ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области твердотельной электроники и измерительной техники и может быть использовано при создании датчиков магнитного поля.
Известные сегодня устройства регистрации параметров магнитного поля основаны либо на эффекте Холла, либо на использовании магниторезисторов, магнитодиодов и магнитотранзисторов (Бараночников М.Л. «Микромагнитоэлектроннка», том 1. 2001 г. издание ДМК Пресс. 2001 г., 541 с.), либо на изменении магнитной проницаемости сердечника катушки (феррозонд) (Афанасьев Ю.В. «Феррозонды». Л, «Энергия», 1969 г., 166 с.), либо представляют собой сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД) (Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джоэефсоновскими контактами. 1978 г. М., Наука. 387 с.), либо работают на классическом индукционном способе.
2
В устройствах, основанных на эффекте Холла, магнитоэлектрический эффект обусловлен действием силы Лоренца, благодаря которой в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, траектория движения носителей заряда искривляется, что позволяет получить информационный сигнал от постоянных и относительно низкочастотных переменных магнитных полей. Несомненными достоинствами первичных преобразователей Холла являются их малые размеры (характерный планарный размер 100·100 мкм), малое энергопотребление (несколько мкВт) и полная сочетаемость с полупроводниковыми технологиями, что позволяет реализовать интегрировать их с обрабатывающей электроникой в единой микросхеме. Пример исполнения такого датчика описан в RU №73088, G01R 33/02, опубл. 2008.05.10.
-5
-6
Однако датчики Холла уступают по чувствительности многим другим датчикам аналогичного назначения. Порог чувствительность датчиков Холла по порядку величины составляет 10-10 Тл.
Устройства, работающие на основе магниторезисторов, магнитодиодов и магнитотранзисторов формируют информационный сигнал от постоянных и переменных магнитных полей за счет эффекта Гаусса, заключающегося в изменении электрического сопротивления проводящих тел за счет искривлений траекторий движения носителей заряда в магнитном поле.
Однако недостатки таких способов, наряду с их достоинствами, практически аналогичны датчикам Холла.
-12
-9
Феррозонд, с точки зрения физических основ регистрации магнитного поля, получен производным способом от индукционного способа, т.к. он также основан на эффекте электромагнитной индукции. В отличие от классического индукционного способа, использующего пассивную катушку, феррозонд относится к активным системам. В нем изменения магнитного потока через контур проводника дополнительно достигают за счет принудительного изменения магнитной проницаемости сердечника измерительного контура с помощью периодического перемагничивания сердечника вспомогательной катушкой, подключенной к внешнему источнику переменного электрического напряжения. Чувствительность феррозонда одна из самых высоких. Его порог чувствительности значительно выше, чем у датчиков Холла, и составляет 10-10 Тл.
Однако энергопотребление феррозондовых первичных преобразователей в тысячи раз выше, чем у преобразователей Холла, и составляет десятки и сотни мВт, а объем большинства конструкций феррозондов превышает несколько кубических сантиметров.
-14
-18
Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик [3] использует эффект Джозефсона - протекание туннельного тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий сверхпроводники (слабая связь). В присутствии магнитного поля амплитуда суммы туннельных токов от двух или нескольких параллельно включенных слабых связей зависит от величины магнитного поля. СКВИД имеет рекордную чувствительность к магнитному полю (10-10 Тл).
Однако для работы СКВИД требует охлаждения до криогенных температур.
Датчики магнитного поля, работающие по классическому индукционному способу регистрации переменного магнитного поля, используют эффекте магнитной индукции Фарадея. В соответствии с этим эффектом в замкнутом контуре проводника, расположенном в пространстве с переменным магнитным полем, будет наведена (индуцирована) электродвижущая сила (ЭДС). ЭДСявляется в индукционном способе информационным сигналом, регистрирующим наличие в пространстве переменного магнитного поля. С учетом того, что магнитный поток через контур может быть существенно увеличен с помощью ферромагнитного сердечника с относительной магнитной проницаемостью μ≫1, а контур может включать не один, а «n» витков проводника, данное устройство является одним из самых чувствительных к переменному магнитному полю в достаточно широкой области радиочастот. Значение информационного сигнала в таком устройстве определяется скоростью изменения во времени напряженности магнитного поля, параметрами контура (S, n) и охватываемой им среды. Ограничением сверху для размеров индукционного контура и числа витков в нем, а следовательно, и для значения информационного сигнала являются собственная емкость и индуктивность контура, определяющие резонансную частоту контура.
-11
5
6
Характерная чувствительность классического индукционного способа зависит от частоты принимаемого магнитного поля и составляет по порядку величины 10 Тл. Типичные частоты измеряемого магнитного поля лежат в диапазоне длинных и средних волн: 10-5·10 Гц.
n
Очевидный недостаток такого устройства - невозможность измерения параметров постоянного магнитного поля и магнитного поля в области низких частот в силу соответственно нулевого или малого значения dH/dt.
Известен виброзонд (SU №612194, опубл. 25.06.1978), содержащий обмотку (контур), выполненную из пьезокерамического материала, электроды, проводники. При подаче напряжения на электроды, расположенные на обмотке, которая изгибается и удлиняется в результате пьезоэффекта, площадь
витков уменьшается и увеличивается в резонанс с напряжением. При постоянном магнитном поле, действующем вдоль оси обмотки, в электродах возникает ЭДС, пропорциональная индукции внешнего магнитного поля, и ее измеряют на клеммах проводников.
Недостатками данного устройства является то, что обмотка выполнена в виде самонесущей конструкции, имеет консольное крепление, помимо удлинения осуществляет еще и колебательные движения, в связи с чем не может в силу массогабаритных и конструктивных принципов осуществлять достаточно высокочастотные колебания в режиме резонанса или вынужденные высокочастотные колебания без разрушения конструкции.
Известен акустоустойчивый индукционный датчик магнитного поля, содержащий полый цилиндрический сердечник, на котором расположена многовитковая измерительная обмотка, при этом сердечник датчика выполняется в виде расположенных друг за другом ферритовых колец одинаковой формы из магнитомягкого материала, а ферритовые кольца выполняются попеременно из материала с положительным знаком магнитострикции и с отрицательным знаком магнитострикции (RU №1422859, G01R 33/02, опубл. 1996.12.10).
Недостатком данного датчика является его слабая добротность и возможность измерения только слабых переменных магнитных полей.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по изменению конструкции датчика магнитного поля путем формирования внутри контура обмотки пьезоактивного элемента цилиндрической формы, выполняющего функцию формирователя сигнала, соответствующего величине напряженности магнитного поля.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении механической добротности и надежности при регистрации магнитной индукции постоянных и переменных магнитных полей в широком диапазоне частот.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике магнитного поля, содержащем полый цилиндрический сердечник, вокруг
которого расположена многовитковая обмотка катушки возбуждения, сердечник датчика выполнен в виде цилиндра из пьзоактивното материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены электроды для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах, а катушка возбуждения выполнена с возможностью связи с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра сердечника.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - поперечный разрез датчика магнитного поля;
фиг.2 - график напряженности магнитного поля, полученный по результатам замера с использованием датчика согласно полезной модели.
Устройство датчика приведено на фиг 1. Он содержит полый цилиндрический сердечник в виде цилиндра 1 из пьзоактивното материала, поляризованного по радиусу, на внутренней и на наружной поверхности которого нанесены металлические электроды 2 для связи с устройством регистрации напряжения на указанных электродах. Многовитковая катушка возбуждения 3 расположена вокруг полого цилиндрического сердечника. Ее контакты связаны с источником тока для возбуждения с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра сердечника.
Датчик работает следующим образом. На катушку возбуждения 3 подается напряжение Uвозб с частотой, соответствующей резонансу собственных радиальных колебаний цилиндра 1. При этом в электродах 2 будут наводиться токи магнитной индукции, если датчик поместить в
аксиальное магнитное поле Н, то на электроды будет действовать переменная сила Фарадея с частотой резонанса. В результате в цилиндре возникнут механические колебания на собственном резонансе, а на электродах появится переменный ток Uвых пропорциональный как постоянному магнитному полю, так и величине тока в катушке возбуждения. Отсюда следует, что датчик может регистрировать как постоянное магнитное поле, так и переменное на частоте резонанса. Работа датчика на частоте резонанса пьезоактивного цилиндра обусловлена значительным усилением эффекта, определяемой механической добротностью.
На фиг.2 показаны результаты измерения растущей напряженности магнитного поля Н с применением патентуемого датчика. Видна линейная зависимость, четко отражающая высокую чувствительность и прямую зависимость между величиной магнитного поля и формируемого на электродах переменного тока Uвых.
Настоящая полезная модель промышленно применима, может быть изготовлена с использованием известных технологий, а испытания показали достаточно высокую механическую добротность при использовании датчика магнитного поля в динамических условиях работы.