Диссертация (Температурные и нелинейные характеристики резонансного магнитоэлектрического эффекта в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик), страница 8

Однако для использования данногометода требуется быстродействующий регулятор, способный поддерживать заданнуютемпературу образца. Таким образом, для исследований характеристик резонансногоМЭ эффекта необходимо делать множество измерений и проводить трудоёмкуюобработку их результатов, управляя при этом температурой потока газообразного азота,проходящего через ячейку.Для решения этих проблем была создана измерительная установка, позволяющаяавтоматизировать процесс управления температурой образца, управления магнитнымполем, измерения частотных зависимостей МЭ напряжения и обработки измерительныхданных. Функциональная схема установки приведена на рис.

2.11.ГСГМКГКВДТПКМВИОКГУИПРНИАТКN2Рис. 2.11. Схема установки для измерения частотных, полевых итемпературных характеристик МЭ эффекта (ГС – генератор сигналов Agilent33210a, ГМ – гаусметр LakeShore 421, МВ – милливольтметр АКИП-2401, УИП –управляемый источник питания АКИП-1125, КГ – катушки Гельмгольца, КВ –катушки возбуждения, ИО – испытуемый образец, ТК – Термоконтроллер ТК-1, ПК– персональный компьютер).51Внешний вид автоматизированной установки показан на рис.

2.12. В состав установкивходят следующие основные блоки:1. Сосуд Дьюара (СД) с системой испарения и подачи азота (СИПА);2. Нагреватель азота (НА);3. Термоячейка (ТЯ) с магнитной системой (МС);4. Термоконтроллер (ТК);5. Набор электроизмерительных приборов (ЭИП);6. Персональный компьютер (ПК) с программами управления и обработки.523461Рис. 2.12. Внешний вид установки.Термоячейка (рис.

2.13) представляет собой цилиндр из тефлона с двумябоковыми крышками. Одна боковая крышка, жестко прикрепленная к корпусуячейки, имеет тефлоновый штуцер, служащий для подачи газообразного азотавнутрь ячейки. Вторая тефлоновая крышка съемная и крепится к корпусу ячейкис помощью двух винтов. На съемной крышке с внутренней стороны имеетсяплощадка, на которой крепится исследуемый образец, а с внешней стороны тефлоновая трубка, служащая для вывода газообразного азота в атмосферу.Внутрь ячейки помещен датчик температуры для измерения температурыобразца. На съемной тефлоновой крышке расположены три разъема, два из52которых служат для ввода-вывода электрических сигналов в ячейку, а третий для снятия сигнала с датчика температуры.

Входной штуцер термоячейкисоединяется термоизолированной трубкой с выходным штуцером резистивногонагревателя азота.Термоячейка располагается внутри магнитной системы в виде катушекГельмгольца. Катушки имеют две пары обмоток, создающих постоянноемагнитное поле и переменное магнитное поле. Оба магнитных поля направленывдоль продольной оси термоячейки. На каркасе катушек закреплены дваразъема, соединяемые с источником постоянного тока и с генераторомпеременного тока.Рис. 2.13. Внешний вид термоячейки.Нагреватель азота и термоячейка с магнитной системой закреплены другза другом на одном алюминиевом основании для уменьшения тепловых потерь иобеспечения жесткости конструкции.Дляпроведенияизмеренийамплитудно-частотныхиполевыххарактеристик магнитоэлектрических материалов и устройств в установкеиспользованы электроизмерительные приборы:1.

Генератор синусоидального напряжения Agilent 33210А используется дляпитаниямодулирующихкатушекмагнитнойсистемы,соз дающихпеременное магнитное поле;2. Источник постоянного тока АКИП 1120 используется для питаниякатушек магнитной системы, создающих постоянное магнитное поле;533. ВольтметрАКИП-2401используетсядляизмеренияпеременногонапряжения.Все приборы имеют выход RS232, с помощью которого осуществляетсясвязь с компьютером.Исследуемый образец помещается в специальную теплоизолированнуюячейку, в которой рядом с образцом распложен датчик температуры. В ячейкеобразец обдувается газообразным азотом, температура которого регулируется вшироких пределах (от 220 К до 380 К) с помощью резистивного нагревателя.Катушки возбуждения, подключенные к выходу генератора сигналов,обеспечивают переменное магнитное поле величиной 0 - 2 Э с частотой 0.1 200 кГц.

Постоянное магнитное поле (поле смещения) создаётся катушкамиГельмгольца с помощью управляемого источника питания. Его величина можетизменяться в пределах 0 – 2 кЭ. Напряжение, снимаемое с электродовисследуемой структуры, подаётся на вход широкополосного милливольтметра,подключенного к персональному компьютеру. С помощью специа льногопрограммного обеспечения, созданного на базе среды Labview фирмы NationalInstruments, измерительные данные обрабатываются и сохраняются.Программное обеспечение включает в себя набор программ, позволяющихизмерять зависимость амплитуды МЭ напряжения u от частоты переменногомагнитного поля, а также зависимости максимального МЭ напряжения u m ,3резонансной частоты f r и добротности Q от температуры T, постоянного1магнитного поля H и от амплитуды переменного магнитного поля h.На рис.

2.14 показан внешний вид интерфейса программы для измерениятемпературных характеристик резонансного МЭ эффекта. Полученный наборданных автоматически обрабатывался, и строились зависимости амплитудырезонансногонапряжения,резонанснойчастотыидобротностиотсоответствующего параметра: температуры, величины постоянного магнитногополя, амплитуды поля накачки.54Рис. 2.14.

Окно программы измерения температурных характеристик резонансногоМЭ эффекта.ПогрешностьизмеренияпараметроврезонансногоМЭвзаимодействияопределяется точностью задания внешних параметров: постоянного магнитного поля H,амплитуды h и частоты f переменного магнитного поля, погрешностью измеренияпеременного напряжения милливольтметром АКИП-2401, абсолютными значениямирезонансной частоты и добротности для исследуемой структуры f1,2 и Q1,2, выбраннымпри исследовании шагом задания частоты.Можно показать, что величина ошибки измерения резонансной частоты dfrсвязана с ошибкой измерения амплитуды резонансного пика δu следующимвыражением: = 1.67 ∙ ln(1 − )(2.5)Задавая требуемую величину δu, можно определить требуемый шаг сканирования почастоте.

При этом погрешность измерения добротности составит: = 2 (+∆0.7)≈2∙∆0.7,(2.6)где Δf0.7 – ширина резонансного пика по уровню 0.7, fr – резонансная частота.Учитывая приведённые соотношения, при измерениях в данной работедискретность сканирования по частоте выбиралась так, чтобы погрешности измерениясоставляли: Ошибка измерения амплитуды δu ≤ 4%; Ошибка измерения резонансной частоты δfr ≤ 0.05%; Ошибка измерения добротности δQ ≤ 6%.55Нижеприведенысуммарныехарактеристикисозданнойизмерительнойустановки.Созданная измерительная установка имеет следующие характеристики:Пределы установки температуры:190 К ~ 400 КМинимальный шаг изменения температуры:1КТочность поддержания температуры: 0.3 КРасход жидкого азота:~ 1 литр/часВнутренний объем измерительной ячейки:~ 20 cм3Внешние размеры измерительной ячейки:ф 5 см х 12 cмКоличество измерительных входов ячейки2Диапазон постоянных магнитных полей0 – 2.5 кЭАмплитуда модулирующего полядо 10 ЭДиапазон прикладываемых напряжений0 - 1 кВЗащита:- автоматическое отключение при окончании азота- автоматическое отключение при перегреве испарителя- автоматическое отключение при перегреве нагревателяРежимы работы установки температуры: ручной и автоматический2.4 Характеристики резонансного МЭ эффекта в композитных структурахДля того чтобы исследовать температурные характеристики резонансногомагнитоэлектрического эффекта и нелинейные МЭ эффекты в композитных структурах,были проведены предварительные исследования, направленные на обнаружение вобразцах требуемых эффектов, а также на установление их основных параметров.

Далееописаны результаты проведённых измерений частотных, амплитудных и полевыххарактеристик МЭ эффекта в композитных структурах составов PZT-Ni, PZT-Metglas,LGT-Ni, LGT-Metglas.2.4.1 Типы колебаний в композитных структурахВ композитной МЭ структуре под действием переменного магнитного поля из-замагнитострикции ФМ слоя возбуждаются акустические колебания, вид которыхопределяется формой и размерами образца, а также способом его крепления.56Исследования, сделанные в данной работе, проводились при возбуждении в структурахосновной моды изгибных и основной моды продольных колебаний.Измерения проводили с помощью установки, описанной в параграфе 4 главы 2методом гармонической модуляции магнитного поля. Образцы, представляющие собойпрямоугольные пластины, закрепляли в термоячейке на гибких подвесах с помощьюпайкивузловыхточкахсоответствующеготипаколебаний,чтопозволяломинимизировать влияние подвеса на акустические колебания (рис.

2.15).Для основной моды изгибных колебаний это были две точки, находящиеся на осипластины на расстоянии 0.22∙L от её краёв (рис. 3.20а).0.22LLa)b)Рис. 2.15. Крепление образца в узловых точках основной моды изгибных (а) ипродольных (b) колебаний.При работе на продольных колебаниях образец крепился на тонкую балку всередине длинной стороны.Для определения типа возбуждаемых в исследуемых структурах колебанийпроизводился расчёт резонансных частот основных мод изгибных и продольныхколебаний и сопоставление их с частотами наблюдаемых резонансных пиков МЭнапряжения.Резонансная частота изгибных колебаний свободной пластины определяетсяследующим выражением [96]:fb 1aY,2L2 12  (1   2 )(2.7)где β1 - коэффициент, зависящий от ширины пластины; ρ - плотность; γ - коэффициентПуассона; L- длина пластины.Резонансная частота продольных колебаний пластины рассчитывается поформуле [97]:57fp 1Y,2 L 12  (1   2 )(2.8)где ρ - плотность; γ - коэффициент Пуассона; L- длина пластины.Параметры Y и ρ в формулах (2.7) и (2.8) для разных слоёв МЭ структурыразличны, поэтому следует пользоваться их эффективными значениями, определяемымиследующими выражениями [33]:YYmbm  Yp bpbm  bp mbm   pbpbm  bp,(2.9),(2.10)где bm - толщина ФМ слоя; bp - Толщина ПЭ слоя; ρm - плотность ФМ слоя; ρp плотность ПЭ слоя; Ym - модуль Юнга ФМ слоя; Yp - модуль Юнга ПЭ слоя.2.4.2 Частотные характеристики МЭ эффекта в композитных структурахТипичныйвидамплитудно-частотнойхарактеристики(АЧХ)u(f)дляисследованных структур, снятых в присутствии постоянного магнитного поля, величинакоторого соответствует максимуму МЭ эффекта, показан на рис.

2.16. На АЧХ видныдва резонансных пика: один - в диапазоне 3-7 кГц, другой - в области частот 60 - 90 кГц.u20.7u2uu10.7u1f1ff2Рис. 2.16. Типичная частотная зависимость напряжения, генерируемого МЭструктурой.58Низкочастотный пик с частотой f1 и амплитудой u1 соответствует основной модеизгибных колебаний, а высокочастотный с частотой f2 и амплитудой u2 - основной модепродольных колебаний.Акустическая добротность структуры для каждого типа колебанийQрассчитывается по ширине резонансного пика:=∆0.7,(2.11)где Δf0.7 - ширина пика по уровню 0.7∙ur, fr - резонансная частота.Так, для образца PZT-Ni добротность на изгибных колебаниях Q1 ≈ 175,добротность на продольных колебаниях Q2 ≈ 140. Таким образом, для данной структурыдобротность низкочастотного резонанса выше, чем высокочастотного. Отметим, чтоструктуры с пьезоэлектрическим слоем из монокристаллического лангатата (LGT)имели на порядок более высокую добротность.

Например, для образца LGT-Ni прикомнатной температуре добротности составляли Q1 ≈ 1000, Q2 ≈ 5000.2.4.3 Полевые характеристики МЭ эффектаДалее были исследованы зависимости амплитуд МЭ напряжений u1 и u2 отвеличины постоянного магнитного поля. Для этого измеряли АЧХ образцов при разныхзначениях постоянного поля H. Результаты измерений для образцов PZT-P, PZT-Ni иPZT-Metglas приведены на рис. 2.17 - рис. 2.19. Видно, что на всех образцах принулевом постоянном поле МЭ эффект отсутствует.