Рис. 5 Температурная зависимость магнитной проницаемости для лент Vitrovac 6025Z в нанокристаллическом (nanostructured) и аморфном (as received) состояниях.

Рис.6. Температурная зависимость намагниченности лент Vitrovac 6025 в аморфном (as received) и нанокристаллическом (nanostructured) состояниях.

В работе [9] был установлен характер поведения начального импеданса Z0 и и максимального импеданса Zm при изменении температуры в отсутствие внешних упругих растягивающих напряжений для различных частот переменного тока. (рис. 7.) Во всем частотном диапазоне при увеличении температуры от 20ºС до 190ºС величина начального импеданса Z0 возрастает. С дальнейшим ростом температуры магнитный импеданс образцов уменьшается. Температурное поведение максимального значения импеданса Zm зависит от частоты переменного тока, протекающего по образцу. Для частот 6-10 МГц с увеличением температуры наблюдается сначала небольшой рост, а затем падение Zm. Для частот меньших 6 МГц после начального роста Zm происходит его уменьшение до температуры 160ºС, а затем вновь наблюдается небольшой рост Zm до температур порядка 190ºС, который сменяется падением.

Рис. 7 Зависимость начального Z0 и максимального импеданса Zm фольг Vitrovac 6025Z от температуры в диапазоне частот переменного тока от 0,5МГц до 10МГц.

Зависимости ГМИ-эффекта от температуры для различных частот переменного тока имеют отличия (рис. 8). Для частот 6-10 МГц наблюдается уменьшение ГМИ-эффекта с ростом температуры, для меньших частот наблюдается сначала небольшое увеличение ГМИ-эффекта, а потом его резкое падение.

Рис. 8. Зависимость величины ГМИ-эффекта в фольгах Vitrovac 6025Z от температуры в диапазоне частот переменного тока от 0,5МГц до 10 МГц

2. Методика исследования магнитного импеданса

Для исследования влияния внешних факторов на импеданс ферромагнитных материалов была разработана и изготовлена специализированная установка, блок схема которой изображена на рис. 9. Данная установка позволяет исследовать влияние на импеданс проволок и фольг величины и направления магнитного поля, упругих растягивающих напряжений, температуры. Основным достоинством установки является возможность исследования совместного влияния вышеперечисленных факторов.

Рис. 9 Блок-схема установки: 1 – измерительная ячейка; 2 – кольца Гельмгольца; 3 – воздуховод; 4 – электронагревательный элемент; 5 – электронагреватель; 6 – три пары компенсационных колец Гельмгольца; 7 – термопары.

Основной частью данной установки является прецизионный анализатор импеданса Agilent 4294A, краткие технические характеристики которого таковы:

1.                 Частотный диапазон 40Гц – 110МГц с разрешением 1мГц;

2.                 Интервал измеряемых значений импеданса 3мОм – 50МОм;

3.                 Возможность измерения активной и реактивной компонент импеданса;

4.                 Пробный сигнал: сила тока 200мкА с разрешением 20мкА; напряжение – 1В с разрешением 1мВ;

5.                 Стабилизация по току и по напряжению;

6.                 Напряжение смещения ±40В, ток смещения ±100мА;

7.                 Основная погрешность не выше 0,1%.

Анализатор импеданса позволяет производить компенсацию собственного импеданса измерительной ячейки. Это операция становится необходимой при измерении импеданса на частотах порядка десятков мегагерц, потому что на этих частотах импеданс самой измерительной ячейки становится соизмерим с импедансом образца.

Исследуемые образцы изготавливаются по следующей технологии. От исследуемой проволоки (ленты) нужного состава отрезается необходимой длины заготовка, которая затем тщательно обрабатывается. Для хорошего контакта заготовки с зажимами держателя края тщательно зачищаются с помощью мелкой наждачной бумаги. Для того, чтобы не повредить исследуемый образец наждачной бумагой, его обработка проводится вращением вокруг собственной оси. С каждой стороны образца обрабатывается расстояние равное ~1мм, т.е. это то расстояние, которое закрепляется в зажимах.

Для возможности создания упругих механических напряжений были изготовлены специальная измерительная ячейка и деформирующее устройство.

Схема разработанной ячейки представлена на рис. 10. Несущей частью ячейки является пластинка, изготовленная из миканита – прессованной молотой слюды. На выбор данного материала повлияли его термостойкость и требуемая механическая прочность. Кроме того, миканит является хорошим диэлектриком. На пластинке крепятся стержни, один из которых подвижный. Стержни изготовлены из латуни, так как данный материал является парамагнетиком, и подвержен малому окислению при нагреве. В латунных стержнях находятся две группы контактов: 1) для подключения образца; 2) для подключения генератора переменного тока и вольтметра. Контакты для подключения образцов выполнены в виде механических зажимов, что обеспечивает необходимую надежность при воздействии упругих растягивающих напряжений. Зажимные болты изготовлены из посеребренной латуни, что исключает опасность нарушения контакта в результате окисления. Для предотвращения кручения образца во время зажима, он располагается между двумя шайбами. Шайбы также изготовлены из посеребренной латуни. Контакты второй группы соединены проводниками с коаксиальными разъемами для подключения генератора и вольтметра.

Рис. 10 Схема измерительной ячейки (крепление подвижного стержня дано в разрезе): а – пластина; б – подвижный стержень; в – ось подвижного стержня; г – неподвижный стержень; д – разъем для подключения вольтметра ; е – разъем для подключения генератора переменного тока; ж – образец; з – болты для зажима образца.

Следует отметить, что контакты для подключения генератора и вольтметра должны располагаться как можно ближе к точкам подключения образца. Кроме того, разъемы для вольтметра и генератора необходимо подключать отдельными проводниками. Это требуется для уменьшения влияния собственного импеданса подводящих проводов на получаемый результат. Влияние собственного импеданса измерительной ячейки на высоких частотах переменного тока может привести к значительному искажению результатов измерения.

Для подключения выносного щупа анализатора импеданса на основании закреплен разъём стандарта SMA.

Упругие растягивающие напряжения создаются с помощью деформирующего устройства, представляющего собой подвес, перекинутый через неподвижный блок (рис. 11). Один край подвеса через гальваническую развязку закреплен на подвижном контакте измерительной ячейки, к другому концу подвешиваются гири необходимой массы. В качестве подвеса используется тонкая нить из кевлара. Максимальная величина растягивающих напряжений для проволочных образцов диаметром 175мкм равна 250Па и ограничена конструктивными особенностями ячейки.

Рис. 11 Схема измерительной ячейки и деформирующего устройства: а – измерительная ячейка; б – дюралюминиевый воздуховод; в – неподвижный блок; г – нить; д – наборный груз; е – термопара.

Учитывая, что вертикальное перемещение подвижного стержня при упругой деформации образца мало, а трением в оси подвижного стержня можно пренебречь, величину упругих растягивающих напряжений, приложенных к образцу, рассчитывают по формуле:

σ=mg/S,(7)

где m – масса грузов; g=9,8м/с2 – ускорение свободного падения; S – площадь поперечного сечения образца.

Для проведения температурных исследований был выбран способ нагрева потоком воздуха. Измерительная ячейка помещается на дюралюминиевый воздуховод таким образом, что образец находится в потоке воздуха (рис. 11). Воздух нагревается до необходимой температуры с помощью электронагревателя и продувается воздушным нагнетателем по воздуховоду. Питание электронагревательного элемента осуществляется программируемым источником постоянного тока Agilent N5770. Чтобы свести к минимуму колебания температуры воздушного потока, питание электронагревателя и нагнетателя осуществляется стабилизированным током, стенки воздуховода теплоизолированы. Для контроля температуры и равномерности нагрева образца используется две термопары хромель-копель, рабочие спаи которых расположены над концами образца. Свободные концы термопар вынесены из зоны нагрева и теплоизолированы.

Для создания внешнего квазистатического магнитного поля используется пара колец Гельмгольца, в центре которых располагается воздуховод с ячейкой. Питание колец Гельмгольца осуществляется от программируемого источника тока Agilent N6700B с модулем N6774, имеющим возможность изменения полярности, что позволяет производить измерения по полному циклу 0кА/м → +12кА/м → 0кА/м → -12кА/м → 0кА/м.

Так как исследуемые материалы относятся к магнитомягким, то при проведении данных исследований требуется обеспечить компенсацию геомагнитного и техногенного магнитных полей. Для решения данной задачи используются три пары колец Гельмгольца, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Питание каждой пары колец осуществляется от отдельного источника питания. Контроль компенсации производится с помощью датчика Холла. А также приняты следующие шаги: спираль электронагревателя выполнена из бифилярной намотки, электронагреватель вместе с двигателем воздушного нагнетателя максимально удален от измерительной ячейки.

С целью минимизации внешних электрических наводок дюралюминиевый воздуховод соединен с шиной заземления.

Управление и передача данных с анализатора импеданса, а также с источников питания колец Гельмгольца и электронагревательного элемента осуществляется персональным компьютером по интерфейсу GPIB. Сигнал с термопар преобразуется в цифровой вид и передается в персональный компьютер с помощью АЦП L-791 фирмы L-Card.

Также частью установки является программа для ПК, осуществляющая управление приборами, сбор и сохранение результатов измерений. Программа написана на Visual Basic 6.0 и использует библиотеки функций компании Agilent. Программа, управляя источниками питания, устанавливает согласно заданному алгоритму температуру образца и внешнее магнитное поле, после чего запрашивает результаты измерений с анализатора импеданса и сохраняет их на жесткий диск. В ходе проведения измерений программа отслеживает стабильность температуры образца и при необходимости производит ее корректировку. Программа позволяет устанавливать такие параметры эксперимента, как скорость нагрева, максимальная температура, шаг изменений температуры, величина и направление внешнего магнитного поля. Алгоритм проведения эксперимента заключается в последовательном изменении величины магнитного поля в заданных пределах и запросе результатов измерений импеданса с анализатора. Результаты серии измерений сохраняются в виде удобной для обработки в математических пакетах матрицы в текстовом файле.

Раньше для измерения импеданса образца использовалась другая методика. Согласна этой методике образец подключается к генератору синусоидальной ЭДС последовательно с балластным резистором Rб, сопротивление которого на три порядка больше, чем измеряемые значения импеданса образцов Z. Поэтому действующее значение тока в цепи можно считать определяемым только величиной балластного сопротивления и выходным напряжением на генераторе Uг:

I=Uг/Rб.(8)

Тогда модуль полного сопротивления образца можно рассчитать по формуле:

Z=Uобр/I,(9)

где Uобр – падение напряжения на образце (рис. 12, 13).

В качестве источника переменного тока использовался генератор IFR 2023А, который с помощью коаксиального кабеля подключен к измерительной ячейке. Частота переменного тока изменялась в диапазоне от 500кГц до 10МГц. Выходное напряжение генератора контролировалось вольтметром В7-35. Действующее значение силы тока, протекающего по образцу, в большинстве экспериментов составляло 30мА. Падение напряжения на образце измерялось с помощью высокочастотного вольтметра ВЗ-52. Щуп вольтметра с помощью переходника был подключен к соответствующему разъему измерительной ячейки.

Кольца Гельмгольца были подсоединены к генератору линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН), что позволяло создавать изменяющееся во времени магнитное поле. Напряженность магнитного поля, создаваемого кольцами Гельмгольца, определялась по падению напряжения на образцовом резисторе Rкг. Резистор был включен последовательно с кольцами Гельмгольца. Его сопротивление было выбрано таким, чтобы падение напряжения на нем численно соответствовало напряженности магнитного поля в Эрстедах. Резистор был выполнен из манганинового сплава и приведен в тепловой контакт с массивными радиатором для минимизации температурного дрейфа.

Рис. 12 Принципиальная схема измерения импеданса: Г – генератор ВЧ тока; Vr – вольтметр, измеряющий выходное напряжение генератора; Rб – балластное сопротивление; Z – образец; Vобр – вольтметр, измеряющий напряжение на образце.

Рис. 13 Блок-схема экспериментальной установки: а – измерительная ячейка; б – кольца Гельмгольца; в – воздуховод; г – электронагревательный элемент; д – электронагнетатель; е – компенсационный куб; ж – термопара.

Для питания электронагревателя использовался источник тока Agilent 5770A. Воздушный нагнетатель питался от источника SHENZEN MASTECH HY3020E. Оба источника работали в режиме стабилизации по току. Сбор экспериментальных данных осуществлялся с помощью платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) LCard L 791. К плате были подключены:

1.                 Аналоговый выход вольтметра ВЗ-52, измеряющего падение напряжения на образце;

2.                 Выводы резистора Rкг для определения напряженности магнитного поля;

3.                 Концы термопары, измеряющие температуру тока.

Если провести сравнение данных методик измерения МИ, то предпочтительней первая, более современная, которая намного упрощает задачу исследователя. Экспериментатору требуется лишь подготовить образец, поместить его в измерительную ячейку, закрепить саму ячейку, а также установить параметры измерений. Получив результаты в виде матриц, построить необходимые зависимости.

3. Практическое применение магнитного импеданса

3.1 Введение

Аморфные ферромагнитные сплавы являются удобным объектом для исследования физических свойств магнитомягких ферромагнетиков ввиду их способности приобретать заданные магнитные свойства под влиянием термической и термомагнитной обработки. Различные физические эффекты в ферромагнитных материалах известны уже давно и нашли самое широкое применение в науке и технике, в том числе при разработке и создании разнообразных датчиков и преобразователей физических величин.

По некоторым магнитным параметрам к аморфным сплавам приближаются нанокристаллические ферромагнитные сплавы, которые могут иметь значительно большую, чем аморфные сплавы, рабочую температуру.

Применение аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков позволяет не только улучшить существующие датчики магнитных величин, но и создавать принципиально новые измерительные датчики и преобразователи.

Разработка и создание более совершенных датчиков и преобразователей магнитного поля остается важной задачей современной науки. Автоматизация процессов производства, развитие технической базы научных исследований, создание современных технологий требуют более совершенных методов контроля и измерения различных параметров, в том числе магнитных и механических. В геофизике, для обнаружения и измерения слабых магнитных полей естественного и искусственного происхождения, требуются высокочувствительные датчики магнитного поля, способные измерять одновременно три компоненты магнитного поля и работать в широком интервале температур. В низкочастотной радиосвязи существует проблема создания малогабаритных параметрических антенн с узкой диаграммой направленности. В биологии и медицине требуются миниатюрные датчики сверхслабых магнитных полей, длительное время работающие при нормальных условиях.

Уникальные магнитные и механические характеристики ферромагнетиков позволяют создавать на их основе высокочувствительные датчики и преобразователи слабого магнитного поля, а также разнообразные датчики механических величин.

Высокая магнитная проницаемость и малые потери на перемагничивание позволяют с помощью различных методов преобразования получить экстремально низкий порог чувствительности датчиков магнитного поля, выполненных на основе аморфных ферромагнитных сплавов, расширить диапазон частот измеряемого магнитного поля. На основе применения аморфных ферромагнетиков возможно улучшение параметров аппаратуры считывания информации с магнитных носителей, позволяющее в несколько раз увеличить разрешающую способность и количество записываемой информации.

Механические датчики на основе магнитоимпедансного эффекта в аморфных и нанокристаллических сплавах отличаются более высокой чувствительностью и долговечностью.

Миниатюрные магнитные датчики магнитного поля на основе магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных сплавах могут служить базовым элементом для создания приборов магнитной дефектоскопии и различных устройств автоматики и робототехники. Как и датчики Холла, они могут иметь размеры около 1мм и не содержат катушек индуктивности. При соответствующем выборе аморфного сплава и при его термомагнитной или термомеханической обработке перекрываемый с помощью магнитоимпедансного датчика диапазон постоянного или низкочастотного магнитного поля может достигать 100Э.

В то же время магнитоимпедансный датчик магнитного поля выгодно отличается от датчика Холла высокой температурной стабильностью, поэтому приборы на его основе не требуют никаких схем температурной компенсации или стабилизации. Более того, магнитоимпедансный датчик имеет всего два контакта и его подключение к электрической схеме прибора осуществляется всего двумя проводами, а не четырьмя, как в датчике Холла, что значительно проще и надежнее в случае исполнения выносного варианта датчика.

Более подробно остановимся на принципе действия датчиков на основе магнитного импеданса.

3.2 Датчики магнитного поля и механических величин на основе магнитоимпедансного эффекта [4]

3.2.1 Датчики магнитного поля на основе магнитного импеданса

Значительное падение напряжения на аморфных и нанокристаллических проводниках под действием магнитного поля при прохождении по проводнику переменного или импульсного электрического тока позволяет применить магнитоимпедансный эффект в разнообразных датчиках магнитного поля.

При работе в качестве датчиков магнитного поля целесообразно выводить начальную рабочую точку на середину линейного участка характеристики, для чего требуется продольное магнитное поле смещения. Оно может быть создано как катушкой или постоянным магнитом, так и созданием магнитного поля анизотропии при изготовлении или термомеханической обработке аморфного сердечника датчика, или при приложении к нему механического напряжения. Когда аморфный ферромагнетик выводится на участок максимального импеданса при помощи механического растягивающего напряжения, внешнее магнитное поле уменьшает импеданс на участке с отрицательной крутизной. При этом вернуться на участок с положительной крутизной с помощью внешнего постоянного магнитного поля не удается.

Дифференциальный коэффициент преобразования лучших магнитоимпедансных датчиков составляет 0,5-2,0 мкВ/нТл на узком участке возрастающей ветви характеристики при подходе к максимуму изменения импеданса. На спадающей ветви характеристики чувствительности значительно, на один-два порядка, ниже. Чувствительность на участке возрастания импеданса зависит от размеров датчика.

К недостаткам датчика магнитного поля на основе магнитоимпедансного эффекта относятся: чувствительность к механическим воздействиям, большая величина гистерезиса, необходимость в магнитном поле смещения или соответствующем механическом напряжении.

К положительным моментам можно отнести возможность создания датчика без использования катушек индуктивности, относительную простоту датчика. Магнитоимпедансные датчики магнитного поля могут найти достойное применение в различных технических устройства при работе в диапазоне средних магнитных полей от 0,2Э до 200Э.

3.2.2 Датчики механических величин на основе магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных сплавах

Сильная зависимость импеданса проводника из аморфного ферромагнитного сплава от приложенного к этому проводнику механического напряжения позволяет создать малогабаритные датчики механических величин, которые не содержат катушек индуктивности (рис. 14). Отсутствие кристаллической решетки в аморфных ферромагнетиках делает их более чувствительными к внешним факторам, в том числе механическим, так как величина энергии анизотропии, которую необходимо преодолеть с помощью внешнего воздействия, значительно ниже, чем в кристаллических ферромагнетиках.

Рис. 14 Простейшие конструкции механических датчиков на основе магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных сплавах: А.Ф.П. – аморфный ферромагнитный проводник; К1 и К2 – контакты.

Магнитоимпедансные датчики имеют выходной сигнал в виде амплитуды переменного напряжения высокой частоты и поэтому могут иметь плоскую амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот от 0 до единиц МГц. Серьезным преимуществом механических датчиков на основе магнитоимпедансного эффекта является их высокая термостабильность. Такие датчики имеют высокую чувствительность, так как в них максимум изменения сигнала ΔU/U, соответствующий Δl/l или Δσ/σ, имеет место на начальном участке характеристики магнитоимпедансного эффекта, когда Δl/l в результате продольной магнитострикции составляет всего лишь сотые доли от величины магнитострикции насыщения.

На основе магнитоимпедансного эффекта возможно создание приемо-передающих высокочастотных акустических устройств.

В магнитоимпедансных датчиках прием и возбуждение осуществляется по току, а не по напряжению. Поэтому магнитоимпедансные датчики являются низкоомными широкополостными элементами, что во многих случаях может оказаться удобным при согласовании с акустической нагрузкой и с применением электронной схемой. На базе магнитоимпедансного акустического приемо-передающего устройства, выполненного на основе аморфных ферромагнитных лент или пленок, могут быть созданы адаптивные высокочастотные приемо-излучатели упругих волн с управляемой диаграммой направленности и хорошим согласованием с акустической средой.

Возбуждение высокочастотных упругих колебаний в аморфных ферромагнитных лентах и пленках при магнитоимпедансном эффекте позволяет создать акусто-оптические модуляторы и дефлекторы для систем оптической обработки информации. При работе на отражение в поляризованном свете такие акусто-оптические элементы могут одновременно выполнять функцию поворота плоскости поляризации отраженного света.

Заключение

В данной работе был проведен анализ и синтез работ, посвященных теме исследования, в ходе которых были выявлены следующие теоретические положения:

- импеданс проводника определяется магнитоиндуктивной составляющей и толщиной скин-слоя;

- для существования ГМИ-эффекта принципиальным является магнитная мягкость материала;

- величина упругих растягивающих напряжений приводит к изменению максимального и начального значения импеданса проводника;

- характер изменения максимального и начального значения импеданса при изменении упругих напряжений и температуры зависит от частоты переменного тока, протекающего по образцу;

- существует три температурных диапазона, в которых влияние упругих растягивающих напряжений на ГМИ-эффект в аморфных фольгах имеет различный характер.

В данной работе описаны две методики исследования магнитного импеданса. Автор работы на практике ознакомился с одной из установок, находящейся в Лаборатории магнитных явлений на базе ИГПУ, и принципом её работы.

Были рассмотрены возможности практического применения магнитного импеданса, а именно возможности создания датчиков на его основе. Основными достоинствами применения ГМИ-материалов является их чувствительность к внешним факторам, относительно низкая стоимость изготовления и скорость обрабатывания.

Список используемой литературы

1.                 Бозорт Р. Ферромагнетизм./Пер. с англ./Под ред. Е.И. Кондорского, Б.Г. Лившица. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1956.

2.                 Боровик Е.С., Еременко В.В., Мильнер А.С. Лекции по магнетизму. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Физматлит, 2005.

3.                 Курляндская Г.В. Гигантский магнитный импеданс и его связь с магнитной анизотропией и процессами намагничивания ферромагнитных структур: докт. дис. – Екатеринбург, 2007.

4.                 Сокол-Кутыловский О.Л. Исследование магнитоупругих свойств аморфных ферромагнетиков с целью их применения в магнитных и механических датчиках: докт. дис. – Екатеринбург, 1997.

5.                 Ч. Киттель Введение в физику твердого тела.

6.                 Антонов А.С. Магнитоимпеданс ферромагнитных микропроводов, тонких пленок и мультислоев при высоких частотах: докт. дис. – М.:2003.

7.                 Моисеев А.А. Эффект магнитоимпеданса в магнитомягких проволоках на основе Fe и Co: дипломная работа.

8.                 Анашко А.А., Семиров А.В., Гаврилюк А.А. Магнитоимпедансный эффект в аморфных FeCoMoSiB лентах// Журнал технической физики. – 2003. – том 73, вып. 4.

9.                 Букреев Д.А. Воздействие внешних факторов на ГМИ-эффект в низкострикционных фольгах VITROVAC 6025Z: маг. дис.

10.            Priota K.R., Kraus L., Fendrych F., Svec P. GMI in Stress-Annealed Co77Fe8B15 Amorphous Ribbonsfor Stress-Sensor Applications// The 14th European Conference on Solid-State Transducers, Copenhagen, Denmark. – 2000. - P. 753-754

11.            Bydzovsky J., Kollar M., Svec P., Kraus L., Jancaric V. Magnetoelastic prooerties of CoFeCrSiB amorphous ribbons – a possibility of their application// J. Electrical Engineering. – 2001. – V. 52. – No. 7-8. – P. 1-5.

12.            Bordin G., Buttino G., Cecchetti A., Poppi M. Temperature dependence of magnetic properties and phase transitions in a soft magnetic Co-based nanostructured alloy// J. Phys. D: Appl. Phys. – 1999. – V. 32. – P. 1795-1800.

13.            А.В. Семиров, А.А. Моисеев, В.О.Кудрявцев, Д.А. Букреев, Г.В. Захаров Установка для исследования влияния температуры и механических напряжений на магнитоимпеданс магнитомягких материалов.

Страницы: 1, 2