RU2746765C9 - Mechanical stress measurement sensor based on micro-wires with positive magnetostriction - Google Patents

Mechanical stress measurement sensor based on micro-wires with positive magnetostriction Download PDF

Info

Publication number
RU2746765C9
RU2746765C9 RU2020135355A RU2020135355A RU2746765C9 RU 2746765 C9 RU2746765 C9 RU 2746765C9 RU 2020135355 A RU2020135355 A RU 2020135355A RU 2020135355 A RU2020135355 A RU 2020135355A RU 2746765 C9 RU2746765 C9 RU 2746765C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coil
microwire
sensor
amorphous
micro
Prior art date
Application number
RU2020135355A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2746765C1 (en
Inventor
Олег Игоревич Аксенов
Артем Андреевич Фукс
Александр Семенович Аронин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)
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 учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Priority to RU2020135355A priority Critical patent/RU2746765C9/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2746765C1 publication Critical patent/RU2746765C1/en
Publication of RU2746765C9 publication Critical patent/RU2746765C9/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/24Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in magnetic properties

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment and performs the function of a mechanical stress sensor. The sensor consists of an amorphous ferromagnetic micro-wire with positive magnetostriction, located along the axis of the differential measuring coil, and an external coil that sets an alternating magnetic field along the axis of the micro-wire. The measuring differential coil is connected to an amplifier, the output of which is connected to an analog-to-digital converter (hereinafter – ADC), made as an individual device or as part of a microcontroller. The output of the signal from the ADC is implemented on a personal computer. The sensor design makes it possible to measure mechanical stresses by changing the coercive force, the switching field, and the time dependence of the electromotive force caused by the magnetic reversal of the micro-wire. At the same time, it is possible to remove the sensor case without completely separating it from the object under study to replace the amorphous ferromagnetic micro-wire during the operation of the sensor.
EFFECT: increase in the sensitivity of the stress recording system based on amorphous micro-wires, reducing interference, and ensuring the interchangeability of the sensitive element (amorphous ferromagnetic micro-wire).
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики материалов и может служить в качества датчика механических напряжений.The invention relates to the field of non-destructive testing and technical diagnostics of materials and can serve as a mechanical stress sensor.

Известен датчик измерения механических напряжений (RU 2552124, опубл. 10.06.2015), который включает в себя прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой сделано углубление, в котором помещается детектор, при этом внутри прямоугольной пластины вдоль продольной оси располагается предварительно напряженный аморфный ферромагнитный микропровод, изготовленный из обогащенных кобальтом сплавов, помещенный внутрь измерительной катушки в виде встречно соединенных соленоидов из медной проволоки. Данное устройство позволяет получать петли гистерезиса микропровода, проводить их анализ на персональном компьютере и по изменению формы кривых делать выводы о типе приложенных напряжений (растягивающие, скручивающие) и их величине.A known sensor for measuring mechanical stresses (RU 2552124, publ. 06/10/2015), which includes a rectangular plate made of polymer material, on the upper surface of which a recess is made, in which the detector is placed, while inside the rectangular plate along the longitudinal axis there is a pre-stressed amorphous a ferromagnetic microwire made of cobalt-enriched alloys, placed inside a measuring coil in the form of counter-connected copper wire solenoids. This device makes it possible to obtain microwire hysteresis loops, analyze them on a personal computer and draw conclusions about the type of applied stresses (tensile, twisting) and their magnitude by changing the shape of the curves.

Недостатком этого устройства является расположение микропровода в полимерной матрице, что потенциально может ухудшить магнитомеханические свойства микропроводов в стеклянной оболочке в силу влияния адгезии между стеклянной оболочкой и полимером. Кроме того, в данном устройстве используются микропровода с отрицательной магнитострикцией, которые не отличаются бистабильным характером перемагничивания как, например, микропровода с положительной магнитострикцией, а имеют наклонную петлю гистерезиса. Анализ кривых перемагничивания микропроводов с положительной магнитострикцией может обеспечить большую чувствительность к деформации и потенциально более удобно для регистрации сигнала перемагничивания.The disadvantage of this device is the location of the microwire in the polymer matrix, which can potentially deteriorate the magnetomechanical properties of microwires in the glass shell due to the effect of adhesion between the glass shell and the polymer. In addition, this device uses microwires with negative magnetostriction, which do not differ in the bistable nature of magnetization reversal, such as microwires with positive magnetostriction, but have an oblique hysteresis loop. Analysis of the magnetization reversal curves of microwires with positive magnetostriction can provide greater sensitivity to deformation and potentially more convenient for recording the magnetization reversal signal.

Известен композитный датчик (WO 2010055282, опубл. 20.05.2010). Композитный датчик также основан на расположении микропровода в полимерной матрице. Через микропровод пропускается переменный электрический ток и регистрируется напряжение на микропроводе. Данный композитный датчик основан на применении эффекта гигантского магнитного импеданса и гигантского стресс-импедансного эффекта.A composite sensor is known (WO 2010055282, publ. 20.05.2010). The composite sensor is also based on the location of the microwire in a polymer matrix. An alternating electric current is passed through the microwire and the voltage on the microwire is recorded. This composite sensor is based on the use of the giant magnetic impedance effect and the giant stress impedance effect.

Недостаток этого устройства состоит в сложности измерения локальных механических нагрузок из-за необходимости использования микропроводов протяженной длины. При этом данное устройство обладает высокой чувствительностью к внешним магнитным полям, что может искажать результаты измерения механических напряжений.The disadvantage of this device is the difficulty in measuring local mechanical loads due to the need to use long length microwires. At the same time, this device is highly sensitive to external magnetic fields, which can distort the results of measuring mechanical stresses.

Известен датчик измерения механических деформаций (RU 2654827, опубл. 22.05.2018). Датчик содержит прямоугольную пластину с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность растяжения не только в продольном, но и поперечном направлении. В посадочном месте пластины располагается миниатюрный соленоид, внутри которого размещен магниточувствительный элемент. Миниатюрный соленоид подключен к источнику постоянного тока. Аморфный ферромагнитный микропровод (магниточувствительный элемент) подключен к источнику переменного тока. В датчике измерения напряжений используется эффект малоуглового вращения намагниченности относительно оси микропровода, при этом в измерительной катушке регистрируется сигнал удвоенной частоты относительно частоты тока, протекающего по микропроводу. Изменение ЭДС сигнала удвоенной частоты позволяет регистрировать изменение напряженного состояния микропровода.A known sensor for measuring mechanical deformations (RU 2654827, publ. 05/22/2018). The sensor contains a rectangular plate with cross-sections that provide the possibility of stretching not only in the longitudinal but also in the transverse direction. A miniature solenoid is located in the plate seat, inside which a magnetically sensitive element is located. The miniature solenoid is connected to a DC power supply. An amorphous ferromagnetic microwire (magnetically sensitive element) is connected to an alternating current source. The voltage measurement sensor uses the effect of low-angle rotation of the magnetization relative to the microwire axis; in this case, a signal with a double frequency relative to the frequency of the current flowing through the microwire is recorded in the measuring coil. The change in the EMF signal of the doubled frequency makes it possible to register the change in the stress state of the microwire.

Недостатком этого устройства является сложность регистрации сигнала предложенного типа, что потенциально понижает чувствительность устройства, несмотря на оригинальность предложенного подхода.The disadvantage of this device is the complexity of recording a signal of the proposed type, which potentially lowers the sensitivity of the device, despite the originality of the proposed approach.

Известен способ измерения физических величин (WO 2007116218, опубл. 18.10.2007). В данном способе, наиболее близком к предлагаемому изобретению, используется датчик на основе аморфных ферромагнитных микропроводов с ненулевой магнитострикцией. Способ основан на регистрации электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в измерительном соленоиде при перемагничивания микропровода в переменном магнитном поле. Для регистрации изменения напряженного состояния производится измерение переключающего поля, полученного по сопоставлению кривых электродвижущей силы и внешнего переменного магнитного поля.A known method for measuring physical quantities (WO 2007116218, publ. 18.10.2007). This method, which is closest to the proposed invention, uses a sensor based on amorphous ferromagnetic microwires with non-zero magnetostriction. The method is based on the registration of the electromotive force (EMF) arising in the measuring solenoid during magnetization reversal of the microwire in an alternating magnetic field. To register the change in the stress state, the switching field is measured, obtained by comparing the curves of the electromotive force and the external alternating magnetic field.

Недостатками этого подхода является лишь общее описание системы регистрации сигнала без конкретизации механизмов исполнения и достижения технического результата. Кроме того предложенный способ отличается чувствительностью к внешним магнитным полям и основан лишь на регистрации переключающего поля.The disadvantages of this approach are only a general description of the signal registration system without specifying the execution mechanisms and achieving a technical result. In addition, the proposed method is sensitive to external magnetic fields and is based only on the registration of the switching field.

В изобретении достигается технический результат, заключающийся в измерении уровня механических напряжений, повышении чувствительности системы регистрации напряжений на основе аморфных микропроводов по сравнению с существующими аналогами за счет применения комбинированного подхода в регистрации различного типа механических нагрузок (растяжение, кручение), снижении помех и обеспечения заменяемости чувствительного элемента (аморфного ферромагнитного микропровода).The invention achieves the technical result, which consists in measuring the level of mechanical stresses, increasing the sensitivity of the stress recording system based on amorphous microwires in comparison with existing analogues due to the use of a combined approach in recording various types of mechanical loads (tension, torsion), reducing noise and ensuring the replaceability of the sensitive element (amorphous ferromagnetic microwire).

Указанный технический результат достигается следующим образом.The specified technical result is achieved as follows.

Предполагаемый датчик измерения механических напряжений состоит из аморфного микропровода с положительной магнитострикцией, представляющего собой чувствительный элемент измерительного устройства. Аморфный микропровод скреплен с промежуточными нитями или пластинами с помощью алюминиевых зажимных держателей. Промежуточные нити или пластины необходимы для размещения микропровода в центре измерительной схемы для исключения воздействия внешних магнитных помех. Такая связанная конструкция (микропровод и нити или пластины) располагается вдоль одной из осей дифференциальной измерительной катушки, представляющей собой два встречно включенных и симметрично расположенных соленоида или катушку, намотанную восьмеркой. Дифференциальная измерительная катушка с аморфным микропроводом внутри размещены на оси внешнего соленоида, задающего переменное магнитное поле. Во внешний соленоид подается переменный электрический ток. Переменный электрический ток во внешнем соленоиде создает переменное магнитное поле в области размещения аморфного микропровода и вызывает его перемагничивание. В результате в дифференциальной измерительной катушке возникает сигнал ЭДС, вызванной перемагничиванием аморфного микропровода. При этом ЭДС, связанная с нахождением измерительной катушки во внешнем переменном поле, компенсируется за счет встречного включения соленоидов дифференциальной измерительной катушки или намотки дифференциальной измерительной катушки восьмеркой. Внешние концы промежуточных нитей или пластин фиксируются на краевых зажимных подвижных держателях, находящихся снаружи внешнего соленоида. Краевые зажимные подвижные держатели при измерении фиксируются на исследуемом объекте с помощью клеевого соединения или сварки. При этом аморфный микропровод и связанные с ним промежуточные нити или пластины оказываются натянуты между краевыми зажимными держателями. Между краевыми зажимными подвижными держателями и внешним соленоидом, размещенном в съемном корпусе устройства, находятся промежуточные пластины с круговым вырезом в центре, препятствующие проскальзыванию подвижных держателей внутрь внешнего соленоида в случае возникновения отрицательной деформации на исследуемом объекте. Корпус устройства имеет цилиндрическую форму и содержит внутри себя внешний и дифференциальный измерительный соленоиды и аморфный микропровод с промежуточными нитями или пластинами. Диаметр корпуса меньше максимальных поперечных размеров краевых зажимных держателей. Конструкция корпуса предусматривает возможность его снятия путем отделения двух половин корпуса друг от друга за счет удаления скрепляющих обе половины корпуса винтов или иным способом, позволяющим осуществлять снятие корпуса без отделения краевых зажимных держателей от исследуемого объекта.The proposed sensor for measuring mechanical stresses consists of an amorphous microwire with positive magnetostriction, which is a sensitive element of the measuring device. The amorphous microwire is held together with intermediate strands or plates using aluminum clamping holders. Intermediate filaments or plates are required to position the microwire in the center of the measurement circuit to eliminate external magnetic interference. Such a connected structure (microwire and filaments or plates) is located along one of the axes of the differential measuring coil, which is two oppositely connected and symmetrically located solenoids or a coil wound with a figure eight. A differential measuring coil with an amorphous microwire inside is placed on the axis of an external solenoid that sets an alternating magnetic field. An alternating electric current is supplied to the external solenoid. The alternating electric current in the external solenoid creates an alternating magnetic field in the area of the amorphous microwire and causes its magnetization reversal. As a result, an EMF signal appears in the differential measuring coil, caused by the magnetization reversal of the amorphous microwire. In this case, the EMF associated with the presence of the measuring coil in an external alternating field is compensated by the opposite connection of the solenoids of the differential measuring coil or winding the differential measuring coil with a figure eight. The outer ends of the intermediate threads or plates are fixed on the edge clamping movable holders located outside the outer solenoid. During measurement, the edge clamping movable holders are fixed to the test object by means of adhesive bonding or welding. In this case, the amorphous microwire and the intermediate filaments or plates associated with it are pulled between the edge clamping holders. Between the edge clamping movable holders and the external solenoid located in the removable housing of the device, there are intermediate plates with a circular cutout in the center, which prevent the movable holders from sliding inside the external solenoid in the event of negative deformation on the object under study. The body of the device has a cylindrical shape and contains an external and differential measuring solenoids and an amorphous microwire with intermediate threads or plates. The body diameter is smaller than the maximum transverse dimensions of the edge clamping holders. The design of the case provides for the possibility of its removal by separating the two halves of the case from each other by removing the screws fastening both halves of the case or in another way that allows the case to be removed without separating the edge clamping holders from the object under study.

Дифференциальная измерительная катушка подключена к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) микроконтроллера или изолированному АЦП с возможностью дальнейшего подключения к компьютеру. При необходимости возможна установка усилителя сигнала с дифференциальной катушки для подключения к АЦП. Внешний соленоид подключен к генератору синусоидальных импульсов с возможностью генерации колебаний с частотой до 10 кГц. Такое максимальное значение частоты необходимо для исключения влияния динамических эффектов перемагничивания микропровода на результаты измерения. При необходимости измеренный сигнал ЭДС перемагничивания микропровода может быть интегрирован для получения петли магнитного гистерезиса и значений коэрцитивной силы микропровода. При увеличении уровня напряжений в микропроводе, например, при растяжении, его коэрцитивная сила и переключающее поле увеличиваются. Данная зависимость коэрцитивной силы и переключающего поля от напряжений обратима вплоть до напряжений близких к половине предела прочности на растяжение материала (величина около 1,5 ГПа) для аморфных микропроводов на основе Fe.The differential measuring coil is connected to an analog-to-digital converter (ADC) of a microcontroller or an isolated ADC with the possibility of further connection to a computer. If necessary, it is possible to install a signal amplifier from a differential coil to connect to the ADC. An external solenoid is connected to a sinusoidal pulse generator with the ability to generate oscillations with a frequency of up to 10 kHz. Such a maximum frequency value is necessary to exclude the influence of the dynamic effects of magnetization reversal of the microwire on the measurement results. If necessary, the measured signal of the microwire reversal EMF can be integrated to obtain a magnetic hysteresis loop and the values of the microwire coercive force. With an increase in the level of stresses in a microwire, for example, during stretching, its coercive force and the switching field increase. This dependence of the coercive force and the switching field on stresses is reversible up to stresses close to half the tensile strength of the material (value about 1.5 GPa) for amorphous microwires based on Fe.

Аморфный ферромагнитных микропровод с положительной магнитострикцией может быть выполнен на основе сплавов с преимущественным содержанием железа, например: Fe77.5Si7.5B15, Fe73.8Cu1Nb2.1B9.1Si13 и других.An amorphous ferromagnetic microwire with positive magnetostriction can be made on the basis of alloys with a predominant iron content, for example: Fe 77.5 Si 7.5 B 15 , Fe 73.8 Cu 1 Nb 2.1 B 9.1 Si 13 and others.

Аморфный ферромагнитный микропровод может иметь длину от 20 до 150 мм.Amorphous ferromagnetic microwire can have a length of 20 to 150 mm.

Может быть использован аморфный ферромагнитный микропровод в стеклянной оболочке и без оболочки.An amorphous ferromagnetic microwire with and without a glass sheath can be used.

Внешний соленоид выполнен в виде многослойной катушки, намотанной виток к витку. Плотность и количество витков зависят от диапазона магнитных полей, в которых необходима работа датчика, а также размера датчика. Основной сдвиг измеряемых датчиком зависимостей сигнала ЭДС происходит в интервале максимальных значений поля от -100 до 100 эрстед. Соответственно, основным требованием является работа соленоида в данном диапазоне полей.The external solenoid is made in the form of a multilayer coil wound coil to coil. The density and number of turns depends on the range of magnetic fields in which the sensor is required to operate, as well as the size of the sensor. The main shift of the dependences of the EMF signal measured by the sensor occurs in the range of maximum field values from -100 to 100 oersted. Accordingly, the main requirement is the operation of the solenoid in this range of fields.

Дифференциальная измерительная катушка изготовлена из медного провода с диаметром не более 120 мкм. Диаметр провода намотки может быть подобран, исходя из требуемых размеров датчика и возможности подключения усилителя к дифференциальной катушке.The differential measuring coil is made of copper wire with a diameter of no more than 120 microns. The diameter of the winding wire can be selected based on the required sensor dimensions and the possibility of connecting the amplifier to a differential coil.

Промежуточные нити или пластины могут быть выполнены из алюминия или другого материала, вносящего малые искажения в регистрируемый с дифференциальной измерительной катушки сигнал ЭДС.Intermediate threads or plates can be made of aluminum or other material that introduces small distortions into the EMF signal recorded from the differential measuring coil.

Повышение чувствительности системы регистрации напряжений связано с возможностью одновременной регистрации:Increasing the sensitivity of the voltage registration system is associated with the possibility of simultaneous registration:

- коэрцитивной силы, измеренной по магнитной петеле гистерезиса, полученной при интегрировании зависимости электродвижущей силы для;- coercive force, measured by the magnetic hysteresis loop, obtained by integrating the dependence of the electromotive force for;

- переключающего поля, полученного при сопоставлении значений напряженности перемагничивающего поля и значений кривой ЭДС от времени;- the switching field obtained by comparing the values of the intensity of the reversing field and the values of the EMF curve versus time;

- изменения уровня механических напряжений путем регистрации временного сдвига пиков перемагничивания на кривой электродвижущей силы от времени.- changes in the level of mechanical stresses by recording the time shift of the peaks of magnetization reversal on the curve of the electromotive force from time to time.

Кроме того повышение чувствительности системы обеспечивается:In addition, an increase in the sensitivity of the system is provided by:

- использованием аморфных микропроводов с положительной магнитострикцией, для которых характерен бистабильный характер перемагничивания и, как следствие, большая крутизна и амплитуда пиков, соответствующих перемагничиванию, на кривой ЭДС от времени;- using amorphous microwires with positive magnetostriction, which are characterized by a bistable nature of magnetization reversal and, as a consequence, a large steepness and amplitude of the peaks corresponding to magnetization reversal on the EMF curve versus time;

- использованием дифференциальной измерительной катушки в виде двух встречно включенных соленоидов или катушки, намотанной восьмеркой, что исключает влияние на измеряемый сигнал ЭДС, не связанной с перемагничиванием аморфного микропровода.- using a differential measuring coil in the form of two oppositely connected solenoids or a coil wound with a figure eight, which excludes the influence of the EMF on the measured signal, which is not associated with magnetization reversal of the amorphous microwire.

Значительный диапазон длины микропровода (от 20 до 150 мм) позволяет осуществить изготовление датчика для измерения нагрузок с большей или меньшей степенью локальности.A significant range of microwire length (from 20 to 150 mm) allows the manufacture of a sensor for measuring loads with a greater or lesser degree of locality.

Признаки, отличающие предлагаемый датчик напряжений от наиболее близкого к нему, известного по патенту WO 2007116218 (прототип), характеризуют механизм размещения микропровода вдоль оси внешнего и дифференциального соленоидов, позволяющий исключить влияние помех внешних магнитных полей, фиксация микропровода через промежуточные нити или пластины краевыми подвижными держателями, наличие разъемного корпуса устройства, позволяющего производить замену внутренних элементов корпуса устройства (внешнего соленоида, дифференциальной измерительной катушки, аморфного микропровода, алюминиевых зажимных держателей, промежуточных нитей или пластин), возможность одновременной регистрации коэрцитивной силы, переключающего поля и временного сдвига пиков перемагничивания на кривой ЭДС от времени, использование микропровода различной длины (от 20 до 150 мм) для достижения большей или меньшей локальности измеряемого уровня напряжений.The features that distinguish the proposed voltage sensor from the closest to it, known from the patent WO 2007116218 (prototype), characterize the mechanism for placing the microwire along the axis of the external and differential solenoids, which makes it possible to eliminate the influence of interference from external magnetic fields, fixing the microwire through intermediate threads or plates with movable edge holders , the presence of a split body of the device, which makes it possible to replace the internal elements of the device body (external solenoid, differential measuring coil, amorphous microwire, aluminum clamping holders, intermediate threads or plates), the possibility of simultaneous recording of the coercive force, switching field and temporary shift of the peaks of magnetization reversal on the EMF curve from time to time, the use of microwires of various lengths (from 20 to 150 mm) to achieve more or less locality of the measured voltage level.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен вид датчика сверху, на фиг. 2 изображена электрическая схема датчика, на фиг. 3 изображено изменение сигнала ЭДС, возникающего при перемагничивании микропровода, при растяжении микропровода.The invention is illustrated by drawings. FIG. 1 shows a top view of the sensor, FIG. 2 shows the electrical circuit of the sensor, FIG. 3 shows the change in the EMF signal arising from the magnetization reversal of the microwire, when the microwire is stretched.

На фиг. 1, 2 показаны промежуточные нити или пластины 1, дифференциальная измерительная катушка 2, внешний соленоид 3, корпус датчика 4, аморфный ферромагнитный микропровод 5, краевые зажимные подвижные держатели 6, промежуточные пластины с круговым вырезом в центре 7, алюминиевые зажимные держатели 8, генератор синусоидальных импульсов 9, АЦП 10.FIG. 1, 2 show intermediate threads or plates 1, differential measuring coil 2, external solenoid 3, sensor housing 4, amorphous ferromagnetic microwire 5, edge clamping movable holders 6, intermediate plates with a circular cut in the center 7, aluminum clamping holders 8, sinusoidal generator pulses 9, ADC 10.

На фиг. 3а на представленном графике по оси Y приведены значения ЭДС в мВ, возникающей в дифференциальной катушке при перемагничивании микропровода, по оси X отложены значения времени в мкс. На фиг. 3б на представленном графике по оси Y приведены значения напряженности магнитного синусоидального поля в эрстедах. По оси X отложены значения времени в мкс. Как видно из фиг. 3а, при приложении внешней растягивающей нагрузки положение интенсивного пика ЭДС кривой перемагничивания смещается вправо по оси времени. Данный факт используется для оценки изменения уровня напряжений без сопоставления значений сигнала ЭДС и внешнего магнитного поля.FIG. 3a on the presented graph on the Y axis shows the values of the EMF in mV arising in the differential coil during magnetization reversal of the microwire, along the X axis the values of time are plotted in μs. FIG. 3b on the presented graph along the Y axis the values of the magnetic sinusoidal field strength in oersteds are shown. The X-axis is the time in μs. As seen in FIG. 3a, when an external tensile load is applied, the position of the intense peak of the EMF of the magnetization reversal curve shifts to the right along the time axis. This fact is used to assess the change in the voltage level without comparing the values of the EMF signal and the external magnetic field.

Датчик работает следующим образом. Датчик может быть инсталлирован на поверхность объекта измерения с помощью клеевого соединения или сварки объекта с краевыми зажимными подвижными держателями 6. При приложении к объекту измерений механических нагрузок (растягивающих или скручивающих) микропровод 5 также испытывает данные нагрузки, что приводит к изменению величины коэрцитивной силы и переключающего поля. Это может быть полезно для анализа типа механической нагрузки. При этом штатным режимом работы датчика является анализ сдвига пика сигнала ЭДС по шкале времени при изменении напряженного состояния микропровода. Штатная частота работы датчика составляет 2,5 кГц. Для повышения амплитуды измеряемого сигнала и чувствительности возможно увеличение данной частоты вплоть до 10 кГц.The sensor works as follows. The sensor can be installed on the surface of the measurement object using adhesive bonding or welding the object with the edge clamping movable holders 6. When mechanical loads (tensile or twisting) are applied to the measurement object, the microwire 5 also experiences these loads, which leads to a change in the magnitude of the coercive force and the switching fields. This can be useful for analyzing the type of mechanical stress. In this case, the standard operating mode of the sensor is to analyze the shift of the EMF signal peak along the time scale when the stress state of the microwire changes. The nominal frequency of the sensor is 2.5 kHz. To increase the amplitude of the measured signal and the sensitivity, it is possible to increase this frequency up to 10 kHz.

Сигнал ЭДС, возникающей при перемагничивании микропровода в отсутствие внешней нагрузки, считается опорным и соответствует нулевому значению напряжений.The EMF signal arising from the magnetization reversal of the microwire in the absence of an external load is considered a reference and corresponds to a zero voltage value.

Крепление микропровода 5 алюминиевыми зажимными держателями 8 позволяет проводить замену чувствительного элемента (микропровода 5) в случае его повреждения или необходимости изменения чувствительности датчика внешним механическим воздействиям. При этом возможно снятие корпуса датчика 4 для замены микропровода 5 без непосредственного демонтажа датчика с исследуемого объекта. Для этого корпус датчика 4 должен иметь меньшие максимальные поперечные размеры, чем краевые зажимные подвижные держатели 6.Fastening the microwire 5 with aluminum clamping holders 8 allows replacing the sensitive element (microwire 5) in case of damage or the need to change the sensitivity of the sensor to external mechanical influences. In this case, it is possible to remove the sensor body 4 to replace the microwire 5 without directly removing the sensor from the object under study. For this, the sensor body 4 must have smaller maximum transverse dimensions than the edge clamping movable holders 6.

Изменение диапазона механических напряжений, в которых может работать датчик, возможно путем применения микропроводов: 1) различного диаметра, что соответствует различному исходному уровню закалочных напряжений; 2) с различной толщиной стеклянной оболочки по отношению к диаметру провода (чем выше данный параметр, тем большим внутренним уровнем напряжений обладает микропровод). Исходно наиболее напряженные микропровода обладают более резким изменением коэрцитивной силы, переключающего поля, сдвига пика кривой ЭДС при приложение внешней механической нагрузки.Changing the range of mechanical stresses in which the sensor can operate is possible by using microwires: 1) of different diameters, which corresponds to a different initial level of hardening stresses; 2) with different thickness of the glass shell in relation to the diameter of the wire (the higher this parameter, the higher the internal voltage level of the microwire). Initially, the most stressed microwires have a sharper change in the coercive force, switching field, shift of the peak of the EMF curve when an external mechanical load is applied.

В предложенном датчике достигаются улучшенные в сравнении с аналогами магнитомеханические характеристики за счет: 1) возможности применения микропроводов с различным напряженным состоянием и длиной; 2) использования микропроводов с положительной магнитострикцией, характеризующиеся наиболее резкими и интенсивными зависимостями сигнала ЭДС от времени, возникающими в измерительной катушке при перемагничивании микропровода; 3) возможности применения трех способов регистрации изменения напряженного состояния (по изменению коэрцитивной силы, переключающего поля, путем непосредственной регистрации времени сдвига пика кривой ЭДС при растяжении). При этом в датчике реализована возможность замены чувствительного элемента в случае его повреждения или необходимости изменения параметров датчика.The proposed sensor achieves improved magnetomechanical characteristics in comparison with analogs due to: 1) the possibility of using microwires with different stress state and length; 2) the use of microwires with positive magnetostriction, characterized by the sharpest and most intense dependences of the EMF signal on time, arising in the measuring coil when the microwire is magnetized; 3) the possibility of using three methods of registering a change in the stress state (by changing the coercive force, switching field, by directly recording the time of the shift of the peak of the EMF curve during stretching). At the same time, the sensor implements the ability to replace the sensitive element in case of damage or the need to change the sensor parameters.

Claims (1)

Датчик измерения механических напряжений на основе микропроводов с положительной магнитострикцией, состоящий из аморфного ферромагнитного микропровода, размещенного по оси дифференциальной измерительной катушки, представляющей собой два встречно включенных симметрично расположенных соленоида или катушку, намотанную восьмеркой, и внешней катушки, задающей переменное магнитное поле вдоль оси микропровода, в которой концы микропровода фиксированы зажимными держателями, соединяющими микропровод с промежуточными нитями или пластинами, другие концы которых закреплены краевыми зажимными подвижными держателями, ограниченными со стороны катушки упорами, препятствующими изгибу провода относительно оси катушки, при этом внешняя катушка соединена с генератором синусоидальных импульсов для генерации вдоль оси катушки однородного синусоидального магнитного поля, а дифференциальная катушка подключена к аналого-цифровому преобразователю напрямую или через усилитель мощности, при этом аналого-цифровой преобразователь подключен к персональному компьютеру, отличающийся тем, что аморфный микропровод размещен вдоль оси внешнего и дифференциального соленоидов, позволяет исключить влияние помех внешних магнитных полей, при этом аморфный микропровод фиксирован между краевыми подвижными держателями через промежуточные нити или пластины, при этом внешний соленоид, дифференциальная катушка и аморфный микропровод размещены в разъемном корпусе устройства, позволяющем производить замену внутренних элементов корпуса, а именно внешнего соленоида, дифференциальной измерительной катушки, аморфного микропровода, алюминиевых зажимных держателей, промежуточных нитей или пластин, при этом существует возможность одновременной регистрации коэрцитивной силы, переключающего поля и временного сдвига пиков перемагничивания на кривой ЭДС от времени и использования микропровода различной длины от 20 до 150 мм для достижения большей или меньшей локальности измеряемого уровня напряжений.A sensor for measuring mechanical stresses based on microwires with positive magnetostriction, consisting of an amorphous ferromagnetic microwire located along the axis of a differential measuring coil, which is two oppositely connected symmetrically located solenoids or a coil wound with a figure eight, and an external coil that sets an alternating magnetic field along the axis of the microwire, in which the ends of the microwire are fixed by clamping holders connecting the microwire with intermediate threads or plates, the other ends of which are fixed by edge clamping movable holders, limited from the coil side by stops that prevent the wire from bending relative to the coil axis, while the outer coil is connected to the generator of sinusoidal pulses for generation along the axis of the coil of a uniform sinusoidal magnetic field, and the differential coil is connected to the analog-to-digital converter directly or through a power amplifier, while the analog-to-digital the converter is connected to a personal computer, characterized in that the amorphous microwire is placed along the axis of the external and differential solenoids, eliminates the influence of interference from external magnetic fields, while the amorphous microwire is fixed between the edge movable holders through intermediate threads or plates, while the external solenoid, differential coil and amorphous microwire are placed in a detachable body of the device, which allows replacement of internal elements of the case, namely, an external solenoid, a differential measuring coil, an amorphous microwire, aluminum clamping holders, intermediate threads or plates, while there is a possibility of simultaneous recording of the coercive force, switching field and time shift of the peaks of magnetization reversal on the EMF curve versus time and the use of microwires of various lengths from 20 to 150 mm to achieve more or less locality of the measured voltage level.
RU2020135355A 2020-10-26 2020-10-26 Mechanical stress measurement sensor based on micro-wires with positive magnetostriction RU2746765C9 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020135355A RU2746765C9 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Mechanical stress measurement sensor based on micro-wires with positive magnetostriction

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020135355A RU2746765C9 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Mechanical stress measurement sensor based on micro-wires with positive magnetostriction

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2746765C1 RU2746765C1 (en) 2021-04-20
RU2746765C9 true RU2746765C9 (en) 2021-06-07

Family

ID=75521251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020135355A RU2746765C9 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Mechanical stress measurement sensor based on micro-wires with positive magnetostriction

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2746765C9 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU216065U1 (en) * 2022-09-06 2023-01-16 Общество с ограниченной ответственностью "МИКРОСЕНСИС" TWO-AXIS STRAIN GAUGE BASED ON MICROWIRES

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007116218A1 (en) * 2006-04-11 2007-10-18 Sensor Technology Limited Measuring physical quantities
US20130181705A1 (en) * 2010-10-01 2013-07-18 Aichi Steel Corporation Magneto-impedance sensor element and method for producing the same
RU2653563C1 (en) * 2017-06-14 2018-05-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Sensor for measurement of mechanical deformations

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007116218A1 (en) * 2006-04-11 2007-10-18 Sensor Technology Limited Measuring physical quantities
US20130181705A1 (en) * 2010-10-01 2013-07-18 Aichi Steel Corporation Magneto-impedance sensor element and method for producing the same
RU2653563C1 (en) * 2017-06-14 2018-05-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Sensor for measurement of mechanical deformations

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU216065U1 (en) * 2022-09-06 2023-01-16 Общество с ограниченной ответственностью "МИКРОСЕНСИС" TWO-AXIS STRAIN GAUGE BASED ON MICROWIRES
RU2804788C1 (en) * 2022-12-06 2023-10-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук ИМЕТ РАН Method for monitoring stress-strain state of pipelines

Also Published As

Publication number Publication date
RU2746765C1 (en) 2021-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6583617B2 (en) Barkhausen noise measurement probe with magnetoresistive sensor and cylindrical magnetic shield
Liu et al. Comparison of AC and pulsed magnetization-based elasto-magnetic methods for tensile force measurement in steel strand
Ripka et al. Sensitivity and noise of wire-core transverse fluxgate
RU2746765C9 (en) Mechanical stress measurement sensor based on micro-wires with positive magnetostriction
JP6844075B1 (en) Magnetic particle imaging device
Yamazaki et al. Stress-driven magnetic Barkhausen noise generation in FeCo magnetostrictive alloy
RU2552124C1 (en) Mechanical stress measurement sensor
DE102010047270A1 (en) fluxgate sensor
Irhoumah et al. Adapted coil sensors for measuring the external magnetic field of electrical machines
Ripka et al. Multiwire parallel fluxgate sensors
Baglio et al. Exploitation of Temperature Effect in 100 µm Ferromagnetic Wire
EP4151994A1 (en) Measuring device and method for detecting a magnetic property of a mechanically loaded specimen
RU216065U1 (en) TWO-AXIS STRAIN GAUGE BASED ON MICROWIRES
Kravčák et al. Magnetoimpedance of soft ferromagnetic CoSiB microwire suitable for sensor applications
Moses et al. AC Barkhausen noise in electrical steels: Influence of sensing technique on interpretation of measurements
Lo et al. A magnetic imaging system for evaluation of material conditions using magnetoresistive devices
RU2654827C1 (en) Sensor for measuring mechanical deformations
Augustyniak et al. Multiparameter magnetomechanical NDE
Chen et al. Influence of AC magnetic field amplitude on the surface magnetoimpedance tensor in amorphous wire with helical magnetic anisotropy
Ehle et al. A combined magneto-mechanical characterization procedure for magnetic shape memory alloys
JP3863802B2 (en) Ferromagnetic material diagnosis method and Barkhausen noise voltage pulse width measurement system
JP3092837B2 (en) Magnetic head for detecting Barkhausen noise and detection system using the same
Atalay et al. Coil-less fluxgate effect in amorphous wires
Andò et al. Experimental investigations on the spatial resolution in RTD-fluxgates
RU2708695C1 (en) Method for measuring complex mechanical deformations by means of amorphous metal band and device for calibration of sensitive element

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 11-2021 FOR INID CODE(S) (72)

TH4A Reissue of patent specification