Устройство для оптического мониторинга поверхностей твёрдых тел

Полезная модель относится к оптико-механическим средствам и может быть использована для изучения структуры и свойств твердых тел в областях металлургии и электротехники, в частности для исследования структуры магнитных материалов, в том числе, тонколистовой электротехнической стали (ЭТС).
ЭТС является основой большого объема электротехнического оборудования - электрогенераторов, трансформаторов, электродвигателей и др. В процессе эксплуатации при их перемагничивании поглощается около 7% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Снижение магнитных потерь в этих материалах является актуальной проблемой. Эффективным путем ее решения является оптимизация параметров магнитных доменов, определяющих свойства этих материалов. Поэтому необходимо знать структуру и поведение доменов не только на поверхности, но и в объеме материалов. В частности, необходимо знать при перемагничивании места зарождения доменов, положение плоскостей их границ внутри листа, взаимодействие с неоднородностями кристаллической структуры, изменение их размеров и скоростей движения их границ, определяющих мощность магнитных потерь. Для получения такой информации необходимы устройства для исследования магнитной структуры в разных слоях и в объеме металлического листа.
Уровень техники в области изучения структуры металлов оптическим методом может быть представлен следующими известными решениями.
Известно устройство, состоящее из двух оптических систем, одна из которых направляет свет источника через поляризатор и объектив на исследуемый участок поверхности образца, а другая - изображение этого участка через второй объектив и анализатор направляет к окуляру и приемнику-регистратору изображения [Kurminski М. Computerized magneto-optical Kerr effect system for dynamic domain structure observations. JMMM. 1996. V. 160. №3. P. 191-193]. Однако такое устройство обеспечивает получение информации лишь с одной поверхности металлического листа и не решает техническую проблему выявления объемной доменной структуры.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является оптическое устройство в виде бинокулярного микроскопа МБС-10, имеющее закрепленные на одной станине в наклонной плоскости две взаимосвязанные оптические системы, включающие окуляры, преломляющие призмы, объективы, источник света, стол для образца, зубчато-винтовой механизм перемещения элементов двух оптических систем при фокусировке на один участок одной поверхности образца одновременно под двумя разными углами наблюдения [Бахолдин А.В.. Оптические микроскопы. С.-Петербург: С-ПНИУИТМО, 2012, 45 с.].
Выявляя объемную картину шероховатости поверхности и вид магнитных доменов на одной из поверхностей образца, это устройство не дает информации об объемной картине доменов во внутренних слоях и также не решает технической проблемы раскрытия распределения намагниченности и особенностей кристаллической структуры в объеме материала.
Эта техническая проблема решается расширением арсенала технических средств оптического исследования структуры и свойств металлических образцов путем создания оптического устройства, позволяющего определять структуру и степень ее изменения в двух слоях и в объеме металлического листа, в том числе при внешних воздействиях на его поверхность.
Техническая проблема решается тем, что в устройстве для оптического мониторинга поверхностей твердых тел, состоящем из двух взаимосвязанных оптических систем, которые расположены на общей станине со столом для образцов, включающих объективы, окуляры, источники света, светопреломляющие призмы и зубчато-винтовые механизмы фокусирования, согласно полезной модели, оптические системы расположены в вертикальной плоскости, параллельно одна относительно другой, причем их объективы установлены соосно и направлены линзами навстречу друг к другу, вокруг которых установлены подвижные кольцевые магниты, направленные навстречу друг к другу разноименными полюсами, а на столе закреплены две пластины механизма перемещения образца с двумя рычагами и опорная пластина механизма растяжения образца с зажимами, растягивающей скобой, регулировочным винтом, подпружиненной нитью и измерительной шкалой со стрелкой.
Сущность предлагаемой полезной модели, обеспечивающей достижение технического результата, заключается в возможности исследования структуры в объеме металлического образца путем получения информации с двух противоположных его поверхностей одновременно при совмещении на общей станине двух магнитооптических систем. Обе системы содержат одни и те же оптические и магнитные элементы, причем, согласно полезной модели, в каждой паре соответствующие друг другу элементы расположены зеркально один относительно другого, объективы направлены линзами друг к другу и вместе с расположенными вокруг них подвижными кольцевыми магнитами установлены соосно. При этом магниты ориентированы разноименными полюсами навстречу друг другу, а на столе закреплены две пластины механизма перемещения образца с двумя рычагами и опорная пластина механизма растяжения образца с зажимами, растягивающей скобой, регулировочным винтом, подпружиненной нитью и измерительной шкалой со стрелкой.
Именно наличие двух оптических систем с набором необходимых оптических и магнитных элементов в каждой из них дает возможность наблюдать два изображения участка поверхности исследуемого образца одновременно. При этом в сдвоенном магнитооптическом устройстве лишь зеркальное расположение аналогичных, соответствующих друг другу, парных элементов из обеих систем с объективами, расположенными навстречу друг другу, позволяет исследовать две стороны участка, находящиеся на двух противоположных поверхностях исследуемого металлического листа. И лишь соосное положение объективов двух оптических систем обеспечивает возможность наблюдения в исследуемом образце сразу двух противоположно расположенных сторон строго одного и того же локального участка в образце.
Таким образом, именно совокупность указанных выше признаков решает назревшую техническую проблему - создает возможность исследования кристаллической и магнитной структур и их изменений одновременно в двух противоположных слоях одного и того же участка металлического образца и при малых его толщинах (например, при стандартизованных для ЭТС 0.27, 0.23, 0.18, 0.08, 0.05 мм) достаточно достоверно прогнозировать вид структуры внутри образца при внешних воздействиях на его поверхность. Например, при воздействии магнитоактивного (растягивающего металл) электроизоляционного покрытия, бесконтактной локальной лазерной обработки (ЛЛО), ионно-лучевой обработки (ИЛО), а также определять оптимальные режимы обработок, устанавливать места зарождения основных и замыкающих доменов, распределение и условия сквозного прохождения их границ в листах стали различной толщины; выявлять физические механизмы изменения параметров доменов при различных внешних воздействиях и оптимизировать эти параметры, улучшая магнитные свойства материала.
Устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
1 - схема расположения механооптических и магнитных элементов в устройстве (фиг. 1) и 2 - схема механизма растяжения образца (фиг. 2).
Устройство для оптического мониторинга состоит из станины 1 и размещенных на ней элементов двух взаимосвязанных оптических систем, каждая из которых сгруппирована на своей направляющей зубчатой пластине 2. Обе одинаковые оптические системы в целом включают два оптических объектива 3, ориентированных линзами навстречу один другому, с оптическими осями, направленными вертикально вдоль одной общей оси (соосно). Зубчато-винтовые механизмы 4 грубого и точного фокусирования, связаны с объективами и расположенными на них кольцевыми подвижными магнитами, которые разноименными полюсами направлены навстречу друг другу. Образец 5, покрыт с обеих сторон магнитопорошковой суспензией из частиц магнетита с наложенными на нее покровными стеклами и закреплен в зажимах растягивающего механизма 7. Пластинчатый механизм перемещения образца 8 с рычагами 9 и 10 продольного и поперечного движения выставлен между объективами на неподвижном столе 11. Два источника света 12, две пары оптических преломляющих призм 13 и 13' и два окуляра 14 расположены за объективами по обе стороны стола 11.
Механизм растяжения образца (фиг. 2) закреплен на столе 11 устройства и состоит из опорной пластины 15, имеющей окно-отверстие, два зажима (неподвижный 16 и подвижный 17), в которых закреплены края образца 5. Винт 18 для сжатия упругой разрезной скобы и скоба 19 помещены в окне опорной пластины 15 между зажимами образца 16 и 17. На зажимах закреплена подпружиненная нить 20, лежащая на ролике со стрелкой 21 на фоне измерительной шкалы 22.
Порядок работы с оптическим устройством:
На станине устройства 1, передвигая пластины 2, раздвигают объективы 3 устройства, вращая винты зубчато-винтовых фокусирующих механизмов 4 фиг. 1. Затем один и тот же участок на двух противоположных поверхностях исследуемого образца 5 покрывают магнитной суспензией из частиц магнетита, на которую накладывают покровные стекла. Образец 5 закрепляют в зажимах 16 и 17 растягивающего механизма 7 (фиг. 2), находящегося на столе 11. Включают источники света 12 и, управляя рычагами 9 и 10, растягивающий механизм с образцом передвигают исследуемым участком образца под объективы 3. Далее, наблюдая вначале в один, а затем в другой окуляр 14, фокусируют верхнюю, а затем нижнюю оптические системы на освещающийся при этом исследуемый участок образца вращением винтов 4 грубой, а затем тонкой фокусировки. При фокусировке оптических систем синхронно перемещаются установленные на пластинах 2 источники света 12, преломляющие призмы 13, 13' и окуляры 14. И, наконец, изображения двух освещенных сторон исследуемого участка с двух противоположных поверхностей образца обе оптические системы направляют в фото- или электронные регистрирующие приемники, которые можно поместить на тубусы окуляров.
Растяжение образца 5 создают вращением винта 18, приводящим к сжатию скобы 19 и передаче ее напряжения на перемещение подвижного зажима 17 с образцом 5. Их смещение через параллельно натянутую подпружиненную нить 20 передается на вращающийся ролик со стрелкой 21, поворот которых происходит на фоне измерительной шкалы 22.
В случае необходимости усилить порошковый контраст между смежными доменами в образце для улучшения качества оптического изображения и повышения надежности получаемой информации следует сближать расположенные вокруг объективов кольцевые магниты 6, усиливая слабое вертикальное подмагничивающее поле в пространстве между объективами.
Оптическое устройство с растягивающим механизмом в целом компактно и легко помещается в горизонтальное магнитное поле, например, между полюсами электромагнита или катушками Гельмгольца, а также позволяет изучать поведение магнитной структуры в одном и том же участке с двух противоположных поверхностей листа одновременно не только в условиях намагничивания, но и механических воздействий.
Результаты испытаний предлагаемого оптического устройства.
16
2
-6
-6
Опытные испытания оптического устройства показало его высокую эффективность. Было установлено, например, что сквозная магнитная структура из основных полосовых 180°доменов формируется при толщине кристалла порядка ширины этих доменов, для замыкающих доменов - порядка их длины; обнаружено сложное внутриобъемное комплексное 180-90-градусное строение замыкающих доменных структур, управление которыми позволяет снижать магнитные потери при растяжении и локальной лазерной обработке стали; определена величина оптимального изгиба образца и оптимальная доза облучения (10ион/см) его поверхности потоком ионов аргона, соответствующие значительному повышению магнитострикции сплава Fe-Si (с 2×10 до 16×10) за счет сжатия его верхнего слоя, при сохранении его магнитной мягкости; за счет растяжения нижнего слоя образца; вопреки прежним представлениям о неоднородностях, ухудшающих свойства кристалла [Чуйко Н.М., Мошкевич Е.И., Перевязко А.Т., Галицкий Ю.П.. Трансформаторная сталь. М.: Металлургия, 1970, 264 с.], впервые в мировой практике показана возможность нанесения лазером зон тепловых деформаций и немагнитных примесей в оптимальном режиме значительно снизить (на 25-30%) магнитные потери в сталях [Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Магнитная доменная структура и термостабилизация зон лазерного воздействия в магнитомягких материалах. ФТТ, 2016, т. 58, №2, с. 252-258].
Таким образом, данное оптико-магнитомеханическое устройство существенно повышает уровень и качество исследования кристаллической и магнитной структур и их изменений, причем одновременно в двух противоположных слоях и в объеме металлического образца. При этом технический результат также направлен на перспективность снижения трудоемкости исследования и повышения информативности его результатов, расширения областей для практического использования устройства.