Гистериограф Советский патент 1987 года по МПК G01R33/06 G01R33/14 

1359762

Изобретение относится к средствам измерений свойств магнитных материани

лов.

Известен гистериограф, который содержит систему намагничиванияиспыты- ваемогообразца, обмотка которой подключена к выходу генератора переменног тока, первичные преобразователи магнитной индукции в образце и напряженности намагничивающего образец магнитного поля, выполненные на датчиках Холла, которые записаны от генератора |биполйрньпс импульсов, период повторения которых почти равен периоду намагничивающего поля, и подключены к входам двух соответствующих измерительных трактов, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных усилителя переменного тока, амплитудного фазочувст вительного детектора, опорный вход которого подключен к генератору би - полярных импульсов посредством формирователя однополярных импульсов, и полосового фильтра, графопостроитель входы которого подключены к выходам измерительных трактов, и систему (элемент) компенсации влияния намагничивающего поля на тракт измерения магнитной индукции в испытываемом образце.

Однако на преобразователь индукции в испытываемом образце в общем случае действует внешнее намагничивающее испытываемый образец магнитное поле, а воздействие намагничивающего поля на преобразователь индукции в образце приводит к искажению формы регистрируемой динамической петли гистерезиса, и тем самым снижает . точность определения параметров испытываемого образца, например потока насьщения магнитной пленки.

Предназначенная для устранения этого недостатка система компенсации влияния намагничивающего поля на тракт измерения индукции в испытываемом образце требует периодической ее

подстройки, поскольку влияние намагничивающего поля на тракт измерения индукции изменяется во времени из-за непостоянства температуры окружающей среды и других факторов. Необходимость проведения периодической настройки системы.компенсации ограничивает точность и быстродействие процесса регистрации динамической петли гистерезиса.

Целью изобретения является повышение точности регистрации динамичес-

0

5

0

5

0

кой петли гистерезиса.

Цель достигается тем, что в гис- териографе, содержащем блок намагничивания, обмотка которого подключена к выходу генератора, генератор биполярных импульсой, первичные преобразователи индукции и напряженности на Датчиках Холла, подключенные к входам двух соответствующих измерительных Т1 актов, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных усилителя переменного тока, амплитудного фазочувствительного детектора, опорный вход которого подключен к генератору биполярных им- пульсов через формирователь однополярных импульсов, и полосового фильтра, подключенного к входу графопостроителя, и компенсатор влияния намагничивающего поля на тракт измерения магнитной индукции, компенсатор влияния намагничивающего поля на тракт измерения магнитной индукции выполнен в виде генератора спаренных однополярных импульсов, синхронизируемого генератором переменного тока, подключенного к нему первого сумматора, вьгход которого подсоединен к токовой цепи первичных преобразователей, последовательно соединенных с выходом усилителя переменного тока измерительного тракта индукции, третьего амплитудного фазочувствительного детектора, опорный вход которого подключен к генератору спаренных импульсов, фильтра

0 верхних частот, фазочувствительного детектора, перестраиваемого делителя, сигнальньй вход которого подсоединен к выходу первичного преобразователя напряженности магнитного поля и второго сумматора, второй вход которого связан с выходом первичного преобразователя индукции, а также формирователя разнополярных расщиренных импульсов, вход которого подключен к выходу генератора спаренных однополярных импульсов, а выход - к опорному входу фазочувствительного. детектора. При этом цепь синхронизации генератора спаренных однополярных импульсов выполнена в виде перестраиваемого блока задержки, первый вход которого связан с генератором переменного тока, управляющий вход nof ключей к генератору биполярных им5

5

0

5

пульсов, а выход - к входу генерато- ра спаренных однополярных импульсов. На фиг. 1 изображена структурная схема гйстериографа; на фиг. 2 - графические материалы, поясняющие принцип его работы, и динамические петли гистерезиса, .поясняющие эффект увеличения точности регистрации.

Устройство состоит из испытываемого образца 1, блока 2 намагничивания, обмотка 3 которого подключена к генератору 4 переменного тока. В блоке 2 намагничивания размещены также первичный преобразователь 3 индукции в испытываемом образце и первичный преобразователь 6 напряженности намагничивающего поля. Эти преобразователи выполнены на датчиках Холла, токовые цепи которых подключены посредством сумматора 7 к генератору 8 биполярных импульсов, период которых соизмерим с периодом генератора 4 переменного тока, и к генератору 9 спаренных однополярных импульсов, синхронизируемому генератором 4 переменного тока. К выходу первичного преобразователя 6 напряженности намагничивающего поля подключен вход соответствующего измерительного тракта, составленного из последовательно соединенных усилителя 10, амплитудного фазочувствитель- ного детектора 11 и полосового фильтра 12, выход которого подключен к одному из входов графопостроителя 13. Вход измерительного тракта сигналов первичного преобразователя магнитной индукции в образце (последовательно соединенные усилитель 14, амплитудный фазочувствительный детектор 15 И полосовой фильтр 16, выход которого подключен к второму входу графопостроителя 13) подсоединен посредством сумматора 17 к выходу первичного преобразователя 5 индукции в образце и к выходу управляемого перестраиваемого делителя 18, сигнальный вход которого подключен к выходу первичного преобразователя 6 напряженности намагничивающего поля. Опорные входы амплитудных фазочувствительных детекторов 11 и 15 подключены к генератору 8 посредством формирователя 19 однополярных импульсов, к в ыходу усилителя 14, используемого в канале измерения индукции в испытываемом образце, дополнительно подключена цепь из последовательно.соединенных

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

амплитудного фазочувствительного детектора 20, опорный вход которого подключен к генератору 9 однополярных спаренных импульсов, фильтра 21 верхних частот, фазочувствительного детектора 22, опорный вход которого подключен посредством формирователя 23 разнополярных рагаиренных импульсов к выходу генератора 9 спаренных импульсов, и фильтра 24 нижних час.- тот, к выходу которого подключен управляющий вход перестраиваемого делителя 18. Цепь синхронизации генератора 9 спаренных однополярных импульсов от генератора 4 переменного тока содержит перестраиваемый блок 25 задержки, управляющий вход которого подключен к генератору 8 биполярных импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Испытываемый образец 1 периодически перемагничиваетСя переменным магнитным полем, создаваемым блоком 2. На первичньш преобразователь 5, установленный вблизи испытываемого образца, действует магнитное поле рассеяния образца, а также определенная (нескомпенсированна) часть напряженности внешнего магнитного поля.

На преобразователь 6 напряженности внешнего магнитного поля аналогичное действие оказывает поле рассеяния образца, но поскольку напряженность внешнего магнитного поля несоизмеримо вьш1е напряженности поля рассеяния образца, то влиянием последнего можно пренебречь и учитывать только составляющую напряженность внешнего намагничивающего поля.

Первичные преобразователи 5 и 6, выполненные на датчиках Холла, запи- тываются от генератора 8 биполярных импульсов и генератора 9 спаренных однополярных импульсов. Поскольку импульсы этих генераторов разнесены во времени, а в трактах измерения индукции в испытываемом образце и напряженности намагничивающего поля находятся фазочувствительные детекторы 11 и 15, на опорные входы которых подаются сигналы, синхронные с импульсами соответствующих генераторов, то рассмотрение работы данных трактов можно проводить на основании только холловских ЭДС, возникающих за счет взаимодействия управляющего тока датчиков Холла в виде биполярных импульсов и соответствующих времени формирования этих импульсов мгновенных значений индукции в образце и напряженности намагничивающего поля. Поскольку частота следования биполярных импульсов управляющего тока датчиков Холла не равна частоте намагничивающего поля, а отличается от таковой на малую величину, то вы- ходные напряжения измерительных трактов повторяют форму индукции в испы- тьшаемом образце 1 и напряженности намагничивающего поля с разностной частотой рассмотренных сигналов (как это имеет место в стробоскопических установках). Графопостроитель 13 использует данные выходные напряжения для построения кривой динамической петли гистерезиса испытьтаемого образца (фиг.2).

На фиг. 2 приведены кривые а и б предельной динамической петли гистерезиса одного и того же испытываемого образца; кривая а соответствует истиной предельной динамической, петле гистерезиса и характеризуется явно выраженными горизонтально расположенными участками в начальной час- ; ти обратных ее ветвей (участок от т. I до т. II в первом квадранте .и аналогичный участок в третьем квадранте) . Уровень залегания этих участков определяется индукцией насыщения испытываемого образца. Естественно, что крутизна указанных участков кри- ;Вой неискаженной петли гистерезиса должна быть равна нулю.

Кривая б соответствует искаженной :форме петли гистерезиса. Этот вид искажений обуславливается влиянием намагничивающего поля на тракт изме- рения индукции в испытываемом образце (появление в данном тракте сигнала, пропорционального напряженности намагничивающего поля). Наличие искажений формы регистрируемой петли гистерезиса легко обнаруживается, кай это подтверждается сравнением приведенных кривых а и б, по изменению крутизны начальных участков обратных ветвей петель гистерезиса.

Измерение крутизны указанньпс участков петель гистерезиса производится в предлагаемом гистериографе следующим образом.

Генератор 9 периодически формирует однополярные, прямоугольные спаренные импульсы, которые поступают в

0

5

5

токовые цепи датчиков Холла, используемых в качестве первичных преобра- зователей. Формирование первого из этих импульсов осуществляется в момент времени, когда напряженность намагничивающего поля близка к своему максимальному (амплитудному) значению.Формирование второго импульса производится по истечению некоторого промежутка времени, в течение которого напряженность намагничивающего поля существенно снижается, но испытываемый образец 1 еще находится в полностью намагниченном состоянии (насыщение образца) (на фиг. 2 совмещенная осцилограмма I напряженности намагничивающего поля и управляющего тока датчиков Холла, на которой импульсы тока,сформированные генератором биполярных импульсов 8, в отличие от спаренных импульсов генератора 9 с целью наглядности изображены пунктирными линиями). Поскольку при записи предельных прямоугольных петель гистерезиса используют намагничивающее поле, амплитудное значение напряженности которого превьшает в 4-5 раз значение коэрцитивной силы испытываемого образца, то временной интервал между двумя спаренными импульсами при этом может быть установлен до двух десятых периода намагничивающего поля. Необходимая синхронизация времени следования спаренных импульсов относительно -напряженности намагничивающего поля осуществляется цепью синхронизации генераторов 9 и 4 переменного тока.

Взаимодействие управляющего тока Датчиков Холла в виде спаренных им пульсов с действующими на -эти датчики магнитными полями приводит к появлению на выходах преобразователей g спаренных импульсов, амплитуда определяется мгновенными значениями напряженности действующих на них полей. На осцилограмме 2 (фиг.2) представде- ны спаренные импульсы на выходе преобразователя индукции, соответствующие двум случаям. В случае (а), когда на первичный преобразователь 5 индукции в испытываемом образце 1 действует только поле рассеяния образца, его выходное напряжение . представляет собой импульсы равной амплитуды, амплитудное значение которых определяется индукцией насыщения испытьшаемого образца. При отсутст0

5

0

0

5

ВИИ испытываемого образца и при от- сутствии влияния намагничивающего поля на преобразователь 5 индукции на его выходе спаренные импульсы вообще не наблюдаются, В случае (б), когда результирующая напряженность действующих на преобразователь магнитных полей определяется суммой напряженности поля рассеяния образца и некоторой (нескомпенсированной) части напряженности намагничивающего поля, выходное напряжение преобразователя индукции представляет собой спаренные импульсы на выходе преобразователя магнитной индукции, причем в образце 1 они будут наблюдаться и в случае влияния намагничивающего поля на данный преобразователь при отсутствии испытываемого образца Таким образом, разность амплитудных значений спаренных импульсов определяет степень влияния намагничивающего поля на преобразователь индукци в испытываемом образце.

На входе усилителя 14 наблюдаются спаренные импyльdы, соотношение амплитуд которых определяется соотношением амплитуд спаренных импульсов двух сигналов: входного импульсного напряжения преобразователя индукции в образце 1 и импульсного напряжения снимаемого с выхода перестраиваемого делителя 18. Полярность и амплитуда спаренных импульсов выходного напряжения перестраиваемого делителя 18 устанавливаются такими, чтобы данное напряжение компенсировало составляющую выходного напряжения преобразователя индукции, обусловленную влиянием на этот преобразователь намагничивающего поля. В случае взаимной компенсации указанных составляющих на входе усилителя 14 наблюдаются спаренные импульсы равной амплитуды (без испытываемого образца амплитуда спаренных импульсов соответственно равна нулю), При преобладании одной из указанных составляющих над другой баланс амплитуд спаренных импульсов на входе усилителя 14 нарушается, при этом в зависимости от знака раз- баланса наблюдается преобладание амплитуды первого импульса над амплитудой второго или наоборот. Усиленные спаренные импульсы поступают с выхода усилителя 14 на сигнальный вход амплитудного фазочувствительно- го детектора 20, на опорный вход ко0

5

0

5

торого поступают спаренные импульсы с генератора 9. Форма входного напряжения детектора 20 представлена на ос- цилограмме 3 (фиг.2). В случае а данное напряжение представлет собой практически постоянное напряжение. В случае б выходное напряжение синхронного детектора 20 представляет пульсирующее напряжение, амплитуда пульсаций которого пропорциональна разности амплитуд спаренных импульсов, а полярность выбросов этого напряжения определяется направлением разбаланса компенсации. Поскольку информацию о разбалансе системы несут переменные составляющие выходного напряжения детектора 20, то они выделяются посредством фильтра 21 верхних частот и подаются на сигнальный вход фазочувствительного детектора 22. Детектор 22, на опорный вход которого подаются расширенные импульсы с формирователя 23 (осцилограм- ма 5), позволяет получить напряжение, полярность которого однозначно указывает напряжение разбаланса компенсации, а его амплитуда определяет амплитуду разбаланса системы компенсации влияния намагничивающего поля на тракт индукции в испытываемом образце 1. Это напряжение подается посредством фильтра 24 нижних частот, служащего для сглаживания- пульсаций и необходимой фазовой коррекции цепи 5 обратной связи, на управляющий вход перестраиваемого делителя 18. Под воздействием этого напряжения перестраиваемый делитель 18 изменяет свой коэффициент передачи до уровня, при котором поступающее на него напряжение минимально, а, следовательно, и разность амплитуд спаренных импульсов минимальна.

Таким образом, предлагаемая система компенсации представляет следящую систему с отрицательной обратной связью.

Далее остановимся на рассмотрении специфики выполнения цепи синхронизации генератора 9 от генератора 4.

Рассматривая работу основных трактов измерения и работу системы компенсации мы допускали условие - импульсы генераторов 9 и 8 разнесены во времени. В действительности же, как это было отмечено, первый импульс генератора 9 формируется во время максимальной напряженности на0

0

5

0

5

магничивающего поля, а его второй импульс - с некоторым временем запаздывания относительно первого импульса, т.е. спаренные импульсы имеют вполне определенное местоположение относительно напряженности намагничивающего поля, В отличии от ни .биполярные импульсы i генератора 8 в процессе записи динамической петли гистерезиса плавно смещаются во времени относительно напряженности намагничивающего поля. Таким образом, в некоторые моменты времени могло, бы произойти совпадение импульсов генераторов 8 и 9, что неизбежно привело бы к взаимному влиянию этих кратковременных взаимных влияний каналов и пришлось бы ограничивать их быстродействие за счет увеличения

постоянной, времени полосовых фильтров 12 и 16 и фильтра нижних частот. Для обеспечения максимального быстродействия гистериографа рассматриваемая цепь синхронизации выполнена в виде перестраиваемого блока 25 задержки, управляющий вход которого подключен к генератору 8 биполярных импульсов. Назначение этого блока - исключение возможности совпадения импульсов генераторов 8 и 9. Это достигается за счет изменения времени задержки блока 25 задержки, кото- рым обеспечивается дополнительное смещение спаренных импульсов относительно своего исходного положения на небольшую величину в моменты возможного совпадения импульсов указанных генераторов.

/

а

/. t У

ГП

п

f

-.1 6.

сриа2

Составитель Е.Данилина Редактор Т.Парфенова Техред А.Кравчук

/

Корректор В.Бутяга

Заказ 6152/49 Тираж 730 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

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