ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ МАГНИТОСТРИКЦИИ НЕЖЁСТКОГО ОБЪЕКТА ОТ ВЕЛИЧИНЫ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Область применения
Лабораторный стенд относится к области измерительной техники, средствам для измерения магнитных характеристик материалов. Лабораторный стенд позволяет исследовать и количественно определять магнитострикцию в магнитных материалах, в том числе в нежестких, «необъемных» материалах, таких как ферромагнитные провода, проволоки и тонкие ленты. Измерение осуществляется путем регистрации изменения натяжения тензодатчика, вызванного изменением равновесных геометрических размеров предварительно напряженного (деформированного) образца при воздействии внешнего постоянного магнитного поля. Данное устройство может найти применение в промышленности для лабораторного контроля магнитострикционных характеристик магнитных материалов, в частности магнитострикции в области упругих деформаций.
Уровень техники
Известен способ [1] определения магнитострикции материала в свободном состоянии и в упругой области деформирования, включающий намагничивание образца, повышение точности определения магнитострикции материалов и уменьшение трудоемкости определения. В предложенном способе изготовливаются одинаковые эталонный образец из материала с известной магнитострикцией и образец из контролируемого материала резанием, соответствующем взаимной компенсации дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействия процесса резания. Стабилизируют их до полного удаления пластических внутренних напряжений, контролируют стабильность образцов по прекращению приращения частоты собственных колебаний. Далее возбуждают собственные колебания в свободном состоянии при нормальных условиях и постоянной амплитуде входного напряжения, измеряют величину индуцируемого напряжения при воспроизводимой частоте собственных колебаний. Магнитострикцию контролируемого материала определяют по отношению индуцируемого напряжения соответственно образцов из эталонного и контролируемого материала при известной магнитострикции эталонного образца. Точность определения магнитострикции достигается упорядочением структуры контролируемого материала путем удаления измененного поверхностного слоя образца и пластических и упругих внутренних напряжений. Используется также количественная связь линейных размеров образца и физических свойств при резонансе. Устранение погрешности измерения, вызванной температурным воздействием, достигается за счет компенсации температурных напряжений внутренними, например, при нормальных условиях.
Недостатком данного способа является необходимость использования эталонного образца и предварительного намагничивания, что увеличивает трудоемкость, а также возможность получения только числового значения константы магнитостркции насыщения.
Известны способы непрямого измерения магнитострикции аморфных лент и микропроводов [2, 3], заключающиеся в исследовании изменения магнитных характеристик материала при приложении механических нагрузок. Недостатками данных способов являются косвенный характер измерений и возможность получения только значения константы магнитострикции насыщения, а не кривых зависимости магнитострикции от магнитного поля, в том числе под приложенным механическим напряжением.
-11
Известны методы прямого измерения [4] на основе оптических, интерферометрических, емкостных способов определения изменения размеров образца или туннельного эффекта. При достаточно высокой чувствительности определения магнитострикции, достигающей 10, недостатками данных методов является использование сложного и дорогостоящего прецизионного оборудования сложность соединения зеркал, обкладок конденсатора с объектами из необъемных материалов, обеспечивающих малые механические усилия.
Наиболее близким аналогом из известных технических решений, принятым за прототип, является устройство [5], осуществляющее измерение константы магнитострикциия путем регистрации изменения геометрических размеров, в частности длины образца, при воздействии магнитного поля как функцию этого поля. Устройство позволяет помимо измерения зависимости величины константы магнитострикции от величины магнитного поля измерять зависимости величины константы магнитострикции и магнитной проницаемости от температуры. 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. 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. 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. Недостатком данного устройства является невозможность измерения зависимости магнитострикции от магнитного поля нежестких объектов, ввиду того, что вместо смещения толкателя для таких образцов будет иметь место прогиб этих образцов, и невозможность снятия кривых зависимости магнитострикции от поля под приложенной к образцу механической нагрузкой.
Раскрытие полезной модели
Целью настоящей полезной модели является измерение констант магнитострикции нежестких объектов в виде лент, проводов и снятие кривых зависимости магнитострикции от магнитного поля, в том числе под приложенной растягивающей нагрузкой.
Технический результат в предлагаемом устройстве заключается в повышении точности измерения зависимости магнитострикции от магнитного поля нежестких объектов и повышении удобства эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что лабораторный стенд для измерения зависимости магнитострикции нежесткого объекта от величины внешнего магнитного поля, содержащий блок измерения перемещений с резистивным датчиком механической деформации и электромагнит, в области магнитного поля которого находится нежесткий объект, отличающийся тем, что лабораторный стенд состоит из шагового двигателя и его контроллера с возможностью подключения к управляющему компьютеру, обеспечивающих требуемое натяжение нежесткого объекта, подвижной каретки, связанной червячной передачей с шаговым двигателем, к которой закреплен один из концов нежесткого объекта, блока управления и регистрации, имеющего возможность подключения к управляющему компьютеру и содержащего управляемый источник тока, усилитель постоянного тока и устройства для измерения и оцифровки сигнала с усилителя, электромагнита, выполненного в виде соленоида без сердечника, с которым электрически соединен управляемый источник тока, который для минимизации влияния дрейфа выходного напряжения резистивного датчика механической деформации за счет искажений, вызванных нагревом образца, создает импульсы тока переменной скважности с возвратами к нулю, резистивного датчика механической деформации балочной конструкции, вторым концом к которому прикреплен нежесткий объект, при этом контроллер шагового двигателя и блок управления и регистрации смонтированы на подвижной раме, а шаговый двигатель, подвижная каретка, связанная червячной передачей с шаговым двигателем, электромагнит и резистивный датчик установлены на жесткую немагнитную плиту на антивибрационных подушках, конструктивно связанную с передвижной рамой.
Технический результат достигается также усреднением сигнала для улучшения отношения сигнал/шум и устранения дрейфа сигнала. Измерение при различных предварительных натяжениях позволяет получить дополнительную информацию, которая является полезной, например, для конструирования датчиков и оценки деформации магнитных элементов устройств при намагничивании в механически нагруженном состоянии.
Описание чертежей
На фиг. 1 показана общая схема лабораторного стенда.
48
32
14
6
На фиг. 2 показана форма зависимости от времени тока в катушке (импульсы отрицательной полярности убывающей амплитуды) и напряжения на тензодатчике в режиме измерения зависимости магнитострикции от приложенного поля. Образец - лента аморфного сплава FeCoPB (сечение - 1 мм * 30 мкм).
52
28
14
6
На фиг. 3 показана зависимость изменения выходного напряжения на тензодатчике от амплитуды импульса тока в катушке (т.е. импульса поля). Образец - лента аморфного сплава FeCoPB (сечение - 1 мм * 30 мкм).
52
28
14
6
На фиг. 4 показана форма зависимости от времени тока в катушке (изменение от максимального значения в одном направлении до максимального в другом и обратно, с увеличением шага при больших токах) и напряжения на тензодатчике в режиме измерения гистерезиса. Образец - лента аморфного сплава FeCoPB.
52
28
14
6
На фиг. 5 показано отсутствие заметного гистерезиса на кривой зависимости магнитострикции от поля для ленты FeCoPB.
На фиг. 6 показана кривая гистерезиса типа "бабочка" для проволоки из никеля (диаметром 0.3 мм)
Осуществление технического решения
Лабораторный стенд для измерения зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля состоит из следующих элементов. Компьютера, управляющего исполнительными и измерительными узлами и обрабатывающего измерительную информацию. Контроллера шагового двигателя с возможностью подключения к управляющему компьютеру и шагового двигателя с червячной передачей и подвижной кареткой, обеспечивающих требуемое натяжение образца. Блока управления и регистрации, имеющего возможность подключения к управляющему компьютеру и содержащего управляемый источник тока, усилитель постоянного тока, усиливающего сигнал с резистивного датчика механической деформации, и устройства для измерения и оцифровки сигнала с усилителя. Резистивного датчика механической деформации, одним концом к которому прикреплен объект.
Общая схема лабораторного стенда показана на фиг. 1. Лабораторный стенд содержит: соленоид 1; внутри которого находится часть объекта измерений 2 - лента; проволока или иной нежесткий объект длиной 40-50 см; шаговый двигатель с червячной и подвижной кареткой 3; резистивный датчик механической деформации балочного типа 4; контроллер шагового двигателя 6 с возможностью подключения к управляющему компьютеру; блок управления и регистрации 7, имеющий возможность подключения к управляющему компьютеру и содержащий управляемый источник тока, усилитель постоянного тока и устройства для измерения и оцифровки сигнала с усилителя. Все узлы смонтированы на передвижной раме 8, а шаговый двигатель, подвижная каретка, связанная червячной передачей с шаговым двигателем, электромагнит и резистивный датчик установлены на жесткую немагнитную толстую (3 см) дюралюминиевую плиту 5 на антивибрационных подушках 9, конструктивно связанную с передвижной рамой. При этом один конец объекта измерений жестко закреплен к подвижной каретке и перемещается вместе с ним, другой - к одному из концов балочного тензодатчика, жестко закрепленному на плите 5 другим концом и работающим на изгиб.
Технический результат заявляемого устройства заключается в повышении точности измерения зависимости магнитострикции от магнитного поля нежестких объектов, а также повышения удобства эксплуатации. Применение жесткой немагнитной плиты на антивибрационных подушках позволяет снизить искажения намагничивающего поля, а также механических вибраций, передающихся на объект и резистивный датчик механической деформации. Ввиду этого передвижная рама может быть изготовлена из легких немагнитных алюминиевых сплавов без потери точности измерений, что облегчает транспортировку, перемещение установки и повышает удобство ее использования.
Лабораторный стенд работает следующим образом. Объект помещают в соленоид, направление и величина тока в котором задаются от компьютера с помощью входящего в состав блока управления и регистрации управляемого источника тока. Закрепляют один конец объекта на держателе, допускающем контролируемое растяжение, которое задается с помощью шагового двигателя с червячной передачей, управляемого от компьютера через контроллер. Вращение вала двигателя преобразуется в поступательное перемещение каретки, к которой закреплен один конец протяженного образца. Другой конец соединяют с резистивным датчиком механической нагрузки, выходной сигнал с которого идет на малошумящий усилитель и далее на устройство оцифровки с достаточной разрядностью (пять или более десятичных разрядов), входящие в состав блока управления и регистрации. Далее измеренное значение напряжения считывается в управляющий компьютер. При этом для минимизации влияния дрейфа выходного напряжения резистивного датчика и искажений результатов измерений за счет нагрева объекта током соленоида используются импульсы тока переменной скважности с возвратами к нулю (фиг. 2). Увеличение скважности при увеличении амплитуды импульсов позволяет получить постоянную среднюю мощность, за исключением области малых токов, в которой мощность оказывается ниже, что обычно некритично, и как следствие минимизировать непостоянство температуры в ходе измерения зависимостей магнитострикции от приложенного поля, а общее наращивание скважности позволяет при необходимости, ценой увеличения времени съемки, снижать эту мощность для минимизации нагрева в целом. В случае же измерения гистерезиса магнитострикции, с целью избежать искажений за счет возвратов поля к нулю, используется непрерывное наращивание и уменьшение тока, а для минимизации влияния нагрева приходится в области больших токов увеличивать шаг по току, с возможностью для получения кривой с малым эффективным шагом варьировать этот шаг.
48
32
14
6
На фиг. 2 показана форма зависимости тока в соленоиде от времени (импульсы отрицательной полярности убывающей амплитуды) и напряжения на резистивнгом датчике в режиме измерения зависимости магнитострикции от приложенного поля для аморфного сплава FeCoPB (сечение - 1 мм × 30 мкм). Видно, что включение тока вызывает мгновенное уменьшение выходного напряжения на тензодатчике, что соответствует удлинению ленты при включении магнитного поля. На фиг. 2 виден также дрейф выходного сигнала, обусловленный нагревом объекта, и высокочастотные шумы. Минимизация влияния нагрева объекта осуществляется путем выбора временных зависимостей внешнего поля (регулировкой скважности).
52
28
14
6
Для измерения гистерезиса магнитострикции, с целью избежать искажений за счет возвратов поля к нулю, используется непрерывное наращивание и уменьшение тока, с увеличением шага в области больших токов. На фиг. 3 показана форма зависимости от времени тока в соленоиде (изменение от максимального значения в одном направлении до максимального в другом и обратно, с увеличением шага при больших токах) и напряжения на резистивном датчике в режиме измерения гистерезиса. Объект - лента аморфного сплава FeCoPB. Видно, что полярность импульса тока, т.е. направление поля, не влияет на полярность выходных импульсов (независимо от полярности поле вызывает удлинение образца и уменьшение выходного напряжения).
52
28
14
6
В результате измерений получается кривая зависимости изменений выходного сигнала резистивного датчика от магнитного поля при различных приложенных механических нагрузках. На фиг. 4 показана зависимость изменения выходного напряжения на резистивном датчике от амплитуды импульса тока в соленоиде (т.е. импульса поля). Объект - лента из аморфного сплава FeCoPB (сечение - 1 мм * 30 мкм). Магнитострикция выходит на насыщение при значении вспомогательного поля около 50 Э. Показаны кривые для различных значений предварительного натяжения объекта.
Пересчет из приращений напряжения на резистивном датчике в удлинения для предельной магнитострикции выполняется следующим образом. Предполагается, что в пределе малого предварительного натяжения магнитострикция вызывает лишь изменение равновесной длины, а сила, связанная с отклонением от равновесной длины описывается модулем Юнга. Модуль Юнга для материала объекта определяется независимым измерением. Определение следует вести по линейному участку F(dl) при больших натяжениях, т.к. при малых имеет место отклонение за счет вызванного натяжением перемагничивания.
об
об
Пусть Е - значение модуля Юнга, S и l - площадь сечения и длина объекта. Также заранее определяется жесткость используемого резистивного датчика:
Дальнейший расчет производится следующим образом. Находится жесткость объекта:
После этого рассчитывается эффективная жесткость системы «датчик-объект»:
и находится изменение силы по изменению сигнала резистивного датчика после создания магнитного поля:
По известному изменению силы находится изменение длины ленты, вызванное намагничиванием:
и магнитострикция:
При реализации описанного устройства используется резистивный датчик механической деформации L6D балочной конструкции (тензодатчик). Задающий магнитное поле соленоид имеет омическое сопротивление около 80 Ом и позволяет при токе 0.2 А получить поле порядка 80 Э. Блок управления и регистрации подключен к управляющему компьютеру через интерфейс GPIB, контроллер шагового двигателя - через интерфейс USB.
52
28
14
6
Пример измерения константы магнитострикции для аморфной ленты FeCoPB (фиг. 5).
52
28
14
6
об
об
тенз
2
4
Значение модуля Юнга Е для рассмотренного аморфного сплава FeCoPB составляет 43 ГПа, площадь сечения и длина ленты S и l - 30×1000 мкм и 20 см, соответственно. Определенная по описанной методике жесткость используемого тензодатчика при dU/dF = 0.2379 В/Н и dU/dl = 12 мВ/мкм равна k = 5.05 ⋅ 10 Н/м.
S
-5
-5
-5
Рассчитанное по рассмотренной методике значение константы магнитострикции насыщения λ (т.е. удинение при выходе кривых dl(H) на насыщение) составляет 1.3⋅10. Измеренное методом SAMR [2] - порядка 2⋅10, Беккера-Керстена 1⋅10.
52
28
14
6
На фиг. 5 приведена прописанная с помощью лабораторного стенда зависимость магнитострикции ленты FeCoPB от магнитного поля. Отсутствие видимого гистерезиса объясняется магнитомягкостью материала. На фиг. 6 представлена полученная центральная часть кривой гистерезиса типа "бабочка" для проволоки из никеля диаметром 0.3 мм.
Библиография
1. Патент РФ №2111501 «Способ определения магнитострикции материала», заявлен 06.02.1996
2. Narita К., Yamasaki J., Fukunaga H. Measurement of saturation magnetostriction of a thin amorphous ribbon by means of small-angle magnetization rotation //IEEE Transactions on Magnetics. - 1980. - T. 16. - №. 2. - C. 435-439.
3. O'Dell Т. H. Magnetostriction measurements on amorphous ribbons by the Becker-Kersten method //Physica Status Solidi. A, Applied Research. - 1981. - Т. 68. - №. 1. - C. 221-226.
4. Grossinger R. et al. Accurate measurement of the magnetostriction of soft magnetic materials. - na, 2006.
5. Патент РФ №96261 «Стенд для оперативного контроля зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля», заявлен 25.02.2010 г.