;	(2.3)
	(2.4)

где - сила тока, протекающего через пленочный элемент;

- сопротивление пленки при взаимно перпендикулярном направлении протекания тока и вектором намагниченности М;

- максимальное изменение сопротивления пленки в магнитном поле;

- угол между направлением тока в пленке и вектором намагниченности М;

Нк - напряженность поля одноосной анизотропии, определяемая как 2К/М (К -константа анизотропии).

1 - источник тока; 2 - ферромагнитная металлическая пленка

Рисунок 2.12 - Схематическое изображение магниточувствительного элемента, основанного на магниторезистивном эффекте в ферромагнитных пленках

магнитный преобразователь контроль пленочный

Чувствительность типичных пленочных элементов составляет 2500 мВ • см/А; диапазон измерения от 10-4 до 5 А/см. Размеры пленочных преобразователей могут быть очень малыми, порядка 1 мкм при толщине пленки 20 нм. Эксплуатационные качества пленочных МЭ близки к феррозондовым. Это обеспечивается применением для изготовления пленочных МЭ, в основном, металлических сплавов и простейшей конструкцией. Так как перемагничивание многодоменных пленок происходит за несколько наносекунд, то у магниторезистивных элементов инерционность менее 10-8 с. Диапазон рабочих температур -200 +150 °С. Преимущество таких преобразователей состоит в том, что к ним применимы методы интегральной технологии, и их можно органично разместить на одной подложке с другими электронными полупроводниковыми компонентами. К недостаткам следует отнести малый рабочий диапазон напряженности измеряемых полей, высокую температурную погрешность и неоднозначность показаний при наличии компонент внешнего поля как вдоль оси трудного намагничивания, так и вдоль ОЛН. Также отсутствуют технологии получения пленки с точно заданными параметрами.

Магниторезисторы с гигантским магниторезистивным эффектом.

В 1988 г. был открыт принципиально новый магниторезистивный эффект, основанный на совершенно ином физическом явлении, позволяющий получить значительно большее изменение электрического сопротивления тонкопленочной структуры. Он был назван гигантским магниторезистивным эффектом.

В несколько упрощенном виде сущность гигантского магниторезистивного эффекта состоит в следующем. Пусть имеется многослойная структура, в которой тонкие слои ферромагнитного металла (ФМ) разделены тонкими слоями немагнитного металла (НМ), обозначенные соответственно 1 и 2 на рисунке 2.13. Такие структуры часто обозначают (ФМ/НМ)n, где ФМ и НМ - наименования соответствующих металлов, а n - число магнитных слоев. В наименование многослойной структуры часто добавляют значения толщин соответствующих слоев tф и tН: (ФМ, tф/НМ, tH)n. Для проявления гигантского магниторезистивного эффекта необходимо, чтобы:

- существовал какой-нибудь способ изменения относительного направления намагниченности в соседних магнитных слоях (например, от антипараллельного, показанного на рисунке 2.13, до параллельного);

- толщина слоев (пленок из ФМ и НМ) была много меньше средней длины свободного пробега электронов проводимости в многослойной структуре.

Рисунок 2.13 - Многослойный магниторезистор с гигантским магниторезистивным эффектом

В структуре (?е/Сr)n, в которой впервые был обнаружен гигантский магниторезистивный эффект, первое условие выполнялось за счет обменного взаимодействия между соседними магнитными слоями, благодаря которому в отсутствие внешнего магнитного поля они оказались намагниченными антипараллельно (на рисунке 2.13 показано сплошными стрелками). Под действием внешнего достаточно сильного продольного поля Нв (направление показано штриховой линией) все магнитные слои оказываются намагниченными в направлении этого поля. Второе условие выполняется путем выбора толщины слоев обычно в пределах (10 ... 30)10-10 м.

Гигантский магниторезистивный эффект принято характеризовать двумя параметрами. Первый параметр А, который называют амплитудой гигантского магни-торезистивного эффекта, определяется как отношение изменения сопротивления ?R многослойной структуры под действием магнитного поля, к ее сопротивлению Rs при насыщении всех магнитных слоев в одном направлении:

	(2.5)

Второй параметр С - нормализованное значение магниторезистивного эффекта, обычно используемое и при оценке А магниторезистивного эффекта, определяется как

	(2.6)

где - сопротивление структуры при отсутствии внешнего магнитного поля.

Между этими двумя параметрами существует следующая связь:

	(2.7)

Значение А может изменяться от 0 до ?, а С - от 0 до 1. Для многослойных структур типа (?е/Сг) и (Со/Си) получены значения А > 1, что соответствует С > 0,5.

Однако высокие значения А или C еще недостаточны для практического использования таких структур в магниторезистивных преобразователях. Требуется, чтобы такие значения А или C достигались при относительно слабых магнитных полях. Поэтому структуры с гигантским магниторезистивным эффектом характеризуются еще и чувствительностью Q, значение которой может быть равно 2,5 ... 10-5А/см:

	(2.8)

где ?Н - изменение напряженности магнитного поля, вызывающее данное изменение сопротивления . В этом случае ?Н = Не.

Одним из главных направлений исследований, проводимых в области гигантского магниторезистивного эффекта применительно к его использованию в преобразователях, является поиск структур и методов, обеспечивающих высокие значения А при малых ?Н .

Приведенные данные свидетельствуют о том, что гигантский магниторезистивный эффект находится в начальной стадии своего исследования и применения. Следует ожидать появления новых структур и технологий, обеспечивающих более высокие технические и технологические характеристики преобразователей магнитного поля.

Феррозондовые преобразователи.

В магнитной дефектоскопии широко применяют различные типы феррозондовых преобразователей. Технология их изготовления основана на применении ручного труда и не рассчитана на серийное производство. Не удалось в полной мере обеспечить идентичность преобразователей. Все эти проблемы решаются при переходе на интегральную технологию, которая в настоящее время имеет весьма высокий уровень развития и применяется для выпуска большинства изделий микроэлектроники.

Рассмотренные параметры тонкопленочных магнитомодуляционных и индуктивных преобразователей не позволяют эффективно использовать эти преобразователи в магнитной дефектоскопии (из-за ограниченного диапазона значений напряженности измеряемых полей либо из-за конструктивных особенностей). Наиболее близки к оптимуму трубчатые феррозонды с поперечным возбуждением (ФПВ), однако их изготовление не исключает ручного труда. В этом плане более предпочтительны тонкопленочные феррозонды с поперечным импульсным возбуждением.

В основу работы феррозондовых преобразователей положено использование нелинейных свойств сердечников из ферромагнитного материала. Классический феррозонд-полимер состоит из двух ферромагнитных проволочных сердечников, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, и четырех обмоток, включенных попарно последовательно, как показано на рисунке 2.14.

1 - генератор возбуждения: 2 - полосовой фильтр; 3 - обмотки возбуждения; 4 - измерительные обмотки; 5 - ферромагнитные сердечники

Рисунок 2.14 - Феррозондовый четногармонический преобразователь - полимер

В первую пару обмоток (обмоток возбуждения), включенных встречно, подается синусоидальное напряжение возбуждения частотой, fв, которое постоянно перемагничивает сердечник по предельной петле гистерезиса. Со второй пары обмоток (измерительные обмотки), которые включены согласно, снимается выходное напряжение, поступающее дальше на полосовой фильтр с центральной частотой 2fв. Когда напряженность внешнего поля равна нулю, перемагничивание осуществляется симметрично относительно нулевого значения поля. Напряжение измерительной обмотки состоит в этом случае только из не скомпенсированных нечетных гармоник вследствие неполной идентичности сердечников и обмоток. При внесении сердечников во внешнее поле симметрия перемагничивания нарушается из-за нелинейности характеристики, и в измерительных обмотках появляется ЭДС четных гармоник. Для измерения используется, в основном, вторая гармоника, на которую и настроен узкополосный фильтр. Значение ЭДС четных гармоник при условии, что напряженность измеряемого поля много меньше амплитуды возбуждающего поля, можно определить по формуле

	(2.9)

где щ - частота тока возбуждения;

w - число витков измерительной обмотки;

S - площадь поперечного сечения сердечника;

n - номер четной гармоники (для второй гармоники n = 1);

- магнитная проницаемость на 2n-й четной гармонике.

Чувствительность феррозондов может достигать очень больших значений - до 1 ООО мВ • см/А. Порог чувствительности -10-9 Тл (~ 10,5 А/см), причем это значение достигается при высоком отношении сигнал/шум. Наибольшее значение напряженности измеряемого поля четногармонических феррозондов - около 200 А/см. Максимальное значение ограничено только амплитудой напряженности поля возбуждения. Увеличение напряженности поля возбуждения с целью расширить диапазон измерения в четногармоническом феррозонде приводит к термическому разрушению обмотки. Во избежание этого применяют феррозондовые преобразователи с импульсным возбуждением.

Индуктивное сопротивление катушки с сердечником из мягкого магнитного материала уменьшается в постоянном магнитном поле. Этот известный эффект используется для измерения напряженности магнитных полей. Преобразователи, построенные на указанном эффекте, в разных источниках названы по-разному: импедансного типа, с нелинейной индуктивностью, дроссельного типа и т.д. Катушку с ферромагнитным сердечником в виде тороида, отрезка проволоки или узкой пластины будем называть индуктивным магниточувствительным элементом, а преобразователи, содержащие такие элементы, - однообмоточными феррозондами.

В магнитной диагностике широко применяются устройства, в которых измеряемое постоянное магнитное поле, воздействуя на сердечник, перемагничиваемый переменным полем, приводит к изменению амплитуды переменной составляющей индукции в сердечнике и это изменение, так или иначе, используется для определения напряженности постоянного поля. Одним из таких устройств является феррозонд трансформаторного типа, в котором используется кольцевой сердечник.

Сверхпроводниковые преобразователи.

Явление сверхпроводимости заключается в том, что многие металлы или сплавы при температуре ниже определенной (критической) Tкр обладают способностью проводить электрический ток практически без сопротивления. При этом очень важно, чтобы индукция внешнего магнитного поля Вв не превышала бы некоторого критического значения Bкр.

Для сверхпроводников первого порядка зависимость Bc от температуры описывается приближенной формулой:

	(2.10)

где Т - абсолютная температура, К;

Вкр(0) - значение Вкр при нулевой температуре.

Эту функцию можно представить как границу между нормальной и сверхпроводящей фазами (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 - Зависимость критического значения магнитной индукции внешнего поля от температуры

Для чистых металлов значение Ткр при Вв = 0 лежит ниже 9,2 К (Nb), для сплавов - ниже 23,2 К (Nb3Ge). Например для свинца, являющегося сверхпроводником первого рода, значение Вкр равно 240 мТл при Т = 0 и 55 мТл при Т= 4,2 К (температуре кипения гелия).

Для сверхпроводников второго рода существуют два критических значения магнитной индукции внешнего поля -- Вкр1 и Вкр2. При Вв< Вкр1 основные магнитные свойства сверхпроводников первого и второго рода совпадают.

В этом интервале значений магнитной индукции главным образом и используются приборы, основанные на явлении сверхпроводимости.

Другим важным свойством сверхпроводников является вытеснение магнитного поля из занимаемого объема. Это происходит независимо от того, помещается ли сверхпроводник при температуре ниже Ткр в магнитное поле или охлаждается ниже этой температуры во внешнем магнитном поле. То, что внешнее магнитное поле не может проникнуть внутрь сверхпроводника, полностью объясняется законами электродинамики на основании отсутствия у сверхпроводника сопротивления. Однако явление вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника при достижении критической температуры - эффект Мейснера -- указывает на то, что классическая электродинамика недостаточна для объяснения свойств сверхпроводников.

В измерительной технике сверхпроводимость нашла достойное применение благодаря квантовым эффектам, известным как эффекты Джозефсона (Нобелевская премия 1973 г.). Сущность эффекта Джозефсона состоит в том, что через два сверхпроводника, разделенных тонким слоем изолятора, при наличии постоянной разности потенциалов, приложенных к сверхпроводникам, может протекать переменный электрический ток с частотой, определяемой приложенной разностью потенциалов.

(2.11)

где е - заряд электрона;

h - постоянная Планка.

Ток через контакт Джозефсона появляется, только начиная с некоторого критического значения, которое сильно зависит от внешнего магнитного поля.

Значениесильно зависит от внешнего магнитного поля. Для случая, когда вектор магнитной индукции Вв параллелен одному из ребер перехода, получается выражение:

(2.12)

где - критический ток каждого перехода в отсутствие внешнего магнитного поля;

Фj - магнитный поток, заключенный в переходе;

Таким образом осциллирует, принимая нулевые значения при =.

В настоящее время известно достаточно много устройств, которые обладают свойствами Джозефсона - это туннельный переход типа сверхпроводник - окись - сверхпроводник, планарный переход типа сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник, мостик Дейема, мостик Нотариса, точечный контакт, каплевидный контакт Кларка [1].

Преобразователи, применяемые в магнитной диагностике, представляют собой сверхпроводящее кольцо с двумя или одним джозефсоновскими переходами.

Если кольцо, содержащее два идентичных джозефсоновских перехода, поместить в магнитное поле, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен плоскости кольца, то суммарный критический ток через переходы , будет определяться выражением:

(2.13)

где - критический ток каждого перехода в отсутствие магнитного поля;

- магнитный поток в каждом из переходов;

Фсв - магнитный поток в сверхпроводящем кольце.

Из-за интерференционных свойств сверхпроводниковых квантовых преобразователей для их обозначения принят термин сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД). Чувствительность сверхпроводниковых преобразователей достигает 8-10-11 А/см.

Квантовые преобразователи.

Широкое применение для измерения индукции постоянных магнитных полей получили за последнее время преобразователи, в которых используются ядерные, электронные и атомные явления.

1. Ядерные преобразователи. Существенной особенностью этих преобразователей является возможность их применения для измерений абсолютным методом: они не требуют градуировки, лишены погрешностей, связанных с условиями эксперимента (такими как температура, давление и др.), и могут обеспечить очень высокую точность измерения. С помощью ядерных преобразователей можно измерить магнитную индукцию, а также постоянные электрические токи и другие величины с предварительным преобразованием в магнитном поле.

2. Преобразователи электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В отличие от ядерных преобразователи ЭПР основаны на использовании резонанса электронов в веществах, атомы которых имеют неспаренные электроны, благодаря чему электронная оболочка обладает магнитным дипольным моментом. К таким веществам относятся, например, элементы переходной группы, свободные радикалы (бб-дифинил-в-пикрил-гидразин; раствор натрия в жидком аммиаке).

Погрешность измерения с преобразователями ЭПР больше, чем с ядерными преобразователями, и составляет примерно 0,1 %, так как ширина сигнала ЭПР довольно значительная (0,1 - 2,0) 10 ~ Т.

3. Атомные преобразователи. При использовании квантовых преобразователей в слабых магнитных полях для увеличения резонансного сигнала производится ориентация магнитных моментов ядер с помощью вспомогательного постоянного магнитного поля. Это можно добиться, применяя метод оптической ориентации атомов некоторых веществ, находящихся в газообразном или парообразном состоянии. На этом методе основаны атомные квантовые преобразователи с оптической накачкой, в которых оптические методы используются также для обнаружения резонансного сигнала. В атомных преобразователях используется резонанс атомов рубидия, цезия, гелия (Не4).

Приборы с атомными преобразователями обеспечивают непрерывность измерений, хорошее отношение сигнал/шум (с/ш ? 200) и обладают высокой чувствительностью (порог чувствительности -- порядка 10-11 Т). Их недостатком является относительно большой объем преобразователя (десятки кубических сантиметров).

3. Магнитная диагностика напряженно-деформированного состояния

3.1 Неразрушающие методы контроля напряженно-деформированного состояния

Современная диагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналом различных физических методов и средств, уже не ограничивается задачами дефектоскопии, но все более широко используется при решении задач определения механических характеристик материалов, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений.

В связи с этим обстоятельством на первый план выходят методы технической диагностики, сочетающие механику разрушений, металловедения и неразрушающего контроля. К таким методам относятся, в первую очередь, методы контроля напряженно-деформированного состояния (НДС).

Напряженно-деформированное состояние (НДС) - совокупность внутренних напряжений и деформаций, возникающих при действии на нее внешних нагрузок, температурных полей и других факторов.

Проблемой измерений механических напряжений в работающих конструкциях с целью оценки их состояния в настоящее время занимаются все ведущие диагностические центры мира. Однако до сих пор эффективность различных методов и средств контроля напряжений остается низкой при их использовании непосредственно на оборудовании.

Анализ возможностей известных методов контроля напряжений и деформаций в основном металле и в сварных соединениях оборудования и конструкций позволяет назвать следующие их существенные недостатки:

- непригодность для контроля протяженных трубопроводов и конструкций, крупногабаритных изделий, оборудования и сосудов;

- невозможность использования большинства методов в области пластической деформации;

- не учитывается изменение структуры металла;

- невозможность оценки глубинных слоев металла для большинства методов контроля;

- требуется построение градуировочных графиков на основе испытаний предварительно изготовленных образцов, которые, как правило, не отражают фактическое энергетическое состояние оборудования;

- требуется подготовка контролируемой поверхности и объектов контроля (зачистка, активное намагничивание, клейка датчиков и прочее);

- сложность определения положения датчиков контроля по отношению к направлению действия максимальных напряжений и деформаций, определяющих надежность оборудования.

Кроме того, традиционные методы и средства НК напряжений, которые основаны на активном взаимодействии сигнала прибора с металлом конструкции, получают косвенную информацию о напряженном состоянии объекта контроля, т.е. имеют недостаточную информативность физических полей, используемых при контроле. Действительно, вводимое в исследуемый материал поле, взаимодействуя с собственными полями материала, меняет его свойства и характеристики НДС объекта контроля. При этом характер, величина и время жизни изменений определяются динамическим соотношением энергий взаимодействующих полей. На практике, при проведении диагностики, такие изменения просто не учитывают.

Данное замечание относится, в первую очередь, к следующим методам:

- метод коэрцитивной силы (приборы-коэрцитиметры различных модификаций);

- метод магнитной анизотропии (приборы типа Комплекс 2.05 и 2.06);

- методы, использующие эффект Баркгаузена (приборы типа Стресскан, Интромат, Пион и другие).

Необходимо помнить, что любое искусственно вводимое от прибора физическое поле в объект контроля, находящийся в напряженно-деформированном состоянии (даже после снятия рабочих нагрузок), обязательно будет взаимодействовать с собственными физическими полями материала (например, электромагнитными), сформировавшимися на уровне кристаллической решетки. Не учитывать фактическое энергетическое состояние объекта контроля (о чем свидетельствует «магнитная память металла») - грубейшая ошибка для всех методов контроля НДС. Особенно это относится к зонам концентраций напряжений (ЗКН), которые сосредоточены, как правило, на глубине и в объеме, и на поверхность изделия выходят в виде линий скольжения (места образования трещин) шириной в несколько микрон (и даже нескольких долей микрона). Кроме того, выполнение контроля осуществляется, как правило, на остановленном в ремонт оборудовании, после снятия рабочих нагрузок в условиях остаточного НДС, когда напряжения и деформации имеют противоположный знак и другие значения по сравнению с рабочими. В данных объективных условиях указанные выше методы контроля оказываются не эффективными для оценки фактического НДС объекта контроля, как по своей физической сущности, так и по метрологическим условиям (датчики приборов, как правило, значительно превышают площади ЗКН), а, главное, не известно на какую глубину искусственно намагничивать металл, где и как ставить датчик, когда не известны зоны максимальных напряжений (рабочих или остаточных).

Таким образом, перечисленные выше недостатки известных методов контроля НДС обусловлены физической сущностью этих методов и являются закономерными. Отсутствие метрологической базы для сертификации и поверки средств измерений характеристик НДС материалов (до сих пор в России и других странах нет единых эталонов и образцов) приводят к неоднозначности требований и ошибочности методического подхода к разрабатываемым средствам контроля. Кроме того, в настоящее время ни в одной стране мира нет программ и центров обучения специалистов по неразрушающему контролю НДС оборудования и конструкций. Отсутствуют стандарты, излагающие общие требования к методам и средствам НК напряжений и деформаций в конструкциях.

Впервые такой стандарт подготовлен в России специалистами ООО "Энергодиагностика" и представлен 14 июля 2004 года на заседании V комиссии Международного института сварки в г.Осака (Япония) для обсуждения и получения отзыва. Стандарт называется "Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта при оценке ресурса оборудования. Общие требования"[6].

При оценке ресурса оборудования, как известно, непременным условием является определение фактического напряженно-деформированного состояния с выявлением зон концентрации напряжений (ЗКН) - основных источников развития повреждений - на основе 100% обследования всего объема металла. Именно ЗКН определяют работоспособность любой конструкции, а не расчетные, средние значения рабочих напряжений.

Следует отличать традиционное понятие "концентратор напряжений", обусловленный конструкцией изделия, от материаловедческого понятия "концентрация напряжений", возникающая в зонах устойчивых полос скольжения дислокаций, обусловленных действием рабочих нагрузок. Зона концентраций напряжений - локальная зона изделия, в которой возникла большая деформация по сравнению со средней деформацией по всему объему изделия, обусловленная неудачным сочетанием особенностей конструкции, неоднородности структуры материала и рабочими нагрузками.

Известно, что под действием эксплуатационных нагрузок работа металла оборудования в основном определяется скольжением дислокаций и сдвиговой деформацией. При этом накопление усталостной повреждаемости металла во многих случаях происходит в условиях мало и многоцикловой рабочей нагрузки. Очевидно, что традиционные методы контроля напряжений не могут оценить фактическое НДС конструкции, так как в общем случае неизвестны ЗКН, обусловленные сдвиговой деформацией. В ходе промышленных исследований установлено, что только "пассивные" методы диагностики НДС могут ответить на поставленные вопросы, и являются наиболее пригодными для практики.