УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению магнитных параметров образцов магнитопроводов, изготовленных путем вакуумного напыления тонких магнитных пленок (ТМП) на керамическую подложку.

Известно устройство (1) для измерения характеристик однослойных ТМП в локальных областях образца с помощью магнитооптического поляриметра.

Процесс измерения параметров одного образца трудоемок, так как для достижения необходимой точности измерений требуется произвести измерения в множестве различных точек образца и определить усредненные значения измеряемых параметров. Кроме того, для многослойных ТМП измерения в принципе невозможны из-за экранирования нижних слоев верхними.

В другом известном устройстве (2) для изменения магнитных характеристик использован индукционный метод, при котором на экране осциллографа воспроизводится гистерезисная кривая, отображающая магнитное состояние образца, подвергаемого циклическому перемагничиванию в низкочастотном магнитном поле.

Измерительная часть устройства обеспечивает измерение коэрцитивной силы образца вдоль осей легкого и трудного намагничивания ТМП, поля анизотропии, поля насыщения. Устройство позволяет визуально наблюдать и определять наличие дефектов на отдельных участках кривой намагничивания, отрицательно влияющих на правильность функционирования образца в составе средств его применения.

Однако в этом устройстве не принято мер по устранению влияния на точность измерений магнитного поля Земли, магнитных помех, отсутствует визуальный контроль положения стробимпульса на петле гистерезиса, что важно с точки зрения оперативности и достоверности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов (3), содержащие последовательно соединенные источник переменного тока и регулятор напряжения, подключенные к выходу регулятора напряжения и последовательно соединенные резистор и перемагничивающую катушку, подключенные к измерительной катушке и последовательно соединенные первый усилитель, интегратор и первый стробоскопический преобразователь, первый блок установки масштаба, подключенные к резистору и последовательно соединенные второй усилитель, второй стробоскопический преобразователь, второй блок установки масштаба, последовательно соединенный фазовращатель и первый усилитель импульсов, выходом соединенный со вторыми входами первого и второго стробоскопических преобразователей, смеситель, подключенный к выходам усилителей импульсов, второй фазовращатель, подключенный входом к выходу источника переменного тока, а выходом - к входу первого фазовращателя, подключенные к выходу второго фазовращателя и последовательно соединенные второй усилитель импульсов, третий стробоскопический преобразователь и блок вычитания, причем второй вход третьего стробоскопического преобразователя соединен с выходом интегратора, второй вход блока вычитания - с выходом первого стробоскопического преобразователя, выходы блока вычитания - со входом первого блока установки масштаба, а выходы смесителя - с выходами первого и второго усилителей импульсов.

В этом устройстве на входах первого и второго стробоскопических преобразователей присутствуют напряжения Uи, Un, пропорциональные соответствующим величинам магнитного поля образца и перемагничивающего поля.

Подавая эти напряжения на входы горизонтальной и вертикальной развертки осциллографа, получают на его экране изображение петли гистерезиса.

Стробоскопические преобразователи позволяют зафиксировать мгновенные значения Uи и Un в интересующих точках петли гистерезиса и с помощью внешних измерительных приборов измерить их величины. Яркостная модуляция луча осциллографа импульсами, поступающими с выхода смесителя, позволяет выделить положение метки на интересующих участках петли гистерезиса. Двойное стробирование сигнала Uи и Un, применение вычитания "сигнал 1+ помеха" минус "сигнал 2+ помеха" уменьшает влияние на точность измерений полей низкочастотных помех. Однако в вышеприведенном устройстве не подавляются помехи с частотой, равной частоте перемагничивания образца, не компенсируется воздействиее на образец магнитного поля Земли и постоянных магнитных полей металлоконструкций производственных помещений и оборудования, не учитывается влияние на точность измерений неоднородности поля перемагничивающей катушки.

Целью настоящего изобретения является создание устройства для измерения магнитных характеристик ферромагнитного материала, обладающего более высокой точностью измерений по сравнению с прототипом.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения магнитных характеристик ферромагнитных материалов, содержащем последовательно соединенные источник переменного тока, регулятор напряжения, перемагничивающую катушку, резистор, первый масштабируемый усилитель, вход которого подключен к резистору, а выход - к входу фазовращателя, входу канала горизонтальной развертки луча осциллографа и первому входу формирователя метки, второй вход которого соединен с регулируемым источником опорного напряжения, а выход - с входом канала яркостной модуляции луча осциллографа, измерительную катушку, последовательно соединенный с ней второй масштабируемый усилитель, интегратор, первый вход которого соединен с выходом второго масштабируемого усилителя, второй вход - с выходом фазовращателя, а выход - с входом канала вертикальной разверстки луча осциллографа.

Для создания однородного перемагничивающего поля в области размещения проверяемого образца перемагничивающая катушка выполнена двухсеционной с разнесением секций одна от другой на расстояние, равное их радиусу.

Для компенсации магнитного поля Земли и магнитных полей оборудования производственных помещений перемагничивающая катушка содержит дополнительную компенсационную обмотку, питаемую от регулируемого источника постоянного тока, и снабжена механизмом подстройки направления магнитной оси.

Для компенсации прямого воздействия перемагничивающего поля, также переменных полей помех измерительная катушка намотана на двух каркасах, расположенных в пределах длины проверяемого образца, ее обмотки включены встречно-последовательно с входом второго масштабируемого усилителя, а магнитные оси перпендикулярны к магнитной оси перемагничивающей катушки.

Для обеспечения удобства считывания результатов измерений и исключения погрешности оператора регулятор напряжения и источник опорного напряжения снижены цифровыми индикаторами, проградуированными в единицах измерения магнитной индукции амплитудного значения поля перемагничивания и мгновенного значения поля перемагничивания, соответствующего положению яркостной метки на гистерезисной кривой перемагничивания образца.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, а на фиг.2 - взаимное расположение перемагничивающий, измерительной катушек и проверяемого образца.

На структурной схеме фиг.1 обозначены источник переменного тока 1, регулятор напряжения 2, перемагничивающая катушка 3, резистор 4, первый масштабируемый усилитель 5, соединенный с входом фазовращателя 6, также с выходом "X" горизонтальной развертки луча осциллографа 7, первым входом формиователя метки 8, второй вход которого присоединен к выходу регулируемого источника опорного напряжения 9, а выход - к входу "Z" яркостной модуляции луча осциллографа.

Контролируемый образец 10 прилегает (см. фиг.2) к измерительной катушке (11), подсоединенной к входу второго масштабируемого усилителя 12, соединенного с первым входом интегратора 13, второй вход интегратора соединен с выходом фазовращателя 6, а выход с входом "Y" вертикальной развертки луча осциллографа.

Компенсационная катушка 14 подключена к регулируемому источнику тока 15.

Цифровые индикаторы 16, 17 подключены к регулятору напряжения 2 и регулируемому источнику опорного напряжения 9 соответственно.

Подстроечный механизм (см. фиг.2) служит для установки перпендикулярности магнитных осей перемагничивающей и сигнальной катушек и позволяет исключить прямое воздействие поля перемагничивания на измерительную катушку.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально при отключенных входах "X" и "Y" осциллографа световое пятно устанавливают в центре экрана. Затем, подключив входы "X" и "Y" осциллографа, с помощью усилителя 5 устанавливают развертку луча приблизительно в пределах 2/3 ширины экрана, фазовращателем 6 устраняют эллипсность прямого и обратного хода луча, далее с помощью механизма подстройки магнитной оси перемагничивающей катушки 4 добиваются совмещения линии развертки луча с горизонтальной осью экрана.

Установив проверяемый образец 10 в рабочем объеме перемагничивающей катушки, с помощью второго масштабируемого усилителя 12 устанавливают размах петли перемагничивания образца приблизительно в пределах 2/3 высоты экрана. Затем путем регулирования тока в компенсационной обмотке 14 от источника постоянного тока 15 устанавливают симметричное положение кривой перемагничивания относительно вертикальной оси экрана.

На этом подготовительные операции заканчиваются.

В проверяемом образце под воздействием переменного поля перемагничивания происходит изменение его магнитного состояния. При этом силовые линии магнитного поля образца пронизывают обе обмотки измерительной катушки в противоположных направлениях. Так как ее обмотки включены встречно-последовательно, то наведенные в них ЭДС складываются.

Сигнал измерительной катушки усиливается масштабируемым усилителем и после интегрирования поступает на вход "Y" вертикальной развертки луча осциллографа. Операция интегрирования необходима для преобразования сигнала измерительной катушки в форму, отображающую петлю гистерезиса,

Поскольку поле перемагничивания находится в прямой зависимости от тока перемагничивания, то и мгновенные значения напряжения на резисторе 4, на выходе первого масштабируемого усилителя 5 и первом входе формирователя метки оказываются прямо пропорциональными этому полю.

Поэтому в момент, когда мгновенное значение напряжения на первом входе формирователя 8 становится равным постоянному опорному напряжению на его втором входе, происходит изменение состояния формирователя метки и генерируется короткий электрический импульс, используемый для подсветки луча осциллографа.

Таким образом осуществляется измерение мгновенного значения поля перемагничивания в любой точке кривой перемагничивания образца, на которой установлена световая метка.

Изменяя величину опорного напряжения источника 9, устанавливают световую метку в характерные точки кривой перемагничивания и по индикатору 17, отградуированному в единицах индукции магнитного поля, производят отсчет измеряемого параметра образца.

Реализация устройства производится на современной элементной базе и не вызывает каких-либо технических трудностей. Так, масштабируемые усилители, интегратор, регулируемые источники напряжения и др. аналоговые узлы могут быть выполнены она операционных усилителях, формирователь метки - на ИМС цифровой логики, цифровые индикаторы - на АЦП, например 572 ПВ, и совместимых с ними семисегментных ИМС типа ЗЛС 324Б.

Перемагничивающая катушка в виде двух секций, разнесенных одна от другой на расстояние, равное их радиусу, представляет известную в технике магнитометрии систему колец Гельмгольца и обеспечивает высокую однородность перемагничивающего поля.

Дополнительная компенсационная обмотка, питаемая от регулируемого источника постоянного тока, позволяет скомпенсировать геомагнитное поле и другие постоянные магнитные поля.

Механизм регулирования направления магнитной оси позволяет устранять прямое воздействие перемагничивающего поля на измерительную катушку.

Конструктивное размещение измерительной катушки на двух каркасах и встречно-последовательное включение их обмоток позволяет нейтрализовать влияние переменного поля помех с частотой, равной частоте перемагничивания.

Цифровые индикаторы амплитуды поля перемагничивания и мгновенного значения поля, соответствующего положению яркостной метки, обеспечивают оперативность измерений и исключают погрешность, имеющую место в случае использования стрелочных измерительных приборов.

Источники информации

1. В.Д. Молчанов "Магнитная микроэлектроника". Ж. "Советское радио", М., 1997 г., стр.223.

2. "Современное состояние и пути развития методов и аппаратуры для исследования ферромагнитных материалов". Труды метрологических институтов СССР, М.-Л., Издательство Стандартов, 1967, вып.95 (155), стр.33.

3. Описание изобретения к авторскому свидетельству РФ №112328 "Устройство для определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов", кл. G 01 R 33/12, G 01 R 33/14, опубл. 07.09.84.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Технический результат - повышение точности измерения. Для достижения данного результата перемагничивающая обмотка выполнена двухсекционной с разнесением секций одна от другой на расстояние, равное их радиусу. При этом обмотка содержит дополнительную компенсационную обмотку, которая соединена с регулируемым источником постоянного тока и снабжена механизмом регулирования магнитной оси. Измерительная обмотка намотана на двух каркасах, расположенных в пределах длины проверяемого образца, ее обмотки включены встречно-последовательно с входом второго усилителя. При этом магнитные оси обмоток перпендикулярны. Регулятор напряжения и источник опорного напряжения содержат цифровые индикаторы амплитуды поля перемагничивания и значения поля перемагничивания. 2 ил.

Устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнитных материалов, содержащее последовательно соединенные источник переменного тока, регулятор напряжения, перемагничивающую катушку, резистор, первый масштабируемый усилитель, выход которого соединен со входами фазовращателя, входом канала горизонтальной развертки луча осциллографа и первым входом формирователя метки, второй вход которого соединен с выходом регулируемого источника опорного напряжения, а выход - со входом канала яркостной модуляции луча осциллографа, измерительную катушку, подключенную ко входу второго масштабируемого усилителя, интегратор, первый вход которого соединен с выходом второго масштабируемого усилителя, второй вход - с выходом фазовращателя, выход второго масштабируемого усилителя соединен со входом канала вертикальной развертки луча осциллографа, отличающееся тем, что перемагничивающая катушка выполнена двухсекционной с разнесением секций одна от другой на расстояние, равное их радиусу, содержит дополнительную компенсационную обмотку, которая соединена с регулируемым источником постоянного тока и снабжена механизмом регулирования магнитной оси, измерительная катушка намотана на двух каркасах, расположенных в пределах длины проверяемого образца, ее обмотки включены встречно-последовательно со входом второго масштабируемого усилителя, а магнитные оси перпендикулярны оси перемагничивающей катушки, регулятор напряжения и источник опорного напряжения содержат цифровые индикаторы амплитуды поля перемагничивания и значения поля перемагничивания, соответствующего положению яркостной метки на кривой перемагничивания образца.