CC BY
64Лазерные технологии
при изготовлении феррозондовых датчиков магнитного поля
Александр ЗАРУЦКИЙ
zarutski@pic.troitsk.ru Алексей ОБИДИН info@lasersys.ru Тарас МАЛИНСКИЙ
malinsky@pic.troitsk.ru
Лазерная резка сердечника и лазерная обработка поверхности сердечника из магнитомягкого аморфного сплава для феррозондовых магнитометров позволяют улучшить технологию изготовления датчиков и повысить их метрологические характеристики.
Проблемы в области технологии изготовления сердечников
Известно несколько типов магниточувствительных элементов (МЧЭ), наиболее распространенных в датчиках феррозондовых магнитометров [1, 3, 7]. В данной статье обсуждается технология изготовления сердечника типа “гасеЧгаск”, имеющего форму вытянутого овала или двух параллельных полосок, замкнутых на концах полукруглыми перемычками [4]. Датчик на основе такого МЧЭ обладает высокой чувствительностью и хорошим подавлением ортогональных компонент внешнего поля. В статье приводятся результаты, полученные при модернизации датчиков для прибора ТМИ-02 [5].
При изготовлении датчиков с МЧЭ типа “гасеЧгаск” сталкиваются с проблемой несимметричности половинок сердечника, которая приводит к появлению паразитных сигналов небаланса на выходе датчика при отсутствии измеряемого поля. Наличие небалансов в усилительно-преобразовательном канале магнитометра приводит к нелинейности передаточной характеристики прибора при измерении постоянного поля и порождает паразитные
частотные компоненты на выходе, значительно превышающие уровень шума датчика. Это существенно ухудшает метрологические характеристики прибора. Обычно эта проблема решается методом отбора сердечников по небалансу.
На рис. 1, 2 представлены характеристики погрешности двух приборов ТМИ в диапазоне измерений, датчики которых имеют существенно различающиеся небалансы, а именно, датчик, показанный на рис. 2, имеет на порядок больший небаланс. Хорошо видно, что датчик с большим небалансом имеет явно выраженную нелинейность нечетного характера. Та же тенденция отмечается и по отношению к шуму датчика в области сравнительно больших небалансов.
Очевидной причиной небалансов, связанной с магнитомягким материалом сердечника, является интегральное отличие магнитных свойств рабочих участков, принимающих участие в формировании сигнала датчика [6]. Наши измерения показали, что существенным фактором, определяющим уровень небалансов, является поведение сердечника при глубоком насыщении в циклах перемагничивания. Поскольку современные
приборы используют, как правило, импульсные режимы перемагничивания, важно при анализе небалансов учитывать импульсные характеристики материала сердечника.
Известно также, что большое влияние на магнитные свойства ферромагнетика оказывает последствие любых воздействий на материал при изготовлении сердечника, приводящих к структурным изменениям исходного материала. Технология штамповки и травле-
ния, обычно применяемая при этом, дает непредсказуемые результаты в малых партиях сердечников. Меры, связанные с оптимизацией конструкции и формы сердечника, также малоэффективны.
При модернизации технологии изготовления датчиков был предложен метод, основанный на прецизионной резке заготовок эксимерным УФ-лазером, выпускаемым в ЦФП «ИОФРАН». Особенностью технологии является многопроходная резка материала лазерным лучом с небольшой энергией, при которой происходит испарение слоя без плавления вещества (фотоабляция). Это позволяет осуществлять «мягкое» воздействие на ферромагнетик, последствия которого полностью устраняются при отжиге материала. Как следствие, полученные таким образом сердечники должны иметь хорошую повторяемость параметров, в том числе и импульсных, так как практически устраняется влияние технологического разброса воздействия режущего оборудования на ферромагнетик.
Изготовление сердечников методом лазерной резки
В экспериментах использовался КгБ экси-мерный лазер серии СЬ5000 (ЦФП «ИОФРАН») с внешним резонатором. С помощью двух поворотных зеркал луч направлялся на образец. Излучение фокусировалось в плоскости обрабатываемой заготовки линзой с фокусным расстоянием { = 40 мм. Заготовка перемещалась в горизонтальной плоскости перпендикулярно лучу лазера двумя подвижками 8МТ180-50 (STANDA). Скорость резания составляла около 500 мкм/с; за время между соседними импульсами заготовка перемещалась на 2 мкм.
По чертежу были изготовлены детали датчика из ленты 82К3ХСР толщиной 20 мкм. Контур датчика аппроксимировался отрезками прямых линий. Заготовка из 82К3ХСР имела рельефную поверхность, разброс толщины составлял от 5 до 20 мкм (рис. 3). Резка детали из ленты 82К3ХСР осуществлялась за 10 проходов (энергия в импульсе — 0,7 мДж).
На обработанной детали со стороны входа лазерного луча заметны:
• бордюр высотой до 15 мкм рядом с линией разреза (рис. 4);
• мелкие частицы (продукты резания), равномерно осевшие на поверхности заготовки (рис. 5);
• изменения цвета поверхности рядом с границей реза (рис. 5).
Со стороны выхода лазерного излучения поверхность заготовки практически не испытывает существенных изменений (рис. 6).
Шероховатость боковых поверхностей детали ~15 мкм (рис. 7а), что несколько больше, чем при резке ножницами (рис. 3). Выбирая другие режимы резания, качество поверхности реза можно улучшить (например, на рис. 7б скорость резания 50 мкм/с, расстояние между импульсами — 1 мкм). Дальнейшего улучшения качества резки можно достигнуть при использовании прецизионных устройств сканирования лазерного луча и повышении стабильности импульсов лазера.
Результаты испытаний сердечников
По предложенной технологии была изготовлена партия МЧЭ из аморфного матери-
ала 82К3ХСР толщиной 20 мкм. Сердечники имели форму “гасеЧгаск” 41,5x11 мм с шириной рабочей части 6 мм. Изготовленные сердечники отжигались в открытой печи при температуре 450 °С в течение 35 мин.
Тестировали МЧЭ на базе изготовленных сердечников на стенде с использованием прибора ТМИ, включающем оправку датчика и плату электроники. Подлежащий тестированию МЧЭ вставлялся в оправку датчика. Все измерения проводились в магнитном двухслойном экране с остаточным полем не более 10 нТл.
В процессе тестирования измерялись следующие характеристики датчика:
• небаланс на активную нагрузку 30 кОм, Иай;
• небаланс настроенного датчика (ИС-нагруз-ка), ишп;
• небаланс на выходе резонансного усилителя, Иге8;
• коэффициент передачи пары «датчик - резонансный усилитель», Gs-r;
• временная оценка шума, Вп;
• спектральная плотность шума на частоте 40 Гц, Бп.
На рис. 8 показана типичная форма напряжения небаланса настроенного датчика на выходе измерительной обмотки датчика, нагруженной на сопротивление 30 кОм.
Рис. 7. Боковая поверхность заготовки. Скорость обработки: а) 1 импульс на 2 мкм; б) 1 импульс на 1 мкм
Рис. 8. Форма напряжения небаланса настроенного датчика:
сигнал К1 — напряжение небаланса; сигнал К2 — напряжение возбуждения
350 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 0,9
Номер датчика в серии
Рис. 10. Распределение датчиков по небалансу и шуму в серии
Рис. 11. Запись выхода датчика в поле 1 нТл:
сигнал К1 — выход датчика; сигнал К2 — эталонное поле 1 нТл
На рис. 9 приведен спектр шума датчика с эталонным сигналом 10 нТл, 40 Гц.
Тек Стоп
: 53.6 дБ -54.2 дБ
Г 1.00 с А К2 У 0.00 В
ГСЯЯ
10.0 дБ 50.0 Гц 1149.6
22 Мар 2008 18:54:22
Рис. 9. Шумовой спектр датчика
Рис. 13. Гистограмма шума
На рис. 10 дано сравнительное распределение датчиков в серии по небалансам и шуму.
За датчик-эталон принят лучший по соотношению «небаланс-шум» датчик из ранее изготовленных партий.
На рис. 11 приведена запись реакции измерительного канала на переменное поле с амплитудным значением 1 нТл на частоте 40 Гц. Запись сделана с осреднением 128.
По результатам изготовления партии МЧЭ был проведен выборочный статистический анализ, результаты для небалансов и шума приведены на рис. 12, 13.
Заключение
Предложенная технология «мягкой» резки аморфного пермаллоя для феррозондовых датчиков типа “race-track” позволяет упростить процесс изготовления сердечников и улучшить повторяемость по основному параметру — сигналу небаланса. По результатам изготовления партии сердечников видно, что оценка максимума распределения небаланса лежит в области менее 100 мВ.
Технология «мягкой» резки» также приводит к снижению порога оценки датчиков по шуму. Как видно на рис. 10, при уровне небалансов выше некоторого порога хорошо просматривается корреляция между
небалансом и шумом датчика. Эта тенденция отмечена в ссылке [3]. Для изготовленной партии сердечников максимум распределения плотности шума лежит в районе
0.2 нТл/Гц-2.
Полученные данные позволяют надеяться, что применение лазерных технологий при изготовлении сердечников магниточувствительных элементов приведет к повышению технологичности и качества феррозондовых датчиков. ■
Литература
1. Lenz J. E. A review of magnetic sensors // Proc. IEEE.
78 (1990) P. 973-989.
2. Ripka P. Rewie of fluxgate magnetometers // Sensors and Actuators A. Vol. 33. 1992.
3. Букреев В. С., Заруцкий А. А., Иваница А. И. Вопросы технологии изготовления датчиков феррозондовых магнитометров // Исследования по проблемам главного и аномального магнитных полей Земли. М.: ИЗМИРАН, 1992.
4. Gordon D. I., Brown R. E. Recent advances in fluxgate magnetometry // IEEE Trans. Magn. 1972. № 8.
5. Вартапетов С. К., Заруцкий А. А, Ковалев Ю. М. Прибор для измерения техногенных магнитных полей // Технологии ЭМС. 2002. № 1.
6. Ripka P. Race-track fluxgate with adjustable feedthrough // Sensors and Actuators A. Vol. 85. 2000.
7. Афанасьев Ю. В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986.
