Chương I, trình bày tổng quan về phương pháp dòng điện xoáy (nguyên lý cảm biến dòng xoáy, các loại cảm biến dòng xoáy, đưa ra mô hình mạch tương đương, khái niệm tổng trở chuẩn hóa, độ sâu xuyên thấu tiêu chuẩn, lift-off,…). Ngoài ra, lý thuyết về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW), nguyên lý hoạt động, phân loại của cảm biến SAW cũng được trình bày. Trên cơ sở đó định hình vấn đề nghiên cứu cụ thể thực hiện trong luận văn này. Giới thiệu phương pháp đo và kiểm tra không phá hủy sử dụng dòng điện xoáy Từ những năm 1950, phương pháp dòng xoáy đã được phát triển, ứng dụng trong việc kiểm tra vật liệu, đặc biệt là trong công nghiệp hàng không và hạt nhân [1].
Càng về sau, kỹ thuật dòng xoáy được nghiên cứu và phát triển mạnh hơn ứng dụng sâu rộng hơn trong đo và kiểm tra vật liệu. Đây là một phương pháp đo và kiểm tra không phá hủy vì nó không làm ảnh hưởng đến các đối tượng cần kiểm tra. Các ứng dụng phổ biến của kỹ thuật dòng xoáy là: - Kiểm tra khuyết tật trên bề mặt và bên trong vật liệu - Đo và kiểm tra chiều dày lớp vật liệu dẫn điện. - Đo chiều dày lớp phủ bề mặt không dẫn điện trên lớp vật liệu dẫn điện.
- Đo điện dẫn suất của vật liệu - Khảo sát sự già hóa của các linh kiện điện tử,… Nguyên lý hoạt động Dòng điện xoáy (hay còn gọi là dòng điện Fuco) là dòng điện khép kín sinh ra và tập trung chủ yếu trên bề mặt một vật dẫn điện khi ta đặt nó vào trong một từ trường biến thiên theo thời gian. Các kỹ thuật kiểm tra sử dụng dòng điện xoáy đều dựa trên 3 nguyên tắc này, tức là gây ra dòng xoáy trên đối tượng cần kiểm tra dưới tác dụng của một trường điện từ biến thiên. Từ trường kích thích thường được tạo ra nhờ sử dụng một cuộn dây mang dòng điện xoay chiều, đặt gần đối tượng kiểm tra. Dưới tác dụng của từ trường này, dòng điện xoáy được sinh ra trong vật liệu dẫn điện.
Các dòng xoáy lại sinh ra từ trường cảm ứng có xu hướng chống lại từ trường kích thích ban đầu theo định luật Lenz. Như vậy, từ thông xuyên qua lòng ống dây là tổng của cả từ thông kích thích và cảm ứng. Nó mang thông tin về hình dạng, kích thước cũng như tính chất vật lý của đối tượng kiểm tra. Về nguyên tắc, có thể đo trực tiếp từ trường này để thu được thông tin về đối tượng kiểm tra (Hình I-1).
Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, khi từ thông trong cuộn dây thay đổi sẽ sinh ra trong cuộn dây một suất điện động cảm ứng theo (1). 𝑑𝜙𝐵 𝜀=− (1) 𝑑𝑡 Như vậy, thay vì đo trực tiếp từ thông xuyên qua cảm biến, người ta có thể đo điện áp trên hai đầu cuộn dây hoặc tổng trở của cuộn dây, để qua đó phát hiện khuyết tật trên đối tượng kiểm tra, xác định chiều dày lớp vật liệu, xác định khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng đo, xác định sự thay đổi lý tính của đối tượng, …cùng nhiều thông tin hữu ích khác. Hình I-1: Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng xoáy [2] 4 Ưu và nhược điểm của phương pháp dòng xoáy (a) Ưu điểm - Tốc độ kiểm tra nhanh, tức thời. Phương pháp kiểm tra bằng dòng xoáy cho ra kết quả nhanh trong dây chuyển kiểm tra tự động các sản phẩm đầu ra như dây, thanh, ống hoặc trong dây chuyền sản xuất.
Kết quả kiểm tra bằng phương pháp dòng xoáy cho ra kết quả nhanh, tức thời trong khi các kỹ thuật khác như thẩm thấu chất lỏng, hoặc kiểm tra quang học yêu cầu thời gian nhiều hơn [1]. - Đối tượng được sử dụng là các vật liệu dẫn điện. - Là phương pháp đo không phá hủy nên không làm ảnh hưởng đến mẫu cần kiểm tra. - Nhạy với các khuyết tật - Dễ dàng thực hiện và giá thành thấp (b) Nhược điểm - Bề mặt kiểm tra đòi hỏi độ bằng phẳng cao (không có những mấp mô vì dễ gây sai số) - Chỉ áp dụng đối với vật liệu dẫn điện - Độ xuyên thấu hạn chế, phụ thuộc vào tần số kích thích.
Các loại cảm biến dòng xoáy Ta có thể phân loại cảm biến dòng xoáy thành 2 loại: Cảm biến chức năng kép và cảm biến chức năng riêng biệt: (a) Cảm biến chức năng kép Cảm biến chức năng kép là loại cảm biến có một phần tử đóng vai trò của cả phần tử phát và phần tử thu (Hình I-2). Đây là loại cảm biến được sử dụng nhiều trong các ứng dụng đo và kiểm tra bằng dòng xoáy. 5 Hình I-2: Nguyên lý của đầu dò cảm biến có chức năng kép [1] (b) Cảm biến chức năng riêng biệt Khác với đầu dò có chức năng kép, loại này có cấu tạo từ 2 cuộn dây (Hình I-3). Một cuộn dây có chức năng tạo ra từ trường bằng cách cho dòng điện hoặc điện áp xoay chiều chạy qua.
Cuộn dây còn lại có chức năng thu lại từ trường tổng (bao gồm từ trường do cuộn dây 1 và do dòng điện xoáy gây ra). Đối với cảm biến có chức năng kép, cần hạn chế liên hệ hỗ cảm trực tiếp giữa phần tử phát và phần tử thu, vì đây có thể coi là một nguồn nhiễu trong dữ liệu đo. Hình I-3: Đầu dò có cuộn dây thu, phát tách biệt. [1] Đường cong tổng trở chuẩn hóa Trở kháng của cuộn dây khi đặt ở ngoài không khí là Z0 được thể hiện ở công thức (2) 𝑍0 = 𝑅0 + 𝑗𝑋0 (2) trong đó, R0 và X0 lần lượt là điện trở, và cảm kháng của cuộn dây khi đặt ngoài không khí.
6 Khi đặt vật liệu cần kiểm tra gần cuộn dây mang dòng điện xoay chiều, dòng điện xoáy sẽ xuất hiện trên vật liệu. Chính dòng điện xoáy này sẽ tạo ra từ trường thứ cấp chống lại từ trường sinh ra bởi đầu đo. Khi đó, cuộn dây có trở kháng Zc được tính bằng công thức 𝑍𝑐 = 𝑅𝑐 + 𝑗𝑋𝑐 (3) Trong đó Rc và Xc lần lượt là điện trở và điện cảm của cuộn dây cảm biến khi đặt gần vật cần kiểm tra. Trở kháng của cuộn dây có thể được biểu diễn trên mặt phẳng phức với trục X thể hiện phần thực và trục Y thể hiện phần ảo.
Để loại bỏ ảnh hưởng của điện trở riêng R0 và tần số kích thích, trong kỹ thuật dòng xoáy người ta còn sử dụng rộng rãi khái niệm tổng trở chuẩn hóa được định nghĩa theo công thức (4) 𝑍𝑐 − 𝑅0 𝑍𝑐𝑛 = 𝑅𝑐𝑛 + 𝑗𝑋𝑐𝑛 = 𝑋0 (4) 𝑅𝑐 − 𝑅0 𝑋𝑐 𝑅𝑐𝑛 = ; 𝑋𝑐𝑛 = 𝑋0 𝑋0 Hình I-4 minh họa đường cong tổng trở chuẩn hóa của cuộn dây cảm biến dòng xoáy. Đường cong tổng trở chuẩn hóa khi tăng tần số kích thích có tọa độ điểm bắt đầu là (0,1) (tại tần số f=0). Hình I-4: Đồ thị đường cong tổng trở chuẩn hóa. 7 Mô hình tương tác giữa cảm biến dòng xoáy và vật liệu kiểm tra đơn khối [1] [3] Để khảo sát tương tác điện từ trường giữa cảm biến dòng xoáy với khối vật liệu cần kiểm tra nhóm của Placko hay nhóm Peng và cộng sự đã đề xuất mô hình mạch điện biến đổi tương đương.
Mạch điện bên phía sơ cấp đại diện cho cuộn dây cảm biến có trở kháng 𝑧𝑐 = 𝑉/𝐼. Trong phía sơ cấp, R0, L0 đại diện cho điện trở và trở kháng của cuộn dây. Mạch điện thứ cấp đại diện cho vật cần kiểm tra, trong đó, L2 (điện cảm thứ cấp) và Z2 (trở kháng) là đại diện cho tấm vật liệu cần kiểm tra. Cuối cùng hệ số k là hệ số cặp đôi, liên quan tới khoảng cách của cảm biến và vật liệu cần kiểm tra.
Hệ số k giảm khi khoảng cách giữa cảm biến và vật liệu cần kiểm tra tăng. Hình I-5: Mô hình chuyển đổi thể hiện tương tác của cuộn dây và vật cần kiểm tra [3] Xét tấm vật liệu được đặt dưới từ trường song song với trục Oz như Hình I-6. Hình I-6: Tấm vật liệu được kích thích bởi sóng điện từ trường phẳng [3] 8 ⃗ và vector điện trường 𝐸⃗ trên tấm vật liệu Giá trị phức của vector từ trường 𝐻 được xác định bởi công thức: ⃗ (𝑧) = 𝐻 (𝑧)𝑦 = (𝐻 + 𝑒 −𝛾𝑧 + 𝐻 − 𝑒 𝛾𝑧 )𝑦 𝐻 { (5) 𝐸⃗ (𝑧) = 𝐸 (𝑧)𝑦 = (𝐸 + 𝑒 −𝛾𝑧 + 𝐸 − 𝑒 𝛾𝑧 )𝑥 Trong đó 𝛾 là hằng số lan truyền trong tấm vật liệu và được xác định bởi công thức: 1+𝑗 𝛾= = √𝑗𝜔𝜎𝜇0 (6) 𝛿 Với 𝛿 là độ xuyên thấu chuẩn được giới thiệu ở phần I.6 xác định bởi công thức: 2 𝛿=√ 𝜇𝜔𝜎 Trở kháng sóng là tỉ số giữa điện trường và từ trường. Được xác định bởi công thức: 𝐸+ 𝐸− 1 + 𝑗 𝑗𝜔𝜇0 𝑍𝑝 = + = − − = =√ (7) 𝐻 𝐻 𝜎𝛿 𝜎 Trở kháng Z2 đặc trưng bởi tấm vật liệu được xác định bởi công thức: 𝐸(0) 1 + 𝜌(0) 𝑍2 = = 𝑍 (8) 𝐻(0) 1 − 𝜌(0) 𝑝 Với E(0) và H(0) là điện trường và từ trường tại bề mặt của tấm (khi z=0) và 𝜌(0) là hệ số phản xạ sóng điện từ tại bề mặt tấm vật liệu.
𝐸− 𝐻− 𝜌 (0) = + = − + (9) 𝐸 𝐻 Do không khí có trở kháng là vô cùng, nên nếu gọi t là chiều dày đối tượng cần kiểm tra thì ta có 𝜌(t)=1 do đó: 𝜌(0) = 𝜌(𝑡 )𝑒 −2𝛾𝑡 = 𝑒 −2𝛾𝑡 (10) 9 Thay (7), (10) vào (8) ta được: 𝑗𝜔𝜇0 1 + 𝜌(0) 𝑍𝑝 √ 𝜎 𝑍2 = 𝑍𝑝 = = (11) 1 − 𝜌(0) tanh(𝛾𝑡) tanh(𝑡√𝑗𝜔𝜎𝜇0 ) Áp dụng định luật Kirchhoff ta có: (𝑅0 + 𝑗𝜔𝐿0 )𝐼 + 𝑗𝜔𝑀𝐼2 = 𝑉 (12) { 𝑗𝜔𝑀𝐼 + (𝑗𝜔𝐿2 + 𝑍2 )𝐼2 = 0 Trong đó 𝜔 = 2𝜋𝑓, R0 và L0 là điện trở và điện cảm của cuộn dây sơ cấp khi không có vật kiểm tra ở gần cuộn dây. 𝑀 = 𝑘 √𝐿0 𝐿2 là hệ số hỗ cảm. Khi đó trở kháng của cuộn dây được tính bởi công thức 𝑉 𝑘 2 𝜔2 𝐿0 𝐿2 𝑍 = = 𝑅0 + 𝑗𝜔𝐿0 + (13) 𝐼 𝑗𝜔𝐿2 + 𝑍2 Tổng trở chuẩn hóa của cuộn dây được xác định bởi công thức: 𝑍 − 𝑅0 𝑘 2 𝐿2 𝜔 𝑘 2 𝐿2 𝜔𝜎 𝑍𝑛 = =𝑗+ =𝑗+ 𝑋0 𝑗𝜔𝐿2 + 𝑍2 𝑗𝜔𝐿 𝜎 + √𝑗𝜔𝜎𝜇0 (14) 2 tanh(𝑡√𝑗𝜔𝜎𝜇0 ) Từ công thức (14) ta dễ dàng mô phỏng và quan sát các hiện tượng xảy ra khi thay đổi các thông số mô phỏng như: thay đổi chiều dày tấm vật liệu (t), thay đổi khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng cần kiểm tra, thay đổi độ dẫn điện của tấm vật liệu.