Impulsy magnetostrykcyjne informacje podstawowe

Podobne dokumenty
Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

Właściwości magnetyczne materii. dr inż. Romuald Kędzierski

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Indukcyjność. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

4. Ultradźwięki Instrukcja

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

5.1. Powstawanie i rozchodzenie się fal mechanicznych.

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

Badanie histerezy magnetycznej

Badanie widma fali akustycznej

POMIAR TEMPERATURY CURIE FERROMAGNETYKÓW

4.7 Pomiar prędkości dźwięku w metalach metodą echa ultradźwiękowego(f9)

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 1 Badanie efektu Faraday a w monokryształach o strukturze granatu

Fala na sprężynie. Projekt: na ZMN060G CMA Coach Projects\PTSN Coach 6\ Dźwięk\Fala na sprężynie.cma Przykład wyników: Fala na sprężynie.

Ocena właściwości magnetoakustycznych próbek stali 13HMF o różnym czasie eksploatacji

Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Wysokich Napięć. Dr hab.

Badanie widma fali akustycznej

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera.

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Prowadzący: Kamil Fedus pokój nr 569 lub 2.20 COK konsultacje: środy

lim Np. lim jest wyrażeniem typu /, a

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 27 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 2

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

1. Jeśli częstotliwość drgań ciała wynosi 10 Hz, to jego okres jest równy: 20 s, 10 s, 5 s, 0,1 s.

BEZDOTYKOWY CZUJNIK ULTRADŹWIĘKOWY POŁOŻENIA LINIOWEGO

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Widmo fal elektromagnetycznych

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

O różnych urządzeniach elektrycznych

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera

Zwój nad przewodzącą płytą

Metoda prądów wirowych

WYKŁAD 15 WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE MAGNESÓW TRWAŁYCH

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Elektryczne właściwości materii. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

ANALIZA WYKRYWALNOŚCI WAD POŁĄCZEŃ SPAWANYCH METODAMI ULTRADŹWIĘKOWĄ I MPM

26 MAGNETYZM. Włodzimierz Wolczyński. Indukcja magnetyczna a natężenie pola magnetycznego. Wirowe pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

PL B1. Urządzenie do badania nieciągłości struktury detali ferromagnetycznych na małej przestrzeni badawczej. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Zad. 2 Jaka jest częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej o długości λ = 300 m.

1. Po upływie jakiego czasu ciało drgające ruchem harmonicznym o okresie T = 8 s przebędzie drogę równą: a) całej amplitudzie b) czterem amplitudom?

Elementy indukcyjne. duża czułość i sztywność układu stateczne i bezstopniowe przekazywanie sygnału mała siła oddziaływania duża pewność ruchu

E107. Bezpromieniste sprzężenie obwodów RLC

Wyznaczanie prędkości dźwięku

Klasyczny efekt Halla

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

Badanie transformatora

LABORATORIUM METOD I TECHNIK BADAŃ MATERIAŁÓW

Lekcja 59. Histereza magnetyczna

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

Badanie ultradźwiękowe grubości elementów metalowych defektoskopem ultradźwiękowym

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Pomiary w oparciu o pomiary drogi i różniczkowanie - (elektryczne lub numeryczne)

Ćwiczenie nr 25: Interferencja fal akustycznych

X L = jωl. Impedancja Z cewki przy danej częstotliwości jest wartością zespoloną

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń. Przedmowa 15. Wprowadzenie Ruch falowy w ośrodku płynnym Pola akustyczne źródeł rzeczywistych

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

6 Podatność magnetyczna

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

Właściwości optyczne kryształów

Ćwiczenie 4 WYZNACZANIE INDUKCYJNOŚCI WŁASNEJ I WZAJEMNEJ

WYZNACZANIE PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ QUINCKEGO I KUNDTA

Pomiary drogi (przemieszczenia) i kąta [5]

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

Krzysztof Łapsa Wyznaczenie prędkości fal ultradźwiękowych metodami interferencyjnymi

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Drania i fale. Przykład drgań. Drgająca linijka, ciało zawieszone na sprężynie, wahadło matematyczne.

Fale w przyrodzie - dźwięk

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 25: Interferencja fal akustycznych. Prędkość dźwięku.

Ruch drgający i falowy

Na wykresie przedstawiono zależność drogi od czasu trwania ruchu dla ciał A i B.

Indukcja elektromagnetyczna. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Badanie transformatora

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

PL B1. INSTYTUT PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW TECHNIKI POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Warszawa, PL BUP 11/

Badanie właściwości magnetycznych

Kolokwium 2. Środa 14 czerwca. Zasady takie jak na pierwszym kolokwium

Drgania i fale sprężyste. 1/24

SENSORY I SYSTEMY POMIAROWE

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Wykład Drgania elektromagnetyczne Wstęp Przypomnienie: masa M na sprężynie, bez oporów. Równanie ruchu

Ψ(x, t) punkt zamocowania liny zmienna t, rozkład zaburzeń w czasie. x (lub t)

III. Opis falowy. /~bezet

Prąd przemienny - wprowadzenie

Zjawiska w niej występujące, jeśli jest ona linią długą: Definicje współczynników odbicia na początku i końcu linii długiej.

Polskie innowacyjne metody nieniszczącej diagnostyki elementów stalowych - podstawy, zastosowanie, korzyści

Ruch jednostajnie zmienny prostoliniowy

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

A. istnieniu siły elektrodynamicznej C. zjawisku indukcji elektromagnetycznej B. zjawisku indukcji magnetycznej D. namagnesowaniu zwojnicy

Ćwiczenie 25. Interferencja fal akustycznych

Badanie pętli histerezy magnetycznej ferromagnetyków, przy użyciu oscyloskopu (E1)

Badanie efektu Dopplera metodą fali ultradźwiękowej

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 3 Badanie przemiany fazowej w materiałach magnetycznych

Transkrypt:

Impulsy magnetostrykcyjne informacje podstawowe 1. Zasada działania metody generacji i detekcji impulsów magnetostrykcyjnych W ćwiczeniu wykorzystuje się właściwości magnetosprężyste ferromagnetyków a w szczególności efekt magnetostrykcji oraz efekt Villariego dla bezkontaktowej generacji i detekcji impulsów akustycznych w ośrodkach ograniczonych w naszym przypadku w rurach. Impulsy akustyczne o niskiej częstości (rzędu khz) rozchodzą w rurze na znaczne odległości (rzędu kilknastu m) i mogą być dzięki temu wykorzystane do detekcji wad (nieciągłości) w tych rurach metodą echa, tak jak przy klasycznej defektoskopii ultradźwiękowej. Impuls akustyczny jest generowany podczas przemiennego magnesowania fragmentu rury za pomocą pola generowanego przez cewkę nadawczą. Zmiana namagnesowania skutkuje zmianą wydłużenia rury w kierunku pola magnetycznego. Taka właściwość ferromagnetyków określana jest jako efekt magnetostrykcji. Do detekcji impulsu akustycznego odbitego od wady wykorzystywany jest efekt magneto-sprężysty, zwany efektem Villariego [1]. Chodzi tu o efekt zmiany namagnesowania rury wynikający z działania naprężeń. Zmienne w czasie naprężenie (fala akustyczna) powoduje periodyczne zmiany namagnesowania rury. Te zmiany mogą być wykryte za pomocą cewki detekcyjnej obejmującej rurę. Schemat układu nadawczo-odbiorczego impulsów akustycznych w rurze pokazano na Rys. 1. Rys. 1. Ilustracja zasady generacji i detekcji impulsów akustycznych w rurze Na tym rysunku pokazano oprócz cewek (nadawczej i odbiorczej) dwa magnesy stałe, współdziałające z obiema cewkami. Te magnesy służą do namagnesowania rury i podczas nadawania impulsu akustycznego i podczas jego detekcji. Intensywność fali akustycznej a także i wielkość sygnału napięciowego indukowanego w cewce odbiorczej zależą od poziomu namagnesowania rury. Impuls fali ultradźwiękowej (zaznaczony umownie za pomocą fragmentu sinusoidy) generowany jest w obu kierunkach. Wtedy, gdy cewka nadawcza jest umieszczona na końcu rury, fala generowana jest praktycznie tylko w jednym kierunku Sygnał napięciowy indukowany w cewce odbiorczej jest wzmacniany a następnie filtrowany w celu zwiększenia jakości tego sygnału poprzez eliminacje zakłóceń. Na rysunku 2 pokazano przykład przebiegu napięciowego z cewki odbiorczej podczas badania rury ze sztucznymi wadami. Duży sygnał widoczny na początku wykresu jest napięciem indukowanym w cewce podczas generacji impulsu akustycznego. Sygnał na końcu wykresu (czas t = 5,75 ms) dotyczy echa odbitego od drugiego końca rury. Małe maksima występujące pomiędzy tymi dwoma skrajnymi sygnałami są świadectwem występowania wad wzdłuż rury. Maksima te są zaznaczone na rysunku liniami przerywanymi. 1

Rys. 2. Przykład sygnału napięciowego indukowanego w cewce detekcyjnej dla przypadku badania impulsami magnetostrykcyjnymi rury z defektami typu spoin i otworów. 2. Magnetostrykcja Magneteostrykcja - jest zjawiskiem polegającym na powstawaniu odkształceń ferromagnetyka podczas jego magnesowania. Magnetostrykcja występuje w niklu, żelazie, kobalcie oraz w ich stopach oraz w ferrytach. Zjawisko magnetostrykcji nie występuje w diamagnetykach oraz paramagnetykach. Ilościowo magnetostrykcję określa się mierząc względne wydłużenie magnesowanego ciała. Miarą magnetostrykcji jest wartość ilorazu: l λ =, (1) l o gdzie l jest zmianą długości (wymiaru) ciała dla pola o natężeniu H a l o jest długością (wymiarem) dla materiału rozmagnesowanego i dla zerowego natężenia pola magnetycznego (H = 0). Największe wydłużenie występuje w kierunku zgodnym z kierunkiem magnesowania. Wydłużenie to może by dodatnie (mówimy wówczas o magnetostrykcji dodatniej) lub ujemne (gdy ciało zmniejsza swe wymiary pod wpływem wzrastającego pola magnetycznego). Na rys. 3. pokazano przykładowe wykresy zależność względnego wydłużenia od natężenia pola magnetycznego dla czterech typowych ferromagnetyków, wykazujących magnetostrykcję o różnym charakterze. Podkreślić należy, ze badano materiały polikrystaliczne i dla dużego zakresu zmian pola magnetycznego. Jak widać, żelazo wydłuża się dla niskich (względnie) natężeń pola a skraca dla silnych pól magnetycznych.. Nikiel i kobalt skracają się a permlloy tylko wydłuża. Takie różne charakterystyki wynikają z różnic we właściwościach magnetostrykcyjnych monokryształów tych materiałów i zmian w strukturze domen magnetycznych następującej podczas magnesowania. W przypadku typowych stali konstrukcyjnych, magnesowanych w polu o natężeniu rzędu kilku ka/m, magnetostrykcja wzrasta monotonicznie. Przykład takiej zależności dla zmiany natężenia pola H od wartości ujemnych do dodatnich pokazano na rys. 4. Można zauważyć, że materiał wydłuża się dla obu kierunków pola magnetycznego. Największa dynamika przyrostów magnetostrykcji występuje w zakresie natężenia pola, gdzie wykres ma przegięcia. Ta właściwość ma znaczenie przy ustalaniu optymalnych warunków generowania impulsów magnetostrykcyjnych. Należy materiał podmagnesować do poziomu, przy którym występuje efekt najszybszych zmian magnetostrykcji (maksimum dla dλ/ dh), 2

Rys. 3. Magnetostrykcja dla wybranych polikrystalicznych ferromagnetyków: permalloy, żelazo, kobalt i nikiel [ 2 ] Rys. 4. Wpływ magnetycznego pola stałego na magnetostrykcję stali 3. Bezkontaktowa detekcja impulsów dźwiękowych W opisywanej metodzie badań do detekcji drgań ścianki rury wykorzystuje się, jak wspomniano wyżej efekt Villariego. Rura jest namagnesowana wstępnie do pewnego poziomu (indukcja B o ) za pomocą stałego pola H o. Naprężenia rozciągające zwiększają to namagnesowanie a naprężenia ściskające zmniejszają. Dla przemiennych naprężeń o amplitudzie σ powstaną zmiany namagnesowania o amplitudzie B. Oscylacje indukcji magnetycznej można wykryć stosując cewkę detekcyjną nawiniętą na rurze. Napiecie, jakie się w niej indukuje jest, zgodnie z prawem Faraday a, proporcjonalne do szybkości zmian strumienia indukcji poprzez przekrój cewki. Praktycznie strumień ten koncentruje się wewnątrz ścianki rury. Wynika stąd relacja oszacowująca związek pomiędzy amplitudą U m napięcia a B: 3

Φ U m = = N S B 2π f, (3) t m gdzie N liczba zwojów cewki, S przekrój ścianki rury, f częstość zmian fali ultradźwiękowej 3. Właściwości propagacji fal akustycznych w rurach Fale dźwiękowe przemieszczające się w rurach przemieszczają się poprzez różne mody drgań (odkształceń). Mogą występować drgania podłużne (typu L), drgania typu zginania (F) a także drgania skrętne (T). Dla fal typu L i F charakterystyczne jest występowanie efektu dyspersji, to znaczy zależności prędkości danego typu fali od częstotliwości drań. Na rys. 5 pokazano wykresy zależności prędkości fal od częstotliwości drgań dla rury stalowej o średnicy Φ = 50 mm i grubości ścianki h = 4,5 mm. Rys. 5. Wykres dyspersyjny dla prędkości grupowych fal prowadzonych dla stalowej rury o średnicy 50 mm i grubości ścianki 4,5 mm (wynik obliczeń z pracy [3]. Mody fal przydatnych w pomiarach: L fale podłużne, T fale skrętne, F fale zginania. Widać, ze dla modu L(0.1) prędkość początkowo maleje, przechodzi przez minimum a następnie wzrasta. Położenie tego minimum a także charakter zmian zależy od geometrii rury. Mod T(0,1) nie wykazuje efektu dyspersji. Zmienna prędkości fal o różnych częstościach ma niekorzystny wpływ na propagację impulsów falowych. Impuls złożony z kilku oscylacji o częstotliwości f o charakteryzuje się pewnym widmem częstotliwości w przedziale ± f względem f o. Poszczególne składniki mające różne częstości poruszają się z różnym prędkościami a to skutkuje poszerzeniem paczki falowej (rozmyciem przestrzennym) wraz ze zwiększeniem przebytej drogi przez impuls. To pogarsza rozdzielczość metody przy lokalizacji wad szerokimi paczkami. 4

Literatura [ 1] Morrish A. H. Fizyczne podstawy magnetyzmu,, PWN, Warszawa 1970 [2] Bozorth R. M. Ferromagnetism, Van Nostrand Company Inc.. Princeton, 1961 [3] http://www.ndt.net/article/mendt2005/pdf/33.pdf 5