SE523321C2 - Sätt och anordning för avkänning och indikering av akustisk emission - Google Patents

Description

. u - ; nu 523 321 2 mätning med betydligt större känslighet och noggrannhet inom vidare områden än tidigare och dessutom mätning av tidigare svàrdetekterbara storheter möjliggörs.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en sensoranordning som har en så liten egenmassa att den storhet den har till uppgift att detektera ej kan påverkas därav. Ändamàlen ovan uppnås enligt uppfinningen genom att ett anordning bestående av att ett eller flera åtminstone omkring 20 pm tjocka amorfa eller nanokristallina bandelement med hög permeabilitet och relativt hög magnetostriktion appliceras på fritt upphängt vis (se fig 2) vid aktuell detalj, varvid bandelementen för uppnående av en önskvärd materialstruktur är behandlade med magnetisk värmebehandling, vilka bandelement åtminstone partiellt omges av mångvarviga spolar, varav antingen bandelementen eller spolarna eller bådadera försätts i ett magnetiserat grund- eller initialtillstånd, varvid sådana atomära rörelser, vilka uppkommer vid en godtycklig tillstàndsawikelse av ovannämnt slag överföres till bandelementet/-en och därvid antingen ger upphov till en tydligt mät- och detekterbar magnetisk flödesförändring (dB/dt) i respektive spole i proportion till sagda atomära rörelser, eller en likaledes mät- och detekterbar induktansförändring i respektive spole.

Kort beskrivning av ritningfigurer Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningsfigurer, där, Fig 1 visar en sensorför akustisk emission fotograferad på ett millimeterpapper, Fig 2 visar en principskiss över en sensor för att detektera akustisk emission, Fig 3 visar en tidssignal från de respektive givarna P1_1 (a. överst), P1_2 (b. mitten) och P1_3 (c. underst), Fig 4 visar frekvensspektra över utsignalerna vid avbrytning av glas för P1_1, P1_2 och P1_3 (a. överst, b. mitten respektive c. underst). 20 30 523 321 Detaljerad beskrivning Tillämpning som glaskrossensor Funktionsprincip Givaren består av ett amorft ferromagnetiskt material som har egenskapen att den kan ges extremt hög permeabilitet, 5000 legeringssammansättningar, har en relativt hög magnetostriktion, 5<7Lsat<4O ppm (där Asa, sålunda är en materialkonstant). Sammantaget så ger detta ett material med en mycket hög magnetc-elastisk koppling och lämpar sig därför utmärkt som sensormaterial.

Genom att använda ett band cza 3*10 mm som klipps ut ur ett ark amorft material med tjockleken 22 um och därefter limmas på ett godtyckligt material, så kan atomära rörelser i materialet detekteras. Det amorfa materialet kan ges olika egenskaper genom att klippa det med olika riktningar i förhållande till valsningsriktningen, här har använts längs och tvärs valsningsriktningen.

Materialparametrarna kan också ändras genom att värmebehandla materialet i magnetfält i temperaturer nära men under kristallisationstemperaturen. l fallet med glaskrossning och allmän akustisk emission så detekteras den magnetiska flödesförändringen genom att en mångvarvig spole lindas runt bandet, se Figur 1 och Figur 2.

Teori För att detektera högfrekventa signaler är det fördelaktigt och enkelt att bara detektera flödesförändringen i spolen och anta att den är proportionell mot storleken av den magnetiska flödesförändringen i det amorfa_bandet. Detta innebär att ett magnetiskt väldefinierat utgångstillstånd måste uppnås eftersom ett omagnetiserat band inte kan ge någon flödesförändring.

För att uppnå ett magnetiserat grundtillstànd så räcker i princip det jordmagnetiska fältet på 30-60 pT (20-40 Alm), däremot så är det opraktiskt att behöva ha koll på riktningen och storleken på det jordmagnetiska fältet när en givare skall monteras och kalibreras.

Det finns två sätt att uppnå ett bra i-nitialtillstànd: 20 523 321 o - o o u: u 4 Mjukmagnetisk kapsling och DC-ström genom pick-up spolen.

Mjukmagnetisk kapsling och Biasmagnetisering med pemlanentmagnet.

Storleken på fältet bör vara så att magnetiseringen blir O.2-0.7 T, vilket innebär att det magnetiserande fältet i bandet skall vara i storleksordningen 2-56 A/m.

Storleken på fältet kan överslagsmässigt räknas fram genom formeln B .UoUU H: där H är magnetiserande fält, B är magnetisk flödestäthet, permeabiliteten för fria rymden p0=4n-10'7 Vs/Am och den relativa permeabiliteten p för, i detta fallet, det amorfa bandet.

Mätsignalen fås genom att detektera flödesförändringen i bandet p.g.a. d_eg atomära rörelsen. För det linjära fallet så bör följande kopplade ekvation beskriva funktionen: AB=d-Aa'+p0-,u-AH Där o betecknar mekanisk spänning och d är den magneto-elastisk kopplingskoefficienten. Prefixet A betecknar förändring från ursprungsvärdet.

Materialparametern d kan approximeras genom att ta maximal magnetostriktion vid konstant mekanisk spänning, Ao=O, dividerat med magnetiserande fält vid magnetisk mättnad, d.v.s. eftersom 20 523 321 5 vilket med kmax=35-10'6 och Hmax=200 A/m ger kopplingsfaktorn d=1.75-10'7 m/A, ett mycket högt värde för all typ av magneto-elastisk koppling.

Den utsignal som kan förväntas är proportionell mot flödesförändringen och den mekaniska spänningen Umflv-A-Éå d: där N är antal varv i pick-up spolen och A är det amorfa bandets tvärsnittsarea.

Genom antagandet att AH=0 så gäller följande ekvationer: ACWA/t-E” AB=d-Ao' där E” är elasticitetsmodulen vid konstant magnetiserande fält. Övergång till frekvensplanet samt utnyttjande av ekvationerna ovan ger: Ûflv-A-w-d-Aí-E” där m är vinkelfrekvensen i rad/sek. Cirkumflexet anger att amplitudvärde avses.

Med antagandet att elasticitetsmodulen är i storleksordningen 100 GPa så bör töjningen l sensorn vid 100000 kHz vara i storleksordningen 0.0025 ppm för fallet P1_2, se Figur 3 och Figur4 mitten.

Mä tresultat initiala försök med sensorer fastlimmade pà en glasruta visar att vibrationer i frekvensområdet 40 kHz -1 MHz kan detekteras.

Följande jämförande test har utförts: 523 321 -' 6 Tabell 1. Beskrivning av givare Sensor Bandets Antal Kommentar Statisk obelastad orientering varv Permeabilitet[mHi P1_1 Tvärs 280 Tjock limfog 158 P1_2 Tvärs 280 60 P1_3 Längs 280 Tjock 32 piastinkapsling Testet har utförts genom att hörnet pà glasskivan har brutits av och utsignalen registrerats med cza 100 ggrförstärkning.

Claims (7)

20 523 321 PATENTKRAV

1. Sätt för avkänning och indikering av bestående tillståndsawikelser via detektering av temporära inre materialsvängningar, sk. akustisk emission, i realtid i detaljer av betydelse för hårdvarukonstruktion, inom befintlig produktionsutrustning, t ex. maskinutrustning, och/eller övervakning av sedan tidigare uppbyggd infrastruktur, k ä n n e t e c k n at av att ett eller flera åtminstone omkring 20um tjocka amorfa eller nanokristallina, magnetiskt värmebehandlade bandelement med hög permeabilitet och relativt hög magnetostriktion appliceras på fritt upphängt vis vid en aktuell detalj, vilka respektive bandelement åtminstone partiellt omges av mångvarviga spolar varav antingen bandelementen eller spolama eller bådadera försätts i ett magnetiserat grund- eller initialtillstånd, varvid sådana atomära rörelser (svängningar), som uppkommer vid en godtycklig sådan tillstàndsawikelse överföres till de respektive bandelementen, vilken avvikelse antingen ger upphov till en tydligt mät och detekterbar magnetisk flödesförändring (dB/dt) i respektive spole i proportion till sagda atomära rörelser, eller en likaledes mät- och detekterbar induktansförändring i respektive spole.

2. Anordning för avkänning och indikering av bestående tillståndsawikelser via detektering av temporära inre materialsvängningar, sk. akustisk emission, i realtid i detaljer av betydelse för hàrdvarukonstruktion, inom befintlig produktions- utrustning, t ex. maskinutrustning, och/eller övervakning av sedan tidigare uppbyggd infrastruktur, k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar ett eller flera åtminstone omkring 20um tjocka amorfa eller nanokristallina, magnetiskt värmebehandlade bandelement med hög permeabilitet och relativt hög magnetostriktion, vilket/vilka bandelement är fritt upphängda och omgivna av mångvarviga spolar varav antingen bandelementet eller spolen eller bådadera är försatta i ett magnetiserat grund- eller initialtillstånd, varvid sådana atomära rörelser (svängningar) vilka uppkommer vid en godtycklig sådan tillståndsawikelse, i samband med att de övergår till bandelementet/-en, antingen ger upphov till en tydligt mät och detekterbar magnetisk flödesförändring (dB/dt) i respektive spole i proportion till de atomära 20 a o ø u nu n 523 321 8 rörelserna, eller en likaledes mät- och detekterbar induktansförändring i respektive spole. _

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att bandelementet/-en med tillhörande spole/-ar är inneslutna i en elastiskt deformerbar epoxipolymer.

4. Anordning enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att bandelementet/-en och spolen/spolarna är limmade fast vid föremålet vars tillstàndsawikelser skall indikeras.

5. Anordning enligt något av kraven 2 till 4, k ä n n e t e c k n a d av att känsligheten hos densamma är olika beroende på detekteringsriktningens orientering i förhållande till bandelementets/-ens valsningsriktning, som en följd av riktningsberoende egenskaper hos materialet.

6. Anordning enligt något av kraven 2 till 5, kännetecknad av att bandelementen med tillhörande spolar är brygg- och förstärkarkopplade för att öka känslighet respektive detekterbarhet.

7. Anordning enligt något av kraven 2 till 6, kännetecknad av att den realiseras som glaskrossindikator.