Введение к работе
Актуальность темы диссертации Одно из направлений в области информационно-измерительной техники связано с созданием первичных измерительных преобразователей (датчиков).
С появлением таких быстро развивающихся отраслей науки и техники как интроскопия, робототехника, автоматизированное управление технологическими процессами еще более увеличилась потребность в новых чувствительных элементах и датчиках, воспринимающих и преобразующих первичную информацию. Возникли задачи, которые не решаются известными способами и техническими средствами. Например, в неразрушающем контроле качества необходимо преобразовать в электрический сигнал такие величины, которые ранее никогда не измерялись электрическими методами (твердость, пределы прочности, размер зерна и другие), заявляют о своих потребностях в датчиках и приборах специалисты по экологии, охране окружающей среды и сельскому хозяйству.
В последнее двадцатилетие в контрольно-измерительной технике появилось много научных направлений, в рамках которых ведутся исследования новых физических принципов построения первичных измерительных преобразователей и устройств их использования. Новый физический принцип, положенный в основу измерительного преобразования, знаменует прогресс и в смежных с измерительной техникой областях: автоматике, технике контроля и управления.
Научное направление "Эффект Баркгаузена и его использование в технике измерения, контроля и автоматике" разрабатывается автором с 1971 года. На определенном этапе эти исследования вызвали интерес со стороны Комитета по науке и технике при Совете Министров СССР, который организовал ознакомление с ними научной и технической общественности. На расширенном совещании (доклад делал автор) решением Постоянной комиссии ПС НТ при СМ СССР от 27 марта 1978
года Ижевский механический институт (ИМИ -ИжГТУ) назначен головной организацией, координирующей исследования в данном направлении.
Актуальность исследований подтверждается включением их в Государственные планы экономического развития Госплана СССР (N272/248 от 12.12.1980 г.), координационные планы АН СССР, Минвуза СССР, Госстандарта и другие. Усилиями автора метод эффекта Баркгаузена внесен в ГОСТ 18353-79 как метод нераз-рушаюшего контроля качества изделия.
Цель работы. Исследовать эффект Баркгаузена и сопутствующие ему магнитные шумы для построения устройств измерения, контроля и автоматики; выявить наиболее перспективные направления, сформулировать проблемы и наметить пути их решения; разработать основы теории и конструирования первичных измерительных преобразователей и устройств на их основе; создать и освоить производство образцов новой техники и внедрить их.
Научная новизна
-
Доказана перспективность нового научного направления - применение эффекта Баркгаузена (ЭБ) и сопутствующих ему магнитных шумов в контрольно-измерительной технике. Сформулированы основные проблемы, решение которых имеет первостепенное значение для использования его как метода измерения и контроля.
-
Разработаны прикладные вопросы теории и эксперимента ЭБ. В частности:
обобщены, систематизированы и перепроверены разрозненные экспериментальные исследования явления;
обнаружена новая разновидность эффекта, названная автором по аналогии с другими разновидностями "химическим эффектом Баркгаузена" (ХЭБ);
исследованы основные закономерности обнаруженного явления: зависимость интенсивности СБ от скорости окислительной реакции, влияние побочных факторов и условий эксперимента;
предложены и изучены новые методы возбуждения скачков Баркгаузена (СБ): перемещением ферромагнетика в постоянном градиентном поле и группированием СБ в пачки высокочастотным полем, накладываемым на поле перемагничивания;
разработана потенциально-энергетическая модель единичного СБ с использованием кусочно-полиномиальной сплайн-функции третьего порядка;
предложен новый подход к описанию потока СБ в поликристаллических ферромагнетиках, заключающийся в составлении системы дифференциальных уравнений, переменными в которых являются положение и скорость доменных границ, а решение описывает выходной сигнал от потока СБ в измерительной катушке.
-
Разработаны теоретические принципы и основы теории датчиков Баркгаузена для измерения физических величин - скоростей движения, ускорения, сил, микродеформаций, перемещений и др.
-
Разработаны физические основы неразрушающего контроля качества методом эффекта Баркгаузена (МЭБ), проведено большое количество экспериментов, рассчитаны корреляционные связи между измеряемыми характеристиками ЭБ и контролируемыми параметрами, подтверждающие перспективность метода. Созданы основы теории магнитошумовой тоїшгинометрии структурных слоев.
-
Созданы физические основы технологии получения бистабилышх материалов из аморфных и поликрисгаллических ферромагнетиков.
Практическая ценность. На базе теоретических и экспериментальных исследований созданы образцы техники различного назначения, метрологическое и методологическое обеспечение их в процессе эксплуатации. Все устройства признаны изобретениями.
Для неразрушающего контроля и толщинометрии структурных слоев разработаны (лрукгуроскопьг-толыщномеры серии СКИФ. Приборы используются для контроля термообработки, толщины лазерного упрочнения, глубины обезуглеро-женного слоя, глубины нигроцементации, борирования и азотирования, качества поверхностно-пластического упрочнения и др.
На базе созданных бистабильных сердечников БИСЕР-1, БИСЕР-2, БИСЕР-3 спроектированы, изготовлены и внедрены магнитометры ИГМП-ЗМБ, ИГМП-1, ИГМП-2, радаометки «БАРД-1», «БАРД-2», тахометры ТБ-1, 1Б-2, кодовые карточки к депозитным шкафам и другие устройства.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались публично на совещаниях, школах, семинарах, конференциях и симпозиумах: 1-я Всесоюз. конф. по дефектоскопии (Москва, МЭИ, і 972); 2-я Всесоюз. межвуз. конф. по ЭМК, (Рига, 1975); Всесоюз. конф. ИИС-75 (Кишинев, 1975); Всесоюз. конф. по методам и приборам для автоматизации точных угловых и линейных измерений в геодезии, аэросъемке и фотометрии (МоскваД975); Респ. совещ. «Проблема теории чувствительности электромеханических устройств и систем» (Владимир, 1976); 3-й Всесоюз. симпозиум «Теория информационных систем управления с распределенными параметрами» (Уфа, 1976); 4,5, 6-я Всесоюз. конф. по НК (Кишинев, 1977, Минск, 1981); 1, 2, 3, 4-я Всесоюз. и Международная школы-семинары по эффекту Барк-гаузена (Ижевск, 1977; Калинин, 1980; Ижевск, 1984; Псков, 1995), организованные и проведенные по инициативе и под председательством автора (сопредседатели Рудяк В.М. и Колачевский Н.Н.); 7,8, 9-я Уральские региональные НТК по НК (Устинов, 1986; Челябинск, 1988, Ижевск,1989, 1998); XVI Всесоюз. совещ. 'Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники" (Москва,1979); X, XI Международные конф. по неразрушающему контролю (Мельбурн, 1979, Москва, 1982); 2-я Международная конф. «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушаю-щем контроле и диагностике» (Минск, 1998); Болгарская нац. НТК «Дефектоско-пия-89» (Пловдив, 1989); Всероссийская конф. с международным участием «Нераз-рушающий контроль в науке и индустрии-94» (Москва, 1994); Всесоюз. конф. по аморфным материалам (Москва, 1988); Всесоюз. НТК по магнитным измерениям (Ленинград, 1980); ГХ и X Всероссийские НТК с международным участием «Дат-чик-97,-98», (Гурзуф, 1997, 1998); Обл. конф. по НК. (Ульяновск, 1978, Свердловск, 1980,1988); 1 и 2-я Респ. конф. «Конверсия. Медицинское приборостроение в Удм. Респ.». (Ижевск 1995, 1996); НТК ученых ИжГТУ с 1970 по 1997 годы; Научный
Совет АН СССР по проблеме "Неразрушающие физические методы контроля " (доклад о создании радиометки, основанной на бистабильном ферромагнетике и использующей для работы энергию поля Земли, (Москва, НИИИН, февраль 1987 года); Научный Совет ПШТ СССР (доклад «О состоянии и перспективах развития метода неразрушающего контроля на основе эффекта Баркгаузена»), Москва, 27 марта 1978 г.
Результаты диссертации опубликованы в монографии, в 17 статьях центральных журналов, в 68 сборниках и 16 отчетах о НИР и ОКР и получено 42 авторских свидетельства на изобретения (всего 144 источника).
Диссертация изложена на 350 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстрации. Включает введение, четыре раздела, заключение, 10 приложений на 15 листах, а также список литературы из 492 наименований.