Устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных материалах

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных материалах, содержащее сердечник, намагничивающую катушку, охватывающую этот сердечник, коксиально с ней расположенную немагнитную цилиндрическую подложку, на которой размещен хотя бы один магниточувствительный преобразователь накладного типа, содержащий пару контактных площадок для подведения электрических проводов и включающий Г-образный магнитопровод, контактирующий с ферромагнитным объектом измерений, и магниточувствительный элемент, выполненный в форме круга, а также электрическую схему питания указанного магниточувствительного преобразователя и регистрации его выходного сигнала,отличающееся тем, что указанные сердечник, катушка, цилиндрическая подложка с магниточувствительным преобразователем выполнены как единое целое с возможностью поворота в диапазоне углов от 0 до 360 угловых градусов в плоскости контролируемого объекта с электронными датчиками любого типа для определения упомянутого угла поворота, Фиг. 1 102972014.08.30 а указанный магниточувствительный элемент выполнен на основе полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой, частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного поля, превышающей 30 мТл, но менее 1000 мТл, который размещен в специально выполненном узком воздушном зазоре соответствующего Г-образного магнитопровода, причем магниточувствительный элемент электрически соединен через частотный и аналогоцифровой преобразователи с микропроцессором, а плюс схемы питания источника постоянного напряжения подключен к -области полупроводниковой структуры.(56) 1. А.с. СССР 1821725, МПК 01 27/72, 1993 (прототип). 2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. ил. (Серия Учебник) Электронная версия. - С. 87. 3. А.с. СССР 1739402, МПК 0129/06, 1992. Предлагаемая полезная модель относится к приборостроению, предназначена для измерения анизотропии свойств ферромагнитных материалов и может быть использована в электротехнической и металлургической промышленности для контроля качества электротехнической стали неразрушающим методом, например для определения механических напряжений в сталях. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик для измерения анизотропии 1 (прототип), который содержит сердечник, намагничивающую катушку, коксиально с ней расположенную немагнитную цилиндрическую подложку, на которой размещенотонкопленочных Г-образных магниточувствительных преобразователей из магнитомягкого материала (магнитоповодов), расположенных радиально по окружности, накладного типа, причем каждый из которых содержит по две пары контактных площадок для подведения токовых и сигнальных проводов соответственно. Часть пленочной ветви магнитопровода в форме круга представляет собой чувствительный к магнитному полю элемент, функционирующий на планарном эффекте Холла. По проводам подмагничивающей катушки пропускают заданный ток, а через каждый планарный элемент Холла, имеющий токовые контакты, пропускается постоянный ток величины 100-200 мА и снимается с сигнальных проводов ЭДС, пропорциональная величине индукции магнитного поля в каждом тонкопленочном элементе. Все ЭДС подаются на масштабирующий усилитель, коэффициенты усиления которого подобраны так, что выходные сигналы равны между собой для случая измерения изотропного материала контролируемого материала (ферромагнитного объекта). В случае магнитной анизотропии магнитные потоки, проходящие по ветвям магнитопровода, изменяются, что и фиксируется каждым тонкопленочным преобразователем. Число преобразователей выбрано из условий 36360. Это техническое решение 1 имеет ряд недостатков. Низкая точность измерения анизотропии на маленьких или локальных участках ферромагнитного объекта обуславливается дискретным числом преобразователей 36360, а следовательно, и точек измерений. Чувствительный к магнитному полю элемент, функционирующий на планарном эффекте Холла, имеет сравнительно небольшую чувствительность, что требует использования прецизионной усилительной аппаратуры. Кроме того, к каждому планарному элементу Холла подводятся по две пары проводов, что усложняет конструкцию в целом и создает условия для наведения электромагнитных помех, т.е. датчик имеет слабую помехоустойчивость к электромагнитным полям. Планарный элемент Холла, выполненный тонкопленочным из магнитомягкого материала, обладает магнитным гистерезисом, который также снижает точность измерений. 2 102972014.08.30 Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности измерения за счет выполнения непрерывности измерений по крайней мере одним преобразователем, т.е. без использования в конструкции большого числа дискретных идентичных преобразователей, а также увеличение помехоустойчивости к электромагнитным полям. Устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных материалах содержит сердечник, намагничивающую катушку, охватывающую этот сердечник, коксиально с ней расположенную немагнитную цилиндрическую подложку, на которой размещен хотя бы один магниточувствительный преобразователь накладного типа, содержащий пару контактных площадок для подведения электрических проводов и включающий Г-образный магнитопровод, контактирующий с ферромагнитным объектом измерений, и магниточувствительный элемент, выполненный в форме круга, а также электрическую схему питания указанного магниточувствительного преобразователя и регистрации его выходного сигнала. Оно отличается тем, что указанные сердечник, катушка, цилиндрическая подложка с магниточувствительным преобразователем выполнены как единое целое с возможностью поворота в диапазоне углов от 0 до 360 угловых градусов в плоскости контролируемого объекта с электронными датчиками любого типа для определения упомянутого угла поворота, а указанный магниточувствительный элемент выполнен на основе полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом 2, 3 и -образной вольт-амперной характеристикой, частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного поля, превышающей 30 мТл, но менее 1000 мТл, который размещен в специально выполненном узком воздушном зазоре соответствующего Г-образного магнитопровода, причем магниточувствительный элемент электрически соединен через частотный и аналого-цифровой преобразователи с микропроцессором, а плюс схемы питания источника постоянного напряжения подключен к -области полупроводниковой структуры. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных материалах содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной комплексной задачи по сравнению с прототипом и выявленными аналогами. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство (общий вид). На фиг. 2 - радиальный разрез. На фиг. 3 приведена функциональная электрическая блок-схема подключения магниточувствительного элемента. На фиг. 4 приведена зависимость частоты(0) частотно-импульсного выходного сигнала магниточувствительного преобразователя от величины индукции магнитного поля 0, создаваемой намагничивающей катушкой (зависимость , или градуировочная кривая) и- от величины угла поворотадля двух случаев изотропного объекта (зависимость ), объекта с локальной анизотропией (зависимость ). Величина- вклад в распределение магнитного потока, вносимого полем анизотропии. 3 102972014.08.30 Устройство для измерения анизотропии в ферромагнитных материалах содержит магнитомягкий сердечник 1, намагничивающую катушку 2, охватывающую этот сердечник 1,коксиально с ней расположенную немагнитную цилиндрическую подложку 3, на которой размещен хотя бы один магниточувствительный преобразователь накладного типа, содержащий пару контактных площадок для подведения электрических проводов и включающий Г-образный магнитопровод 4, контактирующий с ферромагнитным объектом 5, и магниточувствительный элемент 6, выполненный в форме круга (миниатюрного сжатого цилиндра). Магниточувствительный элемент 6 выполнен на основе полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом 2, 3 и -образной вольт-амперной характеристикой, частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного поля, превышающей 30 мТл, но менее 1000 мТл 2, который размещен в специально выполненном узком воздушном зазоре длинойсоответствующего Г-образного магнитопровода 4, причем магниточувствительный элемент 6 электрически соединен через частотный 7 и аналого-цифровой преобразователи 8 (АЦП) с микропроцессором 9 (МК), а плюс схемы питания источника постоянного напряжения п подключен к -области полупроводниковой структуры (обязательно с соблюдением полярности). При этом выходной сигналс магниточувствительного элемента 6 снимается с нагрузочного резистора н. Источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС обычно величиной 5-25 В. Способ формирования - и -областей полупроводниковой структуры подробно описан в 3. Вектор индукции магнитного поля В прикладывается в плоскости, параллельной плоскости раздела - и -областей. Такие магниточувствительные элементы поставляются фирмой, Россия, г. Москва (Институт проблем управления). Сердечник 1, намагничивающая катушка 2, цилиндрическая подложка 3 с магниточувствительным преобразователем выполнены как единое целое с возможностью поворота в диапазоне угловот 0 до 360 угловых градусов в плоскости ферромагнитного объекта 5 с электронным датчиком 10 угла поворота(оптические, инфракрасные, магнитные энкодеры, с использованием элементов Холла, резистивные и т.д.). Выполнение средств поворота может быть разным и допускает различные варианты исполнения. На наш взгляд, основными частями средств поворота могут быть следующие полая немагнитная металлическая трубка 11, крышка 12, на которой размещены электронные датчики 10 угла поворота и необходимые идентификационные метки (не изображены). Крепление неподвижных частей датчика 10 к основе (столу, стенду, земле и т.д.) осуществляется с помощью опоры 13. Область локальных участков анизотропии 14 находится в ферромагнитном объекте 5, как изображено на фиг. 2. Устройство работает следующим образом. Сначала устройство размещается на измеряемом ферромагнитном объекте 5 (преимущественно на плоской части поверхности), и устанавливается ток управления, проходящий через намагничивающую катушку 2, что соответствует установлению индукции магнитного поля заданной величины В 0, которое должно находиться в интервале от 30 до 750-1000 мТл. При этом магниточувствительный элемент 6, обладающий -эффектом,функционирует в режиме, работы, при котором выходной сигнал является частотным. Следует отметить, что явление управляемой скачковой проводимости (-эффект) возникает в структурах с -образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том,что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно,амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольтамперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магнито 4 102972014.08.30 чувтвительного элемента 6 (полупроводниковой структуры) является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. Например, при 030 мТл (соответственно без ограничения общности можно считать 0) магниточувствительный элемент 6 вырабатывает электрические колебания при чувствительности к магнитному полю 100 кГц/Тл частотой 0 3,4 кГц. Далее проводится сканирование объекта на предмет выявления анизотропии магнитного характера локальных участков анизотропии 14, больших участков, обладающих анизотропными свойствами, например анизотропии прокатки и т.д., путем вращения устройства в диапазоне угловот 0 до 360 угловых градусов. Уголопределяется по показаниям электронного датчика 10. Если измеряемый объект 5 изотропен, токонстанта, что схематично представлено на фиг. 4 зависимостью . Если контролируемый объект 5 имеет анизотропию, то магнитный поток, проходящий по ветвям магнитопровода 4 с установленным в его зазоре величиной ,0 мм магниточувствительным элементом 6, изменится вследствие влияния этой анизотропии (зависимостьможет иметь максимум или минимум, как изображено на фиг. 4 - кривая ). При этом электрические колебания частотыпоступают через частотный преобразователь 7, преобразующий частоту колебаний в пропорциональное ей напряжение, и далее поступает в аналого-цифровой преобразователь 8 и на микропроцессор МК 9, который и вычисляет искомую степень анизотропии и ее расположение (диапазон углов ). Кроме того, предложенная конструкция полезной модели допускает установку нескольких магниточувствительных элементов в разные зазоры Г-образного магнтопровода,например двух, расположенных оппозитно (не изображено). Следовательно, заявляемая полезная модель относится к приборостроению и предназначена для измерения анизотропии свойств ферромагнитных материалов (объектов, преимущественно плоской формы или имеющих плоские части). Таким образом, решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительного элемента с-эффектом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем усиления, причем конструкция устройства обеспечивает непрерывный контроль, а не дискретные уровни сигналов от разных магниточувствительных преобразователей (по сравнению с прототипом). Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемая полезная модель соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6