УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Российский патент 1995 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано в основном для воспроизведения кривых магнитного гистерезиса.

Известны различные приборы для воспроизведения кривых гистерезиса (1-2) образцов из магнитных (ферромагнитных, ферромагнитных и т.д.) материалов путем воздействия на образец переменным магнитным полем и отображения на двухкоординатном устройстве (осциллографе или графопостроителе) зависимости между напряженностью поля Н и индукцией В. Однако известные приборы либо обладают недостаточно высокой чувствительностью, т. е. непригодные для исследования тонких магнитных пленок, либо имеют сложную конструкцию и, следовательно, высокую стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является прибор для определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов, содержащий источник переменного магнитного поля, вход которого подключен к выходу усилителя мощности, своим входом подключенного к выходу генератора, датчик поля, связанный с Х-входом двухкоординатного устройства отображения графической информации, измерительно-компенсационные обмотки, соединенные последовательно и встречно и связанные через второй усилитель с Y-входом двухкоординатного устройства, и формирователь импульсов, своим выходом подключенный к управляющему входу элемента коммутации.

Поскольку в известном приборе усиление сигнала происходит в широкой полосе частот, в нем не обеспечивается высокое отношение сигнал/шум, т.е. его чувствительность и точность недостаточны для получения надежной информации о магнитных характеристиках тонких магнитных слоев, например магнитных пленок толщиной менее 1 мкм. Кроме того, в известном приборе частота поступления сигналов на входы двухкоординатного устройства отображения информации совпадают с частотой источника переменного магнитного поля (0,1-30 кГц). Поэтому данный прибор способен работать только в режиме осциллографического феррометра и не пригоден для регистрации кривых гистерезиса. Он не пригоден и для регистрации других магнитных характеристик тонких магнитных слоев, в частности, дифференциальной магнитной восприимчивости.

Целью изобретения является обеспечение точной регистрации магнитных характеристик тонких магнитных слоев.

Дополнительной целью является регистрация дифференциальной магнитной восприимчивости.

Основная цель достигается тем, что в прибор для определения магнитных характеристик магнитных материалов, содержащий источник переменного магнитного поля, вход которого подключен к выходу усилителя мощности, своим входом подключенного к выходу генератора, датчик поля, связанный с Х-входом двухкоординатного устройства отображения графической информации, измерительно-компенсационные обмотки, соединенные последовательно и встречно и связанные через второй усилитель с Y-входом двухкоординатного устройства отображения, и формирователь импульсов, своим выходом подключенный к управляющему входу элемента коммутации, введены последовательно включенные между датчиком поля и Х-входом двухкоординатного устройства отображения стробоскоп и первый фильтр низких частот, цепь коррекции, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходами второго усилителя и цепи коррекции, а выход - с первым входом элемента коммутации, последовательно включенные между элементом коммутации и Y-входом двухкоординатного устройства отображения селективный усилитель, синхронный детектор и второй фильтр низких частот, а также низкочастотный генератор, выход которого подключен к первому входу формирователя импульсов и синхронизирующему входу синхронного детектора; при этом второй вход формирователя импульсов подключен к Y-входу двухкоординатного устройства отображения, третий вход - к выходу генератора, а второй выход - к управляющему входу стробоскопа.

Дополнительная цель достигается тем, что прибор снабжен одновибратором, включенным между выходом формирователя импульсов и управляющим входом элемента коммутации, и делителем, входы которого подключены к выходам фильтров низких частот, а выход - к Y-входу двухкоординатного устройства отображения.

Рекомендуется также выполнить цепь коррекции в виде последовательно включенных корректирующей обмотки, фазосдвигающего элемента и корректирующего усилителя.

Предлагаемый прибор характеризуется новой совокупностью существенных признаков по сравнению с прототипом и, следовательно, удовлетворяет критерию новизны.

При этом все отличительные признаки, соответствующие введению новых, по сравнению с прототипом, компонентов, например синхронного детектора, селективного усилителя, дифференциального усилителя или цепи коррекции порознь известны (см. например, 4, 5). Однако эти отличительные признаки в сочетании с остальными существенными признаками придают заявляемому прибору новое свойство - способность воспроизводить кривую гистерезиса (широкополосный сигнал), усиливая электрические сигналы в очень узкой полосе частот, причем расположенной в стороне от частоты перемагничивания. Как будет подробно показано при описании работы прибора, именно это свойство обеспечивает достижение цели изобретения. Таким образом, совокупность общих существенных признаков удовлетворяет, на наш взгляд, критерию существенных отличий.

При введении в прибор двух дополнительных известных компонентов - одновибратора и делителя, определенным образом связанных с другими компонентами, он приобретает еще одно новое свойство: способность формировать сигнал, пропорциональный входному сигналу, что позволяет регистрировать на предлагаемом приборе дифференциальную магнитную восприимчивость. Таким образом, заявляемое решение в объеме п.2 формулы изобретения также удовлетворяет критерию существенности отличий.

Частные отличительные признаки по п.3 также представляются существенными, поскольку обеспечивают дополнительное повышение чувствительности прибора, что является важным условием точной регистрации магнитных характеристик образцов типа тонких магнитных пленок.

На фиг. 1 представлена схема прибора для определения магнитных характеристик; на фиг.2 - один из возможных вариантов выполнения формирователя импульсов; на фиг.3, 4 - графики, иллюстрирующие работу прибора.

Прибор для определения магнитных характеристик содержит источник 1 переменного магнитного поля, вход которого подключен к выходу усилителя 2 мощности, генератор 3, включенный на входе усилителя 2 мощности, датчик 4 поля, подключенный через стробоскоп 5 и первый фильтр 6 низких частот к Х-входу 7 двухкоординатного устройства 8 отображения графической информации, измерительно-компенсационные обмотки 9, 10, соединенные последовательно и встречно и подключенные через второй усилитель 11 к одному из входов дифференциального усилителя 12, элемент 13 коммутации, включенный на выходе дифференциального усилителя 12, последовательно включенные между элементом 13 коммутации и Y-входом 14 двухкоординатного устройства 8 отображения, селективный усилитель 15, синхронный детектор 16 и второй фильтp 17 низких частот.

В приборе имеются также низкочастотный генератор 18 и формирователь 19 импульсов, один из входов 20 которого подключен к выходу низкочастотного генератора 22, второй вход 21 - к Y-входу двухкоординатного устройства 8, а третий вход 22 - к выходу генератора 3. Своим выходом формирователь 19 импульсов подключен к управляющему входу 23 элемента 13 коммутации и к управляющему входу 24 стробоскопа 5. Выход низкочастотного генератора 18 подключен также к синхронизирующему входу синхронного детектора 16. Цепь коррекции 25, подключенную к второму входу дифференциального усилителя 12, рекомендуется выполнить в виде последовательно включенных корректирующей обмотки 26, фазосдвигающего элемента 27 и корректирущего усилителя 28.

Для обеспечения возможности регистрации дифференциальной магнитной восприимчивости к выходу формирователя 19 импульсов через ключ 29 может быть подключен одновибратор 30. При этом между выходом элемента 13 коммутации и входом селективного усилителя 15 через ключ 31 может быть подключено устройство 32 выборки и хранения, а к Y-входу 14 двухкоординатного устройства 8 через ключ 33 выход делителя 34, входы 35 которого соединены с выходами первого 6 и второго 17 фильтров низких частот.

Как показано на фиг.2, формирователь 19 импульсов может быть выполнен на основе двух аналогичных счетчиков 36, 37, подключенный своими выходами к входам сумматора 38. При этом счетный вход 39 счетчика 36 является третьим входом 22 формирователя 19 импульсов, а вход 40 установки счетчика 37 его первым входом 20. Счетный вход 41 счетчика 37 подключен к выходу перестраиваемого генератора 42 формирователя 19 импульсов. Выходом 43 формирователя импульсов служит выход переноса сумматора 38.

Входом 21 формирователя импульсов служит вход дифференциатора 44, выход которого соединен с управляющим входом 45 перестраиваемого генератора 42. При таком выполнении формирователя импульсов вход усилителя 2 мощности должен быть связан с выходом генератора 3 не непосредственно, а как показано на фиг.1 пунктиром, через формирователь 19 импульсов. Более конкретно в этом случае вход усилителя 2 мощности подключен к выходу 46 младшего разряда счетчика 36.

Прибор работает следующим образом. Переменное напряжение с частотой ω₁ (20-5000 кГц) от генератора 3 непосредственно или через формирователь 19 импульсов поступает на вход усилителя 2 мощности и далее в источник 1 переменного магнитного поля (график А на фиг.3). Источник 1 создает с частотой ω_п (0,1-30 кГц) переменное магнитное поле, перемагничивающее испытуемый образец О (например, пленку размерами 1х1 см). Сигнал, пропорциональный напряженности Н переменного магнитного поля, формируемый датчиком 4 поля, посредством стробоскопа 5 и первого фильтра 6 низких частот преобразуется в медленно меняющееся напряжение, пропорциональное мгновенной величине напряженности Н в определенной фазе цикла перемагничивания (определяемой спадом импульса на управляющем входе 24 стробоскопа 5) и поступает на Х-вход 7 двухкоординатного устройства 8 отображения.

Индуцированный образцом О переменный магнитный поток Ф наводит ЭДС в измерительно-компенсационных обмотках 9, 10, сигнал с которых поступает во второй усилитель 11. Последовательное и встречное включение двух одинаковых обмоток уменьшает влияние перемагничивающего поля (график Б). Дополнительное снижение уровня помех, особенно актуально при исследовании тонких магнитных пленок, достигается с помощью цепи 25 коррекции. Использование в этой цепи фазосдвигающего элемента 27 позволяет добиться того, что сигнал, снимаемый с корректирующего усилителя 28 (график В), находится в противофазе с остаточным сигналом наводки, поступающим от усилителя 11, и, следовательно, вычитается из этого сигнала в дифференциальном усилителе 12. Разностный сигнал с выхода этого усилителя имеет форму узких импульсов, представленных на графике Г.

Порядок прохождения сигнала от дифференциального усилителя 12 на селективный усилитель 15 задается элементом 13 коммутации, который управляется импульсами, поступающими от формирователя 19 импульсов. Как показано на фиг. 1, 2, на вход 22 формирователя 19, совпадающий со счетным входом 39 счетчика 36, поступает синусоидальное напряжение от генератора 3 на частоте ω₁. Одновременно на счетный вход 41 счетчика 37 подаются импульсы от перестраиваемого генератора 42. Частота ω₃ следования этих импульсов выбирается в таких пределах, чтобы выдерживалось отношение 10² ≅ ω₁/ω₃ ≅ 10⁵. В результате суммирования в сумматоре 38 цифровых сигналов, поступающих от счетчиков 36, 37 с выхода 43 переноса сумматора 38, снимаются расширяющиеся прямоугольные импульсы. Длительность этих импульсов увеличивается со скоростью, определяемой частотой (график Д): с появлением очередного импульса на выходе перестраиваемого генератора 42 длительность расширяющихся импульсов увеличивается на фиксированную величину. Когда их длительность станет равной периоду, расширяющиеся импульсы исчезают и цикл может быть повторен.

При регистрации петли гистерезиса одновибратор 30 отключен от управляющего входа 23 элемента 13 коммутации, связь между усилителями 12, 15 поддерживается в те временные интервалы, когда на выходе формирователя 19 имеются расширяющиеся импульсы. При этом благодаря включению на входе 22 формирователя 19 (т.е. на входе 40 установки счетчика 37) низкочастотного генератора 18, с частотой ω₂ < ω_п (график Е) происходит изменение фазы управляющего сигнала, поступающего на вход 23 элемента 13 коммутации на 180^о (график Д).

Узкополосный селективный усилитель 15 выделяет из поступающего на его вход сигнала первую гармонику на частоте ω₂, которая детектируется синхронным детектором 16, управляемым сигналами низкочастотного генератора 18, и после второго фильтра 17 низких частот медленно меняющееся напряжение, пропорциональное сигналу, с образца в определенной фазе цикла перемагничивания подается на Y-вход 14 графопостроителя.

Фазовый сдвиг импульсов, управляющих работой стробоскопа 5, а также положение спада расширяющихся импульсов, управляющих работой 13 коммутации (т.е. определяющих моменты измерения), относительно регистрируемых напряжений изменяется от 0 до 360^о. За время этого изменения на двухкоординатном устройстве 8 отображения фиксируется полная петля гистерезиса.

Благодаря введению новых компонентов (формирователя расширяющихся импульсов, синхронного усилителя и др.) обеспечивается эффективное интегрирование сигнала с переходом на более низкую частоту ω₂. При этом использование фазовой коммутации позволяет вдвое увеличить амплитуду полезного сигнала и исключить влияние смещения средней линии. Производная медленно меняющегося напряжения на входе 21 формирователя 19 импульсов, поступающая с выхода дифференциатора 44 на управляющий вход 45 перестраиваемого генератора 42, используется для регулировки частоты этого генератора. Благодаря этому достигается управление скоростью движения или расширения управляющих импульсов, например, их замедление на время слишком быстрого изменения сигнала на выходе фильтра 17. Тем самым обеспечивается удержание полезного сигнала в пределах узкой полосы регистрирующего тракта.

Для регистрации дифференциальной восприимчивости к выходу 43 формирователя 19 импульсов посредством ключа 29 подключается одновибратор 30 к селективному усилителю 15 посредством ключа 31 - устройство 32 выборки и хранения. Одновременно посредством ключа 33 Y-вход двухкоординатного устройства 8 отрывается от выхода второго фильтра 17 низких частот и подключается к выходу делителя 34. В этом случае на управляющий вход 23 элемента 13 коммутации поступают короткие импульсы (см. график Ж на фиг.4), соответствующие по времени заднему фронту расширяющихся импульсов, формируемых на выходе формирователя 19. Таким образом, устройство 32 выборки и хранения запоминает сигнал, поступающий на него в момент срабатывания элемента 13 коммутации, и подает его на вход селективного усилителя 15. На Y-вход двухкоординатного устройства 8 поступает сигнал, пропорциональный отношению напряжений, поступающих с выходов второго 17 и первого 6 фильтров низких частот.

Рассмотренные варианты работы прибора обеспечивают регистрацию нечетных гармоник петли гистерезиса или дифференциальной магнитной проницаемости. Для регистрации всех гармоник достаточно придать управляющим импульсам форму, показанную на графиках З и И фиг.4 соответственно, т.е. импульсы расширяются (график 3, фиг. 4) или движутся (график И, фиг.4) во время отсутствия сигнала на входе 22 формирователя 19 импульсов (график Г, фиг. 3).

Таким образом, предлагаемый прибор позволяет усиливать регистрируемый широкополосный сигнал в узкой полосе, смещенной в направлении низких частот относительно частоты перемагничивания, а также исключить основную часть помех. Тем самым обеспечена возможность применения узкополосного усилителя для точной регистрации очень слабых широкополосных сигналов, соответствующих перемагничиванию тонких магнитных слоев, например, пленок. При этом прибор способен регистрировать как петлю гистерезиса, так и дифференциальную магнитную восприимчивость.

Использование: для воспроизведения кривых магнитного гистерезиса. Сущность изобретения: в прибор, обеспечивающий воздействие на исследуемый образец переменным магнитным полем и регистрацию петли гистерезиса на двухкоординатном устройстве отображения, дополнительно введены последовательно включенные между датчиком поля и X-входом двухкоординатного устройства отображения стробоскоп и первый фильтр низких частот, цепь коррекции и дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходом усилителя сигнала, последовательно включенные селективный усилитель, синхронный детектор и второй фильтр низких частот, а также низкочастотный генератор. При введении в прибор одновибратора и делителя, входы которого подключены к выходам фильтров низких частот, а выход - к У-входу двухкоординатного устройства отображения, обеспечивается достижение дополнительной цели изобретения - регистрация дифференциальной магнитной восприимчивости. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК, содержащее источник переменного магнитного поля, вход которого подключен к выходу усилителя мощности, своим входом подключенного к выходу генератора, датчик поля, измерительную и компенсационную обмотки, соединенные последовательно и встречно и подключенные к входу усилителя, двухкоординатный блок отображения графической информации, формирователь импульсов, своим выходом подключенный к управляющему входу элемента коммутации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено стробоскопом, двумя фильтрами низких частот, цепью коррекции, дифференциальным усилителем, низкочастотным генератором, селективным усилителем, синхронным детектором, при этом цепь коррекции подключена к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к выходу усилителя, выход генератора соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого подключен соответственно к выходу низкочастотного генератора и синхронизирующему входу синхронного детектора, вход которого подключен к выходу селективного усилителя, вход которого соединен с выходом элемента коммутации, дополнительный вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя, выход датчика поля через последовательно соединенные стробоскоп, первый фильтр низких частот подключен к первому входу двухкоординатного блока отображения графической информации, второй вход которого соединен с третьим входом формирователя импульсов и выходом второго фильтра низких частот, а выход формирователя импульсов подключен к управляющему входу стробоскопа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения путем регистрации дифференциальной магнитной восприимчивости, устройство снабжено одновибратором, включенным между выходом формирователя импульсов и управляющим входом элемента коммутации, блоком выборки и хранения, включенным между выходом элемента коммутации и входом селективного усилителя, и делителем, входы которого подключены к выходам фильтров низких частот, а выход - к второму входу двухкоординатного блока отображения графической информации. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что цепь коррекции содержит последовательно включенные корректирующую обмотку, фазосдвигающий элемент и корректирующий усилитель, выход которого соединен с выходом цепи коррекции.