Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ижевский Государственный Технический Университет Кафедра “Приборы и методы контроля качества”

Курсовая работа

Автоматизация процесса измерения магнитных свойств аморфных сплавов.

По дисциплине: Программно-техническое обеспечение приборов и систем НК

Выполнил:

магистрант гр. М304-1 Зверев А.Н.

Проверил:

к.т.н., доцент Стрижак В.А.

Ижевск, 2011.

Оглавление

1.Описание объекта контроля 2

2.Описание метода контроля 3

3.Структурная схема измерительной установки 6

4.Определение требований к средству регистрации 7

5.Выбор ПК 8

6.Описание работы устройства 10

Вывод 11

Список литературы 12

1. Описание объекта контроля

Аморфные металлические сплавы (АМС) получают быстрой закалкой расплавов при скоростях охлаждения жидкого металла 10⁴–10⁶ град/с и при условии, что сплав содержит достаточное количество элементов-аморфизаторов. Аморфизаторами являются неметаллы: бор, фосфор, кремний, углерод и металлы. Соответственно аморфные металлические сплавы разделяются на сплавы «металл—неметалл» и «металл—металл».

Широкое промышленное применение имеют магнитомягкие сплавы системы «металл—неме-талл». Их получают на основе ферромагнитных металлов — железа, никеля, кобальта, используя в качестве аморфизаторов различные сочетания неметаллов.

Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости. Затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, будучи в жидком состоянии.[1]

Образцы имеют состав Fe-Si-B и отожжены при разных температурах.

2. Описание метода контроля

Характеристика магнитных свойств ферромагнетиков

Ферромагнетики - это вещества, в которых квантовые взаимодействия между электронами, являющимися носителями магнетизма, таковы, что энергетически выгодным оказывается параллельное расположение собственных магнитных моментов - спинов. Это означает, что в отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетики должны быть намагничены до насыщения. Однако в термодинамически равновесном состоянии еще более энергетически выгодным оказывается состояние, при котором ферромагнетик разбивается на отдельные, намагниченные до насыщения домены, т.е. области спонтанного намагничивания. Домены располагаются так, чтобы в целом образец был размагничен. Стрелками в каждом домене обозначено направление намагниченности. В постоянных магнитах намагниченность не равна нулю, но это не означает, что их состояние является равновесным, хотя оно может оставаться таким неограниченно долгое время. Это значит, что образец когда-то был намагничен и это состояние при данных условиях оказалось достаточно прочным.

Рис.1. Зависимость намагниченности ферромагнетика от внешнего магнитного поля.

Характер доменной структуры зависит от множества факторов: химического состава, кристаллической структуры, размеров и формы образца, внутренних дефектов и напряжений, качества поверхности и т.д. Домены различной ориентации отделены друг от друга переходными слоями, называемыми доменными границами. Линейные размеры доменов при температурах, сравнительно далеких от точки Кюри, достигают величины см, а толщина граничных слоев между ними - десятки и сотни атомных расстояний.

На рис.1 показана зависимость намагниченности J от внешнего магнитного поля J=f(H), которая называется кривой намагничивания. Поле, в котором намагниченность достигает насыщения, называется полем насыщения Нs.

В реальных материалах кривая намагничивания имеет более сложный характер, поэтому обычно ее измеряют экспериментально. Намагниченность приводит к существованию внутреннего магнитного поля, которое неотличимо от внешнего, поэтому в условиях эксперимента проще измерять индукцию, создаваемую суммой внешнего и внутреннего магнитных полей. Вектора индукции, намагниченности и напряженности внешнего поля связаны известным соотношением:

(1)

где: В - магнитная индукция; J - намагниченность; Н - напряженность внешнего магнитного поля; - магнитная постоянная системы СИ.

Рис.2. Предельные и частные циклы петли гистерезиса

В отличие от намагниченности индукция при увеличении внешнего поля предела не имеет, поэтому кривая В=В(Н) (кривая намагничивания) при поле, большем поля насыщения, имеет слабый наклон к оси абсцисс. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения, а затем плавно уменьшать магнитное поле, то намагниченность будет изменяться по кривой, лежащей выше кривой намагничивания (рис.2).

При уменьшении поля до нуля ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность J_ocm, и соответственно остаточную индукцию В_ост . Чтобы привести его намагниченность к нулю, следует включить поле в противоположном направлении и, плавно увеличивая его, достичь величины H _коэр когда намагниченность (индукция) обратится в нуль. Эта величина H_коэр называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении поля до - H_мах ферромагнетик вновь намагничивается до насыщения, но в противоположном направлении. При последующем уменьшении поля до нуля и увеличении его до + H_мах, описывается замкнутая кривая, называемая предельной петлей гистерезиса. Если такой цикл проводить с меньших полей, то получаются петли гистерезиса, лежащие внутри предельной петли (см. рис.2). Они называются частными циклами петли гистерезиса. Вершины частных циклов петель гистерезиса лежат на кривой намагничивания ферромагнетика. Если же цикл проводить с полей, больших чем требуется для насыщения, то площадь петли не меняется, поэтому она и называется предельной. Следует заметить, что понятия остаточной намагниченности (индукции В_ост) и коэрцитивной силы Н_коэр относятся только к предельной петле гистерезиса.

С микроскопической точки зрения, явление гистерезиса объясняется наличием у ферромагнетиков доменной структуры.

Ферромагнетики в переменных магнитных полях

Переменные магнитные поля создаются с помощью катушек из провода, называемых соленоидами. Если через соленоид пропускать переменный ток, образец будет находиться в переменном магнитном поле. При этом он будет перемагничиваться с частотой переменного тока. Пусть образец помещен в поле, напряженность которого меняется в пределах от +Н _макс до -Н _макс, (рис.3). Тогда за период Т индукция в образце изменяется по петле гистерезиса.

Если Н_макс больше поля насыщения Hs, то индукция изменяется по предельной петле гистерезиса, если е Н_макс< Hs, индукция изменяется по частному циклу. Полученная в переменном поле петля гистерезиса получила название динамической петли гистерезиса в отличие от статической петли, которая получается в медленно меняющемся поле. Геометрическое место вершин динамических петель гистерезиса при увеличении поля от нуля до поля насыщения называется динамической кривой намагничивания.

Рис.3. Переменное поле Н(t)

Измерение петли гистерезиса и кривой намагничивания

Величина Н, напряженность внешнего магнитного поля, как следует из теории, будет прямо пропорциональна силе тока протекающего по намагничивающей обмотке

(2)

где, – амплитуда тока, протекающего в намагничивающей обмотке, - число витков намагничивающей обмотки, – средний радиус обмотки (среднее арифметическое внутреннего и внешнего радиусов). Амплитуда тока в 2 раз больше измеряемого амперметром действующего значения.

В свою очередь, сила намагничивающего тока будет связанна с падением напряжения Uх на эталонном сопротивлении законом Ома (U=IR), так как это сопротивление включено последовательно с намагничивающей катушкой. Таким образом, величины U и Н оказываются пропорциональными, и, следовательно, об изменении напряженности магнитного поля можно судить по величине падения напряжения на эталонном сопротивлении. Измеряя с помощью осциллографа напряжение, соответствующее максимальному отклонению луча на пластинах Х, амплитуду тока можно найти .[3]

Величина индукции магнитного поля может быть измерена по значению ЭДС, возникающей во вторичной, измерительной обмотке. действительно, по закону электромагнитной индукции Фарадея, во вторичной обмотке создается Э.Д.С.:

, (3)

где dф/ dt – скорость изменения магнитного потока через измерительную обмотку, Ф – магнитный поток, по определению: ф = BS , где S – площадь поперечного сечения измерительной обмотки, В – величина индукции магнитного поля существующая в измерительной обмотке. С учетом этого, равенство (3) перепишется в виде:

, (4)

Для нахождения значения В в каждый момент времени требуется проинтегрировать данное выражение по времени и выразить В в явном виде:

(5)