Способ измерения параметров тонких магнитных покрытий

 

Изобретение относится к области магнитных измерений. Цель - обеспечение возможности контроля свойств локальных участков покрытия (П) без нарушения его целостности, контроля толщины П и определения его характеристик в перпендикулярном направлении . Способ измерения параметров тонких магнитных П реализован в устройстве . Для достижения цели магнитное П намагничивают нормально его плоскости неоднородным в этой плоскости полем, измеряют электродвижущую силу в направлении нормали к плоскости П, перемагничивают испытуемый участок изменением напряженности намагничивающего поля (НИ), одновременно изменяют амплитуду вибрации индукционного датчика (ИД) и источника НИ, измеряют зависимость амплитуды сигнала от напряженности НП, по ней определяют толщину магнитного П и его магнитные характеристики в перпендикулярном направлении, намагничивают П тангенциально его поверхности полем, имеющим экстремум в зоне испытуемого участка, повторяют все операции до получения зависимости амплитуды сигнала ИД от напряженности НП и по ней и экстремальному значению ранее полученной зависимости определяют магнитные характеристики П в произвольном направлении его плоскости. 2 ил. а S (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (И) 2 А1 (50 4 G Ol R 33 12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 394061 2/24-21 (22) 08.08.85 (46) 15.05.87, Бюл. 9 18 (71) Институт физики металлов Уральского научного центра АН СССР (72) А.Ф.Рейдерман (53) 621 . 31 7. 44 (088. 8) (56) Чечерников В.И. Магнитные измерения. МГУ, 1969, У 1, с. 94.

ГОСТ 8.214-76. Покрытия магнитотвердые. Методы измерения магнитных параметров. Изд-во стандартов, 1976. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ТОНКИХ МАГНИТН11Х ПОКРЫТИЙ (57) Изобретение относится к области магнитных измерений. Цель — обеспечение возможности контроля свойств локальных участков покрытия (П) беэ нарущения его целостности, контроля толщины П и определения его характеристик в перпендикулярном направлении. Способ измерения параметров тонких магнитных П реализован в устройстве. Для достижения цели магнитное П намагничивают нормально его плоскости неоднородным в этой плоскости полем, измеряют электродвижу-, щую силу в направлении нормали к плоскости П, перемагничивают испытуемый участок изменением напряженности намагничивающего поля (НП), одновременно изменяют амплитуду вибрации индукционного датчика (ИД) и источника НП, измеряют зависимость амплитуды сигнала от напряженности HII no ней определяют толщину магнитного

П и его магнитные характеристики в перпендикулярном направлении, намагничивают П тангенциально его поверхности полем, имеющим экстремум в зоне испытуемого участка, повторяют все операции до получения зависимости амплитуды сигнала ИД от напряженности НП и по ней и экстремальному значению ранее полученной зависимости определяют магнитные характеристи ки П в произвольном направлении его плоскости. 2 ил.

1 3 I () 762 2 где H Н вЂ” соотнетстненно Х-я и У-я к< компоненты поля покры Ъ1 тия Н

Интегрируя выражение (1) по толщине покрытия,. получают

Н,(8/?) -Н,-(-Е/?)= 6 аХЛ ° (2) б «< ЗН

Н (8/?) =Н =—

Г зн к (3) Щ где Н вЂ” тан генциальная компонента поля покрытия, Поскольку область намагничивания вблизи Х=О, где неоднородностью на-е магничинающего поля Н н направлении Х можно пренебречь, всегда существенно больше толщины покрытия (менее 1 MKh1), коэффициент размагничивания 1<,1(Ny=-É /И3) н направлении оси У равен 1 и Н"=-И„.

Тогда равенство (3) принимает вид

Н (8/2)=-8/2

«3Му х эх (4)

Далее, имея ввиду, что для поля покрытия над его поверхностью dier

- р, m

В =<|<,div II -=О, получают

BH™ &H x (5) ду дх

Подставив (4) н (э), получают для величины 3Н™/аУ на поверхности покрытия (У= Е/2) . поэтому Z-е компоненты намагничивающего поля и поля покрытия н зоне ис- к Н, /У=,— << И /Э Х .

I<,2 2

<6) пытуемо о а а

Так как согласно предлагаемому способу испытуемый участок покрытия перемагничивается по предельному циклу магнитного гистерезиса, то зависимость И от напряженности нае магничивалцего поля Н для всех то3 чек участка остается одной и той же, Изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано, в частности, для контроля параметров магнитных покрытий носителей магнитной записи, Цель изобретения — расширение функциональных возможностей способа, а именно обеспечение воэможности контроля свойств локальных участков покрытия без нарушения его целостности, контроля толщины покрытия и определения его характеристик н перпендикулярном направлении.

На фиг. I представлены схема реализации способа при определении тол- <5 щины. покрытия и его магнитных характеристик н перпендикулярном направлении (а) и распределения составляющих намагничивающего поля (5); на фиг. 2 — схема реализации спосо- 20 ба при определении параметров в его плоскости (д) и соответствующие распределения составляющих намагничивающего поля (5).

На фиг. 1 и 2 обозначены намагничивающая катушка 1, магнитное покрытие 2, индукционный датчик 3, механический привод 4 для жесткой связи намагничивающей катушки с индукционным датчиком и их вибрации. 30

Способ осуществляют следующим образом.

Неоднородное поле в направлении нормали к поверхности создают катушкой 1 (фиг. Iq). Распределение этого поля в направлении Х показано на фиг. IБ (сплошная линия). Пунктиром на фиг. IS показано распределение тангенциальной (Х вЂ” й) компоненты поля катушки 1, которую вблизи точки (X=O, У=О) можно получить достаточно малой путем уменьшения размеров

У<, У (фиг. Ig) или устранить введением симметрично расположенной относительно покрытия второй намагни- <15 чивающей катушки. Намагничивающая катушка 1 имеет прямоугольную форму витков обмотки, причем ее размер в направлении оси Z достаточно велик, r уч стк можно считать отсутствующими. С учетом изложенного, принимая но нниманиепотенциальный характер магнитного поля неоднородноЮ

ro намагниченного покрытия Н, из

< Ytl условия rot Н =O, получают х

3I.I x (1) У 3Х

1Ф

lY\ где 1<„<3 /2) и Н„(-<< /3.) — Х-я компонента поля покрытия соответственно на его верхней и нижней поверхностях;

Н вЂ” среднее по толщине значение

У-й компоненты поля покрытия ннутри него 1практически

Н (У) =. const).

Так как по условию перемагничивания намагниченность покрытия И имеет только. У-ю компоненту И практичес1 ки однородную по толщине, можно считать, что Н„(/2)=-Н„(-F/2), тогда

1310762

Поскольку вибрация создается при условии жесткой механической связи датчика и источника поля (их относительное перемещение равно нулю) из4 менения намагничивающего поля Н в зоне индукционного датчика не происе ходит, так что Н не оказывает влияния на сигнал ЭДС индукционного датчика. Учитывая зависимость величины

10 Н от У в зоне расположения индук3

I ЯН, ционного датчика в виде Н (У) — —.nY ду получают для ЭДС индукционного дат15 У cosyt

20 и для амплитуды ЭДС

F. =-р . S п и —.у- ЬУ.

3Н, о у (12) Определенная таким образом величина Э Н™/BY, представляющая величи- 25 ну градйента поля покрытия на его поверхйости в точке экстремума намагничивающего поля (Х=О), непосредственно связана с толщиной покрытия, его магнитной характеристикой и со 30 степенью неоднородности намагничивающего поля. Именно в указанную точку (практически в окрестности этой точки и располагают индукционный датчик, как показано на фиг. 1а . Величина магнитного потока, пронизывающего индукционный датчик, определяется выражением

Ф =Po(H)+H5) «S (10)

40 где Мо — магнитная постоянная;

S u n — средняя плошадь витка и число витков индукционного датчика.

В выражении (10) суммарное поле предполагается постоянным в пределах. сечения витков индукционного датчика в силу относительной малости размеров по сл едне го .

При вибрации индукционного датчика изменение координаты его расположения над покрытием определяется выражением bY(t)= У singt, где bY u

Ю вЂ” соответственно амплитуда и частота вибрации. Изменение ЬУ во времени 55 приводит к изменению поля покрытия в зоне расположения индукционного датчика и соответственно к появлению сигнала ЭДС в нем.

Е=А8Х где в противном случае отдельные точки испытуемого участка перемагничиваются по частным циклам магнитного гистерезиса с различными зависимостями М (Н ) . То гда справедливо следуе ющее соотношение." а М 1Мч ан ЗН, - - - =х --:, (7) аХ дн„ аХ дХ где Х вЂ” -дифференциальная восприимчивость покрытия:в направлении У.

Подставляя (7) в (6) и проводя дифференцирование, получают е=-К„. 1 д (8) ду =2 > аХ (аХ/йн

В точке экстремума намагничиваюе е щего поля Н =H> (Лиг. 1о) справед6 ливо равенство е Н /3Х=О и вираже1 ние (8) дает

ЭУ 2 j 3Х (9) а Н 1(У) аН"

e(t)= (Uî,Sn — о8пО.g x

Вблизи точки экстремума распределение намагничивающего поля может быть представлено разложением в ряд по четным степеням Х. Ограничиваясь первым членом разложения, можно записать Н =Н (1-kx ) где k — - пое е г о9 э стоянная, зависящая от геометричесе ких размеров источника поля; Н обозначено на фиг. 1о . Подставляя это выражение в (9) и затем (9) в (12), получают !

Е =-p, S ° п b У.(д h ° Х Н (13)

Амплитуду вибрации ЬУ изменяют обратно пропорционально напряженности намагничивающего. поля по закону

Н макс (14) о где Н вЂ” максимальное значение наМакс пряженности намагничивающего поля;

hY „< — амплитуда вибрации при е оч маке

При этом bУ, соответствующие блиэе ким к О Н,, не устанавливают, а соответствующие значения сигнала Е> получают путем экстраполяции значее е ний при Но 0 и Но 0. оу

С учетом (14) выражение (13} принимают вид

Pо S Q k мйи ° Нмакс < (1 6) 1310762

Таким образом, изменение амплитуды вибрации при изменении поля обеспечивает непосредственную пропорци" ональность амплитуды сигнала датчика толщине и дифференциальной восприимчивости самого покрытия.

Дифференциальная восприимчивость

Х покрытия в направлении нормали к его поверхности связана с восприимчивостью материала покрытия в этом 10 направлении Х выражением м .Л (17)

1+ м

3 (в данном случае NI =1), 15

Для материалов исследуемых покрытий максимальное значение Х на пре3 дельном цикле магнитного гистерезиса существенно больше единицы, поэтому можно считать, что при зна" 20 е чениях Н,„, .соответствующих максимальному Хм, Х„ъ 1.

Тогда, снимая зависимость "амплитуды Е сигнала ЭДС индукционного е датчика от поля Н „, поступают для 25 определения толщинй покрытия р 1.

А (18) где à —,максимальное значение амппи- 30

Ф туды ЭДС, индукционного датчика при изменении намагние чивающего поля Н, При этом дифференциальная восприе имчивость Х при любом значении HQ) 35 определяется выражением

Х =Е„/Е „„, 3 (19)

Равенства (18) и (19) определяют соответственно толщину и основные 4р магнитные характеристики покрытия

«Ч» (в форме кривой зависимости дифференциальной восприимчивости от поля) в перпендикулярном направлении. 45

Для определения магнитных характеристик покрытия в его плоскости (например, в направлении Х, фиг. 2) в зоне испытуемого участка создают неоднородное тангенциальное намаг- 50 е ничивающее поле Н„с помощью намагничивающей катушки 1, фиг, 2Q. Распределение Х-й и У-й компонент поля катушки показано на фиг. 25 (У-я компонента обозначена пунктиром). Как следует из фиг. 2, У-я компонента

-е намагничивающего поля Н в области экстремума близка к нулю и при необходимости может быть получена равной нулю путем симметричного относительно плоскости покрытия расположения второй намагничивающей катушки.

При условии достаточно больших размеров намагничивающей катушки в направлении оси Е из равенства div ю В =0 получают

Л . Л

ЗВ ЭВ (20) дХ дУ

Интегрируя равенство (20) по толщине покрытия и учитывая при этом отсутствие У-й компоненты намагниченности, получают

В (3/2) =-3/2

ЗВ дх (21 )

tel ь где В (О /2) — нормальная компонента

1 индукции покрытия на его поверхности;

B — индукция внутри покрых

tYl тия (В „практически однородна по У в силу относительно малой толщины покрытия).

Из условия потенциальности поля

t7l покрытия rot Н =О, получают

3Н ЭН

Х 1

ОУ дХ (22) Дифференцируя (21) в (22), получают .1Н 1 ЭВ, М 1

«1У 1"о 3 Х jUo

3 M) х — -<

3Х В и подставляя

3 3В, 3

3„

2 дХ2 2 (23) Проводя далее операции, аналогич" ные описанным выше (выражения (7)(15)), получают ничивающего поля.

При этом для справедливости (24) параметры вибрации и другие постоянные, входящие в коэффициент А, подбирают такими, чтобы этот коэффициент оставался неизменным при переходе к изменениям в плоскости покрытия. Xx = -- E

1 (24)

Е где Ех — амплитуда сигнала ЭДС индукционного датчика 3 (плоскость его витков перпендикулярна оси Х) при его вибрации в направлении У совместно с источником намаг131076?

Формула и з обретения

Способ измерения параметров тонких магнитных покрытий, включающий воздействие на образец постоянным магнитным полем и регистрацию полей, обусловленных намагниченностью образца покрытия, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа путем измерения толщины покрытия и измерения параметров образцов различных типоразмеров, магнитное покрытие намагничивают нормально его плоскости неоднородным в этой плоскости полем, имеющим экстремум в зоне испытуемого участка, измеряют сигнал ЭДС, возникающий в индукционном датчике при вибрации жестко связанных между собой источника поля и индукционного датчика в направлении нормали к плоскости покрытия, при этом индукционный датчик располагают в точке экстремума намагничивающего поля, перемагничивают испытуемый участок по предельному циклу магнитного гистерезиса изменением напряженности намагничивающего поля, одновременно изменяют амплитуду вибрации индукционного датчика и источника намагничивающего поля обратно пропорционально величине напряженности . намагничивающего поля, измеряют зависимость амплитуды сигнала индукционного датчика от на10 пряженности намагничивающего поля, по этой зависимости определяют толщину магнитного покрытия и его магнитные характеристики в перпендикулярном направлении, затем намагнй=

15 чивают покрытие тангенциально его поверхности полем, имеющим экстремум в зоне испытуемого участка, повторяют указанные операции до получения зависимости амплитуды сигнала индукционного датчика от напряженности намагничивающего поля, по по- лученной загисимости и экстремальному значению ранее измеренной зависимости определяют магнитные харак 5 теристики пс крытия в произвольном направлении его плоскости, 13107б2 фсжГ

Составитель В.1Чульгин

Редактор А.Orap Техред А.Кравчук Корректор Л.Батай

Заказ 1887/42 Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород,ул, Проектная, 4