ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...................................................4
Глава 1 Магнитоупругие датчики магнитного поля с аморфным ферромагнитным сердечником
1.1. Магнитострикционные датчики магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов.................................13
1.2. Магнитоупругие датчики магнитного поля с сердечником из маг-нитострикционного аморфного ферромагнитного сплава.........16
1.3. Датчики магнитного поля на основе ЛЕ-эффекта в аморфных ферромагнетиках ..............................................32
1.4. Магнитоуиругое взаимодействие в аморфных ферромагнитных сплавах с компенсированной магнитострикцией................37
1.5. Датчики магнитного поля на основе магнитоупругого взаимодействия в аморфных сплавах с компенсированной магнитострикцией
и поперечной магнитной анизотропией........................49
Глава 2 Магнитоимпедансный эффект в аморфных ферромагнитных сплавах
2.1. Машитоинцуктивный и гигантский магнитоимпедансный эффекты в аморфных ферромагнитных сплавах..........................56
2.2. Экспериментальное исследование магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных лентах и проводах .................60
2.3. Механоимпедансный эффект в лентах аморфных и нанокристалли-ческих ферромагнитных сплавов .............................66
2.4. Магнитоупругое взаимодействие в аморфных ферромагнетиках в магнитоимпедансном эффекте.................................71
2.5. Расчет' импеданса аморфного ферромагнитного проводника с учетом магнитоупругого взаимодействия .....................90
2.6. Датчики магнитного поля и механических величин на основе
магнитоимпедансного и механоимпедансного эффектов..........99
Г лава 3 Магнитомодуляционные преобразователи магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов
3.1. Магнитомодуляционные датчики магнитного поля на основе
аморфных ферромагнитных сплавов...........................104
Глава 4 Автопараметрический резонанс в датчиках магнитного поля на основе аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавов
4.1. Резонанс амплитуды напряжения в колебательном контуре с аморфным ферромагнитным сердечником ......................122
4.2. Параметрическое возбуждение ферромагнетика ..............138
4.3. Нелинейность намагничивания лент аморфных сплавов с компенсированной магнитострикцией под воздействием локального переменного магнитного поля...............................153
4.4. Датчики магнитного поля на основе нелинейности и параметрического резонанса, вызванных машитоупругим взаимодействием в аморфном ферромагнитном сердечнике...................165
Глава 5 Магнитные и механические датчики на основе аморфных ферромагнитных сплавов и основные области их применения
5.1. Основные области применения датчиков магнитного поля с аморфными ферромагнитными сердечниками....................170
5.2. Датчики механических величин на основе аморфных ферромагнитных сплавов ...................................184
Заключение....................................................199
Литература....................................................202
ВВЕДЕНИЕ
Аморфные ферромагнитные сплавы являются удобным объектом для исследования физических свойств магнитомягких ферромагнетиков ввиду их способности приобретать заданные магнитные и механические свойства под действием термической, термомагнитной или термомеханической обработки. Различные физические эффекты в ферромагнитных материалах известны достаточно давно и нашли самое широкое применение в современной науке и технике, в том числе при разработке и создании разнообразных датчиков и преобразователей физических величин.
Уникальные магнитные и механические свойства аморфных ферромагнитных сплавов и связанные с этими свойствами физические эффекты в ряде случаев позволяют по-новому подойти к решению многих задач исследования, разработки и создания высокочувствительных датчиков и преобразователей магнитных и механических величин на их основе.
По некоторым магнитным параметрам к аморфным сплавам приближаются нанокристаллические ферромагнитные сплавы, которые могут иметь значительно большую, чем аморфные сплавы, рабочую температуру.
Применение аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков позволяет не только улучшить существующие датчики механических и магнитных величин, но также создавать принципиально новые измерительные датчики и преобразователи. Для выявления предельных возможностей датчиков и преобразователей на основе аморфных и нанокристаллических ферромагнетиков с целью их применения в измерительной технике необходимо исследование их магнитоупругих, резонансных и иных физических свойств, а также привлечение новых
методов преобразования измеряемых величин в электрический сигнал. Решению этих проблем посвящена данная диссертация.
Диссертационная работа выполнена в Институте геофизики Уральского Отделения Российской Академии Наук. Образцы лент аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавов, примененные при исследовании магнитных и механических свойств, а также в датчиках магнитного поля и датчиках механических величин, были изготовлены, главным образом, в Институте физики металлов УрО РАН. Там же была проведена термомагнитная и термомеханическая обработка исследуемых образцов аморфных и нанокристаллических ферромагнитных лент.
Актуальность проблемы.
Исследование магнитных, механических, магнитоупругих и резонансных свойств аморфных ферромагнетиков способствует развитию физики ферромагнетизма, позволяет изучить особенности известных явлений и эффектов в этом классе магнитных материалов, а также обнаружить новые эффекты, способные расширить наши знания и область применения ферромагнитных материалов.
Разработка и создание более совершенных датчиков и преобразователей магнитного поля и механических величин остается важной задачей современной науки и техники. Автоматизация процессов производства, развитие технической базы научных исследований, создание современных технологий требуют более совершенных методов контроля и измерения различных параметров, в том числе магнитных и механических. В геофизике, для обнаружения и измерения слабых магнитных полей естественного и искусственного происхождения, требуются высокочувствительные малогабаритные датчики магнитного поля, способные измерять одновременно три компоненты магнит-
ного поля и работать в широком интервале температур. В низкочастотной радиосвязи существует проблема создания малогабаритных параметрических антенн с узкой диаграммой направленности. В биологии и медицине требуются миниатюрные датчики сверхслабых магнитных полей, длительное время работающие при нормальных условиях и способные в ряде случаев заменить дорогостоящие СКВИДы.
Уникальные магнитные и магнитоупругие характеристики аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавов позволяют создавать на их основе высокочувствительные миниатюрные датчики и преобразователи слабого магнитного поля, а также разнообразные датчики механических величин.
Высокая магнитная проницаемость, близкий к теоретическому пределу коэффициент магнитомеханической связи и малые потери на перемагничивание позволяют с помощью различных методов преобразования получить экстремально низкий порог чувствительности датчиков магнитного поля, выполненных на основе аморфных ферромагнитных сплавов, расширить диапазон частот измеряемого магнитного поля. На основе применения аморфных ферромагнетиков возможно существенное улучшение параметров аппаратуры считывания информации с магнитных носителей, позволяющее в несколько раз увеличить разрешающую способность и количество записываемой информации.
Механические датчики на основе механоимпедансного эффекта в аморфных и нанокристаллический сплавах по простоте могут быть сравнимы с тензорезисторами, но отличаются от последних более высокой чувствительностью и долговечностью. В области низких и сверхнизких частот они могут успешно конкурировать с пьезоэлектрическими керамическими преобразователями.
Цель диссертационной работы - экспериментальное исследование магнитных, магнитоупругих и резонансных свойств аморфных ферромагнитных сплавов, создание и совершенствование методов и средств измерения слабого магнитного поля и механических величин на основе различных физических эффектов и явлений в аморфных и нанокристал-лических ферромагнитных сплавах.
Основные задачи исследования:
1. Экспериментальное исследование магнитных и магнитоупрутих характеристик и резонансных параметров аморфных ферромагнитных сплавов при их высокочастотном возбуждении упругими и электромагнитными колебаниями.
2. Создание новых методов измерения слабого магнитного поля на основе магнитоупругого взаимодействия в аморфных ферромагнитных сплавах.
3. Применение результатов исследования магнитных и магнитоупругих свойств аморфных ферромагнитных сплавов для снижения влияния нестабильности, связанной с коэрцитивной силой ферромагнетиков и сдвигом кривой намагничивания.
4. Повышение чувствительности магнитоупругих датчиков магнитного поля, снижение порога чувствительности и уменьшение их геометрических размеров на основе применения аморфных ферромагнитных сплавов с компенсированной продольной магнитострикцией и поперечной магнитной анизотропией.
5. Исследование возможности применения аморфных и нанокри-сталлических ферромагнитных сплавов для создания миниатюрных датчиков магнитного поля для считывания сигналов с магнитных носителей информации и разработка различных датчиков механических величин: силы, смещения, кручения, вибрации и т.п. на основе применения магнитоимпедансного и механоимпедансного эффектов.
6. Исследование условий возникновения автопараметрического резонанса и устойчивости внутреннего параметрического усиления сигнала основной частоты возбуждения в колебательном ЬС-контуре с аморфным или нанокристаллическим ферромагнитным сердечником, находящимся в постоянном магнитном поле смещения.
7. Исследование нелинейности процесса намагничивания лент аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавов при локальном возбуждении переменным магнитным полем.
8. Создание новых методов измерения слабого магнитного поля на основе преобразования частоты возбуждения во вторую гармонику этой частоты посредством магнитоупругого взаимодействия при локальном воздействии переменным магнитным полем на участок аморфной ферромагнитной ленты с компенсированной продольной магнито-стрикцией.
9. Создание новых методов измерения слабого переменного магнитного поля на основе автопараметрического усиления амплитуды сигнала основной частоты возбуждения и фазы сигнала удвоенной частоты в колебательном контуре с сердечником из аморфного или нанокристаллического ферромагнитного сплава.
Научная новизна работы:
1. Экспериментально установлено наличие сильного магнитоупругого взаимодействия в аморфных сплавах с компенсированной магнитострикцией и поперечной магнитной анизотропией при возбуждении упругими волнами. Впервые предложено применить магнитоупругое взаимодействие в аморфном ферромагнитном сплаве с компенсированной магнитострикцией и поперечной наведенной магнитной анизотропией для создания магнитоупругих датчиков и преобразователей слабого магнитного поля.
2. Экспериментально установлено, что при прохождении переменного электрического тока через аморфный ферромагнитный проводник зависимость импеданса аморфного проводника от величины внешнего магнитного поля (магнитоимпедансный эффект) на начальном участке существенным образом зависит от внутренних механических напряжений в аморфном ферромагнитном проводнике.
3. Установлено, что в магнитоимпедансном эффекте, при импульсном электрическом токе, время релаксации магнитной системы проводника из аморфного ферромагнитного сплава значительно превосходит таковое в кристаллическом ферромагнитном проводнике. Этим объясняется проявление магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных сплавах на относительно низких частотах синусоидального переменного электрического тока.
4. Впервые экспериментально установлена сильная зависимость импеданса проводника из аморфного или нанокристаллического ферромагнитного сплава от приложенного к нему механического напряжения при прохождении через этот проводник переменного электрического тока (механоимпедансный эффект). Показано, что в лентах аморфных ферромагнитных сплавов с любым направлением магнитной анизотропии механическое напряжение оказывает более сильное влияние на величину максимального изменения импеданса проводника, чем это может быть вызвано внешним магнитным полем.
5. Впервые показана возможность создания разнообразных механических датчиков силы, смещения, упругих колебаний, давления, кручения, и т.п. на основе механоимпедансного эффекта в аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавах.
6. Экспериментально установлено наличие сильного магнитоупругого взаимодействия в аморфных ферромагнитных сплавах с компенсированной магнитострикцией при их возбуждении локальным перемен-
10
ным магнитным полем, что проявляется в виде генерации упругих колебаний и в появлении продольных вариаций намагниченности аморфного ферромагнетика с частотами четных гармоник частоты возбуждения.
7. Впервые экспериментально наблюдалось и было исследовано явление автопараметрического резонанса в колебательном контуре с сердечником из ленты аморфного или нанокристаллического ферромагнитного сплава.
8. Предложены методы измерения слабых магнитных полей, основанные на зависимости амплитуды и фазы сигнала второй гармоники частоты возбуждения от величины постоянного магнитного поля при локальном воздействии переменным магнитным полем на сердечник из аморфного ферромагнитного сплава с компенсированной магнито-стрикцией.
9. Предложены методы измерения слабых переменных магнитных полей, основанные на явлении автопараметрического усиления в колебательном контуре с сердечником из аморфного или нанокристаллического ферромагнитного сплава.
Основные защищаемые положения:
1. В лентах аморфных ферромагнитных сплавов с компенсированной магнитострикцией при возбуждении упругими колебаниями и при возбуждении локальным неоднородным переменным магнитным полем имеет место эффективное магнитоупругое взаимодействие.
2. Основной причиной проявления магнитоимпедансного и меха-ноимпедансного эффектов в аморфных или нанокристаллических ферромагнитных проводниках (сильной зависимости импеданса от величины внешнего продольного магнитного поля и приложенного к проводнику механического напряжения при прохождении через этот
проводник переменного или импульсного электрического тока) является магнитоупругое взаимодействие в этих магнитных материалах.
3. Автопараметрический резонанс в колебательном контуре с сердечником из ленты аморфного или нанокристаллического ферромагнитного сплава возникает вследствие генерации четных гармоник частоты возбуждения в результате магнитоупругого взаимодействия при возбуждении ленты локальным или неоднородным магнитным полем.
4. На основе магнитоупругих эффектов в аморфных ферромагнитных сплавах могут бьггь созданы:
датчики слабого магнитного поля (на основе магнитоупругого взаимодействия в аморфных ферромагнетиках с компенсированной магни-тострикцией);
датчики магнитного поля и датчики механических величин (на основе магнитоимпедансного и механоимпедансного эффектов в проводнике из аморфного или нанокристаллического ферромагнитного сплава);
датчики слабого магнитного поля (на основе автопараметричес-кого резонанса в колебательном ЬС-контуре с аморфным или нано-кристаллическим ферромагнитным сердечником).
Практическая ценность данной работы заключается в применении магнитоупругих эффектов и явлений, проявляющихся в аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавах, для создания миниатюрных высокочувствительных датчиков и преобразователей слабого магнитного поля и разнообразных датчиков механических величин.
Достоверность полученных результатов подтверждена испытаниями макетов датчиков и преобразователей, проведенных с помощью аппаратуры и приборов, прошедших необходимую аттестацию, а также
12
независимыми испытаниями, проведенными в НПО “ВНИИМ имени Д.И.Менделеева” (г. Санкт-Петербург).
Апробация работы и публикации По теме диссертации опубликовано более 45 печатных работ, в том числе получено 9 авторских свидетельств. Основные выводы и положения работы представлены на двух Всесоюзных и двенадцати Международных научно-технических конференциях.
Объем работы Содержание диссертации изложено на 218 страницах с 56 рисунками.
Список литературы включает 162 наименования.
л
л
13
ГЛАВА 1. МАГНИТОУПРУГИЕ ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С АМОРФНЫМ ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ
1.1. Магнитострикционные датчики магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов
Первыми магнитоупругими датчиками магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных сплавов были магнитострикционные датчики и преобразователи с волоконно-оптическим интерферометром. В работе [1] было показано, что порог чувствительности волоконно-оптических интерференционных магнитометров с чувствительным элементом, выполненным из аморфного ферромагнитного сплава на основе железа с относительно большой константой продольной магнито-стрикции, может быть снижен более чем на два порядка по сравнению с аналогичным магнитометром, в котором был применен магни-тострикционный элемент из никеля [2]. Появление работы [1] способствовало интенсивному развитию волоконно-оптической интерферо-метрической магнитометрии, что выразилось в достаточно большом количестве публикаций по данной теме [3-12] и стимулировало интенсивные исследования физических свойств аморфных ферромагнетиков, применяемых в качестве магниточувствительного элемента в датчиках слабого магнитного поля.
Принцип работы волоконно-оптических магнитометров основан на явлении магнитострикции. Магниточувствительный элемент магни-тострикционного волоконно-оптического магнитометра обычно представляет собой полоску из аморфного ферромагнитного сплава, к которой механически присоединен участок оптического волокна, включенного в измерительное плечо волоконно-оптического интерферометра. Изменение длины ферромагнетика под действием магнитного поля в результате магнитострикции вызывает механическое напряжение в
оптическом волокне, что приводит к изменению длины оптического пути и, как следствие, сдвигу фазы световой волны в измерительном плече интерферометра по отношению к его опорному плечу. Изменение интерференционной картины на выходе оптической схемы интерферометра, вызванное сдвигом фазы, регистрируется фотоприемной электронной схемой. Минимальный фазовый сдвиг, который может быть зарегистрирован с помощью волоконно-оптического интерферометра, составляет около 106 радиан. Кратко рассмотрим основные результаты, полученные с помощью магнитострикционных датчиков магнитного поля с волоконно-оптическим интерферометром. В уже упомянутой работе [1] были проведены исследования магниточувствительного элемента волоконно-оптического магнитометра при использовании в нем трех типов различных аморфных ферромагнитных сплавов, предварительно подвергнутых термомагнитной обработке в поперечном магнитном поле по технологии, описанной в работах [13,14]. Оптическое волокно соединялось с аморфными сплавами Metglas 2605СО, Ме1§1аз 2605БС и Ме1§1а5 2826МВ в геометрии полоски и цилиндра. Аморфные сплавы типа М^^аБ 2605 имеют базовый состав ¥еыВго [14]. Наилучшие результаты были получены на лентах аморфного сплава Меи
26058С, который имеет состав Feg1B13.5Si3.5C2 [15]. Показано, что минимальное детектируемое магнитное поле имело величину 5x1 О*9 Э на 1 м оптического волокна на частоте регистрируемого магнитного поля 1 кГц в постоянном магнитном поле смещения 80 А/м, что как раз соответствовало фазовому сдвигу около 10*6 радиан, измеренному с помощью волоконно-оптического интерферометра в полосе пропускания регистрирующей аппаратуры 1 Гц. В геометрии полоски размеры магниточувствительного элемента магнитометра 150ммх 12,5ммх50мкм.
В работе [5] предложена схема волоконно-оптического магнитометра с компенсацией фазового сдвига в опорном плече интерферо-
метра с помощью пьезопреобразователя. Аморфная лента имела размеры 50ммхЗммх0.05мм. Разрешающая способность интерферометра на длине волны лазера 0.63 мкм также составляла ~10*6 радиан, при этом минимальное детектируемое магнитное поле составляло 0.16 нТл, что соответствовало удельному порогу чувствительности 8 пТл на 1 м оптического волокна. В работе [6] описан волоконно-оптический магнитометр с замкнутой петлей обратной связи, предназначенный для измерения постоянного магнитного поля. Была реализована схема, в которой динамическая магнитострикционная чувствительность аморфного сердечника поддерживается на нулевом уровне при помощи обратной связи по магнитному полю. Порог чувствительности данного устройства достигал 0.1 нТл на частотах ниже 2 Гц. В [8] описан одномодовый волоконно-оптический магнитометр с постоянным магнитным полем стабилизации. При линейном динамическом диапазоне 105 пороговая чувствительность на частоте 2 Гц составила 0.12 нТл при рабочей длине оптического волокна 0.5 м. В [9] описан волоконно-оптический магнитометр с 50-мм датчиком, в котором применен аморфный сплав с константой продольной магнитострикции Я* ~ 50х Ю*6. На частоте 1 Гц пороговое магнитное поле в этом магнитометре составило 1 нТлхГц1/2. В работе [10] сообщается о низкочастотном волоконно-оптическом магнитометре с порогом чувствительности 11±2 пТлхГц*1/2 на частоте измеряемого магнитного поля 1 Гц и 38±8 пТлхГц1/2 на частоте 0.1 Гц. В работе [12] рассмотрены вопросы устранения остаточных сигналов и снижение шумов в волоконно-оптическом магнитометре. Отмечается, что пороговая чувствительность магнитометра в инфранизкочастотном диапазоне ограничена присутствием большого остаточного сигнала от несущей и шумовыми составляющими боковых полос частоты возбуждения. Предложен режим работы, при котором несущая частота и ее амплитуда выбраны так, чтобы остаточный
сигнал уменьшался, что позволило повысить отношение сигнала к шуму на 13дБ. Минимальное детектируемое магнитное поле при этом составило 45 пТлхГц1/2 на частоте измеряемого поля 0.1 Гц.
Таким образом, несмотря на значительные усилия по улучшению основных метрологических характеристик, реально достигнутый порог чувствительности волоконно-оптических магнитометров составляет около 10 пТлхГц-1/2 на частотах более 1 Гц и ~40 пТлхГц*1/2 на частоте 0.1 Гц. Эти величины далеко не соответствует порогу чувствительности, предсказанному теоретически на основе модели дипольного вращения для одиночного домена [16], где ожидалось получение порога чувствительности около Зх 1015 ТлхГц*1/2для постоянного измеряемого магнитного поля при комнатной температуре, что практически соответствует порогу чувствительности низкотемпературных СКВИДов [17] и значительно превосходит реальные возможности ’’высокотемператур-ных" СКВИДов с критической температурой 93К [18].
Магнитострикционные волоконно-оптические магнитометры по порогу чувствительности несколько превосходят магнитометры на эффекте Фарадея [19], однако значительно уступают последним по точности измерений [20,21]. Кроме того, волоконно-оптические магнитометры имеют высокую чувствительность лишь при применении в качестве источника света оптического квантового генератора (лазера), из чего следует высокое энергопотребление подобных устройств. Все известные магнитострикционные волоконно-оптические магнитометры представляют собой стационарные устройства с ограниченной сферой применения, а их разработка не вышла за пределы научных исследований.
1.2. Магнитоупругие датчики магнитного поля с сердечником из магнитострикционного аморфного ферромагнитного сплава
1.2.1. Магнитоупругие датчики магнитного поля с магнитным возбуждением аморфного ферромагнитного сердечника
Регистрация сигнала магнитострикции может осуществляться не только с помощью волоконно-оптического интерферометра. В динамическом режиме хорошим приемником упругих колебаний, вызванных магнитострикцией в ферромагнитном сердечнике, является Пьезоэлектрический преобразователь.
В магнитоизмерительной технике известны магнитоупругие преобразователи, соединяющие в себе ферромагнитный магнитострикцион-ный элемент с пьезоэлектрическим керамическим преобразователем. Так например, в устройстве, описанном в [22], пьезоэлемент закреплен между магнитострикционными стержнями, на которые намотаны катушки индуктивности. Возбуждение такого комбинированного магнитоупругого элемента осуществлялось переменным магнитным полем, а приемный сигнал, пропорциональный измеряемому магнитному полю, снимался с пьезопреобразователя. Для повышения чувствительности датчик был включен в цепь обратной связи автогенератора. В устройстве, описанном в работе [23], ферромагнитный стержень возбуждался пьезопреобразователем, жестко закрепленным на одном из его торцов. Выходной сигнал датчика снимался с катушки индуктивности, расположенной в области пучности механических колебаний ферромагнитного сердечника. Изменение амплитуды выходного сигнала пропорционально изменению составляющей магнитного поля, совпадающей с продольной осью ферромагнитного стержня.
Во всех подобных магнитоупругих преобразователях магнитного поля применялись, как правило, сердечники из феррита и получить высокую чувствительность для измерения слабых магнитных полей в низкочастотном диапазоне не удавалось из-за малого коэффициента преобразования таких устройств.
Первый пригодный для практического применения магнитоупругий магнитоизмерительный датчик с сердечником из аморфного ферромагнитного сплава без применения волоконно-оптического интерферометра был разработан автором в 1983 году и был применен в устройстве для измерения магнитного поля [24] и в магнитометре (Заявка на
а.с. N3828162/21, 1984).
Датчик представлял собой короткую (20 мм) полоску из аморфного сплава Ре78$іюВі2, предварительно термообработанную в поперечном магнитном поле напряженностью 6 кЭ в плоскости ленты в течение 30 минут при температуре 370°С, и механически (при помощи клея или пайки низкотемпературным припоем) соединенную с пьезопреобразователем, выполненном из пьезокерамики ЦТС-19. На аморфную полоску, не соприкасаясь с нею, была надета катушка возбуждения (Рис. 1.1). В магнитометре (заявка на а. с. N 3828162/21) имелась также катушка обратной связи, намотанная поверх катушки возбуждения.
Рис. 1.1. Датчик на основе магнитоупругого Ивозб содействия в аморфном ферромагнитном сплаве. I - пьезокерамический преобразователь, 2 -аморфный ферромагнитный сердечник, 3 - катушка Нвых индуктивности. Тівозб - напряжение возбуждения, и„ых - выходное напряжение, датчика.
Датчик работал следующим образом. С помощью генератора в катушке возбуждения создавалось переменное магнитное поле высокой частоты, близкое или совпадающее по частоте с собственной частотой пьезопреобразователя. При этом, в результате магнитоупругого взаимодействия в аморфном сердечнике, возникают упругие колебания с частотой возбуждения, которые преобразуется пьезоприемником в электрический сигнал с той же несущей частотой. Амплитуда выходного электрического сигнала пьезопреобразователя пропорциональна
компоненте индукции магнитного поля, совпадающей с продольной осью аморфного ферромагнитного сердечника.
Датчик имел следующие основные характеристики и параметры: размеры свободной части аморфного ферромагнитного сердечника - 15 ммх1ммх0.02мм; диаметр пьезопреобразователя - 10 мм, толщина - 5 мм; частота возбуждения - 200 кГц; добротность резонанса - около 40; чувствительность (коэффициент преобразования) - до 2 мкВ/нТл; диапазон рабочих частот датчика - от постоянного магнитного поля до 10 кГц; порог чувствительности (уровень собственных шумов) на частоте 16 Гц - около 0.1 нТл в полосе пропускания 1 Гц.
При помощи описанного датчика были проведены исследования магнитомеханического резонанса в магнитострикционных аморфных ферромагнитных сплавах [25].
На базе этого датчика автором был разработан автогенерирующий компонентный магнитометр (Заявка на а.с. N3828162/21, 1984). Магнитометр состоял из датчика, усилителя высокой частоты, детектора, электронного регулятора и источника опорного напряжения. Катушка возбуждения датчика соединялась с выходом усилителя, а пьезопреобразователь - со входом усилителя высокой частоты, то есть датчик был включен в цепь положительной обратной связи усилителя и образовывал с усилителем автогенератор, возбуждающийся на частоте антирезонанса магнитомеханической системы датчика при превышении некоторого порогового магнитного поля. При увеличении постоянного магнитного поля выше порогового амплитуда синусоидальных колебаний, снимаемая с выхода усилителя, возрастала пропорционально величине внешнего магнитного поля до тех пор, пока усилитель не входил в состояние насыщения, что проявлялось в виде искажения выходного синусоидального напряжения, а затем его ограничения и генерации выходного сигнала прямоугольной формы (меандра).
- Київ+380960830922