Диссертация (1090253), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Затем, с ростом величины H,напряжение u1 монотонно растёт, достигая максимума при некотором значении поля Hm,характерном для материала ФМ слоя структуры. Так, для пермендюра Hm = 260 Э, дляNi - 90 Э, для Metglas - 6-7 Э. То есть структуры с аморфным ферромагнитным сплавомMetglas имеют максимальную эффективность МЭ преобразования при более низкихполях, чем структуры с никелем и пермендюром.590,41,50,3u, Vu, V1,00,50,00,000,20,10,00,250,500,751,000100H, kOe200300H, OeРис. 2.17.
Полевая зависимостьнапряжения u1 для структуры PZT-P,измеренная при h = 1 ЭРис. 2.18. Полевая зависимостьнапряжения u1 для структуры PZTNi, измеренная при h = 1.26 Э.0,4u, V0,30,20,10,001020304050H, OeРис. 2.19. Полевая зависимость напряжения u1 дляструктуры PZT-Metglas, измеренная при h = 0.4 Э.2.4.4 МЭ эффект в структурах с гистерезисомУ образцов с ФМ слоями из Ni ипермендюра был обнаружен остаточный МЭэффект, заключающийся в наличии МЭмагнитного поля. На рис. 2.20 показанполный ход кривой полевой зависимостирезонансного МЭ напряжения u1(H) приизменении H в пределах - Hs до HsобразцаLGT-Ni.Чёрнаядлялинияu, mVэффекта после выключения постоянного390LGT-NIh=1.26 OeT=293K2601300Рис. 2.20.
Ход кривой u1(H) дляструктуры LGT-Ni.60соответствует размагниченному состоянию ФМ слоя образца, когда H от нуляувеличивается до H s . Затем поле уменьшалось до нуля и, меняя знак, достигалозначения-H s .Следующемуциклуизмененияполярностипостоянногомагнитного поля соответствует зелёная кривая. Видно, что при нулевомпостоянном поле наблюдается МЭ эффект величиной до 0.6 от максимального.При этом величина магнитного поля, при котором эффект нулевой, равнапримерно 20-30 Э.2.4.5 Амплитудные характеристики МЭ эффектаДля использования композитных МЭ структур в качестве датчиковмагнитных полей важно знать зависимость МЭ напряжения от амплитудыпеременного магнитного поля (поля возбуждения). Для структур PZT -P, PZTNi,PZT-Metglas,LGT-NI,LGT-Metglasбылиизмеренызависимостирезонансного МЭ напряжения u 1 (h) при H = H m , приведённые на рис.
2.21 рис. 2.23. Видно, что на начальном участке характер зависимости для всехструктур одинаков: линейный рост u 1 с увеличением h от нуля, затем, припревышении амплитудой поля величины 0.1∙H s – отклонение от линейногозакона. Для образца PZT-Metglas наблюдался максимум напряжения u 1 при h =H m , а затем – практически линейное падение с увеличением амплитуды поля.Отличие зависимости u 1 (h) образца PZT-Metglas в области h > 6 Oe можнообъяснить тем, что достигнутые значения амплитуды поля возбуждения (12 Э)уже соизмеримы с величиной оптимального поля смещения для Metglas ( H m = 6Oe).
При этом с ростом величины поля накачки эффективность линейного МЭпреобразования уменьшается, так как растёт интенсивность нелинейных МЭэффектов. Пермендюр и никель имеют существенно большие значения H m , посравнению с которым амплитуда переменного магнитного поля во всёмисследованном диапазоне мала.618H=260 Oe4422000H=96Oe6u, Vu, V6480122468h, Oeh, OeРис. 2.21. Зависимость напряжения u1,генерируемого структурой PZT-P, отамплитуды поля возбуждения h при полесмещения H=260 Э.Рис. 2.22. Зависимость напряжения u1,генерируемого структурой PZT-Ni, отамплитуды поля возбуждения h при полесмещения H=100 Э.1,5H=7 Oeu, V1,00,50,00,03,57,010,514,0h, OeРис.
2.23. Зависимость напряжения u1, генерируемого структурой PZT-Metglas, отамплитуды поля возбуждения h при поле смещения H =7 Э.2.4.6 Зависимость резонансной частоты и добротности от магнитного поляВо всех исследованных структурах наблюдалось изменение резонансной частотыи добротности при изменении магнитного поля. На рис. 2.24 в качестве иллюстрацииприведены зависимости f1(H) и Q1(H) для структуры PZT-P при фиксированнойамплитуде переменного поля h.
Видно, что с увеличением постоянного магнитного поляH от нуля резонансная частота и добротность уменьшаются, достигая минимума приH = Hm, и при дальнейшем увеличении поля до H = Hs возвращаются к своему значениюпри нулевом поле.62Приисследованииамплитудныххарактеристиктакжебылаобнаруженазависимость f1 и Q1 от амплитуды переменного поля h. На рис. 2.25 приведена типичнаязависимость f1(h) и Q1(h) при фиксированном значении поля H.
Видно, что резонанснаячастота и добротность монотонно падают с ростом h при фиксированном значении H =Hm.7,857,807,82f1, kHzf1, kHz7,847,757,807,70100Q1Q11206000,00,550001,0510h, OeH, kOeРис. 2.25. Зависимостьрезонансной частоты идобротности структуры PZT-P отамплитуды поля возбуждения.Рис. 2.24.
Зависимостьрезонансной частоты идобротности изгибных колебанийструктуры PZT-P от величиныпостоянного поля.Уменьшение резонансной частоты с ростом постоянного магнитного поля Hможносвязатьсмагнитоупругимвзаимодействием(ΔE-эффектом)вмагнитострикционном слое. Известно, что при возбуждении магнитострикционныхультразвуковых резонаторов сравнительно малым переменным магнитным полемэффективный модуль Юнга описывается выражением вида [95]: ′ = 1 (1 −Γ21),(2.12)где E’ – эффективный модуль Юнга магнитострикционного резонатора, E1 – упругаякомпонента модуля Юнга магнитно-блокированного резонатора, μ – эффективнаяdλ)d1 ( )магнитная проницаемость резонатора, Γ = E(– магнитострикционная постоянная.При этом величина E1 с увеличением H монотонно возрастает, а член μΓ2пропорционален магнитострикционной деформации: равен нулю при H = 0 и при63магнитном насыщении и максимален при H = Hm. В связи с этим, на полевойзависимости f1,2(H) есть участок падения резонансной частоты f1,2 при увеличении H впределах от 0 до Hm, когда компонент μΓ2 увеличивается, и участок монотонного ростаf1,2 при H > Hm.
Зависимости резонансной частоты композитных МЭ структур,аналогичные приведённым на рис. 2.24, наблюдали также авторы работы [97].Зависимость Q(H) также связана с влиянием магнитострикционной деформации:~1∆ℎ1~ (,(2.13)22 −Γ )где Q – акустическая добротность, E2 – диссипативная компонента модуля Юнга, Δh –декремент затухания при возбуждении образца переменным магнитным полем.Сопоставляя данные на рис.2.24 и рис.2.25, можно заметить, что величинаизменения резонансной частоты и декремента затухания пропорциональна амплитудеМЭ напряжения, а значит, переменной магнитострикционной деформации.
На рис.2.26 ирис. 2.27 приведены зависимости частоты и добротности от МЭ напряжения u1,построенные по данным на рис.2.24 и рис.2.25.7,85PZT-P120f(H)Q(H)PZT-P7,80Qf, kHz80f(h)Q(h)7,75407,70002460u, V246u, VРис. 2.26. Зависимость резонанснойчастоты изгибных колебанийструктуры PZT-P от амплитудыгенерируемого МЭ напряжения u1.Рис. 2.27. Зависимость добротностиизгибных колебаний структуры PZT-Pот амплитуды генерируемого МЭнапряжения u1.2.4.7 Эффективность резонансного МЭ взаимодействия в исследованныхструктурахНа основании полученных данных были определены максимальные МЭкоэффициенты αE1,2 для всех исследованных образцов при оптимальном значении поля.64КоэффициентαE,характеризующийэффективностьрезонансногоМЭпреобразования, определяется выражением (1.4):1,2 =1,2[В],ℎ∙ см∙Эгде u - амплитуда резонансного МЭ напряжения; h - амплитуда переменного магнитногополя; b - толщина ПЭ слоя структуры.Для структуры PZT-Ni при H = 90 Э величина МЭ коэффициента на частотеизгибных колебаний составила αE1 = 1,63 В/см∙Э, а на частоте продольных колебаний αE2 = 3,0 В/см∙Э.Значения МЭ коэффициентов αE1 и αE2, измеренных при оптимальном полесмещения ФМ слоя каждого из образцов H = Hm, приведены в таблице 2.4.Таблица.
2.4. Характеристики МЭ преобразования в композитных структурах разногосостава при комнатной температуре.αE1,αE2,f2, кГцОбразецf1, кГцQ1Q2В/(см ∙Э)Изгибные колебанияВ/(см ∙Э)Продольные колебанияLGT-Metglas4,420003083,57000450LGT-Ni4,71000284,2500045,5PZT-Metglas2,71701261140135PZT-Ni3.51601,63691203,0PZT-Pd7,81106,0Видно, что структуры с ПЭ слоем из лангатата имеют добротность порядка 103, вто время как добротность структур с PZT не превышает 200.
Также следует отметить,что во всех исследованных структурах эффективность МЭ преобразования напродольныхколебанияхпревышалаэффективностьнаизгибномрезонансе.Максимальная величина МЭ эффекта наблюдалась в структуре LGT-Metglas αE2 = 450 В/см∙Э, и в структуре PZT-Metglas - αE2 = 135 В/см∙Э.Выводы по параграфу•Акустическая добротность резонансных колебаний Q зависит от постоянногомагнитного поля H и имеет минимум при H = Hm;65•В структурах с ФМ слоем из Ni наблюдается остаточный резонансный МЭ эффектпосле выключения постоянного магнитного поля. Величина этого эффекта можетдостигать 50-60% от максимальной (при H = Hm);•Резонансная частота акустических колебаний композитных структур ПЭ-ФМ frзависит от поля смещения H и имеет минимум при H=Hm;•Эффективность резонансного МЭ преобразования для планарных колебаний, какправило, выше, чем на изгибных;•Применение LGT позволяет увеличить резонансный МЭ эффект за счёт болеевысокой акустической добротности;•Структуры с ФМ слоем из Metglas имеют более высокую эффективностьрезонансного МЭ преобразования, чем структуры с тем же материалом ПЭ слоя иФМ слоями из пермендюра и никеля.2.5.
Выводы по главеТаким образом, были изготовлены двухслойные МЭ структуры прямоугольнойформысПЭслоямиизсегнетоэлектрическойкерамикиЦТС-19имонокристаллического лангатата, магнитострикционными слоями из пермендюра(Fe0.49Co0.49V0.02), никеля (Ni) и аморфного сплава Metglas 2605S3A.Была создана автоматизированная измерительная установка, представлявшаясобой комплекс инструментальных и измерительных средств, соединённых сперсональным компьютером, оснащённым специально созданным программнымобеспечением, и позволяющая измерять частотные, полевые и температурныезависимости параметров МЭ взаимодействия в композитных структурах, а такжетемпературные и полевые зависимости упругих и диэлектрических свойств материалов,использованных для изготовления слоёв композитных структур.Реализованный метод обдува образца потоком газообразного азота позволилпреодолетьпроблемуотрицательныхобразованиятемпературах,аконденсататакженаповерхностиобразцовприпроблемуразмещенияобразцовпритемпературных измерениях в поле магнитных катушек.Проведено предварительное исследование характеристик линейного резонансногоМЭ эффекта в изготовленных образцах.
Во всех структурах наблюдалось резонансное66усиление МЭ эффекта на частотах изгибных и продольных акустических колебаний.Наибольшую величину резонансного МЭ коэффициента имели структуры с ФМ слоемиз Metglas: αE2 = 450 В/см∙Э у LGT-Metglas и αE2 = 135 В/см∙Э PZT-Metglas. Определенавеличина оптимального поля смещения Hm для образцов с разными материаламимагнитострикционного слоя: 100 Э - для Ni, 260 Э – для пермендюра, 6 Э – для Metglas.Определён диапазон линейности амплитудной характеристики для структур с разнымиФМ материалами – до 0.1·Hm.Обнаружены магнитоупругие взаимодействия в исследованных структурах, врезультате которых наблюдается обусловленное ΔE эффектом изменение резонанснойчастоты и добротности структуры с изменением магнитного поля.Показано, что использование монокристаллического LGT позволяет увеличитьрезонансный МЭ коэффициент, несмотря на то, что LGT имеет меньший ПЭкоэффициент, чем PZT, благодаря высокой механической добротности и большомуотношению d31/ε [A4].673.
Температурные характеристики резонансного МЭ эффекта в композитныхструктурах3.1 Температурные характеристики ферромагнитных и пьезоэлектрическихматериаловТемпературные зависимости упругих свойств ПЭ материаловДля анализа факторов, влияющих на температурные характеристики резонансногоМЭ эффекта в композитных структурах, были проведены измерения температурныхзависимостей параметров продольных акустических колебаний в пьезоэлектрических иферромагнитных резонаторах, изготовленных из соответствующих материалов.Пьезоэлектрические резонаторы представляли собой прямоугольные пластины изкерамики PZT и монокристалла LGT с размерами 25х5х0.5 мм3. Методика измеренияописана выше в параграфе 2.2.3 главы 2.На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
