Введение к работе
Актуальность работа. Окончание 20 века характеризуется стремительным развитием радиоэлектроники,вычислительной техники,измерительных и управляющих комплексов.Современные технологии настолько сложны, что их осуществление стало немыслимо без управляющих и контролирующих компьютерных систем. Для осуществлен*.! управления и контроля технологическими процессами необходимы устройства .которые должны преобразовать различную физическую информацию об объекте в электрический сигнал для последующего ввода ъ компьютерную систему. Эту функцию и выполняют первичные преобразователи -датчики(сенсоры).Датчики образуют основу всех современных измерительных приборов,без которых невозможны контроль качества продукции,производство и расходование энергии,борьба с загрязнением окружающей среды и др.Также без развития измерительной техники невозможны прогресс в науке и расширение границ познания окружающего мира!
В настоящее время научный и практический интерес представляет восстановление топографии магнитного поля над различными локальными объектами.Например, в магнитной дефектоскопии это поля рассеяния от несплошностей в ферромагнетике.Топография магнитного поля есть базовая информация для решения таких задач как обнаружение и классификация дефектов вплоть до определения их размеров.Конечно для измерения топографии поля можно воспользоваться миниатюрным одиночным преобразователем с механической координатной системой перемещения,но в подавляющем большинстве случаев условия контроля не позволяют разместить над исследуемым объектом точное механическое устройство. Агрессивная среда, высокие температуры,вибрация уменьшают надежность таких систем.Воспроизводимость результатов измерений в этом случае невысока. В связи с этим возникли системы с электронным сканированием,содержащие" множество одиночных преобразователей, из которых формируются линейки и матри-цы[1,2]. Преимущества таких преобразователей очевидны. Это и отсутствие сложной механики,большая скорость опроса элементов,обеспечивающая быстродействие,которое позволяет наблюдатьтопографию магнитного поля не только в статике но и в динамике,например, формирование магнитного рельефа на поверхности тела при нестационарных квазистатических процессах намагничивания или в технологическом потоке, когда объект контроля перемещается в пространстве.С помощью матричных преобразователей, испольвуемых совместно с компьютером, можно осуществить визуализацию магнитного поля. Это делает информацию более полной и нагляд-ной.открывает новые возможности в интерпретации полей дефектов.
Необходимо отметить, что проблема одиночного магниточувствитель-. ного элемента для магнитной дефектоскопии до конца не решена. Для выявления микротрещин требуются преобразователи с микронными размерами.вы-
сокой чувствительностью (сотые и тысячные доли А/см),широким диапазоном измерения (сотни А/см),высокой эксплуатационной надежностью и термостабильностью, а также стойкостью к рентгеновскому и радиоактивному ивлученияи.Преобразователей в полной мере отвечающим перечисленным требованиям в настоящее время не существует,а , следовательно , нет и соответствующих матричных преобразователей.Надо также сказать, что не все типы магниточувствительных элементов мокно просто и гармонично объединить в матрицы, так как этому препятствует ряд технологических и технических затруднений,порой даже непреодолимых.Это частично связано с тем, что миниатюризация преобразователя уже подразумевает применение интегральных технологий,некоторые же типы преобразователей невозможно реализовать испольэуя такие технологии.Матричные преобразователи на полупроводниковых магниточувствительных элементах обладают низкими метрологическими характеристиками и малой чувствительностью,что обусловливает их применение только в качестве индикаторов магнитного рельефа.
Созданные матричные преобразователи с иагниточувствительными элементами, удовлетворяющими перечисленным выше требованиям, могли бы представить интерес для других областей науки и техники .например, в исследовании топографии поля от абрикосовских вихрей над высокотемпературными сверхпроводниками, визуализации доменной структуры и магнитной текстуры на поверхности ферромагнитных тел,контроле полей записи на различных носителях информации для вычислительной техники,магнитных считывающих устройствах и т.д.
Цель и вадачи работы. Целью работы является создание матричного преобразователя магнитного поля высокой пространственной разрешающей способности для применения его в быстродействующих компьютерных и автоматических системах визуализации магнитного рельефа на поверхности физических тел .позволяющих повысить надежность.достоверность и информативность магнитного метода неразрушающего контроля.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Выбор на основе анализа существующих компактных твердотельных магниточувствительных элементов наиболее подходящего прототипа (магни-торевистор на ферромагнитной пленке).
-
Соадание принципа действия и теории магниточувствительного элемента на основе явления анизотропии магнетосопротивления в тонких ферромагнитных пленках.
-
Теоретическое исследование влияния угловой и амплитудной дисперсии анизотропии в ферромагнитной пленке,температурного воздействия внешней среды .выделения тепла в обмотках возбуждения и собственных шумов на чувствительность преобразователя.
-
Разработка рекомендаций по проектированию и конструированию магниточувствительных элементов.
б. Совдание экспериментальной установки для исследования магнитных характеристик ферромагнитных пленок.
_ 4 -
-
Разработка принципов построения тонкопленочпого матричного преобразователя магнитного поля.
-
Исследование магнитного взаимовлияния ферромагнитных пленочных элементов на погрешность измерения матричного преобразователя.
-
Создание 256 элементной матрицы (32x8) с наибольшим пространственным разрешением 200 мкм.
-
Разработка компьютерной системы визуализации рельефа магнитного поля с применением 256-элементного матричного преобразователя.
Научная новизна. В работе предложен новый принцип измерения величины и направления вектора напряженности магнитного поля элементом,который состоит ив тонкой электропроводящей ферромагнитной пленки,охваченной двумя взаимно перпендикулярными пленочными витками.Создана теория работы пленочного магниточувствительного элемента и исследовано влияние дисперсии, магнитной анизотропии .температурного воздействия внешней среды,теплового воздействия токов возбуждения и собственных шумов на чувствительность преобразователя.Созданы принципы построения матричных преобразователей магнитного поля на тонких ферромагр лтных пленках и методика расчета. Исследовано магнитное взаимовлияние ферромагнитных пленочных элементов в матрице на погрешность измерения.
Практическая ценность. Разработано и изготовлено устройство визу
ализации магнитного рельефа от различных источников магнитного возму
щения на основе 256-элементного матричного преобразователя с наиболь
шим пространственным разрешением 200 мкм .которое может быть применено
для выявления микронесплошностей и магнитных неоднородностей в магнит
ных методах неразрушающего контроля.Разработанные пленочные магнито-
чувствительные элементы применены в магнитном дефектоскопе для контро
ля качества шва электросварных труб. На основе пленочных магниточувс-
твительных элементов может создаваться различная прецизионная магнито-
измерительная аппаратура.
На защиту выносятся сдедущко оспозныо результати:
1.Принцип измерения и теория магниточувствительного элеменга.сос-тоящего из тонкой электропроводящей ферромагнитной пленки и взаимно-перпендикулярных пленочных витков .охватывающих ее.
2. Результаты исследования влияния дисперсии магнитной анизотропии в ферромагнитной пленке на чувствительность преобразователя.
3.Результаты исследования влияния температурного воздействия внешней среды, выделения тепла в обмотках возбуждения и собственных шумов на чувствительность преобразователя.
4.Принципы построения матричных преобразователей на магниточувс-твительных элементах.основанных на явлении анизотропии матнетосопро-тивления в ферромагнитных пленках. , ,
б.Результаты исследования магнитного поля взаимовлияния ферромагнитных пленок в матрице на погрешность измерения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались яа 14 Российс-
- б -
кой научно-технической конференции "Нераэрушающий контроль и диагностика" (Москва ,23-26 ииня,1996),на XVI Уральской региональной конференции "Контроль технологий,изделий и окружающей среды физическими методами" (Оренбург. 15-16 ыая,1в96),на научной сессии Института Фиеикн Ме.аллов (Екатеринбург,март,1й96).
Структура и объем работа. Диссертация состоит ив введения,пяти глав.общих выводов,списка использованной литературы и трех приложений.Работа изложена на 193 страницах.сдержит 60 рисунков, 8 таблиц.три приложения на 16 страницах и библиографию ив 118 наименований.