Теория и практика идентификации параметров тонкопленочных магниточувствительных сердечников Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Анализ [1,2,3] показал, что методики определения и формулы зависимости e=f(H0; цМ) разнообразны и не содержат прямой функциональной связи эдс ФЗ с измеряемым Н0 воздействием и параметрами juM; HS; BS материала МП.

Согласно представленной методике, обобщение зависимостей цМ от цМ исходного магнитного материала, типа и размеров МП, позволяет создать математическую модель функциональной связи информативного e параметра ФЗ с определяющими факторами:

e = K *-цM • H0 -(a • w2 • S • HS • sin not) (3)

где К =Кц К2- К3; К! <1 - коэффициент формы МП ФЗ; К2 <1 - коэффициент геометрических параметров МП; К2 <1 -коэффициент электромагнитных параметров ФЗ; К <1 - коэффициент уменьшения угла наклона цм до цм по Рис.2,а; Параметры ю, w2, n, S, HSявляются общими для методик представленных в [1,2,3].

Выводы:

1. На основе графо-аналитического метода разработана математическая модель связи эдс e , как информативного параметра феррозонда с уровнем измеряемого Н0 магнитного воздействия и базовыми характеристиками цВ ; HS; BS материала магнитопровода ФЗ.

2. Представленная методика дает возможность определения метрологических и эксплуатационных характеристик ФЗ при вариациях: формы, размеров и свойств магнитопроводов, как независимых параметров.

3. Метод кусочно-линейной аппроксимации КП МП обеспечивает достаточную степень сходимости теоретических и экспериментальных результатов анализа информативных параметров ФЗ, при значительном упрощении математической модели и графической интерпретации функциональных связей определяющих факторов.

Литература

1. Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. - М.: Наука, 1966. - 419 с.

2. Мизюк Л.Я Входные преобразователи для измерения напряженности низкочастотных магнитных полей. - К.: Наукова думка, 1964. - 168с.

3. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 188с.

4. Власкин К. И., Прищепов С. К. Электроэрозионный способ обработки аморфных сплавов при изготовлении сердечников феррозондов. // Гальванотехника и обработка поверхности. 2011, том XIX. - № 4. С. 36-39.

Власкин К.И.1, Прищепов С.К.2

'Младший научный сотрудник, Уфимский государственный авиационный технический университет; 2кандидат технических наук, доцент, Уфимский государственный авиационный технический университет ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СЕРДЕЧНИКОВ

Аннотация

Определены условия задачи идентификации параметров магниточувствительных сердечников стержневых дифференциальных феррозондов. Произведены анализ и классификация параметров тонкопленочных аморфных сплавов, как исходных материалов стержневых магниточувствительных сердечников, составляющих основу их метрологической аттестации. Разработана математическая модель идентификации магнитных параметров стержневых тонкопленочных сердечников; представлены результаты их лабораторных исследований.

Ключевые слова: дифференциальный стержневой феррозонд; магниточувствительные сердечники; тонкопленочные аморфные сплавы; диаграмма направленности феррозонда.

Vlaskin K.I. 1, Prischepov S.K. 2

1 Junior research associate, Ufa State Aviation Technical University; 2 PhD in technical sciences, associate professor, Ufa State

University; Ufa State Aviation Technical University

THEORY AND PRACTICE OF THE THIN-FILM MAGNETIC CORES PARAMETRS IDENTIFICATION

Abstract

The problem of the thin-film magnetic cores differential rod-shaped fluxgate sensor parameters identification is identified. Analysis and classification of the parameters of the thin-film amorphous alloys, which form the basis of metrological attestation, are produced. The mathematical model of magnetic parameters of rod-shaped thin-film amorphous alloys is developed. The laboratory findings are presented.

Keywords: differential rod-shaped fluxgate sensor; magnetic core; thin-film amorphous alloys; fluxgate pattern.

К наиболее эффективным средствам прецизионных измерений магнитных величин относятся в настоящее время первичные преобразователи феррозондового (ФЗ) типа. ФЗ-датчики характеризуются: высокими чувствительностью и быстродействием, малыми габаритами и энергоемкостью, острой диаграммой направленности. Данная совокупность характеристик ФЗ позволяет получать малые погрешности измерений вне зависимости от характера контролируемого магнитного воздействия: скалярного, векторного или тензорного.

Дифференциальный стержневой феррозонд (ДСФ) классического исполнения имеет конструкцию с параллельными полуэлементами (Рис.1, а). Недостатком данной конструкции является необходимость строгой идентификации параметров двух магниточувствительных сердечников. В конструкции по Рис.1, б полуэлементы ДСФ расположены соосно, что способствует совмещению его геометрической оси с физической осью чувствительности (ОЧ) датчика. При этом магнитопровод может состоять из двух идентичных стержней или быть общим для полуэлементов ДСФ.

81

Рис. 1. Функциональные схемы ДСФ. ОВ - обмотка возбуждения ФЗ; СО - сигнальная обмотка ФЗ; Н0 - измеряемое

магнитное воздействие; Hi - поле возбуждения.

Задача идентификации параметров магниточувствительных сердечников усложняется тем, что распространяется как на геометрические, так и на физические характеристики магнитопроводов. В настоящее время в качестве материалов магнитопроводов ДСФ применяются аморфные сплавы, обеспечивающие заданные метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков. Аморфные сплавы производятся в виде лент со строго нормированной толщиной 20^30 мкм и шириной 5^60 мм. При этом технологически обеспечивается идентичность магнитных свойств аморфного сплава по всей длине и ширине ленты. Ширина изготавливаемых из лент магниточувствительных сердечников 0.3^2.5 мм является для феррозондов расчетной величиной, так как определяет их параметры возбуждения, чувствительность и диаграмму направленности. Соотношение ширины и толщины сердечника представляет его как тонкопленочную структуру, поэтому ФЗ с такими сердечниками относятся к магнитометрическим датчикам с плоскими магнитными пленками (ПМП) [1].

Следовательно, с учетом однородности исходного магнитного материала по ширине и длине ленты, стержневой ПМП сердечник, для идентификации его параметров, можно представить в виде плоской фигуры с определенными размерами a, b, l, как по Рис.2.

а) график при а=Ь; б) график при a > b; а, b - ширина сердечника на противоположных его краях; l - длина сердечника; Фц -магнитный поток в центральном х=0 сечении сердечника; H - однородное магнитное поле.

График рис.2, а отражает приведенную в [2,3] математическую модель распределения по длине l магнитных параметров B; Ф в равномерном a=b стержневом сердечнике, помещенном в однородное магнитное поле H:

( 4 • х2Л

B = B

1 - С •

V

l:

J

(1)

где Bx - значение магнитной индукции в сечении, расположенном на расстоянии х от центра х=0; Вц - значение магнитной индукции в центральном сечении; С - постоянный коэффициент, зависящий от формы сердечника.

С учетом площади поперечного сечения сердечника S(x), из (1) следует:

( 4 . Х2 ^

1 - С • —^ • S (x)

Ф = B •

Х ц

V

l2

J

(2)

где Фх - магнитный поток через S(x).

Для сердечника прямоугольной а=Ь формы S(x) равна площади центрального х = 0 сечения сердечника Sц : S(x) = Sц . Тогда при х=0; Фх = const:

ФХ- = 1 - С • 4^

Ф l2

ц , (3)

82

Для сердечника трапецеидальной формы a^b площадь поперечного сечения зависит от координаты х :

S (х) -

(a - b) • х + a + b

l

2

• b

(4)

где ё - толщина ПМП сердечника; a>b соотношение размеров сердечника, согласно Рис.2, б. С учетом формул (2) и (4) :

Ф

1

г

Фц S

1 - С •

4 • х l2

2 Л

(a - b) • х + a + b

V 1 J L

В общем случае a^b и £ц в (5) определяется:

a + b

l

2

• b

(5)

S =

2

•b

(6)

Подставляя (6) в (5) получаем

f

Ф

2

Ф a + b

1 - С •

V

4 • х l2

2

J

(a - b) • х + a + b

l

2

(7)

Характер распределения магнитных параметров, согласно формулам (3), (7) представлен на Рис.2.

Полученные в (2) - (7) функциональные зависимости позволяют определить магнитные параметры полуэлементов

l l

—;0 0;-

2 и 2

Ф -

ср

1 l ( - - •/Я, b • 1

1 l

1 - С

4 • х

l2

2 Л Г

(a - b) • х ^ a + b

где

" 2

соответствует х= -20 мм;

У L

2

• Ьх

(8)

соответствует х=20 мм (Рис.2).

Из (8) определяются средние магнитные потоки полуэлементов Фср1 и Фср2 : 0f л 2 Л

Ф

ср

- fb'b'

1 - С^

4 • х ‘ l2

У L

(a - b) • х a + b

• dх

■о..-

Г( 1 > (1 1 ^

1 --• С • (a + b) + С • (b - a)

_V 3 j V24 j

(9)

(10)

Ф_ - — b • 2

ср 2

Г( 1 ^ ( 1 1 ^

1 --• С • (a + b) - ---• С • (b - a)

_V 3 У V24 у

(11)

Из формул (10) и (11) следует, что равенство магнитных потоков Фср1 = Фср2 , обеспечивающее баланс дифференциального ФЗ, выполняется в ДСФ с сердечниками прямоугольной формы a=b (Рис.2).

С целью определения адекватности математических моделей (7), (10), (11) полученных для ПМП трапецеидальной формы, были проведены экспериментальные исследования распределения магнитных параметров по длине l=40 мм тонкопленочных ё=30 мкм сердечников с заданными а=2 мм, b=0,1 мм. Исследования проводились двумя независимыми методами: феррозондовым и измерения индуктивности. Графики Рис.3 свидетельствуют о сходимости результатов независимых измерений, что подтверждает их достоверность, а также соответствие данных эксперимента - теоретическим (Рис. 2).

а) феррозондовый метод; б) метод измерения индуктивности. 1 - график при a=b; 2- график при a>b.

ср

l

2

l

2

83

Заключительный этап экспериментальных исследований был проведен по классической методике [2] для определения влияния неравномерности а>Ь сердечника по его длине l на диаграмму направленности одностержневого ДСФ конструкции Рис. 1,6 в однородном магнитном поле Земли Н.

Рис.4. Диаграммы направленности ДСФ с трапецеидальным сердечником.

С, Ю, З, В - географические координаты; H - вектор магнитного поля Земли; U2f - информационный сигнал ФЗ; UG2f - U2f при ОЧ ФЗ || H ; а - угол между ОЧ ФЗ и H ; а) диаграмма при а=Ь по Рис.2,а - основная линия; диаграмма «идеального» ДСФ -пунктир; б) диаграмма при а>Ь по Рис.2,б - основная линия; диаграмма «идеального» ДСФ - пунктир.

Выводы:

1. С учетом однородности исходного материала, для идентификации магнитных параметров стержневых ПМП сердечников, справедливо представлять их в виде плоской трапецеидальной фигуры (Рис.2) с определенными a,b,l - параметрами.

2. Распределение магнитных свойств по l - длине трапецеидального стержневого сердечника относительно его центра

адекватно представляется математической моделью, содержащей геометрические параметры полуэлементов

- 2;«

0;

2

2

3. При использовании ПМП сердечников трапецеидальной a,b,l - формы (Рис.2), условием баланса одностержневого ДСФ (Рис.1,б), обеспечивающего в частности, близкую к «идеальной» диаграмму направленности (Рис.4,а) является равенство сторон трапеции а=Ь.

Литература

1. Прищепов С.К., Власкин К.И. Интегральные и гибридные технологии производства феррозондовых датчиков // Нано- и микросистемная техника. - 2011. - № 9. - С. 2-4.

2. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. - Л.: Энергия, 1969. - 168с.

3. Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. - М.: Наука, 1966. - 419 с.

Горшков А.С.

Аспирант, Нижегородский государственный технический университет КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ И ОЧИСТКИ СНЕЖНО-ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ПРИБОРДЮРНОЙ ЗОНЕ ГОРОДСКИХ МАГИСТРАЛЕЙ

Аннотация

В статье рассмотрена проблема зимней очистки городских магистралей от снега и льда, в особенности прибордюрной зоны, рассмотрены научные исследования, проведенные в данной области, и проанализированы варианты конструктивных решений обозначенной проблемы при использовании щеточного рабочего органа подметально-уборочной машины.

Ключевые слова: очистка дорог, щётка, рабочий орган, уборочная машина

Gorshkov A.S.

Postgraduate student, Nizhny Novgorod State Technical University

CONSTRUCTIVE DECISION FOR DESTRUCTION OF BODY WORK CLEANING OF SNOW, ICE FORMATIONS

ABOUT BORDER ZONE CITY ROADS

Abstract

In article the problem of winter cleaning of city roads of snow and ice, in particular about zone border is considered, the scientific researches conducted in the field are considered, and versions of constructive solutions of the designated problem are analysed when using the brush worker of body of the sweeping machine.

Keywords: cleaning of roads, brush, working body, sweeping machine

Проблема зимнего содержания автомобильных дорог на территории Российской Федерации является весьма актуальной, так как величина их загруженности, интенсивности и скорости движения постоянно возрастает. Поэтому задача зимней уборки дорог заключается в обеспечении бесперебойного и безопасного движения транспорта по улицам города при любых погодных условиях.

Основным видом очистки дорог от снежных масс является патрульная снегоочистка, которая производится периодическими

84