Магнитомодуляционные преобразователи

Магнитомодуляционными называются преобразователи, действие которых основано на изменении магнитного состояния ферромагнит­ного материала при одновременном намагничивании в постоянном и переменном полях. Модуляция магнитным потоком возможна за счет нелинейных свойств магнитной цепи.

Магнитомодуляционные преобразователи (ММП) широко исполь­зуются в счетно-решающей технике в качестве логических элементов и запоминающих устройств, В измерительной технике ММП приме­няются для измерения напряженности постоянного магнитного поля (феррозонды), для преобразования постоянного тока в переменный с уменьшением абсолютного значения тока (измерительные трансформаторы постоянного тока), для преобразования постоянного тока в переменный с увеличением абсолютного значения тока (магнитные уси­лители), для измерения перемещения объекта, с которым связывается подвижная часть преобразователя, несущая постоянный магнит (магнитомодуляционные преобразователи перемещения).

Для магнитной цепи ММП характерны три различных режима работы:

а) Н_m~ и H_­– < H_нас; б) H_– H_нас, Н_m~ H_– ;

в) Н_m~ > H_нас, H_– << Н_m~ .

В первом режиме магнитное сопротивление переменному потоку зависит от величины Н_– и при Н _m~ << Н_– может быть определено дифференциальной магнитной проницаемостью _д. При сравнимых величинах Н _m~ и Н_– для анализа работы магнитной цепи используются харак­теристики двойного намагничивания В_m=f(Н_m ,В_–).

Преобразователи на основе эффекта Баркгаузена

Неоднородность структуры ферромагнитного образца обусловлена немагнитными включениями или локальными механическими включениями и вызывает скачки намагниченности при изменении внешнего магнитного поля или наличии механических воздействий. Схематическое изображение доменных границ и некоторого включения показано на рис. 2-38, а. Граница между двумя доменами с противополож­ным направлением векторов намагниченности под воздействием внешнего магнит­ного поля сначала обратимо изменяет свое положение (рис. 2-38, б), а затем скачком переходит в новое положение (рис. 2-38, в). Заштрихованная часть представляет собой область, скачком изменившую свою намагниченность.

Экспериментальные исследования скачков Баркгаузена (СБ) показали, что в железном образце средний объем перемагничивающейся области лежит в диапазоне 2∙10^-2–2∙10^-7 мм³.

Рис. 2-38

Вклад СБ в общее изменение намагниченности по данным различных авторов составляет 30–50%. Длительность СБ лежит в диапазоне 0,1—1 мс. При скачках Баркгаузена в измерительной катушке возникают импульсы ЭДС. Таким образом, перемагничивание образца сопровождается появлением в измерительной обмотке сигнала, имеющего характер случайного процесса.

Очень важной для проектирования преобразователей на основе эффекта Баркгаузена является зависимость этого эффекта от скорости перемагничивания. С уве­личением скорости перемагничивания от 0,01 до 0,24 А/(м∙с) число скачков падает примерно на 45%. Этот факт указывает на возможность слияния нескольких скач­ков, что приводит к зависимости характеристик преобразования от скорости или частоты перемагничивания[1].

В зависимости от скоро­сти перемагничивания изме­рительные преобразователи с использованием эффекта Баркгаузена могут быть раз­биты на две группы: с про­странственным перемагничиванием ферромагнетика и с перемагничиванием ферро­магнетика изменяющимся во времени магнитным полем.

Рис. 2-39

Принцип действия пре­образователя с пространст­венным перемагничиванием ферро-магнетика показан на рис. 2-39, а. Мимо постоян­ного магнита 1 движется со скоростью v_x ферромагнитный образец 2. Участок образца, находящийся вблизи магнита, намагничен, и границы этого участка смещаются со скоростью v_x. В про­ходной, или накладной, измерительной катушке 3, установленной неподвижно, индуктируются импульсы ЭДС, вызываемые скачками Баркгаузена. Индук­тируемая ЭДС представляет собой стационарный случайный процесс (рис. 2-39, б). В качестве информативных параметров этого процесса используются средняя ча­стота выбросов, превышающих заданный уровень, или дисперсия, которые зависят от скорости перемагничивания, т.е. от скорости движения образца. Сигнал измери­тельной обмотки 3 (рис. 2-39, а) усиливается и подается на полосовый фильтр Ф, подавляющий низкочастотную и высокочастотную части спектра для выделения полезного сигнала. Амплитудный дискриминатор АД выделяет импульсы, ампли­туда которых превышает заданный уровень, и сигнал поступает на частотомер Ч, показания которого пропорциональны скорости.

П

Рис. 2-40

ринцип действия пре­образователя с ферромагне­тиком, перемагничиваемым переменным магнитным полем, показан на рис.2-40, а. Устройство 1 служит для создания циклически меняющегося во времени магнитного потока, перемагничивающего неподвижный ферромагнетик 2. В измерительной обмотке 3 наводятся им­пульсы ЭДС, для измерения информативных параметров которых используются те же узлы, что и в схеме, показанной на рис. 2-39, a. Характер ЭДС, наводимой в об­мотке 3, показан на рис. 2-40, б. При циклическом прохождении петли гистерезиса наибольшее число скачков приходится на крутую часть гистерезисной петли, на пологой части они практически отсутствуют. Этим определяется периодически неста­ционарный характер магнитного шума и индуктируемой им ЭДС. Так же как в слу­чае стационарного процесса, математическое ожидание периодически нестационар­ного случайного процесса (ПНСП) постоянно и равно нулю, средняя за период перемагничивания Т частота выбросов, превышающих заданный уровень, а также усред­ненная за период и текущая дисперсия являются информативными параметрами при измерении характеристик внешнего магнитного поля, а также при измерении тока и напряжения, определяющих напряженность поля.

При постоянстве функции, описывающей изменение магнитного поля в течение цикла, параметр магнитного шума зависит от объема образца и структурных свойств ферромагнетика, и эффект Баркгаузена может быть положен в основу преобразова­теля неразрушающего контроля для измерения толщины гальванических покрытий и содержания в них ферромагнетика.

Конструктивно преобразователь представляет собой соленоид, длина которого для обеспечения равномерности магнитного поля в 5–10 раз превышает средний диа­метр. В центре соленоида помещается измерительная обмотка, в которую вводится исследуемый образец.

Мощность магнитного шума в преобразователе зависит от числа доменных об­ластей, участвующих в перемагничивании образца при постоянном режиме перемагничивания. Число доменных областей определяется как толщиной покрытия, так и содержанием ферромагнетика в нем. Влияние толщины выражается в измене­нии дисперсии случайного процесса без изменения вида ПНСП. Изменение состава гальванического покрытия приводит к изменению вида петли гистерезиса (при уменьшении содержания ферромагнетика петля становится уже и прямоугольнее) и, следовательно, характера ПНСП.

Можно выбрать такое сочетание режима перемагничивания образца и регистра­ции информативных параметров, при котором разделяется информация о толщине покрытия и о содержании в нем ферромагнетика.