RU2708695C1 - Method for measuring complex mechanical deformations by means of amorphous metal band and device for calibration of sensitive element - Google Patents

Method for measuring complex mechanical deformations by means of amorphous metal band and device for calibration of sensitive element Download PDF

Info

Publication number
RU2708695C1
RU2708695C1 RU2018146631A RU2018146631A RU2708695C1 RU 2708695 C1 RU2708695 C1 RU 2708695C1 RU 2018146631 A RU2018146631 A RU 2018146631A RU 2018146631 A RU2018146631 A RU 2018146631A RU 2708695 C1 RU2708695 C1 RU 2708695C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
deformation
max
rem
sensitive element
magnetic hysteresis
Prior art date
Application number
RU2018146631A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Михайлович Гришин
Василий Сергеевич Севериков
Владимир Станиславович Игнахин
Игорь Всеволодович Секирин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет"
Priority to RU2018146631A priority Critical patent/RU2708695C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2708695C1 publication Critical patent/RU2708695C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of deformation control measuring equipment. Technical result is achieved by using amorphous ribbon Fe80-xCoxP14B6 fixed on investigated object in pre-stressed state, and characteristics of magnetic hysteresis loop are registered at specified magnetizing field. Calculation of separate components of complex deformation is performed by calibration data for characteristics of magnetic hysteresis loop at different values. For calibration there used is device consisting of sensitive element in form of narrow amorphous tape, exciting and receiving coils, recording device and containing electromechanical system including two step motors for creation of two components of deformation – tension and torsion.
EFFECT: possibility to distinguish type and characteristics of deformation at their measurement.
2 cl, 7 dwg

Description

Область примененияApplication area

Способ для измерения сложных механических деформаций с помощью аморфной металлической ленты и устройство для калибровки относятся к области измерительной техники контроля механических деформаций, силы, механического момента и т.п. Способ может найти применение в различных областях промышленности: системах контроля производственными процессами, системах телеизмерений, строительстве, механике и т.д.A method for measuring complex mechanical deformations using an amorphous metal tape and a calibration device relate to the field of measurement technology for monitoring mechanical deformations, force, mechanical moment, etc. The method can find application in various fields of industry: process control systems, telemetry systems, construction, mechanics, etc.

Уровень техникиState of the art

Известен дифференциально-трансформаторный магнитоупругий датчик силы [1], содержащий чувствительный элемент в виде магнитоупругого цилиндра, на поверхности которого выполнены расположенная перпендикулярно к его оси центральная канавка с обмоткой возбуждения и две взаимно параллельные, расположенные под углом 25-35° к центральной канавке и касающиеся ее боковые канавки с намотанными в них измерительными обмотками. Измерительные обмотки включены электрически встречно. Расположение обмоток под углом расширяет диапазон измерения датчика. Недостатком данного способа является возможность регистрировать только деформацию изгиба.Known differential transformer magnetoelastic force sensor [1], containing a sensing element in the form of a magnetoelastic cylinder, on the surface of which there is made a Central groove located perpendicular to its axis with an excitation winding and two mutually parallel, located at an angle of 25-35 ° to the Central groove and touching its lateral grooves with measuring windings wound therein. The measuring windings are electrically switched on. Angled positioning of the windings extends the measuring range of the sensor. The disadvantage of this method is the ability to register only bending deformation.

В патенте [2] описан векторный двухкоординатный преобразователь механических усилий, в основе принципа действия которого лежит анизотропия магнитных свойств, возникающая в материале под действием внешних механических сил. Устройство содержит магнитоупругий чувствительный элемент с контактными площадками для направленной передачи компонентов силы, одну обмотку возбуждения и две обмотки измерения горизонтальной и вертикальной компоненты вектора силы, в котором плоскость, в которой расположена обмотка измерения горизонтальной компоненты вектора силы, лежит на оси вертикальной компоненты вектора силы и повернута относительно оси горизонтальной компоненты вектора силы на угол 45°, а плоскость, в которой расположена обмотка измерения вертикальной компоненты вектора силы, лежит на оси горизонтальной компоненты вектора силы и повернута относительно оси вертикальной компоненты вектора силы на угол 45°. Устройство позволяет независимо измерять горизонтальную и вертикальную компоненты силы. Недостатком данного способа является способность реагировать только на компоненты деформации растяжения-сжатия.The patent [2] describes a vector two-coordinate transducer of mechanical forces, the principle of action of which is the anisotropy of magnetic properties that occurs in a material under the influence of external mechanical forces. The device contains a magnetoelastic sensing element with contact pads for directional transmission of the force components, one excitation winding and two measurement windings of the horizontal and vertical components of the force vector, in which the plane in which the measurement winding of the horizontal component of the force vector is located lies on the axis of the vertical component of the force vector and rotated relative to the axis of the horizontal component of the force vector by an angle of 45 °, and the plane in which the measuring coil of the vertical component is located nti of the force vector, lies on the axis of the horizontal component of the force vector and is rotated relative to the axis of the vertical component of the force vector by an angle of 45 °. The device allows you to independently measure the horizontal and vertical components of the force. The disadvantage of this method is the ability to respond only to components of the tensile-compression strain.

Известен способ измерения силы [3] и устройство, реализующее данный способ. Способ включает в себя приложение силы нагружения к магнитоупругому элементу, выполненному из магнитострикционного материала, возбуждение его от источника переменного тока и измерение изменения электрического напряжения на магнитоупругом элементе. Силу нагружения к магнитоупругому элементу прикладывают перпендикулярно его оси, переменный ток или напряжение подают на магнитоупругий элемент на частоте проявления поверхностного эффекта и измеряют изменение соответственно или напряжения, или тока за счет изменения "поверхностного" сопротивления магнитоупругого элемента. Сила нагружения к магнитоупругому элементу прикладывается по всей его длине. Выполнение требования перпендикулярности силы к оси магнитоупругого элемента обеспечивает проявление магнитоупругого эффекта: линии действия механических сил должны преимущественно совпадать с магнитными силовыми линиями. Если магнитоупругий элемент растягивать (сила направлена вдоль оси), то магнитоупругий эффект не проявится и изменения "поверхностного" сопротивления не будет. Недостатком данного способа является возможность измерения только одной компоненты силы.A known method of measuring force [3] and a device that implements this method. The method includes applying a loading force to a magnetoelastic element made of magnetostrictive material, exciting it from an alternating current source, and measuring a change in electric voltage on the magnetoelastic element. The loading force is applied to the magnetoelastic element perpendicular to its axis, alternating current or voltage is applied to the magnetoelastic element at the frequency of manifestation of the surface effect, and the change, respectively, in voltage or current is measured by changing the "surface" resistance of the magnetoelastic element. The loading force is applied to the magnetoelastic element along its entire length. Fulfillment of the requirement of perpendicularity of the force to the axis of the magnetoelastic element ensures the manifestation of the magnetoelastic effect: the lines of action of the mechanical forces should preferably coincide with the magnetic lines of force. If the magnetoelastic element is stretched (the force is directed along the axis), then the magnetoelastic effect will not manifest itself and there will be no change in the "surface" resistance. The disadvantage of this method is the ability to measure only one component of the force.

В патенте [4] предложены способ измерения деформации и устройство для его осуществления. Предложенный способ включает локальное намагничивание измерительного элемента с последующей регистрацией магнитного поля рассеяния. При этом осуществляется разнонаправленное локальное намагничивание одного или нескольких заданных участков измерительного элемента, выполненного из материала с пьезомагнитным эффектом остаточно намагниченного состояния. Затем измерительный элемент многократно нагружают и разгружают до деформации, превышающей максимальную рабочую деформацию, в результате чего снимается необратимая часть намагниченности измерительного элемента и остается квазиобратимая часть локальной разнонаправленной намагниченности. После этого под заданной нагрузкой осуществляют локальное намагничивание одного или нескольких заданных участков измерительного элемента, выполненного из материала с магнитоупругим гистеризисом. Затем измеряют деформацию на заданных участках посредством измерения тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния на одних заданных участках с пьезомагнитным эффектом остаточной намагниченности и на других заданных участках с магнитоупругим гистеризисом измерительного элемента с помощью сканирующего устройства с феррозондовым датчиком. По данным магнитограммы определяют разность максимальных и минимальных значений тангенциальных составляющих магнитного поля рассеяния. Величину действующей в момент измерения деформации измерительного элемента расчитывают по величине разности напряженности в максимуме и минимуме магнитного поля рассеяния на заданных участках, обладающих пьезомагнитными свойствами. Недостатком предложенного способа является возможность измерения только деформации растяжения.In the patent [4] a method for measuring strain and a device for its implementation. The proposed method includes local magnetization of the measuring element with subsequent registration of the scattering magnetic field. In this case, multidirectional local magnetization of one or several predetermined portions of the measuring element made of a material with the piezomagnetic effect of the remanent state is carried out. Then the measuring element is repeatedly loaded and unloaded to a deformation exceeding the maximum working deformation, as a result of which the irreversible part of the magnetization of the measuring element is removed and the quasi-reversible part of the local multidirectional magnetization remains. After this, under a given load, local magnetization of one or more predetermined sections of the measuring element made of a material with magnetoelastic hysteresis is carried out. Then, the strain is measured at predetermined sites by measuring the tangential component of the scattering magnetic field at some predetermined sites with the piezomagnetic effect of the remanent magnetization and at other predetermined sites with magnetoelastic hysteresis of the measuring element using a scanning device with a flux probe. According to the magnetogram, the difference between the maximum and minimum values of the tangential components of the scattering magnetic field is determined. The value of the measuring element’s deformation acting at the time of measurement is calculated from the magnitude of the difference in tension at the maximum and minimum of the scattering magnetic field in predetermined areas with piezomagnetic properties. The disadvantage of the proposed method is the ability to measure only tensile strain.

Компания GTM GmbH (Германия) предлагает 2D датчик сложной нагрузки (растяжение-кручение - Tension-torsion combination, измеряемыми величинами являются сила Fx и момент силы Mz) на основе комбинации собственных датчиков силы серии K и датчиков крутящего момента серии М [5]. Система применяется в качестве контрольных датчиков в оборудовании для испытаний материалов на растяжение с кручением. Используемые линейные датчики имеют номинальный диапазон измерения силы ±4 - ±630 кН при соответствующей линейной деформации 71-320 мкм и разрешающей способности 1% от номинального значения. Используемые датчики крутящего момента серии М имеют номинальный диапазон измерения момента силы 2-500 Н⋅м при разрешающей способности 1% от номинального значения и соответствующем угле деформации кручения 0.007-0.18 радиан. Недостатком данного решения является сложная конструкция 2D датчика, представляющего собой сугубо механическое объединение двух датчиков, основанных на различных чувствительных элементах.GTM GmbH (Germany) offers a 2D sensor of complex load (tensile-torsion - Tension-torsion combination, measured values are force F x and torque M z ) based on a combination of own K-series force sensors and M-series torque sensors [5] . The system is used as control sensors in equipment for testing tensile materials with torsion. The linear sensors used have a nominal force measurement range of ± 4 - ± 630 kN with a corresponding linear deformation of 71-320 μm and a resolution of 1% of the nominal value. The used torque sensors of the M series have a nominal range of measuring torque of 2-500 N⋅m with a resolution of 1% of the nominal value and a corresponding torsion angle of 0.007-0.18 radians. The disadvantage of this solution is the complex design of the 2D sensor, which is a purely mechanical combination of two sensors based on different sensitive elements.

Наиболее близким аналогом из известных технических решений, принятым за прототип, является способ, реализованный в датчике критических упругих растягивающих напряжений из аморфной металлической ленты [6]. Устройство представляет собой бескорпусную конструкцию. Датчик содержит тонкий полый цилиндрический диэлектрический каркас, в котором находится плоский упругий держатель из немагнитного материала с прикрепленным к нему чувствительным элементом в виде узкой полоски длиной 0.03-0.05 м, вырезанной из высокомагнитострикционной аморфной металлической ленты на основе железа (например Fe64Co21B15 или Fe81,5В13,5Si3C2). Длина цилиндрического каркаса составляет около двух длин чувствительного элемента. На чувствительный элемент в его центральной части навита медная катушка индуктивности, соединенная через отверстия в каркасе с триггерным устройством, срабатывающим при превышении определенного значения электрического напряжения. На цилиндрический каркас вдоль всей его длины навит медный соленоид, выходы которого соединены с регулируемым источником постоянного электрического тока. Упругий держатель, выполненный из немагнитного материала, жестко закреплен с обеих сторон при помощи крепежных устройств с жесткими неупругими стойками, с упругой пластиной из немагнитного материала, приклеенной к контролируемой поверхности.The closest analogue of the known technical solutions adopted for the prototype is the method implemented in the sensor of critical elastic tensile stresses from an amorphous metal tape [6]. The device is a frameless design. The sensor contains a thin hollow cylindrical dielectric frame, in which there is a flat elastic holder of non-magnetic material with a sensitive element attached to it in the form of a narrow strip 0.03-0.05 m long, cut out of a high-magnetostrictive amorphous metal strip based on iron (for example, Fe 64 Co 21 B 15 or Fe 81.5 V 13.5 Si 3 C 2 ). The length of the cylindrical frame is about two lengths of the sensing element. A copper inductance coil is connected to the sensitive element in its central part, connected through openings in the frame to a trigger device that is triggered when a certain voltage value is exceeded. A copper solenoid is wound onto the cylindrical frame along its entire length, the outputs of which are connected to an adjustable source of constant electric current. An elastic holder made of non-magnetic material is rigidly fixed on both sides by means of fixing devices with rigid inelastic struts, with an elastic plate of non-magnetic material glued to the controlled surface.

Измерение величины пороговой деформации осуществляется следующим образом. Чувствительный элемент в виде узкой полоски, вырезанной из высокомагнитострикционной аморфной металлической ленты на основе железа (например Fe64Co21B15 или Fe81,5B13,5Si3C2) проходит обработку в интервале температур между температурой Кюри и температурой начала процесса кристаллизации, в результате чего создается выраженная одноосная анизотропия с заданной ориентацией оси легкого намагничивания и величиной поля наведенной анизотропии. Задают с помощью соленоидальной обмотки постоянное магнитное поле, в котором первоначально находится чувствительный элемент и ориентированное вдоль его длины. Значение первоначального магнитного поля определяется величиной критического поля упругих растягивающих напряжений поверхности. С ростом значения упругих растягивающих напряжений, ось легкого намагничивания изменяет ориентацию, а величина поля наведенной анизотропии линейно уменьшается. Далее определяется критическое упругое напряжение: при определенной величине упругих растягивающих напряжений, определяемой током в соленоиде, намагниченность чувствительного элемента скачкообразно меняется, вызывая однократное изменение ЭДС в приемной катушке, которое фиксируется триггерным устройством.The threshold strain is measured as follows. A sensitive element in the form of a narrow strip cut from a high magnetostrictive amorphous metal strip based on iron (for example, Fe 64 Co 21 B 15 or Fe 81.5 B 13.5 Si 3 C 2 ) is processed in the temperature range between the Curie temperature and the temperature at which the process begins crystallization, resulting in a pronounced uniaxial anisotropy with a given orientation of the axis of easy magnetization and the magnitude of the induced anisotropy field. Using a solenoidal winding, a constant magnetic field is set in which the sensing element is initially located and oriented along its length. The value of the initial magnetic field is determined by the critical field of the elastic tensile stresses of the surface. With an increase in the value of elastic tensile stresses, the axis of easy magnetization changes orientation, and the magnitude of the induced anisotropy field decreases linearly. Next, the critical elastic stress is determined: at a certain value of elastic tensile stresses determined by the current in the solenoid, the magnetization of the sensing element changes stepwise, causing a single change in the EMF in the receiving coil, which is fixed by the trigger device.

Устройство позволяет контролировать критическую величину растягивающих напряжений путем индукционной регистрации скачкообразного изменения намагниченности чувствительного элемента из высокомагнитострикционной аморфной металлической ленты. Недостатком данного способа является способность реагировать только на растягивающие напряжения и пороговый характер срабатывания при достижении механического напряжения определенной величины.The device allows you to control the critical value of tensile stresses by induction registration of a spasmodic change in the magnetization of a sensitive element from a high magnetostrictive amorphous metal tape. The disadvantage of this method is the ability to respond only to tensile stresses and the threshold nature of the operation when a mechanical stress of a certain value is reached.

В [7] описано калибровочное устройство для задания деформации растяжения аморфной ленты. Деформация задается с помощью калиброванных грузиков, которые крепятся к нити, одним из концов жестко соединенной с незакзафиксированным концом ленты. Нить пропускается через блок и, таким образом, сила тяжести грузиков преобразуется в горизонтально направленную силу, растягивающую ленту. Недостатками устройства является возможность задавать только деформации растяжения аморфной ленты и неудобный ручной способ задания натяжения ленты.In [7], a calibration device for setting the tensile strain of an amorphous tape is described. The deformation is set using calibrated weights, which are attached to the thread, one of the ends of which is rigidly connected to the unsecured end of the tape. The thread is passed through the block and, thus, the gravity of the weights is converted into a horizontally directed force, the stretching tape. The disadvantages of the device is the ability to set only tensile strains of the amorphous tape and an uncomfortable manual way to set the tape tension.

В [8] приведено описание калибровочного устройства для задания деформации растяжения аморфной металлической ленты. Натяжение аморфной металлической ленты длиной 30 см задается с помощью микрометрического винта и пружины. Сила натяжения ленты измеряется цифровым датчиком силы. Недостатками устройства является возможность задавать только деформации растяжения аморфной ленты и ручное задание натяжения ленты.In [8], a calibration device is described for setting the tensile strain of an amorphous metal strip. The tension of an amorphous metal tape 30 cm long is set using a micrometer screw and spring. The tension of the tape is measured by a digital force sensor. The disadvantages of the device is the ability to set only the tensile strains of the amorphous tape and the manual task of the tape tension.

В [9] приведено описание калибровочного устройства, которое может быть принято за прототип предлагаемого. Натяжение аморфной металлической ленты задается с помощью барабана с приводом на основе шагового двигателя и передается на ленту через латунную пружину. Сила натяжения ленты измеряется коммерческим датчиком силы. Недостатком устройства является возможность задавать только деформации растяжения аморфной ленты.In [9], a calibration device is described, which can be taken as a prototype of the proposed one. The tension of the amorphous metal tape is set using a drum with a drive based on a stepper motor and transmitted to the tape through a brass spring. Tape tension is measured with a commercial force transducer. The disadvantage of this device is the ability to set only tensile strains of the amorphous tape.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технический результат в предлагаемом способе измерения механических деформаций заключается в реализации возможности различать вид деформации (деформация растяжения-сжатия или деформация кручения) и измерять независимо характеристики составляющих сложной деформации - абсолютное удлинение-сжатие и угол закручивания.The technical result in the proposed method for measuring mechanical strains is to realize the ability to distinguish between the type of strain (tensile compression and torsional strain) and independently measure the characteristics of the components of complex deformation — absolute elongation-compression and twist angle.

Технический результат обеспечивается тем, что способ измерения величины сложных механических деформаций, включает намагничивание чувствительного элемента или его участка, регистрацию петли магнитного гистерезиса и расчет отдельных составляющих сложной деформации, причем в качестве чувствительного элемента используют аморфную металлическую ленту Fe80-xCoxP14B6, обладающую магнитоупругим откликом, причем перед измерением величины сложных механических деформаций осуществляют калибровку чувствительного элемента, при которой последовательно задают растягивающие и крутильные деформации с одновременной регистрацией петли магнитного гистерезиса, затем определяют зависимость четырех характеристик петли магнитного гистерезиса: максимальной индукции Bmax, достигаемой при заданном значении намагничивающего поля Н, остаточной индукции Brem при значении H=0, коэрцитивного поля Hc, и прямоугольности гистерезисной петли, выраженной через отношение Brem/Bmax, от относительного удлинения (ε) чувствительного элемента и относительного угла его закручивания (Θ); и формируют калибровочные данные, включающие графики и массивы данных характеристик петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem, Нс, и Brem/Bmax при различных значениях ε и Θ, для измерения величины сложных механических деформаций чувствительный элемент закрепляют на исследуемом объекте в преднатянутом состоянии, регистрируют характеристики петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem, Нс, и Brem/Bmax и при заданном намагничивающим поле Н, а расчет отдельных составляющих сложной деформации осуществляют по калибровочным данным.The technical result is ensured by the fact that the method of measuring the magnitude of complex mechanical deformations involves magnetizing a sensitive element or its portion, registering a magnetic hysteresis loop and calculating individual components of complex deformation, and an amorphous metal tape Fe is used as a sensitive element80-xCoxP14B6having a magnetoelastic response, and before measuring the magnitude of complex mechanical deformations, a sensor is calibrated in which tensile and torsional deformations are simultaneously set with the simultaneous registration of the magnetic hysteresis loop, then the dependence of the four characteristics of the magnetic hysteresis loop is determined: maximum induction Bmaxachieved at a given value of the magnetizing field H, residual induction Brem when H = 0, the coercive field Hc, and the squareness of the hysteresis loop expressed in terms of the ratio Brem/ Bmax, from the relative elongation (ε) of the sensing element and the relative angle of its twisting (Θ); and generate calibration data, including graphs and data arrays of characteristics of the magnetic hysteresis loop Bmax, Brem, Nfrom, and Brem/ Bmaxfor various values of ε and Θ, to measure the magnitude of complex mechanical deformations, the sensitive element is fixed on the studied object in a pretensioned state, the characteristics of the magnetic hysteresis loop B are recordedmax, Brem, Nfrom, and Brem/ Bmax and for a given magnetizing field H, and the calculation of the individual components of complex deformation is carried out according to calibration data.

Технический результат достигается также тем, что калибровочное устройство состоит из чувствительного элемента в виде узкой магнитострикционной аморфной металлической ленты, возбуждающей и приемной катушек, регистрирующего устройства, и содержит электромеханическую систему, включающую первый шаговый двигатель на подвижной каретке, предназначенный для создания деформации кручения чувствительного элемента путем поворота своего вала вокруг оси, и второй шаговый двигатель, предназначенный для перемещения связанной с ним подвижной каретки и обеспечивающий деформацию растяжения чувствительного элемента, при этом возбуждающая катушка имеет соленоидальную обмотку и соединена с задающим генератором синусоидальных колебаний, приемная катушка состоит из двух идентичных обмоток параллельно ориентированных в пространстве вдоль оси возбуждающей катушки и включенных электрически последовательно и встречно по индукционной ЭДС, при этом регистрирующее устройство соединено через интегратор с приемной катушкой и с возбуждающей катушкой. Описание чертежейThe technical result is also achieved by the fact that the calibration device consists of a sensitive element in the form of a narrow magnetostrictive amorphous metal tape, exciting and receiving coils, a recording device, and contains an electromechanical system that includes a first stepper motor on a movable carriage, designed to create torsion strain of the sensitive element by turning its shaft around the axis, and a second stepper motor designed to move the associated movable car grid and providing a tensile strain of the sensing element, while the exciting coil has a solenoidal winding and is connected to a master oscillator of sinusoidal oscillations, the receiving coil consists of two identical windings parallel to the space in parallel along the axis of the exciting coil and connected electrically in series and counter-along the induction emf, while the recording device is connected through an integrator to the receiving coil and to the exciting coil. Description of drawings

На фиг. 1 показан набор петель магнитного гистерезиса в ленте Fe48Co32P14B6, подверженной различным типам деформаций: относительное растяжение ε (слева) и относительный угол закручивания Θ (справа). На вставке к левому рисунку приведены значения максимально достигаемой индукции насыщения Bmax и прямоугольность петли Brem/Bmax, при приложении растягивающего напряжения σ без закручивания ленты (Θ=0), к правому - прямоугольность петли и коэрцитивное поле Нс при различных относительных углах закручивания для ненатянутой ленты (σ=0). Здесь В - магнитная индукция, Н - приложенное намагничивающее поле, Brem - остаточная индукция.In FIG. Figure 1 shows a set of magnetic hysteresis loops in a Fe 48 Co 32 P 14 B 6 ribbon subject to various types of deformations: relative tensile ε (left) and relative twist angle Θ (right). The inset to the left figure shows the values of the maximum achievable saturation induction B max and the squareness of the loop B rem / B max , when a tensile stress σ is applied without twisting the tape (Θ = 0), to the right - the squareness of the loop and the coercive field H c at various relative angles twisting for an unstretched tape (σ = 0). Here B is magnetic induction, H is the applied magnetizing field, B rem is the residual induction.

На фиг. 2 показаны петли магнитного гистерезиса ленты Fe48Co32P14B6 под приложенной деформацией кручения (Θ=var). Левый график - в ненатянутой ленте σ=0, правый - в приложенном растягивающим напряжении σ=35.7 МПа.In FIG. Figure 2 shows the magnetic hysteresis loops of the Fe 48 Co 32 P 14 B 6 ribbon under the applied torsion strain (Θ = var). The left graph shows σ = 0 in an unstretched tape, and the right graph shows a tensile stress of σ = 35.7 MPa.

На фиг. 3 показаны зависимости величин Bmax, Brem, и Hc от относительного угла закручивания Θ для различных линейных напряжений σ.In FIG. Figure 3 shows the dependences of B max , B rem , and H c on the relative twist angle Θ for various linear stresses σ.

На фиг. 4 показаны зависимости величин Bmax, Brem, и Нс от приложенного растягивающего напряжения σ для различных относительных углов закручивания ленты Θ.In FIG. Figure 4 shows the dependences of the values of B max , B rem , and N s on the applied tensile stress σ for various relative angles of twisting of the tape Θ.

На фиг. 5 представлена блок-схема установки, реализующей предлагаемый способ измерения сложных деформаций.In FIG. 5 shows a block diagram of an installation that implements the proposed method for measuring complex strains.

На фиг. 6 показана блок-схема, поясняющая пример реализации способа измерения. Выделенная пунктиром область относится к калибровочному устройству.In FIG. 6 is a flowchart illustrating an example implementation of a measurement method. The dotted area refers to the calibration device.

На фиг. 7 показано устройство магнитометра. Магнитометр состоит из идентичных друг другу приемных катушек 12 и 13, включенных последовательно и встречно по индукционной ЭДС, задающей соленоидальной катушки 14, которая питается от генератора переменного напряжения. Аморфная лента 15 вставлена в одну из приемных катушек.In FIG. 7 shows a magnetometer device. The magnetometer consists of identical receiving coils 12 and 13 connected in series and counterclockwise by induction emf, defining a solenoidal coil 14, which is powered by an alternating voltage generator. Amorphous tape 15 is inserted into one of the receiving coils.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Предлагаемый способ измерения сложных деформаций основан на магнитоупругом эффекте. Он заключается в том, что при приложении сложных механических деформаций (растяжения и кручения) к аморфной быстрозакаленной ленте из ферромагнитного сплава наблюдается различная динамика изменения петли магнитного гистерезиса в зависимости от вида механической деформации (растяжение или кручение). На основе этого достигается способность различить отдельные компоненты сложной деформации одним датчиком (чувствительным элементом). Способ измерения величины сложных механических деформаций включает намагничивание чувствительного элемента или его участка, регистрацию петли магнитного гистерезиса и расчет отдельных составляющих сложной деформации.The proposed method for measuring complex strains is based on the magnetoelastic effect. It consists in the fact that when complex mechanical deformations (tension and torsion) are applied to an amorphous rapidly quenched ferromagnetic alloy tape, different dynamics of the magnetic hysteresis loop change depending on the type of mechanical deformation (tension or torsion). Based on this, the ability to distinguish the individual components of complex deformation by a single sensor (sensing element) is achieved. A method for measuring the magnitude of complex mechanical deformations involves magnetizing a sensitive element or its portion, registering a magnetic hysteresis loop, and calculating the individual components of a complex deformation.

В качестве чувствительного элемента используют аморфную быстрозакаленную ленту из сплава Fe48Co32P14B6, обладающую магнитоупругим откликом, для которой изменение петли магнитного гистерезиса различно для различного типа деформации - в случае деформации растяжения-сжатия происходит преимущественно изменение намагниченности насыщения Bmax, а в случае деформации кручения преимущественно изменяется коэрцитивное поле Hc и прямоугольность петли, определяемая отношением Brem/Bmax [10-11]. Измерение этих характеристик петли магнитного гистерезиса позволяет различать вид деформации.As the sensor used an amorphous rapidly quenched ribbon of the alloy Fe 48 Co 32 P 14 B 6 having magnetoelastic response to which changing magnetic hysteresis loops is different for different types of strain - in the case of compression strain deformation occurs mainly change the saturation magnetization B max, and in the case of torsion strain, the coercive field H c and the rectangularity of the loop, determined by the ratio B rem / B max [10-11], mainly change. Measurement of these characteristics of the magnetic hysteresis loop makes it possible to distinguish between the type of deformation.

Для иллюстрации этого на фиг. 1 изображены наборы петель магнитного гистерезиса для аморфной ленты Fe48Co32P14B6, подверженной различным типам деформаций: растяжение (ε - относительное удлинение чувствительного элемента, измеряемое в %) и кручение (Θ - относительный угол его закручивания, измеряемый в °/см). Видно, что изменения в петле гистерезиса характеризуются четырьмя параметрами, которые могут быть непосредственно измерены: максимальное значение магнитной индукции Bmax, достигаемое при заданном значении намагничивающего поля Н, остаточная индукция Brem при значении Н=0, коэрцитивное поле Нс и прямоугольность петли, выраженная через отношение Brem/Bmax.To illustrate this in FIG. Figure 1 shows the sets of magnetic hysteresis loops for an amorphous Fe 48 Co 32 P 14 B 6 ribbon subject to various types of deformations: elongation (ε is the elongation of the sensitive element, measured in%) and torsion (Θ is the relative angle of twist, measured in ° / cm). It can be seen that the changes in the hysteresis loop are characterized by four parameters that can be directly measured: the maximum value of the magnetic induction B max achieved at a given value of the magnetizing field H, the residual induction B rem at the value H = 0, the coercive field H c and the squareness of the loop, expressed in terms of the ratio B rem / B max .

Натяжение незакрученной ленты (Θ=0) приводит к существенному увеличению намагниченности В и прямоугольности петли Brem/Bmax, в то время как коэрцитивное поле Нс меняется несущественно (левый график на фиг. 1). На вставке показана зависимость максимальной индукции Bmax и прямоугольности петли Brem/Bmax при увеличении механического растягивающего напряжения σ до 346 МПа. На верхней оси приведена величина относительной деформации ε=σ/Е, рассчитанная по известному значению модуля Юнга Е=43 ГПа. В случае деформации кручения в отсутствии натяжения ленты (σ=0), напротив, значение максимальной индукции Bmax при заданном намагничивающем поле практически не меняется при изменении относительного угла закручивания Θ до 21 °/см. В то же время при кручении ленты изменяются коэрцитивное поле Hc и прямоугольность петли Brem/Bmax (правый график на фиг. 1).The tension of the untwisted tape (Θ = 0) leads to a significant increase in the magnetization B and the squareness of the loop B rem / B max , while the coercive field H c changes insignificantly (left graph in Fig. 1). The inset shows the dependence of the maximum induction B max and the rectangularity of the loop B rem / B max with an increase in the mechanical tensile stress σ to 346 MPa. The relative strain ε = σ / Е is calculated on the upper axis, calculated from the known Young's modulus E = 43 GPa. In the case of torsion deformation in the absence of tape tension (σ = 0), on the contrary, the value of the maximum induction B max for a given magnetizing field practically does not change when the relative twist angle Θ changes to 21 ° / cm. At the same time, the torsion of the tape changes the coercive field H c and the rectangularity of the loop B rem / B max (right graph in Fig. 1).

Существенная разница в характере изменения формы петли и ее параметров делает возможным определение отдельных компонент тензора механической деформации ε. Изменения величины Bmax вызваны растяжением ленты, изменения коэрцитивного поля Нс - закручиванием ленты вокруг оси. На фиг. 2 показаны петли магнитного гистерезиса при приложении сложной деформации рястяжение-кручение. Как видно из фиг. 2, при одновременном растяжении и кручении ленты увеличение величины Bmax также вызвано ростом деформации растяжения, а увеличение коэрцитивного поля Нс - ростом деформации кручения. Зависимости Bmax от ε и Нс от Θ (вставки к фиг. 1) могут быть использованы для определения отдельных компонент тензора сложной деформации растяжение-кручение.A significant difference in the nature of the change in the shape of the loop and its parameters makes it possible to determine the individual components of the tensor of mechanical strain ε. Changes in the value of B max caused by the stretching of the tape, changes in the coercive field H with - twisting the tape around the axis. In FIG. Figure 2 shows the magnetic hysteresis loops when applying complex tensile-torsion deformation. As can be seen from FIG. 2, with simultaneous stretching and torsion of the tape, an increase in B max is also caused by an increase in tensile deformation, and an increase in the coercive field Н с is caused by an increase in torsional deformation. The dependences of B max on ε and H s on Θ (insets to Fig. 1) can be used to determine the individual components of the tensile-torsion complex tensor.

Перед измерением величины сложных механических деформаций осуществляют калибровку чувствительного элемента, при которой последовательно задают растягивающие и крутильные деформации с одновременной регистрацией петли магнитного гистерезиса. Затем определяют зависимость четырех характеристик петли магнитного гистерезиса: максимальной индукции Bmax, достигаемой при заданном значении намагничивающего поля Н, остаточной индукции Brem при значении Н=0, коэрцитивного поля Нс, и прямоугольности гистерезисной петли, выраженной через отношение Brem/Bmax от относительного удлинения (ε) чувствительного элемента и относительного угла его закручивания (Θ). После этого формируют калибровочные данные, включающие графики и массивы данных характеристик петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem, Нс и Brem/Bmax при различных значениях ε и Θ.Before measuring the magnitude of complex mechanical strains, a sensor is calibrated in which tensile and torsional strains are sequentially set while registering a magnetic hysteresis loop. Then, the dependence of the four characteristics of the magnetic hysteresis loop is determined: the maximum induction B max achieved at a given value of the magnetizing field H, the residual induction B rem at H = 0, the coercive field H c , and the squareness of the hysteresis loop expressed in terms of the ratio B rem / B max from the relative elongation (ε) of the sensitive element and the relative angle of its twisting (Θ). After that, calibration data is generated, including graphs and data arrays of characteristics of the magnetic hysteresis loop B max , B rem , Н с and B rem / B max for various values of ε and Θ.

На фиг. 3 и 4 показан пример суммарных зависимостей величин Bmax, Brem и Нс (калибровочные данные) от приложенного линейного напряжения и относительного угла закручивания, варьированных в диапазонах σ от 0 до 106.2 МПа и Θ от 0 до 76.6°/см, соответственно. Как видно из фиг. 3, для всех заданных значений о величины магнитных индукций Bmax и Brem остаются приблизительно постоянными при различных значениях Θ, в то время как Нс начинает линейно возрастать при Θ>20°/см. Из фиг. 4 следует, что существенный рост Brem происходит при увеличении линейного напряжения практически одинаково во всем диапазоне варьирования относительного угла закручивания Θ.In FIG. Figures 3 and 4 show an example of the total dependences of the values of B max , B rem, and N s (calibration data) on the applied linear voltage and relative twist angle, varied in the ranges σ from 0 to 106.2 MPa and Θ from 0 to 76.6 ° / cm, respectively. As can be seen from FIG. 3, for all given values of the magnitudes of the magnetic inductions, B max and B rem remain approximately constant at various values of Θ, while H s begins to increase linearly at Θ> 20 ° / cm. From FIG. 4 it follows that a significant increase in B rem occurs with increasing linear voltage almost the same in the entire range of variation of the relative twist angle Θ.

Проиллюстрируем, как из зависимостей на фиг. 3 и 4 можно определить компоненты тензора сложной деформации - растяжение и кручение. В качестве примера предположим, что на измеренной петле магнитного гистерезиса ленты, подвергнутой сложной деформации растяжение-кручение, получены значения Brem=1.15 Тл и Hc=50 А/м. Тогда из фиг. 4 получаем, что значению Brem=1.15 Тл соответствует значение линейного'напряжения а от 60 и 85 МПа. Далее, из фиг. 3 из пересечения линии Нс=50 А/м с кривыми зависимостей Hc(Θ), соответствующих значениям 60 МПа<σ<85 МПа, находим, что интервал значения величины Θ очень узкий и составляет от 53 до 54°/см. Теперь, по зависимости Hc(σ) на фиг. 4 находим, что линия Нс=50 А/м практически совпадает с кривой Нс(σ) для значения Θ=53.6°/см во всем диапазоне относительных линейных деформаций ε свыше 0.05 %. В заключение, используя на фиг. 4 пересечение линии Brem=1.15 Тл с кривой Нс(σ) для Θ=53.6 °/см находим искомую величину приложенного линейного механического напряжения σ=71 МПа и соответствующую ему величину линейной деформации ε=0.17%.We illustrate how the dependencies in FIG. 3 and 4, it is possible to determine the components of the complex strain tensor — tension and torsion. As an example, suppose that on the measured magnetic hysteresis loop of a tape subjected to complex tensile-torsional strain, the values of B rem = 1.15 T and H c = 50 A / m are obtained. Then from FIG. 4 we obtain that the value of B rem = 1.15 T corresponds to the value of the linear voltage a between 60 and 85 MPa. Further, from FIG. 3 from the intersection of the line Н с = 50 A / m with the curves of the dependences H c (Θ) corresponding to 60 MPa <σ <85 MPa, we find that the interval of the value of величины is very narrow and ranges from 53 to 54 ° / cm. Now, according to the dependence H c (σ) in FIG. 4 we find that the line Н с = 50 A / m practically coincides with the curve Н с (σ) for the value Θ = 53.6 ° / cm in the entire range of relative linear strains ε over 0.05%. Finally, using in FIG. 4, the intersection of the line B rem = 1.15 T with the curve H with (σ) for Θ = 53.6 ° / cm, we find the desired value of the applied linear mechanical stress σ = 71 MPa and the corresponding value of the linear strain ε = 0.17%.

Дополнительно на фиг. 3 и 4 вертикальными линиями со стрелками, направленными направо, указан доверительный диапазон регистрации мультикомпонентных механических деформаций: Θ>20 °/см и ε>0.05%.Additionally, in FIG. 3 and 4 by vertical lines with arrows pointing to the right indicate the confidence range for detecting multicomponent mechanical strains: Θ> 20 ° / cm and ε> 0.05%.

После калибровки чувствительного элемента производят измерения. Для определения величины сложных механических деформаций чувствительный элемент закрепляют на исследуемом объекте в преднатянутом состоянии, что позволяет определять деформацию растяжения. После этого регистрируют характеристики петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem и Нс при заданном намагничивающим поле Н, а расчет отдельных составляющих сложной деформации осуществляют по калибровочным данным.After calibration of the sensitive element, measurements are made. To determine the magnitude of complex mechanical deformations, the sensitive element is fixed on the studied object in a pre-tensioned state, which allows determining the tensile strain. After that, the characteristics of the magnetic hysteresis loop B max , B rem, and H c are recorded for a given magnetizing field H, and the calculation of the individual components of complex deformation is carried out according to calibration data.

Калибровку чувствительного элемента перед измерением сложных механических деформаций осуществляют с помощью специального устройства, представленного на фиг. 6 внутри выделенной пунктиром области. Калибровочное устройство состоит из чувствительного элемента в виде узкой магнитострикционной аморфной металлической ленты, возбуждающей и приемной катушки, регистрирующего устройства. Отличает устройство то, что оно содержит электромеханическую систему, включающую первый шаговый двигатель на подвижной каретке, предназначенный для создания деформации кручения чувствительного элемента путем поворота своего вала вокруг оси, второй шаговый двигатель, предназначенный для перемещения связанной с ним подвижной каретки и обеспечивающий деформацию растяжения чувствительного элемента. Возбуждающая катушка имеет соленоидальную обмотку и соединена с задающим генератором синусоидальных колебаний, а приемная катушка состоит из двух идентичных обмоток, параллельно ориентированных в пространстве вдоль оси возбуждающей катушки и включенных электрически последовательно и встречно по индукционной ЭДС. Регистрирующее устройство соединено через интегратор с приемной катушкой и с возбуждающей катушкой. При калибровке последовательно задают растягивающие и крутильные деформации с одновременной регистрацией петли магнитного гистерезиса, и затем определяют зависимость четырех характеристик петли магнитного гистерезиса: максимальной индукции Bmax, достигаемой при заданном значении намагничивающего поля Н, остаточной индукции Brem при значении Н=0, коэрцитивного поля Hc и прямоугольности гистерезисной петли, выраженной через отношение Brem/Bmax от относительного удлинения (ε) чувствительного элемента и относительного угла его закручивания (Θ); и формируют калибровочные данные, включающие графики и массивы данных характеристик петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem, Нс, и Brem/Bmax при различных значениях ε и Θ. Для измерения величины сложных механических деформаций чувствительный элемент закрепляют на исследуемом объекте в преднатянутом состоянии, регистрируют характеристики петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem, Нс, и Brem/Bmax при заданном намагничивающим поле Н, а расчет отдельных составляющих сложной деформации осуществляют по калибровочным данным.Calibration of the sensor before measuring complex mechanical deformations is carried out using a special device shown in FIG. 6 inside the dotted area. The calibration device consists of a sensitive element in the form of a narrow magnetostrictive amorphous metal tape, an exciting and receiving coil, a recording device. The device is distinguished by the fact that it contains an electromechanical system, including a first stepper motor on a movable carriage, designed to create torsion deformation of the sensing element by rotating its shaft around the axis, a second stepper motor, designed to move the associated movable carriage and providing tensile deformation of the sensing element . The exciting coil has a solenoidal winding and is connected to the master oscillator of sinusoidal oscillations, and the receiving coil consists of two identical windings, parallel oriented in space along the axis of the exciting coil and connected electrically in series and counter-along the induction emf. The recording device is connected through an integrator to the receiving coil and to the exciting coil. During calibration, tensile and torsional deformations are sequentially set with simultaneous registration of the magnetic hysteresis loop, and then the dependence of the four characteristics of the magnetic hysteresis loop is determined: the maximum induction B max achieved at a given value of the magnetizing field H, the residual induction B rem at H = 0, the coercive field H c and the squareness of the hysteresis loop expressed in terms of the ratio B rem / B max from the relative elongation (ε) of the sensing element and the relative twist angle (Θ); and form calibration data, including graphs and data arrays of the characteristics of the magnetic hysteresis loop B max , B rem , Н с , and B rem / B max for various values of ε and Θ. To measure the magnitude of complex mechanical deformations, the sensitive element is fixed on the test object in a pre-tensioned state, the characteristics of the magnetic hysteresis loop B max , B rem , Н с , and B rem / B max for a given magnetizing field H are recorded, and the individual components of complex deformation are calculated using calibration data.

Описанный способ реализован следующим образом. Для калибровки чувствительного элемента при различных величинах сложной деформации использована установка, блок - схема которой изображена на фиг. 5. Датчик состоит из генератора переменного напряжения, питающего задающую катушку магнитометра, интегратора (пассивного, активного или цифрового) и регистрирующего устройства, в качестве которого может быть использован запоминающий осциллограф или иной другой регистрирующий прибор.The described method is implemented as follows. To calibrate the sensitive element for various values of complex deformation, a setup was used, the block diagram of which is shown in FIG. 5. The sensor consists of an alternating voltage generator supplying a magnetometer master coil, an integrator (passive, active or digital) and a recording device, which can be used as a storage oscilloscope or other other recording device.

Установка содержит (фиг. 6): низкочастотный магнитометр 3 для регистрации петель магнитного гистерезиса, задающая катушка которого питается от генератора переменного напряжения 2; цифрового осциллографа 5, на один вход которого подается сигнал пропорциональный току в задающей катушке, а на вторую - сигнал с приемной катушки интегрированный с помощью активного аналогового интегратора 4; электромеханическую систему на основе шаговых двигателей 9 и 10 для создания сложной деформации растяжение-кручение, котроллера 11 и балочный тензодатчик 6 для измерения растягивающего усилия, приложенного к ленте. Сигнал с тензодатчика подается на вход прецизионного инструментального усилителя 7, усиленный сигнал регистрируется цифровым вольтметром. Осциллограф, контроллер шаговых двигателей и вольтметр 8 соединены с компьютером 1, который управляет процессом измерения, принимает и записывает данные.The installation comprises (Fig. 6): a low-frequency magnetometer 3 for detecting magnetic hysteresis loops, the driving coil of which is powered by an alternating voltage generator 2; a digital oscilloscope 5, to one input of which a signal is proportional to the current in the driving coil, and to the second - a signal from the receiving coil integrated using an active analog integrator 4; an electromechanical system based on stepper motors 9 and 10 to create complex tensile-torsional deformation, the controller 11 and the beam strain gauge 6 for measuring the tensile force applied to the tape. The signal from the strain gauge is fed to the input of a precision instrumentation amplifier 7, the amplified signal is recorded by a digital voltmeter. The oscilloscope, the controller of the stepper motors and the voltmeter 8 are connected to a computer 1, which controls the measurement process, receives and records data.

Установка смонтирована на толстой (3 см) немагнитной дюралюминиевой плите. Лента длиной 40-50 см пропускается через задающую соленоидальную катушку магнитометра длиной 25 см и приемную дифференциальную катушку, содержащую 1000 витков. Задающая обмотка магнитометра питается от генератора низкочастотных колебаний и соединена последовательно с ним через балластный резистор для уменьшения искажения формы намагничивающего потока. Выходная ЭДС приемной катушки интегрируется аналоговым активным интегратором и регистрируется с помощью запоминающего осциллографа.The unit is mounted on a thick (3 cm) non-magnetic duralumin plate. A tape 40-50 cm long is passed through a master solenoidal coil of a magnetometer 25 cm long and a receiving differential coil containing 1000 turns. The magnetometer master winding is powered by a low-frequency oscillation generator and connected in series with it through a ballast resistor to reduce distortion in the shape of the magnetizing flux. The output emf of the receiving coil is integrated by an analog active integrator and is recorded using a storage oscilloscope.

Задающая (первичная) катушка является соленоидальной, внутри нее располагается приемная (вторичная) катушка. Приемная катушка состоит из двух идентичных параллельно ориентированных в пространстве вдоль оси задающей катушки обмоток, включенных электрически последовательно и встречно по индукционной ЭДС. При этом магнитный материал пронизывает витки только одной из обмоток приемной катушки. Это позволяет получать сигнал ЭДС пропорциональный исключительно намагниченности аморфной ленты, т.к. ЭДС от намагничивающего поля первичной катушки взаимовычитается. Первичная катушка питается от генератора переменного напряжения, протекающий по ней ток создает переменный во времени магнитный поток Ф1 пронизывающий аморфную ленту и обе обмотки вторичной катушки. Лента, намагничиваясь в этом внешнем магнитном поле, создает переменный во времени магнитный поток Ф2, проходящий сквозь сечения витков первичной и одной из обмоток вторичной катушек. Во вторичной катушке по закону Фарадея наводится переменная во времени ЭДС:The master (primary) coil is solenoidal, and a receiving (secondary) coil is located inside it. The receiving coil consists of two identical windings parallel in space oriented along space along the axis of the driving coil, connected electrically in series and counter-along the induction emf. In this case, the magnetic material penetrates the turns of only one of the windings of the receiving coil. This allows you to receive an EMF signal proportional exclusively to the magnetization of the amorphous tape, because EMF from the magnetizing field of the primary coil is mutually subtracted. The primary coil is powered by an alternating voltage generator, the current flowing through it creates a time-varying magnetic flux F 1 piercing the amorphous tape and both windings of the secondary coil. The tape, being magnetized in this external magnetic field, creates a time-varying magnetic flux Φ 2 passing through the sections of the turns of the primary and one of the windings of the secondary coils. In the secondary coil, according to the Faraday law, a time-variable EMF is induced:

εинд=-dФ2/dt,ε ind = -dF 2 / dt,

где t - время.where t is time.

При приложении механической нагрузки к ленте, последняя деформируется. При этом изменяются магнитные характеристики ленты и отклик, снимаемый со вторичной катушки. Как показано выше, при приложении деформации растяжения к аморфной ленте Fe48Co32P14B6 стремительно меняется максимально достигаемая индукция ленты Bmax что выражается в изменении амплитуды сигнала с приемной катушки. При этом изменения остальных магнитных характеристик пренебрежимо мало. При скручивании сильно изменяется коэрцитивное поле петли гистерезиса Нс и прямоугольность петли Brem/Bmax.When a mechanical load is applied to the tape, the latter is deformed. In this case, the magnetic characteristics of the tape and the response taken from the secondary coil are changed. As shown above, when tensile strain is applied to an amorphous Fe 48 Co 32 P 14 B 6 ribbon, the maximum attainable induction of B max tape rapidly changes, which is reflected in a change in the amplitude of the signal from the receiving coil. Moreover, changes in the remaining magnetic characteristics are negligible. When twisting, the coercive field of the hysteresis loop Н с and the squareness of the loop B rem / B max .

Сигнал со вторичной катушки поступает на аналоговый интегратор, который восстанавливает форму потока Ф2 (интегрирование по времени). Интегрированный сигнал, соответствующий Ф2, поступает на регистрирующее устройство в качестве которого может быть использован осциллограф (вход «Y»). На регистрирующее устройство также поступает сигнал пропорциональный намагничивающему потоку Ф1. Задающее магнитное поле пропорционально токовому сигналу, снимаемому с добавочного (балластного) резистора, включенного последовательно с первичной катушкой.The signal from the secondary coil is fed to an analog integrator, which restores the shape of the stream Ф 2 (integration over time). An integrated signal corresponding to Ф 2 is supplied to the recording device as an oscilloscope (input “Y”). The recording device also receives a signal proportional to the magnetizing flux f 1 . The setting magnetic field is proportional to the current signal taken from the additional (ballast) resistor connected in series with the primary coil.

Калибровку чувствительного элемента осуществляют последовательно задавая растягивающие (ε) и крутильные (Θ) деформации с одновременной регистрацией петли магнитного гистерезиса, формируют калибровочные данные четырех характеристик петли магнитного гистерезиса: максимальной индукции Bmax, остаточной индукции Brem и коэрцитивного поля Нс, зависящих от ε и Θ (аналогичные фиг. 3 и 4).Calibration of the sensing element is carried out sequentially by setting tensile (ε) and torsional (Θ) strains with simultaneous registration of the magnetic hysteresis loop, forming calibration data of four characteristics of the magnetic hysteresis loop: maximum induction B max , residual induction B rem and coercive field H c , depending on ε and Θ (similar to FIGS. 3 and 4).

Деформация чувствительного элемента (аморфной Fe48Co32P14B6 ленты) создается с помощью двух шаговых двигателей, один из которых с помощью подвижной каретки задает деформацию растяжения ε, а второй, на подвижной каретке, поворотом своего вала вокруг оси - деформацию кручения Θ. Один из концов ленты с помощью цангового зажима крепится к валу одного из шаговых двигателей, второй - к балочному тензодатчику L6D-C3-3kg-0.4B.The deformation of the sensitive element (amorphous Fe 48 Co 32 P 14 B 6 tape) is created using two stepper motors, one of which sets the tensile strain ε with the help of the movable carriage, and the torsion strain Θ by rotation of its shaft around the axis on the movable carriage . Using one collet clamp, one end of the tape is attached to the shaft of one of the stepper motors, and the second to the beam gage L6D-C3-3kg-0.4B.

Для измерения величины сложных механических деформаций чувствительный элемент закрепляют на исследуемом объекте в преднатянутом состоянии, регистрируют характеристики петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem и Нс при заданном намагничивающем поле Н, а расчет отдельных составляющих сложной деформации осуществляют по калибровочным данным (аналогичные фиг. 3 и 4).To measure the magnitude of complex mechanical deformations, the sensitive element is fixed on the test object in a pre-tensioned state, the characteristics of the magnetic hysteresis loop B max , B rem and Н с are recorded for a given magnetizing field H, and the calculation of the individual components of complex deformation is carried out according to calibration data (similar to Fig. 3 and 4).

Для возможности измерения деформации сжатия исследуемого объекта чувствительный элемент (лента) при калибровке, а также в процессе целевого измерения должна быть установлена в преднатянутом состоянии таким образом, что деформация сжатия ленты вместе с исследуемым объектом приводит к уменьшению механического растягивающего напряжения, приложенного к ленте, и испытываемой ею деформации растяжения.In order to measure the compression deformation of the test object, the sensitive element (tape) during calibration, as well as during the target measurement, must be installed in a pretensioned state so that the compression deformation of the tape together with the test object reduces the mechanical tensile stress applied to the tape, and the tensile strain she experiences.

БиблиографияBibliography

1. Патент РФ №2152009 «Дифференциально-трансформаторный магнитоупругий датчик силы», 27.06.2000.1. RF patent No. 2152009 "Differential transformer magnetoelastic force sensor", 06/27/2000.

2. Патент РФ №2168709 «Двухкоординатный преобразователь механических усилий», 10.06.2001.2. RF patent No. 2168709 "Two-coordinate transducer of mechanical forces", 10.06.2001.

3. Патент РФ №2252401 «Способ и устройство для измерения силы», 20.05.2005.3. RF patent №2252401 "Method and device for measuring force", 05/20/2005.

4. Патент РФ №2446385 «Способ измерения деформации и устройство для его осуществления», 27.03.2012.4. RF patent No. 2446385 "Method for measuring strain and a device for its implementation", 03/27/2012.

5. Многокомпонентные датчики измерения силы и крутящего момента от компании GTM: http://www.gtm-gmbh.com/ru/produktsiya/mnogokomponentnyy-datchik.html5. Multi-component force and torque sensors from GTM: http://www.gtm-gmbh.com/en/produktsiya/mnogokomponentnyy-datchik.html

6. Патент РФ №143655 «Датчик критических упругих растягивающих напряжений на аморфной металлической ленте», 27.07.2014.6. RF patent No. 143655 "Sensor of critical elastic tensile stresses on an amorphous metal tape", 07.27.2014.

7. Narita K., Yamasaki J., Fukunaga Н. Measurement of saturation magnetostriction of a thin amorphous ribbon by means of small-angle magnetization rotation // IEEE Transactions on Magnetics. - 1980. - T. 16. - №. 2. - C. 435-439.7. Narita K., Yamasaki J., Fukunaga N. Measurement of saturation magnetostriction of a thin amorphous ribbon by means of small-angle magnetization rotation // IEEE Transactions on Magnetics. - 1980. - T. 16. - No. 2 .-- C. 435-439.

8. Bydzovsky J. et al. Magnetoelastic Properties of CoFeCrSiB Amorphous Ribbons-a Possibility of their Application // JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING-BRATISLAVA-. - 2001. - T. 52. - №. 7/8. - C. 205-209.8. Bydzovsky J. et al. Magnetoelastic Properties of CoFeCrSiB Amorphous Ribbons-a Possibility of their Application // JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING-BRATISLAVA-. - 2001. - T. 52. - No. 7/8. - C. 205-209.

9. Kraus L.,

Figure 00000001
Magnetoelastic hysteresis of amorphous ribbons // Journal of applied physics. - 2003. - T. 93. - №. 10. - C. 7220-7222.9. Kraus L.,
Figure 00000001
Magnetoelastic hysteresis of amorphous ribbons // Journal of applied physics. - 2003. - T. 93. - No. 10. - C. 7220-7222.

10. B.C. Севериков, B.C. Игнахин, A.M. Гришин. Тензодатчик на основе магнитоупругого эффекта в металлических стеклах Fe48Co32P14B6 // Тезисы докладов международной молодежной конференции ФизикА. СПб. ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург. 1-3 ноября 2016 г. с. 97-98.10. BC Severikov, BC Ignakhin, AM Grishin. Strain gage based on the magnetoelastic effect in metallic glasses Fe 48 Co 32 P 14 B 6 // Abstracts of reports of the international youth conference PhysicA. SPb. FTI them. A.F. Ioffe, St. Petersburg. November 1-3, 2016 97-98.

11. V.S. Severikov, A.M. Grishin, V.S. Ignahin, Study of inverse magnetostrictive effect in metallic glasses Fe48Co32P14B6 // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2017. - T. 929. - No. 1. - C. 012049.11. VS Severikov, AM Grishin, VS Ignahin, Study of inverse magnetostrictive effect in metallic glasses Fe 48 Co 32 P 14 B 6 // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2017 .-- T. 929. - No. 1 .-- C. 012049.

Claims (2)

1. Способ измерения величины сложных механических деформаций, включающий намагничивание чувствительного элемента или его участка, регистрацию петли магнитного гистерезиса и расчет отдельных составляющих сложной деформации, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента используют аморфную металлическую ленту Fe80-xCoxP14B6, обладающую магнитоупругим откликом, причем перед измерением величины сложных механических деформаций осуществляют калибровку чувствительного элемента, при которой последовательно задают растягивающие и крутильные деформации с одновременной регистрацией петли магнитного гистерезиса, и затем определяют зависимость четырех характеристик петли магнитного гистерезиса: максимальной индукции Bmax, достигаемой при заданном значении намагничивающего поля Н, остаточной индукции Brem при значении Н=0, коэрцитивного поля Нс и прямоугольности гистерезисной петли, выраженной через отношение Brem/Bmax от относительного удлинения (ε) чувствительного элемента и относительного угла его закручивания (Θ); и формируют калибровочные данные, включающие графики и массивы данных характеристик петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem, Нс и Brem/Bmax при различных значениях ε и Θ, при этом для измерения величины сложных механических деформаций чувствительный элемент закрепляют на исследуемом объекте в преднатянутом состоянии, регистрируют характеристики петли магнитного гистерезиса Bmax, Brem, Нс при заданном намагничивающем поле Н, а расчет отдельных составляющих сложной деформации осуществляют по калибровочным данным.1. A method of measuring the magnitude of complex mechanical deformations, including magnetizing a sensitive element or its portion, registering a magnetic hysteresis loop and calculating individual components of complex deformation, characterized in that an amorphous metal tape Fe 80-x Co x P 14 B 6 is used as a sensitive element having a magnetoelastic response, moreover, before measuring the magnitude of complex mechanical deformations, a calibration of the sensitive element is carried out, in which e and torsional deformation with simultaneous recording of magnetic hysteresis loops, and then determine the dependence of the four characteristics of magnetic hysteresis loops: maximum induction B max, obtained when a given value of the magnetizing field H, the residual induction B rem at the value N = 0, the coercive field Hc and squareness a hysteresis loop expressed in terms of the ratio B rem / B max from the relative elongation (ε) of the sensing element and the relative twist angle (Θ); and form calibration data, including graphs and data arrays of characteristics of the magnetic hysteresis loop B max , B rem , Н с and B rem / B max for various values of ε and Θ, while for measuring the value of complex mechanical deformations, the sensitive element is fixed on the object under study in a pretensioned state, the characteristics of the magnetic hysteresis loop B max , B rem , Н с are recorded for a given magnetizing field H, and the calculation of the individual components of complex deformation is carried out according to calibration data. 2. Калибровочное устройство, состоящее из чувствительного элемента в виде узкой магнитострикционной аморфной металлической ленты, возбуждающей и приемной катушки, регистрирующего устройства, отличающееся тем, что для калибровки чувствительного элемента оно содержит электромеханическую систему, включающую первый шаговый двигатель на подвижной каретке, предназначенный для создания деформации кручения чувствительного элемента путем поворота своего вала вокруг оси, второй шаговый двигатель, предназначенный для перемещения связанной с ним подвижной каретки и обеспечивающий деформацию растяжения чувствительного элемента, при этом возбуждающая катушка имеет соленоидальную обмотку и соединена с задающим генератором синусоидальных колебаний, а приемная катушка состоит из двух идентичных обмоток, параллельно ориентированных в пространстве вдоль оси возбуждающей катушки и включенных электрически последовательно и встречно по индукционной ЭДС, при этом регистрирующее устройство соединено через интегратор с приемной катушкой и с возбуждающей катушкой.2. A calibration device consisting of a sensitive element in the form of a narrow magnetostrictive amorphous metal tape, an exciting and receiving coil, a recording device, characterized in that for calibrating the sensitive element it contains an electromechanical system that includes a first stepper motor on a movable carriage, designed to create deformation torsion of the sensing element by rotating its shaft around an axis, a second stepper motor designed to move the coupled a movable carriage and providing tensile deformation of the sensing element, while the exciting coil has a solenoidal winding and is connected to a master oscillator of sinusoidal vibrations, and the receiving coil consists of two identical windings, parallel oriented in space along the axis of the exciting coil and connected electrically in series and counter-along the induction EMF, while the recording device is connected through an integrator to the receiving coil and to the exciting coil.
RU2018146631A 2018-12-25 2018-12-25 Method for measuring complex mechanical deformations by means of amorphous metal band and device for calibration of sensitive element RU2708695C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018146631A RU2708695C1 (en) 2018-12-25 2018-12-25 Method for measuring complex mechanical deformations by means of amorphous metal band and device for calibration of sensitive element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018146631A RU2708695C1 (en) 2018-12-25 2018-12-25 Method for measuring complex mechanical deformations by means of amorphous metal band and device for calibration of sensitive element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2708695C1 true RU2708695C1 (en) 2019-12-11

Family

ID=69006534

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018146631A RU2708695C1 (en) 2018-12-25 2018-12-25 Method for measuring complex mechanical deformations by means of amorphous metal band and device for calibration of sensitive element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2708695C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1323848A (en) * 1971-04-23 1973-07-18 Letude A La Realisation De Com Device for the measurement of deformations in a solid body
RU2040777C1 (en) * 1991-11-06 1995-07-25 Варюхин Александр Сергеевич Gear for measurement of deformations
US6578434B1 (en) * 1998-02-16 2003-06-17 Newtech Mecatronic Inc. Tensile testing sensor for measuring mechanical jamming deformations on first installation and automatic calibrating based on said jamming
RU2452928C2 (en) * 2010-06-21 2012-06-10 Александр Васильевич Радченко Method of measuring deformation and apparatus for realising said method
RU143655U1 (en) * 2014-03-25 2014-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ИГУ") CRITICAL ELASTIC TENSION TENSION SENSOR ON AMORPHIC METAL TAPE

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1323848A (en) * 1971-04-23 1973-07-18 Letude A La Realisation De Com Device for the measurement of deformations in a solid body
RU2040777C1 (en) * 1991-11-06 1995-07-25 Варюхин Александр Сергеевич Gear for measurement of deformations
US6578434B1 (en) * 1998-02-16 2003-06-17 Newtech Mecatronic Inc. Tensile testing sensor for measuring mechanical jamming deformations on first installation and automatic calibrating based on said jamming
RU2452928C2 (en) * 2010-06-21 2012-06-10 Александр Васильевич Радченко Method of measuring deformation and apparatus for realising said method
RU143655U1 (en) * 2014-03-25 2014-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ИГУ") CRITICAL ELASTIC TENSION TENSION SENSOR ON AMORPHIC METAL TAPE

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Kraus L., Svec P. Magnetoelastic hysteresis of amorphous ribbons. Journal of applied physics. - 2003. - T. 93. - N. 10. - C. 7220-7222. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Calkins et al. Effect of prestress on the dynamic performace of a Terfenol-D transducer
US20070107528A1 (en) Versatile strain sensor employing magnetostrictive electrical conductors
Lu et al. Magnetoelectric composite Metglas/PZT-based current sensor
JP4330150B2 (en) Method for measuring magnetostriction in magnetoresistive elements
Karafi et al. Introduction of a hybrid sensor to measure the torque and axial force using a magnetostrictive hollow rod
Varghese et al. Magnetostriction measurement in thin films using laser Doppler vibrometry
Hristoforou et al. Sensors based on eddy currents in a moving disk
RU2721718C1 (en) Apparatus for measuring the dependence of the magnetostriction of a nonrigid object on the value of the external magnetic field
RU2708695C1 (en) Method for measuring complex mechanical deformations by means of amorphous metal band and device for calibration of sensitive element
Yamazaki et al. Stress-driven magnetic Barkhausen noise generation in FeCo magnetostrictive alloy
Gorkunov et al. The influence of the magnetoelastic effect on the hysteretic properties of medium-carbon steel during uniaxial loading
Ricken et al. Improved multi-sensor for force measurement of pre-stressed steel cables by means of the eddy current technique
JP6151863B2 (en) Mechanical stress sensor
Wu et al. Magnetoelectric effect for rotational parameters detection
KR101046539B1 (en) sensor
RU2654827C1 (en) Sensor for measuring mechanical deformations
Kouzoudis et al. A 2826 MB Metglas ribbon as a strain sensor for remote and dynamic mechanical measurements
RU171066U1 (en) MAGNETO-ELECTRIC CONTACTLESS DC SENSOR
Hristoforou New position sensor based on the magnetostrictive delay line principle
RU2805248C1 (en) Device for measuring the magnetic characteristics of a ferromagnet
Żurek et al. SHM-STRUCTURAL HEALTH MONITORING AND NDT FOR THIN STEEL SHEETS UNDER LDC TESTING WITH A FLAT ASYMMETRIC PCB SENSOR
Szewczyk et al. Stress dependence of sensitivity of fluxgate sensor
Drosdziok et al. A method for ultrasensitive magnetostriction measurement
RU2111501C1 (en) Method determining magnetostriction of material
Löffler et al. Measurement of the magnetization of thin-film samples subjected to mechanical stress