RU2778621C1 - Eddy current converter for quality control of carbon fiber objects - Google Patents

Abstract

FIELD: quality control.

SUBSTANCE: invention relates to quality control of carbon fiber objects. The essence of the invention lies in the fact that an eddy current converter for quality control of carbon fiber objects contains three rectangular induction coils with turns, the planes of which are placed between two parallel planes and parallel to them, the upper and lower conductors of the coils are parallel to the working end of the converter, and the lateral ones are orthogonal to it, the first and second coils are placed behind each other and symmetrically relative to the first axis of symmetry orthogonal to the working end, the third coil is placed symmetrically relative to the first axis of symmetry and the second axis of symmetry passing between the first and second coils at an equal distance between them, while the first and second induction coils are made identical, connected in series and counter relative to the third induction coil and are designed to connect external terminals to the generator, and the third induction coil is designed to connect to measuring device.

EFFECT: increased sensitivity to angular displacement between the plane of the coils of its coils and the direction of carbon fibers.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для контроля качества углепластиковых объектов.The invention relates to non-destructive testing and can be used to control the quality of carbon fiber objects.

Углепластиковые объекты, как правило, содержат нескольких однонаправленных слоев из углеродных волокон, соединённых между собой компаундами на основе эпоксидной смолы. От слоя к слою направление углеродных волокон изменяется и составляет для различных типов углепластиков угол от 30° до 90°, что обеспечивает их прочность в различных направлениях.CFRP objects typically contain multiple unidirectional layers of carbon fibers bonded together with epoxy resin compounds. From layer to layer, the direction of carbon fibers changes and for different types of carbon fiber reinforced plastics the angle is from 30° to 90°, which ensures their strength in different directions.

При вихретоковом контроле углепластиковых объектов используется возможность раздельного получения информации о параметрах их слоев, ориентированных в общем направлении. Для получения информации, преимущественно об углеродных нитях заданного направления применяются вихретоковые преобразователи (ВТП) с прямоугольными возбуждающими катушками индуктивности, плоскость витков которых ортогональна рабочему торцу преобразователя. В таких преобразователях наблюдаются локальные экстремумы при соответствующей угловой ориентации катушек преобразователя. In eddy current testing of carbon fiber objects, the possibility of separately obtaining information about the parameters of their layers oriented in a common direction is used. To obtain information, mainly about carbon filaments of a given direction, eddy current transducers (ECT) are used with rectangular exciting inductors, the plane of the turns of which is orthogonal to the working end of the transducer. In such transducers, local extrema are observed for the corresponding angular orientation of the transducer coils.

С помощью подобных ВТП выявляют, например, дефектные участки с отклонением углеродных волокон от заданного направления [Mizukami K, Mizutani Y, Kimura K, Sato A, Todoroki A, Suzuki Y. Detection of in-plane fiber waviness in cross-ply CFRP laminates using layer selectable eddy current method // Composites: Part A: Applied Science and Manufacturing. - March 2016. - Volume 82. - p. 108–18.], а также наиболее опасные дефекты сплошности типа расслоения [Шкатов П.Н., Дидин Г.А. Способ вихретокового контроля качества углепластиковых объектов / Патент РФ № 2733942, МПК G01N 27/90 - заявл. 18.07.2019. - опубл. 06.08.2020, БИ № 22]. With the help of such ECPs, for example, defective areas with deviation of carbon fibers from a given direction are detected [Mizukami K, Mizutani Y, Kimura K, Sato A, Todoroki A, Suzuki Y. Detection of in-plane fiber waviness in cross-ply CFRP laminates using layer selectable eddy current method // Composites: Part A: Applied Science and Manufacturing. - March 2016. - Volume 82. - p. 108–18.], as well as the most dangerous defects of continuity such as delamination [Shkatov P.N., Didin G.A. The method of eddy current quality control of carbon fiber objects / RF Patent No. 2733942, IPC G01N 27/90 - Appl. 07/18/2019. - publ. 08/06/2020, BI No. 22].

Известен вихретоковый преобразователь [Сясько В.А., Чертов Д.Н. Выявление расслоений углепластиковых материалов с использованием тангенциальных вихретоковых преобразователей // В мире неразрушающего контроля.– №2(56).– 2012.–С. 19-21], содержащий возбуждающую и вложенную в неё измерительную прямоугольные катушки индуктивности, с витками, ортогональными рабочему торцу преобразователя и проводниками одной из сторон обеих катушек, прилегающих к рабочему торцу. Известный вихретоковый преобразователь содержит также вторую возбуждающую катушку, соединенную последовательно с первой, и компенсационную катушку, соединенную последовательно с измерительной. Вторая возбуждающая и компенсационная катушки идентичные первой возбуждающей и измерительной катушке, соответственно, и имеют между собой такую же электромагнитную связь, как первая возбуждающая катушка и измерительная. Вторая возбуждающая и компенсационная катушки, размещены в зоне, исключающей их электромагнитное взаимодействие с контролируемым объектом, а также с первой возбуждающей и измерительной катушками. Known eddy current transducer [Syasko V.A., Chertov D.N. Detection of delaminations of carbon fiber materials using tangential eddy current transducers // In the world of non-destructive testing.– No. 2(56). 19-21], containing excitatory and measuring rectangular inductance coils embedded in it, with turns orthogonal to the working end of the converter and conductors of one of the sides of both coils adjacent to the working end. Known eddy current transducer also contains a second excitation coil connected in series with the first, and a compensation coil connected in series with the measurement. The second excitation and compensation coils are identical to the first excitation and measuring coils, respectively, and have the same electromagnetic connection between them as the first excitation coil and the measuring coil. The second excitation and compensation coils are placed in a zone that excludes their electromagnetic interaction with the controlled object, as well as with the first excitation and measuring coils.

Недостаток известного преобразователя состоит в том, что его чувствительность к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон ниже потенциально достижимой. The disadvantage of the known transducer is that its sensitivity to the angular displacement between the plane of the turns of its coils and the direction of the carbon fibers is lower than potentially achievable.

Это связано с недостаточным ослаблением вихретокового сигнала при увеличении угла α между плоскостью витков катушек преобразователя и направлением волокон в соответствующих слоях за счет магнитного поля токов в пассивных (более удаленных от рабочего торца) проводниках возбуждающей катушки. Вихревые токи в углепластиковых волокнах индуцируются магнитными полями токов активных (находящихся со стороны рабочего торца и пассивных проводниках. Индуцируемые под влиянием токов в активных и пассивных проводниках вихревые токи направлены навстречу друг другу, поэтому ток в пассивных проводниках ослабляет вихревые токи. Относительная величина этого ослабления наименьшая при α = 0 и увеличивается с ростом α. Это связано с тем, что взаимная индуктивность проводников, перпендикулярных общей прямой, при увеличении α в меньшей степени зависит от расстояния между точками их пересечения с общей прямой [Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. – Энергия. - 1970, С. 96–102.]. Таким образом с увеличением α степень относительного влияния токов в пассивных проводниках возрастает, благодаря чему с повышением степени этого влияния вихретоковый сигнал с ростом α затухает быстрее.This is due to the insufficient attenuation of the eddy current signal with an increase in the angle α between the plane of the turns of the converter coils and the direction of the fibers in the corresponding layers due to the magnetic field of the currents in the passive (more remote from the working end) conductors of the exciting coil. Eddy currents in carbon fibers are induced by magnetic fields of active currents (located on the side of the working end and passive conductors. Eddy currents induced under the influence of currents in active and passive conductors are directed towards each other, therefore, the current in passive conductors weakens eddy currents. The relative value of this attenuation is the smallest at α = 0 and increases with increasing α. This is due to the fact that the mutual inductance of conductors perpendicular to the common line, with increasing α, to a lesser extent depends on the distance between the points of their intersection with the common line [Kalantarov P.L., Zeitlin L. Thus, with an increase in α, the degree of relative influence of currents in passive conductors increases, due to which, with an increase in the degree of this influence, the eddy current signal decays faster with increasing α.

Наиболее близок к предложенному по технической сущности вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов, содержащий первую и вторую прямоугольные возбуждающие катушки индуктивности и вложенную в первую возбуждающую катушку прямоугольную измерительную катушку индуктивности, плоскости витков измерительной катушки и первой возбуждающей катушки ортогональны рабочему торцу преобразователя, активные стороны первой возбуждающей и измерительной катушек параллельны друг другу и прилегают к рабочему торцу, а противолежащие им пассивные стороны этих катушек удалены друг от друга, вторая возбуждающая катушка размещена между пассивными сторонами измерительной катушки и второй возбуждающей катушки с зазором относительно пассивной стороны измерительной катушки, равным зазору между активными сторонами первой возбуждающей и измерительной катушек [Шкатов П.Н., Дидин Г.А. Вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов / Патент РФ № 2733942. - МПК G01N 27/90. - Заявлен 24.07.2019. - Опубл. 08.10.2020 БИ № 28.].The closest to the proposed technical essence is an eddy current transducer for quality control of carbon fiber objects, containing the first and second rectangular exciting inductance coils and a rectangular measuring inductance coil embedded in the first exciting coil, the plane of the turns of the measuring coil and the first exciting coil are orthogonal to the working end of the converter, the active sides of the first the exciting and measuring coils are parallel to each other and adjacent to the working end, and the passive sides of these coils opposite to them are removed from each other, the second exciting coil is placed between the passive sides of the measuring coil and the second exciting coil with a gap relative to the passive side of the measuring coil, equal to the gap between the active sides of the first exciting and measuring coils [Shkatov P.N., Didin G.A. Eddy current transducer for quality control of carbon fiber objects / RF Patent No. 2733942. - IPC G01N 27/90. - Declared 07/24/2019. - Published. 10/08/2020 BI No. 28.].

В известном вихретоковом преобразователе по обоим активным проводникам возбуждающих катушек протекают токи одинакового направления. Это обеспечивает увеличение глубины контроля, так как возбуждаемые обоими активными проводниками вихревые токи имеют одинаковое направление. При этом создаваемые активными проводниками через витки измерительной катушки магнитные потоки направлены встречно. Это позволяет сбалансировать преобразователь путем регулировки соотношения токов в активных проводниках. In a known eddy current converter, currents of the same direction flow through both active conductors of the exciting coils. This provides an increase in the depth of control, since the eddy currents excited by both active conductors have the same direction. In this case, the magnetic fluxes created by active conductors through the turns of the measuring coil are directed oppositely. This allows you to balance the converter by adjusting the ratio of currents in the active conductors.

Недостаток известного преобразователя состоит в том, что его чувствительность к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон ниже потенциально достижимой. Это происходит по тем же причинам, которые были указаны выше. Кроме того, для балансировки известного преобразователя необходимо регулировать соотношение токов в его возбуждающих катушках, что приводит к усложнению приборной реализации.The disadvantage of the known transducer is that its sensitivity to the angular displacement between the plane of the turns of its coils and the direction of the carbon fibers is lower than potentially achievable. This happens for the same reasons as mentioned above. In addition, in order to balance the known converter, it is necessary to regulate the ratio of currents in its exciting coils, which leads to a complication of instrumental implementation.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении чувствительности к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон в объекте контроля. The technical result of the present invention is to increase the sensitivity to the angular displacement between the plane of the turns of its coils and the direction of the carbon fibers in the test object.

Указанный технический результат в вихретоковом преобразователе для контроля качества углепластиковых объектов, содержащем три прямоугольные катушки индуктивности с витками, плоскости которых размещены между двумя параллельными плоскостями и параллельны им, верхние и нижние проводники витков катушек параллельны рабочему торцу преобразователя, а боковые - ортогональны к нему, первая и вторая катушки размещены друг за другом и симметрично относительно первой оси симметрии, ортогональной к рабочему торцу, третья катушка размещена симметрично относительно первой оси симметрии и второй оси симметрии, проходящей между первой и второй катушками на равном расстоянии между ними, достигается благодаря тому, что первая и вторая катушки индуктивности выполнены идентичными, соединены последовательно и встречно относительно третьей катушки индуктивности и предназначены для подключения внешними выводами к генератору, а третья катушка индуктивности - для подключения к измерительному устройству.The specified technical result in an eddy current transducer for quality control of carbon fiber objects, containing three rectangular inductors with turns, the planes of which are located between two parallel planes and parallel to them, the upper and lower conductors of the coil turns are parallel to the working end of the transducer, and the side conductors are orthogonal to it, the first and the second coil is placed one after the other and symmetrically about the first axis of symmetry, orthogonal to the working end, the third coil is placed symmetrically about the first axis of symmetry and the second axis of symmetry, passing between the first and second coils at an equal distance between them, is achieved due to the fact that the first and the second inductor is made identical, connected in series and opposite to the third inductor and is intended for connection with external leads to the generator, and the third inductor is for connection to the measuring device.

Рекомендуется размеры витков его катушек выбирать из соотношенийIt is recommended that the dimensions of the turns of its coils be chosen from the ratios

L ₁= L ₂ = L, L ₁ \ u003d L ₂ \ u003d L ,

L >L ₃+2d, L >L ₃+2d,

где L ₁, L _2, и L ₃ – средняя длина верхних и нижних проводников первой, второй и третьей катушек, соответственно, d – средняя длина боковых проводников первой и второй катушек.whereL _one,L _2,andL ₃ – medium the length of the upper and lower conductors of the first, second and third coils, respectively,d - the average length of the side conductors of the first and second coils.

На фиг. 1 схематично показан заявляемый вихретоковый преобразователь (ВТП), размещенный над объектом контроля (ОК) из углепластикового материала, на фиг. 2 показаны зависимости вихретокового сигнала заявляемого ВТП от угла α между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон в ОК, на фиг. 3 для сравнения приведены аналогичные зависимости для известного ВТП. На фиг. 2, 3 приведены нормированные значения амплитуды U ^* _вн вихретокового сигнала. Нормировка выполнялась по начальному напряжению U ₀ при действии только одной из возбуждающих катушек. Отметим, что при совместном действии обеих возбуждающих катушек ВТП сбалансирован. In FIG. 1 schematically shows the inventive eddy current transducer (ECT), placed above the object of control (OK) made of carbon fiber material, in Fig. 2 shows the dependence of the eddy current signal of the proposed ECT on the angle α between the plane of the turns of its coils and the direction of the carbon fibers in the OK, in Fig. Figure 3 shows similar dependences for the known ECP for comparison. In FIG. Figures 2 and 3 show the normalized values of the amplitude U ^* _ext of the eddy current signal. The normalization was performed by the initial voltage U ₀ under the action of only one of the exciting coils. Note that when both excitation coils act together, the ECP is balanced.

Заявляемый ВТП для контроля качества углепластиковых объектов содержит идентичные прямоугольные возбуждающие катушки 1, 2 индуктивности и прямоугольную измерительную катушку 3 индуктивности. Плоскости витков катушек 1 - 3 размещены между двумя параллельными плоскостями и параллельны им. Верхние и нижние проводники витков катушек параллельны рабочему торцу ВТП, предназначенному для размещения над поверхностью объекта контроля 4. Боковые проводники витков катушек 1-3 ортогональны к рабочему торцу ВТП, возбуждающие катушки 1 и 2 размещены друг над другом и симметрично относительно первой оси симметрии NN', ортогональной к рабочему торцу. Измерительная катушка 3 размещена симметрично относительно первой оси симметрии NN' и второй оси симметрии ОО', проходящей между возбуждающими катушками 1 и 2 на равном расстоянии между ними. The proposed ECP for quality control of carbon fiber objects contains identical rectangular excitation coils 1, 2 inductance and a rectangular measuring coil 3 inductance. The plane of the turns of the coils 1 - 3 are placed between two parallel planes and are parallel to them. The upper and lower conductors of the turns of the coils are parallel to the working end of the ECT, designed to be placed above the surface of the test object 4. The side conductors of the turns of the coils 1-3 are orthogonal to the working end of the ECT, the exciting coils 1 and 2 are placed one above the other and symmetrically about the first axis of symmetry NN' , orthogonal to the working end. Measuring coil 3 is placed symmetrically about the first axis of symmetry NN' and the second axis of symmetry OO' passing between the exciting coils 1 and 2 at an equal distance between them.

Возбуждающие катушки 1, 2 соединены последовательно и встречно относительно измерительной катушки 3 и предназначены для подключения внешними выводами к генератору, а катушка 3 индуктивности - для подключения к измерительному устройству. На фиг. 1 также показан ОК 4 и указаны направления токов I ₁ и I ₂ по проводникам последовательно соединенных возбуждающих катушек 1 и 2.Exciting coils 1, 2 are connected in series and opposite to the measuring coil 3 and are intended for connection with external leads to the generator, and the inductance coil 3 is for connection to the measuring device. In FIG. 1 also shows OK 4 and indicates the directions of currents I ₁ and I ₂ through the conductors of series-connected excitation coils 1 and 2.

Рекомендуется размеры витков катушек 1-3 выбирать из соотношенийIt is recommended to choose the sizes of turns of coils 1-3 from the ratios

L ₁= L ₂ = L, L ₁ \ u003d L ₂ \ u003d L ,

L >L ₃+2d, L >L ₃+2d,

где L ₁, L _2, и L ₃ – средняя длина верхних и нижних проводников первой, второй и третьей катушек, соответственно, d - средняя длина боковых проводников первой и второй катушек.whereL _one,L _2,andL ₃ - average the length of the upper and lower conductors of the first, second and third coils, respectively,d - the average length of the side conductors of the first and second coils.

Заявляемый вихретоковый преобразователь работает следующим образом. The inventive eddy current transducer operates as follows.

ВТП подключают внешними выводами последовательно соединенных катушек 1,2 к генератору переменного напряжения (не показан), а измерительную катушку 3 к измерительному устройству, например, осциллографу. При идентичности катушек 1,2 и их симметричном положении относительно измерительной катушки 3 автоматически выполняется балансировка ВТП. Как показывает практика, приемлемый уровень балансировки достигается при изготовлении катушек 1-3 по технологии печатных плат. После подключения катушек 1-3, устанавливают рабочий торец ВТП на поверхность ОК 4 при ортогональном положении плоскости витков катушек 1-3 и поверхности ОК 4. На внешних зажимах катушки 3 создается напряжение U _вн, возникающее под влиянием индуцированных катушками 1 и 2 в углеродных волокнах ОК 4 вихревых токов. Задача, решаемая заявляемым преобразователем – получение информации от группы слоев с волокнами одного направления в многослойных объектах или регистрация отклонения направления волокон в объектах с волокнами одного направления. В обоих случаях эффективность контроля возрастает с повышением чувствительности ВТП к угловому смещению направления углеродных волокон. Для наглядности, рассмотрим работу ВТП при его электромагнитном взаимодействии с ОК 4, состоящим из углеродных волокон одного направления. При наличии нескольких слоев полученные закономерности будут наблюдаться для каждого слоя. Максимальная величина регистрируемого вихретокового сигнала будет наблюдаться при совмещении плоскости витков катушек 1-3 с направлением волокон в ОК 4. Путем вращения ВТП относительно оси NN' изменяют угол α между направлением волокон в ОК 4 и плоскостью витков катушек 1-3 и наблюдают по измерительному прибору (не показан) изменение U _вн. Ориентация плоскости витков ВТП при максимуме U ^* _вн = U ^* _вн,max будет соответствовать условию α = 0. При полученной угловой ориентации ВТП проводят сканирование поверхности ОК 4 и по отклонению U ^* _вн от U ^* _вн,max определяют наличие углового смещения волокон. Величина этого смещения может быть определена по разности U _вн,max – U _вн с помощью предварительно полученных зависимостей U _вн = U _вн(α).The VTP is connected by external leads of series-connected coils 1,2 to an alternating voltage generator (not shown), and the measuring coil 3 to a measuring device, for example, an oscilloscope. When the coils 1,2 are identical and their position is symmetrical relative to the measuring coil 3, the ECP is automatically balanced. As practice shows, an acceptable level of balancing is achieved in the manufacture of coils 1-3 using printed circuit board technology. After connecting coils 1-3, install the working end of the ECP on the surface of OK 4 with the orthogonal position of the plane of the turns of coils 1-3 and the surface of OK 4. A voltage is created on the external clamps of the coil 3 U _ext arising under the influence of coils 1 and 2 induced in carbon fibers OK 4 eddy currents. The task solved by the claimed converter is to obtain information from a group of layers with fibers of the same direction in multilayer objects or to register the deviation of the direction of the fibers in objects with fibers of the same direction. In both cases, the control efficiency increases with an increase in the ECP sensitivity to the angular displacement of the direction of carbon fibers. For clarity, let's consider the work of the ECP during its electromagnetic interaction with OK 4, consisting of carbon fibers of one direction. If there are several layers, the patterns obtained will be observed for each layer. The maximum value of the recorded eddy current signal will be observed when the plane of the turns of coils 1-3 is aligned with the direction of the fibers in OK 4. By rotating the ECP about the axis NN', the angle α between the direction of the fibers in OK 4 and the plane of the turns of coils 1-3 is changed and observed by the measuring device (not shown) change U _ext . The orientation of the plane of the turns of the ECT at the maximum U ^* _ext = U ^* _ext,max will correspond to the condition α = 0. With the obtained angular orientation of the ECT, the surface of OK 4 is scanned and the deviation of U ^* _ext from U ^* _ext,max determines the presence of angular displacement of the fibers. The value of this shift can be determined by the difference U _ext,max - U _ext using previously obtained dependencies U _ext = U _ext (α).

Точность определения углового смещения возрастает с увеличением крутизны зависимости U ^* _вн = U ^* _вн (α) в диапазоне возможного изменения α. На фиг. 2 и фиг. 3 приведены зависимости U ^* _вн = U ^* _вн (α) для заявляемого ВТП и прототипа, соответственно. В обоих случаях измерительные катушки ВТП имели одинаковые размеры, а именно, длину L = 40 мм и высоту 20 мм. Из представленных зависимостей видно, что при изменении угла α в заявляемом ВТП вихретоковый сигнал изменяется от максимального значения до минимального при изменении угла до 15° по закону, близкому к линейному. В прототипе и других известных ВТП с прямоугольными катушками изменение U ^* _вн происходит по закону, близкому к гармоническому, а минимальное значение достигается при α = 90°. Таким образом, в заявляемом ВТП крутизна зависимости U ^* _вн = U ^* _вн (α) при α<15° значительно выше. Отметим, что при α=0 крутизна характеристики U ^* _вн (α) известных ВТП вообще равна 0, так она определяется первой производной d U ^* _вн /dα. Вместе с тем наибольшая крутизна зависимости U ^* _вн = U ^* _вн (α) важна именно при значениях α близких к 0.The accuracy of determining the angular displacement increases with the steepness of the dependenceU ^* _ext =U ^* _ext (α) in the range of possible change in α. In FIG. 2 and FIG. 3 shows dependenciesU ^* _ext =U ^* _ext (α) for the claimed VTP and prototype, respectively. In both cases, the ECT measuring coils had the same dimensions, namely, the lengthL = 40 mm and height 20 mm. From the presented dependences it can be seen that when the angle α in the claimed ECP eddy current signal changes from the maximum value to the minimum when the angle changes up to 15° according to a law close to linear. In the prototype and other well-known ECT with rectangular coils, the changeU ^* _ext occurs according to a law close to harmonic, and the minimum value is reached at α = 90°. Thus, in the claimed ECP, the steepness of the dependenceU ^* _ext =U ^* _ext (α) at α<15° significantly higher. Note that for α=0 the steepness of the characteristicU ^* _ext (α) known ECP is generally equal to 0, so it is determined by the first derivatived U ^* _ext /da. However, the steepest dependenceU ^* _ext =U ^* _ext (α) is important precisely for values of α close to 0.

Отличие зависимости U ^* _вн = U ^* _вн (α) для заявляемого ВТП по сравнению с соответствующей зависимостью для прототипа объясняется другим пространственным положением и направлением токов в проводниках возбуждающих катушек 1 и 2, взаимодействующих с объектом контроля. В заявляемом ВТП токи I ₁ и I ₂ по проводникам 1.2 и 2.1 имеют одинаковое направление, противоположное направлению тока I ₁ в проводнике 1.1 катушки 1. Благодаря этому они стремятся создать вихревой ток противоположного, создаваемому током I ₁ в проводнике 1.1, направлению. По мере увеличения угла α магнитная связь углеродных под рабочим торцом ВТП с проводниками 1.2 и 2.1 убывает медленнее, чем с проводниками 1.1. Отметим, что проводники 1.2 и 2.1 расположены на расстоянии близком к половине высоты катушки 3, а их суммарные ампер-витки вдвое превосходят ампер-витки проводников 1.1. Это определяет их преобладающее электромагнитное влияние, начиная со значения α = 15° после которого вихревые токи изменяют своё направление на противоположное. Это и определяет большую крутизну изменения вихретокового сигнала при отклонении угла α от нулевого значения. На фиг. 2 это проявляется как рост амплитуды U _вн при α > 15°. При этом квадратурные составляющие Re(

) и Im(

) комплекса

меняют знак на противоположный. Значения угла α_г при котором достигается минимум U ^* _вн зависит от отношения длины L ₃ измерительной катушки и высоты d возбуждающих катушек. В рассмотренном примере соотношение равно L ₃/d = 4 и при его уменьшении величина α_г будет уменьшаться.The difference between the dependence U ^* _ext = U ^* _ext (α) for the claimed ECP compared with the corresponding dependence for the prototype is explained by a different spatial position and direction of currents in the conductors of the exciting coils 1 and 2 interacting with the object of control. In the claimed ECT, currents I ₁ and I ₂ through conductors 1.2 and 2.1 have the same direction, opposite to the direction of current I ₁ in conductor 1.1 of coil 1. Because of this, they tend to create an eddy current of the opposite direction created by current I ₁ in conductor 1.1. As the angle α increases, the magnetic bond of the carbon under the working end of the ECP with conductors 1.2 and 2.1 decreases more slowly than with conductors 1.1. Note that the conductors 1.2 and 2.1 are located at a distance close to half the height of the coil 3, and their total ampere-turns are twice the ampere-turns of the conductors 1.1. This determines their predominant electromagnetic influence, starting from the value α = 15° after which the eddy currents change their direction to the opposite. This determines the steepness of the change in the eddy current signal when the angle α deviates from zero. In FIG. 2, this manifests itself as an increase in the amplitude U _ext at α > 15°. In this case, the quadrature components Re(

) and Im(

) complex

change sign to the opposite. The value of the angle α _g at which the minimum U ^* _ext is achieved depends on the ratio of the length L _{3 of} the measuring coil and the height d of the exciting coils. In the considered example, the ratio is equal to L ₃ / d = 4, and as it decreases, the value of α _g will decrease.

Следует отметить, что за счет ослабления вихревых токов, создаваемых током в проводниках 1.1 абсолютная величина U ^* _вн уменьшается, что не имеет принципиального значения, так как требуемый уровень сигнала достигается увеличением возбуждающего тока или коэффициентом усиления измерительного устройства. It should be noted that due to the weakening of the eddy currents created by the current in the conductors 1.1, the absolute value of U ^* _ext decreases, which is of no fundamental importance, since the required signal level is achieved by increasing the exciting current or by the amplification factor of the measuring device.

Абсолютная чувствительность заявляемого ВТП в определенной степени увеличивается при выборе длин L ₁= L ₂ = L его возбуждающих катушек 1 и 2 превышающих длину L ₃ измерительной катушки 3. Это объясняется тем, что вихревые токи, создаваемые прямоугольными катушками, имеют направление параллельное ее проводникам 1.1, 1.2, 2.1 и 2.2 на меньшем, чем ширина L катушек 1, 2 участке. Затем вихревые токи отклоняются, оставаясь в плоскости, перпендикулярной к плоскости возбуждающих катушек 1,2 и образуют замкнутые контуры. Для увеличения прямолинейной части контура вихревых токов на всю длину измерительной катушки 3 должно выполняться соотношениеThe absolute sensitivity of the proposed ECP to a certain extent increases when choosing the lengths L ₁ = L ₂ = L of its excitation coils 1 and 2 exceeding the length L _{3 of} the measuring coil 3. This is due to the fact that the eddy currents generated by rectangular coils have a direction parallel to its conductors 1.1 , 1.2, 2.1 and 2.2 on a section smaller than the width L of the coils 1, 2. Then the eddy currents are deflected, remaining in a plane perpendicular to the plane of the excitation coils 1,2 and form closed circuits. To increase the rectilinear part of the eddy current circuit over the entire length of the measuring coil 3, the relation

L >L ₃+2d, L >L ₃+2d,

где L= L ₁ = L ₂, L ₁, L _2, и L ₃ – средняя длина верхних и нижних проводников катушек 1,2 и 3, соответственно, d - средняя длина боковых проводников (высота) катушек 1 и 2.whereL=L _one=L ₂,L _one,L _2,andL ₃ – medium the length of the upper and lower conductors of coils 1,2 and 3, respectively,d - average length of side conductors (height) of coils 1 and 2.

По сравнению с прототипом заявляемый вихретоковый преобразователь обеспечивает более высокую чувствительность к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон. Compared with the prototype, the inventive eddy current transducer provides a higher sensitivity to angular displacement between the plane of the turns of its coils and the direction of the carbon fibers.

Таким образом заявляемый вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов, по сравнению с прототипом, обладает техническими преимуществами, связанными с большей чувствительностью к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон.Thus, the claimed eddy current transducer for quality control of carbon fiber objects, in comparison with the prototype, has technical advantages associated with greater sensitivity to angular displacement between the plane of the turns of its coils and the direction of the carbon fibers.

Данная разработка выполнена с использованием оборудования ЦКП РТУ МИРЭА.This development was carried out using the equipment of the Center for Collective Use of the RTU MIREA.

Claims (4)

1. Вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов, содержащий три прямоугольные катушки индуктивности с витками, плоскости которых размещены между двумя параллельными плоскостями и параллельны им, верхние и нижние проводники витков катушек параллельны рабочему торцу преобразователя, а боковые - ортогональны к нему, первая и вторая катушки размещены друг за другом и симметрично относительно первой оси симметрии, ортогональной к рабочему торцу, третья катушка размещена симметрично относительно первой оси симметрии и второй оси симметрии, проходящей между первой и второй катушками на равном расстоянии между ними, отличающийся тем, что первая и вторая катушки индуктивности выполнены идентичными, соединены последовательно и встречно относительно третьей катушки индуктивности и предназначены для подключения внешними выводами к генератору, а третья катушка индуктивности - для подключения к измерительному устройству.1. An eddy current transducer for quality control of carbon fiber objects, containing three rectangular inductors with turns, the planes of which are located between two parallel planes and parallel to them, the upper and lower conductors of the coil turns are parallel to the working end of the transducer, and the side conductors are orthogonal to it, the first and second the coils are placed one after the other and symmetrically about the first axis of symmetry, orthogonal to the working end, the third coil is placed symmetrically about the first axis of symmetry and the second axis of symmetry, passing between the first and second coils at an equal distance between them, characterized in that the first and second coils the inductances are made identical, connected in series and opposite to the third inductor and are intended for connection with external leads to the generator, and the third inductor is for connection to the measuring device. 2. Вихретоковый преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что размеры витков его катушек выбираются из соотношений2. An eddy current transducer according to claim 1, characterized in that the dimensions of the turns of its coils are selected from the ratios L >L ₃+2d, L >L ₃+2d, где L= L₁ = L₂, L₁, L_2, и L₃ – средняя длина верхних и нижних проводников первой, второй и третьей катушек, соответственно, d - средняя длина боковых проводников первой и второй катушек.where L=L_one= L₂, L_one, L_2,and L₃ – medium the length of the upper and lower conductors of the first, second and third coils, respectively, d is the average length of the side conductors of the first and second coils.

Images