мт <
(оса2ф_ 2 I cos ф
_1
Например, при ( = 50 Гц, 8Р' = 0,05 %, ф = п/4 находим Ыт < 100 мкс.
Таким образом, получены оценки погрешностей дискретизации и квантования, а также динамической погрешности датирования, которые позволяют синтезировать параметры средств измерений мощности, основанных на цифровом методе перемножения кодов мгновенных значений напряжения и силы тока исходя из заданной точности и частотного диапазона. При этом оценки погрешностей дискретизации и датирования имеют универсальный характер, т. е. не зависят от метода аналого-цифрового преобразования. Приведенная оценка погрешности квантования справедлива для времяимпульсных АЦП, но по аналогии она может быть получена для других видов АЦП.
Л и т е р а т у р а
1. Безикович А. Я., Шапиро Е. 3. Измерение электрической мощности в звуковом диапазоне частот. Л.: Энергия. Ле-нингр. отд-е, 1980.
2. Стадник В. В., Чинков В. Н. Микропроцессорные муль-тиметры, основанные на цифровой обработке сигналов // Измерительная техника. 1995. № 9. С. 53; Stadnik V. V., Chin-kov V. N. Microprocessor multimeters based on digital processing of the instantaneous values of signals // Measurement Techniques. 1995. V. 38. N 9. P. 1039.
3. Компьютерные измерительные устройства: Обзорная информация ИНФОРМПРИБОР, сер. ТС-5. М., 1990. Вып. 2.
4. Современные цифровые мультиметры системного назначения: Обзорная информация ИНФОРМПРИБОР, сер. ТС-5. М., 1988. Вып. 5.
5. Горлач А. А., Минц М. Я., Чинков В. Н. Цифровая обработка сигналов в измерительной технике. Киев: Техыка, 1985.
Дата принятия 03.11.2009 г.
537.622
Автоматизированный малогабаритный вибромагнитометр для исследований магнитомягких материалов
С. А. ГУДОШНИКОВ*, С. Н. ВЕНЕДИКТОВ*, С. А. ГОРБУНОВ**, А. Н. КОЗЛОВ**, Ю. В. ПРОХОРОВА**, О. Н. СЕРЕБРЯКОВА**, Ю. С. СИТНОВ**,
В. С. СКОМАРОВСКИЙ**
* ООО «Магнитные и криоэлектронные системы», Троицк, Россия, e-mail: gudosh@izmiran.ru
** Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. Н. В. Пушкова РАН, Троицк, Россия
Описан автоматизированный вибрационный магнитометр для измерений намагниченности и гистерезис-ных кривых магнитомягких материалов при комнатной температуре. Вибромагнитометр характеризуется чувствительностью по магнитному моменту 5 ■ 10-6 Гс ■ см3, погрешностью измерений менее 3 % и диапазоном напряженности подмагничивающих полей до ± 200 Э, который можно расширить до ± 10000 Э при использовании более мощных магнитных систем. Приведены гистерезисные характеристики аморфного ферромагнитного микропровода и знака печатного текста.
Ключевые слова: магнитные измерения, вибромагнитометр, магнитомягкие материалы.
A description of automated compact vibromagnetometer for measurements of magnetization and hysteresis loops of soft magnetic materials at room temperature is presented. The vibromagnetometer is characterized by magnetic moment sensitivity of 5 ■ 10-6 Gs ■ am3, error less than 3 % and range of magnetization fields up to ± 200 Oe. This range can be enlarged up to ± 10000 Oe using more powerful magnetic systems. As the examples of measurements the hysteresis loops of amorphous ferromagnetic microwire and laser printed text sign are presented.
Key words: magnetic measurements, vibromagnetometer, soft magnetic materials.
В настоящее время для исследований магнитных свойств различных материалов широко используются вибрационные магнитометры (ВМ). Современные ВМ, изготавливаемые, например, фирмами «Lake Shore», «Quantium design», характеризуются чувствительностью по магнитному моменту порядка 10-6 Гс ■ см3, диапазоном напряженности воздействующих магнитных полей свыше ± 100 кЭ, интервалом тем-
ператур 1—1000 К. Они являются многофункциональными измерителями магнитных свойств образцов и позволяют регистрировать кривые намагничивания, гистерезиса, зависимости намагниченности от температуры и угла приложения магнитного поля. В то же время эти системы дорогостоящие, крупногабаритные и стационарные, для их размещения иногда требуется специально подготовленное помещение.
Рис. 1. Структурная схема вибромагнитометра ВМ-2К: 1 — вибромотор; 2 — усилитель мощности; 3 — регулятор амплитуды вибраций; 4 — генератор вибрационных колебаний; 5 — генератор высокочастотных тестовых колебаний; 6 — схема контроля амплитуды вибраций; 7 — схема контроля положения образца; 8 — усилитель высокочастотных колебаний; 9 — предусилитель; 10 — усилитель сигнала образца; 11 — усилитель с переменным коэффициентом усиления; 12 — синхронный детектор; 13 — магнитометр на основе датчика Холла; 14 — усилитель мощности сигнала развертки магнитного поля; 15 — модуль АЦП, управления и сбора данных; 16 — электромагнит; 17 — вспомогательные измерительные петли; 18 — тестовая катушка; 19 — приемные петли; 20 — образец; 21 — датчик Холла;
22 — персональный компьютер
В ряде практических задач, например при изучении свойств аморфных ферромагнитных материалов, могут применяться более простые ВМ. Созданный вибромагнитометр ВМ-2К — это специализированное устройство, предназначенное для измерений параметров магнитомягких материалов в интервале напряженностей подмагничивающих полей ± 200 Э при комнатной температуре. Прибор отличается портативностью и низкой стоимостью при сохранении высоких технических характеристик.
Принцип действия вибромагнитометра хорошо известен (см., например, [1]) и основан на том, что исследуемый образец помещается в магнитное поле установленной напряженности и приводится в колебательное движение вблизи приемных индукционных катушек. Под действием однородного магнитного поля образец намагничивается и благодаря вибрационным колебаниям создает в приемных катушках электродвижущую силу (ЭДС), пропорциональную магнитному моменту образца. Сигнал ЭДС от образца усиливается, измеряется и запоминается в персональном компьютере как функция от прикладываемой напряженности Н магнитного поля. Результатом измерений является гистерезисная кривая, записанная при ступенчатом изменении Н от максимального положительного значения до минимального от-
рицательного и обратно до положителного максимума. Воздействующее на образец подмагничивающее поле, направленное вдоль оси X, прокалибровано и измеряется в эрстедах, а регистрируемые значения ЭДС, пропорциональные магнитному моменту образца (ось У), прокалиброваны по эталонному образцу и измеряются в единицах магнитного момента СГС (Гс ■ см3).
О с н о в н ы е п а р а м е т р ы ВМ-2К:
Частота вибрационных колебаний............40 Гц
Амплитуда вибрационных колебаний...........1 мм
Габаритные размеры образца, не более......0,2x0,2x0,5 см
Диапазон измерения магнитного момента . . 5 ■ 10-6 — 1 Гс ■ см3 Погрешность измерения магнитного момента, не более . . . 3 %
Напряженность поля подмагничивания..........± 200 Э
Минимальный шаг изменения напряженности магнитного поля ............................ 0,05 Э
Масса, не более ......................20 кг
Структурная схема вибромагнитометра ВМ-2К приведена на рис. 1.
Прибор включает в себя четыре основные функциональные системы: развертки магнитного поля; вибрационных колебаний образца; приемно-измерительную; управления, сбора и обработки данных. Часть конструктивных решений ВМ-2К более подробно описана в [2].
В системе развертки поле подмагничивания создается системой колец Гельмгольца — электромагнитом 16, который питается от управляемого источника тока 14. Напряженность подмагничивающего поля регистрируется магнитометром 13 на основе датчика Холла 21 и передается в АЦП1. Для управления источником тока 14 служит ЦАП в системе 15 управления, сбора и обработки данных.
Система вибрационных колебаний образца содержит вибромотор 1, который питается от усилителя мощности 2. Последний подключен к генератору 4 синусоидального сигнала, задающему амплитуду и частоту колебаний. Вибромотор создает механические колебания штока и, следовательно, образца 20 на частоте 40 Гц с амплитудой колебаний около 1 мм. Для стабилизации вибрационных колебаний используются подсистема определения положения образца и стабилизации амплитуды колебаний. В этой подсистеме ток от вспомогательного генератора 5 высокочастотных тестовых колебаний частотой 120 кГц подводится к тестовой катушке 18, размещенной на фиксированном расстоянии 35 мм от образца. Тестовая катушка наводит во вспомогательных катушках 17 высокочастотный сигнал, который усиливается усилителями 9 и 8 и преобразуется в сигналы постоянного тока в схемах 6 и 7. Эти сигналы регистрируются каналами АЦП3 (определение положения образца) и АЦП4 (определение амплитуды вибрации), входящими в систему 15. Выходной сигнал схемы 6 контроля амплитуды вибраций через регулятор 3 амплитуды вибраций подается в усилитель мощности 2. При таком включении цепь вибромотора 1 охватывается глубокой отрицательной обратной связью, что обеспечивает стабилизацию амплитуды вибрационных колебаний.
В приемно-измерительной системе переменный сигнал, наведенный в приемных петлях 19, усиливается усилителями 9—11 и выделяется синхронным детектором 12, настроенным на частоту вибрации образца. Выходной сигнал детектора после низкочастотной фильтрации регистрируется каналом АЦП2 системы для определения магнитного момента.
В систему 15 входит также персональный компьютер 22. Управление вибромагнитометра ВМ-2К построено на основе программируемого микроконтроллера и осуществляется с операторской консоли с помощью оригинальной специализированной программы «VIBRO», функционирующей в операционной системе «WINDOWS 2000». Связь между операторской консолью и модулем АЦП обеспечивается через последовательный порт COM 1 по интерфейсу RS-232. Пример диалогового окна консольной программы приведен на вставке рис. 2.
Программа выполняет следующие функции: управляет многоканальным модулем АЦП, осуществляет настройку режимов работы АЦП, ЦАП и цифровых линий ввода-вывода;
передает команды модулю АЦП;
принимает оцифрованные значения от модуля АЦП и преобразует их в значения физических величин;
выполняет построение на мониторе зависимости «магнитный момент — напряженность магнитного поля»
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.