Устройство для измерения магнитострикции образцов микронных толщин

 

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть ис пользовано для исследования магнитострикционных свойств магнитных материалов в образцах малой величины. Цель изобретения - повьйиение точности измерений в широком-диапазоне изменения температуры и магнитного поля Поставленная цель достигается в результате того, что тепловой ультразвуковой преобразователь, подклйчентный к генератору калибрующих импульсов со стабилизированной энергией, возбуждает в сердечнике магнитоупругого датчика импульсы механическог о напряжения с постоянной амплитудой, не зависящей от темпера туры окрзпкангщей среды и напряженности -внешнего магнитного поля. Эти импульсы используются для калибровки чувствительности устройства и ее автоматической стабилизации путем управления коэффициентом усиления усилителя. 1 з.п ф-лы. 2 ил. (Л

А3 (19) (И) (51) 4 G,(21) 3584966/24-21 (22) 06.01.83 (46) 15.06.86. Бюл. Ф 22 (71,) Ленинградский институт авиационного приборостроения и Институт прецизионных сплавов Центрального научно-исследовательского института черной металлургии им.: И.П.Бардина (72) С.В.Петровых, В.Б.Есиков, В.А.Венков, И.Г.Ястребов и В.В.Соснин (53) 621.317.42(088.8) (56) Патент США Ф 3.671.681,, кл. 1.79-100, 1972.

Патент ФРГ У 1.274.386, кл. 4251/03, .1969.

Авторское свидетельство СССР )1 1022087 кл. С 01 К 33/16, 1983 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗИ(ЕРЕНЙЯ ИАГНИТОСТРИКЦИИ ОБРАЗЦОВ ИИКРОННЫХ ТОЛЩИН (57) Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для исследования магнитострикционных свойств магнитных материалов в образцах малой величины.

Цель изобретения — повьииение точности измерений в пироком..диапазоне из-. менения температуры и магнитного поля °

Поставленная цель достигается в результате того, что тепловой ультразвуковой преобразователь, подключенный к генератору калибрукв1их импульсов со стабилизированной энергией, возбуждает в сердечнике магнитоупругого датчика импульсы механического напряжения -с постоянной амплитудой, не зависящей от температуры окружающей среды и напряженности вневнего g магнитного поля. Эти импульсы используются для калибровки. чувствительности устройства и ее автоматической стабилизации пу ем управления коэффициентом усиления усилителя. 1 з.п. Я ф-лы. 2 ил.

1238011 2 схемой стабилизации энергии импульсов. Выход усилителя 8 соединен с сигнальным входом коммутатора 11. К одному из выходов коммутатора 11 подключен регистрирующий блок 12 (например, вольтметр), а. к другому— амплитудный дискриминатор 13. Выход амплитудного дискриминатора соединен с входом интегратора 14, а выход интегратора — с управляющим входом усилителя 8. Оба генератора 6 и 10 импульсов тока и коммутатор.11 управляющими входами соединены с соответствующими выходами синхронйзатора 15.

Генератор 10 калибрующих импульсов (фиг. 2) выполнен со схемой стабилизации энергии импульсов и содержит усилитель 16 мощности, управляемый ограничитель мощности 17 уровня, управляемый проходной элемент 18 (например, сильноточный транзистор), аналоговый перемножитель 19, интегратор 20 с малой постоянной .времени ин-. тегрирования, амплитудный детек.— тор 21, блок сравнения 22, источник 23 опорного напряжения, интегратор 24 с большой постоянной времени интегрирования, конденсатор 25 и эталонный резистор 26. Нагрузкой генератора asляются ветви теплового ультразвукового преобразователя 9, подключенные через управляемФ проходной элемент к конденсатору 25.

Изобретение относится. к магнитным измерениям и может быть использовано для исследования магнитострикционных свойств магнитных материалов в образцах малой толщины. 5

Цель изобретения — повышение точности измерения магнитострикции образцов в широком диапазоне изменения температуры и магнитного поля.

Тепловой ультразвуковой преобразо- 10 ватель, подключенный к генератору калибрующих импульсов со стабилизированной энергией, позволяет возбуждать в сердечнике магнитоупругого датчика импульсы механического напря-15 кения с постоянной амплитудой, независящей от температуры окружающей среды и напряженности внешнего поля.

Эти импульсы механического напряжения используются для калибровки чувстви- .2б теЛьности устройства и.автоматической ее стабилизации путем управления коэффициентом усиления усилителя..

На фиг, 1. изображена блок-схема предлагаемого устройства",.на фиг,2— блок-схема генератора калибрующих импульсов.

Исследуемый образец 1 в виде ленты:или проволоки акустичесхи соединен (например, склеен., сварен, спаян) с

1 сердечником 2 магнитоупругого датчи ка, который. выполнен в форме полосы ,из магнитного материала, чувствитель ного к действию механического нанря- жения (например, иэ пермендюра) ° Поляриэующая обмотка 3 и намагничивающая обмотка 4 расположены соосно и симметрично друг другу и охватывают исследуемый образец 1. Поляризующая обмотка 3 подключена к выходу источ- 4О ника 5 поляризующего тока, а намагничивающая обмотка 4 - к выходу генератора 6 намагничивающих импульсов тока. Измерительная обмотка 7 охватывает сердечник 2 магнитоупругого дат- 4 чика и подключена к входу усилителя 8. Сердечник магнитоупругого датчика акустически соединен е тепловым ! ультразвуковым преобразователем 9 иэ немагнитного металла, который может быть выполнен, напрнмер,:из вольфрамовой ленты. Разветвленный участок преобразователя 9, намагничивающая обмотка 4 н измерительная обмотка 7 имеют одинаковую длину.Кон- >> цы ветвей .преобразователя 9 подключены к выходу генератора 1О калибрующих импульсов, который выполнен со

Устройство работает следующим образом, С:выходов синхронизатора 15 на управляющие входы генераторов 6 и 10 поступают непрерывные последовательности импульсов одинаковой частоты, но сдвинутые относительно друг друга на половину. периода следования. В намагничивающей обмотке 4 и в ветвях преобразователя 9 от соответствующих генераторов 6 и 10 поочередно создаются импульсы тока.,При протекании импульсного тока по ветвям преобразователя 9 они нагреваются и вследстwe их теплового расширения в нем возбуждается однополярный импульс механического напряжения. Амплитуда этого импульса б, определяется по формуле м- ЕЯ

2 2"Ь h Ь Сч d где оь- коэффициент линейного теплового. расширения материала преобразователя;

1238011

Е - модуль упругости материала преобразователя;

1 - плотность материала преобразователя, С вЂ” удельная теплоемкость мате- 5

Ч риала преобразователя, L — длина разветвленной части преобразователя1

Ь вЂ” ширина ветвей, . h - -толщина ветвей;.

fO

Ц вЂ” тепловая энергия, выделившаяся в ветвях за время протекания калибрующего импульса тока. т

Q. J U(dt >

15 где I(q ток в ветвях преобразователя, Ug1 †. напряженые на концах ветвей; — длительность импульса тока.

Почти все члены, содержащиеся в выражении (1),. в той или иной степени зависят от температуры..Из физики твердого тела известны следующие соотношения: = Ру С,, Р = - — — - - >

3 (1-26) (2)

2Sg

6 =б

8 + Б,ч где S, — площадь сечения преобразователя 9;

Я вЂ” площадь сечения сердечнимч ка 2 магнитоупругого дат.чика.

Распространяясь по сердечнику 2 магнитоупругого. датчика, калибрующнй

55 где — сжижаемость. материала, . постоянная Грюнайзена; 1 2, ф — коэффициент Пуассона, Кроме того, произведение 2ЬЬЫ равно массе m ветвей преобразователя, 50

Произведя такую замену и подставив (2) в (1), получим (,, Й-q .

3(1-2а) (3)

Поскольку коэффициент Пуассона практически не зависит от температуры, то .при одинаковой величине тепловой энергии,. выделяющейся в ветвях преобразователя при прохождении через ннх калибрующих импульсов тока, амп- 4О литуда возбуждаемых импульсов механического напряжения будет постоянна в широком диапазоне температур и может быть рассчитана по формуле (1) или (3) 45

Закон Джоуля-Ленца о количестве теплоты, выделяющейся в проводнике при протекании по нему электрического тока, не изменяется при воздействии на проводник внешнего магнитного 5О поля. Поэтому магнитное поле также не будет влиять на амплитуду импульса механического напряжения, возбуждаемого в ветвях преобразователя.

Стабилизация энергии калибрующих имцульсов осуществляется следующим образом.

Из синхронизатора 15 на вход усилителя 16 поступают импульсы отрицательной полярности. На выходе ограничителя 17 эти импульсы ограничиваются ™о амплитуде на уровне, задаваемом выходным напряжением интегратора 24.

Далее импульс открывает проходной элемент 18, благодаря чему конденсатор 25 частично разряжается через сопротивление нагрузки, преобразователь 9 и резистор 26. Напряжения с нагрузки и эталонного резистора 26 поступают на перемножитель f9 и далее на интегратор 20, на -выходе кото-, рого получается импульс напряжения с амплитудой, пропорциональной тепловой энергии, выделившейся в ветвях преобразователя 9 за время протека» ния калибрующего импульса тока.

Амплитуда этого импульса запоминается в виде постоянного уровня .нап ряжения в.амплитудном детекторе 21, затем с помощью блока 22 это напряжение сравнивается с опорным, вырабатываемым источником 23, и поступает на вход интегратора 24. При равенстве напряжения на выходе амплитудного детектора 21 и опорного напряжения уровень ограничения амплитуды, входного . импульса остается неизменным.

Если в результате изменения температуры изменяется электросопротивлеННе ветвей преобразователя 9, то энергия импульса также изменится и напряжение на входе интегратора станет отличным от нуля. Это приведет к постепенному изменению напряжения на выходе интегратора, а следовательно, и уровня ограничения амплитуды входных импульсов до тех пор, пока энергия импульсов в нагрузке не станет прежней.

Калибрующий импульс механического напряжения, распространяясь по преобразователю 9, переходит в сердечник 2 магнитоупругого датчика. При этом его амплитуда изменяется и становится. равной о

1238011 импульс механического напряжения проходит под измерительной обмоткой 7 и вследствие магнитоупругого эффекта вызывает в ней импульс электрического напряжения. Длина измерительной обмотки 7 выбирается не меньше половины длины импульса механического напряжения, поэтому амплитуда электрического импульса на ней пропорциональ1О на аинлитуд импульса механического напряжения:

Ud б А пчя „, .где Q — плотность витков измерительной обмотки

Ч вЂ” скорость распространения им-

1 5 пульса механического напряжения,"

А — величина магнитоупругой чувствительности сердечника магнитоупругого датчика.

Электрический:импульс с измерительной обмотки 7 после усиления усили.телем 8 через коммутатор 11 поступает на вход амплитудного дискриминато-. ра 13. В амплитудном дискриминаторе проиэводится сравнение амплитуды усиленного электрического импульса с .опорным напряжением U> и вырабаты,вается сигнал ошибки, нропорциональный их разности, который подается на вход интегратора 14. В результате .уровень напряжения на выходе интегратора изменяется и в соответствии с этим корректируется величнна коэффициента усиления усилителя 8 так,.что- З5 бы амплитуда импульса на входе дискриминатора была равна, опорному напряжению. В этом случае коэффициент чувствительности устройства будет раU. ГВМ1 40 вен К = — (— (.

,.(н 3

Импульсы тока, создаваемые генератором 6 намагничивающих импульсов тока со .сдвигом в половину периода повторения относительно возбуждающих, 45 импульсов, протекают по намагничивающей обмотке 4. Возникающее магнитное поле изменяет намагниченность участка образца под намагничивающей обмоткой 4 от некоторого исходного состоя-50 ния, задаваемого магнитным полем поляризующей обмотки 3, до насыщения.

Вследствие магнитострикционного эффекта в образце возникает импульс механического напряжения с амплитудой 55 жр: (Iо ) б Е

Оь . 2 OSP > где Š— модуль упругости материала

esp образца; — магнитострикция насыщения

6 образца 1

I - исходная намагниченность о образца °

После перехода в сердечник 2 магнитоупругого датчика амплитуда этого импульса изменится до величины 6„

2$ е вр

d =6

oops . oem $ + $„, оер где $ — площадь сечения образца.

Рас ространяясь под измерительной обмоткой 7, импульс механического напряжения, возбуждаемый в исследуемом образце вследствие магнитоупругого эффекта, вызывает появление в измерительной обмотке 7 электрического импульса с амплитудой U 3

Этот импульс усиливается усилителем 8 и через коммутатор 11 поступает на регистрирующий блок 12, с помощью которого определяется его амплитуда U „.

Величина магнитострикции исспеду-. емого образца рассчитывается по формуле

Us iy $лве+ Ъу

Ы=а-З11 =--—

Fge U „,„ — показание регистрирующего блока.

Источник 5 поляризующего тока и поляризующая обмотка 3 предназначены для изменения исходной намагниченности образца при построении зависимостей магнитострикции от намагниченности A(1 или от напряженности магнитного поля (ч), Таким образом, в предлагаемом устройстве калибровка чувствительности происходит. автоматически и при тех же условиях, что и..измерение иагнитострикции исследуемого образца.

В результате этого существенно ослабляется влияние на точность измерения таких факторов как температура, ностоянные магнитные поля и статические механические напряжения, воздействия которых на сердечник магнитоупругого датчика трудно избежать при разносторонних исследованиях магнитострик,ционных свойств магнитных материалов.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения магнитострикции образцов микронных толщин, 7 1238 содержащее акустически соединенные образец и сердечник магнитоупругого датчика разомкнутой Формы, цепь поляризации образца, состоящего из последовательно соединенных источника 5 поляризующего тока и поляризующей об" мотки, цепь намагничивания образца, состоящую.из последовательно соединенных синхронизатора, генератора импульсов намагничивающего тока и намагничивающей обмотки, измерительную цепь, включающую интегратор,. регистрирующий блок и последовательно соединенные измерительную обмотку,. охватывающую .сердечник магнитоупругого 15 датчика, и .усилитель, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения магнитострик.ции образцов в широком диапазоне изменения температуры и магнитного по- 20 ля, в него дополнительно введены пос-: ледовательно соединенные коммутатор н амплнтудньй дискриминатор, а также последовательно соединенные генератор калибрукнцнх импульсов, имепщрФ 25 схему .стабилизации энергии импульсов, и тепловой ультразвуковой преобразователь в ниде отрезка электропрвводящего немагнитного материала, один конец которого раэветвлен и является З0 входом преобразователя, выход амплитудного дискриминатора через интегратор иодключен к управляющему входу усилителя, выход которого подключен к сигнальному входу коммутатора,вто011 8 рой выход подключен к регистрирующе":. му блоку, а управляющий вход — к второму выходу синхронизатора, третий выход которого подключен к.входу генератора калибрующих импульсов, причем тепловой ультразвуковой преобразователь неразветвленным концом акустически соединен с сердечником магнитоупругого датчика со стороны, про тивоположной образцу.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что генератор калибрующнх импульсов выполнен в ви-. де последовательно соединенных усилителей мощности, управляемого огранИчителя уровня, управляемого проходного элемента, аналогового перемножйтеля, интегратора с малой постоянной времени интегрирования, амплитудного детектора, блока сравнения и интегра- . тора с больаой постоянной времени, своим выходом соединенного с вторым входом управляемого ограничителя уровня, а также источника опорного напряжения, подключенного к второму входу блока сравнения и последова-, тельно соединенного с проходным зле

1 ментом конденсатора и эталонного резистора, подключенного к второму . входу аналогового перемножятеля, пер

sark вход которого соединен с выходом генератора калибрующих импульсов., a. выход усилителя мощности - с его входом.

1238011

Составитель Г.Клитотехнис

Техред Л.Олейник Корректор О.Луговая

Редактор N.Äûïûí

Тираж 728

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по -делам иэобретений и открытий .

113035., Иосква„ Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Закаэ 3285/4б

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óærîðîä,. ул.Проектная, 4