RU174673U1

RU174673U1 - Device for optical monitoring of solids

Info

Publication number: RU174673U1
Application number: RU2017112851U
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Драгошанский; Владимир Иванович Пудов
Original assignee: Юрий Николаевич Драгошанский; Владимир Иванович Пудов
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2017-10-25

Abstract

Полезная модель относится к оптико-механическим средствам и может быть использована для изучения структуры и свойств твердых тел в областях металлургии и электротехники, в частности для исследования структуры магнитных материалов, в том числе, тонколистовой электротехнической стали (ЭТС). Заявленное устройство для оптического мониторинга поверхностей твердых тел состоит из двух взаимосвязанных оптических систем, которые расположены на общей станине со столом для образцов, включающих объективы, окуляры, источники света, светопреломляющие призмы и зубчато-винтовые механизмы фокусирования. Причем оптические системы расположены в вертикальной плоскости, параллельно одна относительно другой, а их объективы установлены соосно и направлены навстречу друг к другу линзами, вокруг которых установлены подвижные кольцевые магниты, направленные навстречу друг к другу разноименными полюсами. На столе закреплены две пластины механизма перемещения образца с двумя рычагами и опорная пластина механизма его растяжения с зажимами, растягивающей скобой, регулировочным винтом, подпружиненной нитью и измерительной шкалой со стрелкой. 2 ил.The utility model relates to optical-mechanical means and can be used to study the structure and properties of solids in the fields of metallurgy and electrical engineering, in particular to study the structure of magnetic materials, including thin-sheet electrical steel (ETS). The claimed device for optical monitoring of the surfaces of solids consists of two interconnected optical systems that are located on a common frame with a table for samples, including lenses, eyepieces, light sources, light-refracting prisms and gear-screw focusing mechanisms. Moreover, the optical systems are located in a vertical plane, parallel to one another, and their lenses are mounted coaxially and are directed towards each other by lenses, around which movable ring magnets are installed, directed towards each other with opposite poles. Two plates of the sample movement mechanism with two levers and a support plate of its tension mechanism with clamps, a tension bracket, an adjusting screw, a spring-loaded thread and a measuring scale with an arrow are fixed on the table. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к оптико-механическим средствам и может быть использована для изучения структуры и свойств твердых тел в областях металлургии и электротехники, в частности для исследования структуры магнитных материалов, в том числе, тонколистовой электротехнической стали (ЭТС).The utility model relates to optical-mechanical means and can be used to study the structure and properties of solids in the fields of metallurgy and electrical engineering, in particular to study the structure of magnetic materials, including thin-sheet electrical steel (ETS).

ЭТС является основой большого объема электротехнического оборудования - электрогенераторов, трансформаторов, электродвигателей и др. В процессе эксплуатации при их перемагничивании поглощается около 7% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Снижение магнитных потерь в этих материалах является актуальной проблемой. Эффективным путем ее решения является оптимизация параметров магнитных доменов, определяющих свойства этих материалов. Поэтому необходимо знать структуру и поведение доменов не только на поверхности, но и в объеме материалов. В частности, необходимо знать при перемагничивании места зарождения доменов, положение плоскостей их границ внутри листа, взаимодействие с неоднородностями кристаллической структуры, изменение их размеров и скоростей движения их границ, определяющих мощность магнитных потерь. Для получения такой информации необходимы устройства для исследования магнитной структуры в разных слоях и в объеме металлического листа.ETS is the basis of a large amount of electrical equipment - electric generators, transformers, electric motors, etc. During operation, during their magnetization reversal, about 7% of all electricity generated in the country is absorbed. Reducing magnetic losses in these materials is an urgent problem. An effective way to solve it is to optimize the parameters of magnetic domains that determine the properties of these materials. Therefore, it is necessary to know the structure and behavior of domains not only on the surface, but also in the volume of materials. In particular, it is necessary to know, during magnetization reversal, the domain nucleation site, the position of the planes of their boundaries inside the sheet, the interaction with inhomogeneities of the crystal structure, the change in their sizes and the velocities of their boundaries, which determine the power of magnetic losses. To obtain such information, devices are needed to study the magnetic structure in different layers and in the volume of the metal sheet.

Уровень техники в области изучения структуры металлов оптическим методом может быть представлен следующими известными решениями.The prior art in the study of the structure of metals by the optical method can be represented by the following known solutions.

Известно устройство, состоящее из двух оптических систем, одна из которых направляет свет источника через поляризатор и объектив на исследуемый участок поверхности образца, а другая - изображение этого участка через второй объектив и анализатор направляет к окуляру и приемнику-регистратору изображения [Kurminski М. Computerized magneto-optical Kerr effect system for dynamic domain structure observations. JMMM. 1996. V. 160. №3. P. 191-193]. Однако такое устройство обеспечивает получение информации лишь с одной поверхности металлического листа и не решает техническую проблему выявления объемной доменной структуры.A device consisting of two optical systems is known, one of which directs the light of the source through the polarizer and the lens to the studied area of the sample surface, and the other - the image of this area through the second lens and the analyzer directs to the eyepiece and the image recording receiver [Kurminski M. Computerized magneto -Optical Kerr effect system for dynamic domain structure observations. JMMM. 1996. V. 160. No. 3. P. 191-193]. However, such a device provides information from only one surface of a metal sheet and does not solve the technical problem of revealing a volume domain structure.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является оптическое устройство в виде бинокулярного микроскопа МБС-10, имеющее закрепленные на одной станине в наклонной плоскости две взаимосвязанные оптические системы, включающие окуляры, преломляющие призмы, объективы, источник света, стол для образца, зубчато-винтовой механизм перемещения элементов двух оптических систем при фокусировке на один участок одной поверхности образца одновременно под двумя разными углами наблюдения [Бахолдин А.В.. Оптические микроскопы. С.-Петербург: С-ПНИУИТМО, 2012, 45 с.].The closest technical solution to the claimed is an optical device in the form of a MBS-10 binocular microscope, having two interconnected optical systems fixed on one bed in an inclined plane, including eyepieces, refracting prisms, lenses, a light source, a sample table, a gear-screw movement mechanism elements of two optical systems when focusing on one part of one surface of a sample simultaneously at two different viewing angles [Bakholdin AV. Optical microscopes. St. Petersburg: S-PNIUITMO, 2012, 45 pp.].

Выявляя объемную картину шероховатости поверхности и вид магнитных доменов на одной из поверхностей образца, это устройство не дает информации об объемной картине доменов во внутренних слоях и также не решает технической проблемы раскрытия распределения намагниченности и особенностей кристаллической структуры в объеме материала.By revealing the volumetric picture of surface roughness and the appearance of magnetic domains on one of the sample surfaces, this device does not provide information about the volumetric picture of domains in the inner layers and also does not solve the technical problem of revealing the distribution of magnetization and the features of the crystal structure in the bulk of the material.

Эта техническая проблема решается расширением арсенала технических средств оптического исследования структуры и свойств металлических образцов путем создания оптического устройства, позволяющего определять структуру и степень ее изменения в двух слоях и в объеме металлического листа, в том числе при внешних воздействиях на его поверхность.This technical problem is solved by expanding the arsenal of technical means for optical investigation of the structure and properties of metal samples by creating an optical device that allows one to determine the structure and the degree of its change in two layers and in the volume of a metal sheet, including external influences on its surface.

Техническая проблема решается тем, что в устройстве для оптического мониторинга поверхностей твердых тел, состоящем из двух взаимосвязанных оптических систем, которые расположены на общей станине со столом для образцов, включающих объективы, окуляры, источники света, светопреломляющие призмы и зубчато-винтовые механизмы фокусирования, согласно полезной модели, оптические системы расположены в вертикальной плоскости, параллельно одна относительно другой, причем их объективы установлены соосно и направлены линзами навстречу друг к другу, вокруг которых установлены подвижные кольцевые магниты, направленные навстречу друг к другу разноименными полюсами, а на столе закреплены две пластины механизма перемещения образца с двумя рычагами и опорная пластина механизма растяжения образца с зажимами, растягивающей скобой, регулировочным винтом, подпружиненной нитью и измерительной шкалой со стрелкой.The technical problem is solved in that in a device for optical monitoring of surfaces of solids, consisting of two interconnected optical systems that are located on a common bed with a table for samples, including lenses, eyepieces, light sources, light-reflecting prisms and gear-screw focusing mechanisms, according to utility model, optical systems are located in a vertical plane, parallel to one another, with their lenses mounted coaxially and directed by lenses towards each other gu, around which movable ring magnets are mounted, directed towards each other with opposite poles, and on the table are fixed two plates of the sample transfer mechanism with two levers and a support plate of the sample stretching mechanism with clamps, a tension bracket, an adjusting screw, a spring-loaded thread and a measuring scale with arrow.

Сущность предлагаемой полезной модели, обеспечивающей достижение технического результата, заключается в возможности исследования структуры в объеме металлического образца путем получения информации с двух противоположных его поверхностей одновременно при совмещении на общей станине двух магнитооптических систем. Обе системы содержат одни и те же оптические и магнитные элементы, причем, согласно полезной модели, в каждой паре соответствующие друг другу элементы расположены зеркально один относительно другого, объективы направлены линзами друг к другу и вместе с расположенными вокруг них подвижными кольцевыми магнитами установлены соосно. При этом магниты ориентированы разноименными полюсами навстречу друг другу, а на столе закреплены две пластины механизма перемещения образца с двумя рычагами и опорная пластина механизма растяжения образца с зажимами, растягивающей скобой, регулировочным винтом, подпружиненной нитью и измерительной шкалой со стрелкой.The essence of the proposed utility model, ensuring the achievement of a technical result, lies in the possibility of studying the structure in the volume of a metal sample by obtaining information from two opposite surfaces at the same time when two magneto-optical systems are combined on a common frame. Both systems contain the same optical and magnetic elements, moreover, according to the utility model, in each pair, the elements corresponding to each other are located mirror-to-mirror relative to each other, the lenses are directed by lenses to each other and together with the movable ring magnets located around them are mounted coaxially. In this case, the magnets are oriented opposite poles towards each other, and on the table are fixed two plates of the sample movement mechanism with two levers and a support plate of the sample stretching mechanism with clamps, a tension bracket, an adjusting screw, a spring loaded thread and a measuring scale with an arrow.

Именно наличие двух оптических систем с набором необходимых оптических и магнитных элементов в каждой из них дает возможность наблюдать два изображения участка поверхности исследуемого образца одновременно. При этом в сдвоенном магнитооптическом устройстве лишь зеркальное расположение аналогичных, соответствующих друг другу, парных элементов из обеих систем с объективами, расположенными навстречу друг другу, позволяет исследовать две стороны участка, находящиеся на двух противоположных поверхностях исследуемого металлического листа. И лишь соосное положение объективов двух оптических систем обеспечивает возможность наблюдения в исследуемом образце сразу двух противоположно расположенных сторон строго одного и того же локального участка в образце.It is the presence of two optical systems with a set of necessary optical and magnetic elements in each of them that makes it possible to observe two images of the surface area of the studied sample at the same time. Moreover, in a dual magneto-optical device, only a mirror arrangement of similar, corresponding to each other, paired elements from both systems with lenses located towards each other, allows you to explore two sides of the plot located on two opposite surfaces of the studied metal sheet. And only the coaxial position of the lenses of the two optical systems makes it possible to observe in the sample under study two directly opposite sides of exactly the same local area in the sample.

Таким образом, именно совокупность указанных выше признаков решает назревшую техническую проблему - создает возможность исследования кристаллической и магнитной структур и их изменений одновременно в двух противоположных слоях одного и того же участка металлического образца и при малых его толщинах (например, при стандартизованных для ЭТС 0.27, 0.23, 0.18, 0.08, 0.05 мм) достаточно достоверно прогнозировать вид структуры внутри образца при внешних воздействиях на его поверхность. Например, при воздействии магнитоактивного (растягивающего металл) электроизоляционного покрытия, бесконтактной локальной лазерной обработки (ЛЛО), ионно-лучевой обработки (ИЛО), а также определять оптимальные режимы обработок, устанавливать места зарождения основных и замыкающих доменов, распределение и условия сквозного прохождения их границ в листах стали различной толщины; выявлять физические механизмы изменения параметров доменов при различных внешних воздействиях и оптимизировать эти параметры, улучшая магнитные свойства материала.Thus, it is the combination of the above characteristics that solves the overdue technical problem - it makes it possible to study the crystalline and magnetic structures and their changes simultaneously in two opposite layers of the same section of the metal sample and at small thicknesses (for example, with standardized for EMF 0.27, 0.23 , 0.18, 0.08, 0.05 mm) it is rather reliable to predict the type of structure inside the sample under external influences on its surface. For example, under the influence of a magnetically active (metal stretching) electrical insulation coating, non-contact local laser treatment (LLO), ion-beam processing (ILO), as well as determine the optimal treatment regimes, establish the nucleation sites of the main and trailing domains, the distribution and the conditions for the passage through their boundaries in steel sheets of various thicknesses; to identify the physical mechanisms for changing the parameters of domains under various external influences and optimize these parameters, improving the magnetic properties of the material.

Устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:The device is illustrated by the following graphic materials:

1 - схема расположения механооптических и магнитных элементов в устройстве (фиг. 1) и 2 - схема механизма растяжения образца (фиг. 2).1 - arrangement of mechano-optical and magnetic elements in the device (Fig. 1) and 2 - diagram of the mechanism of stretching of the sample (Fig. 2).

Устройство для оптического мониторинга состоит из станины 1 и размещенных на ней элементов двух взаимосвязанных оптических систем, каждая из которых сгруппирована на своей направляющей зубчатой пластине 2. Обе одинаковые оптические системы в целом включают два оптических объектива 3, ориентированных линзами навстречу один другому, с оптическими осями, направленными вертикально вдоль одной общей оси (соосно). Зубчато-винтовые механизмы 4 грубого и точного фокусирования, связаны с объективами и расположенными на них кольцевыми подвижными магнитами, которые разноименными полюсами направлены навстречу друг другу. Образец 5, покрыт с обеих сторон магнитопорошковой суспензией из частиц магнетита с наложенными на нее покровными стеклами и закреплен в зажимах растягивающего механизма 7. Пластинчатый механизм перемещения образца 8 с рычагами 9 и 10 продольного и поперечного движения выставлен между объективами на неподвижном столе 11. Два источника света 12, две пары оптических преломляющих призм 13 и 13' и два окуляра 14 расположены за объективами по обе стороны стола 11.The device for optical monitoring consists of a frame 1 and the elements of two interconnected optical systems placed on it, each of which is grouped on its guide gear plate 2. Both identical optical systems as a whole include two optical lenses 3, oriented with lenses facing one another, with optical axes directed vertically along one common axis (coaxially). Gear-screw mechanisms 4 of coarse and precise focusing are connected with lenses and ring movable magnets located on them, which with opposite poles are directed towards each other. Sample 5 is coated on both sides with a magnetic particle suspension of magnetite particles with coverslips superimposed on it and fixed in the clamps of the stretching mechanism 7. The plate-like mechanism for moving the sample 8 with levers 9 and 10 of longitudinal and lateral movement is set between the lenses on a fixed table 11. Two sources light 12, two pairs of optical refractive prisms 13 and 13 'and two eyepieces 14 are located behind the lenses on both sides of the table 11.

Механизм растяжения образца (фиг. 2) закреплен на столе 11 устройства и состоит из опорной пластины 15, имеющей окно-отверстие, два зажима (неподвижный 16 и подвижный 17), в которых закреплены края образца 5. Винт 18 для сжатия упругой разрезной скобы и скоба 19 помещены в окне опорной пластины 15 между зажимами образца 16 и 17. На зажимах закреплена подпружиненная нить 20, лежащая на ролике со стрелкой 21 на фоне измерительной шкалы 22.The sample stretching mechanism (Fig. 2) is mounted on the table 11 of the device and consists of a support plate 15 having a window-opening, two clamps (fixed 16 and movable 17), in which the edges of the sample are fixed 5. Screw 18 for compressing the elastic split bracket and the bracket 19 is placed in the window of the support plate 15 between the clamps of the sample 16 and 17. A spring-loaded thread 20 is fixed on the clamps, lying on the roller with an arrow 21 against the background of the measuring scale 22.

Порядок работы с оптическим устройством:The procedure for working with an optical device:

На станине устройства 1, передвигая пластины 2, раздвигают объективы 3 устройства, вращая винты зубчато-винтовых фокусирующих механизмов 4 фиг. 1. Затем один и тот же участок на двух противоположных поверхностях исследуемого образца 5 покрывают магнитной суспензией из частиц магнетита, на которую накладывают покровные стекла. Образец 5 закрепляют в зажимах 16 и 17 растягивающего механизма 7 (фиг. 2), находящегося на столе 11. Включают источники света 12 и, управляя рычагами 9 и 10, растягивающий механизм с образцом передвигают исследуемым участком образца под объективы 3. Далее, наблюдая вначале в один, а затем в другой окуляр 14, фокусируют верхнюю, а затем нижнюю оптические системы на освещающийся при этом исследуемый участок образца вращением винтов 4 грубой, а затем тонкой фокусировки. При фокусировке оптических систем синхронно перемещаются установленные на пластинах 2 источники света 12, преломляющие призмы 13, 13' и окуляры 14. И, наконец, изображения двух освещенных сторон исследуемого участка с двух противоположных поверхностей образца обе оптические системы направляют в фото- или электронные регистрирующие приемники, которые можно поместить на тубусы окуляров.On the bed of the device 1, moving the plates 2, the lenses 3 of the device are moved apart by rotating the screws of the gear-screw focusing mechanisms 4 of FIG. 1. Then one and the same area on two opposite surfaces of the test sample 5 is coated with a magnetic suspension of magnetite particles, on which glass coverslips are applied. The specimen 5 is fixed in the clamps 16 and 17 of the stretching mechanism 7 (Fig. 2) located on the table 11. The light sources 12 are turned on and, by controlling the levers 9 and 10, the stretching mechanism with the specimen is moved to the sample section under the lenses 3. Further, observing first in one and then in another eyepiece 14, the upper and then lower optical systems are focused on the illuminated portion of the sample under study by rotation of the coarse and fine-focusing screws 4. When focusing the optical systems, the light sources 12 mounted on the plates 2 move simultaneously, refracting the prisms 13, 13 'and the eyepieces 14. And, finally, the images of the two illuminated sides of the studied area from two opposite surfaces of the sample are sent to photo or electronic recording receivers that can be placed on the tubes of the eyepieces.

Растяжение образца 5 создают вращением винта 18, приводящим к сжатию скобы 19 и передаче ее напряжения на перемещение подвижного зажима 17 с образцом 5. Их смещение через параллельно натянутую подпружиненную нить 20 передается на вращающийся ролик со стрелкой 21, поворот которых происходит на фоне измерительной шкалы 22.The tension of the sample 5 is created by rotating the screw 18, which compresses the bracket 19 and transfers its voltage to move the movable clamp 17 with the sample 5. Their displacement through a parallelly tensioned spring thread 20 is transmitted to a rotating roller with an arrow 21, the rotation of which occurs against the background of the measuring scale 22 .

В случае необходимости усилить порошковый контраст между смежными доменами в образце для улучшения качества оптического изображения и повышения надежности получаемой информации следует сближать расположенные вокруг объективов кольцевые магниты 6, усиливая слабое вертикальное подмагничивающее поле в пространстве между объективами.If it is necessary to enhance the powder contrast between adjacent domains in the sample, to improve the quality of the optical image and increase the reliability of the information obtained, ring magnets 6 located around the lenses should be brought closer together, reinforcing a weak vertical magnetizing field in the space between the lenses.

Оптическое устройство с растягивающим механизмом в целом компактно и легко помещается в горизонтальное магнитное поле, например, между полюсами электромагнита или катушками Гельмгольца, а также позволяет изучать поведение магнитной структуры в одном и том же участке с двух противоположных поверхностей листа одновременно не только в условиях намагничивания, но и механических воздействий.An optical device with a tensile mechanism is generally compact and easily placed in a horizontal magnetic field, for example, between the poles of an electromagnet or Helmholtz coils, and also allows you to study the behavior of the magnetic structure in the same area from two opposite surfaces of the sheet at the same time not only under magnetization conditions, but also mechanical influences.

Результаты испытаний предлагаемого оптического устройства.The test results of the proposed optical device.

Опытные испытания оптического устройства показало его высокую эффективность. Было установлено, например, что сквозная магнитная структура из основных полосовых 180°доменов формируется при толщине кристалла порядка ширины этих доменов, для замыкающих доменов - порядка их длины; обнаружено сложное внутриобъемное комплексное 180-90-градусное строение замыкающих доменных структур, управление которыми позволяет снижать магнитные потери при растяжении и локальной лазерной обработке стали; определена величина оптимального изгиба образца и оптимальная доза облучения (10¹⁶ион/см²) его поверхности потоком ионов аргона, соответствующие значительному повышению магнитострикции сплава Fe-Si (с 2×10^-6 до 16×10^-6) за счет сжатия его верхнего слоя, при сохранении его магнитной мягкости; за счет растяжения нижнего слоя образца; вопреки прежним представлениям о неоднородностях, ухудшающих свойства кристалла [Чуйко Н.М., Мошкевич Е.И., Перевязко А.Т., Галицкий Ю.П.. Трансформаторная сталь. М.: Металлургия, 1970, 264 с.], впервые в мировой практике показана возможность нанесения лазером зон тепловых деформаций и немагнитных примесей в оптимальном режиме значительно снизить (на 25-30%) магнитные потери в сталях [Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Магнитная доменная структура и термостабилизация зон лазерного воздействия в магнитомягких материалах. ФТТ, 2016, т. 58, №2, с. 252-258].Experimental testing of an optical device has shown its high efficiency. It was found, for example, that a through magnetic structure of the main 180 ° strip domains is formed at a crystal thickness of the order of the width of these domains, for trailing domains - of the order of their length; a complex intravolume complex 180-90-degree structure of closing domain structures was discovered, the control of which allows to reduce magnetic losses during tension and local laser processing of steel; the optimal bending of the sample and the optimal radiation dose (10 ¹⁶ ion / cm ² ) of its surface were determined by the flow of argon ions, corresponding to a significant increase in magnetostriction of the Fe-Si alloy (from 2 × 10 ^-6 to 16 × 10 ^-6 ) due to compression of its upper layer, while maintaining its magnetic softness; due to the stretching of the lower layer of the sample; contrary to previous ideas about heterogeneities that worsen the properties of the crystal [Chuiko NM, Moshkevich EI, Perevyazko AT, Galitsky Yu.P. Transformer steel. M .: Metallurgy, 1970, 264 pp.], For the first time in world practice, the possibility of applying laser zones of thermal deformations and non-magnetic impurities in the optimal mode to significantly reduce (by 25-30%) magnetic losses in steels [Pudov V.I., Dragoshansky Yu.N. Magnetic domain structure and thermal stabilization of laser exposure zones in soft magnetic materials. FTT, 2016, vol. 58, No. 2, p. 252-258].

Таким образом, данное оптико-магнитомеханическое устройство существенно повышает уровень и качество исследования кристаллической и магнитной структур и их изменений, причем одновременно в двух противоположных слоях и в объеме металлического образца. При этом технический результат также направлен на перспективность снижения трудоемкости исследования и повышения информативности его результатов, расширения областей для практического использования устройства.Thus, this optical-magnetomechanical device significantly increases the level and quality of studies of crystalline and magnetic structures and their changes, both simultaneously in two opposite layers and in the volume of a metal sample. Moreover, the technical result is also aimed at the prospect of reducing the complexity of the study and increasing the information content of its results, expanding areas for practical use of the device.

Claims

A device for optical monitoring of surfaces of solids, consisting of two interconnected optical systems that are located on a common frame with a table for samples, including lenses, eyepieces, light sources, light-refracting prisms and gear-screw focusing mechanisms, characterized in that the optical systems are located in vertical plane, parallel to one another, with their lenses mounted coaxially and directed towards each other with lenses around which movable rings are mounted ring magnets directed towards each other with opposite poles, and two plates of the sample movement mechanism with two levers and a support plate of its tension mechanism with clamps, a tension bracket, an adjusting screw, a spring-loaded thread and a measuring scale with an arrow are fixed on the table.