Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
MAGNETIC FIELD CAMERA ZOBRAZOVAý MAGNETICKÉHO POLE Libor KELLER TSI System s.r.o.
[email protected]
Abstract The Magnetic Field Camera MagCam contains a patented sensor chip with an integrated two-dimensional array of Hall magnetic field sensors. Each sensor independently measures the local magnetic field, resulting in a quantitative 3D magnetic field map with high spatial resolution, measured at high speed. The fully digital and compact measurement system simply connects to the computer via a single USB cable. The MagCam maps are analyzed in real time by the MagScope measurement & analysis software. The MagCam system opens up a new dimension in R&D and quality control for magnet producers and suppliers, sensor manufacturers, motor and generator constructors and NDT labs. Key words: magnetic field, Hall sensor, field map, quality control.
Abstrakt Zobrazovaþ magnetického pole MagCam obsahuje patentovaný þip, který má integrovanou matici Hallových snímaþĤ. Každý ze snímaþĤ nezávisle mČĜí lokální magnetické pole. Výsledkem je velmi rychle zmČĜená trojrozmČrná mapa magnetického pole s vysokým prostorovým rozlišením. PlnČ digitální a kompaktní senzor se jednoduše pĜipojí k poþítaþi USB kabelem. Mapy pole ze zobrazovaþe MagCam lze analyzovat v reálném þase mČĜicím a vyhodnocovacím programem MagScope. Zobrazovaþ MagCam otevírá nové možnosti ve výzkumu a kontrole kvality výrobcĤm a dodavatelĤm magnetĤ a magnetických senzorĤ, konstruktérĤm motorĤ a generátorĤ a NDT laboratoĜím.
Klíþová slova: magnetické pole, HallĤv snímaþ, mapa pole, kontrola kvality.
DEFEKTOSKOPIE 2010
111
1. Úvod PotĜeba zobrazovat indukþní þáry magnetického pole je ve výzkumné a technické praxi þastá. Pro elementární geometrie magnetických obvodĤ je tvar indukþních þar známý, pro složité tvary magnetických obvodĤ se prĤbČh indukþních þar dá vypoþítat. Otázkou však vždy zĤstává skuteþné rozložení magnetického pole pĜi realizaci magnetického obvodu. To je totiž ovlivnČno reálnými vlastnostmi materiálĤ, které se mohou lišit od pĜedpokládaných jak velikostí, tak homogenitou. A to je dĤvod pro podrobné studium prĤbČhu indukþních þar magnetického pole konkrétního magnetického obvodu. Pomineme-li nejjednodušší zpĤsob zobrazení indukþních þar pomocí magnetických suspenzí, zĤstávají pro zkoumání rozložení magnetického pole elektronické senzory. Protože vČtšina senzorĤ magnetického pole jsou senzory vektorové, je možné jejich pomocí stanovit prĤbČh indukþních þar. Naprostá vČtšina používaných senzorĤ magnetického pole je založena na HallovČ sondČ. Její výhodné parametry pro obvyklou technickou praxi jsou dostateþný pracovní rozsah magnetické indukce, frekvence magnetického pole a teploty prostĜedí. Další výhodou je její relativnČ snadná možnost integrace a miniaturizace. Její nevýhody, zejména offset a teplotní závislost, je možné dobĜe kompenzovat navazujícími elektronickými obvody. Máme-li k dispozici senzor magnetického pole rozmČrovČ pĜimČĜený geometrii magnetického obvodu, mĤžeme jeho pomocí zkoumat rozložení pole v místech, která jsou pro správnou funkci tohoto obvodu dĤležitá. Dosavadní praxe vycházela z použití vhodného manipulátoru, buć plošného nebo prostorového, kterým se pĜi použití senzoru magnetického pole stanovila mapa magnetického pole daného magnetického obvodu. Toto Ĝešení je technicky nároþné a vyšetĜování prĤbČhu indukþních þar pole je zdlouhavé. Pro výzkumnou i technickou praxi je zajímavý nový zobrazovaþ magnetického pole, který je založený na plošném senzoru.
2. Zobrazovaþ MagCam Zobrazovaþ magnetického pole MagCam je založený na technologii vyvinuté v centru nano-elektronických technologií IMEC. Základem zobrazovaþe je patentovaný senzorový þip, který obsahuje dvourozmČrné pole integrovaných mikroskopických Hallových sond. PĜi rozlišení 128 x 128 je poþet sond 16384. Jednotlivé sondy mají rozmČr 100 x 100 µm, celkový rozmČr aktivní þásti senzoru je 13 x 13 mm. Každá jednotlivá Hallova sonda nezávisle mČĜí lokální magnetické pole. Výsledkem je trojrozmČrná mapa rozložení magnetického pole s vysokým prostorovým rozlišením, zmČĜená vysokou rychlostí. Realizace zobrazovaþe magnetického pole MagCam je patrná z obr. 1. MČĜicí rozsah senzoru je ± 0,1 mT až ± 7 T, rychlost mČĜení je až 50 snímkĤ za sekundu. Zobrazovaþ je napájený pĜes USB rozhraní, pĜes které se také pĜenáší namČĜená
112
DEFEKTOSKOPIE 2010
data pro další zpracování. Senzorový þip je krytý ochrannou vrstvou proti mechanickému poškození a je zapuštČný 0,25 mm pod povrch pouzdra zobrazovaþe. RozmČry zobrazovaþe MagCam jsou 94 x 71 x 23 mm a jeho hmotnost je 230 g.
Obr. 1 Zobrazovaþ magnetického pole MagCam. Fig. 1 Magnetic field camera MagCam
3. Program MagScope Pro snímání, zobrazování a podrobnou analýzu dat ze zobrazovaþe MagCam slouží programové vybavení MagScope. Základní vlastností programu MagScope je interpolované kvantitativní barevné zobrazení magnetického pole s vysokým rozlišením. PĜitom je možné provádČt analýzu pole v jednotlivých Ĝezech v kartézských nebo válcových souĜadnicích, pokud je známá absolutní poloha mČĜeného magnetického obvodu. Také je možné mČĜit hodnoty magnetického pole v zadaných bodech a urþovat vzdálenosti a úhly mezi nimi. Program umožĖuje použít rĤzné metody zpracování obrazu pole, namČĜené hodnoty lze zpracovat statisticky a data je možné exportovat do externích aplikací. Pro pokroþilejší zpracování namČĜených dat je k dispozici volitelný modul programu MagScope. Ten umožĖuje provádČt komplexní kontrolu konkrétních magnetických obvodĤ. NejþastČji sledovanými parametry jsou velikost a smČr vektoru magnetizace a homogenita magnetického pole. PĜíklad vzhledu programu MagScope je na obr. 2, kde je zobrazeno magnetické pole malého permanentního magnetu.
DEFEKTOSKOPIE 2010
113
Obr. 2 MČĜicí a analytický program MagScope Fig.2 Measurement and analysis software MagScope
4. Aplikaþní možnosti Hlavní využití zobrazovaþe MagCam a programu MagScope je pĜi kontrole permanentních magnetĤ. NejþastČjší je kontrola malých magnetĤ pro rĤzné snímaþe, zejména využívané v automobilovém prĤmyslu. Další þastou aplikací je kontrola vČtších magnetických obvodĤ pĜi ovČĜování vlastností elektrických motorĤ a generátorĤ. Další využití nachází zobrazovaþ MagCam pĜi materiálovém výzkumu magnetických materiálĤ a pĜi vývoji svaĜovacích metod. Na obr. 3 je schematicky znázornČna situace kontroly bodových svarĤ. Zobrazovaþ MagCam zde snímá rozptylové magnetické pole.
Obr. 3 Kontrola bodového svaru pomocí MagCam Fig. 3 MagCam spot weld testing
114
DEFEKTOSKOPIE 2010
Z dvourozmČrného zobrazení tohoto pole programem MagScope lze získat Ĝezem pĜes stĜed svaru typický prĤbČh o þtyĜech vrcholech, jak je patrné z obr. 4. Podle vyvinuté metodiky lze ze vzdálenosti mezi jednotlivými vrcholy získat informace o struktuĜe materiálu uvnitĜ svaru. ObdobnČ je možné analyzovat laserové svary.
Obr. 4 Zobrazení bodového svaru pomocí MagScope Fig. 4 MagScope image of spot weld
5. ZávČr Zobrazovaþ magnetického pole MagCam spolu s programem MagScope pĜináší zcela nové možnosti do výzkumu a vývoje magnetických obvodĤ tím, že umožĖuje kvantitativní digitální mapování magnetického pole. VyšetĜovanými magnetickými obvody mohou být permanentní magnety a jejich sestavy, rotory a statory elektrických motorĤ nebo generátorĤ a také svary magnetických materiálĤ. Výhodou zobrazovaþe MagCam je vysoká rychlost mČĜení a vysoké prostorové rozlišení. PĜedností je absence pohyblivých þástí a jeho velká kompaktnost. Jednoduché pĜipojení zobrazovaþe k poþítaþi s programem MagScope zjednodušuje jeho nasazení. V souþasné dobČ je zobrazovaþ MagCam používaný pĜevážnČ pro výzkumné a vývojové aplikace, ale není daleko doba, kdy bude využitý ve výrobní kontrole jako souþást automatického nedestruktivního zkušebního systému.
6. Literatura [1] Magnetic Field Camera. Firemní literatura MagCam NV, 2010.
DEFEKTOSKOPIE 2010
115
