Измерение магнитострикции тензометрическим мостом с переменным возбуждением

Цели. Знание зависимости магнитострикции различных ферромагнитных материалов от магнитного поля важно для исследования магнитоэлектрического эффекта в композитных структурах, в частности для расчета формы полевой зависимости пьезомагнитных модулей и расчета магнитоупругих характеристик. Наиболее распространенным методом измерения магнитострикционного удлинения является использование тензорезистивных датчиков. Однако типичный уровень разрешения известных тензорезистивных установок для измерения магнитострикции составляет около 10⁻⁶, что недостаточно для получения детальной информации о пьезомагнитных коэффициентах исследуемых материалов. Цель работы – разработка автоматизированной установки для прецизионного измерения зависимости магнитострикции ферромагнитных пластин от магнитного поля в диапазоне ±5 кЭ с улучшенным на порядок разрешением по деформации.

Методы. В установке использованы пленочные тензорезистивные датчики, включенные в мост Уитстона, возбуждаемый переменным током. Благодаря примененному методу переноса частоты сигнала, а также применению малошумящего предусилителя и температурной стабилизации измерительной ячейки, удалось уменьшить уровень приведенных ко входу шумов и дрейфа нуля измерительной схемы.

Результаты. Созданная установка обеспечивает на порядок более высокую точность измерения магнитострикции ферромагнитных пластин, чем известные, до 10⁻⁷ в диапазоне магнитных полей ±5 кЭ. Установка позволяет измерять также электро- и пьезодеформацию материалов в зависимости от приложенного электрического напряжения в диапазоне ±500 В. Результаты измерений дают возможность более точно рассчитать полевые зависимости пьезомагнитных и пьезоэлектрических коэффициентов материалов, в т.ч. материалов с малой величиной магнитострикции, таких как различные ферриты, гематит, железо-иттриевый гранат и др.

Выводы. Применение метода переменного возбуждения измерительного моста в совокупности с другими мерами позволило повысить разрешение по деформации, которое составило около 10⁻⁷.

1. Chu Z., Pourhosseini Asl M., Dong S. Review of multi-layered magnetoelectric composite materials and devices applications. J. Phys. D: App. Phys. 2018;51(24):243001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aac29b

2. Серов В.Н., Фетисов Л.Ю., Фетисов Ю.К., Шестаков Е.И., Высокочувствительный магнетометр на основе магнитоэлектрического датчика. Российский технологический журнал. 2016;4(5):24–37. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2016-4-5-24-37

3. Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Чашин Д.В., Шишкин В.И., Фетисов Ю.К. Магнитоэлектрический эффект в двухслойных полосковых и периодических гетероструктурах никель – цирконат-титанат свинца. Russian Technological Journal. 2022;10(3):64–73. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-3-64-73

4. Kuczynski K., Bienkowski A., Szewczyk R. New Measuring System for Testing of the Magnetostrictive Properties of the Soft Magnetic Materials. In: 10th IMIKO TC4 Int. Workshop on ADC Modeling and testing – IWADC. 2005. P. 434–439. URL: https://www.imeko.info/publications/tc4-2005/IMEKO-TC4-2005-078.pdf

5. Linhares C.C., Santo J.E., Teixeira R.R., Coutinho C.P., Tavares S.M.O., Pinto M., Costa J.S., Mendes H., Monteiro C.S., Rodrigues A.V., Frazao O. Magnetostriction Assessment with strain gauges and fiber bragg gratings. EAI Endorsed Trans. on Energy Web. 2020;7(25):e4. https://doi.org/10.4108/eai.13-7-2018.161420

6. Wang Z., Fan Z., Li X., Xu K., Yu R. Measurement of magnetic and magnetostrictive characteristics of transformer core based on triaxial strain gauge and B-H vector sensor. Sensors. 2023;23(13):5926. http://doi.org/10.3390/s23135926

7. Pszcaola J., Cetnar T. Measurements of huge magnetostriction of the heavy rare earth – iron intermetallics. Physics for Economy. 2021;4:65–74.

8. Wang W., Liu H., Huang R., Zhao Y., Huang C., Guo S., Shan Y., Li L. Thermal expansion and magnetostriction measurements using the Strain Gauge Method. Front. Chem. 2018;6:72. https://doi.org/10.3389/fchem.2018.00072

9. Iwakami O., Kawata N., Takeshita M., Yao Y., Abe S., Matsumoto K. Thermal expansion and magnetostriction measurements using a Quantum Design Physical Property Measurement System. J. Phys.: Conf. Ser. 2014;568(3):032002. https://doi.org/10.1088/1742-6596/568/3/032002

10. Kundys B., Bukhantsev Y., Vasiliev S., Kundys D., Berkowski M., Dyakonov V.P. Three terminal capacitance technique for magnetostriction and thermal expansion measurements. Rev. Sci. Instrum. 2004;75(6):2192–2196. https://doi.org/10.1063/1.1753088

11. Miyake A., Mitamura H., Kawachi S., Kimura K., Kimura T., Kihara T., Tachibana M., Tokunaga M. Capacitive detection of magnetostriction, dielectric constant, and magneto-caloric effects in pulsed magnetic fields. Rev. Sci. Instrum. 2020;91:105103. https://doi.org/10.1063/5.0010753

12. Tam A.C., Schroeder H. A new high-precision optical technique to measure magnetostriction of a thin magnetic film deposited on a substrate. IEEE Trans. Magnetic. 1989;25(3):2629–2638. https://doi.org/10.1109/20.24502

13. Samata H., Nagata Y., Uchida T., Abe S. New optical technique for bulk magnetostriction measurement. J. Magn. Magn. Mater. 2000;212(3):355–360. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(99)00832-X

14. Hrabovska K., Zivotsky O., Rojicek J., Fusek M., Mares V., Jirakova Y. Surface magnetostriction of FeCoB amorphous ribbons analyzed using magneto-optical Kerr microscopy. Materials. 2020;13(2):257. https://doi.org/10.3390/ma13020257

15. Poore M., Kesterson K. Measuring the thermal expansion of solids with strain gauges. J. Test. Eval. 1978;6(2):98–102. https://doi.org/10.1520/JTE10926J

16. Khan M.A., Dumstorff G., Winkilmann C., Lang W. Investigation on noise level in AC- and DC-bridge circuits for sensor measurement systems. In: 18th GMA / ITG Conf. Sensors and Meas. Systems. 2016. P. 601–605. http://doi.org/10.5162/sensoren2016/P4.4

17. Chashin D.V., Burdin D.A., Fetisov L.Y., Economov N.A., Fetisov Y.K. Precise measurement of magnetostriction of ferromagnetic plates. J. Sib. Fed. Univ. Math. Phys. 2018;11(1):30–34. https://doi.org/10.17516/1997-1397-2018-11-1-30-34

18. Nyquist H. Thermal Agitation of Electric Charge in Conductors. Phys. Rev. 1928;32:110–113. https://doi.org/10.1103/PhysRev.32.110

19. Hooge F.N. 1/f noise is no surface effect. Phys. Lett. A. 1969;29(3):139–140. https://doi.org/10.1016/0375-9601(69)90076-0

20. Voss R.F., Clarke J. Flicker (1/f) noise: equilibrium temperature and resistance fluctuations. Phys. Rev. B. 1976;13(2): 556–573. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.556

21. Walter D., Bulau A., Zimmermann A. Review on excess noise measurements of resistors. Sensors. 2023;23(3):1107. https://doi.org/10.3390/s23031107