Устройство для измерения магнитострикции образцов микронных толщин

(19) (1 ьсы испаль твительносическойнйя коэф гн зуютс ти ус стабнл Фицие ф лые1 зепф 2 иле(71,) Ленинградский институт авиационного приборостроения и Институт пре"цизионных сплавов Центрального научно-исследовательского института черной металлургии им.: И.П.Бардина(56) Патент СВА йф 3.671.681кл. 1.79-100, 1972.Патент ФРГ В 1.274.386,кл. 4251/03, .1969.Авторское свидетельство СССРВ 1022087, кл. С 01 К 33/16, 1983(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЩ.РЕНЙЯ ИАГНИТОСТРИКЦИИ ОБРАЗЦОВ ИИКРОННЫХ ТОЛЩИН(57) Изобретение относится к областимагнитных измерений и может бытьиспользовано для исследования магнитострикционных свойств магнитных материалов в образцах малой величины.Цель изобретения - повьвение точности измерений в щирокомдиапазоне из-.менения температуры и магнитного поляПоставленная цель достигается в результате того, что тепловой ультразвуковой преобразователь, подключенный к генератору калибрукаих импуль"сов со стабилизированной энергией,возбуждает в сердечнике магнитоупругого датчика импульсы механическогонапряжения с постоянной амплитудой,не зависящей от температуры окружающей среды и напряженности виевнего ого поля Эти импул для калибровки. чувс ойства и ее автомат зации путем управле ом усиления усилителя38011 2 На Фиг, 1. изображена блок-схема предлагаемого устройства 1.на Фиг,2 - блок-схема генератора калибрующих импульсов.Исследуемый образец 1 в виде ленты или проволоки акустичесхи соединен. (например, склеен., сварен, спаян) с 1сердечником 2 .магнитоупругого датчика, который. выполнен в Форме полосы ;из магнитного ютериала, чувствительного к действию механического напря-жения (например, из пермендюра) Поляриэующая обмотка 3 и намагничивающая обмотка 4 расположены сооснои симметрично друг другу и охватывают исследуемый образец 1. Поляризующая обмотка 3 подк 1 почена к выходу источника 5 поляризующего тока, а намагничивающая обмотка 4 - к выходу генератора 6 намагничивающих импульсов тока. Измерительная обмотка 7 охваты,вает сердечник 2 магнитоупругого дат- ф чика и подключена к входу усилителя 8. Сердечник магнитоупругого датчика акустически соединен е тепловым ультразвуковым преобразователем 9 иэ немагнитного металла, который мо О жет быть выполнен, например, :из вольФрамовой ленты. Разветвленный участок преобразователя 9, намагничивающая обмотка 4 н измерительная обмотка 7 имеют одинаковую длину.Кон цы ветвей преобразователя 9 подключены к выходу генератора 1 О калибрующих импульсов, который выполнен со 30 ф но сдвинутые относительно друг друга12Изобретение относится. к магнитнымизмерениям и может быть использованодля исследования магнитострикционныхсвойств магнитных материалов в образцах малой толщины,Цель изобретения - повышение точности измерения магнитострикции образцов в широком диапазоне изменениятемпературы и магнитного поля.Тепловой ультразвуковой преобразователь, подключенный к генераторукапибрующих импульсов со стабилизированной энергией, позволяет возбуждать в сердечнике магнитоупругогодатчика импульсы механического напряжения с постоянной амплитудой, независящей от температуры окружающейсреды и напряженности внешнего поля,Эти импульсы механического напряженияиспользуются для калибровки чувстви- .теЛьности устройства и.автоматическойее стабилизации путем управления коэфФициентом усиления усилителя 5 16 5 25 схемой стабилизации энергии импульсов. Выход усилителя 8 соединен с сигнальным входом коммутатора 11. К одному из выходов коммутатора 11 подключен регистрирующий блок 12 (например, вольтметр), а. к другому - амплитудный дискриминатор 13, Выход амплитудного дискриминатора соединен с входом интегратора 14, а выход интегратора - с управляющим входом усилителя 8. Оба генератора 6 и 10 импульсов тока и коммутатор.11 управля" ющими входами соединены с соответствующими выходами синхронйзатора 15.Генератор 10 калибрующих импульсов (Фиг. 2) выполнен со схемой стабилизации энергии импульсов и содержит усилитель 16 мощности, управляемый ограничитель мощности 17 уровня, управляемый проходной элемент 18 (например, сильноточный транзистор), аналоговый перемножитель 19, интегратор 20 с малой постоянной времени ин-. тегрирования, амплитудный детек;тор 21, блок сравнения 22, источник 23 опорного напряжения, интегратор 24 с большой постоянной времени интегрирования, конденсатор 25 и эталонный резистор 26. Нагрузкой генератора являются ветви теплового ультразвукового преобразователя 9, подключенныечерез управляемй проходной элементк конденсатору 25. Устройство работает следующим образом,С:выходов синхронизатора 15 науправляющие входы генераторов 6 и 10поступают непрерывнье последовательности импульсов одинаковой частоты,на половину. периода следования. Внамагничивающей обмотке 4 и в ветвяхпреобразователя 9 от соответствующихгенераторов 6 и 10 поочередно создаются импульсы токаПри протекании импульсного тока по ветвям преобразователя 9 они нагреваются и вследст" вие их теплового расширения в нем возбуждается однополярный импульс механического напряжения, Амплитудаэтого импульса б, определяется поФормуле м" ЕО01238011 Е - модуль упругости материалапреобразователя;й - плотность материала преобразователя,С - удельная теплоемкость матеЧриала преобразователя, .Ь - длина разветвленной части преобразователя 1Ь - ширина ветвей,. Ь - толщина ветвей;.10Ц - тепловая энергия, выделившаяся в ветвях за время протекания калибрующего импульса тока.тЯ ( 0(Ц 11 ИС15где 1(,) -ток в ветвях преобразователя,Юу в . напряженые на концах ветвей;- длительность импульса тока.Почти все члены, содержащиеся ввыражении (1),. в той или иной степени зависят от температурыИз физикитвердого тела известны следующие соотношения:( ( щ)Б + Бчгде Я, - площадь сечения преобразова-.теля 9;Я - площадь сечения сердечнимчка 2 магнитоупругого дат.чика.Распространяясь по сердечнику 2 магнитоупругого. датчика, калибрующнй где- сжижаемость.материала,.постоянная Грюнайзена;-2,ф - коэффициент Пуассона,Кроме того, произведение 2 ЬЬЫравно массе ш ветвей преобразователя 30. Произведя такую замену и подставив(3)Поскольку коэффициент Пуассона практически не зависит от температуры, то .при одинаковой величине тепловой энергии,. выделяющейся в ветвях преобразователя при прохождении через ннх калибрующих импульсов тока, амп.- 4 О литуда возбуждаемых импульсов механического напряжения будет постоянна в широком диапазоне температур и мо" жет быть рассчитана по формуле ( 1) или (3), . 45Закон Джоуля-Ленца о количестве теплоты, выделяющейся в проводнике при протекании по нему электрического тока, не изменяется при воздействии на проводник внешнего магнитного 5 О папа. Поэтому магнитное поле также не будет влиять на амплитуду импульса механического напряжения, возбуж" даемого в ветвях преобразователя. Стабилизация энергии калибрующихимцульсов осуществляется следующимобразом,Из синхронизатора 15 на вход усилителя 16 поступают импульсы отрицательной полярности. На выходе ограничителя 17 эти импульсы ограничиваются но 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 перемножитель 19 и далее на интегратор 20, на выходе кото-, рого получается импульс напряжения с амплитудой, пропорциональной тепловой энергии, выделившейся в ветвях преобразователя 9 за время протека ния 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" ваемым источником 23, и поступает на вход интегратора 24. При равенстве напряжения на выходе амплитудного детектора 21 и опорного напряжения 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.Калибрующий импульс механического напряжения, распространяясь по преобразователю 9, переходит в сердечник 2 магнитоупругого датчика. При этом его амплитуда изменяется и становится. равной бимпульс 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 пропорциональ 1 О на амплитуде импульса механического напряжения;П б Л Ч 8.где и - плотность витков измерительной обмоткиЧ - скорость распространения им-15пульса механического напряжения,"А - величина магнитоупругой чувствительности сердечника магнитоупругого датчика.Электрический:импульс с измерительной обмотки 7 после усиления усили.телем 8 через коммутатор 11 поступает на вход амплитудного дискриминато-. ра 13. В амплитудном дискриминаторе производится сравнение амплитуды усиленного электрического импульса с .опорным напряжением 0 и вырабаты,вается сигнал ошибки, нропорциональный их разности, который подается на вход интегратора 14. В результате .уровень напряжения на выходе интегратора изменяется и в соответствии с этим корректируется величнна коэффициента усиления усилителя 8 так,.что- З 5 бы амплитуда импульса на входе дискриминатора была равна. опорному напряжению. В этом случае коэффициент чувствительности устройства будет раО, Гвм 21 40 вен К = - .,.1 н 1Импульсы тока, создаваемые генератором 6 намагничивающих импульсов тока со .сдвигом в половину периода повторения относительно возбуждающих, 45 импульсов, протекают по намагничивающей обмотке 4. Возникающее магнитное поле изменяет намагниченность участка образца под намагничивающей обмоткой 4 от некоторогоисходного состояния, задаваемого магнитным полем поляризующей обмотки 3, до насыщения Вследствие магнитострикционного эффекта в образце возникает импульс механического напряжения с амплитудой 55 боер(То)о щ ---- ЕОб . 2 обР где Е - модуль упругости материалаобробразца;- магнитострикция насыщения5образца1 - исходная намагниченностьообразцаПосле перехода в сердечник 2 магнитоупругого датчика амплитуда этого импульса изменится до величины 62 Б ебрО =бОбр 1фр 8,+ Я,обргде Я - площадь сечения образца.Расространяясь под измерительной обмоткой 7, импульс механического напряжения, возбуждаемый в исследуемом образце вследствие магнитоупругого эффекта, вызывает появление в измерительной обмотке 7 электрического импульса с амплитудой 0 о, .Этот импульс усиливается усилителем 8 и через коммутатор 11 поступает на регистрирующий блок 12, с помощью которого определяется его амплитуда 0.Величина магнитострикции исспеду- . емого образца рассчитывается по Формулеоюцю Ьбе+ Ямуи = а - а 11=где Б , - показание регистрирующегоблока,Источник 5 поляризующего тока иполяризующая обмотка 3 предназначеныдля изменения исходной намагниченности образца при построении зависимос"тей магнитострикции от намагниченности Ъ(ц или от напряженности магнит"ного поля (н),Таким образом, в предлагаемомустройстве калибровка чувствительности происходит.автоматически и притех же условиях, что и .измерение магнитострикции исследуемого образца.В результате этого существенно ослабляется влияние на точность измерениятаких факторов как температура, ностоянные магнитные поля и статическиемеханические напряжения, воздействиякоторых на сердечник магнитоупругогодатчика трудно избежать при разносторонних исследованиях магнитострик,ционных свойств магнитных материалов. Формула изобретения1. Устройство для измерения магнитострикции образцов микронных толщнн,7 1238 содержащее акустически соединенные образец и сердечник магнитоупругого датчика разомкнутой Формы, цепь поляризации образца, состоящего из последовательно соединенных источника 5 поляризующего тока н поляризующей об" мотки, цепь намагничивания образца, состоящую.из последовательно соединенных синхронизатора, генератора импульсов намагничивающего тока и намагничивающей обмотки, измерительную цепь, включающую интегратор,. регистрирующий блок и последовательно соединенные измерительную обмотку,. охватывающую .сердечник магнитоупругого 15 датчика, и .усилитель, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения магнитострик.цни образцов в широком диапазоне изменения температуры и магнитного по ля, .в него дополнительно введены пос-: ледовательно соединенные коммутатор н .амплнтудньй дискриминатор, а также последовательно соединенные генератор калибруцнцих импульсов, имекшрФ 25 схему .стабилизации энергии импульсов, и тепловой ультразвуковой преобразователь в ниде отрезка электропрвво" дящего немагнитного материала, один конец которого раэветвлен и является З 0 входом. преобразователя, выход амплитудного дискриминатора через интегратор подключен к управляющему входу усилителя, выход которого подключен к сигнальному входу коммутатора,вто 011 8рой выход подключен к регистрирующе-,. му блоку, а управляющий вход - к второму выходу синхронизатора, третий выход которого подключен к.входу генератора калибрующих импульсов, причем тепловой ультразвуковой преобразователь неразветвленным концом акустически соединен с сердечником магнитоупругого датчика со стороны, про" тивоположной образцу. 2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что генераторкалибрующнх импульсов выполнен в виде последовательно соединенных усилителей мощности, управляемого огранйчителя уровня, управляемого проходного элемента, аналогового перемножйтеля, интегратора с малой постояннойвремени интегрирования, амплитудногодетектора, блока сравнения и интегра- .тора с большой постоянной времени,своим выходом соединенного с вторымвходом управляемого ограничителяуровня, а также источника опорногонапряжения, подключенного к второмувходу блока сравнения и последова-,тельно соединенного с проходным злементом конденсатора и эталонного резистора, подключенного к второму .входу аналогового перемножителя,первый вход которого соединен с выходомгенератора калибрующих импульсов., а.выход усилителя мощности - с еговходом,1238011 Составитель Г.Клитотехнис Техред Л. Олейник Ко Редактор М.Дылцн р О.Луго Закаэ 3285 4 б Тираж 728 ИИПИ Государственного комитета по делам иэобретений и открыти 3035, Иосква Ж, Раушская на ПодписноСР Произв веиио-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектна