СТЕНД ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ЗАВИСИМОСТИ КОНСТАНТЫ МАГНИТОСТРИКЦИИ ОТ ВЕЛИЧИНЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Настоящее устройство относится к средствам для измерения магнитных характеристик, а именно к устройствам для измерения константы магнитострикции, что осуществляется путем регистрации изменения геометрических размеров, в частности длины образца, при воздействии магнитного поля. Устройство позволяет помимо измерения зависимости величины константы магнитострикции от величины магнитного поля измерять зависимости величины константы магнитострикции и магнитной проницаемости от температуры.
Из предшествующего уровня техники известны следующие основные методы измерения велечины магнитострикции:
0
1. Тензометрический метод - основан на наклеивании планарного или проволочного тензорезистора непосредственно на исследуемый образец, помещением образца в магнитное поле и измерении сопротивления тензорезистора при воздействии магнитного поля заданной велечины на образец и без такового. Константа магнитострикции рассчитывается как  где ΔR - изменение сопротивления тензорезистора, R - начальное сопротивление тензорезистора, k - коэффициент тензочувствительности для данного типа датчика (Акулов Н.С., Волков Д.И. //Вести Московского ун-та, серия физ. - №10. - 1949. -с.29);
2. Метод механооптического рычага - основан на изменении угла отражения светового или лазерного луча при повороте зеркала, соединенного с образцом механической рычажной передачей, во много раз усиливающей величину механического перемещения при изменении геометрических размеров образца. Отраженный световой или лазерный луч попадает на шкалу, кристаллический или иной фотодетектор, фотопленку и т.д., находящийся на некотором расстоянии L от зеркала. Величина магнитострикции определяется по формуле:  где М - длина образца, а - отклонение в миллиметрах светового или лазерного луча, R - радиус оси вращения зеркала (Селисский Я.П. // Заводская лаборатория. - №4. - 1941. - с.382);
3. Интерференционный метод - основан на изменении оптической разности хода двух лучей, появляющейся при разложении света призмой и комбинации отражения лучей системой зеркал, одно из которых закрепляется на исследуемом образце, помещенном в магнитное поле. В результате изменения размеров образца, изменяется число интерференционных полос, регистрируемых в окулярной системе непосредственно или при помощи систем детектирования (Меськин B.C., Сомин Б.Е., Нехамкин А.С.// ЖТФ. - №11. - 1941. - с.9181);
4. Емкостной метод - основан на изменении емкости конденсатора, одна из обкладок которого механически соединена с исследуемым образцом, помещенном в магнитное поле (Соколов В.И. // ПТЭ. - №2. - 1967. - с.173);
5. Пьезоэлектрический метод - основан на регистрации электрического напряжения, возникающего в сегнетоэлектрических материалах при их деформации, в свою очередь, вызванной изменением размеров магнитострикционного материала, механически соединенного с ними, при воздействии магнитного поля.
Из предшествующего уровня техники известны следующие, наиболее близкие к заявленному, устройства для измерения величины магнитострикции:
1. Устройство для измерения магнитострикции, состоящее из кварцевой пробирки (трубки с одним открытым концом) со вставленной в нее кварцевой трубкой, упирающейся торцом в помещенный внутрь исследуемый образец. Внешняя трубка закрепляется неподвижно, а внутренняя соединяется механическим регулируемым соединением с латунным кольцом. К латунному кольцу прикреплены два отрезка проволоки из сплава, способного изменять электросопротивление (нихром, константан и др.), другие концы которых закреплены на конструкции, связанной с внешней неподвижной трубкой. Собранная установка перемещается целиком и трубки с образцом помещаются в магнитное поле. При изменении размеров образца, внутренняя трубка перемещается, а вместе с ней меняется уровень натяжения проволочных датчиков, а следовательно и их сопротивление. Дополнительно устройство снабжено термопарой, размещаемой на внешней стороне трубки большего диаметра в районе расположения образца. Для термостабилизации измерительной части устройства авторы предлагают использовать сосуд Дьюара. (В.И.Чечерников. Магнитные измерения. Издание второе, дополненное и переработанное. - 1969. - Издат-во Московского ун-та. - с.159) К недостаткам данного устройства можно отнести следующее:
- повреждение образца торцом внутренней кварцевой трубки может привести к искажениям регистрируемых перемещений и вдавливанию кварцевого стекла в образец;
повреждение торца кварцевой трубки образцом может вызвать не только искажения результатов измерения, но и привести к необходимости замены трубки;
- из-за расположения термопары на внешней стороне внешней кварцевой трубки не представляется возможным точное измерение температуры, т.к. тепло будет поглощаться частично материалом трубки и передаваться через нее другим частям установки, в том числе и из-за непосредственного прижима образца к нижней части кварцевой трубки (имеющей форму пробирки);
- изменение внешней температуры и условий окружающей среды скажется на результатах измерений из-за зависимости сопротивления проволочных датчиков от температуры. В этом случае, использование предлагаемого авторами, сосуда Дьюара нецелесообразно, поскольку передача тепла от нагретого образца через кварцевое стекло элементам устройства вызовет повышение температуры внутри сосуда Дьюара, а следовательно - изменение температуры проволочных датчиков;
- устройство не имеет защиты от вибраций;
- требуется тщательный подбор материалов, из которых изготавливаются тензодатчики, калибровка и подгонка сопротивления. Проволочные датчики должны быть достаточно тонкими, а следовательно являются хрупкими.
2. Устройство для измерения магнитострикции, состоящее из двух барабанов, двух диафрагм, двух дифференциальных гаек, пружинного прижима, трубок, передающих движение от образца на чувствительные к деформации элементы. Чувствительные элементы получают, наматывая константановую проволоку отдельно на две пары барабан-диафрагма. Затем, жестким прижимом двух диафрагм формируют общую диафрагму, которая связывает между собой барабаны обмоткой из константана. Дифференциальными гайками регулируют положение барабанов, а общая диафрагма соединяется через трубку, выполняющую роль толкателя с образцом. При изменении размеров исследуемого образца, трубка-толкатель перемещается и увлекает за собой общую диафрагму, что вызывает изменение натяжения константановой проволоки, а следовательно - ее сопротивление. Устройство снабжено криостатом и магнитной системой (Левин Л.С. // Измерительная техника. - №5. - 1956. - с.22; В.И. Чичерников. Магнитные измерения. Издание второе, дополненное и переработанное. - 1969. - Издат-во Московского ун-та. - с.163).
К основным недостаткам данного устройства можно отнести:
- невозможность оперативной смены образца;
- образец зажимается цанговым зажимом, что существенно отражается на классе исследуемых материалов - тонкие стержни и проволока;
- использование в конструкции пружинного прижима повлечет за собой высокую чувствительность устройства к колебаниям температуры, а также временной дрейф параметров в связи с изменением жесткости материала пружины;
- исследуемый образец связан с диафрагмой латунной трубкой, что приводит к значительному отводу тепла от образца на части конструкции, связанные в том числе с проволочными датчиками, что в свою очередь будет изменять их сопротивление при изменении температуры;
- отсутствие компенсационного датчика.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в измерении, с высокой точностью, зависимости величины константы магнитострикции от напряженности магнитного поля для образцов из различных материалов, различных конфигураций и размеров с возможностью быстрой, т.е. оперативной, замены исследуемого образца. Для расширения возможностей технического решения заявляемое техническое решение дополняется функциями управления температурой образца и измерения зависимости магнитной проницаемости от температуры.
Решение данной задачи достигается за счет того, что стенд для оперативного контроля зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля состоит из блока измерения перемещений и электромагнита, причем блок измерения перемещений состоит из толкателя, передающего движение от исследуемого образца к подвижной части, к которой непосредственно или через механическую передачу прикреплен резистивный датчик механической деформации, закрепленный другой стороной на неподвижной части, причем неподвижная часть, датчик и подвижная часть помещаются в термоизолированный корпус с принудительным нагревом, принудительным охлаждением и системой защиты от вибраций, а исследуемый образец находится под воздействием магнитного поля, создаваемого электромагнитом. Толкатель может быть выполнен в виде трубки. На толкателе одним концом закрепляется пята, другим концом прижимаемая к образцу. К подвижной части, соединенной с толкателем, прикрепляется пластина, другим концом прикрепляемая к неподвижной части, причем на пластине закрепляется тензорезистор. Толкатель может быть снабжен датчиком температуры для измерения температуры образца. Устанавливается теплоизоляция для предотвращения передачи тепла от толкателя к датчику механической деформации. Исследуемый образец прижимается к толкателю прижимным стержнем, выполненным из того же материала, что и толкатель. Добавляются обмотки из металлической проволоки, находящиеся в зазоре между обмоткой электромагнита и образцом, предназначенные для измерения величины магнитного потока, а также могут быть добавлены три обмотки из металлической проволоки, расположенные за пределами электромагнита на одной оси с толкателем, причем одна из обмоток наматывается между двумя другими, а поверх трех обмоток помещается резистивный нагреватель.
Исследуемый образец помещается в полость трубки, которая снабжена крепежными элементами и элементами регулировки положения высоты относительно толкателя, причем внутри трубки расположены как минимум два датчика температуры. Датчик механической деформации, подвижная часть, неподвижная часть, толкатель и термоизолированный корпус смонтированы на одном основании, причем электромагнит установлен на другое съемное основание. Датчик температуры устанавливается рядом с резистивным датчиком механической деформации. Обмотки электромагнита намотаны на каркасе, который содержит полые области для пропускания жидкости или газа. Обмотка электромагнита может быть намотана непосредственно на образец, который расположен на регулируемой по высоте и углу наклона пластине из неферромагнитного материала, содержащей прижимную планку для прижима образца к толкателю и нагреватель для нагрева исследуемого образца.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности и качества измерений, высокая повторяемость результатов измерений, возможность измерения на одном стенде зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля и температуры, зависимости магнитной проницаемости от температуры, зависимости расширения от температуры.
Конструкция устройства позволяет производить измерения без дополнительных операций калибровки измерительной системы при изменении температуры окружающего воздуха и температуры составных частей устройства, а также обеспечивает возможность быстрой (оперативной) замены исследуемых образцов и возможность измерять зависимость константы магнитострикции при различных значениях температуры и напряженности магнитного поля для образцов больших размеров и сложных форм. Совокупность приведенных признаков позволяет использовать заявленное техническое решение в условиях массовых лабораторных измерений и в условиях производства изделий из керамических и металлических магнитных материалов с целью выходного контроля параметров на соответствие ГОСТам, ОСТам, ТУ и иной нормативно-технической документации.
Устройство поясняется фиг.1, фиг.2 и фиг.3, на которых изображен стенд для оперативного контроля зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля, в частности на фиг.1 изображена конструкция блока измерения перемещений, на фиг.2 изображена часть устройства с установленным электромагнитом, трубкой с обмотками, прижимным стержнем и др. элементами во взаимосвязи с фиг.1, а на фиг.3 показана во взаимосвязи с фиг.1 конструкция устройства при измерении образцов большого размера и сложной формы с использованием магнитного поля соленоида, намотанного непосредственно на образец.
Стенд для оперативного контроля зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля состоит из блока измерения перемещений (показан на фиг.1) и электромагнита (поз.16, 20 фиг.2), причем блок измерения перемещений состоит из толкателя (поз.30 фиг.1), передающего движение от исследуемого образца (поз.22 фиг.2, поз.14 фиг.3) к подвижной части (поз.8 фиг.1), к которой непосредственно или через механическую передачу прикреплен резистивный датчик механической деформации, закрепленный другой стороной на неподвижной части (поз.15 фиг.1), причем неподвижная часть (поз.15 фиг.1), датчик и подвижная часть (поз.8 фиг.1) помещаются в термоизолированный корпус с принудительным нагревом (поз.2, 4, 5, 11 фиг.1), принудительным охлаждением и системой защиты от вибраций, а исследуемый образец находится под воздействием магнитного поля, создаваемого электромагнитом. Толкатель может быть выполнен в виде трубки. На толкателе закрепляется пята (поз.23 фиг.1), одним концом закрепляемая на толкателе, а другим концом прижимаемая к образцу. К подвижной части, соединенной с толкателем, прикрепляется пластина (поз.16 фиг.1), другим концом прикрепляемая к неподвижной части, причем на пластине закрепляется тензорезистор (поз.34 фиг.1). Толкатель может быть снабжен датчиком температуры для измерения температуры образца (На фиг.1 показан вариант установки датчик температуры на пяту толкателя - поз.24 фиг.1, без пяты датчик также может быть установлен - на фиг. не показано). Устанавливается теплоизоляция для предотвращения передачи тепла от толкателя к датчику механической деформации (поз.10, 28 фиг.1). Исследуемый образец прижимается к толкателю прижимным стержнем, выполненным из того же материала, что и толкатель. Добавляются обмотки из металлической проволоки, находящиеся в зазоре между обмоткой электромагнита и образцом, предназначенные для измерения величины магнитного потока (поз.7 фиг.1), а также могут быть добавлены три обмотки из металлической проволоки, расположенные за пределами электромагнита на одной оси с толкателем, причем одна из обмоток (поз.13 фиг.2) наматывается между двумя другими (поз.14 фиг.2), а поверх трех обмоток помещается резистивный нагреватель (поз.9 фиг.2).
Исследуемый образец помещается в полость трубки (поз.12 фиг.2), которая снабжена крепежными элементами и элементами регулировки положения высоты относительно толкателя (поз.1, 2 фиг.2), причем внутри трубки расположены как минимум два датчика температуры (на фиг. не показаны). Датчик механической деформации, подвижная часть, неподвижная часть, толкатель и термоизолированный корпус смонтированы на одном основании (поз.12 фиг.1), причем электромагнит установлен на другое съемное основание (поз.5 фиг.2). Датчик температуры, устанавливается рядом с резистивным датчиком механической деформации (поз.14 фиг.1). Обмотки электромагнита намотаны на каркасе, который содержит полые области для пропускания жидкости или газа (поз.16 фиг.2). Обмотка электромагнита может быть намотана непосредственно на образец (поз.14, 15 фиг.3), который расположен на регулируемой по высоте и углу наклона пластине из неферромагнитного материала (поз.9 фиг.3), содержащей прижимной стержень для прижима образца к толкателю (поз.13 фиг.3) и нагреватель для нагрева исследуемого образца (поз.19 фиг.3). Электромагнит, крепежные и регулировочные элементы, трубка и прижимной стержень (поз.12 фиг.2) смонтированы на основании 5 фиг.2.
0
Стенд для оперативного контроля зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля работает следующим образом. Если размеры образца позволяют поместить его внутрь каркаса стационарного электромагнита (поз.16 фиг.2), то его помещают в трубку большего диаметра (поз.12 фиг.2) и вводят во внутренний канал каркаса (поз.16, фиг.2) обмотки электромагнита. Сзади образец проталкивают в трубке и прижимают прижимным стержнем к толкателю (поз.30 фиг.1) или толкателю с установленной пятой (поз.23 фиг.1). При этом, толкатель, механически соединенный (например цанговым зажимом 7, как показано на фиг.1) с подвижной частью (поз.8 фиг.1) вызывает ее перемещение, что в свою очередь вызывает натяжение пластины (поз.16 фиг.1) и вызывает деформацию тензорезистора (поз.34 фиг.1), установленного на ней. Деформация тензорезистора вызывает изменение его электрического сопротивления, что может быть зафиксировано любым известным способом измерения сопротивления. Затем, по обмотке (поз.20 фиг.2) электромагнита пропускают электрический ток, что вызывает появление магнитного поля в канале каркаса, а следовательно поле воздействует на исследуемый образец, вызывая определенную величину деформации образца (сжатие или удлинение в направлении магнитного поля, в зависимости от знака константы магнитострикции для конкретного исследуемого материала). В свою очередь, это вызывает деформацию натянутой пластины (поз.16 фиг.1) с прикрепленным тензорезистором (поз.34 фиг.1), а следовательно, его электрическое сопротивление. Константа магнитострикции рассчитывается как  где ΔR - изменение сопротивления тензорезистора, R - начальное сопротивление тензорезистора, k - коэффициент тензочувствительности для данного типа датчика (Акулов Н.С., Волков Д.И. //Вести Московского ун-та, серия физ. - №10. - 1949. - с.29). Для определения величины магнитного поля по измерению магнитного потока используются катушки 7 фиг.2, причем их количество подбирается исходя из конструкции электромагнита, в частности его длины для определения уменьшения напряженности магнитного поля вблизи краев обмотки. Для компенсации ослабевающего магнитного потока вблизи краев обмотки электромагнита используются дополнительные обмотки 19 фиг.2. Нагрев образца осуществляется нагревателем 18 фиг.2, температура определяется датчиком температуры, расположенном в толкателе. Для предотвращения нагрева обмоток электромагнита, его кожух может быть выполнен полым, причем через полость пропускается охлаждающая жидкость или газ через патрубки 6 и 23 фиг.2. По окончании измерений зависимостей константы магнитострикции от величины магнитного поля и температуры, разрывают механическую связь подвижной части (поз.8 фиг.1) с толкателем, который используют для вывода образца из внутренней полости каркаса электромагнита и извлечения его из устройства, а затем возвращают толкатель в прежнее положение. Для исключения вероятности повреждения пластин с установленными тензорезисторами (поз.16 и 34 фиг.1 соответственно) при транспортировке устройства или перемещения толкателя, подвижную часть прижимают к неподвижной фиксирующим винтом (поз.6 фиг.1). Для измерения зависимости магнитной проницаемости исследуемого образца от температуры, например для определения температуры Кюри, используют два метода работы с устройством. Суть первого метода заключается в пропускании переменного тока через обмотку электромагнита, а измерение ЭДС индукции производят одной из обмоток 7 фиг.2, или всеми обмотками, включенными последовательно, причем температуру образца контролируют датчиком, расположенным в пяте толкателя или толкателе. Второй метод заключается в измерении ЭДС индукции обмоткой 14 фиг.2 (регистрирующая обмотка), а переменное магнитное поле создается обмоткой 13 фиг.2 (возбуждающие обмотки), при этом нагрев образца осуществляется нагревателем 9 фиг.2. Для реализации второго метода необходимо перемещение образца толкателем из зоны расположения каркаса электромагнита в зону расположения обмоток 13, 14 фиг.2 и нагревателя 9 фиг.2. При установке образца, угол наклона и положение трубки, в которой он расположен, регулируют элементами 1, 2 фиг.2. При исследовании образцов большого размера (такого размера, который исключает расположение образца внутри направляющей трубки), образец помещается на пластину из неферромагнитного материала (поз.9 фиг.3), которая выполняет роль опоры и ее положение регулируется по высоте и углу наклона регулировочными гайками (поз.7 фиг 3), при этом шпильки (поз.6 фиг.3) выполняют роль направляющих. Пластина 9 фиг.3 устанавливается вместе с регулировочными и крепежными элементами на собственное основание (поз.8 фиг.3), которое ставится на основание блока измерения перемещений (поз.12 фиг.1) взамен основания 5 фиг.2. На исследуемый образец (поз.14 фиг.3) наматывается металлическим проводом обмотка (поз.15 фиг.3), по которой пропускается электрический ток требуемой величины. Исследуемый образец прижимается держателем 13 фиг.3 к толкателю 30 фиг.1, на который может быть установлена пята 23 фиг.1 (тогда образец прижимается к пяте). Измерения проводятся подобно тому, как было описано выше, но в данном случае магнитное поле создается обмоткой 15 фиг.3, нагрев образца осуществляется нагревателем 19 фиг.3, а температура измеряется датчиком температуры 16 фиг.3. Для повышения эффективности нагрева и предотвращения колебаний температуры исследуемого образца, все элементы, расположенные на пластине 9 фиг.3 накрываются кожухом (поз.17, 20 фиг.3).