Введение к работе
Актуальность темы. Неразрушающий контроль толщины немагнитных покрытий в настоящее время реализуют вихретоковыми методами с помощью накладных и проходных электромагнитных преобразователей неэлектрических величин в электрические. Принцип действия приборов контроля, реализующих эти методы основан на измерении параметров высокочастотного сигнала, значения амплитудно-фазовых характеристик которого изменяются в зависимости от электропроводности, магнитной проницаемости, геометрических размеров и формы изделий, а также от взаимного расположения преобразователя и объекта контроля. Результат преобразования определяется совокупным влиянием перечисленных факторов, поэтому для повышения достоверности измерений отдельных параметров необходимо применять дополнительные меры по нейтрализации или компенсации остальных параметров.
Для повышения достоверности контроль толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе целесообразно выполнять дифференциальными методами. Наиболее перспективным представляется метод резонансного двухчастотного контроля, согласно которому формируют высокочастотный сигнал, возбуждающий вихретоковый преобразователь, и определяют удельную электрическую проводимость верхнего слоя покрытия, а затем на низкой частоте выполняют измерение общей электропроводности покрытия, и судят о контролируемой толщине по результатам обработки амплитудно-фазовых характеристик сигналов.
Повышение достоверности и расширение диапазона измерений двухчастотных приборов контроля практически ограничиваются как методическими, так и инструментальными погрешностями. Данное положение обусловлено тем, что возбуждение вихретоковых преобразователей сигналами различной частоты приводит к резкому изменению амплитуды выходных колебаний преобразователя из-за влияния эквивалентной индуктивности обмоток преобразователей и вихретоковых потерь в контролируемом изделии. При этом нестабильностью электропроводности покрытия или основы, обусловленной разбросом их физико-геометрических параметров, определяется нижняя граница погрешности измерения толщины вихретоковыми методами. Однако наибольший вклад в ограничение достоверности контроля вносит инструментальная составляющая
погрешности, связанная с практическими трудностями измерения амплитуды и фазы высокочастотных сигналов малого уровня при наличии промышленных помех, которую можно уменьшить и скомпенсировать при использовании предлагаемого метода.
Актуальность темы исследований обусловлена необходимостью повышение качества выпускаемой продукции. Решение этой задачи невозможно без совершенствования параметров аппаратуры технологического контроля и в частности, улучшения характеристик вихретоковых толщиномеров применяемых на предприятиях, производящих изделия с защитными покрытиями и применяющих тонкопленочные технологии.
Целью диссертационной работы является разработка метода резонансного вихретокового преобразования, обеспечивающего повышение достоверности результатов и расширение диапазона измерения приборов контроля толщины покрытия за счет автоматической отстройки от влияния изменений удельной электропроводности и нестабильности параметров преобразователя.
К основным задачам исследований относятся:
разработка и исследование новых способов построения резонансных приборов контроля со стабилизацией амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя и компенсацией мешающих факторов;
теоретическое исследование резонансного двухчастотного метода контроля с учетом шумовых параметров сигнала;
оценка возможности применения аддитивной коррекции погрешности для повышения качества приборов контроля толщины покрытия;
- разработка структурных схем и анализ характеристик приборов с
резонансным преобразованием.
Методы исследований. При решении диссертационных задач использовались методы общей теории систем, теория вероятностей, теория автоматического управления, методы математического и схемотехнического моделирования на ПЭВМ, теория измерений, теория электромагнитного поля, теория устойчивости, теория погрешностей, теория функций комплексного переменного, методы аппроксимации характеристик и спектрального анализа сигналов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- предложен усовершенствованный вихретоковый метод, обеспечи
вающий повышение чувствительности и достоверности результатов из-
мерения толщины покрытий за счет применения резонансного режима работы первичных преобразователей;
- предложены способы контроля толщины покрытий, обеспечиваю
щие повышение точности измерения дифференциальных фазовых пара
метров за счет стабилизации амплитуды выходного сигнала внхретоково-
го преобразователя;
- разработана математическая модель измерения амплитудно-
фазовых параметров сигнала двухчастотным методом при наличии шу
мовых составляющих исследуемого сигнала;
- предложены и исследованы структуры построения и алгоритмы
работы резонансных приборов контроля толщины покрытия с автомати
ческой коррекцией погрешностей преобразования.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство: цифровой прибор и установка контроля толщины покрытия в технологическом цикле производства продукции. Разработаны и экспериментально исследованы принципиальные схемы высокостабильных и универсальных резонансных вихретоковых преобразователей, два решения которых защищены заявками на патенты РФ.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены на производственном объединении ОСПАЗ и АО "Протон" (г. Орел) и использованы при выполнении плановых НИР и в учебном процессе ВИПС. Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации.
Апробация и публикации результатов работы.
Основные результаты теоретических и экспериментальных диссертационных исследований были обсуждены и опубликованы в докладах на Всероссийской научной конференции "Проблемы создания и развития ИТКС специального назначения" (Орел, 1997 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Диагностика веществ, изделий и устройств" (Орел, 1999 г.), на межведомственной конференции "Проблемы научно-технического и информационного обеспечения" (Москва, 2000 г.), на Второй международной научно-технической конференции стран СНГ "Техника и технология связи" (Санкт-Петербург, 2000 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых изложено на 139 страни-
цах, содержит 20 рисунков, список литературы из 78 наименований. На защиту выносятся следующие положения:
-
Метод резонансного двухчастотного вихретокового преобразования, обеспечивающий повышение чувствительности и достоверности контроля толщины покрытия за счет измерения дифференциальных амплитудно-фазовых параметров с автокомпенсацией погрешностей;
-
Математическая модель процесса измерения толщины покрытия позволяющая реализовать алгоритмы обработки цифровых данных в двухчастотных приборах неразрушающего контроля при обеспечении минимизации погрешностей преобразования в случаях стационарной помехи и малых изменениях фазы сигнала с учетом шумовых составляющих;
-
Структурные схемы и алгоритмы преобразования измерительной информации в приборах контроля толщины покрытия.