RU194787U1 - LABORATORY STAND FOR MEASURING THE DEPENDENCE OF MAGNETOSTRICTION OF A RIGID OBJECT ON THE VALUE OF AN EXTERNAL MAGNETIC FIELD - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники. Технический результат – повышение точности измерения зависимости магнитострикции от магнитного поля нежестких объектов, повышение удобства эксплуатации. Стенд позволяет измерять зависимости магнитострикции от магнитного поля нежестких объектов, в том числе под приложенной к образцу механической нагрузкой. Это обеспечивается тем, что нежесткий объект помещается в соленоид, направление и величина тока в котором могут быть заданы. Натяжение объекта устанавливается с помощью поступательного перемещения каретки, к которой закреплен один конец протяженного образца. Другой конец нежесткого объекта соединен с резистивным датчиком механической нагрузки, выходной сигнал с которого идет на усилитель и далее на цифровой вольтметр. Для минимизации влияния дрейфа выходного напряжения резистивного датчика и искажений за счет нагрева объекта током соленоида используются импульсы тока переменной скважности с возвратами к нулю. Пересчет величины магнитострикции ведется с учетом эффективной жесткости системы «датчик-объект». 6 ил.The utility model relates to the field of measurement technology. The technical result is to increase the accuracy of measuring the dependence of magnetostriction on the magnetic field of non-rigid objects, increasing ease of use. The stand allows you to measure the dependence of magnetostriction on the magnetic field of non-rigid objects, including under a mechanical load applied to the sample. This is ensured by the fact that a non-rigid object is placed in a solenoid, the direction and magnitude of the current in which can be set. The tension of the object is established by translational movement of the carriage, to which one end of the extended sample is fixed. The other end of the non-rigid object is connected to a resistive mechanical load sensor, the output signal from which goes to the amplifier and then to a digital voltmeter. To minimize the influence of the drift of the output voltage of the resistive sensor and distortions due to the heating of the object by the current of the solenoid, current pulses of variable duty cycle with returns to zero are used. Magnetostriction is recalculated taking into account the effective stiffness of the sensor-object system. 6 ill.

Description

Область примененияApplication area

Лабораторный стенд относится к области измерительной техники, средствам для измерения магнитных характеристик материалов. Лабораторный стенд позволяет исследовать и количественно определять магнитострикцию в магнитных материалах, в том числе в нежестких, «необъемных» материалах, таких как ферромагнитные провода, проволоки и тонкие ленты. Измерение осуществляется путем регистрации изменения натяжения тензодатчика, вызванного изменением равновесных геометрических размеров предварительно напряженного (деформированного) образца при воздействии внешнего постоянного магнитного поля. Данное устройство может найти применение в промышленности для лабораторного контроля магнитострикционных характеристик магнитных материалов, в частности магнитострикции в области упругих деформаций.The laboratory bench belongs to the field of measuring equipment, means for measuring the magnetic characteristics of materials. The laboratory bench allows you to study and quantify magnetostriction in magnetic materials, including non-rigid, “non-voluminous” materials such as ferromagnetic wires, wires and thin ribbons. Measurement is carried out by recording the change in strain gauge tension caused by a change in the equilibrium geometric dimensions of a prestressed (deformed) sample when exposed to an external constant magnetic field. This device can be used in industry for laboratory control of the magnetostrictive characteristics of magnetic materials, in particular magnetostriction in the field of elastic deformations.

Уровень техникиState of the art

Известен способ [1] определения магнитострикции материала в свободном состоянии и в упругой области деформирования, включающий намагничивание образца, повышение точности определения магнитострикции материалов и уменьшение трудоемкости определения. В предложенном способе изготовливаются одинаковые эталонный образец из материала с известной магнитострикцией и образец из контролируемого материала резанием, соответствующем взаимной компенсации дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействия процесса резания. Стабилизируют их до полного удаления пластических внутренних напряжений, контролируют стабильность образцов по прекращению приращения частоты собственных колебаний. Далее возбуждают собственные колебания в свободном состоянии при нормальных условиях и постоянной амплитуде входного напряжения, измеряют величину индуцируемого напряжения при воспроизводимой частоте собственных колебаний. Магнитострикцию контролируемого материала определяют по отношению индуцируемого напряжения соответственно образцов из эталонного и контролируемого материала при известной магнитострикции эталонного образца. Точность определения магнитострикции достигается упорядочением структуры контролируемого материала путем удаления измененного поверхностного слоя образца и пластических и упругих внутренних напряжений. Используется также количественная связь линейных размеров образца и физических свойств при резонансе. Устранение погрешности измерения, вызванной температурным воздействием, достигается за счет компенсации температурных напряжений внутренними, например, при нормальных условиях.A known method [1] for determining magnetostriction of a material in a free state and in an elastic region of deformation, including magnetizing a sample, increasing the accuracy of determining magnetostriction of materials and reducing the complexity of determination. In the proposed method, the same reference sample is manufactured from a material with known magnetostriction and a sample from a controlled material by cutting, corresponding to the mutual compensation of structural defects of the surface layer from the force and thermal effects of the cutting process. They are stabilized until the plastic internal stresses are completely removed, and the stability of the samples is controlled by stopping the increment of the natural vibration frequency. Then, natural vibrations in a free state are excited under normal conditions and a constant amplitude of the input voltage, and the magnitude of the induced voltage is measured at a reproducible frequency of natural vibrations. The magnetostriction of the controlled material is determined by the ratio of the induced voltage, respectively, of samples from the reference and controlled material with the known magnetostriction of the reference sample. The accuracy of the determination of magnetostriction is achieved by streamlining the structure of the controlled material by removing the altered surface layer of the sample and the plastic and elastic internal stresses. A quantitative relationship is also used between the linear dimensions of the sample and the physical properties at resonance. Elimination of the measurement error caused by the temperature effect is achieved by compensating the internal temperature stresses, for example, under normal conditions.

Недостатком данного способа является необходимость использования эталонного образца и предварительного намагничивания, что увеличивает трудоемкость, а также возможность получения только числового значения константы магнитостркции насыщения.The disadvantage of this method is the need to use a reference sample and pre-magnetization, which increases the complexity, as well as the possibility of obtaining only a numerical value of the saturation magnetostriction constant.

Известны способы непрямого измерения магнитострикции аморфных лент и микропроводов [2, 3], заключающиеся в исследовании изменения магнитных характеристик материала при приложении механических нагрузок. Недостатками данных способов являются косвенный характер измерений и возможность получения только значения константы магнитострикции насыщения, а не кривых зависимости магнитострикции от магнитного поля, в том числе под приложенным механическим напряжением.Known methods for indirect measurement of the magnetostriction of amorphous ribbons and microwires [2, 3], which consist in the study of changes in the magnetic characteristics of the material when mechanical loads are applied. The disadvantages of these methods are the indirect nature of the measurements and the possibility of obtaining only the value of the saturation magnetostriction constant, and not the curves of the dependence of magnetostriction on the magnetic field, including under applied mechanical stress.

Известны методы прямого измерения [4] на основе оптических, интерферометрических, емкостных способов определения изменения размеров образца или туннельного эффекта. При достаточно высокой чувствительности определения магнитострикции, достигающей 10^-11, недостатками данных методов является использование сложного и дорогостоящего прецизионного оборудования сложность соединения зеркал, обкладок конденсатора с объектами из необъемных материалов, обеспечивающих малые механические усилия.Known methods of direct measurement [4] based on optical, interferometric, capacitive methods for determining the change in sample size or tunnel effect. With a sufficiently high sensitivity for determining magnetostriction, reaching 10 ^-11 , the drawbacks of these methods are the use of complex and expensive precision equipment, the difficulty of connecting mirrors, capacitor plates with objects of non-voluminous materials, providing low mechanical effort.

Наиболее близким аналогом из известных технических решений, принятым за прототип, является устройство [5], осуществляющее измерение константы магнитострикциия путем регистрации изменения геометрических размеров, в частности длины образца, при воздействии магнитного поля как функцию этого поля. Устройство позволяет помимо измерения зависимости величины константы магнитострикции от величины магнитного поля измерять зависимости величины константы магнитострикции и магнитной проницаемости от температуры. Стенд для оперативного контроля зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля состоит из блока измерения перемещений и электромагнита, причем блок измерения перемещений состоит из толкателя, передающего движение от исследуемого образца к подвижной части, к которой непосредственно или через механическую передачу прикреплен резистивный датчик механической деформации, закрепленный другой стороной на неподвижной части, причем неподвижная часть, датчик и подвижная часть помещаются в термоизолированный корпус с принудительным нагревом, принудительным охлаждением и системой защиты от вибраций, а исследуемый образец находится под воздействием магнитного поля, создаваемого электромагнитом. На толкателе одним концом закрепляется пята, другим концом прижимаемая к образцу. К подвижной части, соединенной с толкателем, прикрепляется пластина, другим концом прикрепляемая к неподвижной части, причем на пластине закрепляется тензорезистор. Конструкция устройства позволяет производить измерения без дополнительных операций калибровки измерительной системы при изменении температуры окружающего воздуха и температуры составных частей устройства, а также обеспечивает возможность быстрой (оперативной) замены исследуемых образцов и возможность измерять зависимость константы магнитострикции при различных значениях температуры и напряженности магнитного поля для образцов больших размеров и сложных форм. Недостатком данного устройства является невозможность измерения зависимости магнитострикции от магнитного поля нежестких объектов, ввиду того, что вместо смещения толкателя для таких образцов будет иметь место прогиб этих образцов, и невозможность снятия кривых зависимости магнитострикции от поля под приложенной к образцу механической нагрузкой.The closest analogue of the known technical solutions adopted for the prototype is the device [5], which measures the magnetostriction constant by detecting changes in geometric dimensions, in particular the length of the sample, when exposed to a magnetic field as a function of this field. The device allows in addition to measuring the dependence of the magnitude of the magnetostriction constant on the magnitude of the magnetic field to measure the dependence of the magnitude of the magnetostriction constant and magnetic permeability on temperature. A stand for operational control of the dependence of the magnetostriction constant on the magnitude of the magnetic field consists of a displacement measuring unit and an electromagnet, and the displacement measuring unit consists of a pusher transmitting movement from the test sample to the moving part, to which a resistive mechanical deformation sensor is attached directly or via a mechanical transmission the other side on the fixed part, the fixed part, the sensor and the moving part being placed in a thermally insulated housing with uditelnym heating, forced cooling and protection system against vibration, and the sample is exposed to a magnetic field generated by an electromagnet. On the pusher, one end is attached to the heel, the other end is pressed against the sample. A plate is attached to the movable part connected to the pusher, the other end is attached to the fixed part, and a strain gauge is fixed to the plate. The design of the device allows measurements without additional calibration of the measuring system when the temperature of the ambient air and the temperature of the component parts of the device changes, and also provides the ability to quickly (quickly) replace the test samples and the ability to measure the dependence of the magnetostriction constant at different temperatures and magnetic fields for large samples sizes and complex shapes. The disadvantage of this device is the impossibility of measuring the dependence of magnetostriction on the magnetic field of non-rigid objects, due to the fact that instead of the pusher displacement for such samples, there will be a deflection of these samples, and the impossibility of taking curves of the dependence of magnetostriction on the field under the mechanical load applied to the sample.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Целью настоящей полезной модели является измерение констант магнитострикции нежестких объектов в виде лент, проводов и снятие кривых зависимости магнитострикции от магнитного поля, в том числе под приложенной растягивающей нагрузкой.The purpose of this utility model is to measure the magnetostriction constants of non-rigid objects in the form of tapes, wires, and to take the curves of the dependence of magnetostriction on the magnetic field, including under an applied tensile load.

Технический результат в предлагаемом устройстве заключается в повышении точности измерения зависимости магнитострикции от магнитного поля нежестких объектов и повышении удобства эксплуатации.The technical result in the proposed device is to increase the accuracy of measuring the dependence of magnetostriction on the magnetic field of non-rigid objects and to improve ease of use.

Технический результат достигается тем, что лабораторный стенд для измерения зависимости магнитострикции нежесткого объекта от величины внешнего магнитного поля, содержащий блок измерения перемещений с резистивным датчиком механической деформации и электромагнит, в области магнитного поля которого находится нежесткий объект, отличающийся тем, что лабораторный стенд состоит из шагового двигателя и его контроллера с возможностью подключения к управляющему компьютеру, обеспечивающих требуемое натяжение нежесткого объекта, подвижной каретки, связанной червячной передачей с шаговым двигателем, к которой закреплен один из концов нежесткого объекта, блока управления и регистрации, имеющего возможность подключения к управляющему компьютеру и содержащего управляемый источник тока, усилитель постоянного тока и устройства для измерения и оцифровки сигнала с усилителя, электромагнита, выполненного в виде соленоида без сердечника, с которым электрически соединен управляемый источник тока, который для минимизации влияния дрейфа выходного напряжения резистивного датчика механической деформации за счет искажений, вызванных нагревом образца, создает импульсы тока переменной скважности с возвратами к нулю, резистивного датчика механической деформации балочной конструкции, вторым концом к которому прикреплен нежесткий объект, при этом контроллер шагового двигателя и блок управления и регистрации смонтированы на подвижной раме, а шаговый двигатель, подвижная каретка, связанная червячной передачей с шаговым двигателем, электромагнит и резистивный датчик установлены на жесткую немагнитную плиту на антивибрационных подушках, конструктивно связанную с передвижной рамой.The technical result is achieved by the fact that the laboratory bench for measuring the dependence of magnetostriction of a non-rigid object on the magnitude of the external magnetic field, comprising a displacement measuring unit with a resistive sensor of mechanical deformation and an electromagnet, in the magnetic field of which there is a non-rigid object, characterized in that the laboratory stand consists of a step engine and its controller with the ability to connect to a control computer, providing the required tension of a non-rigid object, movable a carriage connected by a worm gear with a stepper motor, to which one of the ends of a non-rigid object is fixed, a control and registration unit that can be connected to the control computer and contains a controlled current source, a DC amplifier and devices for measuring and digitizing the signal from an amplifier, an electromagnet, made in the form of a coreless solenoid with which a controlled current source is electrically connected, which, to minimize the influence of the output voltage drift of the resistive sensor mechanical deformation due to distortions caused by heating of the sample, creates pulses of current of varying duty cycle with returns to zero, a resistive sensor for mechanical deformation of the beam structure, the second end of which is attached a non-rigid object, while the stepper motor controller and the control and registration unit are mounted on a movable frame, and a stepper motor, a movable carriage connected by a worm gear to a stepper motor, an electromagnet and a resistive sensor are mounted on a rigid non-magnetic plate on antivirus framed pillows, structurally associated with a movable frame.

Технический результат достигается также усреднением сигнала для улучшения отношения сигнал/шум и устранения дрейфа сигнала. Измерение при различных предварительных натяжениях позволяет получить дополнительную информацию, которая является полезной, например, для конструирования датчиков и оценки деформации магнитных элементов устройств при намагничивании в механически нагруженном состоянии.The technical result is also achieved by averaging the signal to improve the signal-to-noise ratio and eliminate signal drift. Measurement at various prestresses provides additional information that is useful, for example, for constructing sensors and evaluating the deformation of the magnetic elements of devices during magnetization in a mechanically loaded state.

Описание чертежейDescription of drawings

На фиг. 1 показана общая схема лабораторного стенда.In FIG. 1 shows a general layout of a laboratory bench.

На фиг. 2 показана форма зависимости от времени тока в катушке (импульсы отрицательной полярности убывающей амплитуды) и напряжения на тензодатчике в режиме измерения зависимости магнитострикции от приложенного поля. Образец - лента аморфного сплава Fe₄₈Co₃₂P₁₄B₆ (сечение - 1 мм * 30 мкм).In FIG. Figure 2 shows the shape of the time dependence of the current in the coil (pulses of negative polarity of decreasing amplitude) and the voltage at the strain gauge in the mode of measuring the dependence of magnetostriction on the applied field. The sample is a tape of an amorphous alloy Fe ₄₈ Co ₃₂ P ₁₄ B ₆ (cross section - 1 mm * 30 μm).

На фиг. 3 показана зависимость изменения выходного напряжения на тензодатчике от амплитуды импульса тока в катушке (т.е. импульса поля). Образец - лента аморфного сплава Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆ (сечение - 1 мм * 30 мкм).In FIG. Figure 3 shows the dependence of the change in the output voltage on the strain gauge on the amplitude of the current pulse in the coil (i.e., the field pulse). The sample is a ribbon of an amorphous alloy Fe ₅₂ Co ₂₈ P ₁₄ B ₆ (cross section - 1 mm * 30 μm).

На фиг. 4 показана форма зависимости от времени тока в катушке (изменение от максимального значения в одном направлении до максимального в другом и обратно, с увеличением шага при больших токах) и напряжения на тензодатчике в режиме измерения гистерезиса. Образец - лента аморфного сплава Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆.In FIG. Figure 4 shows the shape of the time dependence of the current in the coil (a change from the maximum value in one direction to the maximum in the other and vice versa, with an increase in step at high currents) and the voltage at the strain gauge in the hysteresis measurement mode. The sample is an amorphous alloy tape Fe ₅₂ Co ₂₈ P ₁₄ B ₆ .

На фиг. 5 показано отсутствие заметного гистерезиса на кривой зависимости магнитострикции от поля для ленты Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆.In FIG. Figure 5 shows the absence of noticeable hysteresis in the field dependence of magnetostriction for the Fe ₅₂ Co ₂₈ P ₁₄ B ₆ ribbon.

На фиг. 6 показана кривая гистерезиса типа "бабочка" для проволоки из никеля (диаметром 0.3 мм)In FIG. Figure 6 shows a butterfly type hysteresis curve for nickel wire (0.3 mm diameter)

Осуществление технического решенияImplementation of a technical solution

Лабораторный стенд для измерения зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля состоит из следующих элементов. Компьютера, управляющего исполнительными и измерительными узлами и обрабатывающего измерительную информацию. Контроллера шагового двигателя с возможностью подключения к управляющему компьютеру и шагового двигателя с червячной передачей и подвижной кареткой, обеспечивающих требуемое натяжение образца. Блока управления и регистрации, имеющего возможность подключения к управляющему компьютеру и содержащего управляемый источник тока, усилитель постоянного тока, усиливающего сигнал с резистивного датчика механической деформации, и устройства для измерения и оцифровки сигнала с усилителя. Резистивного датчика механической деформации, одним концом к которому прикреплен объект.The laboratory bench for measuring the dependence of the magnetostriction constant on the magnitude of the magnetic field consists of the following elements. A computer that controls the executive and measuring nodes and processes the measuring information. A stepper motor controller with the ability to connect to a control computer and a stepper motor with a worm gear and a movable carriage, providing the required sample tension. A control and registration unit having the ability to connect to a control computer and containing a controlled current source, a DC amplifier that amplifies the signal from a resistive sensor of mechanical deformation, and a device for measuring and digitizing the signal from the amplifier. A resistive strain gauge with one end attached to an object.

Общая схема лабораторного стенда показана на фиг. 1. Лабораторный стенд содержит: соленоид 1; внутри которого находится часть объекта измерений 2 - лента; проволока или иной нежесткий объект длиной 40-50 см; шаговый двигатель с червячной и подвижной кареткой 3; резистивный датчик механической деформации балочного типа 4; контроллер шагового двигателя 6 с возможностью подключения к управляющему компьютеру; блок управления и регистрации 7, имеющий возможность подключения к управляющему компьютеру и содержащий управляемый источник тока, усилитель постоянного тока и устройства для измерения и оцифровки сигнала с усилителя. Все узлы смонтированы на передвижной раме 8, а шаговый двигатель, подвижная каретка, связанная червячной передачей с шаговым двигателем, электромагнит и резистивный датчик установлены на жесткую немагнитную толстую (3 см) дюралюминиевую плиту 5 на антивибрационных подушках 9, конструктивно связанную с передвижной рамой. При этом один конец объекта измерений жестко закреплен к подвижной каретке и перемещается вместе с ним, другой - к одному из концов балочного тензодатчика, жестко закрепленному на плите 5 другим концом и работающим на изгиб.The general layout of the laboratory bench is shown in FIG. 1. The laboratory bench contains: solenoid 1; inside which is part of the measurement object 2 - tape; a wire or other non-rigid object 40-50 cm long; stepper motor with worm and movable carriage 3; resistance sensor of mechanical deformation of beam type 4; the controller of the stepper motor 6 with the ability to connect to the control computer; a control and registration unit 7, having the ability to connect to a control computer and containing a controllable current source, a DC amplifier and devices for measuring and digitizing the signal from the amplifier. All nodes are mounted on a movable frame 8, and a stepper motor, a movable carriage connected by a worm gear to a stepper motor, an electromagnet and a resistive sensor are mounted on a rigid non-magnetic thick (3 cm) duralumin plate 5 on anti-vibration pads 9, structurally connected with the movable frame. In this case, one end of the measurement object is rigidly fixed to the movable carriage and moves with it, the other - to one of the ends of the beam load cell, rigidly fixed to the plate 5 by the other end and working on bending.

Технический результат заявляемого устройства заключается в повышении точности измерения зависимости магнитострикции от магнитного поля нежестких объектов, а также повышения удобства эксплуатации. Применение жесткой немагнитной плиты на антивибрационных подушках позволяет снизить искажения намагничивающего поля, а также механических вибраций, передающихся на объект и резистивный датчик механической деформации. Ввиду этого передвижная рама может быть изготовлена из легких немагнитных алюминиевых сплавов без потери точности измерений, что облегчает транспортировку, перемещение установки и повышает удобство ее использования.The technical result of the claimed device is to increase the accuracy of measuring the dependence of magnetostriction on the magnetic field of non-rigid objects, as well as improving ease of use. The use of a rigid non-magnetic plate on anti-vibration pads allows to reduce the distortion of the magnetizing field, as well as mechanical vibrations transmitted to the object and the resistive sensor of mechanical deformation. In view of this, the movable frame can be made of light non-magnetic aluminum alloys without loss of measurement accuracy, which facilitates transportation, movement of the installation and increases its usability.

Лабораторный стенд работает следующим образом. Объект помещают в соленоид, направление и величина тока в котором задаются от компьютера с помощью входящего в состав блока управления и регистрации управляемого источника тока. Закрепляют один конец объекта на держателе, допускающем контролируемое растяжение, которое задается с помощью шагового двигателя с червячной передачей, управляемого от компьютера через контроллер. Вращение вала двигателя преобразуется в поступательное перемещение каретки, к которой закреплен один конец протяженного образца. Другой конец соединяют с резистивным датчиком механической нагрузки, выходной сигнал с которого идет на малошумящий усилитель и далее на устройство оцифровки с достаточной разрядностью (пять или более десятичных разрядов), входящие в состав блока управления и регистрации. Далее измеренное значение напряжения считывается в управляющий компьютер. При этом для минимизации влияния дрейфа выходного напряжения резистивного датчика и искажений результатов измерений за счет нагрева объекта током соленоида используются импульсы тока переменной скважности с возвратами к нулю (фиг. 2). Увеличение скважности при увеличении амплитуды импульсов позволяет получить постоянную среднюю мощность, за исключением области малых токов, в которой мощность оказывается ниже, что обычно некритично, и как следствие минимизировать непостоянство температуры в ходе измерения зависимостей магнитострикции от приложенного поля, а общее наращивание скважности позволяет при необходимости, ценой увеличения времени съемки, снижать эту мощность для минимизации нагрева в целом. В случае же измерения гистерезиса магнитострикции, с целью избежать искажений за счет возвратов поля к нулю, используется непрерывное наращивание и уменьшение тока, а для минимизации влияния нагрева приходится в области больших токов увеличивать шаг по току, с возможностью для получения кривой с малым эффективным шагом варьировать этот шаг.The laboratory stand works as follows. The object is placed in a solenoid, the direction and magnitude of the current in which are set from the computer using the control unit included in the control unit and recording a controlled current source. Fix one end of the object on a holder that allows controlled tension, which is set using a stepper motor with a worm gear controlled from a computer through a controller. The rotation of the motor shaft is converted into translational movement of the carriage, to which one end of the extended sample is fixed. The other end is connected to a resistive mechanical load sensor, the output signal from which goes to a low-noise amplifier and then to a digitizing device with sufficient capacity (five or more decimal places), which are part of the control and registration unit. Next, the measured voltage value is read into the control computer. In this case, to minimize the influence of the drift of the output voltage of the resistive sensor and distortion of the measurement results due to the heating of the object by the current of the solenoid, pulses of current of varying duty cycle with returns to zero are used (Fig. 2). An increase in the duty cycle with an increase in the amplitude of the pulses makes it possible to obtain a constant average power, with the exception of the region of low currents, in which the power turns out to be lower, which is usually uncritical, and as a result, minimize the temperature inconsistency during the measurement of the dependences of magnetostriction on the applied field, and the total build-up of duty cycle allows, if necessary , at the cost of increasing the shooting time, reduce this power to minimize heating in general. In the case of measuring magnetostriction hysteresis, in order to avoid distortions due to field returns to zero, continuous increase and decrease in current are used, and to minimize the influence of heating, it is necessary to increase the current step in the region of high currents, with the possibility of varying the curve with a small effective step this step.

На фиг. 2 показана форма зависимости тока в соленоиде от времени (импульсы отрицательной полярности убывающей амплитуды) и напряжения на резистивнгом датчике в режиме измерения зависимости магнитострикции от приложенного поля для аморфного сплава Fe₄₈Co₃₂P₁₄B₆ (сечение - 1 мм × 30 мкм). Видно, что включение тока вызывает мгновенное уменьшение выходного напряжения на тензодатчике, что соответствует удлинению ленты при включении магнитного поля. На фиг. 2 виден также дрейф выходного сигнала, обусловленный нагревом объекта, и высокочастотные шумы. Минимизация влияния нагрева объекта осуществляется путем выбора временных зависимостей внешнего поля (регулировкой скважности).In FIG. Figure 2 shows the form of the dependence of the current in the solenoid on time (pulses of negative polarity of decreasing amplitude) and the voltage at the resisting sensor in the mode of measuring the dependence of magnetostriction on the applied field for the amorphous alloy Fe ₄₈ Co ₃₂ P ₁₄ B ₆ (cross section - 1 mm × 30 μm). It is seen that turning on the current causes an instantaneous decrease in the output voltage at the strain gauge, which corresponds to an elongation of the tape when the magnetic field is turned on. In FIG. 2 also shows the drift of the output signal due to the heating of the object, and high-frequency noise. Minimizing the influence of heating the object is carried out by choosing the time dependences of the external field (by adjusting the duty cycle).

Для измерения гистерезиса магнитострикции, с целью избежать искажений за счет возвратов поля к нулю, используется непрерывное наращивание и уменьшение тока, с увеличением шага в области больших токов. На фиг. 3 показана форма зависимости от времени тока в соленоиде (изменение от максимального значения в одном направлении до максимального в другом и обратно, с увеличением шага при больших токах) и напряжения на резистивном датчике в режиме измерения гистерезиса. Объект - лента аморфного сплава Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆. Видно, что полярность импульса тока, т.е. направление поля, не влияет на полярность выходных импульсов (независимо от полярности поле вызывает удлинение образца и уменьшение выходного напряжения).To measure the hysteresis of magnetostriction, in order to avoid distortion due to field returns to zero, a continuous increase and decrease in current are used, with an increase in the step in the region of high currents. In FIG. Figure 3 shows the shape of the time dependence of the current in the solenoid (a change from the maximum value in one direction to the maximum in the other and vice versa, with an increase in step at high currents) and the voltage across the resistive sensor in the hysteresis measurement mode. The object is an amorphous alloy ribbon Fe ₅₂ Co ₂₈ P ₁₄ B ₆ . It is seen that the polarity of the current pulse, i.e. the direction of the field does not affect the polarity of the output pulses (regardless of the polarity, the field causes elongation of the sample and a decrease in the output voltage).

В результате измерений получается кривая зависимости изменений выходного сигнала резистивного датчика от магнитного поля при различных приложенных механических нагрузках. На фиг. 4 показана зависимость изменения выходного напряжения на резистивном датчике от амплитуды импульса тока в соленоиде (т.е. импульса поля). Объект - лента из аморфного сплава Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆ (сечение - 1 мм * 30 мкм). Магнитострикция выходит на насыщение при значении вспомогательного поля около 50 Э. Показаны кривые для различных значений предварительного натяжения объекта.As a result of the measurements, a curve is obtained showing the dependence of the changes in the output signal of the resistive sensor on the magnetic field at various applied mechanical loads. In FIG. Figure 4 shows the dependence of the change in the output voltage on the resistive sensor on the amplitude of the current pulse in the solenoid (i.e., the field pulse). The object is an amorphous alloy tape Fe ₅₂ Co ₂₈ P ₁₄ B ₆ (cross section - 1 mm * 30 μm). Magnetostriction reaches saturation with an auxiliary field of about 50 Oe. Curves for various values of the object prestress are shown.

Пересчет из приращений напряжения на резистивном датчике в удлинения для предельной магнитострикции выполняется следующим образом. Предполагается, что в пределе малого предварительного натяжения магнитострикция вызывает лишь изменение равновесной длины, а сила, связанная с отклонением от равновесной длины описывается модулем Юнга. Модуль Юнга для материала объекта определяется независимым измерением. Определение следует вести по линейному участку F(dl) при больших натяжениях, т.к. при малых имеет место отклонение за счет вызванного натяжением перемагничивания.The conversion from the voltage increments on the resistive sensor to the elongations for the limiting magnetostriction is performed as follows. It is assumed that in the limit of small pretension, magnetostriction causes only a change in the equilibrium length, and the force associated with the deviation from the equilibrium length is described by Young's modulus. Young's modulus for the material of an object is determined by an independent measurement. The determination should be carried out on the linear section F (dl) at high tension, because at small there is a deviation due to the magnetization reversal caused by tension.

Пусть Е - значение модуля Юнга, S_об и l_об - площадь сечения и длина объекта. Также заранее определяется жесткость используемого резистивного датчика:Let E be the value of Young's modulus, S _about and l _about - the cross-sectional area and the length of the object. The stiffness of the resistive sensor used is also determined in advance:

Дальнейший расчет производится следующим образом. Находится жесткость объекта:Further calculation is as follows. The stiffness of the object is found:

После этого рассчитывается эффективная жесткость системы «датчик-объект»:After that, the effective stiffness of the sensor-object system is calculated:

и находится изменение силы по изменению сигнала резистивного датчика после создания магнитного поля:and there is a change in force by a change in the signal of the resistive sensor after creating a magnetic field:

По известному изменению силы находится изменение длины ленты, вызванное намагничиванием:According to a known change in the strength, there is a change in the length of the tape caused by magnetization:

и магнитострикция:and magnetostriction:

При реализации описанного устройства используется резистивный датчик механической деформации L6D балочной конструкции (тензодатчик). Задающий магнитное поле соленоид имеет омическое сопротивление около 80 Ом и позволяет при токе 0.2 А получить поле порядка 80 Э. Блок управления и регистрации подключен к управляющему компьютеру через интерфейс GPIB, контроллер шагового двигателя - через интерфейс USB.When implementing the described device, a resistive sensor of mechanical deformation L6D of the beam structure (strain gauge) is used. The solenoid that sets the magnetic field has an ohmic resistance of about 80 Ohms and allows you to get a field of about 80 Oe at a current of 0.2 A. The control and registration unit is connected to the control computer via the GPIB interface, and the stepper motor controller via USB.

Пример измерения константы магнитострикции для аморфной ленты Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆ (фиг. 5).An example of measuring the magnetostriction constant for an amorphous Fe ₅₂ Co ₂₈ P ₁₄ B ₆ amorphous tape (Fig. 5).

Значение модуля Юнга Е для рассмотренного аморфного сплава Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆ составляет 43 ГПа, площадь сечения и длина ленты S_об и l_об - 30×1000 мкм² и 20 см, соответственно. Определенная по описанной методике жесткость используемого тензодатчика при dU/dF = 0.2379 В/Н и dU/dl = 12 мВ/мкм равна k_тенз = 5.05 ⋅ 10⁴ Н/м.The Young's modulus E for the considered amorphous alloy Fe ₅₂ Co ₂₈ P ₁₄ B ₆ is 43 GPa, the cross-sectional area and tape length S _о and l _о are 30 × 1000 μm ² and 20 cm, respectively. The stiffness of the used strain gauge determined by the described method at dU / dF = 0.2379 V / N and dU / dl = 12 mV / μm is equal to k _tens = 5.05 ⋅ 10 ⁴ N / m.

Рассчитанное по рассмотренной методике значение константы магнитострикции насыщения λ_S (т.е. удинение при выходе кривых dl(H) на насыщение) составляет 1.3⋅10^-5. Измеренное методом SAMR [2] - порядка 2⋅10^-5, Беккера-Керстена 1⋅10^-5.The value of the saturation magnetostriction constant λ _S calculated by the considered method (i.e., the elasticity at saturation of the dl (H) curves) is 1.3⋅10 ^-5 . Measured by the SAMR method [2] - about 2⋅10 ^-5 , Becker-Kersten 1⋅10 ^-5 .

На фиг. 5 приведена прописанная с помощью лабораторного стенда зависимость магнитострикции ленты Fe₅₂Co₂₈P₁₄B₆ от магнитного поля. Отсутствие видимого гистерезиса объясняется магнитомягкостью материала. На фиг. 6 представлена полученная центральная часть кривой гистерезиса типа "бабочка" для проволоки из никеля диаметром 0.3 мм.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the magnetostriction of the Fe ₅₂ Co ₂₈ P ₁₄ B ₆ ribbon on the magnetic field, which was recorded using a laboratory bench. The absence of visible hysteresis is explained by the softness of the material. In FIG. Figure 6 shows the obtained central part of the butterfly-type hysteresis curve for a 0.3 mm diameter nickel wire.

БиблиографияBibliography

1. Патент РФ №2111501 «Способ определения магнитострикции материала», заявлен 06.02.19961. RF patent No. 2111501 “Method for determining the magnetostriction of a material”, filed February 6, 1996

2. Narita К., Yamasaki J., Fukunaga H. Measurement of saturation magnetostriction of a thin amorphous ribbon by means of small-angle magnetization rotation //IEEE Transactions on Magnetics. - 1980. - T. 16. - №. 2. - C. 435-439.2. Narita K., Yamasaki J., Fukunaga H. Measurement of saturation magnetostriction of a thin amorphous ribbon by means of small-angle magnetization rotation // IEEE Transactions on Magnetics. - 1980. - T. 16. - No. 2 .-- C. 435-439.

3. O'Dell Т. H. Magnetostriction measurements on amorphous ribbons by the Becker-Kersten method //Physica Status Solidi. A, Applied Research. - 1981. - Т. 68. - №. 1. - C. 221-226.3. O'Dell, T. H. Magnetostriction measurements on amorphous ribbons by the Becker-Kersten method // Physica Status Solidi. A, Applied Research. - 1981. - T. 68. - No. 1. - C. 221-226.

4. Grossinger R. et al. Accurate measurement of the magnetostriction of soft magnetic materials. - na, 2006.4. Grossinger R. et al. Accurate measurement of the magnetostriction of soft magnetic materials. - na, 2006.

5. Патент РФ №96261 «Стенд для оперативного контроля зависимости константы магнитострикции от величины магнитного поля», заявлен 25.02.2010 г.5. RF patent No. 96261 "Stand for operational control of the dependence of the magnetostriction constant on the magnitude of the magnetic field", filed February 25, 2010

Claims (1)

Лабораторный стенд для измерения зависимости магнитострикции нежесткого объекта от величины внешнего магнитного поля, содержащий блок измерения перемещений с резистивным датчиком механической деформации и электромагнит, в области магнитного поля которого находится нежесткий объект, отличающийся тем, что лабораторный стенд состоит из шагового двигателя и его контроллера с возможностью подключения к управляющему компьютеру, обеспечивающих требуемое натяжение нежесткого объекта, подвижной каретки, связанной червячной передачей с шаговым двигателем, к которой закреплен один из концов нежесткого объекта, блока управления и регистрации, имеющего возможность подключения к управляющему компьютеру и содержащего управляемый источник тока, усилитель постоянного тока и устройства для измерения и оцифровки сигнала с усилителя, электромагнита, выполненного в виде соленоида без сердечника, с которым электрически соединен управляемый источник тока, который для минимизации влияния дрейфа выходного напряжения резистивного датчика механической деформации за счет искажений, вызванных нагревом образца, создает импульсы тока переменной скважности с возвратами к нулю, резистивного датчика механической деформации балочной конструкции, вторым концом к которому прикреплен нежесткий объект, при этом контроллер шагового двигателя и блок управления и регистрации смонтированы на подвижной раме, а шаговый двигатель, подвижная каретка, связанная червячной передачей с шаговым двигателем, электромагнит и резистивный датчик установлены на жесткую немагнитную плиту на антивибрационных подушках, конструктивно связанную с передвижной рамой.A laboratory bench for measuring the dependence of magnetostriction of a non-rigid object on the magnitude of an external magnetic field, comprising a displacement measuring unit with a resistive sensor of mechanical deformation and an electromagnet, in the magnetic field of which there is a non-rigid object, characterized in that the laboratory bench consists of a stepper motor and its controller with the possibility connections to the control computer, providing the required tension of a non-rigid object, a movable carriage connected with a worm gear with the help of a motor, to which one of the ends of a non-rigid object, a control and registration unit is fixed, which can be connected to a control computer and contains a controlled current source, a DC amplifier and devices for measuring and digitizing the signal from the amplifier, an electromagnet made in the form of a solenoid without a core with which a controlled current source is electrically connected, which, to minimize the influence of the output voltage drift of the resistive sensor of mechanical deformation due to distortion, caused by the heating of the sample, creates pulses of current of varying duty cycle with returns to zero, of a resistive sensor for mechanical deformation of the beam structure, the second end of which is attached to a non-rigid object, while the stepper motor controller and the control and registration unit are mounted on a moving frame, and the stepper motor, a movable carriage connected by a worm gear with a stepper motor, an electromagnet and a resistive sensor are mounted on a rigid non-magnetic plate on anti-vibration pads, structurally connected uy with a movable frame.

Images