Устройство для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в электронике для измерения физических характеристик АФМ, а именно, намагниченности насыщения M _s, константы магнитострикции _s, амплитуды закалочных напряжений (_zz-), величины магнитного поля зарождения доменных границ (ДГ) Н_n, скорости доменной границы V_dw и ее подвижности , величины порогового магнитного поля распространения доменных границ Н_а и характерной ширины ДГ . Устройство содержит исследуемый АФМ, размещенный внутри соленоида, формирователь регулируемого постоянного тока, формирователь пилообразного тока, катушку зарождения домена, две последовательно соединенные короткие приемные катушки, усилитель, плату управления и сбора данных и персональный компьютер и растягивающий груз, при этом основная часть АФМ намотана на бобину, закрепленную на оси управляемого шагового двигателя, а его исследуемая часть проходит через стеклянный микрокапилляр. Особенность устройства заключается в том, что оно дополнительно снабжено длинной приемной катушкой, размещенной между двумя короткими приемными катушками, вторым усилителем сигналов и вторым аналого-цифровым преобразователем (АЦП-2). Благодаря наличию длинной приемной катушки с дополнительным каналом регистрации сигналов ЭДС и детально раскрытым в описании другим особенностям устройства, обеспечивается определение дополнительных параметров АФМ и повышение информативности.

Заявляемое техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано в электронике для измерения локальных характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ) с положительной константой магнитострикции.

АФМ в тонкой стеклянной оболочке с положительной константой магнитострикции и диаметром 10-30 микрометров демонстрируют уникальное бистабильное поведение, т.е. обладают практически прямоугольной петлей гистерезиса с малым коэрцитивным полем Нс<1 Эрстед. Такие АФМ весьма перспективны для применения в устройствах электронной техники (A.Zhukov, J.Gonzales "Amorphous magnetic materials for sensors", in Encyclopedia of Sensors, vol.X, С A.Grimes, E.C.Dickey and M.V.Pishko, Eds. American Scientific Publishers, 2006, pp.1-25). Однако для технических применений необходимо знать ряд важных физических характеристик АФМ, а именно, намагниченность насыщения M_s, константу магнитострикции _s, амплитуду закалочных напряжений (_zz-), величину магнитного поля зарождения доменных границ (ДГ) Н_n, скорость доменной границы V_dw и ее подвижность , величину порогового магнитного поля распространения доменных границ Н_а и характерную ширину ДГ.

Известно устройство для измерения скорости доменной границы (D.-X. Chen, N.M.Dempsey, M.Vazquez, and A.Hernando, IEEE Trans, on Magn., V31, 1, 1995, pp781-787), содержащее АФМ, проходящий внутри соленоида, вдоль оси которого установлены катушка зарождения домена и две приемные катушки. К свободному концу АФМ прикреплен груз, создающий продольное механическое растяжение _s, АФМ. Исследования скорости прохождения ДГ выполняются для нескольких величин продольного механического растяжения. При каждом измерении с помощью соленоида создается магнитное поле, намагничивающее АФМ до насыщения, которое затем уменьшается до малой величины Н_а (ускоряющее поле), при этом его знак меняется на противоположный. После этого короткий магнитный импульс катушки зарождения домена создает в АФМ магнитный домен противоположного знака, ограниченный двумя ДГ. Под действием Н_а ДГ начинают двигаться в противоположных направлениях. При этом одна из ДГ проходит через приемные катушки, наводя в них сигнал ЭДС, поступающий на регистратор.

Особенностью известного устройства является то, что с его помощью можно измерять только усредненную по длине 10 см скорость прохождения ДГ и определять подвижность только при различных продольных механических растяжениях _арр.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микоропроводов (Патент РФ на полезную модель 68713 приор. 06.07.2007 заявка 2007125547 Авторы Гудошников С.А., Любимов Б.Я., Усов Н.А., Жуков А.П., Ипатов М.П. и Гонзалес X. МПК G01V 15/00 G08B 13/24, G06K 19/12). Устройство содержит бобину с исследуемым АФМ, закрепленную на оси шагового двигателя. При этом АФМ пропущен внутри стеклянного микрокапилляра, который в свою очередь размещен в соленоиде. На микрокапилляре установлена катушка зарождения домена и две последовательно соединенные приемные катушки, расположенные на известном, заданном расстоянии друг от друга. К концу АФМ подвешен сменный груз, обеспечивающий продольное механическое растяжение АФМ. Шаговый двигатель подключен к выходу схемы управления шаговым двигателем. Соленоид, катушка зарождения домена и приемные катушки соединены соответственно с выходом формирователя регулируемого постоянного тока, выходом формирователя пилообразного тока и входом усилителя, которые, вместе со схемой управления шаговым двигателем, подключены к плате управления и сбора данных, размещенной внутри персонального компьютера. При этом плата управления и сбора данных состоит из первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП-1), соединенного с выходом усилителя, и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП-1, ЦАП-2), один из которых подключен ко входу формирователя регулируемого постоянного тока, другой - ко входу формирователя пилообразного тока. Вход схемы управления шаговым двигателем подключен к логическому выходу платы управления и сбора данных. Плата соединена через последовательный интерфейс с регистратором, выполненным в виде персонального компьютера, оснащенного специализированным программным обеспечением (ПО).

После запуска программы управляющий сигнал обеспечивает перемещение АФМ в начальное положение и дальнейшее удержание его в этом положении на время измерений. Вдоль оси АФМ соленоид создает однородное магнитное поле, достаточное для насыщения АФМ, которое через небольшой промежуток времени (~0.1 сек), уменьшается до малой величины Н_а (порядка 1Э), при этом знак его меняется на противоположный. Линейно нарастающее магнитное поле катушки зарождения домена создает в АФМ магнитный домен обратного знака, ограниченный двумя ДГ. Момент зарождения магнитного домена t₁ фиксируется по появлению импульсов ЭДС в приемных катушках. Поле, создаваемое катушкой зарождения в момент t ₁ является полем зарождения ДГ Н_n и фиксируется в регистраторе. Импульсы ЭДС приемных катушек несут также информацию о времени t прохождения ДГ через приемные катушки, т.е. о скорости ДГ в поле Н_а. Измерение величин Н_n и t в данной точке при фиксированных значениях груза и ускоряющего поля, является окончанием одного цикла измерений. Следующий цикл измерений отличается от предыдущего изменением значения одного из параметров. Результаты каждого цикла измерений поступают в ПК и с помощью ПО осуществляется обработка данных и регистрация получаемых параметров исследуемого АФМ.

Недостатком прототипа являются его ограниченные функциональные возможности, не позволяющие в одном цикле измерений наряду с такими характеристиками АФМ, как магнитное поле зарождения ДГ и ее скорость при различных величинах продольного механического напряжения и ускоряющего поля, получать также значение намагниченности насыщения АФМ M _s, константу магнитострикции _s, амплитуду закалочных напряжений (_zz-) и важнейшую характеристику ДГ, ее характерную ширину . Намагниченность насыщения в прототипе измеряется независимо, с помощью другого метода, определять характерную ширину ДГ не представлялось возможным.

Решаемая техническая задача заключается в расширении функциональных возможностей устройства по сравнению с прототипом, а именно, наряду с измерением в одном цикле набора указанных в прототипе характеристик АФМ, также обеспечение возможности регистрации сигналов ЭДС приемных катушек и определения из этих сигналов указанных выше параметров: M_s, _s, (_zz-) и .

Для решения поставленной задачи в устройстве аналогичном прототипу вводят новый измерительный модуль, в котором кроме двух коротких приемных катушек дополнительно используется третья, длинная приемная катушка. При этом короткие катушки имеют длину менее 1 мм, а длинная катушка на порядок больше. Длина последней находится в прямой зависимости от расстояния L между короткими приемными катушками, определяющем максимальную скорость ДГ, которая может быть измерена в данной системе. Кроме того, форма сигналов ЭДС длинной приемной катушки позволяет анализировать отрезок микропровода внутри нее на наличие дефектов. Короткие катушки расположены по обеим сторонам длинной приемной катушки. В новом варианте измерительного модуля сдвоенные приемные катушки и длинна приемная катушка имеют заданное количество витков и известную геометрию. Рядом с одной из коротких приемных катушек расположена катушка зарождения домена. Вся система катушек помещается внутрь соленоида. В новом варианте измерителя для регистрации сигналов ЭДС длинной приемной катушки используется дополнительно второй усилитель сигналов и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП-2).

Расширение функциональных возможностей измерительной системы обеспечивается за счет того, что в предложенном способе измерения сигнал ЭДС, наведенный в длинной приемной катушке (₁), содержит информацию о намагниченности насыщения АФМ, M_s, а сигнал ЭДС, наведенный в короткой приемной катушке, расположенной дальше от катушки зарождения домена, ₂, дает возможность оценить характерную ширину ДГ.

Представленная функциональная схема устройства для измерения характеристик АФМ и ДГ в них содержит закрепленную на оси шагового двигателя 1 бобину 2 с исследуемым АФМ 3. Конец АФМ 3 пропущен внутри стеклянного микрокапилляра 4, размещенного в соленоиде 5. На микрокапилляре 4 внутри соленоида 5 установлена катушка зарождения домена 6, две последовательно соединенные короткие приемные катушки 7 и одна длинная приемная катушка 8. При этом по обе стороны от длинной приемной катушки 8 располагаются две короткие приемные катушки 7. Взаимное расположение всех приемных катушек строго определено и их геометрические параметры точно известны. К концу АФМ подвешен сменный груз 9, обеспечивающий продольное механическое растяжение АФМ. Шаговый двигатель 1 подключен к выходу схемы управления шаговым двигателем 10. Соединенные последовательно короткие приемные катушки 7 подключены ко входу первого усилителя сигналов 13, а длинная приемная катушка 8 подключена ко входу второго усилителя сигналов 14. Соленоид 5, катушка зарождения домена 6, приемные катушки 7 и 8 соединены соответственно с выходом формирователя регулируемого постоянного тока 11, выходом формирователя пилообразного тока 12, входом усилителя 13 и входом усилителя 14. Входы блоков 10-12 и выходы усилителей 13 и 14 подключены к плате управления и сбора данных 15, размещенной внутри персонального компьютера 16. При этом плата управления и сбора данных 15 состоит из двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП-1, АЦП-2), соединенных с выходами усилителей 13 и 14, и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП-1, ЦАП-2), один из которых подключен к входу формирователя регулируемого постоянного тока 11, другой - к входу формирователя пилообразного тока 12. Вход схемы управления шаговым двигателем 10 подключен к логическому выходу платы управления и сбора данных 15. Плата управления и сбора данных 15 соединена через последовательный интерфейс с регистратором, выполненным в виде персонального компьютера 16.

В ходе измерений получают экспериментальные зависимости H_n(x_i, m_j, Н _а), V_dw(x_i, m_j, Н _а) и зависимости величин сигналов ₁ и ₂ от времени. Из этих зависимостей, с помощью специализированного ПО по формулам (1), (2), (3), (4), (5) и (6), приведенным ниже, получают набор физических характеристик АФМ и ДГ:

где _s - константа магнитострикции провода, М _s[А/м] - намагниченность насыщения АФМ, (_zz-) [Па] - разность компонент тензора закалочных напряжений, _арр - амплитуда приложенного растягивающего напряжения, m - масса груза, подвешенного к микропроводу, g - ускорение свободного падения, - отношение радиуса ферромагнитной жилы к полному радиусу АФМ, Е_m и E_g - модули Юнга аморфного ферромагнетика и стекла, соответственно. (A.S.Antonov, V.T.Borisov, O.V.Borisov, A.F.Prokoshin, N.A.Usov, "Residual quenching stresses in glass-coated amorphous ferromagnetic wires " J.Phys. D: Appl. Phys. 33, (2000) pp.1161-1168)

Отсюда, измеряя Н_n при различных приложенных нагрузках можно рассчитать _s по формуле:

где _app - разность напряжений при 2-х нагрузках, H_n - разность величин полей зарождения ДГ при 2-х нагрузках.

Скорость доменной границы V _dw рассчитывается по времени, затраченному ДГ на прохождение расстояния между короткими приемными катушками, по формуле:

где L - расстояние между короткими приемными катушками, t - время, между импульсами в коротких приемных катушках.

Зависимость величины сигнала ЭДС ₂ от времени можно записать в виде:

где - линейная плотность магнитного заряда доменной границы усредненная по поперечному сечению провода. Эта плотность может быть записана в виде:

где - характерная ширина ДГ. Таким образом, зная заряд ДГ и ее скорость можно теоретически рассчитать зависимость (t), где единственной неизвестной величиной будет . Данная зависимость s(t) сравнивается с экспериментально измеренной ЭДС второй короткой приемной катушки ₂ от времени. В процессе сравнения характерная ширина ДГ подбирается таким образом, чтобы теоретическая и экспериментальная зависимости имели минимальные отличия. Подобранная таким образом ширина ДГ является искомой характерной шириной ДГ.

Интеграл по времени от сигнала ЭДС, наводимого проходящей ДГ в длинной приемной катушке, пропорционален полному магнитному заряду Q, прошедшему через нее:

Значение этого интеграла не зависит ни от формы ДГ, ни от ее скорости, а определяется зарядом ДГ. Следовательно, интегрируя сигнал в приемной катушке с известными параметрами можно рассчитать заряд ДГ. Для АФМ с положительной константой магнитострикции средняя намагниченность насыщения АФМ в направлении параллельном его оси:

где F₁ и F₂ магнитные потоки с одной и другой стороны границы, S - площадь поперечного сечения ферромагнитной жилы.

Процедура измерений происходит в следующей последовательности:

1. Перед измерениями оператор задает начальное и конечное значения участка измерения АФМ, шаг, с которым будут проводиться измерения, величину груза m, диаметр жилы и полный диаметр АФМ, значения ускоряющих полей Н_а и дает команду «старт».

2. После запуска программы управляющий сигнал, поступающий с платы 15 на вход блока 10, обеспечивает вращение шагового двигателя 1 и перемещение АФМ в начальное положение, соответствующее координате X_i где i-1, 2,,n, и дальнейшее удержание АФМ 3 в данном положении на время измерений.

3. После остановки вращения шагового двигателя 1 с платы 15 выходное напряжение ЦАП-1 поступает на вход формирователя регулируемого постоянного тока 11, с выхода которого токовый сигнал поступает на соленоид 5. Под действием токового сигнала соленоид 5 на короткий (~0,1 сек) промежуток времени создает вдоль оси АФМ 3 однородное магнитное поле, достаточное для насыщения АФМ, которое потом уменьшается до малой величины На (~1 Э), при этом его знак меняется на противоположный и фиксируется на время проведения измерения.

4. После включения в соленоиде 5 ускоряющего поля Н_а с платы 15 выходное напряжение ЦАП-2 поступает на вход формирователя пилообразного тока 12, с выхода которого токовый сигнал поступает на катушку 6 зарождения домена. Под действием токового сигнала в катушке зарождения ДГ 6 появляется нарастающее магнитное поле, сонаправленное с Н_а. Это поле нарастает внутри катушки 6 до момента зарождения в АФМ 3 магнитного домена обратного знака, ограниченного двумя ДГ. Момент появления магнитного домена - фиксируется по появлению импульса ЭДС в приемной катушке 7, расположенной вблизи катушки зарождения домена 6. Сигналы с приемных катушек 7 и 8 после усиления на усилителях 13 и 14 поступают на вход АЦП-1 и АЦП-2 платы управления и сбора данных 15, где преобразуются в цифровой вид и запоминаются далее в ПК, 16. Одновременно импульс ЭДС первой из коротких приемных катушек 7 является сигналом для остановки работы ЦАП-2 и для фиксации величины его выходного напряжения. Данное выходное напряжение далее пересчитывается в ПК 16 в значение магнитного поля Н_n, которое носит название магнитного поля зарождения ДГ и является одной из измеряемых величин.

5. Импульсы ЭДС коротких приемных катушек 7, преобразованные в цифровой вид и сохраненные в ПК 16, несут информацию о времени прохождения ДГ через приемные катушки 7, расположенные на фиксированном расстоянии друг от друга. Разность расположения временных максимумов импульсов ЭДС t=(t₁-t₂) является следующей измеряемой величиной, позволяющей определить скорость ДГ в поле Н_а при данном механическом напряжении.

6. Импульс ЭДС от второй из коротких приемных катушек 7, преобразованный в цифровой вид и сохраненный в ПК 16, несет информацию о характерной ширине ДГ. По этому сигналу, используя полученные ранее значения скорости ДГ и намагниченности АФМ, программа (при помощи алгоритма аппроксимации) определяет характерную ширину ДГ в поле На и при данном механическом напряжении.

7. Сигнал ЭДС длинной приемной катушки 8, преобразованный в цифровой вид и сохраненный в ПК 16, несет информацию о средней намагниченности АФМ по его сечению. Величина интеграла этого сигнала по времени прямо пропорциональна намагниченности провода умноженной на площадь поперечного сечения жилы. Коэффициент пропорциональности зависит от геометрических параметров длинной приемной катушки 8 и заложен в программу. Величина этого интеграла является следующей измеряемой величиной, позволяющей определить среднюю намагниченность по сечению АФМ.

8. Измерение величин H_n , t, средней намагниченности по сечению АФМ и характерной ширины ДГ в данной точке при фиксированных величинах груза и ускоряющего поля, является окончанием одного цикла измерений. Следующий цикл отличается от предыдущего изменением значения одного или нескольких параметров, указанных в пунктах 1, 2.

9. Результаты каждого измерения поступают в ПК и с помощью ПО осуществляется обработка данных с учетом формул (1), (2), (3), (4), (5) и (6) и регистрация получаемых параметров АФМ.

Работу предлагаемого устройства рассмотрим на примере опытного образца устройства для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов, реализованного на основе дискретных электронных компонентов (микросхем, резисторов, емкостей) и стандартной платы АЦП L-783 ф. «L-card», содержащей 12 разрядный АЦП, встроенные ЦАП-1 и ЦАП-2, и логический выход. В опытном образце исследовался АФМ состава Fe₇₄B _uSi_uC₂ с внутренним диаметром ферромагнитной жилы dm=17.6 мкм и полным диаметром стеклянной оболочки D=24 мкм. Катушка зарождения домена 6, короткие приемные катушки 7 и длинная приемная катушка 8 намотаны медным изолированным проводом диаметром 50 микрон непосредственно на стеклянный микрокапилляр 4 диаметром 0.5 мм. Длина указанных катушек составила, соответственно, 0.6 мм, 2 катушки по 0.7 мм и 17 мм. Соленоид 5 изготовлен из медного провода диаметром 0.3 мм длиной 40 мм на каркасе из оргстекла.

Устройство работает в автоматическом режиме под управлением персонального компьютера (ПК) 16 со специализированным программным обеспечением (ПО). ПО формирует команды, поступающие в плату 15 управления и сбора данных, которая, в свою очередь, задает сигналы управления на блоки 10-14. В качестве регистратора в нашем образце использован ПК 16 с центральным процессором типа «Пентиум-2», оперативной памятью 256 Мб и операционной системой Windows 2000. Возможны и другие типы микропроцессора, интерфейса и ПК.

Таким образом, из совокупности измерений: Н_n(х_i m_j Н_а ), t(x_i, m_j, Н_а) и зависимостей величин сигналов ₁ и ₂ от времени могут быть получены основные физические характеристики АФМ - намагниченность насыщения M_s, константу магнитострикции _s, амплитуду закалочных напряжений (_zz-), скорость ДГ V_dw характерную ширину ДГ и подвижность ДГ . Все указанные характеристики измеряются в зависимости от координаты х_i вдоль оси АФМ.

Испытания созданного авторами опытного образца устройства для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов показали, что заложенные в нем технические параметры соответствуют расчетным, при этом была получена возможность измерения набора физических характеристик АФМ, позволяющих судить о магнитных свойствах и качестве исследуемого АФМ и его пригодности для использования в электронных устройствах.

Устройство для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ), состоящее из исследуемого АФМ, намотанного на бобину, закрепленную на оси шагового двигателя, соединенного с выходом схемы управления шаговым двигателем, при этом свободный конец АФМ пропущен через микрокапилляр, размещенный внутри соленоида, подключенного к выходу формирователя регулируемого постоянного тока, катушки зарождения домена, соединенной с выходом формирователя пилообразного тока, двух коротких приемных катушек, соединенных последовательно и подключенных ко входу усилителя, груза, закрепленного на свободном конце АФМ, платы управления и сбора данных, соединенной с регистратором, выполненным в виде персонального компьютера, и состоящей из первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП-1), соединенного с выходом усилителя, двух цифроаналоговых преобразователей (ЦАП-1, ЦАП-2), один из которых ЦАП-1 соединен со входом формирователя регулируемого постоянного тока, другой ЦАП-2 - со входом формирователя пилообразного тока, логический выход платы управления и сбора данных соединен со входом схемы управления шаговым двигателем, отличающееся тем, что в него дополнительно введены: длинная приемная катушка, второй усилитель сигналов и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП-2), при этом длинная приемная катушка соединена со входом второго усилителя сигналов, выход которого соединен со входом АЦП-2, входящего в состав платы управления и сбора данных, соединенной с регистратором.