Электромагнитно-акустическое измерительное преобразование

Электромагнитно-акустическое (ЭМА) измерительное преобразование осуществляется путем воздействия на объект преобразования одновременно постоянным и переменным магнитными полями. На рис. 7.12 показан пример такого воздействия для случая объекта плоской формы.

Переменное магнитное поле создается в большинстве случаев плоской обмоткой с переменным током (на рисунке показано поперечное сечение обмотки). Постоянное магнитное поле создается электромагнитом либо постоянным магнитом (на рисунке показаны только силовые линии этого поля, а сам источник постоянного магнитного поля не показан).

Рис. 7.12. Плоский объект в электромагнитном поле ЭМА-преобразователя:

I — обмотка с током; 2 — силовые линии переменного магнитного поля;

3 — силовые линии постоянного магнитного поля; 4 — объект преобразования

ЭМА-преобразование основано на проявлении трех эффектов взаимодействия электромагнитного поля с объектом преобразования: магнитострикционного, магнитного и электродинамического. Поэтому данное преобразование применимо только для объектов из проводящего материала (за счет проявления третьего эффекта) и (или) магнитного материала (за счет проявления первого и второго эффектов). Рассмотрим все три эффекта по отдельности, хотя во многих случаях они проявляются одновременно.

Магнитострикционное взаимодействие проявляется в деформации элементарных объемов ферромагнитного объекта под действием внешнего магнитного ноля. Возбуждаемое переменным током обмотки переменное магнитное поле (силовые линии этого поля показаны сплошными линиями) вызывает циклическое перемагничивание доменов ферромагнетика (рис. 7.13) и их деформацию вследствие эффекта магпитострикции. Воздействию переменного магнитного поля подвергаются только домены поверхностного слоя ферромагнитного объекта ввиду резкого убывания индукции этого поля при удалении от обмотки, а также наличия скин-эффекта вследствие возбуждения переменным магнитным полем вихревых токов. Упругие деформации доменов поверхностного слоя обеспечивают возбуждение в объекте акустических волн с частотой тока обмотки. Наличие одновременного намагничивания постоянным магнитным полем (силовые линии этого поля показаны пунктирными линиями) обеспечивает усиление магнитострикционного взаимодействия.

Для приема акустических волн (преобразования в электрический сигнал) обмотка ЭМА-иреобразователя должна быть отключена от источника переменного тока либо использована пространственно совмещенная с первой (возбуждающей) обмоткой дополнительная (измерительная) обмотка. Достигающая поверхностного слоя ферромагнитного объекта акустическая волна (например, отраженная от нижней границы объекта либо от имеющегося в нем включения с иными акустическими свойствами) вызывает деформацию доменов этого слоя. Вследствие проявления магнитоупругого эффекта происходит изменение магнитной проницаемости материала поверхностного слоя и соответственно изменение индукции В₌ постоянного магнитного поля как в поверхностном слое, так и в близко расположенной к нему плоскости витков обмотки. Последнее приводит к изменению магнитного потока постоянного магнитного поля через обмотку, что вызывает вследствие явления электромагнитной индукции появление в ней ЭДС, мгновенное значение которой функционально связано с характеристиками акустической волны.

Рис. 7.13. Возбуждение акустических волн за счет магнитострикционного взаимодействия.

Магнитное взаимодействие заключается во взаимном притяжении и отталкивании намагниченного постоянным магнитным полем поверхностного слоя ферромагнетика и создающей переменное магнитное поле обмотки с током.

Под действием постоянного магнитного поля ферромагнитный объект намагничивается в направлении, определяемом направлением намагничивающего поля. Кроме того, поверхностный слой ферромагнетика подвергается воздействию переменного магнитного поля обмотки с током (рис. 7.14). Поскольку направление переменного магнитного поля циклически изменяет свое направление с частотой тока обмотки, то намагниченный поверхностный слой ферромагнетика будет попеременно притягиваться и отталкиваться от источника переменного магнитного поля — обмотки с током. При совпадении направлений магнитных полей обмотки и намагниченного постоянным магнитным полем ферромагнетика имеет место притяжение, при противоположных направлениях этих полей — отталкивание.

Рис. 7.14. Возбуждение акустических волн за счет магнитного взаимодействия

Описанный выше эффект притяжения-отталкивания поверхностного слоя объекта вызывает колебания этого слоя с частотой тока обмотки и возбуждение в объекте акустических волн.

Магнитное взаимодействие, как и описанное ранее магнитострикционное, является обратимым, что позволяет использовать его не только для возбуждения, но и преобразования в электрический сигнал акустических волн, распространяющихся в объекте. В этом случае обмотка должна быть отключена от источника переменного тока (либо применена отдельная измерительная обмотка). Достигающая поверхностного слоя акустическая волна вызывает колебания этого слоя, что обусловливает попеременное приближение — удаление от обмотки. Такое перемещение намагниченного постоянным магнитным полем ферромагнетика вызывает изменение магнитного потока этого поля через обмотку. При приближении намагниченного ферромагнетика к обмотке происходит увеличение магнитного потока, при удалении — его уменьшение. Такое изменение магнитного потока через обмотку вызывает, как и в предыдущем случае, в соответствии с законом электромагнитной индукции появление в обмотке ЭДС, несущей информацию о параметрах акустической волны.

Электродинамическое взаимодействие состоит в возбуждении в электропроводящем объекте вихревых токов и взаимодействии их магнитного поля с постоянным магнитным полем преобразователя.

Переменное магнитное поле обмотки с током, расположенной вблизи поверхности электропроводящего объекта, возбуждает в его поверхностном слое вихревые токи (разд. 5.1). На рис. 7.15 пунктиром показан контур вихревых токов наибольшей плотности. Магнитное поле вихревых токов изменяет свое направление с частотой тока возбуждения в отличие от постоянного магнитного поля преобразователя, имеющего неизменное направление. Вследствие этого, по аналогии с магнитным взаимодействием, поверхностный слой объекта будет притягиваться-отталкиваться от источника постоянного магнитного поля. Колебания поверхностного слоя возбуждают распространяющиеся в объекте акустические волны.

Рис. 7.15. Возбуждение акустических воли за счет электродинамического взаимодействия

Электродинамическое взаимодействие, как и два предыдущих, является обратимым и, таким образом, пригодным нс только для возбуждения акустических волн, но и их преобразования в электрический сигнал. Для такого преобразования обмотка, как и в случае использования для приема акустических волн обратных магнитострикционного и магнитного взаимодействий, должна быть отключена от источника переменного тока. Достигающая поверхностного слоя акустическая волна вызывает его колебания. Здесь следует отметить, что постоянное магнитное поле является в значительной мере неоднородным, поэтому колебания поверхностного слоя электропроводящего объекта в таком поле вызывают изменение магнитного потока через этот слой и, как следствие, возникновение в нем ЭДС индукции и возбуждение вихревых токов. Магнитное поле индуцированных вихревых токов наводит ЭДС в обмотке.

В общем случае, когда материал объекта измерительного преобразования является как магнитным, так и электропроводящим, возбуждаемые ЭМА-преобразователем акустические волны являются результатом всех трех видов взаимодействий, а ЭДС обмотки — суммой ЭДС, являющихся результатами также всех трех взаимодействий.

Рис. 7.16. Возбуждение акустических волн с использованием термоакустического измерительного преобразования:

• 1 — лазер: 2 — луч лазера; 3 — объект измерительного преобразования;
• 4 — зона нагрева; 5 — акустическая волна

Достоинством ЭМА-преобразоваиия по сравнению с пьезоэлектрическим и магнитострикционным электроакустическими преобразованиями является возможность бесконтактного возбуждения и приема акустических волн и, как следствие, отсутствие необходимости использования контактной либо иммерсионной среды. Недостатком является малый коэффициент преобразования (как прямого, гак и обратного) и, как следствие, низкая чувствительность. Эффективность ЭМА-преобразования уменьшается с увеличением зазора между преобразователем и объектом по экспоненциальному закону.