УНИВЕРСАЛЬНАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА

Полезная модель относится к области измерений и может использоваться при измерении величины магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических композитах в области низких частот и электромеханического резонанса, а также зависимости величины магнитоэлектрического эффекта от величины магнитного поля, электрического поля, температуры, влажности, давления и других внешних воздействий.
Основное применение магнитоэлектрических измерительных ячеек заключается в измерении величины магнитоэлектрического эффекта в образце при заданной ориентации магнитных полей, повышении точности и повторяемости результатов измерений.
Известен магнитоэлектрический эффект в композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонент, и обладающих одновременно магнитным и электрическим типами упорядочения. В результате взаимодействия пьезоэлектрических и магнитострикционных подсистем между собой в таких материалах наблюдается индуцирование электрической поляризации во внешнем магнитном поле или появление намагниченности во внешнем электрическом поле:
i
i
j
j
ij
0
где Р - электрическая поляризация, M - намагниченность, H - магнитное поле, E - электрическое поле, α - тензор МЭ восприимчивости, μ- магнитная постоянная (См. Bichurin М., Petrov V. Modeling of magnetoelectric effects in composites, Springer series in material science, Volume 201, 2014, pp. 108).
Известны установки для измерения магнитоэлектрического эффекта в композиционных материалах в области низких частот и электромеханического резонанса, включающие в себя электромагнит, блок питания, катушки Гельмгольца, измеритель магнитного поля, генератор сигналов, усилитель и осциллограф (См. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Srinivasan G., Nan C.W. Магнитоэлектрические материалы -М.: Академия Естествознания, 2006. - 296 с).
Известны измерительные ячейки для исследования внешних воздействий на магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрических композиционных материалах, содержащие герметичный корпус, держатель для образца, соленоид, датчик температуры (См. М. М. Vopson, Y. К. Fetisov, G. Caruntu and G. Srinivasan Measurement Techniques of the Magneto-Electric Coupling in Multiferroics // Materials 2017, 10, 963; K Gil, J Gil, В Cruz, A Ramirez, M Medina and J Torres Experimental set up of a magnetoelectric measuring system operating at different temperatures // Journal of Physics: Conference Series 687 (2016) 012090).
Недостатками известных магнитоэлектрических измерительных ячеек являются большие габаритные размеры, узкая область применений, использование дорогих материалов, плохая повторяемость результатов измерений.
Наиболее близким по техническому решению, является принятая за прототип, ячейка для измерения магнитоэлектрического эффекта, содержащая тефлоновый термоизолированный корпус, в котором фиксируется модулирующая катушка, исследуемый образец и датчик температуры (См. Burdin, D.A.; Ekonomov, N.A.; Chashin, D.V.; Fetisov, L.Y.; Fetisov, Y.K.; Shamonin, M. Temperature Dependence of the Resonant Magnetoelectric Effect in Layered Heterostructures. Materials, 2017, 10, 1183) -прототип.
Недостатками прототипа являются использование внешних электромагнитов для создания постоянного магнитного поля, большие габаритные размеры, возможность измерения только температурной зависимости величины магнитоэлектрического эффекта, высокая себестоимость изготовления, плохая повторяемость результатов измерений.
Задачей предложенного решения является измерение магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических композиционных материалах в нормальных условиях и под влиянием внешних воздействий в единой универсальной миниатюрной конструкции, повышение точности и повторяемости измерений.
Поставленная задача достигается тем, что в универсальной магнитоэлектрической измерительной ячейке, включающей корпус, соленоид и держатель образца, держатель с установленным в посадочном месте образцом размещен внутри каркаса соленоида, расположенного внутри корпуса ячейки, с торцевых сторон которой установлены миниатюрные постоянные магниты, выполненные из сплава Nd-Fe-B. Держатель образца имеет цилиндрическую форму и состоит из двух частей, которые соединяются между собой с помощью системы шип-паз. В посадочном месте держателя образца могут размещаться датчики температуры, влажности и давления. Соленоид состоит из пластикового каркаса с обмоткой из изолированного медного провода. В держателе выполнены канавки под проволочные выводы для подключения образца к внешней цепи.
Для решения данной задачи предложена универсальная магнитоэлектрическая измерительная ячейка, состоящая из корпуса, миниатюрных постоянных магнитов, соленоида и держателя образца. Для точного позиционирования измеряемого образца в области максимума магнитных полей предложен составной держатель цилиндрической формы с посадочным местом, в котором могут размещаться образец и датчик температуры, влажности, давления. Соединение двух частей держателя между собой осуществляется с помощью системы «шип-паз». Для подключения образца к внешней цепи в держателе предусмотрены канавки под проволочные выводы. Для создания модулирующего переменного магнитного поля предложен соленоид, состоящий из пластикового каркаса с обмоткой из изолированного медного провода. Держатель с образцом фиксируется в пазах внутри каркаса соленоида, который затем размещается в корпусе ячейки. В отличие от прототипа, где постоянное однородное магнитное поле создается с помощью внешнего электромагнита, предлагается использовать миниатюрные постоянные магниты, выполненные из сплава Nd-Fe-B, которые размещаются по краям корпуса ячейки. Детали конструкции ячейки предлагается изготавливать из термостойкого пластика методом трехмерной печати.
Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат: проведение измерений величины магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических композитах в области низких частот и электромеханического резонанса, а также измерения зависимости величины магнитоэлектрического эффекта от величины магнитного поля, электрического поля, температуры, влажности, давления, вибрации и других внешних воздействий в единой, универсальной, миниатюрной конструкции, состоящей из недорогих и простых в изготовлении деталей.
Для пояснения предполагаемого изобретения предложены чертежи.
Фиг. 1 - конструкция универсальной магнитоэлектрической измерительной ячейки.
Фиг. 2 - конструкция ячейки в разрезе и ориентация магнитных полей.
Фиг. 3 - зависимость постоянного магнитного поля в центре измерительной ячейки от поперечного размера постоянных миниатюрных магнитов и расстояния между ними.
Фиг. 4 - Зависимость постоянного магнитного поля в центре измерительной ячейки от температуры и поперечного размера постоянных миниатюрных магнитов и при расстоянии между магнитами 30 мм.
Устройство состоит из корпуса ячейки 1, соленоида 2, миниатюрных постоянных магнитов 3, держателя образца 4.
Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец в форме прямоугольной пластины, размещается в держателе цилиндрической формы 4 в посадочном месте 5. Держатель 4 состоит из двух симметричных частей, которые соединяются между собой с помощью системы шип-паз. Выходное напряжение с исследуемого образца измеряется с помощью припаянных к образцу проволочных выводов, которые выводятся наружу через изолированные канавки. Конструкция держателя позволяет использовать прижимные пружинные контакты в случае металлизации токопроводящих дорожек. Для контроля параметров внешних воздействий рядом с образцом в посадочном месте 5 размещаются датчики температуры, влажности, давления и т.д.
Держатель 4 помещается внутри соленоида 2, представляющего из себя пластиковый каркас 6 с обмоткой из изолированного медного провода. На медную обмотку подается входной сигнал с генератора, создавая в образце модулирующее переменное магнитное поле h(t). Напряженность магнитного поля регулируется числом витков обмотки соленоида и амплитудой подаваемого с генератора сигнала. Держатель 4 фиксируется в каркасе 6 соленоида 2 за счет пазов 7, тем самым достигается высокая точность установки образца в точке максимума полей и повышается точность и повторяемость результатов измерений.
Постоянное однородное магнитное поле Н создается в центре измерительной ячейки с помощью миниатюрных постоянных магнитов 3, выполненных из сплава Nd-Fe-B и может плавно и дискретно изменяться. Дискретное изменение магнитного поля осуществляется за счет изменения геометрических размеров и количества миниатюрных постоянных магнитов
3. Плавное изменение магнитного поля осуществляется путем изменения расстояния между магнитами за счет перемещения подвижных держателей магнитов 8 в соответствии со шкалой 9, нанесенной на корпусе ячейки 1.
В зависимости от направления поляризация пьезоэлектрической фазы в измеряемом образце относительно ориентации магнитных полей Н и h(t) в предлагаемой ячейке будут создаваться условия для возникновения в образце продольного или поперечного магнитоэлектрического эффекта.
Для исследования влияния температуры, влажности, давления и других внешних воздействий предлагаемая измерительная ячейка с образцом может располагаться внутри любого испытательного оборудования (камеры тепла и холода, платформе вибростенда, барокамеры или вакуумного термостолика), при этом взаимная ориентация магнитных и электрических полей будет сохраняться.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет измерять величину магнитоэлектрического эффекта в феррит-пьезоэлектрических композитах в области низких частот и электромеханического резонанса, а также зависимости величины магнитоэлектрического эффекта от величины магнитного поля, электрического поля, температуры, влажности, давления, вибрации и других внешних воздействий в единой, универсальной, миниатюрной и недорогой конструкции.