ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
DIFFERENTIAL SENSOR OF PERMANENT MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянного магнитного поля.
Для измерения напряженности постоянного магнитного поля в настоящее время используются датчики, принцип действия которых основан на следующих эффектах [см. Электрические измерения. Средства и методы измерений. Под редакцией Е.Г.Шрамкова, М., Высшая школа, 1972, 520 с.]:
1. магнитометрические датчики, основанные на действии магнитного поля на магнитную стрелку;
2. индукционные датчики, основанные на измерении эдс, возникающей в результате явления электромагнитной индукци;
3. пондеромоторные датчики, основанные на измерении силы, действующей на образец в неоднородном магнитном поле;
4. датчики Холла, основанные на измерении ЭДС Холла, возникающей на образце в результате эффекта Холла.
Магнитометрические датчики просты в исполнении, однако имеют большую погрешность.
Индукционные датчики связаны с необходимостью вращать, либо передвигать контур и также имеют небольшую чувствительность.
Датчики Холла имеют максимальную чувствительность до 1 мВ/Э [см. Бараночников М.Л. Микромагнетоэлектроника. М.: ДМК Пресс, 2001, 554 с.] и основаны на измерении постоянного сигнала, что значительно понижает его помехоустойчивость.
Известны также датчики, получившие название «сквид» (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device «сверхпроводящий квантовый интерферометр») [см. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. Физика и применение. М.: Мир, 1984, 639 с.]. Их принцип действия основан на измерении разности фаз, возникающей при прохождении электронов через сверхпроводящее кольцо с двумя переходами Джозефсона в магнитном поле. Этот способ имеет максимальную чувствительность, однако его применение связано с использованием веществ, находящихся в сверхпроводящем состоянии, что значительно осложняет его использование при проведении измерений.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является датчик магнитного поля, основанный на измерении напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитоэлектрический материал, при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока [см. Патент RU, №2244318, G01R 33/02, 10.01.2005].
Недостатком данного способа является использование при измерениях большого импульса тока, вследствие чего необходимо обеспечить хороший теплообмен с подложкой.
Задача изобретения - упростить конструкцию датчика, повысить чувствительность и помехоустойчивость измерений напряженности постоянного магнитного поля при обычных температурах.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном датчике постоянного магнитного поля, содержащем чувствительный элемент из магнитоэлектрического композита с нанесенными на него токопроводящими контактами, чувствительный элемент расположен между катушками Гельмгольца, создающими переменное магнитное поле, причем, при помещении чувствительного элемента в постоянное магнитное поле, возникающая разность амплитудных значений двух соседних максимумов пропорциональна напряженности постоянного магнитного поля.
Для пояснения предлагаемого изобретения предложены чертежи.
На фиг.1 представлена конструкция датчика.
На фиг.2 представлена типичная осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора.
На фиг.3 представлены выходные характеристики датчика магнитного поля.
Датчик магнитного поля состоит из конденсатора, представляющего собой образец 1, изготовленный из магнитострикционно-пьезоэлектрического композита, на который нанесены токопроводящие контакты 2. Образец расположен между катушек Гельмгольца 3, создающих переменное магнитное поле.
При помещении конденсатора в магнитное поле в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов. Поскольку магнитострикция является квадратичным по намагниченности эффектом [Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения М.: Наука, 1987, 160 с.], то в области, далекой от насыщения, величина механических напряжений пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. Вследствие этого возникающее на обкладках конденсатора электрическое напряжение также будет пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Это приводит к тому, что при помещении конденсатора в переменное магнитное поле с частотой ω на обкладках конденсатора возникает электрическое напряжение с удвоенной частотой.
В основу теоретического описания принципа работы положены основные уравнения, связывающие между собой электрические, магнитные и упругие свойства материала. Используя уравнения движения среды и материальные уравнения, можно показать [Филиппов Д.А. Теория магнитоэлектрического эффекта в гетерогенных структурах на основе ферромагнетик-пьезоэлектрик // ФТТ, 2005, т.47, №6, с.1082-1084], что величина разности потенциалов U, возникающей на обкладках конденсатора, в низкочастотной области спектра определяется выражением:
m
p
m
p
2
2
Здесь Н - напряженность магнитного поля, t, t - толщина магнитострикционного и пьезоэлектрического слоя, Y, Y - модули Юнга магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, d - пьезоэлектрический модуль, Pε - диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика, g=δλ/(δH) - магнитострикционный коэффициент, λ - магнитострикционная деформация,  - безразмерный параметр,  - квадрат коэффициента электромеханической связи.
m
m
0
Если магнитное поле представляет сумму двух полей, переменного H(t)=Hcos(ωt) с амплитудой Н и постоянного величиной Н, то амплитуда выходного сигнала на конденсаторе будет пропорциональна квадрату результирующего поля, т.е.
m
2
U(t)=C-(Hcos(ωt)+H0), (2)
где  - постоянная величина, зависящая от магнитострикционных, пьезоэлектрических и упругих свойств структуры.
В результате выходной сигнал будет представлять сумму двух сигналов:
1
2
U(t)=U(t)+U(t), (3)
1
m
2
0
m
2
где U(t)=C(Hcos(ωt)) - переменный сигнал с удвоенной частотой, U(t)=C -ННcos(ωt) - переменный сигнал с обычной частотой ω.
Разность двух соседних амплитудных значений сигнала будет в этом случае пропорциональна величине постоянного магнитного поля, т.е.
m
m
0
ΔU=2C HH, (4)
Используя формулу (4), для величины постоянного магнитного поля получим выражение
m
0
ΔU=k*H,  (5)
m
где чувствительность k=2CH.
0
На фиг.2 представлена осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора при помещении его в переменное магнитное поле с частотой ω и постоянное магнитное поле напряженностью H.
Разность величины сигнала в двух соседних максимумах будет пропорциональна величине напряженности постоянного магнитного поля.
m.
В таблице 1 представлены результаты измерений разности амплитудных значений напряжения двух соседних максимумов, в зависимости от величины постоянного магнитного поля при различных значениях напряженности переменного магнитного поля НВ качестве диэлектрика конденсатора использовалась структура пермендюр-цирконат-титанат-свинца-пермендюр. Образцы имели прямоугольную форму. Длина образца 20 мм, ширина 5 мм, толщина пьезоэлектрика - 0,35 мм и толщина одной пластины пермендюра - 0,175 мм.
0
m·
m
m
m
m
На фиг.3 представлены графики полученных зависимостей разности амплитудных значений напряжения ΔU от величины постоянного магнитного поля H при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля H 1-Н=10Э, 2-Н=20Э, 3-Н=30Э, 4-Н=40Э.
Как следует из данных, представленных в таблице 1, и графиков, представленных на фиг.3, в полном соответствии с формулой (4), наблюдается линейная зависимость разности амплитудных значений напряжения между соседними максимумами при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля. Чувствительность способа зависит от величины напряженности переменного магнитного поля, возрастая с ее величиной. Для данных значений магнитного поля она достигает величины 10 мВ/Э при амплитудных значениях напряженности переменного магнитного поля 40Э, что превосходит чувствительность датчиков Холла.
Перед проведением измерений сначала производят калибровку структуры, определяя ее чувствительность. Для этого измеряют разность амплитудных значений напряжения при помещении конденсатора в переменное и постоянное магнитные поля известной величины и определяют величину C. Затем, зная чувствительность прибора, производят измерение разности потенциалов, и по формуле (5) определяют величину постоянного магнитного поля.
Особо следует отметить, что поскольку оба сигнала (с одинарной и удвоенной частотой) формируются от одного источника, то разность фаз между ними остается постоянной, что позволяет суммировать разность амплитудных значений в течение некоторого отрезка времени, что значительно повышает чувствительность датчика.
Использование предлагаемого датчика позволяет повысить чувствительность измерений и улучшить помехоустойчивость при измерении.
Таблица 1
Дифференциальный датчик постоянного магнитного поля
Напряженность постоянного поля Н<sub>0</sub>, Э
Разность амплитудных значений напряжения напряженности переменного поля
ΔU, мВ при
H<sub>m</sub>=10 Э
Н<sub>m</sub>=20 Э
Н<sub>m</sub>=30 Э
Н<sub>m</sub>=40 Э
0
0
0
0
0
0.34
0.6
1.38
2.0
3.33
0.68
1.15
2.75
4.25
6.66
1.03
1.75
4.0
6.75
10.0
1.71
2.9
6.63
11.25
16.7
2.39
4.2
9.13
16.0
24.4
3.42
6.25
13.25
23.0
34.4
5.13
9.13
20.0
34.0
51.4