Магнитооптический гистериограф Советский патент 1987 года по МПК G01R33/12 G01R33/14 

. Изобретение относится к области магнитоизмерительной техники, в частности к магнитооптическим гистерио- графам для регистрации динамической петли магнитного гистерезиса, основанным на эффектах Керра и Фарадея, и может быть использовано для изучения магнитных свойств макро- и микроучастков образцов различных классов ферромагнетиков на предприятиях, изготавливакицих изделия вычислительной техники, звукозаписи, интегральной оптики, робототехники, энергетики и разрабатывающих новые магнитные материалы и приборы для ис следования магнитных свойств тонких магнитных пленок, пластин и поверхностных слоев массивньк образцов.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг, 1 приведена структурная схема магнитооптического гистериогра фа , на фиг, 2 - временные диаграммы работы устройства.

В магнитооптическом гистериографе в намагничивающую систему 1 с преобразователем 2 напряженности мах нит ного поля в электрический сигнал, подключенную к генератору 3 переменного тока, помещен образец 4, оптически связанный через поляризатор 5 с импульсным источником 6 излучения и через последовательно установленные компенсатор 7 и анализатор 8 - с фотоприемником 9, Выход фотоприемника 9 через узкополосный усилитель 10, синхронный детектор 11, усилител 12 постоянного тока и два ключа 13 и 14 соединен с концами обмотки компенсатора 7, средний вьшод которо соединен с первым выводом шунта 15 и Y-входом двухкоординатного регистратора 16, Второй вывод шунта 15 соединен с общей шиной. Выход генератора 3 переменного тока через первый генератор 7 пилообразного напряжения и первый компаратор 18 соединен с вторым входом коммутатора 19 и через инвертор 20, второй генера- тор 21 пилообразного напряжения и второй компаратор 22 - с первым входом коммутатора 19, а вторые входы компараторов 18 и 22 соединены с генератором 23 линейно изменяющегося напряжения. Выход коммутатора 19 через формирователь 24 импульсов соединен с синхронизирующим входом импульсного источника 6 излучения.

5

0

5

Q

Х-вход двухкоординатного регистратора 16 через стробоскопический преобразователь 25 - с преобразователем 2 напряженности магнитного поля в электрический сигнал, первый выход генератора 26 прямоугольного напря- жения - с управляющим входом первого ключа 13, а второй выход - с управляющим входом второго ключа 14, опорным входом синхронного детектора 1 1 и управляющим входом коммутатора 19,

Устройство работает следующим образом.

Генератор 3 переменного тока вырабатывает ток заданной частоты, который намагничивающей системой 1 преобразуется в магнитное поле с напряженностью Н, перемагничивающее образец 4 (фиг, 2а). Напряжение с выхода генератора 3 переменного тока поступает на первый генератор 17 пилообразного напряжения непосредственно, а на второй генератор 21 - через инвертор 20, В результате этого генераторы Т7 и 21 вьфабатывают пилообразные напряжения с частотой, определяемой генератором 3 переменного тока, но сдвинутые один относительно другого на 180, Эти напряжения поступают на первые входы компараторов 18 и 22, на вторые входы которых поступает медленно нарастающее напряжение от генератора 23 линейно изменяющегося напряжения. На выходах компараторов 18 и 22 формируются прямоугольные импульсы, фронты которых совпадают по времени с моментами равенства напряжений на их входах. В соответствии с изменением напряжения на выходе генератора 23 линейно изменяющегося напряжения фаза импульсов, формируемых на выходах компараторов 18 и 22 относительно сигна- 5 ла генератора 3, линейно нарастает.

0

5

Q

Эти импульсы поочередно, с частотой, определяемой генератором 26 прямоугольного напряжения, подаются 0 коммутатором 19 на вход формирователя 24 импульсов, который по передним фронтам поступакнцих импульсов выраба- тьшает короткие импульсы , (с большой скважностью), управляющие импульсным источником 6 излучения. Импульсный источник 6 излучения Генерирует импульсы излучения, следующие с частотой, определяемой генератором 3 переменного тока, фаза которых изменя55

313

ется на 180° с частотой, определяемой генератором 26 прямоугольного напряжения. Импульсный световой поток Г (фиг . 26) проходит поляризатор 5 и падает на образец 4. Азимут поляри- заций отраженных (пр ошедших) от образца 4 импульсов изменяется на угол, пропорциональный мгновенной намагниченности образца М (фиг. 2в) в момент действия импульсов излучения. Сле- довательно, для импульсов, фазы которых сдвинуты на 180°, изменения азимута равны по величине и противоположны по знаку.

Далее импульсы излучения проходят

компенсатор 7, который изменяет их азимут поляризации на угол, пропорциональный протекающему через его обмотку току, анализатор 8, который преобразует изменения азимута поляризации в изменения интенсивности, и преобразуются фотоприемником 9 в электрический сигнал U (фиг„ 2г.). Узкополосный усилитель 10 выделяет из зтого сигнала гармонику U (фиг. 2д) с частотой, определяемой генератором 26 прямоугольного напряжения, усиливает ее, а синхронный детектор 11 детектирует. Выходное напряжение синхронного детектора 11 усиливается усилителем 12 постоянно- го тока и с помощью ключей 13 и 14, управляемых генератором 26 прямоугольного напряжения, подается поочередно в первую и вторую половины обмотки компенсатора 7. При этом величина тока, протекающего в обмотке компенсатора 7 1ц (фиг. 2е), устанавливается такой, чтобы первая гар- моника на выходе фотоприемника 9 стремилась к нулю. Постоянный ток, протекающий через шунт 15 компенсато ра 7, равен амплитуде переменного тока, протекакщего через обмотку компенсатора 7. Напряжение, снимае-- мое с шунта 15, поступает на Y-вход двухкоординатного регистратора. Напряжение с выхода преобразователя 2 напряженности магнитного поли в электрический сигнал поступает на вход стробоскопического преобразователя 25, на синхронизирукмций вход . которого подаются импульсы с выхода первого компаратора 18.

Уравнение измерения имеет вид: S v(cot) C( wt)ty (1)

где о - магнитооптический угол вращения плоскости поляризации в компенсатореi

(ot) - магнитооптический угол вращения плоскости поляризации пропорциональный намагниченности образца, является периодической функцией с частотой перемагничивания Q; O(cOt) - периодическая функция с частотой СО , описывающая форму импульсов излучения; Y - угол между плоскостью пропускания анализатора и положением скрещения с поляризатором (неточность установки скрещенного положения). Свертка Lf ( cot) G( wt) является функцией фазового сдвига между ij(a}t) и б (tot)j который за время измерения изменяется на 21.

Угол не остается постоянным, а изменяется из-за механических смещений поляризационных приборов и изменений двулучепреломления образца и рабочих тел азимутального модулятора и компенсатора, связанных с флуктуациями температуры в элементах конструкции в процессе регистрации петли гистерезиса.

При замкнутом первом ключе 13 магнитооптический угол вращения плоскости поляризации в компенсаторе может быть представлен выражением

S, LV (cot)f G(ut)l-)f

(2)

Так как ключи работают синхронно с коммутатором 19, то при замкнутом втором ключе 14 импульсы излучения сдвинуты по фазе на 180 и магнитооптический угол вращения плоскости поляризации в компенсаторе определяется выражением:

S2 c ((ot)G(ut H-iT )1-у (3)

Разложив функцию G (cat) в ряд Фурье ее можно записать в виде двух сумм, первая из которых содержит четные, а вторая - нечетные гармоники:

6(cot) а cos(2ncot +С{) ) +

2п

+ Z1 а cos (2п - 1) cot +Ч гп-Г1 ()

П- in-1

функция О (lOt + ii ) может быть записана аналогично.

C(ut + )- + ZI a cos(2nu)t +

Mai

,„.,соз(2п - Dot +

Чгп-,.

При замкнутом первом ключе 13 ток, протекающий в обмотке компенсатора, пропорционален магнитооптическом/ углу вращения с коэффициентом пропорциональности L, зависящим от конструкции компенсатора:

i, L8,.

При замкнутом втором ключе 14 ток определяется аналогично, но имеет противоположный знак, так как протекает в обмотке в противоположном направлении:

Ч

Среднее значение тока в шунте 15 определяется средним арифметическим током обмоток:

i 1/2L(8, -S)

(7)

Из выражений (4), (5) следует: i ф («С)б цч(иг) ,(8)

т.е. ток, протекающий в шунте, не зависит от угла у между плоскостью пропускания анализатора и положением скрещения с поляризатором.

Таким образом, уменьшается погрешность, обусловленная дрейфом выходного сигнала, вызванного механическим смещением поляризационных приборов и

изменением двулучепреломления образца и рабочего тела компенсатора в процессе измерения, и тем самым повышается точность измерений.

Формула изобретения

Магнитооптический гистериограф, содержащий намагничивающую систему, подключенную к выкоду генератора переменного тока, и преобразователь напряженности магнитного поля в

электрический сигнал, импульсный ис

, fO

f5

20

25

30

5

50

55

точник излучения, оптически связанный через последовательно установленные поляризатор, компенсатор и анализатор с фотоприемником, первый компаратор, первый вход которого соединен с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, второй вход - через первый генератор пилообразного . напряжения с генератором переменного тока, а выход - с синхронизирующим входом стробоскопического преобразователя, соединенные последовательно фотоприемник, узкополосный усилитель и синхронный детектор, опорньй вход которого соединен с выходом генератора прямоугольного напряжения, усилитель постоянного тока, формирователь импульсов, выход которого соединен с синхронизирующим входом импульсного источника излучения, двух- координатный регистратор, Х-вход которого через стробоскопический преобразователь соединен с преобразователем напряженности магнитного поля в электрический сигнал, а Y-вход - с первым выводом шунта, второй вывод которого соединен с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены коммутатор, инвертор, второй компаратор, второй генератор пилообразного напряжения и .первый и второй ключи, при этом средний вывод обмотки компенсатора соединен с 1 выводом шунта, а первый и второй крайние вьшоды через первый и второй ключи, соответственно, соединены с выходом усилителя постоянного тока, причем управляющие входы первого и второго ключей соединены с первым и вторым выходами генератора прямоугольного напряжения, соответственно, выход генератора переменного тока через последовательно соединенные инвертор и второй генератор пилообразного напряжения соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого соединен с выходом генератора линейно изменякщегося напряжения, а выход - с первым входом коммутатора, второй вход которого .соединен с выходом первого компарато-. ра, выход - с входом формирователя импульсов, а управляющий вход - с одним из выходов генератора прямоугольных напряжений.

WWWWVWWl

mm

Pfia.2

Редактор H.Тупица

Составитель А.Сазонов

Техред Л.Сердюкова Корректор А.Ильин

Заказ 1214/45Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-папиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

I i 1 iJ

Изобретение предназначено для регистрации динамической петли гистерезиса . Цель изобретения - повьшение точности измерений. Устройство содержит намагничивакщую систему 1 с преобразователем 2 напряженности магнитного поля в электрический сигнал, генератор 3 переменного toKa, поляризатор 5 с импульсным источником 6 излучения, компенсатор 7, анализатор 8 с фотоприемником 9. Устройство также включает узкополосный усилитель 10, синхронный детектор 1Г, усилитель 12 постоянного тока, шунт 15, двухкоординатный регистратор 16, ге- нератор 17 пилообразного напряжения,- компаратор 18, генератсч 23 линейно- изменяющегося напряжения, формирователь 24 импульсов, стробоскопический преобразователь 25 и reliepaTop 26 прямоугольного напряжения. Введение коммутатора 19, инвертора 20, ключей 13 и 14, генератора 21 пилообразного напряжения и компаратора 22 уменьшает погрешность, обусловленную дрейфом выходного сигнала, вызванно- , го механическим смещением поляризационных приборов и изменением дву- лучепреломления образца 4 и рабочего тела компенсатора 7 в процессе измерения. 2 ил. i (Л Фиг.1