Структурная схема ДБ

Рис.7.1. Универсальная структурная схема ДБ

(ПБ – преобразователь величины Х_Е в СБ, ЭП – энергетический преобразователь, ИП – измерительный преобразователь, КС – канал связи. ПОС – преобразователь обратной связи, Х,Y – измеряемая и выходная величины, Х_Е – естественная входная величина, Е – энергия)

Большое разнообразие конструкций ДБ предопределило целесообразность разработки универсальной структурной схемы ДБ (рис. 7.1), в которой отражены как энергетические, так и информационные процессы. В схему включены элементы и узлы, связанные функционально. Сплошными стрелками показаны потоки энергии, двойными – информации, пунктирными – отрицательные обратные связи, стабилизирующие режим работы датчика. В силу специфики эффекта Баркгаузена Е₁(t) должна быть переменна во времени. Закон ее изменения определяется требуемыми техническими характеристиками. Дополнительная энергия Е₂(t), также воздействующая на скачок Баркгаузена, необходима для увеличения чувствительности, расширения диапазона и улучшения других метрологических характеристик.

В процессе скачка Баркгаузена выделяется несколько видов энергии. Основные из них - это энергия магнитных полей рассеяния, упругая энергия магнитострикции и тепловая энергия (вихревых токов)

. (7.2)

Все три вида энергии излучаются через материал образца во внешнюю среду в виде магнитных, упругих и тепловых полей. Конкретный ИП использует, как правило, один вид энергии. В качестве примеров ИП можно привести измерительную катушку, пьезоэлектрический и игольчатый преобразователи.

Неоднородность структуры ферромагнитного образца обусловлена, немагнитными включениями или локальными механическими включениями и вызывает скачки намагниченности при изменении внешнего магнитного поля или наличии механических воздействий. Схематическое изображение доменных границ и некоторого включения показано на рис. 7.2, а. Граница между двумя доменами с противоположным направлением векторов намагниченности под воздействием внешнего магнитного поля сначала обратимо изменяет свое положение (рис. 7.2, б), а затем скачком переходит в новое положение (рис. 7.2, в). Заштрихованная часть представляет собой область, скачком изменившую свою намагниченность.

Рис. 7.2

Экспериментальные исследования скачков Баркгаузена (СБ) показали, что в железном образце средний объем перемагничивающейся области лежит в диапазоне 2*10^-2-2*10^-7 мм³.

Вклад СБ в общее изменение намагниченности по данным различных авторов составляет 30-50%. Длительность СБ лежит в диапазоне 0,1-1 мс. При скачках Баркгаузена в измерительной катушке возникают импульсы ЭДС. Таким образом, перемагничивание образца сопровождается появлением в измерительной обмотке сигнала, имеющего характер случайного процесса.

Очень важной для проектирования преобразователей на основе эффекта Баркгаузена является зависимость этого эффекта от скорости перемагничивания. С увеличением скорости перемагничивания от 0,01 до 0,24 А/(мс) число скачков падает примерно на 45%. Этот факт указывает на возможность слияния нескольких скачков, что приводит к зависимости характеристик преобразования от скорости или частоты перемагничивания.

В зависимости от скорости перемагничивания измерительные преобразователи с использованием эффекта Баркгаузена могут быть разбиты на две группы: с пространственным перемагничиванием ферромагнетика и с перемагничиванием ферромагнетика изменяющимся во времени магнитным полем.

Принцип действия преобразователя с пространственным перемагничиванием ферромагнетика показан на рис. 7.3, а. Мимо постоянного магнита 1 движется со скоростью v_x ферромагнитный образец 2. Участок образца, находящийся вблизи магнита, намагничен, и границы этого участка смещаются со скоростью v_x. В проходной или накладной измерительной катушке 3, установленной неподвижно, индуктируются импульсы ЭДС, вызываемые скачками Баркгаузена. Индуктируемая ЭДС представляет собой стационарный случайный процесс (рис. 7.3, б). В качестве информативных параметров этого процесса используются средняя частота выбросов, превышающих заданный уровень, или дисперсия, которые зависят от скорости перемагничивания, т. е. от скорости движения образца. Сигнал измерительной обмотки 3 (рис. 7.3, а) усиливается и подается на полосовой фильтр Ф, подавляющий низкочастотную и высокочастотную части спектра для выделения полезного сигнала. Амплитудный дискриминатор АЦ выделяет импульсы, амплитуда которых превышает заданный уровень, и сигнал поступает на частотомер Ч, показания которого пропорциональны скорости.

Преобразователь тахометра, основанный на эффекте Баркгаузена, показан на рис. 7.4, а. На вращающемся валу закреплен ротор 1 из ферромагнитного материала. На статоре 2 укреплены магниты 3, под каждым магнитом помещены измерительные катушки 4. На рис. 7.4, б показаны схематически система магнит-накладная измерительная катушка, распределение магнитного потока в ферромагнитном роторе и импульс ЭДС в катушке. Амплитуда импульса может быть оценена как

е = - ω∆Ф/τ, (7.3)

где ω - число витков обмотки; ∆Ф - приращение магнитного потока, вызванное скачком Баркгаузена; τ - длительность скачка. Измерительные катушки располагаются в области максимального градиента магнитного поля и соединяются последовательно, при этом дисперсия выходного сигнала увеличивается в n раз, где n - число установленных систем.

Рис. 7.3

Тахометр позволяет измерять угловые скорости в диапазоне 10^-3 – 10^-1 рад/с (10^-2 - 1 об/мин) с погрешностью не более 1%. При более высоких скоростях происходит захват доменов, т. е. увеличение размера естественной метки, и уменьшение чувствительности преобразователя.

Рис. 7.4

Принцип действия преобразователя с ферромагнетиком, перемагничиваемым переменным магнитным полем, показан на рис. 7.5, а. Устройство 1 служит для создания циклически меняющегося во времени магнитного потока, перемагничивающего неподвижный ферромагнетик 2. В измерительной обмотке 3 наводятся импульсы ЭДС, для измерения информативных параметров которых используются те же узлы, что и в схеме, показанной на рис. 7.3, а. Характер ЭДС, наводимой в обмотке 3, показан на рис. 7.5, б. При циклическом прохождении петли гистерезиса наибольшее число скачков приходится на крутую часть гистерезисной петли, на пологой части они практически отсутствуют. Этим определяется периодически нестационарный характер магнитного шума и индуктируемой им ЭДС. Так же как в случае стационарного процесса, математическое ожидание периодически нестационарного случайного процесса (ПНСП) постоянно и равно нулю, средняя за период перемагничивания Т частота выбросов, превышающих заданный уровень, а также усредненная за период и текущая дисперсия являются информативными параметрами при измерении характеристик внешнего магнитного поля, а также при измерении тока и напряжения, определяющих напряженность поля.

Рис. 7.5

При постоянстве функции, описывающей изменение магнитного поля в течение цикла, параметр магнитного шума зависит от объема образца и структурных свойств ферромагнетика, и эффект Баркгаузена может быть положен в основу преобразователя неразрушающего контроля для измерения толщины гальванических покрытий и содержания в них ферромагнетика.

Конструктивно преобразователь представляет собой соленоид, длина которого для обеспечения равномерности магнитного поля в 5-10 раз превышает средний диаметр. В центре соленоида помещается измерительная обмотка, в которую вводится исследуемый образец.

Мощность магнитного шума в преобразователе зависит от числа доменных областей, участвующих в перемагничивании образца при постоянном режиме перемагничивания. Число доменных областей определяется как толщиной покрытия, так и содержанием ферромагнетика в нем. Влияние толщины выражается в изменении дисперсии случайного процесса без изменения вида ПНСП. Изменение состава гальванического покрытия приводит к изменению вида петли гистерезиса (при уменьшении содержания ферромагнетика петля становится уже и прямоугольнее) и, следовательно, характера ПНСП.

Можно выбрать такое сочетание режима перемагничивания образца и регистрации информативных параметров, при котором разделяется информация о толщине покрытия и о содержании в нем ферромагнетика.

Общее представление о применении ДБ в отраслях техники с указанием конкретных измеряемых величин дает классификация на рис.7.6.

Существуют и другие классификации:

а) по виду энергии возбуждения СБ,

б) по виду используемой энергии СБ ,

в) по виду естественной входной величины Х.

По виду энергии возбуждения СБ все ДБ можно разделить на использующие возбуждение магнитным полем, механическим нагружением, окислением в агрессивной среде, тепловым воздействием на образец и комбинированием перечисленных видов взаимодействия.

По виду используемой энергии СБ существующие ДБ можно разделить на четыре группы. ДБ, использующие:

- энергию магнитного поля ,

- упругую энергию магнитострикционных деформаций ,

- энергию вихревых токов, возникающих в момент СБ ,

- магнитооптические эффекты (в частности, эффект Керра).

По виду естественной входной величины Х_Е все ДБ разделяются на те, у которых Х_Е – это:

· амплитуда поля;

· скорость поля;

· объем перемагничивания;

· сила;

· магнитные характеристики (остаточная индукция ,коэрцитивная сила , проницаемость , потери на гистерезис и т.д.);

· физико-механические характеристики ферромагнитных сплавов (твердость, вязкость, размер зерна, количество феррита, углерода и др.).

Рис. 7.6