Введение к работе
Актуальность темы. Важными элементами систем управления и ав-эматизированного контроля являются первичные преобразователи или 1ТЧИКИ различных величин, в частности, 'напряженности физических элей. Применение современных средств вычислительной техники для Зработки информации, поступающей с первичных преобразователей, эуславливает возрастающие требования к техническим характеристикам ітчиков. В настоящее время для широкого класса научно-исследова-эльских промышленных установок, например, в технике сверхпроводя-їх систем, в ядерной энергетике, ускорительной технике и других Эластях, существует настоятельная потребность в измерительных дат-яках магнитных- полей. Необходимость обеспечения заданных характе-ястик контрольно-измерительных и управляющих систем таких устано-ок предъявляет высокие требования к параметрам датчиков магнитных элей, в первую очередь, к точности, чувствительности, помехозащи-енности. возможности проведения измерений в широком диапазоне маг-итных полей. Для ряда приложений, например, для исследования то-ограмм магнитных полей фокусирующих систем в ускорителях элемен-арных частиц немаловажным требованиями являются также возможности змерения сильно неоднородных полей, в том числе и в условиях ради-ционного воздействия на чувствительный элемент датчика. Особую ак-уальность в последние годы приобрело сопряжение ППИ с современными редствами вычислительной техники, задействованными в системах, реди высокочувствительных цифровых первичных преобразователей маг-итных величин, в большой степени удовлетворяющих указанным требо-аниям. перспективными являются магнитоакустические (МА) датчики, ринцип их действия основан на зависимости скорости звука в магне-ах от напряженности магнитного поля. Так на базе антиферромагнети-.ов с анизотропией типа "легкая плоскость" (АФЛП). в частности, ристаллов гематита /а - Fe203/ были созданы прецизионные резонансне датчики магнитных полей в диапазоне от 0,2 до 2 кЭ с погреш-:остью измерения, не превышающей 0.01%.
В указанных устройствах верхний предел измерения магнитных по-гей ограничивался насыщением полевой зависимости скорости звука в [увствительном элементе датчика, что связано с масштабом внутренних іагнитоупругих полей в кристаллах гематита.
Одним из направлений совершенствования элементов измерительных
преобразователей данного класса является поиск новых магнитоупоря-доченных материалов для чувствительных элементов, обладающих сильной МУ связью и эффективно управляемых магнитным полем акустическими параметрами в диапазоне полей от десятков эрстед до 50 кЭ. Для этих целей наиболее перспективными магнитоакустическими материалами представляются редкоземельные интерметаллические (РЗИ) соединения с гигантской магнитострикцией (типа ТЬхду1-^ег), которые обладают достаточно высокой чувствительностью модулей упругости к воздействию внешнего магнитного поля в широком диапазоне, вплоть до нескольких десятков килоэрстед. Однако, до настоящего времени, насколько известно, отсутствовали работы по созданию чувствительных элементов датчиков магнитного поля на базе микрорезонаторов из РЗ металлов, что частично обусловлено как трудностями синтеза акустически совершенных материалов с заданными свойствами, так и неполнотой данных об их магнитоакустических свойствах.
В связи с эти научный и практический интерес представляет исследование магнитоакустических свойств микрорезонаторов на основе РЗИ соединений и определение возможностей их использования в качестве чувствительных элементов для прецезионных широкодиапазонных датчиков магнитных полей. Разработка таких датчиков предполагает также решение ряда схемотехнических и конструктивных задач сопряжения исследуемых элементов с измерительной аппаратурой, изучение влияния различных физических факторов, определяющих точность, чувствительность и диапазон измерений, рассмотрение вопросов обработка и представления информации в виде, удобном для использования в системах управления. Расширение функциональных возможностей cиcтe^ контроля и управления на базе РЗИ соединений возможно при использовании чувствительных магнитострикционных элементов совместно с од-номодовыми волокно-оптическими линиями передачи информации.
Цель работы: разработка магнитострикционных элементов магнитоакустических первичных преобразователей информации на основе редкоземельных соединений для прецизионных широкодиапазонных датчикої магнитных полей на основе магнитоакустических микрорезонаторов и: соединении редкоземельных металлов с гигантской магнитострикцией.
Предметом исследования являлись магнитострикционные элемент: магнитоакустических первичных преобразователей информации на основ редкоземельных соединений.
К задачам решаемым з процессе исследования, предоставленного
настоящей работе относятся:
-
Экспериментальное подтверждение возможности использования редкоземельных соединений для создания датчиков наполненности магнитного поля в широком диапазоне измеряемых полей.
-
Проведение экспериментов по оптимизации и изменению составов РЗ соединений с целью улучшения параметров магниточувствительных элементов датчиков напряженности магнитного поля.
-
Создание измерителя напряженности магнитного поля с использованием датчика с чувствительным элементом из РЗ материала.
Методы исследования. При выполнении исследований предоставленных в настоящей работе используются следующие методы: феноменологическая тео- рия магнитоупругого взаимодействия, резонансные* методы исследо- вания магнитоакустических характеристик материалов и числен- ные методы статистической обработки данных измерений, схемотехнические методы вычислительной техники.
Научная новизна:
-
Разработаны микрорезонаторы контурно-сдвиговых колебаний на основе интерметаллических РЗ соединений TbjjDy^xFez и предложено их использование в качестве основных элементов частотных датчиков магнитных полей с расширенным диапазоном: от десятков эрстед до 50 кЭ.
-
Впервые исследованы магнитоакусгические свойства микрорезонаторов контурно-сдвиговых колебаний на основе указанных поликристаллических соединений РЗМ. Экспериментально исследованы влияние магнитоупругой анизотропии на спектр мод резонатора, температурные и полевые зависимости резонансных частот, > влияние нелинейных эффектов на резонансную частоту.
-
Впервые проведены исследования магнитоакустических характеристик соединений Tb027Dy0.73(Fej.xMnx)j>9 для различных концентраций Мп. Определен оптимальный состав указанного соединения для применения его в качестве чувствительного элемента датчика магнитных полей обладающего максимальной крутизной характеристики чувствительности резонансной частоты по полю SH = 5Г/5Н и наибольшей магнитострикцией X.
-
Продемонстрирована на экспериментальном макете возможность применения разработанных микрорезонатров в качестве чувствительных элементов прецизионных широкодиапазонных измерителей магнитных полей с цифровым представлением выходной информации.
-
Предложен и реализован резонансный метод измерения магнит-
ного поля в широком диапазоне полей на основе фазовой модуляции света в волоконном световоде, соединенном с чувствительным элементом из РЗ материала.
Основные положения, выносимые на зашиту:
-
Экспериментальное обоснование возможности использования микрорезонаторов на основе поликристаллических соединений РЗМ TbxDy1_xFe2 в качестве чувствительных элементов прецезионных датчиков напряженности магнитного поля в широком диапазоне измеряемых полей ото,1 кЭ до 50 кЭ.
-
Данные по параметрам и характеристики чувствительных элементов датчиков магнитного поля на основе контурно-сдвиговых микрорезонаторов из соединений TbFe2 и Tb0i3Dy0.7Fe2 (частотно-полевые и температурные характеристики микрорезонаторов, а также их анизотропные и нелинейные свойства).
-
Температурные и полевые характеристики мод магнитоупруги? колебаний в микрорезонаторах из соединения Tb03 ^>Yo л^^і-^^г-Результати оптимизации состава указанного соединения. Установлене оптимальная концентрация Мп (X =0,05), при которой наблюдается увеличение магнитострикции в 1,5 раза, а область минимальной термочувствительности датчика расширяется в 4-5 раз вблизи комнатное температуры по сравнению с нелегированным соединением.
-
Схемы, конструкции и результаты испытаний частотных автоге нераторных датчиков магнитного поля основе соединений РЗМ с цифрові представлением информации в диапазоне измеряемых полей 0,1 - 1.5 1 /1-15 кЭ/ при относительной погрешности измерений порядка 0,02.
-
Результаты исследований принципов создания волоконно-оптических первичных преобразователей напряженности магнитного поля н; основе магнитострикционных резонаторних элементов из соединениі РЗМ.
Практическая ценность работы:
-
Результаты проведенных исследований частотно-полевых,- температурных, анизотропных и нелинейных свойств микрорезонаторов и: соединений РЗИ являются научной основой для разработки и конструи' рования магнитоакустических датчиков напряженности магнитного пол; для систем контроля и обработки информации.
-
Показана возможность использования РЗ соединений с гигант ской магнитстрикцией и компенсированной анизотропией тип TbxDyt.xFe2 и ТЬо.гтБУо.тз^е^хМПх)! 9 для создания прецизионны
автогенераторных датчиков магнитного поля с частотной формой представления информации в широком диапазоне полей.
-
Полученные данные измерения магнитоакустических характеристик ТЬ0.27Dy0,7з(Fet-xMnx)і.9 Для различных концентраций Мп позволили выработать, рекомендации по оптимизации состава соединения, обладающего максимальной крутизной характеристики SH =5f/5H и магни-тострикцией X. а также значительно расширенной областью температурной компенсации с пониженным уровнем ТКЧ.
-
Разработаны конструкции волоконно-оптических магнитострик-ционных датчиков магнитного поля на основе РЗ материалов позволяют увеличить помехозащищенность систем контроля и управления, а также осуществить дистанционную передачу сигналов от пространственно.разделенных первичных преобразователей по одному оптическому волокну.
-
Разработан экспериментальный образец прецизионного магнито-акустического измерителя магнитной индукции для автоматического измерения магнитных полей, в том числе и сильно неоднородных, в диапазоне от 0,02 до 2 Тл при относительной погрешности измерений не превышающей 0,02%.
-
Разработан автоматизированный измерительный комплекс на базе ЭВМ IBM PC/AT, предназначенный для прецизионного контроля и управления системой формирования магнитных полей в диапазоне от 0,02 до 2 Тл.
-
Устройство измерения магнитной индукции защищено авторским свидетельством.
Реализация результатов работы. Разработанные магниточувстви-тельные микрорезонасхемные решения и данные проведения измерений, в том числе и го точностным характеристикам магнитоакустического преобразователя "напряженность магнитного поля - цифровой код", были использованы на предприятии А-7797 при разработке автоматизированных систем контроля и измерения топограмм магнитных полей в ускорителях заряженных частиц. Данные по температурно-полевым характеристикам микрорезонаторов на основе соединений с Мп, методика исследования характеристик магнитоакустических резонаторов и схемные решения и данные по параметрам автоматизированного комплекса для измерения магнитных полей были использованы в Секции прикладных проблем при Президиуме РАН результатов диссертационной работы A.M.Заикина. Также результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе МИРЭА.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 19-ой Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений '(Ташкент, 1991г.), на 5-ой Всесоюзной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение" (Ростов Великий, 1991 г.), на конференции IS F0C91 (Ленинград. 1991 г.), на 6-ой Международной конференции по ферритам (Токио, 1992 г.), на 3-ей Французской акустической конференции (Тулуза, 1994).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Основной текст изложен на страницах машинописного текста, содержит рисунков. таблицы. список литературы включает наименований.
