Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методы и средства измерений_New.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
22.07 Mб
Скачать

Измерение магнитных величин.

Основными магнитными величинами, подлежащими измерению, являются индукция В, Тл и напряженность магнитного поля H, А/м.

В вакууме:

В= μ 0Н, где μ0=4π·10-7 Гн/м.

В магнитной среде:

В= μ0 (Н+М),

В= μμ0Н,

где М-намагниченность среды, μ -относительная магнитная проницаемость вещества. М имеет туже размерность, что и Н.

Измерение магнитной индукции.

Основными методами измерения являются индукционный метод, метод Холла, метод Гаусса.

1. Индукционный метод. Он основан на законе электромагнитной индукции:

, ψ – потокосцепление с измерительной катушкой, которая является первичным измерительным преобразователем; e – ЭДС, наводимая в измерительной катушке.

Вб – веберметр, прибор для измерения потокосцепления.

ψ=ФW=BWS, Ф – магнитный поток, который пронизывает витки W катушки.

, ,S - сечение катушки, которое пронизывается потоком, B - магнитная индукция, е – э.д.с. на выходе катушки W.

Площадь под кривой е(t) пропорциональна ∆Ф, ∆В.

Особенностью индукционного метода является возможность измерения не абсолютных значений индукции, а её приращений. При этом, в соответствии с законом электромагнитной индукции, изменению электромагнитной индукции соответствует вольт-секундная площадь ЭДС, индуцируемой в данной катушке. Поэтому прибор для измерения приращения магнитной индукции представляет собой интегратор (веберметр- интегратор, который измеряет площадь импульса наведенного в катушке).

Этот метод, благодаря простоте, широко применяется при испытаниях изделий из магнитных материалов. При этом изделие перемагничивается по программе испытаний и в измерительной катушке наводится ЭДС, вольт-секундная площадь которой пропорциональна изменению магнитной индукции.

Простейшая схема веберметра на операционном усилителе:

τ – постоянная нарастания; τ1 – постоянная убывания; R, R1 - электрические сопротивления; C – электрическая ёмкость; ∆U – напряжение, величина которого пропорциональна изменению магнитной индукции; UВЫХ – выходное напряжение; t – время.

Рассмотрим реализацию индукционного метода на примере испытания изделия из магнитного материала. Магнитные свойства магнитного материала характеризуются петлёй гистерезиса, а также начальной и основной кривой намагничивания.

Вm и Нm – координаты точки, соответствующей насыщению магнитного материала; Нс – коэрцитивная сила материала (Нm=(5÷10) Нс); Вr – остаточная индукция (соответствует нулю напряженности).

Если магнитный материал размагнитить, т.е. прийти в состояние 0, то, при увеличении Н, магнитное состояние будет меняться по начальной кривой намагничивания 1 при достижении точек Нm, Вm; будем уменьшать Н при этом придем в точку Вr. Изменим знак Н и будем увеличивать модуль Н, при этом последовательно придем в точки -Нm и -Вm, уменьшаем модуль Н, приходим в точку -Вr. Изменив знак Н последовательно попадем в состояние Нm и Вm. Этот цикл называется предельной петлей гистерезиса.

Аналогично при меньших значениях Н можно получить частные гистерезисные циклы. Кривая соединяющая вершины частных симметричных гистерезисных циклов называется основной кривой намагничивания 2.

Основная кривая намагничивания в общем случае не совпадает с начальной кривой намагничивания. Пусть необходимо измерить некоторое значение индукции В1 на предельной петле гистерезиса индукционным методом.

Это можно сделать двумя способами.

Первый способ. Нужно измерить В1= Вm -∆В1 . Для этого в начале переходят из неизвестного состояния В1 в Вm и веберметром измеряют ∆В1 . Из Вm переходят в состояние -Вm и измеряют веберметром ∆В2=2Вm , отсюда Вm =∆В2 /2, B1=∆B2/2 - ∆B1.

Второй способ заключается в переходе из В1 в состояние -В1 (симметричная точка). При этом сигнал интегрируется веберметром в течении всего периода и результирующее изменение индукции ∆В3=2В1, откуда В1=∆В3 /2.

Магнитометрический метод основан на взаимодействии подвижной магнитной стрелки магнитометра и намагниченного образца. По углу отклонения магнитной системы от начального положения определяется магнитный момент М образца, а далее можно подсчитать J, B и H.

Метод отличается высокой точностью и чувствительностью. Предельная погрешность метода имеет порядок десятых долей процента, а порог чувствительности примерно 10-3... 10-4 А/м. Высокая чувствительность и точность метода обеспечили ему широкое применение при измерениях слабых МП (например, поля Земли) и для решения некоторых метрологических задач. В области испытаний магнитных материалов вследствие большой сложности метод находит применение только в коэрцитиметрах.

Электродинамический метод. В электродинамическом методе напряженность МП определяется по углу поворота катушки с известным электрическим током, помещенной в измеряемое поле. На этом принципе выполнен, например, прибор типа ИМИ-1, позволяющий измерять поля в пределах от 8·104 до 13·105 А/м с погрешностью не более 4 %. Достоинство метода состоит в том, что шкала указателя может быть отградуирована непосредственно в единицах измеряемой величины (напряженности МП или магнитной индукции). Основным недостатком электродинамического метода является малая точность и чувствительность.

Метод, основанный на эффекте Холла, позволяет непосредственно измерять напряженность как постоянного, так и переменного МП. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов при прохождении электрического тока в поперечном ему МП. Преобразователь Холла (ПХ) представляет собой пластину из полупроводникового материала, по четырем сторонам которой расположено четыре контакта, два из них называются токовыми, а два выходными или измерительными (иногда эти контакты называют холловскими).

еx =F(B,I,G)

Для изготовления магниточувствительных элементов (МЧЭ) ПХ наиболее широко используются: кремний (Si), германий (Ge), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), арсенид галлия (GaAs), т.е. полупроводниковые материалы, обладающие высокой подвижностью носителей заряда и наивысшим значением коэффициента Холла. Известно также применение для этих целей пластин и тонких пленок из селенистой ртути (HgSe) и теллуристой ртути (HgTe), а также висмута (Bi). В последние годы некоторые фирмы ведут работы по использованию тройных соединений типа «кадмий–ртуть–теллур» (CdxHgxTeх). Преобразователи на основе указанных соединений работают в интервале температур от комнатных до гелиевых и могут быть изготовлены с использованием любой современной технологии микроэлектроники: полупроводниковой биполярной и эпипланарной, пленочной, метал-оксид-полупроводниковой и др. Наибольшее распространение получили кристаллические и пленочные МЧЭ. Конструктивно ПХ могут быть выполнены как в виде дискретных элементов, так и в виде полупроводниковых структур, расположенных в кристалле полупроводникового материала, в том числе и вместе с электронной схемой усиления и обработки сигнала ПХ. Не существует единой универсальной конструкции, приемлемой для всех случаев технического использования преобразователей, но наибольшее распространение получили четыре вида конструкций, которые условно можно именовать бескорпусной, бескорпусной на подложке, бескорпусной на подложке с использованием концентратора МП и корпусной. Из новейших образцов ПХ можно отметить ПХ типа HS-100 с максимальной толщиной 0,3 мм, разработанный фирмой Bell Technologies (США).

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основывается на использовании внутриатомных явлений. Ядро атома, обладающее собственным магнитным моментом М и механическим моментом J, согласно квантовой механики, может принимать в МП H лишь определенные ориентации, число которых равно (2J + 1). В ядре атома водорода J =1/2 и число ориентаций равно двум. Одна из них соответствует параллельному, а вторая – антипараллельному расположению поля и магнитного момента. Каждая ориентация обладает вполне определенной энергией.

Для измерения Н по методу ЯМР ядросодержащий образец в виде ампулы, заполненной соответствующим веществом (при использовании протонного резонанса – дистиллированной водой), помещается в измеряемое поле Н. Образец охватывается обмоткой, питаемой от высокочастотного генератора, частота которого известна и может плавно изменяться. Точность измерений определяется точностью фиксирования момента резонанса и измерения резонансной частоты. Измерители напряженности МП, основанные на явлении ЯМР, обладают погрешностью от 0,02 до 0,005 %. Следует также отметить, что метод основан на использовании универсальной постоянной (гиромагнитного отношения), поэтому результат измерения практически не зависит от внешних причин. Это придает методу исключительную метрологическую ценность. Диапазон измеряемых полей преобразователей напряженности МП, выполненных на эффекте ЯМР, составляет 4·103 ... 2·106 А/м.

Отечественной промышленностью выпускаются приборы типа ИМИ-2 с пределами измерений 2·104 ... 2·106 А/м с погрешностью, не превышающей 0,01 %, при условии, что в объеме образца неоднородность не выше 0,02 %.

Мостовой метод применяется для определения магнитных характеристик магнитномягких материалов на переменном токе в широком диапазоне частот: от 50 Гц до 200 МГц в слабых полях. Сущность мостового метода заключается в том, что намагничивающая обмотка образца включается в одно из плеч моста переменного тока. В одну из диагоналей моста включают источник тока, а в другую – нулевой индикатор, настроенный на первую гармонику частоты намагничивания, затем мост уравновешивают, путем изменения параметров двух переменных элементов, включенных в остальные плечи моста, после чего по уравнению равновесия моста рассчитывают параметры эквивалентной схемы замещения испытуемого образца. Примером мостовой установки, предназначенной для измерения магнитных свойств материалов, может служить установка типа У520. Установка позволяет производить измерения в двух режимах (синусоидальной магнитной индукции или синусоидальной напряженности МП). В режиме синусоидальной напряженности МП измерения могут производиться в полях от 0,8 до 80 А/м. Максимальные значения магнитной индукции в образце (при измерениях в режиме синусоидальной магнитной индукции) соответствуют 60 ... 80 % магнитной индукции насыщения. Особенно широко мостовые методы применяют при определении магнитных характеристик на высоких частотах, для таких материалов, как ферриты, магнитодиэлектрики и пермаллои микронного проката.

Осциллографический метод. Идея осциллографического метода состоит в следующем. На образец наматывают намагничивающую обмотку wн и обмотку для измерения магнитной индукции wи. На горизонтальные пластины электронного осциллографа подают напряжение, пропорциональное намагничивающему току, с сопротивления, включенного в цепь последовательно. При этом мгновенное значение напряжения на горизонтальных пластинах пропорционально мгновенному значению намагничивающего поля. На вертикальные пластины подают напряжение с конденсатора, включенного последовательно с обмоткой wи и резистора, включенного параллельно. В результате сложения отклонений по горизонтали и вертикали электронный луч будет описывать кривую, изображающую в некоторых масштабах динамическую петлю гистерезиса.

Он обладает исключительной наглядностью и может быть использован в широком частотном диапазоне. Однако большим недостатком метода является его малая точность. Погрешность измерений магнитной индукции и напряженности этим методом оцениваются величиной порядка 7 – 10 %.

Метод Гаусса.

Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса) – изменение удельного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов в магнитном поле.

При помещении образца прямоугольного сечения из проводникового или полу- проводникового материала в магнитное поле и пропускании по нему электрического тока, направление которого перпендикулярно вектору индукции магнитного поля, сопротивление образца будет возрастать (поперечный эффект Гаусса). Если магнитное поле направлено параллельно направлению тока, то наблюдается продольный эффект Гаусса. Следует отметить, что при продольном эффекте изменение магнитосопротивления незначительно, поэтому он не получил большого применения.

Магниторезистивный эффект, как и эффект Холла, проявляется исключительно в полупроводниках. Изменение удельного сопротивления вызвано тем, что носители заряда, перемещающиеся в полупроводнике под действием электрического поля, не имеют одинаковых скоростей. Скорости носителей заряда различны и подчиняются распределению, отвечающему статистике Ферми – Дирака. В результате этого поперечное поле Холла компенсирует влияние силы Лоренца только на носители заряда, имеющие среднюю скорость V. Поэтому траектория носителей заряда со скоростью большей или меньшей скорости V будет искривлена, что приведет к увеличению числа столкновений (уменьшению длины свободного пробега) и тем самым – к повышению удельного сопротивления полупроводника.

Зависимость удельного сопротивления от магнитной индукции в большом диапазоне изменения индукции можно описать формулой

где ρ0 - удельное сопротивление при В = 0; А – постоянная.

Из (3.17) следует, что при малых В (μВ << 1) удельное сопротивление ρ квадратично зависит от индукции В, а при больших значениях индукции удельное сопротивление достигает насыщения.

Изменение удельного сопротивления от магнитной индукции В может быть описана также приближенной формулой:

где n = (1–2) – в зависимости от величины (μВ).

Магниторезистивный эффект зависит также от направления магнитного поля и размеров образца. Эффект наиболее ярко выражен у пластин, имеющих форму диска Корбино, а также у некоторых сложных конфигураций.

Эффект Гаусса широко используется при построении датчиков магнитного поля, магниторезистивных датчиков.

Рассмотрим устройства для испытания изделий из магнитных материалов. Устройства испытаний изделий из ФММ по типу используемой МС классифицируют на устройства с разомкнутой, полуразомкнутой и замкнутой МС. Устройства с замкнутой МС предназначены для определения магнитных характеристик на образцах в форме цилиндров и параллелепипедов, имеющих шлифованные поверхности, а так же в форме тороидов. К ним относятся устройства промышленного изготовления: У541, У5022, У5030, У5032, У5045, У5056, АРСПГ-4, МИС-1, МК-3Э [27, 28 , 29].

Для примера рассмотрим автоматическую установку МК-3Э, полностью заменяющую по техническим и метрологическим характеристикам более старую установку БУ-3. Она предназначена для автоматического измерения магнитных характеристик протяженных образцов в соленоиде и электромагните и кольцевых образцов МММ по методике ГОСТ 8.377-80.

На кольцевых образцах измеряют следующие магнитные характеристики: ОКН; петлю гистерезиса; остаточную магнитную индукцию Br; коэрцитивную силу по индукции HcB; максимальную магнитную проницаемость μmax; магнитную проницаемость μe в заданном поле; начальную магнитную проницаемость μн; потери на гистерезис на частных и предельном циклах перемагничивания. На протяженных образцах измеряют характеристики: коэрцитивную силу Hc; остаточную магнитную индукцию образца Br; магнитную индукцию Bm в максимальном поле.

Диапазон измерения напряженности создаваемого в МК-3Э МП, 0 – 500 кА/м; относительная погрешность измерений для доверительной вероятности 0,95 на кольцевых образцах, магнитной индукции ± 1,5 %, напряженности МП ± 2 %; время одного измерения – не более 25 мин.; размеры кольцевых образцов: наружный диаметр, 10 – 100 мм; высота, 2 – 50 мм размеры стержневых образцов: длина, не более 400 мм. Материал образцов – магнитномягкие сплавы, электротехнические стали и другие МММ.

Недостаток таких устройств – низкая производительность (время одного измерения 25 мин.) и трудность автоматизации операций установки изделий в измерительную позицию. Поэтому такие устройства предназначены для испытания образцов – свидетелей и изделий выпускаемых малыми партиями, и не могут быть применены для испытаний заготовок.

К устройствам с неполностью замкнутой магнитной цепью относятся устройства, использующие метод сравнения испытуемого изделия с образцовым и устройства, в которых при определении магнитных характеристик изделий учитывается размагничивающее поле. Наиболее распространенными устройствами, предназначенными для испытания в МС с разомкнутой магнитной цепью, являются коэрцитиметры. Основным недостатком этих устройств является непригодность для измерения других, кроме коэрцитивной силы, магнитных характеристик изделий из ФММ. Для примера приведем коэрцитиметр.

  1. 1 – электропитание, включая мощный импульсный генератор, 2 – ключ для изменения полярности, 3 – поле рассеяния катушки, 4 – два измерительных зонда , 5 – поле рассеяния пробы, 6 – проба, 7 – катушка, 8 – вычислительный блок и блок управления, присоединенный к персональному компьютеру,

  2. 9 – регулятор тока

Коэрцитиметр полностью автоматизирован, включая сортировку и регистрацию результатов измерения. Его недостатком является необходимость экранирования от магнитных помех и поля Земли катушки и магнитного сердечника. Чувствительность – 0,5 А/м, минимальная масса пробы –1 мг, погрешность измерения ± 0,5 %.

  1. По способу создания внешнего поля известные устройства испытаний делятся на три группы:

  2. 1) с импульсным изменением внешнего поля;

  3. 2) с непрерывно изменяющимся внешним полем со скоростью, позволяющей пренебречь влиянием на процесс перемагничивания вихревых токов и магнитной вязкости;

  4. 3) с комбинированным перемагничиванием – импульсным намагничиванием до насыщения и плавным перемагничиванием медленно изменяющимся полем.

Сущность метода импульсного изменения внешнего поля состоит в том, что при изменении внешнего поля скачком изменяется магнитное состояние изделия от какого-либо исходного (размагниченное, намагниченное до максимального состояния, соответствующего остаточной индукции), до заданного. Одновременно измеряется изменение магнитной индукции .

Метод импульсного изменения внешнего поля применяется для определения основной кривой намагничивания, предельных и частных статических петель магнитного гистерезиса, кривых возврата, удельной магнитной энергии.

К достоинствам метода относятся:

  • простота электрической схемы установки для реализации метода;

  • возможность применения интеграторов со сравнительно высокими уровнями дрейфа.

К основным недостаткам метода можно отнести следующие:

  • он позволяет измерять приращение магнитной индукции в испытуемом изделии, а не саму ее величину;

  • большие скорости изменения перемагничивающего поля приводят к явлениям поверхностного экранирующего эффекта и недостаточному намагничиванию внутренних областей ПМ;

  • нагрев ПМ, изготовленных из МТМ с высокой удельной проводимостью, возникающими вихревыми токами;

  • возникновение больших динамических усилий, требующих применения специальных мер защиты намагничивающего устройства и ПМ от разрушения;

  • невозможность за один цикл перемагничивания проконтролировать все магнитные параметры статической кривой размагничивания ПМ.

  1. Метод непрерывного медленно изменяющегося МП позволяет за один цикл перемагничивания получить достаточный объем измерительной информации о магнитных свойствах изделия, однако обеспечение режима квазистатического перемагничивания приводит к усложнению перемагничивающего устройства.

На рис. приведена структурная схема прибора «MagHyst», разработанного совместно с «Штанбайсцентром» (Германия) и ЮРГТУ (НПИ) для испытаний изделий из МММ, реализующего метод квазистатического перемагничивания в режиме обеспечения постоянства скорости изменения магнитной индукции.

Структурная схема прибора «MagHyst»

Прибор «MagHyst» состоит из УИТ, блока преобразователей (БП), АЦП, ЦАП, микроконтроллера (МК) и персонального компьютера (ПК) типа IBM PC.

Намагничивающая и измерительная обмотки охватывают магнитопровод ИИ. Ток в намагничивающей обмотке вызывает намагничивающую силу Θ и магнитный поток Φ в магнитопроводе. Согласно заданной функции тока в магнитопроводе возникает изменение потока и в измерительной обмотке индуцируется напряжение US = dΨS/dt. Потокосцепление ΨS рассчитывается путем интегрирования напряжения в измерительной обмотке. Существующий при этом постоянный поток Ψ0 не учитывается. Расчет зависимости В(Н) выполняется по нижеприведенным формулам и пояснен на рис.

Магнитная цепь, электрические и магнитные параметры

Намагничивающая обмотка Измерительная обмотка

, , , , ,

где WP – число витков намагничивающей обмотки; WS – число витков измерительной обмотки; LFe –длина магнитопровода; AFe – площадь поперечого сечения магнитопровода; IP – ток намагничивающей обмотки; US – напряжение измерительной обмотки; Θ – намагничивающие ампер-витки; Φ – магнитный поток; ΨS – потокосцепление (в измерительной обмотке); H – напряженность МП, B – магнитная индукция.

Комбинированный метод перемагничивания наиболее широко применяется для испытаний изделий из различных типов магнитных материалов, отличается универсальностью и экономичностью. Его реализация связана с усложнением перемагничивающих и измерительных устройств, однако современная электронная база позволяет легко решить эту задачу.

По способам получения, обработки и представления измерительной информации, методы и технические средства испытаний целесообразно разделить на два типа: непосредственно реализующие физический эксперимент и сочетающие физический эксперимент с моделированием магнитных характеристик и параметров.

Устройства, реализующие физический эксперимент рассмотрим на примере информационно-измерительных систем (ИИС) для испытания изделий из ФММ выпускаемых фирмой Magnet-physik.

Информационно-измерительная система REMAGRAPH C-500– полностью автоматическая, под управлением программного обеспечения REMA установленного на ПК для измерения (квази-) статической петли гистерезиса изделий из МММ.

Внешний вид ИИС REMAGRAPH C-500

Измерения могут быть выполнены на брусках разной формы, полосках и кольцах. Для различных форм образцов используются разные полюсные наконечники и разные J-компенсационные катушки (рис.1.23).

Внешний вид полюсных наконечников и J-компенсационных катушек

Перед измерением образец размагничивают переменным МП с уменьшением его амплитуды. Частота и скорость размагничивания могут быть предварительно установлены. Измерение начинается или с максимальной напряженности МП или с заданного предела. Поляризация J измеряется при помощи J-компенсационной катушки 5. Напряженность МП H измеряется при помощи потенциальной катушки 6, которая измеряет разность потенциалов между двумя точками и располагается на минимально возможном расстоянии от поверхности образца. Измеренная разность потенциалов делится на расстояния между измеряемыми точками.

Схема MJR 5

На этом рисунке использованы следующие обозначения: 1–образец; 2 – ярмо; 3 – сменный полюс для брусков и листов; 4 – намагничивающие катушки; 5 – J-компенсационная катушка; 6 – потенциальная катушка для измерения напряженности H; 7 – выход на J-веберметр; 8 – выход на H- веберметр.

Током, создаваемым в намагничивающих катушках 4, управляет персональный компьютер через пульт управления ST-P/R2. При измерении в квазистатическом режиме он регулируется так, чтобы изменение во времени плотности магнитного потока dB/dt было константа. Таким образом, влияние вихревых токов и магнитной вязкости на результат измерения незначительно. Напряженность H и поляризация J измеряются синхронно двумя веберметрами и передаются в персональный компьютер. Индукция МП B вычисляется из формулы B = J - μ0H. Петля гистерезиса строится прямо на мониторе во время измерения.

Технические характеристики: напряженность поля в намагничивающих катушках 0 ... ± 55 кА/м; время измерения 40 с для всей петли гистерезиса, а время размагничивания перед измерением 30 с.

Возможности: измерение начальной кривой намагничивания, измерение петли гистерезиса; измерение кольцевых, прямоугольных, круглых, листовых образцов, измерение с постоянной скоростью; измерение при неизменной плотности потока dB/dt, автоматическое размагничивание образцов перед измерением; вычисление остаточной магнитной индукции или намагниченности (Br или Jr), коэрцитивной силы по индукции и намагниченности (HcB илиHcJ), максимальной проницаемостиμr max, начальной проницаемостиμi. Аналогичная ИИС, но для испытания изделий из МТМ PERMAGRAPH L представлена на рис.

Внешний вид ИИС PERMAGRAPH L

PERMAGRAPH L – полностью автоматическая установка под управлением программного обеспечения PERMA, установленного на ПК, состоит из блока питания SVP 2, главного управляющего и измерительного модуля ST-P-L, намагничивающей системы EP 3 или EP 5. Она позволяет измерять параметры образцов из материалов альнико, ферритов или редкоземельных магниты (например, самарий-кобальт, неодим-железо-бор).

Для измерения напряженности H и поляризации J МП используется одна сменная комбинированная измерительная катушка, встроенная в полюсный наконечник. Индукция МП B вычисляется из формулы B = J - μ0H.

Внешний вид измерительных катушек

Технические характеристики: время измерения 40 ... 120 с в зависимости от типа образца; максимальная напряженность МП в намагничивающих катушках – 2200 кА/м; выходная мощность блока питания – 3 кВт; напряжение питания ИИС – 380 В. Возможности: измерение кривой размагничивания, измерение полной петли гистерезиса, автоматическая остановка процесса измерения в коэрцитивной силе по намагниченности HcJ или при максимальном токе в намагничивающих катушках Imax; вычисление остаточной магнитной индукции или намагниченности (Br или Jr), коэрцитивной силы по индукции и намагниченности (HcB илиHcJ), магнитной энергии W образца. Все измеренные и вычисленные значения сохраняются в виде таблиц для дальнейшей их обработки.