Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Магнитоупругие датчики магнитного поля с аморфным ферромагнитным сердечником
1.1. Магнитострикционные датчики магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов 13
1.2. Магнитоупругие датчики магнитного поля с сердечником из магнитострикционного аморфного ферромагнитного сплава
1.3. Датчики магнитного поля на основе ДЕ-эффекта в аморфных ферромагнетиках 32
1.4. Магнитоупругое взаимодействие в аморфных ферромагнитных сплавах с компенсированной магнитострикцией 37
1.5. Датчики магнитного поля на основе магнитоупругого взаимодействия в аморфных сплавах с компенсированной магнитострикцией и поперечной магнитной анизотропией 49
Глава 2 Магнитоимпедансныи эффект в аморфных ферромагнитных сплавах
2.1. Магнитоиндуктивный и гигантский магнитоимпедансныи эффекты в аморфных ферромагнитных сплавах 56
2.2. Экспериментальное исследование магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных лентах и проводах 60
2.3. Механоимпедансный эффект в лентах аморфных и нанокристалли-ческих ферромагнитных сплавов 66
2.4. Магнитоупругое взаимодействие в аморфных ферромагнетиках в магнитоимпедансном эффекте 71
2.5. Расчет импеданса аморфного ферромагнитного проводника с учетом магнитоупругого взаимодействия 90
2.6. Датчики магнитного поля и механических величин на основе магнитоимпедансного и механоимпедансного эффектов 99
Глава 3 Магнитомодуляционные преобразователи магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов
3.1. Магнитомодуляционные датчики магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов 104
Глава 4 Автопараметрический резонанс в датчиках магнитного поля на основе аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавов
4.1. Резонанс амплитуды напряжения в колебательном контуре с аморфным ферромагнитным сердечником 122
4.2. Параметрическое возбуждение ферромагнетика 138
4.3. Нелинейность намагничивания лент аморфных сплавов с компенсированной магнитострикцией под воздействием локального переменного магнитного поля 153
4.4. Датчики магнитного поля на основе нелинейности и параметрического резонанса, вызванных магнитоупругим взаимодействием в аморфном ферромагнитном сердечнике 165
Глава 5 Магнитные и механические датчики на основе аморфных ферромагнитных сплавов и основные области их применения
5.1. Основные области применения датчиков магнитного поля с аморфными ферромагнитными сердечниками 170
5.2. Датчики механических величин на основе аморфных ферромагнитных сплавов 184
Заключение 199
Литература
- Магнитоупругие датчики магнитного поля с сердечником из магнитострикционного аморфного ферромагнитного сплава
- Экспериментальное исследование магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных лентах и проводах
- Магнитомодуляционные датчики магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов
- Параметрическое возбуждение ферромагнетика
Магнитоупругие датчики магнитного поля с сердечником из магнитострикционного аморфного ферромагнитного сплава
Регистрация сигнала магнитострикции может осуществляться не только с помощью волоконно-оптического интерферометра. В динамическом режиме хорошим приемником упругих колебаний, вызванных магнитострикцией в ферромагнитном сердечнике, является пьезоэлектрический преобразователь.
В магнитоизмерительной технике известны магнитоупругие преобразователи, соединяющие в себе ферромагнитный магнитострикцион-ный элемент с пьезоэлектрическим керамическим преобразователем. Так например, в устройстве, описанном в [22], пьезоэлемент закреплен между магнитострикционными стержнями, на которые намотаны катушки индуктивности. Возбуждение такого комбинированного маг-нитоупругого элемента осуществлялось переменным магнитным полем, а приемный сигнал, пропорциональный измеряемому магнитному полю, снимался с пьезопреобразователя. Для повышения чувствительности датчик был включен в цепь обратной связи автогенератора. В устройстве, описанном в работе [23], ферромагнитный стержень возбуждался пьезопреобразователем, жестко закрепленным на одном из его торцов. Выходной сигнал датчика снимался с катушки индуктивности, расположенной в области пучности механических колебаний ферромагнитного сердечника. Изменение амплитуды выходного сигнала пропорционально изменению составляющей магнитного поля, совпадающей с продольной осью ферромагнитного стержня.
Во всех подобных магнитоупругих преобразователях магнитного поля применялись, как правило, сердечники из феррита и получить высокую чувствительность для измерения слабых магнитных полей в низкочастотном диапазоне не удавалось из-за малого коэффициента преобразования таких устройств.
Первый пригодный для практического применения магнитоупру-гий магнитоизмерительный датчик с сердечником из аморфного ферромагнитного сплава без применения волоконно-оптического интерферометра был разработан автором в 1983 году и был применен в устройстве для измерения магнитного поля [24] и в магнитометре (Заявка на а.с. N3828162/21, 1984).
Датчик представлял собой короткую (20 мм) полоску из аморфного сплава Fe7gSiioBi2, предварительно термообработанную в поперечном магнитном поле напряженностью 6 кЭ в плоскости ленты в течение 30 минут при температуре 370С, и механически (при помощи клея или пайки низкотемпературным припоем) соединенную с пьезо-преобразователем, выполненном из пьезокерамики ЦТС-19. На аморфную полоску, не соприкасаясь с нею, была надета катушка возбуждения (Рис. І Л). Датчик работал следующим образом. С помощью генератора в катушке возбуждения создавалось переменное магнитное поле высокой частоты, близкое или совпадающее по частоте с собственной частотой пьезопреобразователя. При этом, в результате магнитоупругого взаимодействия в аморфном сердечнике, возникают упругие колебания с частотой возбуждения, которые преобразуется пьезоприемником в электрический сигнал с той же несущей частотой. Амплитуда выходного электрического сигнала пьезопреобразователя пропорциональна компоненте индукции магнитного поля, совпадающей с продольной осью аморфного ферромагнитного сердечника.
Датчик имел следующие основные характеристики и параметры: размеры свободной части аморфного ферромагнитного сердечника - 15 ммх1ммх0.02мм; диаметр пьезопреобразователя - 10 мм, толщина - 5 мм; частота возбуждения - 200 кГц; добротность резонанса - около 40; чувствительность (коэффициент преобразования) - до 2 мкВ/нТл; диапазон рабочих частот датчика - от постоянного магнитного поля до 10 кГц; порог чувствительности (уровень собственных шумов) на частоте 16 Гц - около 0.! нТл в полосе пропускания 1 Гц. При помощи описанного датчика были проведены исследования магнитомеханического резонанса в магнитострикционных аморфных ферромагнитных сплавах [25]. На базе этого датчика автором был разработан автогенерирую-щий компонентный магнитометр (Заявка на а.с. N3828162/21, 1984). Магнитометр состоял из датчика, усилителя высокой частоты, детектора, электронного регулятора и источника опорного напряжения. Катушка возбуждения датчика соединялась с выходом усилителя, а пье-зопреобразователь - со входом усилителя высокой частоты, то есть датчик был включен в цепь положительной обратной связи усилителя и образовывал с усилителем автогенератор, возбуждающийся на частоте антирезонанса магнитомеханической системы датчика при превышении некоторого порогового магнитного поля. При увеличении постоянного магнитного поля выше порогового амплитуда синусоидальных колебаний, снимаемая с выхода усилителя, возрастала пропорционально величине внешнего магнитного поля до тех пор, пока усилитель не входил в состояние насыщения, что проявлялось в виде искажения выходного синусоидального напряжения, а затем его ограничения и генерации выходного сигнала прямоугольной формы (меандра).
Поскольку информация об измеряемом магнитном поле содержалась в амплитуде выходного напряжения автогенератора, необходимо поддерживать его рабочую точку в некотором магнитном поле, несколько превышающем пороговое, но которое меньше магнитного поля, соответствующего насыщению усилителя. Такой режим работы осуществляется с помощью электронного регулятора и катушки обратной связи датчика. Гармоническое выходное напряжение с усилителя подавалось на вход детектора. Постоянное напряжение с выхода детектора поступало на первый вход электронного регулятора. На второй вход электронного регулятора подавалось опорное постоянное напряжение от источника опорного напряжения, величина которого равна выпрямленному напряжению автогенератора при величине магнитного поля в датчике, соответствующего выбранной рабочей точке. Выход электронного регулятора соединялся с катушкой обратной связи датчика, создавая отрицательную обратную связь по магнитному полю. При отклонении внешнего магнитного поля от величины магнитного поля в рабочей точке изменяется амплитуда колебаний автогенератора, что приводит к изменению напряжения на первом входе электронного регулятора от величины опорного напряжения на его втором входе. В результате, на выходе электронного регулятора появляется напряжение, вызывающее в катушке обратной связи электрический ток, создающий магнитное поле, которое компенсирует изменение магнитного поля в датчике до достижения величины магнитного поля в рабочей точке.
Экспериментальное исследование магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных лентах и проводах
Генератор высокой частоты ГВЧ создает в аморфном ферромагнитном проводнике высокочастотный переменный электрический ток. Резистор Когр служит для ограничения силы электрического тока до допустимой величины, и его активное сопротивление выбирается таким, чтобы оно превышало импеданс исследуемого аморфного ферромагнитного проводника в сто или более раз. Измеряется падение переменного напряжения на аморфном ферромагнитном проводнике, пропорциональное импедансу этого проводника. Под влиянием внешнего продольного магнитного поля
Учитывая, что добавочное активное сопротивление R0 в цепи переменного электрического тока много больше сопротивления аморфного ферромагнитного проводника, из-за чего сила электрического тока в цепи практически не изменяется, и поскольку в предшествующих работах по магнитоимпедансному эффекту [80,81,82] полагается, что A U/U&AZ/Z, здесь также будем считать изменение падения напряжения на аморфном ферромагнитном проводнике изменением его импеданса. На Рис. 2.2 показана схема установки, которая была использована для исследования магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных проводниках.
Генератор высокой частоты Г4-І06 создает в ферромагнитном проводнике АФ переменный электрический ток. Падение напряжения на ферро-магнитном проводнике, вызванное прохождением этого тока, усиливается и поступает на детектор. Постоянное напряжение с выхода детектора, пропорциональное падению напряжения на ферромагнитном проводнике, поступает на Y-вход даухкоординатного самописца H306. Ферромагнитный проводник помещен внутри колец Гельмгольца (КГ), создающих внешнее постоянное продольное магнитное поле Н. Кольца Гельмгольца через низкоомный резистор и амперметр подключены к источнику постоянного электрического тока ТЕС-21. Падение напряжения на низкоомном резисторе, пропорциональное силе электрического тока в кольцах Гельмгольца и, соответственно, создаваемому в них магнитному полю, подается на Х-вход самописца.
С помощью данной установки можно снимать графическую зависимость импеданса ферромагнитного проводника от величины внешнего постоянного магнитного поля при различной частоте переменного электрического тока.
Зависимость величины изменения импеданса от магнитного поля в начальной части этого участка близка к квадратичной, а затем приближается к линейной. Второй участок, с отрицательной крутизной, - в области технического насыщения ферромагнетика, то есть в области магнитного поля от 200-300 А/м до 2000-3000 А/м. Зависимость снижения импеданса от величины внешнего магнитного поля на этом участке для термообработанных образцов близка к линейной. Направление изменения напряжения при сканирования внешнего магнитного поля на участке с гистерезисом на Рис. 2.3 показано стрелками. На Рис. 2.4 показана зависимость падения напряжения на микропроводе диаметром 30 мкм из неотожженного аморфного сплава от внешнего магнитного поля при разной частоте переменного электрического тока. Б данном случае импеданс изменяется более, чем в два раза, однако наблюдается сильный гистерезис, причем максимум на частоте 2 МГц при уменьшении внешнего магнитного поля раздваивается. Направление изменения напряжения при изменении магнитного поля в областях гистерезиса на Рис. 2.4 также, как и на Рис. 2.3, показано стрелками.
В проводе из аморфного сплава (NiCo)70Fe6Si9Mn2Bl3 максимум изменения импеданса наблюдался на частотах от 20 МГц до 30 МГц [84], причем при высокой плотности тока (20 мА, диаметр 30 мкм) максимум был выражен более четко, чем при малой плотности тока (5мА). В [76] максимум изменения импеданса для необработанного провода из FeCoSiB-nMOpfyuoTO сплава диаметром 124 мкм находился на частоте около 100 кГц, для 30-микронного провода - от 2 до 10 МГц и для провода диаметром 5 мкм - на частотах 10-12 МГц. То есть в ряде случаев просматривается некоторая тенденция к увеличению частоты максимума магнитоимпедансного эффекта с уменьшением поперечных размеров аморфного ферромагнитного проводника.
При увеличении внешнего магнитного поля и возвращении его в первоначальное состояние зависимость импеданса аморфного ферромагнитного проводника от внешнего магнитного поля может наблюдаться некоторый гистерезис (гистерезис импеданса), который может во много раз превышать величину магнитного гистерезиса (неоднозначность зависимости В(Н) ферромагнетиков при циклическом перемагни-чивании) и отличается на различных участках характеристики и для различных частот переменного электрического тока, протекающего по аморфному ферромагнитному проводнику.
Магнитомодуляционные датчики магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов
Под магнитомодуляционным преобразователем здесь подразумевается устройство, в котором возбуждение ферромагнитного сердечника осуществляется переменным магнитным полем (магнитное поле возбуждения или накачки Hi) и при этом внешнее (измеряемое) постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но модулирует какой-либо из параметров ферромагнитного сердечника преобразователя, например, его магнитную проницаемость ц. Регистрация измеряемого магнитного поля осуществляется на частоте возбуждения путем измерения амплитуды (или фазы) колебания частоты возбуждения после воздействия измеряемого магнитного поля на магниточувстви-тельный параметр преобразователя. При этом амплитуда магнитного поля возбуждения Hi много меньше максимальной величины измеряемого магнитного поля Но, а ферромагнитный сердечник не достигает состояния полного магнитного насыщения. В результате такого преобразования спектр частот сигнала измеряемого магнитного поля переносится на более высокую частоту - частоту возбуждения магнитомоду-ляционного преобразователя. Такой режим работы преобразователя эквивалентен первому режиму работы феррозонда [106,107], а сами описываемые в этой главе магнитомодуляционные датчики являются простейшими одностержневыми феррозондами, предназначенными для измерения переменного магнитного поля.
Поскольку максимальное воздействие на магниточувствительный параметр ферромагнитного сердечника достигается, как правило, при некотором отличном от нуля внешнем магнитном поле, то, для получения высокого коэффициента преобразования, вводят дополнительное магнитное поле смещения Нр, при котором ферромагнитный сердечник находится в области максимальной крутизны характеристики преобразования. Отклонение магнитного поля от рабочей точки датчика преобразователя, соответствующей магнитному полю смещения Нр, вызывает пропорциональное изменение регистрируемого сигнала, например, амплитуды переменного напряжения на катушке. То есть измерение ведется по отношению к магнитному полю смещения Нр, зная которое можно судить об абсолютной величине измеряемого магнитного поля. Но= Нр -(]/K)xUp , где К - коэффициент преобразования, а Up - напряжение на выходе преобразователя в рабочей точке, то есть в магнитном поле смещения Нр.
Так как коэффициент преобразования можно считать постоянным только вблизи рабочей точки, то как правило в магнитомодуляционных преобразователях применяют систему обратной связи по магнитному полю, автоматически поддерживающую ферромагнитный сердечник в рабочей точке, соответствующей выбранной величине магнитного поля смещения.
При намагничивании лент аморфных ферромагнитных сплавов в высокочастотном магнитном поле изменение магнитной индукции В не успевает за изменением напряженности переменного магнитного поля Hi = I Hi е-1"4, то есть В = В$е бЯ , При этом возникают потери на перемагничивание и магнитная проницаемость становится комплексной ц=ц/-іи", где мнимая часть магнитной проницаемости д" определяется потерями при перемагничивании. Запишем величину магнитной проницаемости в виде ja=(B/H)=(Bo/Hi)cos(8)-i(Bo/Hi)sin(8). Относительная величина потерь определяется, как tgS= ц. 7ц/. Сравнивая полученную зависимость с предельной линией Сунка для Ni-Zn ферритов различного состава [49] видно, что аморфные ферромагнетики на частотах до 106 Гц имеют преимущество в максимальной величине магнитной проницаемости, на частоте от 1 МГц до 5 МГц возможности аморфных ферромагнетиков и ферритов сопоставимы и только на частотах более 10 МГц явное преимущество в максимальной величине магнитной проницаемости имеют ферриты. В работе [108] отмечается, что аморфные ферромагнитные ленты могут иметь д 500 на частотах более 5 МГц. Типичное значение для ферритов в этом частотном диапазоне составляет от 100 до 1000. Там же показано, что потери на перемагничивание аморфного сплава Met-glas 2605S2 (FeSiB) составляют на частоте 60 Гц менее 0.02 Вт/кг, что в 5 раз меньше, чем кремнистой стали в аналогичных условиях. С увеличением частоты разница в потерях в аморфных ферромагнитных сплавах по отношению к кристаллическим сплавам многократно растет.
Применение в качестве сердечника в простейших магнитомодуля-ционных преобразователях лент аморфных ферромагнитных сплавов позволило по крайней мере на порядок повысить их чувствительность.
Это стало возможным вследствие того, что: 1 - сердечники из аморфных ферромагнитных сплавов имеют более высокое удельное электрическое сопротивление, благодаря чему можно существенно увеличить частоту возбуждения; 2 - сердечники из аморфных ферромагнитных сплавов имеют меньшие потери на перемагничивание; 3 -из-за малости величины магнитной анизотропии ленты аморфных ферромагнитных сплавов достигают состояния насыщения в меньшем, чем кристаллические ферромагнетики, магнитном поле; 4 - в ряде аморфных ферромагнитных сплавов наблюдается довольно резкое падение магнитной проницаемости в полунасыщенном состоянии.
Кроме того, аморфные ферромагнитные материалы отличаются от кристаллических ферромагнетиков более простой и дешевой технологией изготовления, а также устойчивостью их магнитных характеристик к механическим воздействиям, вибрации и ударам.
Параметрическое возбуждение ферромагнетика
В качестве стороннего возмущения внутренних энергетических состояний ферромагнетика наиболее эффективно могут использоваться электромагнитные и упругие волны. Они влияют на собственные энергетические состояния ферромагнетика благодаря изменению его магнитной и магнитоупругой энергии. Время релаксации в аморфных ферромагнитных сплавах может достигать 3х10"5 с, поэтому эффективным механизмом передачи сторонней энергии ферромагнетику может быть параметрический [125].
Электромагнитные или упругие волны изменяют какой-либо из параметров ферромагнетика и, при превышении глубиной изменения этого параметра некоторой пороговой величины, возникает усиление внутренних магнитных или упругих колебаний. При этом возможны ситуации, когда почти вся энергия возбуждения преобразуется в энергию параметрически возбужденного состояния. В аморфных ферромагнетиках такими внутренними магнитными и упругими параметрами являются магнитный момент М, внутреннее поле НІ и модули упругости Е, G. Изменение магнитных параметров может быть осуществлено с помощью внешнего переменного магнитного поля h, кото у рое изменяет внутреннее поле и направление векторов намагничен ности. Изменение магнитных параметров может быть также достигнуто с помощью упругого возбуждения благодаря эффекту магнито 139 стрикции (механострикции). Таким же образом может быть осуществлено изменение упругих параметров ферромагнетика.
Для возникновения параметрического усиления в колебательном контуре с аморфным ферромагнитным сердечником энергия сигнала частоты возбуждения в значительной степени должна перейти в энергию сигнала кратной частоты и уже затем выполнять роль энергии накачки по отношению к сигналу основной частоты возбуждения. Такое преобразование энергии колебаний может быть осуществлено параметрическим путем через магнитную или магнитоупругую энергии сердечника из аморфного ферромагнитного сплава.
Рассмотрим параметрический резонанс в колебательном контуре с изменяемой индуктивностью.
Шунтирование проводимости нагрузки Gn отрицательной проводимостью Gp снижает общую активную проводимость и тем самым повышает добротность колебательного контура. Получается эффект усиления на частоте со. Устойчивость усиления обеспечивается при выполнении условия QpU— -siny ои , откуда критическое значение коэффициента глубины модуляции m=2/Q, где Q - добротность контура. Это значение критического коэффициента глубины модуляции получено для сигнала возбуждения синусоидальной формы, В случае применения сигнала возбуждения прямоугольной формы критическое значение коэффициента глубины модуляции m=7i/Q,
Таким образом, при внутренней проводимости источника сигнала, равной нагрузочной проводимости (включающей в себя все виды потерь в колебательном контуре), критическая величина отрицательной проводимости, соответствующая порогу устойчивости, Gp- 2Gn . При некотором небольшом расхождении частот средняя за период колебаний мощность все равно получается большей, чем в отсутствии параметрического усиления. То же самое имеет место и при небольшом изменении сдвига фаз относительно оптимального значения.
Из этого выражения видно, что величина xL да і0 4 по отношению к току \2 ведет себя как отрицательное сопротивление. В том случае, когда эта величина превышает активные потери в колебательном контуре с измерительной катушкой, феррозонд возбудится и будет генерировать напряжение второй гармоники. При этом его чувствительность к измеряемому магнитному полю либо теряется, либо сопровождается трштерным эффектом, при котором фаза выходного напряжения изме 144 няется скачком на 180 градусов. Выходное напряжение на измерительной катушке также пропорционально коэффициенту Ад, что находится в согласии с одним из условий параметрического резонанса: устойчивый резонанс в LC-контуре может наблюдаться, если один из параметров контура (в данном случае - индуктивность) изменяется с частотой, в два (или кратно) раза большей, чем собственная резонансная частота колебательного контура. Применительно к феррозонду с выходом на второй гармонике частоты возбуждения это означает, что индуктивность измерительной катушки должна изменяться с частотой четвертой гармоники.
Следует отметить, что постоянство цо и (04 , необходимое для устойчивого параметрического усиления, достигается лишь при прямоугольно-импульсной форме амплитуды магнитного поля возбуждения (Рис. 4.! 2). Независимо от выбранной аппроксимации средней кривой намагничивания сердечника периодическая функция д Н i(t)] имеет ступенчато-прямоугольную форму и однозначно характеризуется углом отсечки 0, который не зависит от максимального значения поля возбуждения, а определяется только длительностью импульсов магнитного поля т. Необходимо лишь правильно выбрать угол 0 и длительность импульсов х. При 6=7i/4 и т=7г/2 получаем условия, оптимальные для работы феррозонда с выходом на второй гармонике в режиме холостого хода (в режиме холостого хода выходной контур расстроен относительно удвоенной частоты возбуждения, причем при значительной расстройке сдвиг фаз 0 близок к я/4). Однако, если настроить выходной контур феррозонда в резонанс на вторую гармонику, то никакого внутреннего параметрического усиления не получится (нет необходимого сдвига фаз). Это происходит потому, что при 9=я/4 коэффициенты jLM и А4 равны нулю.
При небольших флкжтуациях ±Дф относительно угла 6=7:/4 параметрическое усиление возможно, но оно крайне неустойчивое, так как зависимость s m 4(9 ±А&)\ = /4 =±sin4A# 4A# имеет значительную крутизну. При 0=Зл;/8 (t=W4) получаем условия, оптимальные для работы феррозонда с выходом на второй гармонике в режиме емкостной нагрузки. Надо полагать, что под режимом емкостной нагрузки имеется ввиду настройка выходного измерительного LC-контура точно на удвоенную частоту сигнала возбуждения путем добавления конденсатора, включенного параллельно выходной обмотке. Коэффициент р.2 в этом случае уменьшается (в 1.41 раза), но коэффициент JLU И, следовательно, А4. достигает максимального значения. Возникает внутреннее параметрическое усиление и коэффициент преобразования феррозонда существенно возрастает. При небольших флкжтуациях ±А0 относительно 9=37t/8 параметрическое усиление продолжает оставаться устойчивым, поскольку зависимость sin4( ±A ) 9=3 /8 = -COS4A#J»-1 достаточно пологая, что обеспечивает устойчивую работу феррозонда. Параметрическое усиление может быть получено и на четных гармониках более высокого порядка, например на четвертой гармонике выходного напряжения феррозонда (при 9=ЗяЛ 6 и 0=7тс/16).
