ФГБОУ ВПО «ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.Т. КАЛАШНИКОВА»

На правах рукописи

ВЛАСКИН КОНСТАНТИН ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИСТЕМ

МАЛОГАБАРИТНЫХ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ФЕРРОЗОНДОВОГО ТИПА

Специальность 05.11.13 – «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Прищепов Сергей Константинович Ижевск –

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ……………………….… 1.1. Актуальность темы исследований. История вопроса…………….. 1.2. Методы и средства магнитометрии………………………………... 1.3. Основные направления совершенствования феррозондовых преобразователей………………….……………………………………... 1.4. Постановка задач исследований……………………………………. ВЫВОДЫ………………………………………………………………….

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА

ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИСТЕМ

ФЕРРОЗОНДОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ………………………… 2.1. Разработка математической модели феррозондового преобразователя

2.2. Графо-аналитиечский метод исследования магнитопроводов феррозондовых преобразователей………………………..……………... 2.3. Теоретические основы метрологической аттестации и идентификации тонкопленочных сердечников феррозондовых преобразоваелей………………………………………..….……………... 2.4. Технология изготовления магнитопроводов для феррозондовых преобразователей из тонкопленочных аморфных сплавов …………… 2.5. Методика контроля и идентификации параметров магнитопроводов из тонкопленочных аморфных сплавов…………… ВЫВОДЫ……………………………………………………………….....

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

МАЛОГАБАРИТНЫХ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ

СЕРДЕЧНИКОВ ИЗ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ И

ФЕРРОЗОНДОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ.......... 3.1. Интегральные и гибридные технологии производства феррозондовых преобразователей……………………………….……… 3.2. Миниатюризация феррозондовых преобразователей……………... 3.3. Технологии изготовления феррозондовых преобразователей……. 3.4. Параметры магнитопроводов как факторы снижения энергопотребления феррозондовых преобразователей………………... 3.5. Метрологические исследования и идентификация параметров магнитопроводов из аморфных сплавов ……………………………….. ВЫВОДЫ………………………………………………………………….

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИИ ФЕРРОЗОНДОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С МАГНИТОПРОВОДАМИ ИЗ

АМОРФНЫХ СПЛАВОВ……………………………………………….. 4.1. Однокомпонентный феррозондовый магнитометр с функциями полемера и градиентомера……………………………………………..... 4.2. Феррозондовый датчик постоянных и переменных магнитных полей……………………………………………………………………… 4.3. Комплексный прибор для обнаружения подземных магнитных аномалий………………………………………………………………..... 4.4. Многофункциональный трехкомпонентный феррозондовый магнитометр……………………………………………………………... 4.5. Комплексный прибор для вычисления магнитного курса.……… 4.6. Применение трехкомпонентного феррозондового датчика в САУ компенсации магнитных аномалий…………..………………………... 4.7. Феррозондовые датчики в режиме контроля динамических объектов…………………………………………………………………. ВЫВОДЫ………………………………………………………………... ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………. Список литературы……………………………………………………... Приложения …………………………………………...………………...

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Значимость измерений магнитных величин, разнообразие и важность задач, решаемых при помощи магнитометров, определяют многообразие методов и средств магнитометрии. Широкое распространение получили феррозондовые (ФЗ) магнитометры.

Обусловлено это тем, что датчики феррозондового типа (ФЗД) обладают совокупностью свойств, которая другим магнитометрическим преобразователям не принадлежит: возможность измерения модуля вектора магнитного воздействия; направления вектора (знака); переменных, импульсных полей, а также компонент вектора и градиента магнитного воздействия.

Благодаря достоинствам ФЗД, в частности, малым габаритам, они с момента своего появления по сегодняшний день непрерывно находятся в процессе исследований, совершенствования и существуют в разнообразных технических воплощениях. Исследования составляют ряд разноплановых научно-технических задач, так как малогабаритные ФЗД являются прецизионными средствами измерений и, одновременно, представляют собой сложную электромагнитную систему, состоящую из магнитопровода (МП) - одного или нескольких электромагнитные системы ФЗД имеют множество модификаций: с замкнутыми и разомкнутыми МП; с различным количеством обмоток; дифференциального типа и т.д. Параллельно развитию теории и поиску новых конструкций исследуются и развиваются технологии изготовления ФЗД, в частности, гибридные и интегральные.

Особой областью исследований являются технологии производства МП малогабаритных ФЗД, т.к. они составляют основу измерительной структуры датчиков вне зависимости от типа и конструктивного исполнения. Особенности работы МП в структурах ФЗД предъявляют к ним ряд особых требований:

высокая магнитная проницаемость; малые потери на перемагничивание;

прецизионные технологии изготовления и метрологической аттестации; высокая стабильность эксплуатационных характеристик; широкий температурный диапазон; устойчивость к магнитным и механическим возмущениям. Приведенная ферромагнитных материалов, в частности ферритов.

Наибольшее применение в качестве МП измерительных преобразователей нашли пермаллои. Однако сложности технологий производства сердечников из пермаллоевых сплавов явились стимулом к поиску альтернативных материалов. В настоящее время проводятся исследования по использованию в качестве материалов МП ФЗД различного рода аморфных сплавов (АмС). Они представляют собой тонкопленочные структуры, не имеющие кристаллической решетки, чем объясняются их особые свойства. В частности, механическая тонкопленочных заготовок магнитных сердечников, обеспечивающих: точное соблюдение заданных размеров; чистоту обрабатываемых поверхностей; не нарушение сертифицированных магнитных характеристик заготовок; соблюдение повторяемости характеристик сердечников в рамках выпускаемой серии.

прогрессивных технологий изготовления тонкопленочных МП из АмС, в частности лазерные. Основополагающая роль при производстве МП принадлежит средствам контроля их качества т.к. отбраковка пермалоевых сердечников при серийном производстве ФЗД достигает 60%. Наиболее важными позициями контроля являются: сохранение у МП магнитных свойств, принадлежащих материалам их сертифицированных заготовок; заданные размеры, а также составление групп из отдельных сердечников в рамках выпускаемой серии методом идентификации их технических параметров. В работе обосновано применение технологии электроэрозионной резки (ЭР) как наиболее эффективной при изготовлении малогабаритных магниточувствительных сердечников (ММС) из тонкопленочных АмС.

Таким образом, задача совершенствования методов изготовления и контроля ММС для прецизионных магнитометрических датчиков является актуальной, а исследования в данной области представляют собой важное научнотехническое направление.

Степень разработанности темы Основы теории и проектирования феррозондовых датчиков создали в своих работах авторы: Р. И. Янус, Ю. В. Афанасьев, Ю. Ф. Понаморев, М. А. Розенблат, H.

Aschenbrener, G. Goubeau, F. Forster, P. Ripka и др. Опубликованные работы носят разноплановый характер и не полностью освещают вопросы по анализу свойств ФЗ, в частности дифференциальных (ДФЗ), технологии изготовления, миниатюризации, методов контроля параметров феррозондовых датчиков. Таким образом, данные вопросы требуют дополнительных исследований.

Цель и задачи диссертационной работы совершенствование существующих методов и средств изготовления и контроля магнитометрических преобразователей феррозондового типа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Произвести анализ существующих методов и средств изготовления и контроля малогабаритных магниточувствительных сердечников с целью определения оптимальных для прецизионных датчиков феррозондового типа.

2. Разработать математическую модель связи информационного сигнала дифференциальных феррозондовых датчиков с параметрами электромагнитной системы как стержневого, так и замкнутого типов.

3. Разработать математическую модель идентификации малогабаритных магниточувствительных сердечников из тонкопленочных аморфных сплавов по ограниченному ряду их геометрических параметров.

4. Разработать способ изготовления и методику контроля малогабаритных магниточувствительных сердечников из тонкопленочных аморфных сплавов с применением технологии электроэрозионной резки, сохраняющей магнитные свойства исходного материала.

5. Экспериментальные исследования дифференциальных феррозондовых датчиков с разработанными малогабаритными магниточувствительными сердечниками из аморфных сплавов.

Научная новизна работы:

1. Идентичность параметров магнитопроводов определена как основной влияющий фактор на метрологические характеристики прецизионных малогабаритных ДФЗ: типа полемер; типа градиентомер; в особенности – мультисенсорных.

2. Разработана математическая модель для анализа и проектирования электромагнитных систем феррозондов, как стержневого типа, так и с замкнутыми магнитопроводами.

3. Разработан способ изготовления малогабаритных магниточувтвительных сердечников, обеспечивающий идентификацию параметров электромагнитных систем дифференциальных феррозондов и сохранение магнитных свойств исходного материала.

малогабаритных магниточувствительных сердечников и методика определения качества малогабаритных магниточувствительных сердечников в рамках выпускаемой партии.

метрологического контроля и идентификации элементов их измерительных структур: дифференциальных; полемер; градиентомер; мультисенсорных (патенты № 108638; №109568; №2448350).

Теоретическая и практическая значимость электромагнитных параметров вне зависимости от их структуры: стержневого типа, с замкнутым магнитопроводом, дифференциальных.

Разработан способ изготовления и методика метрологических исследований ММС из тонкопленочных АмС, не нарушающие магнитные свойства исходных материалов и обеспечивающая заданные метрологические и эксплуатационные характеристики ФЗ в рамках выпускаемой партии.

Разработаны математическая модель и методика идентификации магнитных характеристик тонкопленочных ММС по ограниченному ряду их геометрических параметров.

На основе разработанных математических моделей обеспечен анализ и расчет электромагнитных параметров ДФЗ.

На основе разработанных: математической модели, способа и методики метрологических исследований обеспечены изготовление и метрологический контроль ММС из тонкопленочных АмС.

Разработан и применен стенд по определению характеристик и идентификации параметров ММС.

На основе теоретических положений диссертации обеспечено расширение функциональных возможностей феррозондовых магнитометров: типа полемер;

типа градиентомер; мультисенсорных, за счет идентификации элементов их электромагнитных систем.

Разработан и применен ряд магнитометрических датчиков и приборов на основе малогабаритных тонкопленочных ДФЗ:

1. Контрольно-измерительный прибор «полемер - градиентомер» на предприятии ООО «Хисап».

2. Контрольно-измерительный прибор «феррозондовый градиентомер» на предприятии ООО «СитиТрейд».

3. Многофункциональный трехкомпонентный феррозондовый магнитометр на НПП «Квазар».

Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Объект исследования. Электромагнитные системы малогабаритных измерительных преобразователей феррозондового типа.

Предмет исследования. Магнитные и геометрические характеристики малогабаритные магниточувствительные сердечники из аморфных сплавов на этапах их изготовления и контроля.

Методы исследования. Применяется математический аппарат для анализа и проектирования электромагнитных систем феррозондов. Использованы методы математического моделирования с применением положений теории нелинейных электрических цепей и теории пространственной ориентации твердых тел. Для исследования полученных математических моделей были использованы методы и средства компьютерного анализа. При обработке результатов экспериментальных исследований использованы методы математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель, связывающая основной информативный параметр дифференциального феррозонда – уровень второй гармонической составляющей тока возбуждения, с разделенными по группам параметрами его электромагнитной системы.

2. Математическая модель идентификации магнитных характеристик тонкопленочных малогабаритных магниточувствительных сердечников по ограниченному ряду их геометрических параметров.

3. Способ изготовления и методика метрологических исследований малогабаритных магниточувствительных сердечников из тонкопленочных аморфных сплавов для прецизионных дифференциальных феррозондов с применением технологии электроэрозионной резки, сохраняющей магнитные свойства исходного материала.

магниточувствительных сердечников из тонкопленочных аморфных сплавов.

5. Проектирование измерительных структур магнитометрических приборов на основе идентификации полуэлементов дифференциальных феррозондов: типа полемер; типа градиентомер; мультисенсорных.

Степень достоверности результатов работы. Изложенные в работе положения теоретически обоснованы, подтверждены патентами и материалами публикаций в рецензируемых изданиях, сопоставлением их с результатами экспериментов, а также практическим выражением в виде действующих макетных образцов, приборов, внедрений на промышленных предприятиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VIII Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация»

(Барнаул, 2007); Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); X Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2009);

Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2012);

Публикации по теме диссертации. По результатам диссертационных исследований опубликованы 27 печатных работы, из них 9 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен 1 патент на изобретение и 2 патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований и приложения, включает рисунков и 6 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Актуальность темы исследований. История вопроса На протяжении столетий существовали и существуют в наши дни проблемы и задачи, решение которых было бы невозможным без применения методов и средств магнитометрии. Одной из наиболее древних задач, решаемых при помощи магнитометров, являлась навигация. Ориентирование на местности (в пустыне, на море) осуществлялось по небесным светилам и уступало методу магнитометрии по точности и надежности измерений, так как ориентирование в пасмурную погоду невозможно. Эта проблема инициировала изобретение первого магнитометрического прибора – компаса [28].

Способность намагниченной стрелки указывать направление на Север было известно ещ в 120 г. до н. э. [21; 35]. Однако это был не измерительный прибор, поскольку на нем не было числовой шкалы. В 1269 году было произведено радикальное усовершенствование стрелочного магнитометра: компас был объединен с морской астролябией, снабженной градуированной шкалой и чувствительный элемент (ЧЭ), стала основой магнитометрических приборов [93].

Дальнейшее использование и совершенствование компаса привело к обнаружению новых физических эффектов и решению более сложных магнитометрических задач. Было открыто магнитное склонение [33; 92], т.е.

различие между географическим и магнитным направлениями на Север (рисунок 1.1).

Как средство магнитометрии, компас совершенствуется и по сей день, хотя и не является оптимальным средством измерений. Поэтому получили развитие приборы, основанные на различных магнитных эффектах, таких как:

индукционный, эффект Холла, эффект Гаусса, ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и др. [4; 38; 90; 91; 128]. Техническая реализация данных эффектов позволяет классифицировать магнитометры как по техническим характеристикам, так и по областям применения[94; 105; 128], согласно рисунку 1.2.

Рисунок 1.1 – Определение Земного N – магнитного склонения Таким образом, с использованием методов магнитометрии были экспериментально получены первые сведения о природе и свойствах геоструктур и околоземного пространства [21; 28; 86; 91].

Рисунок 1.2 – Диапазоны магнитных сигналов датчиков в различных Из рисунка 1.2 следует, что методами магнитометрии сегодня решаются не только технические задачи, но и проблемы гуманитарного характера в частности экологические, имеющие в настоящее время особую значимость. Это определяет основные области применения магнитометрии:

№ Области применения магнитометрии Метрологические задачи геомагнетизма Исследование магнитных явлений и объектов Контроль динамических объектов Исследование техногенных магнитных явлений Исследование биомагнитных объектов и Исследование квантовых явлений и объектов пространстве и изменений во времени нормальное МПЗ (НМПЗ), а также с исследованием геофизических процессов в недрах Земли и верхней атмосфере.

Основными методами в изучении МПЗ являются непосредственные наблюдения над пространственным распределением его силовых линий и его вариациями на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Наблюдения заключаются в измерениях элементов Земного магнетизма в различных точках и носят название магнитных съёмок. В зависимости от того, где они производятся, съмки подразделяются на морские, наземные, аэромагнитные и спутниковые.

Особый успех в изучении пространственной структуры геомагнитного поля был достигнут благодаря модульной съмке с искусственных спутников Земли.

Первые спутниковые магнитограммы МПЗ (рисунок 1.3) были получены с дальнейшем использовались также квантовые магнитометры. Согласно рисунку 3, было определено не возмущенное НМПЗ, величина которого была принята мкТл.

Погрешность спутниковой магнитометрии оценивается в 10†30 нТл, что позволяет решать совокупность вопросов, связанных со структурой, состоянием и изменениями НМПЗ.

Рисунок 1.3 –Спутниковая магнитная съемка Земной поверхности феррозондовым магнитометром: 23,9[мкТл] – наименьшее значение геомагнитного поля; 68,2[мкТл] – наибольшее значение геомагнитного поля разработаны методы анализа на основе комбинаций результатов спутниковых (рисунок 1.3) и наземных данных, получаемых, в частности, при помощи феррозондовых магнитометров (ФЗМ) [92].

направления космической магнитометрии – исследования магнитных полей планет (Таблица 1.2). Так, космическим аппаратом «Луна-2», при помощи феррозондовых магнитометров, были произведены измерения, благодаря которым было установлено, что магнитное поле Луны (естественного спутника Земли) близко к нулю[46; 78]. Основные измерения проводились при помощи 3-х компонентного ФЗМ, разработанного в Российском научно-исследовательском институте Земного магнетизма [46; 78].

Таблица 1.2.Измерения магнитных полей планет и спутников Солнечной системы.

В таблице 1.2: ФЗМ – феррозондовый магнитометр; КМ – квантовый магнитометр.

Таким образом, данные магнитометрии, согласно рисунку 1.2; таблице 1.1, являются источником новых знаний о космосе, составляют основу современных и перспективных теорий и методик исследования явлений и объектов космического пространства.

Методы магнитометрии, согласно таблице 1.1, относятся к ряду основных при исследовании недр Земли и горных пород. Особенности образования залежей полезных ископаемых и процессы разрушения горных пород представляют интерес с трех точек зрения. Во-первых, ценным является способность горных пород сохранять в течении миллионов лет намагниченность, полученную ими в период их образования. То есть магнетизм залежей недр Земли и горных пород является физической базой для палеомагнитных исследований [21]. Во-вторых, магнитные свойства минералов, входящих в горные породы, состав этих минералов, зависят от условий, в которых образовывалась, формировалась и существовала порода. То есть исследование магнетизма горных пород позволяет изучать строение и эволюцию Земли. И, наконец, познание механизма намагничивания ферромагнитных тел в однородном поле имеет большое значение в развитии теории магнитной разведки, так как магнитные аномалии НМПЗ вызываются именно ферромагнитными породами. Исследование магнитных аномалий имеет, прежде всего, практическое значение. Так, исследование локальных магнитных аномалий позволяет определить места залегания полезных ископаемых, в первую очередь, железных руд [92].

Бурное развитие электротехники послужило толчком для создания магнитоизмерительных приборов с различными временными и уровневыми характеристиками, в частности с целью оценки свойств ферромагнитных материалов. Существенное развитие магнитоизмерительная техника получила в связи с исследованиями Курской магнитной аномалии. При этом впервые в мире был внедрен метод аэромагнитной съмки. Таким образом расширялась номенклатура приборов, разрабатывались новые принципы действия магнитометров но основе новых эффектов преобразования магнитных величин.

Это касается приборов для ведения магниторазведочных работ на нефть и газ, для аэро-, океано-, космических исследований.

Магнитные возмущения, связанные, например, с магнитной бурей МПЗ, возникают на несколько часов раньше, чем результаты е воздействия. В результате магнитных бурь происходит нарушение радиосвязи, выход из строя электронной аппаратуры. Опережающее обнаружение и измерение магнитных возмущений позволяет делать магнитные прогнозы, необходимые для защиты от магнитных бурь: бесперебойной радиосвязи, для оценки радиационной обстановки в околоземном пространстве в частности, при космических полтах [29].

Стабильный вектор НМПЗ составляет основу наземных навигационных систем, а также подземных и подводных.

Наиболее сложными по технической реализации являются подземные инклинометрические навигационные системы. В них вектор НМПЗ является базой системы координат, в которой вычисляется траектория движения подземного (скважинного) объекта. Так как подвижный скважинный объект скрыт средой, непроницаемой для прямого пеленга его эволюций, единственным [27] методом построения траектории движения является метод счисления пути (рисунок 1.4).

При реализации данного метода к магнитометру инклинометра предъявляются особые требования, в первую очередь – точность измерений:

при измерении зенитного угла ± 5; азимута ± 0,5. Эти показатели точности должны быть достигнуты в осложненных условиях эксплуатации:

максимальное рабочее давление 150 МПа; максимальная рабочая температура 250С; уровень ударных и вибрационных перегрузок 20g [22].

продуктивного пласта [27]. По данным замеров зенитного угла и азимута искривления скважины, а также - глубины ствола в точке замера строится план (инклинограмма) – проекция оси скважины на горизонтальную плоскость и профиль – вертикальная проекция на плоскость магнитного меридиана (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Инклинометрия скважин методом счисления пути.

горизонтальная составляющая МПЗ; Z – вертикальная составляющая МПЗ; P – Наличие фактических координат бурящихся скважин позволяет точно установить точки пересечения скважиной различных участков геологического разреза, т.е. установить правильность бурения в заданном направлении [10; 40].

Для измерения угла азимута применяются феррозондовые преобразователи азимута (ФПА) [31; 67].

Из проведенного анализа следует:

1. Значимость измерений магнитных величии, степень совершенства технических характеристик, широкий спектр функциональных возможностей и основополагающие в ряду современных и перспективных средств измерительной техники.

2. Разнообразие и важность задач, решаемых с применением магнитометров обусловливает многообразие методов и средств магнитометрии.

3. В классе магнитометрических приборов наиболее ценным признаком является совокупность высоких технических характеристик, а следовательно, широкие функциональные возможности магнитометра.

1.2. Методы и средства магнитометрии Совершенствование магнитных измерительных технологий, разнообразие и важность задач, решаемых при помощи магнитометров, определяют многообразие методов и средств магнитометрии. Следует отметить, что на начальном этапе развития магнитометрии приборы использовались исключительно как полемеры (ПМ), т.е. в качестве измерителей параметров однородных магнитных полей. Магнитометрических градиентомеров (ГрМ) не существовало так как еще не были созданы техногенные источники магнитных аномалий (МА) НМПЗ. Факты существования МА исследователями отмечались, но задачи измерения градиента НМПЗ не возникало. Наибольшее распространение получили магнитометры следующих типов:

а) магнитомеханические преобразователи;

б) индукционные преобразователи;

в) гальваномагнитные преобразователи:

в.1. датчики Холла в.2. магниторезистивные преобразователи:

в.2.1. магниторезисторы на эффекте Гаусса;

в.2.2. анизотропные магниторезистивные преобразователи (AMR);

в.2.3. гигантские магниторезистивные преобразователи (GMR);

в.2.4. преобразователи, основанные на эффекте гигантского магнитоимпеданса (GMI-преобразователи);

в.3. магнитодиоды;

в.4. магнитотранзисторы;

г) магнитооптические преобразователи;

д) ЯМР магнитометры:

д.1. с вынужденной ядерной прецессией;

д.2. со свободной ядерной прецессией;

д.3. с оптической накачкой;

ж) феррозондовые преобразователи.

Магнитомеханические преобразователи Магнитомеханическими называются преобразователи (ММП), принцип работы которых основан на взаимодействии постоянного магнита с измеряемым магнитным полем [4; 33; 90].

Достоинства: низкий порог чувствительности: G ~ 1 нTл; простота эксплуатации.

электроизмерительными приборами (ЭИП) из-за визуального считывания результатов измерения; низкая надежность; малое быстродействие; сложность технологий изготовления и эксплуатации; высокая стоимость.

Гальваномагнитные преобразователи Гальваномагнитными называются преобразователи (ГМП), принцип работы которых основан на использовании физических явлений, возникающих при воздействии магнитного поля на движущийся заряд.

магнитометрических преобразователей. Это является признаком высокой их эффективности, как преобразователей магнитных величин, что подтверждается импеданса (GMI).

Эффект Холла – явление возникновения поперечной разности потенциалов в проводнике с постоянным током при помещении его в магнитное поле [4; 12;

25; 128]:

Достоинства: наиболее недорогой и простой в изготовлении и эксплуатации, а следовательно, широко используемый датчик магнитного поля;

измерение постоянных и переменных магнитных величин [71; 72].

Недостатки: смещение нуля; повышенный уровень собственных шумов;

низкая стабильность эксплуатационных и метрологических характеристик, что вообще характерно для полупроводниковых преобразователей; малая чувствительность; высокий уровень потребляемой мощности; малое быстродействие; миниатюризация датчиков Холла ухудшает их характеристики;

спонтанная индивидуальная для каждого датчика диаграмма направленности: е несимметрия и деформация [7].

Магниторезистивные преобразователи (MR).

MR (Magnetoresistance) сопротивление которых изменяется под воздействием магнитного поля. В преобразователях данного типа реализуются различные физические эффекты: а) магниторезистивный эффект (AMR); в) гигантский магниторезистивный эффект (GMR); г) явление гигантского магнитного импеданса (GMI).

а) Магниторезистивные датчики на эффекте Гаусса.

носителей заряда под действием внешнего постоянного магнитного поля [12; 25;

89].

Достоинства: технологичность изготовления, малые габариты, низкая стоимость.

направленности, энергопотребления.

б) Анизотропные магниторезистивные преобразователи (AMR).

Принцип работы анизотропных магниторезистивных преобразователей (Anisotropic Magnetoresistance) сопротивления тонкопленочных ферромагнетиков под воздействием измеряемого магнитного поля [8; 9; 37; 73].

Достоинства: наличие оси чувствительности (ОЧ) – зависимость сопротивления от угла ; малое влияние на характеристики дрейфа магнитных параметров; малая зависимость характеристик от температуры.

Недостатки: низкая чувствительность; нелинейность - квадратичная зависимость от, из чего следует, что данный тип преобразователей не позволяет определять направление (знак) магнитного поля. Данные недостатки могут быть устранены в конструкции чувствительного элемента, который представляет собой комплект из четырех чередующихся резистивных ферромагнитных пленок выполненных на одном кристалле, включенных по мостовой схеме [73; 128].

в) Гигантские магниторезистивные преобразователи (GMR).

Принцип действия гигантских магниторезистивных датчиков (Giant Magnetoresistance) многослойных структурах ферромагнетиков [45; 74]. То есть в GMR-датчиках реализуется преобразование угла между направлением тока и силовыми линиями измеряемого магнитного поля в электросопротивление многослойной структуры, состоящей из разнородных, по магнитным свойствам, материалов [128]:

Достоинства: большая плотность интеграции, как следствие высокая разрешающая способность при распознавании близлежащих микрогабаритных магнитных объектов (в частности, битов на магнитных носителях). Высокое быстродействие – частота срабатывания достигает нескольких ГГц. Низкое потребление энергии.

Недостатки: диаграмма направленности имеет деформацию и не является острой.

магнитоимпеданса (GMI - преобразователи).

Принцип работы GMI – преобразователей основан на эффекте изменения комплексного сопротивления ферромагнитного проводника под воздействием внешнего магнитного поля [123].

Достоинства: возможность создания датчиков без использования катушек индуктивности; относительная простота, технологичность изготовления датчика.

Недостатки: ограниченные функциональные возможности: не определяется знак вектора B; деформированная диаграмма направленности;

чувствительность к механическим воздействиям; большая величина гистерезиса;

необходимость дополнительных приспособлений (магнитное поле смещения;

создание калибровочного механического напряжения и т.д.).

Магнитодиоды Принцип действия магнитодиодных датчиков основан на эффекте преобразования магнитных величин в полупроводниковой структуре с p-n переходом [89; 135].

Достоинства: технологичность производства.

Недостатки: отсутствие оси направленности; малая чувствительность;

большое энергопотребление; работа лишь в режиме индикатора наличия либо отсутствия внешнего B поля.

Магнитотранзисторы Магнитотранзисторами называются полупроводниковые элементы, конструктивные и рабочие параметры которых оптимизированы для получения максимальной чувствительности коллекторного тока к магнитному полю[7; 8; 73].

Достоинства: технологичность производства.

Недостатки: отсутствие оси направленности; малая чувствительность;

работа лишь в режиме индикатора наличия либо отсутствия внешнего поля B.

Магнитооптические преобразователи Принцип действия магнитооптических преобразователей основан на эффекте Фарадея. Магнитооптический эффект Фарадея заключается в том, что, при распространении линейно поляризованного света через вещество, находящееся в магнитном поле H, наблюдается поворот плоскости поляризации, магнитооптического материала [19; 43; 121; 128].

Достоинства: датчик не содержит металлических деталей – возможно его расположение вблизи источников электроэнергии большой мощности;

взрывопожаробезопасность при измерении больших токов; широкий частотный диапазон.

Недостатки: низкие чувствительность и точность; неопределенная диаграмма направленности; сложность считывания изображения угла как информационного сигнала; зависимость выходного сигнала датчика от температурных и механических воздействий; большие энергопотребление, габариты и вес датчика.

ЯМР магнитометры Принцип действия ЯМР магнитометров основан на зависимости от измеряемого постоянного магнитного поля резонансной частоты возбуждающего магнитного поля, на которой происходит резкое поглощение энергии возбуждения в объеме рабочего вещества [1; 69; 90; 128].

Преобразователи магнитного поля, основанные на ЯМР, подразделяются:

а) ЯМР с вынужденной ядерной прецессией;

б) ЯМР со свободной ядерной прецессией;

в) магнитометр с оптической накачкой.

Достоинства: высокая чувствительность; приемлемые габариты и вес магнитометра.

Недостатки: низкое быстродействие; большие габариты чувствительного элемента; ограниченный ресурс рабочего вещества датчика; невозможность определения направления и компонент магнитного воздействия; ограниченный температурный диапазон.

СВИД – прибор для измерения напряженности слабых магнитных полей, основу работы которого составляют: явление квантования магнитного потока в сверхпроводнике и эффект Джозефсона [4; 11]:

магнитометрических преобразователей; низкий уровень шумов.

Недостатки: специализированный тип приборов, представляющий собой стационарное лабораторное оборудование; специальные требования по температуре; большие габариты и вес; необходимость дополнительного экранирования измерительного объема; ограниченные размеры измерительного объема.

Индукционные преобразователи Индукционными называются преобразователи (ИндП), принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции. То есть в ИндП реализуется преобразование изменяющегося во времени магнитного потока в ЭДС. В общем случае ЭДС в витке провода, при изменении сцепляющегося с ним магнитного потока, равна [4; 90; 91; 128; 131]:

где e – ЭДС; Ф – сцепляющийся с витком магнитный поток.

Классическим представителем этого вида преобразователя является измерительная катушка (ИК). На рисунке 1.5 катушка 1, поперечного сечения s с обмоткой, имеющей w витков, помещена в магнитное поле и с ней сцепляется магнитный поток Ф. Тогда, полный магнитный поток равен:

где H – напряженность магнитного поля; – магнитная проницаемость среды; – угол между направлением вектора H и n нормалью к поверхности катушки.

Рисунок 1.5 – Схема, поясняющая принцип действия ИндП Примером технической реализации ИндП согласно рисунку 1.5 является магнитометр LEMI 120 (Львовский центр Института космических исследований).

Основные технические характеристики [120]:

– частотный диапазон: 0,0001† 1000 Гц;

– уровень шума при 100 Гц: 0,01 пТл / Гц ;

– чувствительность: 200 мВ / нТл;

– потребляемая мощность: 225 мВт;

– напряжение питания: ± 6 до ± 15 В;

– диапазон рабочих температур: от -10 ° C до 50 ° C;

– габариты – 85х1340 мм;

(многофункциональность); простота проектирования, расчета и эксплуатации;

широкий частотный диапазон измеряемых величин.

Недостатки: Чувствительность только к переменному магнитному полю;

наличие подвижных частей конструкции; большие габариты. Вместе с тем, микрокатушки современных и перспективных ИндП могут быть реализованы за счет использования интегральных технологий, в частности, тонкопленочных многослойных.

Из выражения (1.2) следует, что величина e есть функция многих аргументов, то есть формирование ЭДС как информационного сигнала можно осуществить изменением нескольких параметров, а именно: 1)cos; 2) H; 3) s; 4).

Преобразование по параметру cos реализуется в магнитоэлектрических веберметрах и тесламерах при помощи вращения ИК в измеряемом поле.

Простейшие тесламеры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают чувствительностью G ~ 10 нTл.

плоскопараллельных колебаний ИК, при которых она частично выходит из измеряемого магнитного поля. Чувствительность вибрационных магнитометров составляет G ~ (0,1†1) нTл.

Функция преобразования по аргументу s, осуществляемая путем изменения поперечного сечения катушки, не получила широкого практического применения.

Особо значимая функция преобразования основана на периодическом изменении магнитной проницаемости сердечника. Действующие по этому принципу датчики образуют отдельный класс магнитометров: феррозондовые преобразователи. Чувствительность ФЗ достигает G ~ 0,001 нТл. Датчики феррозондового типа отличаются широкими функциональными возможностями [4].

преобразователей выдвигает их на позиции наиболее совершенных и перспективных средств магнитометрии (таблица 1.3). Улучшению рабочих параметров ФЗ посвящена данная диссертационная работа.

Феррозондовые преобразователи Феррозонды были изобретены в начале 30-х годов ХХ века. Как средства измерений ФЗ были разработаны немецкими учеными Х. Ашенбренером и Г.

Губо [5]. Они разработали ФЗ с кольцевым МП, согласно рисунку 1.6.

В обмотку возбуждения подается ток iвозб частоты 500 Гц. С сигнальной обмотки (СО) снимается выходная ЭДС U2f частоты 1000 Гц, несущая информацию о компоненте вектора поля H0, лежащей в плоскости кольцевого сердечника и совпадающей с нормалью к плоскости витков измерительной обмотки. Схема выделения информационного U2f сигнала представляет собой резонансный LC фильтр, в котором L есть индуктивность СО. Применение данной элементарной схемы ограничивает возможности ФЗ как средства измерения и объясняется низким уровнем развития электроники в период изобретения ФЗ.

Сложность изготовления кольцевых ФЗ явилась стимулом изобретения стержневых измерительных структур феррозондов.

Феррозонд отечественного изобретателя П. А. Халилеева не является дифференциальным и содержит один сердечник и одну обмотку, выполняющую функции как возбуждения, так и измерительной (рисунок 1.7). В начале 40-х годов феррозондовые приборы Халилеева использовались для поиска железных руд. Схема выделения информационного сигнала, как и по рисунку 1.6, не является эффективной – ограничивает возможности ФЗ как средства измерения.

Позднее [6] Ф. Фстер предложил использовать стержневые сердечники взамен кольцевых в дифференциальных феррозондах (рисунок 1.8). Фрстер применил два идентичных стержневых сердечника, расположив на каждом из них не только обмотку переменного тока, но и измерительную. Созданный прибор содержит эффективные электронные устройства: ламповые генератор, усилитель, детектор, усилитель постоянного тока и регистратор, что позволяет более полно проявить возможность ДФЗ как средства измерений. Прибор был рекомендован, для измерения низкочастотных магнитных полей, в частности для регистрации короткопериодных вариаций магнитного поля Земли [5].

Рисунок 1.8 – Ламповый магнитометр со стержневым ДФЗ В 1944 г. группой сотрудников Горьковского физико-технического исследовательского института (Г.С. Горелик, И.Л. Берштейн, К.А. Горонина и И.С. Жукова) был предложен феррозонд с поперечным возбуждением. Феррозонд содержал стержневой (проволочный) сердечник, по которому пропускали достаточно сильный переменный ток; измерительная обмотка наматывалась вокруг сердечника. При наличии внешнего постоянного поля H0 в измерительной обмотке наводилась ЭДС второй гармоники. Авторы способствовали развитию теории феррозондов.

Американские инженеры под руководством В. Вакье, остановившись на схеме ДФЗ, разработали более совершенные электронные узлы, применили синхронное детектирование и реализовали компенсационный метод измерения как наиболее точный. Публикации об этих приборах появились лишь в конце 40-х годов.

Новый мощный толчок развитию феррозондовой техники был дан началом космических исследований. Он совпал с революцией в области электронного приборостроения, с переходом от вакуумных элементов к полупроводниковым, позволяющим во много раз уменьшить габариты, массу и энергопотребление приборов, повысить их функциональные возможности и надежность.

Уже на третьем советском спутнике (1958 г.) был установлен и успешно функционировал феррозондовый магнитометр, электронная часть которого была выполнена на транзисторах.

В 60-х годах в СССР и США были разработаны трехкомпонентные (неориентируемые) феррозондовые магнитометры для обнаружения и изучения магнитных полей Луны, Венеры, Марса, других планет и межпланетного пространства. Приборы подобного типа широко используются в практике космических исследований и в настоящее время.

Несмотря на сравнительную давность изобретения феррозондов, скольнибудь цельная и последовательная теория их, которую можно было бы положить в основу анализа, расчетов и проектирования феррозондовых приборов, появилась значительно позднее.

Значительный вклад в развитие теории феррозондов внесен советскими учеными.

Прежде всего следует указать на учение о намагниченности тел конечных размеров во внешнем поле, развитое еще задолго до изобретений феррозондов известным физиком В.К. Аркадьевым. Проведя четкое различие между магнитными проницаемостями вещества, формы и тела, В.К. Аркадьев записал математические выражения, которые стали исходными в теории феррозондов.

На основе этого учения М. А. Розенблат предложил и экспериментально проверил универсальное полуэмпирическое выражение для расчета проницаемости формы или коэффициентов размагничивания стержневых сердечников. Розенблатом даны также формулы для инженерного расчета стрежневых феррозондов.

Дальнейшему развитию параметрической теории феррозондов в нашей стране способствовали работы Ю.Ф. Пономарева, Л.Я. Мизюка, Р.Я. Беркмана [39].

В 1969 г. вышла монография Ю.В. Афанасьева «Феррозонды». Это была первая обобщающая работа, в которой последовательно излагались вопросы теории, проектирования и применения феррозондов. Особо подчеркивалась правомерность параметрической теории и е полезность для описания процессов преобразования магнитных величин в феррозондах различного типа, а также для изучения в них новых явлений и эффектов.

С 2000 г. по 2010 г. и в настоящее время феррозондовые приборы и измерительные технологии на основе феррозондов находятся в стадии интенсивного развития. Это связано с уплотнением и расширением мирового информационного пространства, с открытием новых областей применения наиболее совершенных магнитометрических датчиков.

Информационный сигнал феррозонда содержит данные о величине, линии и направлении действия вектора измеряемого магнитного поля. Закономерно, что феррозондовые приборы и методы составили основу векторной магнитометрии, сложившейся, в частности при изучении космического пространства.

Для решения задач пространственных векторных дистанционных измерений необходимы параметры феррозондовых датчиков, полученные на высшем уровне научных исследований (п.1.1 Глава 1). Векторные измерения феррозонд обеспечивает благодаря строгой функциональной зависимости уровня информационного сигнала от угла между вектором поля и собственной осью чувствительности. Точность угловых измерений при этом определяется прежде всего линейностью характеристики феррозонда в диапазоне измеряемых величин.

летательного аппарата на достоверность измерений решаются при помощи вспомогательных феррозондовых градиентомеров, устанавливаемых совместно с векторными магнитометрами на удлинительных штангах. Стабильность и точность измерительных схем в цепях ОВ и СО феррозондов обеспечивается современной аналоговой, цифровой и микропроцессорной электроникой.

Пример конструктивного исполнения феррозондового датчика для космических векторных магнитных измерений на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – ФЗ датчик для космических векторных магнитных измерений.

ОВ – обмотка возбуждения ФЗ; ОК – обмотка компенсации ФЗ; СО – Схема феррозондового космического векторного магнитометра на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – Схема феррозондового космического векторного магнитометра.

Feedback – обмотка компенсации ФЗ; primary – обмотка возбуждения ФЗ;

drive amplifier – усилитель возбуждения; filter – фильтр; frequency divider – делитель частоты; osc. – генератор возбуждения ФЗ; preamp – предварительный усилитель; amp – усилитель; demodulator – детектор; integrator – интегратор Свойства феррозондовых преобразователей Феррозондовый (ФЗ) преобразователь – устройство для измерения постоянных или медленно меняющихся магнитных полей, их компонент и градиентов. Принцип действия феррозондовых преобразователей основан на изменении магнитного состояния материала магнитопровода под воздействием двух магнитных полей: измеряемого и вспомогательного (возбуждения)[4; 128].

ФЗ является разновидностью индукционных преобразователей. Функция преобразования ФЗ основана на периодическом изменении магнитной проницаемости сердечника и в общем случае, определяется зависимостью [5]:

где e – ЭДС сигнальной обмотки; s – поперечное сечение магнитопровода;

w2 – количество витков сигнальной обмотки; д – дифференциальная магнитная проницаемость магнитопровода; H0 – измеряемое магнитное поле; t – время.

Преобразованием формулы (1.3) определяется зависимость ЭДС е от измеряемого поля H0 для дифференциального феррозонда (ДФЗ) является [5]:

где e – выходная ЭДС сигнальной обмотки; =2f, f – частота возбуждающего поля; H1 – амплитуда возбуждающего поля; b – коэффициент аппроксимации, зависящий от материала и формы магнитопровода; s – поперечное сечение магнитопровода; w2 – количество витков сигнальной обмотки; H0 – измеряемое магнитное поле; t – время.

По рисунку 1.11,в ДФЗ содержит два идентичных стержневых сердечника из магнитомягкого ферромагнетика и охватывающие их две катушки возбуждения, питаемые переменным током. Кроме обмоток возбуждения существует сигнальная обмотка, которая охватывает оба сердечника.

В ДФЗ обмотки возбуждения соединены таким образом, что протекающий в них переменный ток i создает в объеме сердечников поля H1, равные по величине, но противоположные по направлению. В отсутствие измеряемого магнитного поля, сердечник, под действием переменного магнитного поля, создаваемого током i в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Если на сердечник действует измеряемое постоянное или слабо меняющееся переменное магнитное поле, то кривая перемагничивания изменяет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС индукции в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармоники, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.

Рисунок 1.11– Измерительные структуры феррозондовых преобразователей.

ОВ – обмотка возбуждения ФЗ; СО – сигнальная обмотка ФЗ; H0 – измеряемое магнитное поле; H1 – поле возбуждения ФЗ.

а) одностержневой ФЗ; б) одностержевой дифференциальный ФЗ;

в) двухстержневой дифференциальный ФЗ; г) кольцевой дифференциальный ФЗ Примером технической реализации ДФЗ является преобразователь НВ0391.5-35 (ООО "НПО ЭНТ", Россия).

Основные технические характеристики [44]:

– предел измерения: ± 100 мкТл;

– порог чувствительности: 0,5 нТл;

– нелинейность: 1,0 %;

– уровень шума при fВ =1 Гц: 0,018 нТл / Гц ;

– диапазон рабочих температур: от -55 ° C до 120 ° C;

– габариты: 11,8 x 35 мм.

совокупность функциональных возможностей: измерения направления, частоты, модуля и градиента магнитного поля; большой динамический диапазон;

чувствительности – возможность построения многокомпонентных датчиков;

надежность; механическая прочность; низкое энергопотребление; широкий диапазон рабочих температур.

изготовления; сложность настройки измерительных схем.

Таблица 1.3. Сравнительный анализ магнитометрических датчиков.

0,01†1,0 нТл 80 дБ маг. полей маг. полей кГц Диаграмма направленности Диапазон рабочих -50 † +200 С Малое энергопотребление Технологичность изготовления 1.3. Основные направления совершенствования феррозондовых В настоящее время разработку, внедрение и коммерческое использование ФЗ датчиков осуществляют множество государственных предприятий, корпораций и частных фирм. Передовые разработки ФЗ датчиков и ЧЭ ФЗ принадлежат фирмам: Samsung Electronics CO., LTD; Siemens AG; Bartington Instruments; Magson GmbH; Wuntronic GmbH; Autonnic; ООО "НПО ЭНТ"; Applied Physics Systems; Institute Dr. Forster; Ebinger GmbH; Vallon; Schontedt Instrument Co.; Laboratory of Electromagnetic Innovations (LEMI); Furuno Electric CO., LTD и др.[44; 96; 97; 120; 122; 133].

По совокупности научно-технических достижений, ФЗ датчики и ФЗ ЧЭ характеризуются следующими параметрами:

– порог чувствительности: 0,01 нТл;

– чувствительность: 0,056 мВ/нТл;

– частотный диапазон: 0 † 20 МГц; известны результаты исследований [103] получения информационного сигнала ДФЗ на частотах fвозб 700 МГц;

– потребляемая мощность: 1 мВт [103];

– предел измерения: ±80 мкТл;

– нелинейность: 0,1%;

– уровень шума при f =1 Гц: 6 пТл / Гц ; f =2 кГц: 0,001 пТл / Гц [110];

– диапазон рабочих температур: от -55 ° C до +215 ° C [109] ;

– габариты: 1,7 мм 0,6 мм [103].

Не смотря на высокий уровень представленных характеристик остаются общие направления совершенствования феррозондовых преобразователей:

а) миниатюризация;

б) технологичность производства;

в) снижение энергопотребления;

г) снижение стоимости.

1.4. Постановка задач исследований Проведенный в 1.2 анализ современных средств и методов магнитометрии и исследований по научному обоснованию новых и совершенствованию существующих методов и средств изготовления и контроля магнитометрических преобразователей феррозондового типа:

1. Произвести анализ существующих методов и средств изготовления ММС для прецизионных магнитометрических датчиков, в частности ФЗ типа.

2. Разработать математическую модель связи информационного сигнала дифференциальных феррозондов с параметрами электромагнитной системы как стержневого, так и замкнутого типов.

тонкопленочных аморфных сплавов по ограниченному ряду их геометрических параметров.

4. Разработать способ изготовления и контроля ММС из тонкопленочных аморфных сплавов с применением технологии электроэрозионной резки, сохраняющей магнитные свойства исходного материала результатов с экспериментальными, а также с результатами практического, в частности, производственного применения научных положений диссертации.

ВЫВОДЫ

Сравнительный анализ методов и средств магнитометрии показал, что феррозондовые преобразователи обладают совокупностью позитивных свойств, которая другим магнитометрическим датчиками не принадлежит. Поэтому существуют задачи расширения областей применения ФЗ и создания на их основе прогрессивных измерительных технологий. Следовательно, необходимо научное обоснование новых и совершенствование существующих методов и средств изготовления и контроля преобразователей феррозондового типа, в частности магнитопроводов как основополагающих элементов их измерительных структур.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА

ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИСТЕМ

ФЕРРОЗОНДОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2.1. Разработка математической модели феррозондового функциональную связь информационного сигнала с измеряемыми магнитными величинами. Основными аргументами при этом являются параметры магнитной системы ДФЗ. Поэтому для достижения цели диссертации необходима научная разработка методов и средств изготовления и контроля МП из АмС, как основы измерительных структур ДФЗ, вне зависимости от их типа: стержневых;

кольцевых; сложной формы.

Постановка задачи: разработать математическую модель связи ЭДС сигнальной обмотки, как основного информативного параметра феррозонда, с уровнем измеряемого H0 магнитного воздействия и базовыми характеристиками В ; HS; ВS материала магнитопровода ФЗ как стержневого, так и замкнутого типов.

В настоящее время решению этой задачи посвящены работы, являющиеся классическими в плане построения теории феррозондовых датчиков. Авторами данных работ являются: Ю.В. Афанасьев, М.А. Розенблат, Л.Я. Мизюк. [6; 39;

65].

Так в работах [39; 65], с использованием графо-аналитического метода исследований МП, выведена формула связи информативного е параметра ДФЗ с измеряемым H0 :

где e2f – ЭДС информационного сигнала ДФЗ; =2f, f – частота возбуждающего поля; H1 – амплитуда возбуждающего поля; Т=f{0; M; N}– магнитная проницаемость тела, M – магнитная проницаемость материала, N – обобщенный конструктивный коэффициент; – поперечное сечение магнитопровода; w2 – количество витков сигнальной обмотки; H0 – измеряемое магнитное поле; HS – напряженность насыщения магнитопровода; t – время.

В работе [5] выведена аналогичная (2.1) зависимость информативного параметра e от измеряемого H0:

где e – выходная ЭДС сигнальной обмотки как совокупность четных гармоник частоты f возбуждения; =2f; f – частота возбуждающего поля; H1 – амплитуда возбуждающего поля; b – коэффициент аппроксимации, зависящий от материала и формы магнитопровода; s – поперечное сечение магнитопровода; w – количество витков сигнальной обмотки; H0 – измеряемое магнитное поле; t – время.

Анализ (2.1), (2.2) позволяет сделать следующие заключения:

Следствие 1: формула (2.1) представляет собой сложную функциональную зависимость e от измеряемого H0, что затрудняет определение параметров диаграммы направленности ДФЗ и его основополагающих метрологических характеристик.

Следствие 2: в правой части формулы 2.2 содержатся константа и обобщенный b коэффициент, характеризующие работу стержневых ДФЗ с двумя параллельными сердечниками как по рисунку 1.18,в.

Следствие 3: в правой части формулы 2.2 не содержатся в явном виде аргументы отражающие B, HS, BS – базовые характеристики исходного материала МП ДФЗ.

Следствие 4: при заданных характеристиках стержневого ДФЗ формула 2.2, в отличие от 2.1, представляет собой прямую K = const функциональную зависимость основного е информативного параметра ДФЗ от H0 измеряемой величины:

где e – выходная ЭДС сигнальной обмотки; k – постоянная феррозонда; H0 – измеряемое магнитное поле.

В работе [33] дана формула связи е=f(H0) в виде:

где e – выходная ЭДС сигнальной обмотки; k – постоянная феррозонда;

=2f; f – частота возбуждающего поля; – угол между вектором H0 и осью чувствительности феррозонда; H0 – измеряемое магнитное поле; t – время.

В (2.4) аргумент sin2t, подобно (2.1), (2.2), характеризует параметры сигнала возбуждения ДФЗ. В реальных схемах магнитометров, ДФЗ работают на строго фиксированных: частоте fвозб = const и А амплитуде, что в (2.4) превращает Аsin2t при А=1 в sin2t детерминированную функцию. При заданных и А данная функция выражается действующим за период числовым const значением:

коэффициента К, подобно (2.3). Тогда формула (2.4) принимает вид:

Аргумент cos в (2.5) раскрывает важнейшее свойство феррозондовых датчиков – наличие симметричной двулепестковой диаграммы направленности (рисунок 2.7,а). При H0=const по модулю и направлению, эволюции ОЧ ДФЗ вокруг H0 в диапазоне углов =(0†360)0 полностью определяются уровнем и знаком е информационного сигнала.

Однако при метрологической аттестации ДФЗ аргумент cos вносит неопределенность функции е, частности, в случае действия (рисунок 2.7,а) вектора H0 ортогонально ОЧ: =900, =2700, то есть – принадлежности H плоскости экваториального сечения ДФЗ [14]. Для исключения неопределенности при метрологической аттестации ДФЗ задают =const, то есть ориентируют ОЧ по вектору H0, что позволяет включить аргумент cos=const в состав коэффициента К и привести (2.4) к форме (2.3).

Следствие 5: по (2.5) для исследуемого ДФЗ при = 0 0 и = 1800 равенство e(=0)=e(=180) направленности ДФЗ.

Следствия 1-5 определяют общие требования к математической модели ДФЗ:

1. Прямая зависимость информативного параметра ДФЗ от измеряемой величины e=kH0.

2. Исключение взаимовлияющих аргументов таких как H1 и Hs в (2.1).

3. Представление обобщенного коэффициента «К – постоянная феррозонда»

в виде независимых К1К2К3 сомножителей, характеризующих:

К1 – коэффициент, определяющийся типом ДФЗ: стержневой; кольцевой;

сложной формы.

К2 – коэффициент, определяющийся геометрическими параметрами ДФЗ.

К3 – коэффициент, определяющийся электромагнитными параметрами ДФЗ.

Таким образом, согласно следствиям 1-5, требованиям, соответствующим постановке задач диссертации, отвечает математическая модель (2.6), полученная на основе представленного графо-аналитического метода исследования МП ДФЗ:

определяющийся типом ДФЗ; К2 < 1 – коэффициент, определяющийся геометрическими параметрами ДФЗ; К3 < 1 – коэффициент, определяющийся электромагнитными параметрами ДФЗ, уменьшающий угол наклона M до M* по рисунку 2.4,а. Диапазон изменения К3= M* / M составляет 0†1. Параметры 0, w2, S, HS являются общими для методик представленных в [6; 39; 65].

К1 является эмпирическим коэффициентом, наиболее полное его значение обосновано и представлено в [5]. К1 изменяется в диапазоне 0,5†0,87.

Максимальное значение К1 характеризует ФЗ кольцевого типа.

К2 является конструктивным коэффициентом и вычисляется для ФЗ при определенных на этапе проектирования геометрических параметрах.

Функциональная зависимость К2 от определяющих аргументов имеет вид К2=f{d/l; r; dпр}, где d – внутренний диаметр обмотки, l – длина обмотки, r – расстояние между полуэлементами ДФЗ, dпр – диаметр провода обмоток [5].

Основными аргументами определяющими значение К 3 являются параметры магнитопровода ФЗ M; iвозб (HS); BS. Согласно графо-аналитическому методу приведенному в п. 2.2 диссертации, К 3 вычисляется как отношение магнитной проницаемости сертифицированного магнитного материала МП к магнитной проницаемости сердечника, параметры которого определяются по методике метрологических исследований (Глава 2 п.2.5).

По разработанной (п 2.5.) методике метрологических исследований ДФЗ было определено влияние параметров электромагнитной системы на уровень информационного сигнала. Тем самым была осуществлена проверка адекватности математической модели (2.6) ДФЗ по аргументам: *; S (таблицы 2.1, 2.2.).

По таблицам 2.1, 2.2 на рисунке 2.1 (а) для (2.6) определен характер зависимости информационного сигнала U2f от площади S сечения группы сердечников с идентичным M. График согласуется с теоретическими результатами 2.9 – 2.19, полученными в п.2.3 диссертации.

По рисунку 2.1(б) определено соотношение 1* > 2* для МП ДФЗ с одинаковыми геометрическими параметрами. Данное неравенство определяет закономерное различие уровней iвозб (Нвозб) для получения равных по уровню информационных сигналов U2f аттестационного ДФЗ (п.2.5). Таким образом, результаты измерений, проведенных по разработанной методике (Глава 2 п. 2.5) подтверждают адекватность математической модели (2.6).

Рисунок 2.1 – Результаты измерений для исследования адекватности 2.2. Графо-аналитиечский метод исследования магнитопроводов феррозондовых преобразователей Феррозондовые датчики относятся к классу магнитомодуляционных преобразователей, принцип действия которых в основном определяется свойствами их магнитных систем [39; 65]. Магнитопроводы (МП) феррозондов подразделяются на стержневые, кольцевые, сложной формы. Вне зависимости от типа МП, основополагающими магнитными параметрами, определяющими функциональные и метрологические характеристики ФЗ являются: высокая магнитная проницаемость исходного материала µМ105 ; малый уровень поля перемагничивания Hs5 А/м; малый уровень коэрцитивной силы Hc0,2 А/м;

перемагничивания f1 МГц [6]. Данным техническим требованиям в полной мере ферромагнитных аморфных сплавов [18].

Эксплуатационные характеристики сердечников ФЗ зависят не только от параметров исходного материала, но определяются также геометрическими размерами МП. Из многообразия размеров и форм магнитопроводов следует необходимость разработки общей методики анализа их магнитных характеристик разрабатываемой в данной диссертации математической модели составляет графо-аналитический метод, традиционно применяемый [6; 39; 65] для исследования и интерпретации свойств ферромагнитных сердечников, исходя из симметричном двуполярном перемагничивании МП.

Целью применения в диссертации графо-аналитического метода было информационного сигнала ДФЗ уровня измеряемого магнитного воздействия H0.

На рисунке 2.2 (а) получен информационный сигнал ДФЗ в виде e1+e совокупности ЭДС его полуэлементов. Параметры МП заданы параметрами его петли гистерезиса: мп ; Hs; Bs. Для реализации методики был применен пакет Matlab. В данном пакете для решения поставленной задачи был разработан следующий алгоритм:

1. Вводится математическое выражение выбранной аппроксимационной петли гистерезиса материала магнитопровода ДФЗ.

2. Согласно п.1 программа графически отображает форму петли гистерезиса - основного элемента преобразования магнитных воздействий на ДФЗ.

3. Вводятся параметры поля возбуждения Hвозб.

4. Вводится величина измеряемого поля H0.

5. Программа посредством петли гистерезиса отображает введенные параметры в виде изменения формы графиков индукции B1, B2 в каждом из полуэлементов ДФЗ.

6. Программа преобразует изменения по п. 5 в суммарный сигнал полуэлементов ДФЗ (е1+е2).

Разработанный алгоритм позволяет графо-аналитическим методом оценивать адекватность разработанной математической модели ДФЗ, как результат сравнения форм (е1+е2) полученных теоретически с формами ЭДС полученных экспериментально.

По рисунку 2.2(а) выявлено несоответствие теоретической формы сигнала (e1+e2) ДФЗ экспериментальной (рисунок 2.3,б), полученного с МП из АмС. Это нашло объяснение в различии параметров аппроксимационной «широкой» петли гистерезиса (ПГ) и параметров ; Hs; Bs материала АмС.

С целью устранения выявленного несоответствия, «широкая» ПГ по рисунку 2.2 (а) была заменена кривой перемагничивания (КП). В [6] приведена совокупность формул аппроксимации КП, наиболее полно отражающих особенности магнитных свойств МП.

универсальная – отражающая общие свойства МП, согласно формуле:

индукция насыщения МП.

Рисунок 2.2 – Графо-аналитический метод определения параметров С применением рассматриваемого графоаналитического метода формула (2.7) и рисунок.2.2,(а) позволяют построить в пакете Matlab на рисунке.2.3,(в) теоретическую форму информационного сигнала ДФЗ [13].

Методика позволяет выявить несоответствия формы аппроксимационной кривой (рисунок 2.3,а) числовым характеристикам аморфных сплавов, в дифференциальная магнитная проницаемость материала МП; сложность численного определения основополагающих для ФЗ параметров +Hs ; -Hs.

Данные несоответствия приводят к некоторым отклонениям построенной на рисунке.2.3,в графической формы информационного e сигнала от осциллограммы реального ДФЗ по рисунку.2.3,б, что является признаком различий их спектрального состава. Кроме того, нелинейность КП, с необходимостью использования Д=var – дифференциальной магнитной проницаемости, затрудняет решение задач по определению влияния параметров МП на функциональные характеристики ФЗ.

Рисунок 2.3 – Экспериментальная (б) и теоретическая (в) формы дифференциальных ФЗ при нелинейной (а) аппроксимации КП На рисунках 2.2 (б), 2.4 (а) представлена форма КП, полученная методом кусочно-линейной аппроксимации, определяемая аналитически как:

B BS H HS

где М = const – магнитная проницаемость материала МП.

Данная форма КП, в отличие от нелинейной по рисунку 2.3,а позволяет в диапазоне перемагничивания (+HS)†(-HS), с учетом M = const, однозначно определять для МП, с заданными числовыми параметрами исходного материала M ; HS ; ВS, зависимости эксплуатационных характеристик ФЗ от типа и размеров МП. Так например, по рисунку 2.1,а уменьшение площади сечения МП, при прочих неизменных электромагнитных параметрах ФЗ, приводит к уменьшению Bs исходного магнитного материала МП до уровня Bs*(Таблица 2.1).

Эта тенденция однозначно интерпретируется как изменение угла М* b; а, b – ширина сердечника на противоположных его краях; l – длина сердечника; Фц – магнитный поток в центральном х=0 сечении сердечника; H – однородное магнитное поле Для сердечника прямоугольной а=b формы S(x) равна площади центрального х = 0 сечения сердечника Sц : S(x) = Sц. Тогда при х=0; Фх = const:

Для сердечника трапецеидальной формы ab площадь поперечного сечения зависит от координаты х :

где – толщина ПМП сердечника; a>b соотношение размеров сердечника, согласно рисунку 2.7, б.

С учетом формул (2.10) и (2.12) :

В общем случае ab и Sц в (2.13) определяется:

Подставляя (2.14) в (2.13) получаем:

Характер распределения магнитных параметров, согласно формулам (2.11), (2.15) представлен на рисунке 2.7.

Полученные в (2.10) – (2.15) функциональные зависимости позволяют определяется:

Из (2.16) определяются средние магнитные потоки полуэлементов Ф ср1 и Фср2 :

Из формул (2.18) и (2.19) следует, что равенство магнитных потоков Ф ср1 = Фср2 обеспечивающее баланс дифференциального ФЗ, выполняется в ДСФ с сердечниками прямоугольной формы а=b (рисунок 2.7).

Методика проведения и результаты экспериментальных исследований по определению адекватности математических моделей 2.15 – 2.19 приведены в главе 3.

С целью определения адекватности математических моделей (2.15), (2.18), (2.19) полученных для ПМП трапецеидальной формы, были проведены экспериментальные исследования распределения магнитных параметров по длине l=40 мм тонкопленочных =30 мкм сердечников с заданными а=2 мм, b=0,1 мм.

Исследования проводились двумя независимыми методами: феррозондовым и измерения индуктивности.

Рисунок 2.8 – Результаты измерений магнитных параметров сердечников.

а) феррозондовый метод; б) метод измерения индуктивности.

Рисунок 2.9 – Диаграммы направленности ДСФ с трапецеидальным сердечником.

С, Ю, З, В – географические координаты; H – вектор магнитного поля Земли; U2f – информационный сигнал ФЗ; UС2f – U2f при ОЧ ФЗ || H ; – угол между ОЧ ФЗ и H ; а) диаграмма при а=b по рисунку 2.6,а – основная линия;

диаграмма «идеального» ДСФ – пунктир; б) диаграмма при а>b по рисунку 2.6,б – основная линия; диаграмма «идеального» ДСФ – пунктир Графики (рисунок 2.8) свидетельствуют о сходимости результатов соответствие данных эксперимента – теоретическим.

Заключительный этап экспериментальных исследований (рисунок 2.9) был неравномерности а>b сердечника по его длине l на диаграмму направленности одностержневого ДСФ конструкции по рисунку 2.6,б в однородном магнитном поле Земли H.

Результаты исследований в п.2.3 определяют следующие заключения:

1. С учетом однородности исходного материала, для идентификации магнитных параметров стержневых ПМП сердечников справедливо представлять их в виде плоской трапецеидальной фигуры (рисунок 2.7) с определенными a,b,l – параметрами.

2. Распределение магнитных свойств по l – длине трапецеидального стержневого сердечника относительно его центра адекватно представляется математической моделью, содержащей геометрические параметры полуэлементов 3. При использовании ПМП сердечников трапецеидальной a,b,l – формы (рисунок 2.7), условием баланса одностержневого ДСФ (рисунок 2.6,б), направленности (рисунок 2.9,а) является равенство сторон трапеции а=b.

преобразователей из тонкопленочных аморфных сплавов Основу феррозондовых датчиков составляют сердечники из магнитомягких материалов, помещаемые внутрь обмоток: сигнальной и возбуждения. В настоящее время традиционно применяемые в качестве материалов сердечников пермаллои вытесняются аморфными сплавами [2], обеспечивающими лучшие метрологические и эксплуатационные характеристики феррозондов. Аморфные сплавы производятся в виде лент толщиной 32±6 мкм и шириной 5†60 мм.

Ширина изготавливаемых магниточувствительных сердечников 0,2†2,5 мм является расчетной величиной, так как определяет параметры возбуждения и чувствительность ФЗ. Соотношение ширины и толщины сердечника представляет его как тонкопленочную структуру, поэтому ФЗ с такими сердечниками относятся к магнитометрическим датчикам с плоскими магнитными пленками (ПМП)[48;

49].

Постановка задачи: разработать для малогабаритных ДФЗ технологию изготовления ПМП сердечников из АмС, не нарушающую магнитные свойства исходного материала.

При изготовлении ФЗ с ПМП, в частности дифференциального типа, существует проблема точности обеспечения заданной ширины сердечника и е равномерности на длине до 60 мм. Решение проблемы осложняется тем, что сплавы ПМП характеризуются высокой степенью прочности и твердости порядка 10 ГПа.

Известны следующие 5 способов изготовления сердечников из аморфных гидроабразивная резка.

ферромагнитные свойства ПМП. Кроме того, данные методы дают большую шероховатость кромки сердечника по его длине: 17†40 мкм. Это приводит к ухудшению метрологических характеристик ФЗ, а также к разбросу параметров сердечников, что затрудняет их идентификацию в пределах выпускаемой партии.

Недостатком механических методов обработки является также образование заусенцев на кромке ПМП, что требует дополнительных технологических операций по их удалению.

Лазерная резка лент из АмС обеспечивает наименьшую шероховатость кромки сердечника, порядка 15 мкм. Однако, вследствие температурного воздействия на ПМП в процессе резки образуется бордюр [107], магнитные свойства которого отличаются от свойств ленты из АмС. Кроме того, для изготовленных сердечников требуется дополнительная технологическая операция – отжиг при температуре 450 оС [26]. Приведенные недостатки определяют метод лазерной резки как неприемлемый для изготовления МП из АмС.

При химическом травлении лент из АмС, по кромке образуется бордюр из материала не обладающего магнитными свойствами заготовки, который представляет собой сложное химическое соединение окислов компонентов АмС.

Метод гидроабразивной резки обеспечивает температурную стабильность (60-90 0С) режима обработки АмС. Метод разработан как альтернативный неприемлемым для изготовления МП из АмС: лазерному, механической резке, штамповке.

Недостатки метода: низкие равномерность и чистота обработки кромки АмС; механическое воздействие на тонкую пленку АмС при изготовлении МП.

Затруднительно выполнение МП сложных криволинейных форм.

Следовательно, представленные методы обработки АмС не обеспечивают требуемого качества изготовления МП, в особенности для ДФЗ малых габаритов.

Известен метод электроэрозионной обработки материалов, основу которого составляет искровой разряд, направленное воздействие которого на обрабатываемый образец сосредоточено в объемах, соизмеримых с его микроструктурой [41].

Решение задачи диссертационных исследований заключалось в разработке технологии изготовления магниточувствительных ПМП-сердечников для феррозондовых датчиков методом электроэрозионной резки с сохранением сертифицированных магнитных свойств аморфных сплавов ПМП.

Электроэрозионная обработка основана на выбивании частиц материала заготовки с е поверхности энергией направленного искрового разряда [41].

Режимы обработки задаются уровнем электрического напряжения и расстоянием между электродами, а также свойствами жидкого диэлектрика, в который данные электроды погружены. При сближении электродов, одним из которых является обрабатываемая заготовка, происходит пробой диэлектрика – возникает искровой разряд, канал которого является направляющим и сосредоточивающим электроэнергию источника питания. Длительность процесса выбивания частиц заготовки с е поверхности не превышает 0,01с, поэтому выделяющееся тепло не успевает проникнуть вглубь материала. Кроме того, нагреванию заготовки выше температуры окружающей среды препятствует достаточно большой объем жидкого диэлектрика.

Таким образом, метод электроэрозионной обработки обеспечивает высокое качество обрабатываемых поверхностей токопроводящих твердых образцов и сложных изделий при отсутствии механических и температурных воздействий на материал заготовки.

Для решения поставленной задачи был разработан способ изготовления ПМП сердечников из АмС методом электроэрозионной резки [15] (таблица 2.3).

Исследования результатов применения разработанной технологии представлены в главе 3.

Результаты исследований в п.2.4 определяют следующие заключения:

1. Разработанный способ изготовления исключает механическое воздействие инструмента на изготавливаемый МП.

2. Разработанный способ изготовления исключает температурное воздействие на изготавливаемый МП.

3. Разработанная технология исключает модификацию состава и структуры исходного магнитного материала, в частности – образование расплава.

4. Обеспечивается требуемая точность и чистота обработки поверхностей изготавливаемого МП.

5. Обеспечивается возможность изготовления МП разнообразных форм, в частности – замкнутого типа.

Таблица 2.3. Технология изготовления магнитопроводов ДФЗ из АмС Подготовка исходного материала Оборудование предварительной формовки Отрезать заготовку длиной l = 70 ± мм, шириной 10± мм.

Специальная электропроводящая струбцина Специальная электропроводящая струбцина Подготовка электроэрозионного станка Электроэрозионный проволочно-вырезной 11 станок А207.86 –М О 12 1. Установить режущий электрод (струна) d=0.25 мм 2. Механически и электрически соединить струбцину с 3. Залить в ванну жидкий диэлектрик (воду) 4. Запрограммировать электроэрозионный станок по АБВГ.ХХХХХХ.ХХ 5. Установить силу тока режущего электрода 6. Установить скорость движения режущего электрода 9. Изъять из ванны с жидким диэлектриком 20 сердечников АБВГ.ХХХХХХ.ХХ 2.5. Методика контроля и идентификации параметров магнитопроводов из тонкопленочных аморфных сплавов С целью технического использования теоретических научных положений диссертации разработана методика контроля сердечников из аморфных сплавов для ДФЗ, не нарушающая магнитные свойства исходного материала.

Настоящая методика разработана на основе ГОСТ 29004-91, ГОСТ 28997- предназначенных для изготовления и сертификации магнитных сердечников применяемых в трансформаторах и катушках индуктивности. В настоящих стандартах приводится перечень методик, используемых при сертификации сердечников для катушек индуктивности и трансформаторов, применяемых в электронной аппаратуре, а также для испытаний и методов измерений, которые могут быть выбраны для составления групповых ТУ на эти изделия.

феррозондовых преобразователей является быстрозакаленная лента из магнитомягких аморфных сплавов (ТУ 14-123-149-2009).

Лента исходного материала имеет следующие характеристики: толщина мкм, ширина 3 † 60 мм.

Лента исходного материала выпускается предприятием-изготовителем смотанная в рулоны на пластмассовых кольцах с внутренним диаметром 28±1 мм.

Каждая партия ленты сопровождается сертификатом качества.

2. Лента исходного материала разрезается механическим способом на гильотине на заготовки длиной 70±1 мм, и шириной 10±1 мм.

3. На основе визуального контроля производится сортировка по группам из 20 заготовок соответствующих размеров и качества.

4. Группа из 20 отсортированных заготовок зажимается в специальной электропроводящей струбцине.

электроэрозионного проволочно-вырезного станка А207.86-М2.

6. Производят установку режущего электрода – струны требуемого типа (латунная, молибденовая, медная) и диаметра (от 0,025 до 0,3 мм).

7. Механически и электрически соединяют струбцину с электроэрозионным станком.

8. Заливают в ванну жидкий диэлектрик (воду).

соответствии с требуемыми параметрами:

- габаритные размеры магнитопровода (длина, ширина);

- скорость движения режущего инструмента.

10. По заданной программе выполняют операцию резки магнитопроводов.

магнитопроводов.

12. Качество обработки кромки на наличие заусенцев, трещин и других дефектов проверяют с использованием оптического микроскопа.

13. Контроль качества с целью сертификации производится на сердечниках одинакового наименования, типоразмера и материала.

характеристики сердечников с помощью испытательных стендов:

а) стенд определения характеристик сердечника методом измерения индуктивности;

б) стенд для определения характеристик сердечника феррозондовым методом по информативному параметру U2f (рисунок 2.10,а);

в) стенд для определения характеристик сердечника феррозондовым методом по спектральному составу выходного сигнала СО ДФЗ (рисунок 2.10,б).

15. При измерении индуктивности или другого параметра сердечника, связанного с индуктивностью, следует принять во внимание меры предосторожности, изложенные в разделе 4 ГОСТ 29004-91.

16. При измерении индуктивности применяют измерительную катушку, обеспечивающую необходимое взаимодействие между магнитным материалом и е витками. При измерении параметров (L, ) сердечника, форма измерительной катушки должна соответствовать форме катушек, обычно используемых с данным сердечником (форма соленоида), и влияние е формы на величину измеряемой индуктивности должно быть незначительным. Катушка должна иметь метку, для определения е положения. Следует сохранять заданное положение катушки до конца измерений для обеспечения максимальной повторяемости результатов.

17. Измерение индуктивности выполняется с помощью RLC–метра.

Значение магнитной проницаемости M*определяют по формуле [39]:

где M* – магнитная проницаемость катушки; LМП – индуктивность катушки с магнитопроводом; L0 – индуктивность катушки без магнитопровода.

18. При контроле качества с целью сертификации сердечников по рисунку 2.8. генератор G переменного тока устанавливают на заданную частоту fвозб и регулируют ток при помощи R1* до получения требуемого амплитудного значения U2f при Hm=Hs [5]. При этом Hm определяется как функция тока Iвозб и электромагнитных параметров обмотки возбуждения (соленоида).

По полученным данным определяют индукцию в сердечнике [23]:

где Iвозб – ток возбуждения, RОВ – сопротивление обмотки возбуждения ДФЗ