Устройство для измерения магнитострикции образцов микронных толщин Советский патент 1986 года по МПК G01R33/18 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для исследования магнитострикциоимьк свойств магнитных материалов в образцах малой тюлщины.

Цель изобретения - повышение точности измерения 1агнитострикдай образцов в широком диапазоне изменения температуры и магнитного поля.

Тепловой ультразвуковой преобразо ватель, подключенный к генератору 1салибрующих иш1ульсов со стабилизи- ров анисй энергией, позволяет возбуждать, р сердечнике на нитоупругого датчика импульсы механического напря жения G постоянной амплитудой независящей от тег пературы окружающей среды и напряженности внешнего поля. Эти импульсы механического напряжени используются для калибровки чувстви- тецьности устройства и автоматическо ее стабилизации путем управления коэффициентом усиления усилителя.

На фиг. 1 изображена блок-схема П1 едпагаемого устройстваV на фиг.2 - блок-схема генератора кадибрукмцих импульсов.

Исследуемый образец 1 в виде ленты или проволоки акустически соедине (например склеен, сварен, спаян) с .сердечником 2 магнитоупругого датчи- Iка, который выполнен в форме полосы ;из магнитного материала, чувствитель ного к действию механического напряжения (например, из пермендкфа) По- ляриэукэдсая обмотка 3 и намагничивающая обмотка 4 расположены COOCHO и симметрично Друг другу и охватывают исследуемый обрааец 1. Поляризукяцая обмотка 3 подключена к выходу источ- ника 5 подяризукщего тока, а намагничивающая обмотка 4 - к выходу генератора 6 намагничиваюдах импульсов тока. Измерительная обмотка 7 охватывает сердечник 2 магнитоупругого дат чика и подключена к входу усилителя 8. Сердечник магнитоупругого датчика акустически соединен с тепловым ультразвуковым преобразователем 9 из немагнитного металла, который мо- жет быть вьтолнен, например, из вольфрамовой ленты. Разветвленный участок преобразователя 9, намагйи- чивающая обмотка 4 и измерительная обмотка 7 имеют одинаковую длину.Кон ЦЫ ветвей преобразователя 9 подключены к выходу генератора 10 калибру- Ю1Щ1Х импульсов, который выполнен со

схемой стабилизации энергии импульсов. Выход усилителя 8 соединен с сигнальным входом коммутатора 11. К одному из выходов коммутатора 11 подключен регистрирукяций блок 12 (например, вольтметр), а к другому - амплитудный дискриминатор 13. Выход амплитудного дискри данатора соединен с входом интегратора 14, а выход интегратора - с управляюидам входом усилителя 8. Оба генератора 6 и 10 импульсов тока и коммутатор 11 управляющими входа ш соединены с соответствующими выходами синхронизатора 15. Генератор 10 калибрующих иш1уль- сов (г. 2) выполнен со схемой стабилизации энергии импульсов и содержит усилитель 16 мощности, управляе- мьй ограничитель мощности 17 уровня, управляемый проходной элемент 18 (например, сильноточный транзистор), аналоговый перемножитеяь 19, интегратор 20 с малой постоянной времени ин-: тегрирования, аьяшитудный детек.- тор 21, блок сравнения 22, источник 23 опорного напряжения, ин-гегратор 24 с большой постоянной времени интегрирования, конденсатор 25 и эталонный резистор 26. Нагрузкой генератора являются ветви теплового ультразвукова- го преобразователя 9, подключенные через yпpaвляe в lй проходной элемент к конденсатору 25.

Устройство работает следующим образом. ,

С вьбсодов ситсроиизато а 15 ив; управляняще входы генераторов 6 и Ю поступают непрерывнью последовательности импульсов одинаковой частоты, но сдвинутые относительно друг друга на половину периода следования. В намагничивающей об ьютке 4 ив ветвях преобразователя 9 от сортвётствуювцпс генераторов 6 и 10 поочер едно создаются импульсы тока..При протекании импульсного тока по ветвям преобра- доватеяя 9 они нагреваются и вследст- вие их теплового расширения в нем возбуждается однополярный импульс механического напряжения. Амплитуда этого импульса б, определяется по формуле

ot- E-Q

(1)

где ot- коэффициент линейного теплового расширения материала преобразователя;

Е - модуль зшругости материала преобразователя;

d - плотность материала преобразователя,

Су - удельная теплоемкость материала преобразователя,

L - длина разветвленной части преобразователя j

b - ширина ветвей; .

h - толщина ветвей;

Q - тепловая энергия, вьделившая- ся в ветвях за время протекания калибрующе го «мцул ь са т ока.

Q и

де

(

в ветвях преобразователяJ U(t) - напряжение на концах ветвей;

t длительность импульса тока

Почти все члены, содержащиеся в выражении (1),. в той или иной степени зависят от температуры. Из физики твердого тела известны следуняцие соотношения:

3(1-2fi) Ё

где

/5уС , /3

f

2)

/5 -сжижаемость материала;

Х - постоянная Грюнайзена; If 2;

- коэффициент Пуассона. Кроме того, произведение 2l,bhd равно массе m ветвей преобразователя.. Произведя такую замену и подставив (2) в (1), получим

V и, . 3()Q (3)

Поскольку коэффиЕрент Пуассона практически не зависит от температуры, то при одинаковой величине тепловой энергии, вьделяющейся в ретвях преобразователя при прохождении чере них калибрую1цих импульсов тока, амплитуда возбуждаемых импульсов механического напряжения будет постоянна в широком диапазоне температур и может быть рассчитана по формуле (1) или (3).

Закон Джоуля-Ленца о количестве теплоты, вьщеляющейся в проводнике при протекании по нему электрического тока, не изменяется при воздействии на проводник внешнего магнитного поля. Поэтому магнитное поле также не будет влиять на амплитуду импуль са механического напряжения, возбуж даемото в ветвях преобразователя.

Стабилизация энергии калибру|шцих ИМПУЛЬСОВ осуществляется следующим образом.

.

10

J ;

fS

20

30 .

4О

12380114

Из синхронизатора 15 на вход усилителя 16 поступают импульсы отрицательной полярности. На вьпсоде ограни чителя 17 эти импульсы ограничивают- 5 ся по 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 перамножитель Т9 и да лее на интегратор 20, невыходе которого получается импульс напряжения с амплитудой, пропорщюнальной тепловой энергии, выделившейся в ветвях преобразователя 9 за время протекания 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, вырабаты- источником 23, и поступает на вход интегратора 24. При равенстве напряжения на выходе a шлитyднoгo Детектора 21 и опорного нап яжения уровень ограничения амплитуды, входного импульса остается неизменным.

Если в результате изменения температуры изменяется электросопротивление 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.

Калибрую{(ий импульс механического напряжения, распространяясь по преобразователю 9, переходит в сердечник 2 магнитоупругого датчика. При этом его амплитуда изменяется я становится

25

45

равной tfj

(, с.

2Si

S, -- S,

My

SMV

где S, - площадь сечения преобразоваг теля 9i

площадь сечения сердечника 2 магнитоупругого дат- .чика.

Распространяясь по сердечнику 2 магнитоупругого датчика, калибрующий

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 пропорциональна амплитуде и myльca механического напряжения:

,AnVS

му

где п V А.-:

плотность витков измерительной обмоткиJ

скорость распространения импульса механического напряжения J .

величина магнитоупругой чувствительности сердечника маг- нитоупругог.о датчика. Электрический импульс с измерительной обмотки 7 после усиления усилителем 8 через коммутатор 11 поступает на вход амплитудного дискриминатора 13. В а шлитудном дискриминаторе производится сравнение амплитуды усиленного электрического импульса с опорным напряжением U и вырабаты- .вается сигнал ошибки, пропорциональный их разности, который подается на вход интегратора 14. В результате уровен. напряжения на выходе интегратора изменяется и в соответствии с этим корректируется величина коэффициента усиления усилителя 8 так, чтобы амплитуда импульса на входе дискриминатора была равна опорному напряжению. В этом случае коэффициент чувствительности устройства будет ра- UO .

импульсы тока, соэдаваемые генератором 6 намагничивакяцих импульсов тока со сдвигом в половину периода повторения относительно возбуждающих - импульсов, протекают по намагничивающей обмотке 4. Возникающее магнитное поле изменяет намагниченность участка образца под намагничивающей обмоткой 4 от некоторого исходного состояния, задаваемого магнитным полем по- ляризукщей обмотки 3, до насыщения. Вследствие магнитострикционного эффекта в образце возникает импульс механического напряжения с амплитудой б

сер

06

f

Ani -lltl

вр.

0

5

0

5

,где Egg - модуль упругости материала

образца- - магнитострикция насыщения

образцаJ I - исходная намагниченность.

образтщ.

После перехода в сердечник 2 магнитоупругого датчика амплитуда этого импульса изменится до величины бд.:

9 с.

1 ( 6.й.

о. s;;p s;;

где 5 - площадь сечения образца.

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

% c, Этот импульс усиливается усилителем 8 и через коммутатор 11 поступает на регистрирующий б;лок 12, с помощью которого определяется его амплитуда и,.

Величина магнитострикции исследуемого образца рассчитывается по формуле

4Л

Я - ЛГ1 л -5Pi- §««ti-§« l , (UкS.. F.

osp где Ugjjjji - показание регистрирующего

блока.

Источник 5 поляриэующего тока и поляризующая обмотка 3 предназначены для изменения исходной намагниченности образца при построении зависимое- тей магнитострнкции от намагниченности dj или от напряженности магнитного поля ),

1аким образом, в предлагаемом устройстве калибровка чувствительности происходит автоматически и при тех же условиях, что и измерение магнитострикции исследуемого образца. В результате этого существенно ослабляется влияние на точность измерения таких факторов как температура, пос- тоянныг 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.

содержащее акустически соединенные Образец и сердечник магнитоупругого датчика разомкнутой форьв, цепь поляризации образца, состоящего из последовательно соединенных источника поляризующего тока и поляризующей об моткИ) цепь намагничивания образца, состоящую из последовательно соединенных синхронизатора,, генератора импульсов намагничивающего тока и на- : магничивающей обмотки измерительную цепь, включающую интегратор, регистрирующий блок и последовательно соединенные измерительную обмотку,, охватывающую сердечник магнитоупругого Датчика, и усилитель, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что, с целью повьшге- ния точности измерения магнитос Р к щ{и образцов в широком диапазоне изменения температуры и магнитного йо- ля, в него дополнительно введены последовательно рое инённые коммутатор и a шлнтyдный дискриьшнатор, а также последовательно соединенные гёнер:а- тор калйбрукярхиьшульсов, имеющий схему стабилизации энергии импульсов и тепловой ультразвуковой пр1еобразо- ватель в виде отрезка злектропрово- дящего немагнитного материала, один конец которого разветвлен и является входом преобразователя, выход амплитудного дискриминатора через интегра- тор подключген к управлЯ1вщему усилителя, вьпсод которого подключен к сигнальному входу коммутатора,второй выход подключен к регистрирующе-, му блоку, а управляклций вход - к второму выходу синхронизатор, третий . выход которого подключен к входу генератора калибрукнцих импульсов, причем тепловой ультразвуковой преобразователь неразветвленным концом акустически соединен с сердечником магнитоупругого датчика со стороны, про- тивополоясной образцу.

2. Устройство по п. 1, о т л и- чающееся тем, что генератор- калибрующих импульсов выполнен в виде последовательно соединенных усилителей мощности, управляемого ограничителя уровня, управляемого проходмЬ- го элемента, аналогового п аремножй- теля, китегратора с малЫ постоянной времени интегрировакия, амплитудногсг детектора, блока сравнения it интегратора с большой постоянной времени,. свсжм выходом средщненного с вторш входом управляемого ограни айтеля уровня, а также источника опорного напряжения, подключенного к второму входу блока сравнения и последова- , тельно соединенного с проходным зле ментом конденсатора и эталонного резистора, подключенного к Bfopotfy . входу аналогового пере14НО11а1теля пер-«- вый вход которого соединен с выходом генератсфа калибруюв х импульсов, а выход усилителя мощности - с его входом.

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть ис пользовано для исследования магнито- стрикционных 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, подклйчент- ный к генератору калибрующих импульсов со стабилизированной энергией, возбуждает в сердечнике магнитоупру- гого датчика импульсы механическог о напряжения с постоянной амплитудой, не зависящей от темпера туры окрзпканг- щей 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